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Transmuter les actinides ?



Un principe séduisant, des difficultés pratiques

Une forte réduction de toxicité radioactive des déchets ...
La réduction de toxicité obtenue en transmutant intégralement les actinides mineurs en produits de fission est importante (zone verte). Les actinides sont transmutés en produits de fission à temps de vie beaucoup plus courts (courbe C). La courbe est obtenue en divisant la contribution des produits de fission du combustible usé d'un réacteur REP (courbe A) par le rapport des masses fissiles : 35 kg par tonne d’uranium dans un cas et 800 grammes d'actinides à fissionner dans l'autre. La réduction est en principe de plusieurs ordres de grandeur.
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La destruction des actinides par des réactions de fission est séduisante sur le papier, difficile dans la pratique. Le principe est le suivant : la capture d’un neutron par ces noyaux fragiles que sont les actinides provoque souvent mais pas toujours leur fragmentation. Les deux fragments retrouvent la stabilité au bout de temps beaucoup plus courts que le noyau dont ils sont issus.

Ce noyau émettait des rayons alpha, ses fragments émettent des rayons bêta beaucoup moins toxiques. La transmutation accélère non seulement le retour à la stabilité, elle réduit la radiotoxicité.

La très lente décroissance des actinides explique pourquoi on s’en inquiète davantage que des produits de fission présents en bien plus grande quantité dans le combustible usé des réacteurs (35 kg par tonne d’uranium contre 800 g dans les conditions normales d’exploitation d’un réacteur REP). Les périodes radioactives, si l’on met de côté le curium-244 (18 ans) vont de 432 ans pour l’américium-241 à 2,1 millions d’années pour le neptunium-237. La décroissance des produits de fission est beaucoup plus rapide.

La grande majorité des produits de fissionsont à vie courte. Au bout de trente ans, seuls une poignée sont encore radioactifs : deux noyaux, le césium-137 et le strontium-90, dominent la décroissance radioactive pour les 600 ans qui suivent après quoi.subsistent quelques produits de fission à vie très longue comme le technétium-99.

Repartition des produits de fission du plutonium
La répartition du nombre de nucléons des produits de fission d’un actinide mineur resseble à celle d'un noyau lourd fissile comme luranium-235 ou le plutonium-239. Presque tous les fragments de fission, au départ très radioactifs, retrouvent la stabilité au bout de quelques années. Quelques produits de fission indiqués sur la figure, subsistent : le strontium-90 et le césium-137 avec une période voisine de 30 ans ; le technetium-99, l’iode-129 et le césium-135 avec des périodes dépassant la centaines de milliers d’années.
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La fission des actinides génère des produits de fission similaires à ceux de la fission de l’uranium et du plutonium. Les proportions de la poignée de noyaux qui déterminent l’allure de la décroissance radioactive sont voisines. On peut estimer sans trop d’erreurs la radiotoxicité des actinides transmutés en divisant la radiotoxicité des produits de fission par le rapport des masses (35 kg et 800 g). Ce calcul simple montre que la fission d'un actinide mineur divise la toxicité radioactive par 10 au bout de 10 ans, par 200 à 300 ans, par 100 000 à 600 ans.

La réalité n’est pas aussi rose que ne le laissent entendre ces chiffres. Fissionner des quantités appréciables d’actinides n’est pas une tâche facile. La fission est une réaction nucléaire qui demande un retour en réacteur. Sous quelle forme incorporer les actinides dans le combustible nucléaire ? Cette incorporation n’est pas anodine : trop forte, elle perturbe le fonctionnement du réacteur et cause des instabilités.

En second lieu, la fission est concurrencée par des captures simples de neutrons qui fragilisent le noyau mais ne le détruisent pas. La probabilité d’une fission est très inégale d’un actinide à l’autre et varie avec l’énergie des neutrons. D’une manière générale, il vaut mieux employer des neutrons rapides que ders neutrons lents. Même avec des neutrons rapides, il faut souvent plusieurs captures pour casser un noyau comme il faut plusieurs coups de hache pour venir à bout d’une bûche récalcitrante …

En dernier lieu, les probabilités de capture de neutrons (en particulier de neutrons rapides) sont faibles et le nombre de noyau à transmuter très important si l’on se souvient du nombre d’Avogadro. Il faut des flux très importants de neutrons pour détruire quelques kilogrammes d’actinides. Il ne faudra pas produire davantage d’actinides dans le reste du combustible qu’on en détruit, ce qui ne sera possible qu’avec des réacteurs conçus à cet effet. Même avec ces derniers, aboutir à un rendement de transmutation élevé s’avèrera difficile. On est encore actuellement au stade des expériences.