C'est quoi le plutonium et qu'en fait-on ? - Sfen

C’est quoi le plutonium et qu’en fait-on ?

Publié le 20 mars 2024 - Mis à jour le 9 avril 2024
Vos questions

Le plutonium est un élément incontournable de l’industrie nucléaire. Il est lié aux combustibles nucléaires recyclés, aux déchets de haute activité (HA) ou encore à d’autres activités nucléaires. C’est un élément important dans l’électricité produite aujourd’hui, et il le sera encore plus demain.

Le plutonium est l’élément chimique de numéro atomique 94. C’est un métal de la même famille que l’uranium (les actinides) et ne se trouve pas à l’état naturel. Il est donc artificiel, exclusivement créé au sein des réacteurs nucléaires. L’isotope plutonium 239 (Pu 239) est souvent celui auquel on fait référence lorsqu’on parle de plutonium, car il se forme en premier et c’est toujours l’isotope majoritaire. C’est aussi le plus pertinent pour ses propriétés nucléaires, mais qui présente néanmoins des considérations de sûreté et de sécurité (toxicité, prolifération, etc.) à ne pas écarter.

Formation du plutonium

Les réacteurs à eau pressurisée (REP), comme ceux du parc nucléaire français, utilisent du combustible à base d’uranium, enrichi à 3 à 5 % en U 235 (uranium 235). C’est cet élément « fissile » qui sera fissionné (scindé en deux) en premier lieu par un neutron pour générer de l’énergie. La grande majorité restante (+90 %) correspond à l’U 238 (uranium 238), un élément « fertile » qui lui va donner naissance au Pu 239.

Les neutrons lorsqu’ils interagissent avec l’U 238, ne vont pas le fissionner. Au contraire, ils vont permettre la formation d’un nouvel élément. Le schéma ci-dessous reproduit le processus de formation du Pu 239.

 Graphique : Schéma de formation du Pu 239

La capture d’un neutron par un atome d’U 238 le transforme en U 239. En l’espace de 23 minutes en moyenne (demi-vie), il se transforme en neptunium 239 (Np 239) par désintégration radioactive. Puis, en un peu plus de 2 jours (demi-vie), il devient du Pu 239. En résumé, l’U 238 s’est transformé en un atome fissile, le Pu 239.

Les utilisations du plutonum

Au sein des réacteurs (à neutrons lents) tels que les REP du parc nucléaire français, le plutonium 239 participe lui aussi aux réactions de fission, au côté de l’U 235, et donc par extension à la génération d’électricité. Mondialement, il représente environ 35 à 40 % de l’électricité produite par les réacteurs nucléaires.

Pour une année de production standard en France [1] (de l’ordre de 400 TWh), environ 8 000 tonnes d’uranium naturel sont requises pour produire environ 1200 tonnes de combustible enrichi à 4 % d’U 235. Sur ces 1200 tonnes de combustibles, environ 30 tonnes de plutonium vont être générées au cours de l’exploitation. Deux tiers seront consommées in-situ dans les réactions de fission pour créer de l’électricité et le tiers restant sera déchargé, lors du renouvellement de combustible. En France, cette décharge est retraitée et recyclée pour former un nouveau combustible, le MOx (mélange d’oxydes d’uranium et de plutonium). Le combustible MOx assure 10 % de l’électricité nucléaire produite en France (1 assemblage du combustible MOx permet d’éclairer une ville de 100 000 habitants pendant un an).

L’autre utilisation envisageable du plutonium serait au sein des réacteurs à neutrons rapides (RNR). En France, les réacteurs Phénix et Superphénix ont permis par le passé d’apporter de très nombreuses données et connaissances dans ce domaine. Grâce à cette technologie, le Pu 239, formé à partir des importantes réserves d’U238, fournirait potentiellement plusieurs milliers d’années de combustible. C’est d’autant plus profitable grâce au processus de surgénération, qui consiste à créer plus de « carburant », dans le réacteur que celui-ci n’en consomme. Une fois démarré, un RNR ne consomme plus que de l’uranium appauvri (U 238) pour fabriquer son propre carburant (le Pu 239).

Du plutonium pour la bombe atomique…

Le plutonium est souvent assimilé à la bombe atomique étant donné qu’il en est l’un des principaux ingrédients [2] (la première fût celle de Nagasaki). Néanmoins, le plutonium présent dans les réacteurs nucléaires civiles et le plutonium « militaire » ne sont pas du tout les mêmes. Leur pureté est sensiblement différente, on parle de vecteur isotopique.

Le plutonium généré au sein d’un réacteur est en fait un mélange de plusieurs isotopes (238, 239, 240, 241 et 242). Plus le plutonium reste longtemps au sein d’un réacteur REP (jusqu’à trois ans, voire quatre, suivant le délai des décharges en France), plus il va être dégradé. On entend par « dégradation » l’évolution du rapport entre le Pu 239 et le Pu 240. Plus le Pu 240 est présent en grande proportion, plus le plutonium dans sa globalité est impur. Pour générer du plutonium militaire, très pur, un déchargement du combustible au bout d’un temps très court (quelques semaines) serait nécessaire.

 

Graphique : Composition isotopique des plutonium civil (3 années en REP) et militaire, Source : ©IN2P3 (visuel retouché)

En considérant les systèmes de détection d’ouverture de cuves (surveillés par l’Agence internationale de l’énergie atomique – AIEA), les réacteurs nucléaires civils ne peuvent pas être utilisés pour produire du plutonium de qualité militaire. De même à l’usine de La Hague en France, les bilans de matières hebdomadaires sont vérifiés par Euratom qui est en capacité de détecter d’éventuels chemins de diversion.

… mais aussi dans spatial

Un autre isotope du plutonium, le Pu 238 (plutonium 238), est utilisé dans le secteur de l’aérospatial. Il peut venir en complément de l’énergie solaire, là où l’utilisation de cette dernière est impossible. Ses propriétés de dégagement de chaleur importante, lors de sa désintégration radioactive, en font un élément très intéressant pour les missions spatiales nécessitant une autonomie en électricité sur de longues durées. De plus, il est important de noter que ce radioélément a aussi des propriétés de sûreté intéressantes car il nécessite peu ou pas de blindage pour protéger les occupants des vaisseaux de ses rayonnements. ■

Par François Terminet avec les sections techniques (Sfen)

Photo : Focus sur le plutonium dans le tableau périodique des éléments, Source : ©Shutterstock

[1] Données extraites du rapport de Présentation du « Cycle du combustible » français en 2018 par le Haut comité pour la transparence et l’information sur la sécurité nucléaire

[2] Certaines utilisent de l’uranium 235 enrichi à plus de 90% grâce à des procédés extrêmement complexes

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