PLUTONIUM

Réacteurs surgénérateurs

Le caractère fissile du plutonium 239 conduit à envisager son utilisation dans les combustibles des réacteurs nucléaires. Ce « recyclage » du plutonium a été expérimenté dans les réacteurs à eau pressurisée dans divers pays dont la France. Mais son objet principal concerne l'alimentation des réacteurs à neutrons rapides. Dans ce type de réacteurs, où le modérateur est absent, la teneur en isotopes fissiles du combustible doit dépasser 15 p. 100. Du fait du bilan plus favorable de l'utilisation des neutrons, on peut atteindre une surgénération, c'est-à-dire une production d'isotopes fissiles en quantité supérieure à celle qui a été consommée. Les neutrons libérés par la fission de l'uranium 235 et du plutonium 239 sont en partie capturés par l'uranium 238 qui donne du plutonium suivant le schéma précédemment décrit.

Les éléments combustibles sont constitués de pastilles d'un mélange homogène des oxydes UO₂ et PuO₂, gainées dans des tubes (aiguilles) d'acier inoxydable réunis en assemblages combustibles. Du sodium liquide circule autour de ces aiguilles et constitue le fluide caloporteur. En France, à la suite du réacteur prototype Rapsodie, furent construites la centrale de démonstration Phénix et la centrale industrielle de Creys-Malville, Superphénix.

Générateurs isotopiques

Les générateurs isotopiques utilisent comme source d'énergie la chaleur dégagée par le freinage dans la matière du rayonnement émis par un radio-isotope. Cette puissance calorifique est convertie en puissance électrique par effet Seebeck avec des rendements faibles.

Le plutonium 238 occupe une place de choix parmi les radio-isotopes utilisables. D'une part, il possède une émission X pratiquement exempte de rayons α, ce qui permet de ne pas alourdir la source par des blindages. D'autre part, un gramme de cet isotope génère 0,57 W d'énergie calorifique, ce qui correspond à une puissance spécifique élevée. Enfin, sa demi-vie de 87,7 ans est adéquate pour les utilisations à l'échelle de la vie humaine. D'une façon générale, ces générateurs ont une puissance indépendante des conditions extérieures : elle ne dépend que de la nature et de la demi-vie du radio-isotope.

Ces considérations ont conduit à promouvoir l'utilisation des générateurs isotopiques à base de plutonium 238 pour l'exploration spatiale et l'instrumentation médicale.

Citons en premier lieu le développement du programme américain d'utilisation de générateurs isotopiques embarqués sur des satellites dès le début des années 1960 (System for Nuclear Auxiliary Power, ou S.N.A.P.). En 1969, lors de la mission Apollo 12, plusieurs kilogrammes de plutonium 238 ont été mis en œuvre dans un générateur déposé sur le sol lunaire.

Dans le domaine médical, l'application essentielle du plutonium 238 est l'alimentation en énergie des stimulateurs cardiaques. Quelques centaines de microwatts de puissance électrique sont suffisants pour alimenter le générateur d'impulsions, mais la source doit être très fiable. Un stimulateur au ²³⁸Pu a été mis au point en France et implanté pour la première fois en 1970 dans le thorax d'un patient. Dans les stimulateurs isotopiques, la source est constituée soit d'un alliage plutonium-scandium, soit d'un oxyde appauvri en oxygène 18, enfermé dans des capsules étanches de tantale et de platine irridié. Des thermoéléments au contact de cette source de chaleur alimentent le générateur d'impulsions relié au muscle cardiaque par des électrodes de platine. Ces générateurs isotopiques ont peu à peu été remplacés à partir de 1976 par les piles chimiques au lithium dont la fiabilité est comparable et qui sont bien moins contraignantes du point de vue de la réglementation.[...]