Que sont les produits de fission ?

Les produits de fission sont les éléments qui résultent de la fission d’un noyau atomique dans un réacteur nucléaire. La plupart des produits de fission sont des déchets et ne sont pas valorisables. Ils doivent donc être pris en charge spécialement en raison de leur forte radioactivité et/ou de leur durée de vie étendue.

Dans un réacteur nucléaire, le secret de la production d’énergie est de casser des noyaux atomiques en deux, généralement de l’Uranium 235 ou du Plutonium 239. Cette réaction de fission dégage d’une part une grande quantité d’énergie sous forme de chaleur. Celle-ci est valorisée pour créer de l’électricité par la suite. D’autre part, plusieurs neutrons (2 à 3) sont aussi émis. Ceux-ci vont ensuite rencontrer d’autres atomes fissiles pour entretenir la réaction nucléaire en chaîne. Enfin, il reste les deux morceaux cassés du noyau atomique : ce sont les produits de fission (PF), aussi appelés « cendres ». Ce sont des éléments chimiques (des isotopes) très radioactifs, qui peuvent avoir une grande durée de vie, dont l’un est généralement plus lourd que l’autre.

Image : Fission d’un atome fissile : dégagement d’énergie et formation de 2 produits de fission, Source : laradioactivité.com

Les produits filles et leurs petits enfants

Il existe deux catégories initiales de produits de fission :

• Les produits « filles »: ils correspondent aux premiers produits de fission issus directement de la réaction de fission. Ceux-ci sont toujours très radioactifs.
• Les produits « petits enfants »: ce sont les noyaux issus de la désintégration (et de la chaine de désintégration) des produits filles. En effet, les isotopes radioactifs, très instables, vont chercher une forme stable en se transformant successivement en plusieurs éléments.

Krypton 93, Baryum 140, Xénon 133 ou encore Césium 137 et Strontium 90 … il existe une très grande variété de produits de fission, certains plus radioactifs que d’autres, certains avec une période radioactive plus longue que d’autres, pouvant aller de quelques heures à plusieurs millions d’années. Ils sont aussi de natures très différentes, tels que des oxydes solides qui se fixent au combustible, des métaux nobles ou encore des gaz ou des gaz rares. La formation des produits de fission d’un noyau atomique est probabiliste (en suivant divers facteurs).

Schéma de distribution des produits de fission pour un atome d’uranium 235, Source : ResearchGate

Plus la radioactivité d’un élément est élevée, plus sa période radioactive sera courte. Les produits filles, créés suite à la fission, très radioactifs, se désintègrent donc très rapidement (pour la grande majorité) et vont laisser place à des produits dont les demi-vies (période radioactive) sont plus conséquentes. On distingue in fine les produits de fission radioactifs à vie moyenne et les produits de fission radioactifs à vie longue.

Que va générer un réacteur ?

Lors d’une décharge du cœur d’un réacteur (après 2 à 3 ans), environ deux tiers des produits de fission sont déjà devenus stables lors de l’activité du réacteur. Au bout de 10 ans d’entreposage, pour permettre le refroidissement du combustible irradié, ce taux atteint 90 %. In fine, il reste 10 % correspondant aux produits de fissions à vie moyenne (d’une période radioactive de l’ordre d’une trentaine d’années) et ceux à vie longue.

Tableau : Classification des principaux PF au déchargement, Source : AIEA

Que fait-on des produits de fission ?

Aujourd’hui, les produits de fission sont qualifiés de déchets nucléaires hautement radioactifs (HA). Il n’existe en effet pas de valorisation possible de ces éléments, si ce n’est éventuellement quelques fractions de palladium et de rhodium pour des usages industriels.

Les produits de fission constituent en moyenne entre 15 et 20 % de la composition des colis de déchets HA (pour un poids de 400 kg). Le reste correspond aux actinides mineurs et aux résidus d’uranium et de plutonium (<1% en moyenne) et à la matrice en verre du colis (+ 80 % en moyenne). Lorsque les produits de fission à durée de vie moyenne se sont désintégrés (de l’ordre de quelques siècles), les actinides mineurs deviennent les principaux contributeurs de la radioactivité des déchets. Les produits de fission sont actuellement entreposés (sur le site de la Hague) dans des colis vitrifiés, avant leur stockage définitif dans le futur site de stockage géologique Cigéo.■

Image : Schéma simplifié de la composition en éléments radioactifs des déchets HA
NB : ces éléments ne sont pas empilés comme illustré