Actinide
Les actinides sont une série chimique du tableau périodique des éléments de 15 espèces chimiques se situant entre l'actinium et le lawrencium, possédant donc un numéro atomique entre 89 et 103 inclus. Ils tirent leur nom de l'actinium (Z=89), un métal lourd, car ils possèdent des propriétés chimiques voisines. Ce sont des métaux lourds.
Les actinides sont tous radioactifs. Ils sont tous fissibles en neutrons rapides et quelques-uns en neutrons thermiques.
L'uranium et le thorium, qui sont relativement abondants à l'état naturel du fait de la très longue demi-vie de leurs isotopes les plus stables, sont des actinides. On trouve également dans la nature de l'actinium et du protactinium dans la chaîne de désintégration du thorium 232 et celle de l'uranium 235.
Les actinides comprennent des éléments artificiels, les transuraniens, plus lourds que l'uranium : ils sont générés par des captures de neutrons qui n'ont pas été suivies de fissions. L'actinide produit le plus abondamment est le plutonium, avec en tête son principal isotope le plutonium-239. Le plutonium-239 n'est pas considéré comme un déchet radioactif car il est lui-même fissile. Mais les réacteurs nucléaires génèrent, en quantité moindre, d'autres actinides qui sont appelés « mineurs ». La qualification de « mineurs » rend compte du fait que ces éléments sont présents en bien moins grandes proportions que les actinides majeurs : uranium et plutonium. Les actinides mineurs constituent avec les produits de fission une partie[1] des déchets HAVL, c’est-à-dire les déchets de l'industrie électronucléaire les plus fortement radioactifs.
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | |
1 | H | He | ||||||||||||||||
2 | Li | Be | B | C | N | O | F | Ne | ||||||||||
3 | Na | Mg | Al | Si | P | S | Cl | Ar | ||||||||||
4 | K | Ca | Sc | Ti | V | Cr | Mn | Fe | Co | Ni | Cu | Zn | Ga | Ge | As | Se | Br | Kr |
5 | Rb | Sr | Y | Zr | Nb | Mo | Tc | Ru | Rh | Pd | Ag | Cd | In | Sn | Sb | Te | I | Xe |
6 | Cs | Ba | * | Hf | Ta | W | Re | Os | Ir | Pt | Au | Hg | Tl | Pb | Bi | Po | At | Rn |
7 | Fr | Ra | ** | Rf | Db | Sg | Bh | Hs | Mt | Ds | Rg | Cn | Nh | Fl | Mc | Lv | Ts | Og |
8 | Uue | Ubn | ⁂ | |||||||||||||||
↓ | ||||||||||||||||||
* | La | Ce | Pr | Nd | Pm | Sm | Eu | Gd | Tb | Dy | Ho | Er | Tm | Yb | Lu | |||
** | Ac | Th | Pa | U | Np | Pu | Am | Cm | Bk | Cf | Es | Fm | Md | No | Lr | |||
⁂ | Ubu | Ubb | Ubt | Ubq | Ubp | Ubh | Ubs | Ubo | Ube | Utn | Utu | Utb | Utt | Utq | Utp | |||
Uth | Uts | Uto | Ute | Uqn | Uqu | Uqb | ||||||||||||
Uue | Éléments hypothétiques | Mt | Nature chimique inconnue | |||||||||||||||
Li | Métaux alcalins | Al | Métaux pauvres | |||||||||||||||
Be | Métaux alcalino-terreux | B | Métalloïdes | |||||||||||||||
Sc | Métaux de transition | Non-métaux : | ||||||||||||||||
La | Lanthanides (*) | H | « CHNOPS » et sélénium | |||||||||||||||
Ac | Actinides (**) | F | Halogènes | |||||||||||||||
Ubu | Superactinides (⁂) | He | Gaz nobles |
Historique
Voies de production des actinides
Contrairement aux lanthanides, qui se rencontrent dans la nature en quantités appréciables (à l'exception du prométhium), la plupart des actinides sont des éléments très rares. Les éléments naturels les plus abondants sont le thorium et l'uranium ; et le plus facile à synthétiser est le plutonium ; les autres ne se rencontrent guère qu'à l'état de traces.
La possibilité d'éléments transuraniens a été suggérée par Enrico Fermi sur la base de ses expériences de 1934[2],[3]
Les transuraniens ne se trouvent pas en quantité significative dans la nature, et sont produits par réaction nucléaire. Il y a de nos jours deux grandes voies pour produire les isotopes au-delà du plutonium : l'irradiation par des flux de neutrons conduisant à une capture neutronique, ou l'irradiation par des faisceaux de particules, dans un accélérateur de particules.
La première voie est la principale pour les applications pratiques, la production d'actinides en quantité pondérale n'étant possible que par irradiation en réacteur nucléaire ; elle est toutefois limitée aux premiers éléments de la série. Par exemple, dans des conditions d'irradiation neutronique d'un réacteur nucléaire, l'uranium 238 se transforme en partie en plutonium-239 :
Les actinides de masses atomiques plus élevées sont synthétisés grâce à un accélérateur de particules en bombardant de l'uranium, du plutonium, du curium ou du californium avec des ions d'azote, d'oxygène, de carbone, de néon ou de bore. L'avantage de la seconde méthode est qu'elle permet de produire des éléments nettement plus lourds que le plutonium, ainsi que des isotopes présentant un déficit de neutrons. Ainsi, le nobélium a été produit en bombardant de l'uranium 238 avec du néon-22, suivant la réaction nucléaire :
- .
Entre 1962 et 1966, les États-Unis conduisirent une série de six essais nucléaires souterrains pour essayer d'analyser la production des isotopes lourds dans un contexte de haut flux neutronique. De petits échantillons de roche furent prélevés immédiatement après l'explosion pour analyser les produits de l'explosion, mais aucun isotope de masse atomique supérieure à 257 ne fut jamais identifié, bien que la théorie prévoyait à l'époque, dans cette région, un îlot de stabilité d'isotopes ayant une période radioactive relativement longue en radioactivité alpha.
La découverte des actinides naturels
N° | Nom | UICPA | Isotope découvert |
Année de découverte |
Méthode de découverte |
---|---|---|---|---|---|
89 | Actinium | Ac | naturel | 1899 | Séparation chimique |
90 | Thorium | Th | naturel | 1829 | Séparation chimique |
91 | Protactinium | Pa | 234mPa | 1913 | Séparation chimique |
92 | Uranium | U | naturel | 1789 | Séparation chimique |
93 | Neptunium | Np | 239neptunium | 1940 | Bombardement de 238U par des neutrons lents |
94 | Plutonium | Pu | 238plutonium | 1941 | Bombardement de 238U par des deutons |
95 | Américium | Am | 241américium | 1944 | Bombardement de 239Pu par des neutrons |
96 | Curium | Cm | 242curium | 1944 | Bombardement de 239Pu par des particules α |
97 | Berkélium | Bk | 243berkélium | 1949 | Bombardement de 241Am par des particules α |
98 | Californium | Cf | 245californium | 1950 | Bombardement de 242Cm par des particules α |
99 | Einsteinium | Es | einsteinium | 1952 | En tant que produit de l'explosion nucléaire Ivy Mike |
100 | Fermium | Fm | 255fermium | 1952 | En tant que produit de l'explosion nucléaire Ivy Mike |
101 | Mendélévium | Md | 256mendélévium | 1955 | Bombardement de 253Es par des particules α |
102 | Nobélium | No | 256nobélium | 1965 | Bombardement de 243Am par de l' 15N ou bombardement de 238U par des particules α ou bombardement de 238U par du 22Ne |
103 | Lawrencium | Lr | 258lawrencium | 1961–1971 | Bombardement de 252Cf par du 10B ou du 11B et de 243Am par de l' 18O |
- L'uranium a été isolé en 1789 par le chimiste allemand Martin Heinrich Klaproth à partir de minerai de pechblende. Il baptisa cette matière «uranium» en référence à la planète Uranus, qui avait été découverte huit années plus tôt. Klapoth obtint un précipité jaune (probablement du diuranate de sodium) par dissolution de la pechblende dans de l'acide nitrique, puis en neutralisant la solution obtenue par de l'hydroxyde de sodium. Il réduisit alors ce précipité jaune avec du charbon de bois, et obtint une substance noirâtre qu'il prit pour un métal[5]. Ce n'est que soixante ans plus tard que le chimiste français Eugène-Melchior Péligot analysa cette poudre comme de l'oxyde d'uranium. Il isola également le premier échantillon métallique d'uranium, en chauffant du tétrachlorure d'uranium en présence de potassium[6]. La masse atomique de l'uranium était alors estimée à 120, mais en 1872, Dmitri Mendeleïev révisa cette valeur à 240 en se fondant sur son tableau périodique des éléments. Par la suite, cette valeur fut confirmée expérimentalement en 1882 par K. Zimmerman[7],[8].
- L'oxyde de thorium a été découvert par Friedrich Wöhler dans un minerai de Norvège en 1827. Ce minerai fut analysé par Jöns Jacob Berzelius en 1828. Par réduction du tétrachlorure de thorium avec du potassium, il obtint un métal qu'il appela thorium, en référence à Thor, dieu du tonnerre et des éclairs de la mythologie nordique[9],[10]. C'est cette même méthode qui fut par la suite utilisée par Pélogot pour isoler l'uranium.
- L'actinium a été découvert en 1899 par André-Louis Debierne, un assistant de Marie Curie, dans les restes de pechblende qui avaient été traités pour en extraire le radium et le polonium. Il décrivit initialement cette substance comme similaire au titane[11] puis (en 1900) comme similaire au thorium[12]. Cette découverte de l'actinium par Devierne a cependant été remise en cause en 1971[13] et en 2000[14], sur la base de ce que les travaux publiés par Devbierne en 1904 contredisaient ses publications précédentes de 1899 et 1900. Le terme «actinium» vient du grec aktis, aktinos (ακτίς, ακτίνος) qui signifie un rayon lumineux. Du fait de sa similarité avec le lanthane et de sa très faible abondance, l'actinium ne fut isolé à l'état pur qu'en 1950.
- Le protactinium fut peut-être isolé en 1900 par William Crookes[15]. Il fut identifié en 1913, quand Kazimierz Fajans et Oswald Helmuth Göhring (es) identifièrent son isotope 234mPa (d'une demi-vie de 1,17 minute) dans leur étude de la chaîne de désintégration de 238U. Ils appelèrent initialement ce nouvel élément « brévium » (du latin brevis, d'une courte durée). En 1918 deux groupes de scientifiques conduits par l'Autrichienne Lise Meitner, l'Allemand Otto Hahn et l'Anglais John Cranston firent indépendamment la découverte de l'isotope 231Pa, et lui donnèrent le nom de protoactinium (du grec πρῶτος + ἀκτίς, le premier des rayonnants), terme abrégé en protactinium en 1949. Cet élément ne fut guère caractérisé avant 1960, date à laquelle A. G. Maddock et ses collaborateurs parvinrent à produire 130 grammes de protactinium à partir de 60 tonnes de déchets de minerai d'uranium.
La synthèse des actinides artificiels
La série des actinides transuraniens a été découverte aux débuts de la physique nucléaire, entre les années 1940 et 1960.
- Le neptunium fut découvert par Edwin McMillan et Philip H. Abelson en 1940 à Berkeley. Ils produisirent l'isotope 239Np (d'une demi-vie de 2,4 jours) en bombardant de l'uranium avec des neutrons lents. Ils baptisèrent cette substance « neptunium » en référence à la planète Neptune, la planète suivant Uranus qui avait donné son nom à l'uranium. Ce fut le premier transuranien produit artificiellement.
- L'isotope 238Pu a été produit le 14 décembre 1940 et caractérisé en 1941 par l'équipe de Glenn Seaborg en bombardant une cible d'uranium par du deutérium au cyclotron de Berkeley[16].
- Le curium a été découvert en été 1944 par Glenn T. Seaborg et ses collègues Ralph A. James et Albert Ghiorso. Dans leur série d'expériences, ils ont utilisé le cyclotron de 60 pouces de l'université de Californie à Berkeley.
- L'américium-241 fut synthétisé pour la première fois par Glenn T. Seaborg, Leon Morgan, Ralph James, et Albert Ghiorso vers la fin de l’année 1944 au laboratoire métallurgique de l’université de Chicago (connu maintenant sous le nom d’Argonne National Laboratory), par l'irradiation de plutonium dans un réacteur nucléaire. L’américium a été nommé en référence au continent américain, par analogie avec l’europium, élément de la famille des lanthanides dont il est l’homologue chimique.
- Le berkélium a été synthétisé pour la première fois en décembre 1949 par Stanley G. Thompson, Glenn T. Seaborg, Kenneth Street, Jr. (en), et Albert Ghiorso à l'université de Californie à Berkeley. Le premier isotope produit a un nombre de masse de 243 et se dégrade avec une demi-vie de 4,5 heures.
- Le californium-245 a été produit pour la première fois en 1950 par Stanley G. Thompson, Glenn T. Seaborg, Kenneth Street, Jr., et Albert Ghiorso à Berkeley, en Californie, d'où son nom : il avait alors été obtenu en bombardant une cible de curium 242 avec un faisceau de particules α pour produire du 245Cf par une réaction (α,n).
- L'einsteinium, nommé d'après Albert Einstein, et le fermium, nommé d'après Enrico Fermi, ont été découverts en 1952 par Albert Ghiorso dans les débris résultant de Ivy Mike, la première explosion thermonucléaire. Le 255Fm avait été créé par combinaison de l'uranium-238 et de 17 neutrons sous l'effet du flux neutronique intense. Ces résultats avaient initialement été classifiés, mais l'équipe de Berkeley parvint à synthétiser ces deux éléments par des moyens civils en soumettant du plutonium 239 à un bombardement neutronique, et publièrent ce résultat en 1954, signalant que ce n'était pas la première découverte de ces éléments. Les études des retombées de Ivy Mike furent finalement déclassifiées en 1955.
- Le mendélévium fut obtenu pour la première fois sous forme de 256Md](d'une demi-vie de 87 minutes) par Albert Ghiorso, Glenn T. Seaborg, Gregory R. Choppin, Bernard G. Harvey et Stanley G. Thompson, en bombardant une cible de 253Es par un faisceau de particules alpha. Ce fut le premier élément à être synthétisé un atome à la fois.
- Le nobélium fut annoncé en 1957 par l'Institut Nobel de physique à Stockholm, et plus tard par Albert Ghiorso, Torbjorn Sikkeland, J.R.Walton et Glenn Seaborg (USA) en 1958. Il fut nommé nobélium en l'honneur d'Alfred Nobel. Il a été identifié pour la première fois avec certitude en 1965 sous forme de 256No par le russe Gueorgui Fliorov et son équipe, en bombardant de l'uranium-238 avec du néon-22.
- Le lawrencium, dernier des actinides, a été observé pour la première fois en février 1961 par Albert Ghiorso, Torbjørn Sikkeland, Almon E. Larsh et Robert M. Latimer (USA), au Laboratoire national Lawrence-Berkeley de l'université de Californie à Berkeley, en bombardant une cible de trois isotopes de californium par des ions de bore 10 et de bore 11 pour produire du 258Lr. Il porte le nom d'Ernest Orlando Lawrence, qui découvrit le principe du cyclotron en 1929.
Les actinides en tant que famille
De même que les lanthanides, les actinides forment une famille d'éléments aux propriétés chimiques similaires.
Toutefois, bien que quatre actinides étaient déjà connus dans les années 1930, le fait qu'ils puissent former une famille comparable aux lanthanides n'avait pas encore été compris. Le point de vue prédominant à l'époque était qu'ils formaient une suite régulière d'éléments de la septième période, dans laquelle thorium, protactinium et uranium avaient sur la sixième période le hafnium, le tantale et le tungstène comme analogues respectifs. C'est probablement Victor Goldschmidt qui introduisit le terme « actinide » en 1937[17],[18].
Mais la synthèse des transuraniens renversa progressivement cette vision des choses. En 1944, le constat que le curium ne présente pas de degré d'oxydation au-dessus de 4 (alors que son analogue supposé, le platine, peut atteindre un degré d'oxydation de 7) conduisit Glenn Seaborg à formuler l'hypothèse d'une famille d'actinides. L'étude des actinides déjà isolés et la découverte d'autres éléments transuraniens confirma l'existence de cette famille de transition.
Propriétés
Propriétés physiques
Propriété | Ac | Th | Pa | U | Np | Pu | Am | Cm | Bk | Cf | Es | Fm | Md | No | Lr |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Charge électrique du noyau | 89 | 90 | 91 | 92 | 93 | 94 | 95 | 96 | 97 | 98 | 99 | 100 | 101 | 102 | 103 |
Masse atomique | [227] | 232.0381 | 231.03588 | 238.02891 | [237] | [244] | [243] | [247] | [247] | [251] | [252] | [257] | [258] | [259] | [262] |
Nombre d'isotopes connus | 3 | 9 | 5 | 9 | 4 | 5 | 5 | 8 | 2 | 5 | — | — | — | — | — |
Masse atomique[20] | 225, 227–228 | 226–232, 234–235 | 231, 233–236 | 232–240 | 237–240 | 238–240, 242, 244 | 241–245 | 242–249 | 249–250 | 249–253 | — | — | — | — | — |
Isotope le plus stable | 227 | 232 | 231 | 238 | 237 | 244 | 243 | 247 | 247 | 251 | 252 | 257 | 258 | 259 | 262 |
Période de l'isotope le plus stable | 21,8 ans | 14 milliards ans | 32 500 ans | 4,47 milliards ans | 2,14 million ans | 80,8 million ans | 7 370 ans | 15,6 million ans | 1 400 ans | 900 ans | 1,29 ans | 100,5 jours | 52 jours | 58 min | 3,6 h |
Configuration électronique à l'état de base | 6d17s2 | 6d27s2 | 5f26d17s2or 5f16d27s2 | 5f36d17s2 | 5f46d17s2or 5f57s2 | 5f67s2 | 5f77s2 | 5f76d17s2 | 5f97s2or 5f86d17s2 | 5f107s2 | 5f117s2 | 5f127s2 | 5f137s2 | 5f147s2 | 5f147s27p1 |
État d'oxydation | 2, 3 | 2, 3, 4 | 2, 3, 4, 5 | 2, 3, 4, 5, 6 | 3, 4, 5, 6, 7 | 3, 4, 5, 6, 7, 8 | 2, 3, 4, 5, 6, 7 | 2, 3, 4, 6, 8 | 2, 3, 4 | 2, 3, 4 | 2, 3, 4 | 2, 3 | 2, 3 | 2, 3 | 3 |
Rayon métallique, nm | 0.203 | 0.180 | 0.162 | 0.153 | 0.150 | 0.162 | 0.173 | 0.174 | 0.170 | 0.186 | 0.186 | — | — | — | — |
Rayon ionique, nm: An4+ An3+ |
— 0.126 |
0.114 — |
0.104 0.118 |
0.103 0.118 |
0.101 0.116 |
0.100 0.115 |
0.099 0.114 |
0.099 0.112 |
0.097 0.110 |
0.096 0.109 |
0.085 0.098 |
0.084 0.091 |
0.084 0.090 |
0.084 0.095 |
0.083 0.088 |
Température (°C) fusion ébullition |
1050 3198 |
1842 4788 |
1568 ? 4027 |
1132.2 4131 |
644 3999,85 |
639.4 3228 |
1176 2607 |
1340 3110 |
986 2627 |
900 ? 1470 |
860 ? 996 |
1530 — |
830 — |
830 — |
1630 — |
Densité, (g/cm3) | 10.07 | 11.78 | 15.37 | 19.06 | 20.45 | 19.84 | 11.7 | 13.51 | 14.78 | 15.1 | 8.84 | ||||
Standard électrode potentiel, V: E° (An4+/An0) E° (An3+/An0) |
— −2.13 |
−1.83 — |
−1.47 — |
−1.38 −1.66 |
−1.30 −1.79 |
−1.25 −2.00 |
−0.90 −2.07 |
−0.75 −2.06 |
−0.55 −1.96 |
−0.59 −1.97 |
−0.36 −1.98 |
−0.29 −1.96 |
— −1.74 |
— −1.20 |
— −2.10 |
Couleur [M(H2O)n]4+ [M(H2O)n]3+ |
— Incolore |
Incolore Bleu |
Jaune Bleu nuit |
Vert Pourpre |
Jaune-vert Pourpre |
Brun Violet |
Rouge Rose |
Jaune Incolore |
Beige Jaune-vert |
Vert Vert |
— Rose |
— — |
— — |
— — |
— — |
Propriétés chimiques
Les actinides possèdent des caractéristiques chimiques semblables à celles des lanthanides, lorsqu'ils sont au même degré d'oxydation.
Contrairement aux lanthanides, les actinides légers peuvent être stables aux degrés d'oxydation +5 (Pa, U, Np, Pu, Am) et +6 (U, Np, Pu, Am). Cette plus grande facilité d'ionisation (des actinides par rapport aux lanthanides) s'explique par le fait que les orbitales de valence 5f des actinides, sont moins internes que les 4f des lanthanides, car plus écrantées par les électrons de cœur.
Les actinides au même degré d'oxydation sont analogues chimiques entre eux, à l'exception notable de Pa(V).
La plupart des actinides sont pyrophoriques à l'état finement divisé. C'est le cas de l'uranium et du plutonium.
Dans le tableau périodique, les actinides sont placés sous les lanthanides, ces deux séries étant généralement sous la partie principale du tableau, à la manière d'une note de bas de page. À l'exception du lawrencium, ils font partie du « bloc f » du tableau périodique des éléments.
Oxydes
Composé | Couleur | Structure cristalline | Constante de Lattice, Å | Densité (g/cm3) |
Température (°C) | ||
---|---|---|---|---|---|---|---|
a | b | c | |||||
Ac2O3 | Blanc | Hexagonal, La2O3 | 4.07 | - | 6.29 | 9.19 | – |
PaO2 | - | Cubic, CaF2 | 5.505 | - | - | - | - |
Pa2O5 | Blanc | cubic, CaF2 Cubic Tetragonal Hexagonal Rhombohedral Orthorhombic |
5.446 10.891 5.429 3.817 5.425 6.92 |
- - - - - 4.02 |
- 10.992 5.503 13.22 - 4. 18 |
- | 700 700–1100 1000 1000–1200 1240–1400 – |
ThO2 | Incolore | Cubic | 5.59 | - | - | 9.87 | – |
UO2 | Brun foncé | Cubic | 5.47 | - | - | 10.9 | – |
NpO2 | Brun vert | Cubic, CaF2 | 5.424 | - | - | 11.1 | – |
PuO | Noir | Cubic, NaCl | 4.96 | - | - | 13.9 | – |
PuO2 | Vert olive | Cubic | 5.39 | - | - | 11.44 | – |
Am2O3 | Marron Marron |
Cubic, Mn2O3 Hexagonal, La2O3 |
11.03 3.817 |
- | - 5.971 |
10.57 11.7 |
– |
AmO2 | Noir | Cubic, CaF2 | 5.376 | - | - | - | - |
Cm2O3 | Blanc[23] - - |
Cubic, Mn2O2 Hexagonal, LaCl3 Monoclinic, Sm2O3 |
11.01 3.80 14.28 |
- - 3.65 |
- 6 8.9 |
11.7 | – |
CmO2 | Noir | Cubic, CaF2 | 5.37 | - | - | - | - |
Bk2O3 | Marron clair | Cubic, Mn2O3 | 10.886 | - | - | - | - |
BkO2 | Marron | Cubic, CaF2 | 5.33 | - | - | - | - |
Cf2O3[24] | Incolore Jaunâtre - |
Cubic, Mn2O3 Monoclinic, Sm2O3 Hexagonal, La2O3 |
10.79 14.12 3.72 |
- 3.59 - |
- 8.80 5.96 |
- | - |
CfO2 | Noir | Cubic | 5.31 | - | - | - | - |
Es2O3 | - | Cubic, Mn2O3 Monoclinic Hexagonal, La2O3 |
10.07 14.1 3.7 |
- 3.59 - |
- 8.80 6 |
- | - |
État d'oxydation | 89 | 90 | 91 | 92 | 93 | 94 | 95 | 96 | 97 | 98 | 99 |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
+3 | Pu2O3 | Am2O3 | Cm2O3 | Bk2O3 | Cf2O3 | Es2O3 | |||||
+4 | ThO2 | PaO2 | UO2 | NpO2 | PuO2 | AmO2 | CmO2 | BkO2 | CfO2 | ||
+5 | Pa2O5 | U2O5 | Np2O5 | ||||||||
+6 | U3O8 | ||||||||||
UO3 |
Formule chimique | ThO2 | PaO2 | UO2 | NpO2 | PuO2 | AmO2 | CmO2 | BkO2 | CfO2 |
Numéro CAS | 1314-20-1 | 12036-03-2 | 1344-57-6 | 12035-79-9 | 12059-95-9 | 12005-67-3 | 12016-67-0 | 12010-84-3 | 12015-10-0 |
Masse molaire (g/mol-1) | 264.04 | 263.035 | 270.03 | 269.047 | 276.063 | 275.06 | 270–284** | 279.069 | 283.078 |
Point de fusion[27] | 3 390 °C | 2 865 °C | 2 547 °C | 2 400 °C | 2 175 °C | ||||
Point d'ébullition | 4 400 °C | 2 800 °C | |||||||
Structure cristalline |
An4+: __ / O2−: __ | ||||||||
Groupe spatial | Fm3m | ||||||||
Nombre de coordination | An[8], O[4] |
- *An – actinide
**Dépendant de l'isotope
Chlorures
Formule chimique | AcCl3 | UCl3 | NpCl3 | PuCl3 | AmCl3 | CmCl3 | BkCl3 | CfCl3 |
Numéro CAS | 22986-54-5 | 10025-93-1 | 20737-06-8 | 13569-62-5 | 13464-46-5 | 13537-20-7 | 13536-46-4 | 13536-90-8 |
Masse molaire (g/mol-1) | 333.386 | 344.387 | 343.406 | 350.32 | 349.42 | 344–358** | 353.428 | 357.438 |
Point de fusion | 837 °C | 800 °C | 767 °C | 715 °C | 695 °C | 603 °C | 545 °C | |
Point d'ébullition | 1 657 °C | 1 767 °C | 850 °C | |||||
Structure cristalline |
An3+: __ / Cl−: __ | |||||||
Groupe spatial | P63/m | |||||||
Nombre de coordination | An*[9], Cl [3] | |||||||
Constante de Lattice |
a = 762 pm c = 455 pm |
a = 745.2 pm c = 432.8 pm |
a = 739.4 pm c = 424.3 pm |
a = 738.2 pm c = 421.4 pm |
a = 726 pm c = 414 pm |
a = 738.2 pm c = 412.7 pm |
a = 738 pm c = 409 pm |
- *An – actinide
**Dépendant de l'isotope
Fluorures
Composé | Couleur | Structure cristalline | Constante de Lattice, Å | Densité (g/cm3) | ||
---|---|---|---|---|---|---|
a | b | c | ||||
AcF3 | Blanc | Hexagonal, LaF3 | 4.27 | - | 7.53 | 7.88 |
PaF4 | Brun foncé | Monoclinic | 12.7 | 10.7 | 8.42 | – |
PaF5 | Noir | Tétragonal, β-UF5 | 11.53 | - | 5.19 | – |
ThF4 | Incolore | Monoclinic | 13 | 10.99 | 8.58 | 5.71 |
UF3 | Rougeâtre-pourpre | Hexagonal | 7.18 | - | 7.34 | 8.54 |
UF4 | Vert | Monoclinic | 11.27 | 10.75 | 8.40 | 6.72 |
α-UF5 | Bleuâtre | Tetragonal | 6.52 | - | 4.47 | 5.81 |
β-UF5 | Bleuâtre | Tetragonal | 11.47 | - | 5.20 | 6.45 |
UF6 | Jaunâtre | Orthorhombic | 9.92 | 8.95 | 5.19 | 5.06 |
NpF3 | Noir ou pourpre | Hexagonal | 7.129 | - | 7.288 | 9.12 |
NpF4 | Vert clair | Monoclinic | 12.67 | 10.62 | 8.41 | 6.8 |
NpF6 | Orange | Orthorhombic | 9.91 | 8.97 | 5.21 | 5 |
PuF3 | Bleu-Violet | Trigonal | 7.09 | - | 7.25 | 9.32 |
PuF4 | Marron clair | Monoclinic | 12.59 | 10.57 | 8.28 | 6.96 |
PuF6 | Brun-rouge | Orthorhombic | 9.95 | 9.02 | 3.26 | 4.86 |
AmF3 | Rose ou beige clair | hexagonal, LaF3 | 7.04[31],[32] | - | 7.255 | 9.53 |
AmF4 | Rouge-orange | Monoclinic | 12.53 | 10.51 | 8.20 | – |
CmF3 | de brun à blanc | Hexagonal | 4.041 | - | 7.179 | 9.7 |
CmF4 | Jaune | Monoclinic, UF4 | 12.51 | 10.51 | 8.20 | – |
BkF3 | Vert-jaune | Trigonal, LaF3 Orthorhombic, YF3 |
6.97 6.7 |
- 7.09 |
7.14 4.41 |
10.15 9.7 |
BkF4 | - | Monoclinic, UF4 | 12.47 | 10.58 | 8.17 | – |
CfF3 | - - |
Trigonal, LaF3 Orthorhombic, YF3 |
6. 94 6.65 |
- 7.04 |
7.10 4.39 |
– |
CfF4 | - - |
Monoclinic, UF4 Monoclinic, UF4 |
1.242 1.233 |
1.047 1.040 |
8.126 8.113 |
– |
Extraction de l'uranium et du plutonium
Le graphique ci-contre présente le procédé d'extraction chimique par le tributyl-phosphate de l'uranium et du plutonium à partir de la solution de nitrates à l'usine de retraitement du combustible.
Couleur et magnétisme
État d'oxydation | 89 | 90 | 91 | 92 | 93 | 94 | 95 | 96 | 97 | 98 | 99 |
+3 | Ac3+ | Th3+ | Pa3+ | U3+ | Np3+ | Pu3+ | Am3+ | Cm3+ | Bk3+ | Cf3+ | Es3+ |
+4 | Th4+ | Pa4+ | U4+ | Np4+ | Pu4+ | Am4+ | Cm4+ | Bk4+ | Cf4+ | ||
+5 | PaO2+ | UO2+ | NpO2+ | PuO2+ | AmO2+ | ||||||
+6 | UO22+ | NpO22+ | PuO22+ | AmO22+ | |||||||
+7 | NpO23+ | PuO23+ | [AmO6]5- |
Les couleurs des actinides (sous forme ionique) dans les états d'oxydation inférieurs sont dues aux transitions f-f. Dans les états d'oxydation élevée, il peut aussi y avoir des transitions charge-transfert. Il y a une interaction spin-orbite forte, mais leurs caractéristiques cristallines font qu'il existe de petites variations de couleur pour les composés d'un élément donné dans un état d'oxydation donné. Les transitions entre orbites 5f et 6d peuvent être observées dans région ultraviolette du spectre. Les moments magnétiques des espèces paramagnétiques sont loin d'être seulement des valeurs de spin.
Formation en réacteur
Captures neutroniques
Les actinides artificiels qui présentent un intérêt pratique sont les noyaux lourds (isotopes) formés dans les réacteurs par capture successive de neutrons par les noyaux du combustible.
Lors de l'irradiation en réacteur, les atomes d'actinide présents dans le combustible peuvent capturer un neutron sans subir de fission. C'est le cas notamment de l'isotope 238 de l'uranium, qui n'est pas fissile en spectre thermique ; mais tous les actinides présents présentent une section efficace de capture neutronique. La vitesse de transmutation en réacteur dépend de la valeur de cette section efficace. Pour un flux neutronique en réacteur typique de l'ordre de 1 × 1014 n cm−2 s−1, une section efficace de l'ordre de σ=1 barn (soit 1 × 10−24 cm2) aura en un an (soit 3,156 × 107 s) une probabilité de capture de:
- 1 × 1014 n cm−2 s−1 x 1 × 10−24 cm2 x 3,156 × 107 s = 0,316 %
Le barn est l'ordre de grandeur de la section efficace de capture de l'U-238, soit 2,68 barns en neutrons thermique : au bout d'un an en réacteur, près de 1 % (2,68 x 0,316 = 0,846 %) de l'uranium aura été transformé en plutonium. Une section efficace de 100 barns donnera une probabilité de capture cent fois plus importante (31,56 %), donc une demi-vie en réacteur de 2,2 ans.[pas clair]
Ces captures, le plus souvent suivies de décroissance radioactive bêta moins, conduisent à une augmentation du numéro atomique (du nombre de protons contenus dans le noyau). À partir de l'uranium initial il se forme alors des transuraniens : d'abord du plutonium, puis des actinides mineurs : principalement le neptunium (237) (produit d'une part par capture de l'uranium 236 formé à partir de l'uranium 235 –environ 20,3 % des fissions et 16,8 % des captures– et d'autre part par réaction (n,2n) sur l'uranium 238), l’américium (241, 243) et le curium (243, 244, 245).
Les isotopes des éléments transuraniens ont souvent une demi-vie très courte. Les actinides à demi-vie très courte présentent un excès de neutrons, qu'ils résolvent rapidement (avec des demi-vies de l'ordre de la journée) par radioactivité béta moins, par transformation d'un neutron en un proton (qui augmente d'une unité le numéro atomique) et d'un électron expulsé du noyau.
Quelques isotopes de Np, Pu, Am et Cm sont relativement plus stables, et sont produits en quantités pondérables dans les réacteurs nucléaires. Les principaux sont le plutonium, le neptunium 237(représente à lui seul près de 50 % des actinides mineurs formés), les américium 241 et 243 et les curium 244 et 245 (les proportions typiques sont données plus loin). Ils ont généralement une radioactivité alpha, avec une demi-vie qui peut aller de quelques dizaines années pour les curiums 243 et 244 à 2,144 millions d'années pour le plus stable le neptunium 237.
Ce sont ces actinides que l'on peut retrouver comme sous-produits d'un réacteur nucléaire. Même s'ils ne sont pas nécessairement fissiles en neutrons thermiques, ils sont tous fissibles avec une section efficace de 0,5 à 2 barn avec des neutrons d'énergie > 2 MeV. Ils peuvent donc être détruits en réacteur à neutrons rapides, ou peuvent être considérés comme déchets définitifs et stockés comme déchets nucléaires HAVL.
Équilibre neutronique des réacteurs
Dans un réacteur nucléaire, une réaction nucléaire ne peut fonctionner de manière auto-entretenue que si les neutrons produits par la fission d'un atome (généralement de deux et demi à trois en moyenne) ne subissent pas trop de pertes avant de contribuer à une nouvelle fission. Outre les pertes par diffusion et par activation des constituants du réacteur, les neutrons sont également consommés quand il y a une capture neutronique par un noyau d'actinide. De ce fait, la capacité des actinides à absorber des neutrons en fait en première approche un poison neutronique : plus il y en a dans le cœur du réacteur, et plus la réactivité du cœur sera compromise. Si on laisse trop d'actinides dans le cœur d'un réacteur nucléaire, il peut à terme ne plus fonctionner.
En deuxième approche, l'existence d'actinides fissiles viennent nuancer ce bilan, en ce qui concerne les radionucléides fertiles. Si par exemple la capture neutronique faite par un atome de 238U fait perdre un neutron dans l'équilibre neutronique du cœur sans bénéfice immédiat, elle transforme aussi à terme cet atome en un atome de 239Pu fissile. À plus longue échéance, un second neutron pourra faire fissionner ce dernier et produire les « deux et demi à trois en moyenne » neutrons associés à cette dernière fission. La capture d'un neutron, dans ce cas, conduit donc à un déficit immédiat sur la réactivité, mais le bilan neutronique global reste en moyenne légèrement positif : globalement, deux neutrons ajoutés à l'atome de 238U auront produit « deux et demi à trois en moyenne » neutrons nouveaux, ce qui ne compromet pas fondamentalement la possibilité d'une réaction en chaîne.
En revanche, si l'isotope produit n'est pas un isotope fertile, le bilan neutronique est nécessairement négatif : il faudra au moins une capture neutronique supplémentaire pour conduire à une fission ; et le bilan global sera au mieux de trois neutrons pour une fission, qui ne produit que « deux et demi à trois en moyenne » neutrons nouveaux : la présence de cet isotope aura été une charge pour l'équilibre neutronique du cœur.
La charge des actinides sur le bilan neutronique est d'autant pire que le nombre de neutrons à absorber avant d'atteindre un isotope fissile sera important.
Pour les actinides supérieurs (berkélium et curium), les captures neutroniques successives conduisent à des radioisotopes fortement radioactifs en radioactivité alpha, qui émettent un noyau d'hélium, éventuellement avant d'avoir eu le temps de fissionner. Dans ce cas, le bilan neutronique est encore plus noir : l'émission d'une particule alpha signifie que globalement quatre neutrons ont été absorbés (dont deux transformés en protons) sans produire de fission, et le noyau est retourné au stade où il était quatre captures neutroniques en amont : si un noyau suit un tel cycle, quatre neutrons auront été consommés en perte sèche pour ce qui est de l'entretien de la réaction nucléaire.
Cet impact des actinides sur le bilan neutronique est surtout important pour les réacteurs modérés. Dans le cas des réacteurs à neutrons rapides, les actinides formés sont tous plus ou moins fissibles ; ils sont donc plus rapidement consommés par le flux neutronique, et une capture neutronique éventuelle conduit directement à un autre atome fissible, comme c'est le cas pour les noyaux fertiles.
Actinides du cycle du thorium
230Th | → | 231Th | ← | 232Th | → | 233Th | (En blanc : t½<27d) | |||||||
↓ | ↓ | |||||||||||||
231Pa | → | 232Pa | ← | 233Pa | → | 234Pa | (Coloré : t½>68y) | |||||||
↑ | ↓ | ↓ | ↓ | |||||||||||
231U | ← | 232U | ↔ | 233U | ↔ | 234U | ↔ | 235U | ↔ | 236U | → | 237U | ||
↓ | ↓ | ↓ | ↓ | |||||||||||
(Produits de fissions à t½<90y or t½>200ky) | 237Np |
Dans le cas d'un réacteur fonctionnant sur le cycle du thorium, l'actinide initial est formé par le thorium-232, qui est un isotope fertile.
- 232Th capte un neutron (σ=7.3b) pour devenir 233Th. Celui-ci émet rapidement (T/2=22,3 m) un électron (et un neutrino) par l'émission bêta, pour se muer en protactinium-233, un premier actinide mineur ; et dans une seconde émission bêta (T/2=27 j), 233Pa devient de l'uranium-233, le combustible.
- 233U est la matière fissile de ce cycle (σ=530b). Cependant, dans un peu moins de 10% des cas[36] il peut absorber à son tour un neutron (σ=47b), pour former du 234U fertile.
- 234U est relativement stable (T/2=245 500 ans), et est un isotope fertile. Par une capture supplémentaire (σ=98b) il finit généralement par former du 235U, qui est la matière fissile du cycle de l'uranium.
Le cycle du thorium ne peut être envisagé que dans le cadre d'un cycle surgénérateur, où le bilan neutronique permet de créer la matière fissile qui alimentera le cycle. Dans cette production de la matière fissile, une petite partie (10 % des cas) est perdue pour ce cycle, mais se retrouvera dans le cycle de l'uranium : la perte d'un neutron ne compte donc ici que pour 10 %, le devenir du radionucléide étant discuté au cycle suivant.
Outre les captures neutroniques, dans le cas du thorium les réactions (n,2n) sont importantes par leurs conséquences. Ces réactions sont l'inverse d'une capture : le neutron incident quand il est suffisamment énergétique fait en quelque sorte un « carreau » et déloge du noyau un neutron supplémentaire, faisant baisser d'une unité son poids atomique. Ce phénomène peut intervenir dans deux points du cycle du thorium; suivant que l'expulsion intervient avant ou après une première capture :
- Initialement, un atome de 232Th peut par réaction (n,2n) sur des neutrons de plus de 6,4 MeV se transformer en 231Th, qui se transforme rapidement en 231Pa. Dans un deuxième temps, celui-ci pourra absorber un neutron supplémentaire, formant du 232Pa qui se transforme rapidement en 232U.
- Alternativement, après la première capture neutronique par le thorium, le 233Pa du cycle principal peut par réaction (n,2n) sur des neutrons de plus de 6,6 MeV former du 232Pa, qui finit de même en 232U.
Cet uranium-232 faiblement fissile et fertile (σ~74b) s'accumule progressivement en réacteur, et accompagne donc à l'état de trace l'uranium-233 normalement formé par le cycle. Ce marquage isotopique est important, parce que sa chaîne de désintégration comprend un émetteur gamma très énergétique, donc très pénétrant. Ce rayonnement impose des protections radiologiques importantes dans toutes les opérations concernant l'uranium produit par ce cycle, même quand il a été isolé des produits de fission et des autres actinides, ce qui rend ces opérations techniquement plus complexes et économiquement plus couteuses. Cet inconvénient est au contraire un avantage en ce qui concerne la lutte contre la prolifération, parce que le rayonnement gamma produit par cet uranium est très facile à détecter, ce qui rend impossible toute dissimulation de cette matière à des contrôles officiels.
Actinides du cycle de l'uranium
Le cycle de l'uranium se fonde sur la fission de l'uranium 235.
- 235U est une matière fissile, mais dans environ un cas sur six, capte un neutron sans fissionner pour former du 236U, stable (T/2=23,42 Ma).
- 236U laissé en irradiation finit par former du 237U, qui se transforme rapidement (T/2=6,75 j) en neptunium 237, stable (2,144 Ma).
- 237Np capture un neutron (σ=176) pour former du 238Np, lequel se transforme rapidement (T/2=2,1 j) en plutonium 238, fortement radioactif (T/2=87,75 ans).
- 238Pu est faiblement fissile, et si l'on poursuit l'irradiation, se transformera dans plus de 90% des cas en plutonium-239, où il rejoint le cycle du plutonium.
Pour être complet sur le cycle de l'uranium, il convient de noter que l'uranium 238, base du cycle du plutonium, peut également perdre un neutron par une réaction (n,2n). Il se transforme alors en 237U puis en 237Np.
Le neptunium est l'actinide important de ce cycle. 237Np peut être séparé chimiquement des combustibles irradiés, puis remis en irradiation dans des cibles d'irradiation pour produire du plutonium 238, dont il est à nouveau séparé chimiquement. Ce 238Pu peut ainsi être obtenu sans être mélangé au 239Pu issu de l'irradiation de l'238U présent dans le combustible initial. Il sert principalement pour la fabrication de générateur thermoélectrique à radioisotope.
Actinides du cycle du plutonium
Dans le cas d'un réacteur fonctionnant sur le cycle du plutonium, l'actinide initial est formé par l'uranium-238, qui est un isotope fertile.
- 238U capte parfois un neutron pour former du 239U, lequel se transforme rapidement (T/2=24 min) en neptunium-239, puis (T/2=2,3 jour) en plutonium 239, la principale matière fissile de ce cycle
- 239Pu est une matière assez stable (T/2=24110 ans) et fissile, mais une fois sur trois[37] il capture le neutron incident pour former du 240Pu.
- 240Pu, relativement stable (T/2=6563 ans), est fertile : sous irradiation il peut capturer un neutron pour former du 241Pu fissile.
- 241Pu est une matière fortement radioactive (T/2=14,35 ans) et fissile. Sous irradiation, il peut néanmoins capturer un neutron une fois sur quatre et se transformer en 242Pu. Alternativement, si le flux neutronique est suffisamment faible, sa radioactivité beta le transformera en americium-241, première étape de sa chaîne de désintégration, puis (T/2=433 ans) en 237Np.
- 242Pu est stable (T/2=373 000 ans) et en capturant un neutron se transforme en 243Pu. Ce dernier se transforme rapidement (T/2=5h) en americium-243.
Le plutonium formé par ce cycle, qui peut être extrait chimiquement, est un mélange isotopique contenant au départ surtout du 239Pu, et d'autant plus d'isotopes plus lourds (240, 241 et 242) que l'irradiation aura été prolongée longtemps.
Sa principale caractéristique, par contraste à l'uranium naturel, est d'être naturellement enrichi en isotopes fissiles : la mise en œuvre d'une « simple » séparation chimique est suffisante pour obtenir de la matière fissile, sans avoir besoin de recourir à une séparation isotopique. Cela en fait la principale matière première nécessaire pour alimenter un cycle surgénérateur, en concurrence avec l'uranium fortement enrichi, pour les projets de réacteurs de quatrième génération. C'est également parce que cette matière fissile est d'obtention comparativement plus facile que l'uranium hautement enrichi que la première explosion nucléaire a été réalisée avec du plutonium, et que la prolifération nucléaire passe le plus souvent par le détournement à des fins militaires du plutonium produit dans des réacteurs nucléaires réputés civils, mais hors contrôle de l'AIEA.
La série du plutonium formé en réacteur s'arrête en pratique au 242Pu du fait de la très forte instabilité du 243Pu, qui dans le flux neutronique relativement limité des réacteurs, se désintègre (T/2=5h) statistiquement bien avant d'avoir pu capturer un neutron supplémentaire (T/2 de l'ordre de quelques dizaines d'années en réacteur), ce qui aurait formé du 244Pu. Paradoxalement, donc, le plutonium 244, seul isotope suffisamment stable pour être présent à l'état de traces dans la nature, est pratiquement absent du plutonium formé en réacteur. Sa formation naturelle est due aux très hauts flux neutroniques rencontrés dans le processus R de l'explosion des supernovæ ; et on en retrouve également des traces dans les isotopes formés lors d'une explosion atomique.
Actinides mineurs ultérieurs
L'entrée dans la série du curium peut se faire par deux points :
- L'américium-241 peut capturer un neutron pour se transformer en 242Am, puis rapidement (T/2=16h) en curium-242, ou en 242Pu du cycle précédent.
- L'américium-243 peut capturer un neutron pour se transformer en 244Am, puis rapidement (T/2=10h) en curium-244.
Une fois atteint le curium, les captures neutroniques successives vont augmenter la masse du noyau depuis 242Cm jusqu'à 249Cm.
- Dans cette série, les premiers éléments (242 à 244) sont fortement radioactifs, et retransforment les noyaux en plutonium par une radioactivité alpha.
- Dans cette série, les éléments 243Cm, 245Cm et 246Cm sont fissiles.
À partir de 245Cm, les demi-vies sont supérieures au millier d'années, et la voie d'évolution principale sous irradiation sera soit la fission, soit l'accumulation de neutrons jusqu'au 248Cm.
- 248Cm peut capturer un neutron et se transformer en 249Cm, qui se transforme rapidement en berkélium-249.
- 249Bk peut se désintégrer en 249Cf, ou capturer un autre neutron pour se transformer en 250Bk qui se désintègre rapidement en 250Cf.
Les radionucléides de californium sont assez fortement radioactifs. Ils peuvent soit accumuler encore des neutrons, passant de 249Cf à 252Cf, soit subir une désintégration alpha qui les fera retomber sur la série du curium.
Actinides et déchets nucléaires
Généralités
La masse totale d'actinides mineurs formés dans le combustible retraité issu des réacteurs à eau pressurisée (taux de combustion moyen de 33 000 à 45 000 MWj/tMLi [38]) varie en fonction du taux de combustion et du type de combustible utilisé (uranium naturel enrichi ou MOX ou URE) entre 2,7 et 3,2 % de la masse de produits de fission formés. On peut donc voir que la "perte" en atomes lourds occasionnée par la mise au déchet des actinides mineurs ne dépasse pas 3,5 % de la ressource totale en uranium.
La composition massique typique des actinides mineurs dans le combustible retraité (33 000 à 45 000 MWj/tMLiErreur de référence : La balise ouvrante <ref>
est mal formée ou a un mauvais nom.) 5 ans après déchargement du réacteur est donnée ci-après. Pour les corps à période inférieure à 1 000 ans, le tableau figure le premier isotope à vie très longue (> 1 000 ans) rencontré dans la décroissance vers la situation stable (le plomb dans la majorité des cas).
Corps | .....Période..... | % mini | % maxi | 1er descendant à vie très longue | Période du descendant | ......Observation....... |
---|---|---|---|---|---|---|
xxx | xx | xx | xx | xx | xx | xx |
Cm 242 | 162,19 jours | 0,01 % | 0,03 % | U 234 | 245,5 ka | En passant par le Pu 238 |
Total vie très courte | < 1 an | 0,01 % | 0,03 % | |||
Cm 244 | 18,1 ans | 2,50 % | 4,00 % | Pu 240 | 6,56 ka | xx |
Cm 243 | 29,1 ans | 0,03 % | 0,05 % | Pu 239 | 24,1 ka | xx |
Total vie moyenne | 1 a < < 31 a | 2,53 % | 4,05 % | xx | xx | xx |
Np 237 | 2,144 Ma | 45,00 % | 55,00 % | xx | xx | xx |
Am 241 | 432,2 ans | 30,00 % | 33,00 % | Np 237 | 2,144 Ma | xx |
Am 243 | 7,37 ka | 12,00 % | 14,00 % | xx | xx | xx |
Cm 245 | 8,5 ka | 0,15 % | 0,20 % | xx | xx | xx |
Am 242m | 141 ans | 0,08 % | 0,12 % | U 234 | 245,5 ka | xx |
Cm 246 | 4,73 ka | 0,02 % | 0,04 % | xx | xx | xx |
Total vie longue | > 31 a | 87,25 % | 100,0 % | xx | xx | xx |
Total AMin | sans objet | 100,0 % | 100,0 % | xx | xx | 2,7 à 3,2% des PF |
Tous ces éléments, notamment ceux à vie courte et moyenne, contribuent fortement au dégagement thermique du combustible irradié et des déchets. Ils sont tous émetteur alpha ou ont des descendants qui le sont [39] et produisent donc de l'hélium.
Des études et expérimentions ont été conduites pour évaluer les possibilités de transmutation en réacteur de ces éléments. Outre les divers problèmes de nature technologiques d'adaptation des réacteurs (les actinides constituent un poison neutronique) et du combustible (séparation chimique des actinides, fabrication de cibles, manipulation de corps fortement radioactifs émetteurs alpha, production d'hélium, etc.), cette voie se heurtent à la difficulté majeure qui est de déboucher par capture neutronique sur Np 237, Am 241 242m 243 et Cm 242 243 244 245 sur un corps à vie courte générant à terme un atome stable. Or ceci est quasiment impossible puisque toute capture de neutron par un actinide conduit à la formation d'un autre de rang supérieur jusqu'à obtenir un noyau instable et de manipulation difficile tel que le californium 252. L'unique façon d'éliminer les actinides mineurs est de les fissionner et pour ce faire d'utiliser un réacteurs à neutrons rapides voire un système ADS.
Risques et dangers liés aux actinides mineurs (AMin)
À l'usine de retraitement les AMin, à l'état chimique d'oxydes, se retrouvent mélangés aux produits de fission (PF). Incorporés dans un verre ils constituent une partie des déchets de type C (HAVL)[40] De façon générale, ils représentent les déchets radioactifs qui posent les principaux problèmes, notamment au niveau du stockage des déchets radioactifs en couche géologique profonde pour les raisons suivantes :
- en tant qu'émetteurs alpha, ils présentent une forte toxicité chimique et radiologique si l'élément entre dans la chaîne alimentaire (inhalé, injecté ou ingéré) ;
- ils dégagent une forte chaleur ; les émissions alpha des actinides sont toutes à une énergie élevée de l'ordre de 4,5 à 5,5 MeV ;
- ils dégagent de l'hélium, qui est suspecté de pouvoir dégrader la cohésion du verre de conditionnement des déchets[41].
En revanche il est établi qu'ils n'ont qu'une très faible mobilité dans les sols et l'environnement où ils se trouveraient dispersés[42]
Tableau de synthèse
Actinides par chaîne de désintégration | Période a |
Produits de fission par abondance de production | ||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
4n | 4n+1 | 4n+2 | 4n+3 | |||||
2,25-3,5 % | 0,015-0,7 % | < 0,0065% | ||||||
228Ra№ | 4–6 | † | 155Euþ | |||||
244Cm | 241Puƒ | 250Cf | 227Ac№ | 10–29 | 90Sr | 85Kr | 113mCdþ | |
232Uƒ | 238Pu | 243Cmƒ | 29–97 | 137Cs | 151Smþ | 121mSn | ||
249Cfƒ | 242mAmƒ | 141–351 |
Aucun produit de fission | |||||
241Am | 251Cfƒ | 430–900 | ||||||
226Ra№ | 247Bk | 1,3k–1,6k | ||||||
240Pu | 229Th | 246Cm | 243Am | 4,7k–7,4k | ||||
245Cmƒ | 250Cm | 8,3k–8,5k | ||||||
239Puƒ | 24,11k | |||||||
230Th№ | 231Pa№ | 32k–76k | ||||||
236Npƒ | 233Uƒ | 234U№ | 100k–250k | ‡ | 99Tc₡ | 126Sn | ||
248Cm | 242Pu | 280k–375k | 79Se₡ | |||||
1,53M | 93Zr | |||||||
237Np | 2,1M–6,5M | 135Cs₡ | 107Pd | |||||
236U | 247Cmƒ | 15M–24M | 129I₡ | |||||
244Pu№ | 80M |
Aucun atome au-dessus de 15,7 Ma | ||||||
232Th№ | 238U№ | 235Uƒ№ | 0,703G–14G | |||||
Légende |
Voir aussi
Articles connexes
Bibliographie
- {...}
Liens externes
- « UICPA »(Archive.org • Wikiwix • Archive.is • Google • Que faire ?) (consulté le ) : page de liens vers le tableau périodique
- « UICPA »(Archive.org • Wikiwix • Archive.is • Google • Que faire ?) (consulté le ) : Tableau périodique officiel du 22/06/2007
Notes et références
- (en) Cet article est partiellement ou en totalité issu de l’article de Wikipédia en anglais intitulé « Actinide » (voir la liste des auteurs).
- Les actinides mineurs représentent entre 2,7 % et 3,2 % en masse des produits de fission
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- (en) Jagdish Mehra et Helmut Rechenberg, The historical development of quantum theory, Springer, , 966– (ISBN 978-0-387-95086-0, lire en ligne)
- Le nobélium et le lawrencium ont été découverts quasiment simultanément par les chercheurs américains et soviétiques
- Martin Heinrich Klaproth, « Chemische Untersuchung des Uranits, einer neuentdeckten metallischen Substanz », Chemische Annalen, vol. 2, , p. 387–403 (lire en ligne)
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- Sections efficaces de l'U-233
- Sections efficaces du Pu 239
- tMLi : tonne de Métal Lourd initial
- Voir l'article : chaîne de désintégration
- Voir les articles : Déchets radioactifs et Déchets radioactifs générés par la production d'électricité d'origine nucléaire en France
- http://www.laradioactivite.com/fr/site/pages/Verres_R7T7.htm
- http://www.laradioactivite.com/fr/site/pages/RadiotoxiciteCU.htm
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3 | Na | Mg | Al | Si | P | S | Cl | Ar | |||||||||||||||||||||||||
4 | K | Ca | Sc | Ti | V | Cr | Mn | Fe | Co | Ni | Cu | Zn | Ga | Ge | As | Se | Br | Kr | |||||||||||||||
5 | Rb | Sr | Y | Zr | Nb | Mo | Tc | Ru | Rh | Pd | Ag | Cd | In | Sn | Sb | Te | I | Xe | |||||||||||||||
6 | Cs | Ba | La | Ce | Pr | Nd | Pm | Sm | Eu | Gd | Tb | Dy | Ho | Er | Tm | Yb | Lu | Hf | Ta | W | Re | Os | Ir | Pt | Au | Hg | Tl | Pb | Bi | Po | At | Rn | |
7 | Fr | Ra | Ac | Th | Pa | U | Np | Pu | Am | Cm | Bk | Cf | Es | Fm | Md | No | Lr | Rf | Db | Sg | Bh | Hs | Mt | Ds | Rg | Cn | Nh | Fl | Mc | Lv | Ts | Og | |
8 | 119 | 120 | * | ||||||||||||||||||||||||||||||
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