Plutonium 238

Le plutonium 238, noté 238Pu, est l'isotope du plutonium dont le nombre de masse est égal à 238 : son noyau atomique compte 94 protons et 144 neutrons avec un spin 0+ pour une masse atomique de 238,049 56 g/mol. Il est caractérisé par un excès de masse de 46 163 keV et une énergie de liaison nucléaire par nucléon de 7 568,36 keV[1]. Un gramme de plutonium 238 présente une radioactivité α de 633,2 GBq[2].

Plutonium 238
Cylindre de dioxyde de plutonium 238 238PuO2 luisant sous l'effet de sa propre chaleur de désintégration.

table

Général
Nom Plutonium 238
Symbole 238
94Pu
144
Neutrons 144
Protons 94
Données physiques
Demi-vie 87,7 ± 0,1 ans[1]
Produit de désintégration 234U
Masse atomique 238,0495582(12) u
Spin 0+
Excès d'énergie 46 163,1 ± 1,1 keV[1]
Énergie de liaison par nucléon 7 568,361 ± 0,005 keV[1]
Production radiogénique
Isotope parent Désintégration Demi-vie
238
93Np 		β− 2,099(2) jours
238
95Am 		β+ 98(2) min
242
96Cm 		α 162,8(2) jours
Désintégration radioactive
Désintégration Produit Énergie (MeV)
α 234
92U 		5,5932

Durant les années 1960 et 1970, les scientifiques du Laboratoire américain de Los Alamos ont mis au point une utilisation du plutonium 238 pour fournir l'énergie nécessaire à des pacemakers[3].

Propriétés nucléaires

Le plutonium 238 donne de l'uranium 234 par désintégration α avec une énergie de désintégration de 5,593 MeV, une puissance spécifique d'environ 567 W/kg et une période radioactive de 87,75 ans :

238
94Pu 234
92U.

Il appartient ainsi à la même famille de désintégration que l'uranium 238.

Le 234U donne ensuite, à son tour, du thorium 230 par désintégration α avec une période de 245 500 ans, donc à un rythme relatif extrêmement faible. L'essentiel de la radioactivité du plutonium 238 correspond donc à la désintégration de cet élément.

Le 238Pu est donc un puissant émetteur de rayonnement α, ce qui en fait l'isotope de loin le plus utilisé dans les générateurs de chaleur et les générateurs thermoélectriques à radioisotopes qui alimentent les sondes spatiales et les équipements de haute technologie requérant une source d'énergie fiable sans maintenance (typiquement les dispositifs sous-marins de renseignement militaire) ; l'usage de polonium 210 à cette fin a été abandonné, malgré sa puissance, en raison de sa trop brève durée de vie.

Utilisation spatiale dans les RTG
RTG de Cassini. La mission de la sonde Cassini était initialement de 11 ans, d' à juin 2008. Elle a pu être étendue une première fois jusqu'en 2010, puis une seconde fois jusqu'en 2017, grâce à la bonne durée de vie de ses RTG.

Les sondes spatiales destinées à explorer les planètes lointaines ne peuvent pas dépendre de panneaux solaires : ces sondes sont donc équipées de générateurs à radioisotope afin de prendre le relais des panneaux solaires au-delà de l'orbite de Mars, comme les sondes Pioneer 10, Pioneer 11, Voyager 1, Voyager 2, Galileo, Ulysses, Cassini-Huygens, ou encore New Horizons. Ces générateurs permettent également aux robots déposés en surface des planètes de fonctionner la nuit, lorsque les panneaux solaires sont dans l'obscurité : les six Apollo Lunar Surface Experiments Packages déposés sur la Lune utilisent des GTR, tout comme les deux sondes martiennes Viking 1 et 2 et le rover Mars Science Laboratory.

La puissance thermique Pth générée par le plutonium 238 décroît à partir de la puissance initiale Pth0 en fonction du temps t écoulé, exprimé en années, à raison de : Pth( t ) = Pth0 × 0,5 ( t  ⁄  87,75 ) ; ce qui signifie qu'elle perd 1 – 0,5 ( 1  ⁄  87,75 ) = 0,787 % de puissance thermique par an. Dans le cas, par exemple, des sondes du programme Voyager, lancées en 1977, la puissance initiale des générateurs était de 470 W, et ne devait plus être 23 ans plus tard, en 2001, que de 392 W. Cependant :

  • compte tenu de la diminution de la chaleur produite par les éléments chauffant en oxyde de plutonium, la température de ceux-ci diminue (ainsi d'ailleurs que celle du radiateur) ;
  • le rendement de conversion des thermocouples bimétalliques convertissant en différence de potentiel le gradient de température généré par la désintégration du plutonium 238 diminue ; le rendement de conversion est sensiblement proportionnel à l'écart de température entre les points chauds et points froids des thermocouples, lequel est proportionnel à la puissance thermique qui diminue ;
  • en outre, un vieillissement des thermocouples se produit.

C'est ainsi que la puissance observée des générateurs de Voyager 1 et Voyager 2 en 2001 n'était plus respectivement que de 315 W et 319 W.

La variation de puissance électrique relative est ainsi grossièrement proportionnelle au carré de la puissance thermique produite :

  • ( ( 315 + 319 )  ⁄  2)  ⁄  470 = 317  ⁄  470 = 0,6745
  • ( 392  ⁄  470 ) 2 = 0,6953
  • le faible écart restant correspondant au vieillissement des thermocouples.

On peut voir ainsi que la puissance électrique délivrée Pe varie comme : Pe( t ) = Pe0 × 0,5 ( 2 t  ⁄  87,75 ) ; ce qui revient à dire que tout se passe comme si la période du radioisotope était divisée par 2.

On peut également dire que les thermocouples fonctionnaient à 80 % de leur rendement nominal.

La mission New Horizons, lancée le pour atteindre Pluton le , emporte près de 8 kg de plutonium 238 dans son RTG, qui fournissait une puissance électrique de l'ordre de 240 W au lancement, contre environ 190 W prévus à destination, soit donc environ 9,5 ans après.

Histoire

Le plutonium 238 est le premier isotope du plutonium à avoir été synthétisé par l'équipe de Glenn Seaborg en 1941[4] par bombardement d'uranium 238 par des ions deutérium D+ :

2
1D + 238
92U ⟶ 240
93Np* ⟶ 2 1
0n + ( 238
93Np ⟶ 238
94Pu + e− + νe ).

Production

Principe physique

On le produit par capture neutronique en irradiant du neptunium 237 isolé lors du traitement du combustible nucléaire usé : pour fixer les idées, 100 kg de combustible pour réacteur à eau légère irradié pendant trois ans ne contient que 700 grammes de neptunium 237, qui doit d'abord être purifié avant irradiation pour produire le plutonium 238, lequel doit ensuite être à son tour purifié en solution avant de pouvoir être utilisé sous forme de dioxyde de plutonium 238PuO2 :

1
0n + 237
93Np ⟶ 238
93Np 238
94Pu.

Réacteur nucléaire

Du plutonium 238 est également produit au sein des réacteurs nucléaires à la suite de capture neutronique successive sur l'uranium 235 et l'238 suivi de désintégration β− et/ou désintégration α[5].

Situation mondiale

L'essentiel du plutonium 238 utilisé de nos jours provient de Russie : même si les États-Unis disposent d'infrastructures suffisantes pour produire et purifier cet isotope à usage très ciblé, ces installations ne fonctionnent plus, de sorte que tout le 238Pu utilisé par le programme spatial américain depuis 1993 a dû être importé[6].

Le , le département de l'Énergie a annoncé que - pour la première fois depuis l'arrêt de l'usine de Savannah River à la fin des années 80 - les USA avaient produit 50 grammes de Pu 238 à l'Oak Ridge National Laboratory. Les États-Unis entendent ainsi remettre en route une production régulière de Pu 238 afin de disposer du carburant nécessaires aux missions d'exploration spatiales à l'horizon 2020.

Notes et références
  1. (en) « Live Chart of Nuclides: 238
    94    Pu
    144     »    , sur https://www-nds.iaea.org/, AIEA, (consulté le )    .
  2. Los Alamos National Laboratory – The Actinide Research Quarterly: Summer 1997 NMT Division Recycles, Purifies Plutonium-238 Oxide Fuel for Future Space Missions.
  3. Kathy DeLucas, Jim Foxx et Robert Nance, « From heat sources to heart sources: Los Alamos made material for plutonium-powered pumper », sur Actinide Research Quarterly, Los Alamos National Laboratory,
  4. Berkeley Science Review – An Elementary Problem: Artificial Atoms, Nobel Prizes, and Your Smoke Detectors, par Delphine Farmer.
  5. (en) Cornelis H. M. Broeders et Günther Kessler, « Fuel Cycle Options for the Production and Utilization of Denatured Plutonium », Nuclear Science and Engineering, vol. 156, no 1,‎ , p. 2 (DOI 10.13182/NSE07-A2681)
  6. Commonly asked questions about radioisotope power systms – space batteries juillet 2005.

Annexes

Articles connexes

Liens externes


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