Le plutonium 238, noté Pu, est l'isotope du plutonium dont le nombre de masse est égal à 238 : son noyau atomique compte et avec un spin 0+ pour une masse atomique de . Il est caractérisé par un excès de masse de et une énergie de liaison nucléaire par nucléon de . Un gramme de présente une radioactivité α de Los Alamos National Laboratory – The Actinide Research Quarterly: Summer 1997 NMT Division Recycles, Purifies Plutonium-238 Oxide Fuel for Future Space Missions..
Durant les années 1960 et 1970, les scientifiques du Laboratoire américain de Los Alamos ont mis au point une utilisation du pour fournir l'énergie nécessaire à des pacemakers..
Propriétés nucléaires
Le plutonium 238 donne de l'uranium 234 par désintégration α avec une énergie de désintégration de , une puissance spécifique d'environ et une période radioactive de : .
Il appartient ainsi à la même famille de désintégration que l'uranium 238.
Le U donne ensuite, à son tour, du par désintégration α avec une période de , donc à un rythme relatif extrêmement faible. L'essentiel de la radioactivité du correspond donc à la désintégration de cet élément.
Le Pu 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 à cette fin a été abandonné, malgré sa puissance, en raison de sa trop brève durée de vie.
Utilisation spatiale dans les RTG
vignette|RTG de Cassini. La mission de la sonde Cassini était initialement de onze ans, d' 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 générée par le plutonium 238 décroît à partir de la puissance initiale en fonction du temps écoulé, exprimé en années, à raison de : ; ce qui signifie qu'elle perd 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 , et ne devait plus être plus tard, en 2001, que de . 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 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 et .
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 ) = 0,6953 le faible écart restant correspondant au vieillissement des thermocouples.
On peut voir ainsi que la puissance électrique délivrée varie comme : ; 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 pour atteindre Pluton le , emporte près de de dans son RTG, qui fournissait une puissance électrique de l'ordre de au lancement, contre environ prévus à destination, soit environ après.
Histoire
Le plutonium 238 est le premier isotope du plutonium à avoir été synthétisé par l'équipe de Glenn Seaborg en 1941Delphine Farmer, « An Elementary Problem: Artificial Atoms, Nobel Prizes, and Your Smoke Detectors », Berkeley Science Review. par bombardement d' par des ions deutérium D : + ⟶ * ⟶ 2 + ( ⟶ + e + ).
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, de combustible pour réacteur à eau légère irradié pendant trois ans ne contient que de , qui doit d'abord être purifié avant irradiation pour produire le , lequel doit ensuite être à son tour purifié en solution avant de pouvoir être utilisé sous forme de dioxyde de plutonium : + ⟶ .
Réacteur nucléaire
Du plutonium 238 est également produit au sein des réacteurs nucléaires à la suite de capture neutronique successive sur l' et l'uranium 238 suivi de désintégration β− et/ou désintégration α..
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 RussieCommonly asked questions about radioisotope power systms – space batteries, juillet 2005.. 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., le département de l'énergie américain a relancé la production de Pu 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...
Notes et références
Annexes Articles connexes Plutonium Isotope fertile Table des isotopes Générateur thermoélectrique à radioisotope
Liens externes Assessment of Plutonium-238 Production Alternatives Argonne National Laboratory Plutonium
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