Trois isotopes naturels, trois isotopes produits en réacteur
L’uranium naturel est constitué principalement d’uranium-238 accompagné de 0,7 % d’uranium-235 et d’une quantité infime d’isotope 234. Trois isotopes, les uraniums 236, 233 et 232, sont également produits en réacteurs à partir de l’uranium-235 et du thorium. Ces trois isotopes naturels et ces trois isotopes artificiels sont tous émetteurs alpha.
Formation des isotopes 236, 233 et 232
Les isotopes 236, 233 et 232 de l’uranium sont formés dans les réacteurs à partir de captures de neutrons non suivies de fission. L’uranium-236 est formé lors d’une simple capture radiative par un noyau d’uranium 235 par opposition aux captures qui provoquent la fission. L’uranium-233 est formé par une capture similaire par un noyau naturel de thorium, suivie de deux transformations radioactives. Cet uranium 233 est lui-même fissile. Soumis au flux de neutrons d’un réacteur, il lui arrive de se transformer en uranium 232 par une réaction de capture particulière (n,2n) suivie de l’expulsion de deux neutrons.
© IN2P3
Trois isotopes naturels
L’uranium 238 constitue à lui seul 99,3 % de l’uranium nature. Il possède la durée de vie la plus longue : sa période radioactive est de 4,5 milliards d’années, soit à peu près l’âge de la Terre. Il est très peu radioactif. Sa très longue période explique qu’il soit encore présent dans la croûte terrestre. Dans un réacteur, la capture de neutrons par ce noyau aboutit à la formation de plutonium 239 fissile. Lui même peu fissile, l’U-238 contribue à la marche des réacteurs et à la production d’électricité par l’intermédiaire de ce plutonium. Son impressionnant potentiel d’énergie de fission demeure encore largement inexploité. L’objet des réacteurs surgénérateurs de quatrième génération est de récupérer ce potentiel.
L’uranium 235, seul noyau fissile existant à l’état naturel, sert de combustible pour les réacteurs et d’explosif pour l’arme atomique. Cet isotope excessivement rare, présent à raison de 0,7 % dans l’uranium naturel est de ce fait un matériau éminemment stratégique et convoité. Sa période excessivement longue, 700 millions d’années, est toutefois 6,5 fois plus courte que celle de l’isotope 238. À l’époque de la formation de la Terre, l’U-235 était 85 fois plus abondant et les 0,7 % d’aujourd’hui ne sont plus que le pâle résidu de cette abondance passée. Si les humains avaient été présents à cette époque, ils n’auraient pas eu besoin d’enrichir leur uranium pour faire fonctionner leurs réacteurs ou fabriquer leurs bombes atomiques !
L’uranium 234 est le premier descendant à vie longue de l’uranium 238. Dans un échantillon d’uranium d’origine naturelle, ces noyaux sont présents dans les proportions immuables – celles de l’équilibre radioactif – à raison d’un atome d’uranium 234 pour 18 800 atomes d’uranium 238. Les deux isotopes contribuent de manière égale aux radiations émises par cet uranium.
Trois isotopes artificiels
L’uranium 236 est formé dans le combustible nucléaire à partir de l’uranium 235, lors de captures qui n’ont pas provoqué de fissions. La présence de cet isotope dans un échantillon d’uranium signifie que cet échantillon est passé en réacteur.
L’uranium 233 est un noyau fissile qui n’existe pas naturellement comme le plutonium 239, dont il est proche par son mode de production. Il est produit par des captures de neutrons dans des réacteurs contenant du thorium. Fissile par des neutrons rapides et des neutrons lents, ce noyau possède des caractéristiques intéressantes pour la production d’énergie. Les réacteurs au thorium et à l’uranium 233 constituent l’une des options étudiées pour les futurs réacteurs de quatrième génération.
L’uranium 232 est un sous produit des réacteurs marchant au thorium et l’uranium 233. La formation de cet isotope résulte de captures particulières de neutrons par l’uranium 233 qui provoquent l’éjection de deux neutrons. L’uranium 232 possède une période assez courte de 68,9 ans, mais surtout sa filiation radioactive génère assez vite un descendant, le thallium 208, émetteur de rayons gamma de 2,6 MeV très énergiques et très pénétrants. Ces radiations intenses rendent la manipulation de matières fissiles à l’uranium 233 contaminé par l’uranium 232, beaucoup plus dangereuses que celles classiques à l’uranium 235 ou au plutonium 239. Elles sont un obstacles à la prolifération de bombes qui utiliseraient l’uranium 233.
Comparaison des propriétés radioactives
Les principaux isotopes de l’uranium présentés dans cette table possèdent des vies moyennes extrêmement longues à l’exception de l’uranium 232. Tous sont émetteurs de rayons alpha de 4 à 5 MeV d’énergie. Les colonnes à droite de la table montrent la présence d’un rayonnement gamma de faible énergie et de rares désintégrations bêta. Les activités spécifiques (activités ramenées à 1 gramme) sont en raison inverse des périodes.
© ANL/Uranium fact sheet
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