Plutonium-239 - Plutonium-239

Plutonium-239,  239 Pu
Anneau de plutonium.jpg
Un anneau de plutonium pur à 99,96 %
Général
symbole 239 Pu
Des noms plutonium-239, Pu-239
Protons 94
Neutrons 145
Données sur les nucléides
Demi-vie 24 110 ans
Isotopes parents 243 cm  ( α )
239 Am  ( CE )
239 Np  ( β - )
Produits de décomposition 235 U
Masse isotopique 239.0521634 u
Tourner + Une / deux
Modes de décomposition
Mode de décomposition Énergie de désintégration ( MeV )
Désintégration alpha 5.156
Isotopes du plutonium
Tableau complet des nucléides

Le plutonium-239 ( 239 Pu, Pu-239) est un isotope du plutonium . Le plutonium-239 est le principal isotope fissile utilisé pour la production d' armes nucléaires , bien que l' uranium-235 soit également utilisé à cette fin. Le plutonium-239 est également l'un des trois principaux isotopes démontrés utilisables comme combustible dans les réacteurs nucléaires à spectre thermique , avec l' uranium-235 et l' uranium-233 . Le plutonium 239 a une demi-vie de 24 110 ans.

Propriétés nucléaires

Les propriétés nucléaires du plutonium 239, ainsi que la capacité de produire de grandes quantités de 239 Pu presque pur à moindre coût que l' uranium 235 hautement enrichi de qualité militaire, ont conduit à son utilisation dans les armes nucléaires et les centrales nucléaires . La fission d'un atome d'uranium-235 dans le réacteur d'une centrale nucléaire produit deux à trois neutrons, et ces neutrons peuvent être absorbés par l'uranium-238 pour produire du plutonium-239 et d'autres isotopes . Le plutonium-239 peut également absorber les neutrons et la fission avec l'uranium-235 dans un réacteur.

De tous les combustibles nucléaires courants, le 239 Pu a la plus petite masse critique . Une masse critique sphérique non tassée est d'environ 11 kg (24,2 lb), 10,2 cm (4") de diamètre. En utilisant des déclencheurs appropriés, des réflecteurs à neutrons, une géométrie d'implosion et des sabotages, la masse critique peut être inférieure à la moitié de celle-ci. Cette optimisation nécessite généralement une grande organisation de développement nucléaire soutenue par une nation souveraine .

La fission d'un atome de 239 Pu génère 207,1 MeV = 3,318 × 10 -11 J, soit 19,98 TJ/ mol = 83,61 TJ/kg, soit environ 23 222 915 kilowattheures/kg.

source de rayonnement (fission thermique de 239 Pu) énergie moyenne libérée [MeV]
Énergie cinétique des fragments de fission 175,8
Énergie cinétique des neutrons prompts     5.9
Énergie transportée par les rayons prompts     7.8
Énergie instantanée totale 189,5
Énergie des particules −     5.3
Énergie des antineutrinos     7.1
Énergie des rayons retardés     5.2
Total des produits de fission en décomposition   17.6
Énergie libérée par capture radiative de neutrons prompts   11,5
Chaleur totale dégagée dans un réacteur à spectre thermique (les anti-neutrinos ne contribuent pas) 211,5

Production

Le plutonium est fabriqué à partir d' uranium-238 . Le 239 Pu est normalement créé dans les réacteurs nucléaires par transmutation d'atomes individuels de l'un des isotopes de l'uranium présents dans les barres de combustible. Parfois, lorsqu'un atome de 238 U est exposé à un rayonnement neutronique , son noyau capture un neutron , le changeant en 239 U . Cela se produit plus facilement avec une énergie cinétique plus faible (car l' activation de la fission de 238 U est de 6,6 MeV). Le 239 U puis subit rapidement deux ß - désintégrations - une émission d'un électron et un antineutrino ( ), laissant un proton - le premier ß - désintégration transformer le 239 U en neptunium-239 , et le second ß - désintégration transformant le 239 Np en 239 Pu :

L'activité de fission est relativement rare, donc même après une exposition importante, le 239 Pu est encore mélangé avec une grande quantité de 238 U (et peut-être d'autres isotopes de l'uranium), de l'oxygène, d'autres composants du matériau d'origine et des produits de fission . Ce n'est que si le combustible a été exposé pendant quelques jours dans le réacteur que le 239 Pu peut être chimiquement séparé du reste du matériau pour donner du métal 239 Pu de haute pureté .

Le 239 Pu a une probabilité de fission plus élevée que le 235 U et un plus grand nombre de neutrons produits par événement de fission, il a donc une masse critique plus petite . Le Pu 239 pur a également un taux d'émission de neutrons raisonnablement faible en raison de la fission spontanée (10 fission/s-kg), ce qui permet d'assembler une masse hautement supercritique avant le début d'une réaction en chaîne de détonation .

En pratique, cependant, le plutonium issu des réacteurs contiendra invariablement une certaine quantité de 240 Pu en raison de la tendance du 239 Pu à absorber un neutron supplémentaire pendant la production. Le 240 Pu a un taux élevé d'événements de fission spontanés (415 000 fission/s-kg), ce qui en fait un contaminant indésirable. En conséquence, le plutonium contenant une fraction significative de 240 Pu n'est pas bien adapté à une utilisation dans les armes nucléaires ; il émet des rayonnements neutroniques, rendant la manipulation plus difficile, et sa présence peut conduire à un « pétillement » dans lequel une petite explosion se produit, détruisant l'arme mais n'entraînant pas la fission d'une fraction importante du combustible. (Cependant, dans les armes nucléaires modernes utilisant des générateurs de neutrons pour l'amorçage et l' amplification de la fusion pour fournir des neutrons supplémentaires, le pétillement n'est pas un problème.) C'est à cause de cette limitation que les armes à base de plutonium doivent être de type implosion plutôt que de type canon. De plus, le 239 Pu et le 240 Pu ne peuvent pas être distingués chimiquement, une séparation isotopique coûteuse et difficile serait donc nécessaire pour les séparer. Le plutonium de qualité militaire est défini comme ne contenant pas plus de 7% 240 Pu; ceci est réalisé en exposant seulement le 238 U à des sources de neutrons pendant de courtes périodes de temps pour minimiser le 240 Pu produit.

Le plutonium est classé selon le pourcentage du contaminant plutonium-240 qu'il contient :

  • Supergrade 2-3%
  • Classe d'armes 3-7%
  • Carburant 7–18%
  • Grade réacteur 18 % ou plus

Un réacteur nucléaire qui est utilisé pour produire du plutonium pour des armes donc a généralement un moyen pour exposer 238 U au rayonnement de neutrons et pour remplacer fréquemment irradié 238 U avec le nouveau 238 U. Un réacteur en cours d' exécution sur l' uranium non enrichi ou modérément enrichi contient beaucoup de 238 U. Cependant, la plupart des conceptions de réacteurs nucléaires commerciaux nécessitent l'arrêt de l'ensemble du réacteur, souvent pendant des semaines, afin de changer les éléments combustibles. Ils produisent donc du plutonium dans un mélange d'isotopes peu adapté à la construction d'armes. Un tel réacteur pourrait avoir des machines ajoutées qui permettraient de placer des cartouches de 238 U près du cœur et de les changer fréquemment, ou il pourrait être arrêté fréquemment, de sorte que la prolifération est un problème ; pour cette raison, l' Agence internationale de l'énergie atomique inspecte souvent les réacteurs autorisés. Quelques conceptions commerciales de réacteurs de puissance, comme le reaktor bolshoy moshchnosti kanalniy ( RBMK ) et le réacteur à eau lourde sous pression ( PHWR ), permettent le ravitaillement en combustible sans arrêt, et ils peuvent présenter un risque de prolifération. (En fait, le RBMK a été construit par l'Union soviétique pendant la guerre froide, donc malgré leur objectif apparemment pacifique, il est probable que la production de plutonium ait été un critère de conception.) En revanche, le CANDU canadien alimenté à l'uranium naturel modéré à l'eau lourde le réacteur peut également être ravitaillé en fonctionnement , mais il consomme normalement la plupart des 239 Pu qu'il produit in situ ; ainsi, il est non seulement intrinsèquement moins prolifératif que la plupart des réacteurs, mais peut même être exploité comme un "incinérateur d'actinides". L' IFR (Integral Fast Reactor) américain peut également fonctionner en « mode incinération », présentant certains avantages en n'accumulant pas l' isotope du plutonium 242 ou les actinides à vie longue , qui ne peuvent être facilement brûlés que dans un réacteur rapide. De plus, le carburant IFR contient une proportion élevée d'isotopes consommables, tandis que dans le CANDU, un matériau inerte est nécessaire pour diluer le carburant; cela signifie que l'IFR peut brûler une fraction plus élevée de son combustible avant d'avoir besoin d'être retraité. La plupart du plutonium est produit dans des réacteurs de recherche ou des réacteurs de production de plutonium appelés réacteurs surgénérateurs car ils produisent plus de plutonium qu'ils n'en consomment ; en principe, ces réacteurs utilisent de manière extrêmement efficace l'uranium naturel. En pratique, leur construction et leur exploitation sont suffisamment difficiles pour qu'elles ne soient généralement utilisées que pour produire du plutonium. Les surgénérateurs sont généralement (mais pas toujours) des réacteurs à neutrons rapides , car les neutrons rapides sont un peu plus efficaces pour la production de plutonium.

Le plutonium 239 est plus fréquemment utilisé dans les armes nucléaires que l'uranium 235, car il est plus facile à obtenir en quantité de masse critique . Le plutonium-239 et l'uranium-235 sont tous deux obtenus à partir d'uranium naturel , qui se compose principalement d'uranium-238 mais contient des traces d'autres isotopes de l'uranium tels que l' uranium-235 . Le processus d' enrichissement de l'uranium , c'est-à-dire l'augmentation du rapport de 235 U à 238 U par rapport à la qualité militaire , est généralement un processus plus long et plus coûteux que la production de plutonium 239 à partir de 238 U et son retraitement ultérieur .

Plutonium supergrade

Le combustible de fission « supergrade », moins radioactif, est utilisé dans l'étage primaire des armes nucléaires de l' US Navy à la place du plutonium conventionnel utilisé dans les versions de l'Air Force. "Supergrade" est le jargon de l' industrie pour l'alliage de plutonium contenant une fraction exceptionnellement élevée de 239 Pu (> 95 %), laissant une très faible quantité de 240 Pu, qui est un isotope de fission spontanée élevé (voir ci-dessus). Ce plutonium est produit à partir de crayons combustibles qui ont été irradiés pendant un temps très court mesuré en MW-jour/tonne de combustion . Des durées d'irradiation aussi courtes limitent la quantité de capture de neutrons supplémentaires et donc l'accumulation de produits isotopiques alternatifs tels que 240 Pu dans la tige, et sont également considérablement plus coûteuses à produire, nécessitant beaucoup plus de tiges irradiées et traitées pour une quantité donnée de plutonium. .

Le plutonium-240, en plus d'être un émetteur de neutrons après la fission, est un émetteur gamma et est donc responsable d'une grande partie du rayonnement des armes nucléaires stockées. Qu'ils soient en patrouille ou au port, les membres d'équipage de sous - marins vivent et travaillent régulièrement à proximité immédiate d'armes nucléaires stockées dans des salles de torpilles et des tubes de missiles, contrairement aux missiles de l'Air Force où les expositions sont relativement brèves. La nécessité de réduire l'exposition aux rayonnements justifie les coûts supplémentaires de l'alliage de qualité supérieure utilisé sur de nombreuses armes nucléaires navales. Le plutonium supergrade est utilisé dans les ogives W80 .

Dans les réacteurs nucléaires

Dans tout réacteur nucléaire en fonctionnement contenant du 238 U, du plutonium 239 s'accumulera dans le combustible nucléaire. Contrairement aux réacteurs utilisés pour produire du plutonium de qualité militaire, les réacteurs nucléaires commerciaux fonctionnent généralement à un taux de combustion élevé qui permet à une quantité importante de plutonium de s'accumuler dans le combustible irradié des réacteurs. Le plutonium 239 sera présent à la fois dans le cœur du réacteur en fonctionnement et dans le combustible nucléaire usé qui aura été retiré du réacteur à la fin de la durée de vie de l'assemblage combustible (typiquement plusieurs années). Le combustible nucléaire usé contient généralement environ 0,8 % de plutonium 239.

Le plutonium 239 présent dans le combustible des réacteurs peut absorber les neutrons et la fission tout comme l'uranium 235. Étant donné que le plutonium 239 est constamment créé dans le cœur du réacteur pendant le fonctionnement, l'utilisation du plutonium 239 comme combustible nucléaire dans les centrales électriques peut se faire sans retraitement du combustible usé ; le plutonium 239 est fissionné dans les mêmes crayons combustibles dans lesquels il est produit. La fission du plutonium 239 fournit plus d'un tiers de l'énergie totale produite dans une centrale nucléaire commerciale typique. Le combustible du réacteur accumulerait bien plus que 0,8 % de plutonium 239 au cours de sa durée de vie si une partie du plutonium 239 n'était pas constamment "brûlée" par fission.

Un faible pourcentage de plutonium 239 peut être délibérément ajouté au combustible nucléaire frais. Un tel combustible est appelé combustible MOX (oxyde mixte) car il contient un mélange de dioxyde d'uranium (UO 2 ) et de dioxyde de plutonium (PuO 2 ). L'ajout de plutonium 239 réduit la nécessité d' enrichir l'uranium dans le combustible.

Dangers

Le plutonium-239 émet des particules alpha pour devenir de l' uranium-235 . En tant qu'émetteur alpha, le plutonium-239 n'est pas particulièrement dangereux en tant que source de rayonnement externe, mais s'il est ingéré ou respiré sous forme de poussière, il est très dangereux et cancérigène . Il a été estimé qu'une livre (454 grammes) de plutonium inhalé sous forme de poussière d'oxyde de plutonium pourrait donner le cancer à deux millions de personnes. Cependant, le plutonium ingéré est de loin moins dangereux car seule une infime fraction est absorbée dans le tractus gastro-intestinal. 800 mg seraient peu susceptibles de provoquer un risque sanitaire majeur en ce qui concerne les rayonnements. En tant que métal lourd , le plutonium est également toxique. Voir aussi Plutonium#Précautions .

Le plutonium de qualité militaire (avec plus de 90 % de 239 Pu) est utilisé pour fabriquer des armes nucléaires et présente de nombreux avantages par rapport aux autres matières fissiles à cette fin. Des proportions plus faibles de 239 Pu rendraient la conception d'une arme fiable difficile, voire impossible ; ceci est dû à la fission spontanée (et donc à la production de neutrons) du 240 Pu indésirable .

Voir également

Les références

Liens externes


Briquet :
plutonium-238
Le plutonium-239 est un
isotope du plutonium
Plus lourd :
plutonium-240
Produit Decay de:
curium-243 ( α )
américium-239 ( CE )
neptunium-239 ( β- )
Chaîne
de désintégration du plutonium-239
Se désintègre en :
uranium-235 (α)