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Les isotopes du plutonium

Plutonium-239 mais aussi 238, 240, 241, 242 …

Les actinides majeurs générés par des captures de neutrons dans un combustible à base d’uranium sont des isotopes du plutonium. Si on n’extrait pas cet élément du combustible usé pour le recycler comme matière fissile, sa radiotoxicité devient après quelques dizaines d’années prépondérante bien qu’il ne constitue que 1 % du poids du combustible irradié.

Des captures de neutrons
Des captures multiples de neutrons sont à l’origine de la formation des isotopes du plutonium et des actinides dans les réacteurs. Cette carte des noyaux, montre comment une suite de captures de neutrons et de désintégrations bêta conduit aux isotopes du plutonium. Dans le cas du plutonium-239 et du plutonium-241, la capture de neutrons lents déclenche dans la majorité des cas une fission. Des neutrons rapides sont capables de fissionner les autres isotopes du plutonium.
© IN2P3 ©

En raison du rôle crucial joué par le plutonium-239, on oublie souvent que le plutonium comporte d’autres isotopes. Dans le cas d’un réacteur conventionnel à eau pressurisée brûlant de l’uranium enrichi, l’isotope 239 ne constitue que 58 % du plutonium retrouvé dans le combustible. Un second isotope, le plutonium-241 est également fissile, ce qui porte à 70 % la proportion d’isotopes fissiles.

Les autres isotopes du plutonium présents sont les isotopes 238, 240 et 242. Le plutonium-238 provient de captures dans l’uranium-235 non suivies de fission.

La radioactivité du plutonium provient surtout de deux isotopes à durée de vie relativement courte : l’isotope 241 (14,4 ans de période) et l’isotope 238 (88 ans de période). Le plutonium-238 est utilisé comme source d’énergie pour des missions lointaines dans l’espace. Sa période radioactive de l’ordre du siècle garantit une longue utilisation et il n’émet pas de rayons gamma dangereux.

Bien que présent seulement à raison de 12 %, le plutonium-241 contribue à pratiquement 100 % de l’activité du plutonium dans les premiers temps. Toutefois, émetteur bêta (il se transforme en américium-241), il est moins toxique que les isotopes 238, 239, 240 et 242 qui sont émetteurs alpha.

Parmi ces derniers, c’est l’isotope 238 qui contribue le plus au départ à la radiotoxicité en raison de sa durée de vie de l’ordre d’une centaine d’années. A long terme, le relais est pris par les isotopes-239, 240 et 242 à vie longue : activité et toxicité ont alors beaucoup décru, les isotopes du plutonium à vie courte ayant disparu.

Caractéristiques des isotopes du plutonium en réacteur
Masses des isotopes du plutonium produits annuellement dans le combustible d’un réacteur conventionnel à eau pressurisé ayant subi une irradiation standard de 33 Gigawatt-jours et après 3 ans de refroidissement. Ces quantités sont ramenées à une tonne et aux 23 tonnes de la consommation annuelle d’uranium. A droite périodes radioactives de ces isotopes avec leur facteur de dose, estimateur de leur toxicité potentielle.
© Source CEA ©

Le plutonium est responsable de 97,5 % de l’activité radioactive et de 66 % de la toxicité potentielle des actinides dans le combustible sorti des réacteurs. S’il n’est pas recyclé et reste dans le combustible, le plutonium devient la principale source de toxicité quand les produits de fission ont pratiquement disparu. Par contre si on le fait disparaître des déchets grâce à un retraitement, la radioactivité résiduelle (due aux actinides mineurs) est divisée par 7.

La composition en isotopes dépend naturellement du combustible uutilisé et de son degré d’irradiation – le burn-up – au terme de son séjour en réacteur. En particulier, les combustibles qui contiennent au départ du plutonium – comme le MOX – en contiennent davantage en sortie.

SUITE :
–  Propriétés du plutonium
Plutonium-238

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