Plutonium 238 - Définition

Introduction

Le plutonium 238, noté ²³⁸Pu, est l'isotope du plutonium dont le nombre de masse est égal à 238 : son noyau atomique compte 94 protons et 144 neutrons avec un spin 0+ pour une masse atomique de 238,0495534 g/mol. Il est caractérisé par un excès de masse de 46 158 688 ± 1 982 eV/c² et une énergie de liaison nucléaire de 1 801 274 921 ± 2 008 eV.

Cylindre de dioxyde de plutonium 238 luisant sous l'effet de sa propre chaleur de désintégration.

Un gramme de plutonium 238 présente une radioactivité α de 632,7 GBq ainsi que 1 100 fissions spontanées par seconde.

Propriétés nucléaires

Le plutonium 238 donne de l'uranium 234 par désintégration α avec une énergie de désintégration de 5,593 MeV, une puissance spécifique d'environ 567 W/kg et une période radioactive de 87,74 ans ; le ²³⁴U donne à son tour du thorium 230 par désintégration α avec une période de 245 500 ans :

Le ²³⁸Pu 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 électriques 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 polonium 210 à cette fin a été abandonné, malgré sa puissance, en raison de sa trop brève durée de vie.

Histoire

Le plutonium 238 est le premier isotope du plutonium à avoir été synthétisé par l'équipe de Glenn Seaborg en 1941 par bombardement d'uranium 238 par des ions deutérium D⁺ :

Utilisation spatiale dans les RTG

La puissance P générée par le plutonium 238 décroît à partir de la puissance initiale P₀ en fonction du temps t écoulé, exprimé en années, à raison de P₀ ( 1 – 0,5^{( t / 87,74 )} ), ce qui signifie qu'elle perd 0,787 % d'intensité par an. Dans le cas, par exemple, des sondes du programme Voyager, lancées en 1977, la puissance initiale des générateurs était de 470 W, et ne devait plus être 23 ans plus tard, en 2001, que de 392 W ; cependant, compte tenu du vieillissement des thermocouples bimétalliques convertissant en différence de potentiel le gradient de température généré par la désintégration du plutonium 238, la puissance observées des générateurs de Voyager 1 et Voyager 2 en 2001 n'était plus respectivement que de 315 W et 319 W, ce qui permet de déduire que les thermocouples fonctionnaient alors à 80 % de leur rendement nominal.

La mission New Horizons, lancée le 19 janvier 2006 pour atteindre Pluton le 14 juillet 2015, emporte près de 8 kg de plutonium 238 dans son RTG, qui fournissait une puissance de l'ordre de 240 W au lancement, contre environ 190 W prévus à destination.

Production

On le produit actuellement par capture neutronique en irradiant du neptunium 237 isolé lors du traitement du combustible nucléaire usé : pour fixer les idées, 100 kg de combustible pour réacteur à eau légère irradié pendant trois ans ne contient que 700 grammes de neptunium 237, qui doit d'abord être purifié avant irradiation pour produire le plutonium 238, lequel doit ensuite être à son tour purifié en solution avant de pouvoir être utilisé sous forme de dioxyde de plutonium ²³⁸PuO₂.

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L'essentiel du plutonium 238 utilisé de nos jours provient de Russie : même les États-Unis disposent d'infrastructures insuffisantes pour produire et purifier cet isotope à usage très ciblé, de sorte que tout le ²³⁸Pu utilisé par le programme spatial américain depuis 1993 a dû être importé. Cette situation devrait changer à partir de 2010.