Transmutation nucléaire - Nuclear transmutation

Le Soleil est un réacteur de fusion naturel , et transmute les éléments légers en éléments plus lourds grâce à la nucléosynthèse stellaire , une forme de fusion nucléaire .

La transmutation nucléaire est la conversion d'un élément chimique ou d'un isotope en un autre élément chimique. La transmutation nucléaire se produit dans tout processus où le nombre de protons ou de neutrons dans le noyau d'un atome est modifié.

Une transmutation peut être réalisée soit par des réactions nucléaires (dans lesquelles une particule extérieure réagit avec un noyau) soit par désintégration radioactive , où aucune cause extérieure n'est nécessaire.

La transmutation naturelle par nucléosynthèse stellaire dans le passé a créé la plupart des éléments chimiques les plus lourds dans l'univers existant connu, et continue d'avoir lieu à ce jour, créant la grande majorité des éléments les plus courants dans l'univers, y compris l' hélium , l' oxygène et le carbone . La plupart des étoiles effectuent une transmutation par des réactions de fusion impliquant de l' hydrogène et de l'hélium, tandis que des étoiles beaucoup plus grosses sont également capables de fusionner des éléments plus lourds jusqu'au fer à un stade avancé de leur évolution.

Les éléments plus lourds que le fer, comme l' or ou le plomb , sont créés par des transmutations élémentaires qui ne peuvent se produire naturellement que dans les supernovae . À mesure que les étoiles commencent à fusionner des éléments plus lourds, considérablement moins d'énergie est libérée par chaque réaction de fusion. Cela continue jusqu'à ce qu'il atteigne le fer qui est produit par une réaction endothermique consommatrice d'énergie. Aucun élément plus lourd ne peut être produit dans de telles conditions.

Un type de transmutation naturelle observable dans le présent se produit lorsque certains éléments radioactifs présents dans la nature se désintègrent spontanément par un processus qui provoque une transmutation, comme la désintégration alpha ou bêta . Un exemple est la désintégration naturelle du potassium-40 en argon-40 , qui forme la majeure partie de l' argon dans l'air. Sur Terre également, des transmutations naturelles des différents mécanismes des réactions nucléaires naturelles se produisent, en raison du bombardement d'éléments par les rayons cosmiques (par exemple, pour former du carbone 14 ), et aussi occasionnellement du bombardement naturel de neutrons (par exemple, voir réacteur à fission nucléaire naturel ).

La transmutation artificielle peut se produire dans des machines qui ont suffisamment d'énergie pour provoquer des changements dans la structure nucléaire des éléments. Ces machines comprennent les accélérateurs de particules et les réacteurs tokamak . Les réacteurs de puissance à fission conventionnels provoquent également une transmutation artificielle, non pas à partir de la puissance de la machine, mais en exposant des éléments à des neutrons produits par la fission à partir d'une réaction nucléaire en chaîne produite artificiellement . Par exemple, lorsqu'un atome d'uranium est bombardé de neutrons lents, une fission se produit. Cela libère, en moyenne, 3 neutrons et une grande quantité d'énergie. Les neutrons libérés provoquent alors la fission d'autres atomes d'uranium, jusqu'à ce que tout l'uranium disponible soit épuisé. C'est ce qu'on appelle une réaction en chaîne .

La transmutation nucléaire artificielle a été considérée comme un mécanisme possible pour réduire le volume et le risque des déchets radioactifs .

Histoire

Alchimie

Le terme transmutation remonte à l' alchimie . Les alchimistes ont poursuivi la pierre philosophale , capable de chrysopée - la transformation des métaux de base en or. Alors que les alchimistes comprenaient souvent la chrysopée comme une métaphore d'un processus mystique ou religieux, certains praticiens ont adopté une interprétation littérale et ont essayé de fabriquer de l'or par des expériences physiques. L'impossibilité de la transmutation métallique avait été débattue parmi les alchimistes, les philosophes et les scientifiques depuis le Moyen Âge. La transmutation pseudo-alchimique a été interdite et moquée publiquement à partir du XIVe siècle. Des alchimistes comme Michael Maier et Heinrich Khunrath ont écrit des tracts exposant les allégations frauduleuses de fabrication d'or. Dans les années 1720, il n'y avait plus de figures respectables poursuivant la transmutation physique des substances en or. Antoine Lavoisier , au XVIIIe siècle, remplaça la théorie alchimique des éléments par la théorie moderne des éléments chimiques, et John Dalton développa davantage la notion d'atomes (de la théorie alchimique des corpuscules ) pour expliquer divers processus chimiques. La désintégration des atomes est un processus distinct impliquant des énergies beaucoup plus importantes que celles qui pourraient être atteintes par les alchimistes.

Physique moderne

Il a été appliqué pour la première fois consciemment à la physique moderne par Frederick Soddy lorsqu'il, avec Ernest Rutherford en 1901, a découvert que le thorium radioactif se transformait en radium . Au moment de la réalisation, se souvient plus tard Soddy, il a crié : « Rutherford, c'est la transmutation ! Rutherford répliqua, "Pour l'amour de Dieu, Soddy, n'appelez pas cela une transmutation . Ils vont nous couper la tête en tant qu'alchimistes."

Rutherford et Soddy observaient la transmutation naturelle dans le cadre d'une désintégration radioactive de type désintégration alpha . La première transmutation artificielle a été réalisée en 1925 par Patrick Blackett , un chercheur travaillant sous Rutherford , avec la transmutation de l'azote en oxygène , en utilisant des particules alpha dirigées vers l'azote ¹⁴ N + α → ¹⁷ O + p. Rutherford avait montré en 1919 qu'un proton (il l'appelait un atome d'hydrogène) était émis par des expériences de bombardement alpha mais il n'avait aucune information sur le noyau résiduel. Les expériences de Blackett de 1921 à 1924 ont fourni la première preuve expérimentale d'une réaction de transmutation nucléaire artificielle. Blackett a correctement identifié le processus d'intégration sous-jacent et l'identité du noyau résiduel. En 1932, une réaction nucléaire entièrement artificielle et une transmutation nucléaire ont été réalisées par les collègues de Rutherford, John Cockcroft et Ernest Walton , qui ont utilisé des protons accélérés artificiellement contre le lithium-7 pour diviser le noyau en deux particules alpha. L'exploit était populairement connu sous le nom de "diviser l'atome", bien qu'il ne s'agisse pas de la réaction de fission nucléaire moderne découverte en 1938 par Otto Hahn , Lise Meitner et leur assistant Fritz Strassmann dans les éléments lourds.

Plus tard au vingtième siècle, la transmutation des éléments au sein des étoiles a été élaborée, ce qui explique l'abondance relative des éléments plus lourds dans l'univers. À l'exception des cinq premiers éléments, qui ont été produits lors du Big Bang et d'autres processus liés aux rayons cosmiques , la nucléosynthèse stellaire était à l'origine de l'abondance de tous les éléments plus lourds que le bore . Dans leur article de 1957, Synthesis of the Elements in Stars , William Alfred Fowler , Margaret Burbidge , Geoffrey Burbidge et Fred Hoyle ont expliqué comment les abondances de pratiquement tous les éléments chimiques, sauf les plus légers, pouvaient être expliquées par le processus de nucléosynthèse dans les étoiles.

Sous une véritable transmutation nucléaire, il est beaucoup plus facile de transformer l'or en plomb que la réaction inverse, qui était celle que les alchimistes avaient ardemment poursuivie. Il serait plus facile de convertir l'or en plomb via la capture de neutrons et la désintégration bêta en laissant l'or dans un réacteur nucléaire pendant une longue période.

Glenn Seaborg a produit plusieurs milliers d'atomes d'or à partir de bismuth , mais avec une perte nette.

Pour plus d'informations sur la synthèse de l'or, voir Synthèse des métaux précieux .

¹⁹⁷ Au + n → ¹⁹⁸ Au ( demi-vie 2,7 jours) → ¹⁹⁸ Hg + n → ¹⁹⁹ Hg + n → ²⁰⁰ Hg + n → ²⁰¹ Hg + n → ²⁰² Hg + n → ²⁰³ Hg (demi-vie 47 jours) → ²⁰³ Tl + n → ²⁰⁴ Tl (demi-vie 3,8 ans) → ²⁰⁴ Pb

Transmutation dans l'univers

On pense que le Big Bang est à l'origine de l'hydrogène (y compris tout le deutérium ) et de l'hélium dans l'univers. L'hydrogène et l'hélium représentent ensemble 98% de la masse de matière ordinaire dans l'univers, tandis que les 2% restants composent tout le reste. Le Big Bang a également produit de petites quantités de lithium , de béryllium et peut-être de bore . Plus de lithium, de béryllium et de bore ont été produits plus tard, dans une réaction nucléaire naturelle, la spallation des rayons cosmiques .

La nucléosynthèse stellaire est responsable de tous les autres éléments présents naturellement dans l'univers sous forme d'isotopes stables et de nucléides primordiaux , du carbone à l' uranium . Celles-ci se sont produites après le Big Bang, lors de la formation des étoiles. Certains éléments plus légers, du carbone au fer, ont été formés dans les étoiles et libérés dans l'espace par les étoiles à branches géantes asymptotiques (AGB). Il s'agit d'un type de géante rouge qui "gonfle" son atmosphère extérieure, contenant des éléments allant du carbone au nickel et au fer. Tous les éléments de poids atomique supérieur à 64 unités de masse atomique sont produits en supernova étoiles au moyen de capture des neutrons , ce qui sous-divise en deux processus: r-processus et s-processus .

On pense que le système solaire s'est condensé environ 4,6 milliards d'années avant le présent, à partir d'un nuage d'hydrogène et d'hélium contenant des éléments plus lourds dans des grains de poussière formés auparavant par un grand nombre de telles étoiles. Ces grains contenaient les éléments les plus lourds formés par transmutation plus tôt dans l'histoire de l'univers.

Tous ces processus naturels de transmutation dans les étoiles se poursuivent aujourd'hui, dans notre propre galaxie et dans d'autres. Les étoiles fusionnent l'hydrogène et l'hélium en éléments de plus en plus lourds afin de produire de l'énergie. Par exemple, les courbes de lumière observées des étoiles de supernova telles que SN 1987A montrent qu'elles projettent de grandes quantités (comparables à la masse de la Terre) de nickel et de cobalt radioactifs dans l'espace. Cependant, peu de ce matériel atteint la Terre. La plupart des transmutations naturelles sur Terre aujourd'hui sont médiées par les rayons cosmiques (comme la production de carbone 14 ) et par la désintégration radioactive des nucléides primordiaux radioactifs laissés par la formation initiale du système solaire (comme le potassium 40 , l'uranium et le thorium ), plus la désintégration radioactive des produits de ces nucléides (radium, radon, polonium, etc.). Voir chaîne de désintégration .

Transmutation artificielle des déchets nucléaires

Aperçu

Transmutation des éléments transuraniens (c'est-à-dire les actinides moins l' actinium en uranium ) tels que les isotopes du plutonium (environ 1 % en poids dans le combustible nucléaire irradié des réacteurs à eau légère ou les actinides mineurs (MA, c'est-à-dire le neptunium , l' américium et le curium ), environ 0,1 en poids % chacun dans le combustible nucléaire irradié des réacteurs à eau légère) a le potentiel de contribuer à résoudre certains problèmes posés par la gestion des déchets radioactifs en réduisant la proportion d'isotopes à vie longue qu'ils contiennent. (Cela n'exclut pas la nécessité d'un dépôt géologique en profondeur pour les déchets de haute radioactivité .) Lorsqu'ils sont irradiés avec des neutrons rapides dans un réacteur nucléaire , ces isotopes peuvent subir une fission nucléaire , détruisant l' isotope d' actinide d' origine et produisant un spectre d'isotopes radioactifs et non radioactifs. produits de fission .

Des cibles en céramique contenant des actinides peuvent être bombardées de neutrons pour induire des réactions de transmutation afin d'éliminer les espèces à longue durée de vie les plus difficiles. Ceux-ci peuvent être constitués de solutions solides contenant des actinides telles que (Am,Zr)N , (Am,Y)N , (Zr,Cm)O
2, (Zr,Cm,Am)O
2, (Zr,Am,Y)O
2ou simplement des phases actinides telles que AmO
2, NpO
2, NpN , AmN mélangé à quelques phases inertes telles que MgO , MgAl
2O
4, (Zr,Y)O
2, TiN et ZrN . Le rôle des phases inertes non radioactives est principalement de fournir un comportement mécanique stable à la cible sous irradiation neutronique.

Cependant, cette stratégie P&T (partitionnement et transmutation) pose des problèmes :

• tout d'abord, il est limité par le besoin coûteux et encombrant de séparer les isotopes des produits de fission à vie longue avant qu'ils ne puissent subir une transmutation.
• De plus, certains produits de fission à vie longue, en raison de leurs faibles sections efficaces de capture de neutrons, sont incapables de capturer suffisamment de neutrons pour qu'une transmutation efficace se produise.

La nouvelle étude dirigée par Satoshi Chiba à Tokyo Tech (appelée "Méthode de réduction des produits de fission à longue durée de vie par des transmutations nucléaires avec des réacteurs à spectre rapide") montre qu'une transmutation efficace des produits de fission à longue durée de vie peut être réalisée dans des réacteurs à spectre rapide sans avoir besoin pour la séparation isotopique. Ceci peut être réalisé en ajoutant un modérateur au deutérure d'yttrium .

Types de réacteurs

Par exemple, le plutonium peut être retraité en combustibles à oxydes mixtes et transmuté dans des réacteurs standard. Les éléments les plus lourds pourraient être transmutés dans des réacteurs à neutrons rapides , mais probablement plus efficacement dans un réacteur sous-critique qui est parfois appelé amplificateur d'énergie et qui a été conçu par Carlo Rubbia . Des sources de neutrons de fusion ont également été proposées comme bien adaptées.

Types de carburant

Il existe plusieurs combustibles qui peuvent incorporer du plutonium dans leur composition initiale en début de cycle et avoir une quantité moindre de cet élément en fin de cycle. Au cours du cycle, le plutonium peut être brûlé dans un réacteur de puissance, produisant de l'électricité. Ce procédé n'est pas seulement intéressant du point de vue de la production d'électricité, mais aussi en raison de sa capacité à consommer le plutonium de qualité militaire excédentaire du programme d'armement et le plutonium résultant du retraitement du combustible nucléaire irradié.

Le combustible à oxyde mixte est l'un d'entre eux. Son mélange d'oxydes de plutonium et d'uranium constitue une alternative au combustible à uranium faiblement enrichi majoritairement utilisé dans les réacteurs à eau légère. Étant donné que l'uranium est présent dans l'oxyde mixte, bien que le plutonium soit brûlé, le plutonium de deuxième génération sera produit par la capture radiative de l'U-238 et les deux désintégrations bêta moins subséquentes.

Les combustibles au plutonium et au thorium sont également une option. Dans ceux-ci, les neutrons libérés lors de la fission du plutonium sont capturés par le Th-232. Après cette capture radiative, le Th-232 devient Th-233, qui subit deux désintégrations bêta moins aboutissant à la production de l'isotope fissile U-233. La section efficace de capture radiative du Th-232 est plus de trois fois supérieure à celle de l'U-238, ce qui donne une conversion plus élevée en combustible fissile que celle de l'U-238. En raison de l'absence d'uranium dans le combustible, il n'y a pas de plutonium de deuxième génération produit, et la quantité de plutonium brûlé sera plus élevée que dans les combustibles à oxydes mixtes. Cependant, l'U-233, qui est fissile, sera présent dans le combustible nucléaire irradié. Le plutonium de qualité militaire et de qualité réacteur peut être utilisé dans les combustibles plutonium-thorium, le plutonium de qualité militaire étant celui qui montre une plus grande réduction de la quantité de Pu-239.

Produits de fission à vie longue

Certains produits de fission radioactifs peuvent être convertis en radio-isotopes à vie plus courte par transmutation. La transmutation de tous les produits de fission de demi-vie supérieure à un an est étudiée à Grenoble, avec des résultats variables.

Le Sr-90 et le Cs-137 , avec des demi-vies d'environ 30 ans, sont les plus gros émetteurs de rayonnement (y compris de chaleur) dans le combustible nucléaire irradié sur une échelle de décennies à ~305 ans (le Sn-121m est insignifiant en raison du faible rendement ), et ne sont pas facilement transmutables car ils ont de faibles sections efficaces d'absorption des neutrons . Au lieu de cela, ils devraient simplement être stockés jusqu'à ce qu'ils se décomposent. Etant donné que cette durée de stockage est nécessaire, les produits de fission à demi-vie plus courte peuvent également être stockés jusqu'à leur décomposition.

Le prochain produit de fission à plus longue durée de vie est le Sm-151 , qui a une demi-vie de 90 ans, et est un si bon absorbeur de neutrons que la majeure partie est transmutée alors que le combustible nucléaire est encore utilisé; Cependant, la transmutation efficace du Sm-151 restant dans les déchets nucléaires nécessiterait une séparation des autres isotopes du samarium . Compte tenu des quantités plus faibles et de sa radioactivité à faible énergie, le Sm-151 est moins dangereux que le Sr-90 et le Cs-137 et peut également se désintégrer pendant environ 970 ans.

Enfin, il existe 7 produits de fission à vie longue . Ils ont des demi-vies beaucoup plus longues, comprises entre 211 000 ans et 15,7 millions d'années. Deux d'entre eux, le Tc-99 et le I-129 , sont suffisamment mobiles dans l'environnement pour présenter des dangers potentiels, sont exempts ou pratiquement exempts de mélange avec des isotopes stables du même élément, et ont des sections efficaces de neutrons qui sont petites mais suffisantes pour supporter transmutation. En outre, le Tc-99 peut remplacer l' U-238 en fournissant un élargissement Doppler pour une rétroaction négative pour la stabilité du réacteur. La plupart des études sur les schémas de transmutation proposés ont supposé que le ⁹⁹ Tc , le ¹²⁹ I et les éléments transuraniens étaient les cibles de la transmutation, les autres produits de fission, les produits d' activation et peut-être l' uranium retraité restant comme déchets.

Sur les 5 produits de fission à vie longue restants, Se-79 , Sn-126 et Pd-107 sont produits en petites quantités (au moins dans d'aujourd'hui neutrons thermiques , U-235 -burning réacteurs à eau légère ) et les deux derniers devraient être relativement inerte. Les deux autres, le Zr-93 et le Cs-135 , sont produits en plus grande quantité, mais également peu mobiles dans l'environnement. Ils sont également mélangés à de plus grandes quantités d'autres isotopes du même élément.

Voir également

• Activation neutronique
• Pouvoir nucléaire
• Liste des technologies de traitement des déchets nucléaires
• Synthèse de métaux précieux
• Matière fertile

Les références

Liens externes

• "Radioactive change", article Rutherford & Soddy (1903), en ligne et analysé sur Bibnum [cliquez sur 'à télécharger' pour la version anglaise] .