Plutonium 238

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Modèle:Infobox Isotope Le plutonium 238, noté Modèle:ExpPu, est l'isotope du plutonium dont le nombre de masse est égal à 238 : son noyau atomique compte Modèle:Nobr et Modèle:Nobr avec un spin 0+ pour une masse atomique de Modèle:Unité. Il est caractérisé par un excès de masse de Modèle:Unité et une énergie de liaison nucléaire par nucléon de Modèle:Unité[1]. Un gramme de Modèle:Nobr présente une radioactivité α de Modèle:Unité[2].

Durant les années 1960 et 1970, les scientifiques du Laboratoire américain de Los Alamos ont mis au point une utilisation du Modèle:Nobr pour fournir l'énergie nécessaire à des pacemakers[3].

Propriétés nucléaires

Le plutonium 238 donne de l'uranium 234 par désintégration α avec une énergie de désintégration de Modèle:Unité, une puissance spécifique d'environ Modèle:Unité et une période radioactive de Modèle:Nobr :

Modèle:Nucléide →87,75 ansα 5,593 MeV Modèle:Nucléide.

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

Le Modèle:ExpU donne ensuite, à son tour, du Modèle:Lnobr par désintégration α avec une période de Modèle:Unité, donc à un rythme relatif extrêmement faible. L'essentiel de la radioactivité du Modèle:Nobr correspond donc à la désintégration de cet élément.

Le Modèle:ExpPu est donc un puissant émetteur de rayonnement α, ce qui en fait l'isotope de loin le plus utilisé dans les générateurs de chaleur et les générateurs thermoélectriques à radioisotopes qui alimentent les sondes 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 de Modèle:Lnobr à cette fin a été abandonné, malgré sa puissance, en raison de sa trop brève durée de vie.

Utilisation spatiale dans les RTG

Modèle:Article principal

RTG de Cassini. La mission de la sonde Cassini était initialement de onze ans, d'Modèle:Date- à juin 2008. 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.

Les sondes spatiales destinées à explorer les planètes lointaines ne peuvent pas dépendre de panneaux solaires : ces sondes sont donc équipées de générateurs à radioisotope afin de prendre le relais des panneaux solaires au-delà de l'orbite de Mars, comme les sondes Pioneer 10, Pioneer 11, Voyager 1, Voyager 2, Galileo, Ulysses, Cassini-Huygens, ou encore New 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 six Apollo Lunar Surface Experiments Packages déposés sur la Lune utilisent des GTR, tout comme les deux sondes martiennes Viking 1 et 2 et le rover Mars Science Laboratory.

La puissance thermique Modèle:MvarModèle:Ind générée par le plutonium 238 décroît à partir de la puissance initiale Modèle:MvarModèle:Ind en fonction du temps Modèle:Mvar écoulé, exprimé en années, à raison de : Modèle:Nobr ; ce qui signifie qu'elle perd Modèle:Nobr de puissance thermique par an. Dans le cas, par exemple, des sondes du programme Voyager, lancées en 1977, la puissance initiale des générateurs était de Modèle:Unité, et ne devait plus être Modèle:Nobr plus tard, en 2001, que de Modèle:Unité. 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 du Modèle:Nobr 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 des thermocouples se produit.

C'est ainsi que la puissance observée des générateurs de Voyager 1 et Voyager 2 en 2001 n'était plus respectivement que de Modèle:Unité et Modèle:Unité.

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 ) Modèle:2 = 0,6953
  • le faible écart restant correspondant au vieillissement des thermocouples.

On peut voir ainsi que la puissance électrique délivrée Modèle:MvarModèle:Ind varie comme : Modèle:Nobr ; 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 le Modèle:Date- pour atteindre Pluton le Modèle:Date-, emporte près de Modèle:Nb de Modèle:Nobr dans son RTG, qui fournissait une puissance électrique de l'ordre de Modèle:Nb au lancement, contre environ Modèle:Nb prévus à destination, soit environ Modèle:Nobr après.

Histoire

Le plutonium 238 est le premier isotope du plutonium à avoir été synthétisé par l'équipe de Glenn Seaborg en 1941[4] par bombardement d'Modèle:Lnobr par des ions deutérium DModèle:Exp :

Modèle:Nucléide + Modèle:Nucléide ⟶ Modèle:Nucléide* ⟶ 2 Modèle:Nucléide + ( Modèle:Nucléide ⟶ Modèle:Nucléide + [[Électron|eModèle:Exp]] + [[Antineutrino électronique|Modèle:SurlignerModèle:Ind]]).

Production

Principe physique

On le produit par capture neutronique en irradiant du neptunium 237 isolé lors du traitement du combustible nucléaire usé : pour fixer les idées, Modèle:Nb de combustible pour réacteur à eau légère irradié pendant trois ans ne contient que Modèle:Nb de Modèle:Nobr, qui doit d'abord être purifié avant irradiation pour produire le Modèle:Nobr, lequel doit ensuite être à son tour purifié en solution avant de pouvoir être utilisé sous forme de dioxyde de plutonium Modèle:Fchim :

Modèle:Nucléide + Modèle:Nucléide ⟶ Modèle:Nucléide →2,117 joursβ− 1,292 MeV Modèle:Nucléide.

Réacteur nucléaire

Du plutonium 238 est également produit au sein des réacteurs nucléaires à la suite de capture neutronique successive sur l'Modèle:Lnobr et l'uranium 238 suivi de désintégration β− et/ou désintégration α[5].

Situation mondiale

Les États-Unis ont produit du plutonium 238 sur le site de Savannah 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 la NASA pour alimenter plusieurs projets dont les différents rovers martiens et à des retards de livraison de la Russie[7], le département de l'énergie américain a relancé la production de Modèle:ExpPu d'abord en très petite quantités en 2013, puis jusqu'à 50g en 2015 via un réacteur de recherche du laboratoire national d'Oak Ridge[8]Modèle:,[9].

Notes et références

Modèle:Références

Annexes

Articles connexes

Liens externes

Modèle:Tableau périodique des isotopes (navigation) Modèle:Portail

  1. ↑ Erreur de référence : Balise <ref> incorrecte : aucun texte n’a été fourni pour les références nommées IAEA.Nuclides
  2. ↑ Los Alamos National Laboratory – The Actinide Research Quarterly: Summer 1997 NMT Division Recycles, Purifies Plutonium-238 Oxide Fuel for Future Space Missions.
  3. ↑ Modèle:Lien web.
  4. ↑ Delphine Farmer, « An Elementary Problem: Artificial Atoms, Nobel Prizes, and Your Smoke Detectors », Berkeley Science Review.
  5. ↑ Modèle:Article.
  6. ↑ Commonly asked questions about radioisotope power systms – space batteries, juillet 2005.
  7. ↑ Modèle:Lien web.
  8. ↑ Modèle:Lien web.
  9. ↑ Modèle:Lien web.
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