Transformation d’un noyau fertile en noyau fissile
L’uranium 238 représente plus de 95% de l’uranium présent dans le cœur des réacteurs. Il participe marginalement à la réaction en chaîne, mais il joue néanmoins un rôle auxiliaire important. En capturant un neutron, il devient un noyau de plutonium-239. Plus tard, ce noyau de plutonium-239 peut subir une fission s’il capture à nouveau un neutron. D’une certaine manière, on peut considérer que l’uranium-238 subit une fission avec un retard ou par procuration. Il génère du combustible nucléaire en fournissant des noyaux fissiles : il est dit fertile.
Le mécanisme de génération du plutonium comporte plusieurs étapes. En capturant un neutron, l’uranium 238 devient de l’uranium 239 qui se transforme rapidement par rayonnement bêta en neptunium 239. Ce neptunium se transforme ensuite par rayonnement bêta, après 3 jours en moyenne, en un nouveau noyau : le plutonium-239. Ce radionucléide est fissile, comme l’uranium-235.
La capture d’un neutron par un noyau d’uranium-238 conduit à la formation en quelques jours d’un noyau de plutonium-239 fissile. Le noyau d’uranium-239 résultant de la capture du neutron est radioactif en bêta-minus. En émettant un électron et un antineutrino, il devient du neptunium-239, qui étant lui-même instable se transforme à son tour de la même façon en plutonium-239.
IN2P3Le plutonium-239 est un bon combustible nucléaire : fendu par des neutrons rapides, il libère en moyenne 2,30 neutrons secondaires par neutron capturé. Parmi ces neutrons secondaires, un seul est nécessaire pour entretenir la réaction en chaîne. Il reste alors 1,30 disponible.
Si en moyenne, un de ces neutrons disponibles est capturé par un noyau d’uranium 238 le transformant en plutonium 239, le réacteur produit autant de combustible qu’il en consomme. Lorsque plus d’un neutron produit du plutonium (avec une configuration adéquate du cœur du réacteur), le réacteur est appelé surgénérateur. Sinon, le réacteur est appelé « sous-générateur ». La poignée de réacteurs qui ont fonctionné comme surgénérateurs sont des réacteurs à neutrons rapides.
Les conditions de régénération sont très loin d’être réunies pour les réacteurs classiques des centrales nucléaires qui utilisent des neutrons lents. Cependant, des quantités importantes de plutonium sont générées dans leur combustible irradié.
La quantité de plutonium produite à l’origine du parc mondial de réacteurs était estimée en l’an 2000 à 1400 tonnes, dont 60% de plutonium 239. Cette quantité augmentait de 70 tonnes par an.
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