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Plutonium 238

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Plutonium 238

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Cylindre dedioxyde de plutonium 238²³⁸PuO₂ luisant sous l'effet de sa propre chaleur dedésintégration.

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 parnucléon	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

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Leplutonium 238, noté²³⁸Pu, est l'isotope duplutonium dont lenombre de masse est égal à 238 : sonnoyau atomique compte94protons et144neutrons avec unspin 0+ pour unemasse atomique de 238,049 56 g/mol. Il est caractérisé par un excès de masse de46 163 keV et une énergie de liaison nucléaire parnucléon de7 568,36 keV [1]. Un gramme deplutonium 238 présente uneradioactivité α de 633,2 GBq [2].

Durant les années 1960 et 1970, les scientifiques duLaboratoire américain de Los Alamos ont mis au point une utilisation duplutonium 238 pour fournir l'énergie nécessaire à despacemakers^[3].

Propriétés nucléaires

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Le plutonium 238 donne de l'uranium 234 pardésintégration α avec uneénergie de désintégration de5,593 MeV, une puissance spécifique d'environ 567 W/kg et une période radioactive de87,75 ans :

238
94Pu

\mathrm {\xrightarrow[{87,75\ ans}]{\alpha \ 5,593\ MeV}}

234
92U.

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

Le²³⁴U donne ensuite, à son tour, duthorium 230 par désintégration α avec une période de 245 500 ans, donc à un rythme relatif extrêmement faible. L'essentiel de la radioactivité duplutonium 238 correspond donc à la désintégration de cet élément.

Le²³⁸Pu est donc un puissant émetteur derayonnement α, ce qui en fait l'isotope de loin le plus utilisé dans les générateurs de chaleur et lesgénérateurs thermoélectriques à radioisotopes qui alimentent lessondes 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 depolonium 210 à cette fin a été abandonné, malgré sa puissance, en raison de sa trop brève durée de vie.

Utilisation spatiale dans les RTG

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Article principal :Générateur thermoélectrique à radioisotope.

RTG deCassini. La mission de la sonde Cassini était initialement de onze ans, d'octobre 1997 à juin2008. 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.

Lessondes spatiales destinées à explorer les planètes lointaines ne peuvent pas dépendre depanneaux solaires : ces sondes sont donc équipées de générateurs à radioisotope afin de prendre le relais des panneaux solaires au-delà de l'orbite deMars, comme les sondesPioneer 10,Pioneer 11,Voyager 1,Voyager 2,Galileo,Ulysses,Cassini-Huygens, ou encoreNew 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 sixApollo Lunar Surface Experiments Packages déposés sur laLune utilisent des GTR, tout comme les deux sondes martiennesViking 1 et 2 et le roverMars Science Laboratory.

La puissance thermiqueP_th générée par le plutonium 238 décroît à partir de la puissance initialeP_th₀ en fonction du tempst écoulé, exprimé en années, à raison de :P_th( t ) =P_th₀ × 0,5 ^{( t ⁄ 87,75 )} ; ce qui signifie qu'elle perd1 – 0,5 ^{( 1 ⁄ 87,75 )} = 0,787 % de puissance thermique par an. Dans le cas, par exemple, des sondes duprogramme Voyager, lancées en 1977, la puissance initiale des générateurs était de 470 W, et ne devait plus être23 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 duplutonium 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 desthermocouples se produit.

C'est ainsi que la puissance observée des générateurs deVoyager 1 etVoyager 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 délivréeP_e varie comme :P_e( t ) =P_e₀ × 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 le19 janvier 2006 pour atteindrePluton le14 juillet 2015, emporte près de 8 kg deplutonium 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 environ9,5 ans après.

Histoire

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Le plutonium 238 est le premierisotope duplutonium à avoir été synthétisé par l'équipe deGlenn Seaborg en 1941^[4] par bombardement d'uranium 238 par des ionsdeutérium D⁺ :

2
1D +238
92U ⟶240
93Np* ⟶ 21
0n + (238
93Np ⟶238
94Pu +e⁻ +ν_e).

Production

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Principe physique

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On le produit parcapture neutronique en irradiant duneptunium 237 isolé lors dutraitement 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 g deneptunium 237, qui doit d'abord être purifié avant irradiation pour produire leplutonium 238, lequel doit ensuite être à son tour purifié en solution avant de pouvoir être utilisé sous forme de dioxyde de plutonium²³⁸PuO₂ :

1
0n +237
93Np ⟶238
93Np

\mathrm {\xrightarrow[{2,117\ jours}]{\beta ^{-}\ 1,292\ MeV}}

238
94Pu.

Réacteur nucléaire

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Du plutonium 238 est également produit au sein des réacteurs nucléaires à la suite decapture neutronique successive sur l'uranium 235 et l'uranium 238 suivi dedésintégration β⁻ et/oudésintégration α^[5].

Situation mondiale

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LesÉtats-Unis ont produit du plutonium 238 sur le site deSavannah River jusqu'à la fermeture de ce dernier en 1988. Le stock résiduel de plutonium 238 a pu alimenter la consommation américaines jusqu'en 1993, date à laquelle les États-Unis se sont approvisionnés en Russie^[6]. Face à la demande en hausse de laNASA pour alimenter plusieurs projets dont les différents rovers martiens et à des retards de livraison de la Russie^[7], ledépartement de l'énergie américain a relancé la production de²³⁸Pu d'abord en très petite quantités en 2013, puis jusqu'à 50g en 2015 via un réacteur de recherche dulaboratoire national d'Oak Ridge^[8]^,^[9].