La formation du plutonium-239
La transformation d’un noyau fertile en un noyau fissile …
L’uranium-238 constitue plus de 90 % de l’uranium présent dans le cœur des réacteurs. Il participe marginalement à la réaction en chaîne, mais il joue néanmoins un rôle d’appoint important. Par capture d’un neutron, il se transforme en noyau de plutonium-239 qui subira une fission s’il capte à son tour un neutron. D’une certaine façon, l’uranium-238 fissionne à retardement ou par personne interposée. Il génère du combustible sous forme de noyaux fissiles : il est dit fertile.
Génération du plutonium-239
La capture d’un neutron par un noyau d’uranium-238 aboutit à la formation au bout de quelques jours d’un noyau de plutonium-239 fissile. Le noyau d’uranium-239 résultant de la capture du neutron est radioactif bêta-moins. Par émission d’un électron et d’un antineutrino, il se transforme en neptunium-239, qui étant lui-même instable se transforme à son tour de la même façon en plutonium-239.
© IN2P3
Le mécanisme de génération du plutonium comprend plusieurs étapes. En captant un neutron, l’uranium-238 devient de l’uranium-239 qui se transforme rapidement par rayonnement bêta en neptunium-239. Puis, ce neptunium se métamorphose à son tour par rayonnement bêta, au bout de 3 jours en moyenne, en un nouveau noyau : le plutonium-239. Ce radioélément est fissile, comme l’uranium-235.
Le plutonium-239 est un bon combustible nucléaire : fissionné par des neutrons rapides, il libère en moyenne 2,30 neutrons secondaires par neutron capturé. Un des neutrons secondaires étant requis pour l’entretien de la réaction en chaîne, il en reste 1,30 disponibles.
Si un de ces neutrons disponibles est capturé par un noyau d’uranium-238 pour se transformer à terme en plutonium-239, le réacteur produit autant de combustible qu’il en consomme. Quand plus d’un neutron produit du plutonium (au prix d’une bonne configuration du cœur du réacteur), le réacteur est dit « surgénérateur » ou en anglais breeder. Dans le cas contraire, le réacteur est dit « sous-générateur ». Les seuls réacteurs ayant fonctionné en surgénérateurs, sont des réacteurs à neutrons rapides.
Les conditions de la régénération sont très loin d’être satisfaites pour les réacteurs conventionnels du parc électronucléaire qui utilisent des neutrons lents, mais des quantités significatives de plutonium sont générées dans le combustible irradié.
Pour le parc mondial, la quantité de plutonium produite depuis l’origine était estimée en l’an 2000 à 1400 tonnes, cette quantité – dont 60 % de plutonium-239 – s’accroissant de 70 tonnes par an.
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