Isotopes du neptunium

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Le neptunium (Np) est un élément synthétique qui n'a par conséquent pas de masse atomique standard. Comme tous les éléments synthétiques, il ne possède aucun isotope stable. Le premier isotope synthétisé en 1940 fut le neptunium 239 (239Np) en bombardant 238U avec des neutrons pour produire 239U, qui subit ensuite une désintégration β pour former 239Np.

Descriptions[modifier | modifier le code]

20 radioisotopes du neptunium ont été caractérisés, le plus stable étant le neptunium 237 (237Np) avec une demi-vie de 2,14 millions d'années, suivi du neptunium 236 (236Np) avec une demi-vie de 154 000 ans et du neptunium 235 (235Np) avec une demi-vie de 396,1 jours. Tous les autres isotopes ont une demi-vie inférieure à 4,5 jours et la majorité inférieure à 50 minutes. Le neptunium possède aussi quatre isomères nucléaires, le plus stable étant 236mNp (t½ 22,5 heures).

Les isotopes du neptunium ont une masse atomique comprise entre 225,0339 u (225Np) et 244,068 u (244Np).
Le principal mode de désintégration pour les isotopes plus légers que 237Np, isotope le plus stable, est la capture électronique (avec aussi une bonne partie d'émission α), et pour les éléments plus lourds l'émission β. Les principaux produits de désintégration pour les isotopes légers sont des isotopes de l'uranium et du protactinium, ceux des isotopes plus lourds des isotopes du plutonium.

Isotopes notables[modifier | modifier le code]

Neptunium 235[modifier | modifier le code]

Le neptunium 235 (235Np) possède un noyau à 142 neutrons et 93 protons. Il a une demi-vie de 400 jours et une masse molaire de 235,0440633 g/mol.
Cet isotope se désintègre :

Neptunium 236[modifier | modifier le code]

Le neptunium 236 (236Np) possède un noyau à 143 neutrons et 93 protons. Il a une demi-vie de 154 000 années et une masse molaire de 236,04657 g/mol.
Il peut se désintégrer :

C'est un matériau fissile, avec une masse critique de 6,79 kg[1].

Il peut être produit à partir de l'américium 240, par radioactivité α.

Neptunium 237[modifier | modifier le code]

Schéma de désintégration (simplifié) du neptunium 237.
Article détaillé : Neptunium 237.

Le neptunium 237 (237Np) possède un noyau à 143 neutrons et 94 protons. Il a une demi-vie de 2,144 millions d'années.

237Np se désintègre selon la série du neptunium en thallium, contrairement à la plupart des actinides qui se désintègrent en isotopes du plomb.

Il a été montré récemment que 237Np peut entretenir une réaction en chaîne avec des neutrons rapides, comme dans une arme nucléaire[2]. Cependant, il a une faible probabilité de fission lorsqu'il est bombardé par des neutrons thermiques, ce qui rend inenvisageable de l'utiliser comme carburant dans un réacteur nucléaire.

237Np est le seul isotope du neptunium produit en quantité significative par dans le cycle du combustible nucléaire, à la fois et de façon successive par capture neutronique sur l'uranium 235 (qui subit des fissions la plupart du temps, mais pas tout le temps) et sur l'uranium 236, ou par réaction (n,2n) où un neutron rapide peut occasionnellement entrer en contact avec un neutron libéré par l'uranium 238 ou un des isotopes du plutonium. Sur le long terme, 237Np se forme aussi à partir du combustible nucléaire usagé, comme produit de désintégration de l'américium 241.

237Np serait l'un des isotopes les plus mobiles dans le centre de stockage de déchets nucléaires de Yucca Mountain.

Dans l'environnement[modifier | modifier le code]

Origines[modifier | modifier le code]

Le neptunium est présent sous forme de trace dans la nature, issu de la capture neutronique par des atomes d'uranium dans un réacteur nucléaire naturel.
Le 237Np a d'abord été principalement issu des retombées des essais nucléaires atmosphériques (par la capture de neutrons par l’uranium). L'activité des retombées au sol de 237Np produit à cette occasion a été évaluée à 4x1013 Becquerel pour l'hémisphère nord, avec une activité de 0,2 Bq.m-2 estimée en Europe pour 1954-1983, mais l'IRSN rappelle que les données anciennes sont « incertaines du fait de méthodes de mesure peu performantes »[3] alors qu'on sait maintenant le doser à 0,1 mBq.kg-1[3].
Depuis, la source principale (rejets de 237Np) est devenu le retraitement des déchets nucléaires (combustible irradié), avec par exemple pour 1999, les rejets de 237Np estimés à 2x108 Bq dans les effluents liquides rejetés en Manche par l'usine de La Hague[3] et à 3x1010 Bq en 1997 pour l'usine jumelle de Sellafield[3].

Radioécologie[modifier | modifier le code]

Les isotopes du neptunium sont tous radioactifs et émetteurs alpha (bien qu'également émetteurs β pour certains). Une quantité significative de Np 239 a par exemple été libérée par la catastrophe de Fukushima en 2011 surtout trouvé dans le sol et les plantes (plus de 1000 Bq/kg de sol), dès le premier mois ayant suivi l'accident et jusqu'à des dizaines de kilomètres de la centrale[4].

Les impacts environnementaux réels ou potentiels des isotopes du Np, ainsi que leurs cinétiques environnementale et métabolique sont mal connus.

L'IRSN a publié une fiche pédagogique sur le 237Np (celui qui a la plus longue période radioactive ; 2,14x106 ans, pour une activité massique de 2,61x107 Bq.g−1) et l'environnement[3].
« relativement mobile dans l’environnement terrestre », il migre moyennement dans les sols (mieux en milieu acide), mais plus que ne le font le plutonium, l'américium ou le curium[3] qu'il peut donc devancer dans un panache de pollution souterraine. Selon l'IRSN, son « temps de résidence (demi-vie) dans l’horizon superficiel d’un sol cultivé de prairies est d’environ 4 à 8 ans »[3] et son « absorption racinaire augmente avec la diminution du pH »[3]. Il semble y avoir peu de données (quelques études sur des rats de laboratoires) sur les transferts du végétal à l'animal et sa cinétique dans les organismes. L'IRSN signale une « augmentation de l’absorption gastrointestinale du neptunium chez les femelles allaitantes »[3] et un transfert à la viande de bœuf qui serait « 100 fois plus important que pour les autres transuraniens »[3]. Faute de données, on suppose que son comportement dans l'environnement peut être comparé à celui du plutonium (bien qu'on ait montré qu'il migre plus vite dans les sols et que « en milieu marin (mer d'Irlande), l’adsorption sur les matières en suspension est moins importante que pour les autres transuraniens ; plus faible de deux à trois ordres de grandeur que pour le plutonium) selon Coughtrey & Jackson, 1984 cités par IRSN[3] qui citent des analyses d'algues faites en aval en aval du site nucléaire de Hanford (Columbia river) laissant penser que les algues pourraient le bioaccumuler. Selon l'IRSN, en mer, la biodisponibilité du neptunium serait cependant moindre que celle d'autres transuraniens (par exemple « d’un ordre de grandeur inférieure à celle du plutonium »[3]. »

Table[modifier | modifier le code]

Symbole
de l'isotope
Z (p) N (n) masse isotopique demi-vie mode(s) de
désintégration[5],[n 1]
isotope(s)-fils[n 2] spin nucléaire
énergie d'excitation
225Np 93 132 225,03391(8) 3# ms [>2 µs] α 221Pa 9/2-#
226Np 93 133 226,03515(10)# 35(10) ms α 222Pa
227Np 93 134 227,03496(8) 510(60) ms α (99,95 %) 223Pa 5/2-#
β+ (0,05 %) 227U
228Np 93 135 228,03618(21)# 61,4(14) s β+ (59 %) 228U
α (41 %) 224Pa
β+, FS (0,012 %) (varié)
229Np 93 136 229,03626(9) 4,0(2) min α (51 %) 225Pa 5/2+#
β+ (49 %) 229U
230Np 93 137 230,03783(6) 4,6(3) min β+ (97 %) 230U
α (3 %) 226Pa
231Np 93 138 231,03825(5) 48,8(2) min β+ (98 %) 231U (5/2)(+#)
α (2 %) 227Pa
232Np 93 139 232,04011(11)# 14,7(3) min β+ (99,99 %) 232U (4+)
α (0,003 %) 228Pa
233Np 93 140 233,04074(5) 36,2(1) min β+ (99,99 %) 233U (5/2+)
α (0,001 %) 229Pa
234Np 93 141 234,042895(9) 4,4(1) j β+ 234U (0+)
235Np 93 142 235,0440633(21) 396,1(12) j CE 235U 5/2+
α (0,0026 %) 231Pa
236Np 93 143 236,04657(5) 1,54(6)×105 a EC (87,3 %) 236U (6-)
β- (12,5 %) 236Pu
α (0,16 %) 232Pa
236mNp 60(50) keV 22,5(4) h CE (52 %) 236U 1
β- (48 %) 236Pu
237Np[n 3],[n 4] 93 144 237,0481734(20) 2,144(7)×106 a α 233Pa 5/2+
FS (2×10−10 %) (varié)
DC (4×10−12 %) 207Tl
30Mg
238Np 93 145 238,0509464(20) 2,117(2) j β- 238Pu 2+
238mNp 2300(200)# keV 112(39) ns
239Np 93 146 239,0529390(22) 2,356(3) j β- 239Pu 5/2+
240Np 93 147 240,056162(16) 61,9(2) min β- 240Pu (5+)
240mNp 20(15) keV 7,22(2) min β- (99,89 %) 240Pu 1(+)
TI (0,11 %) 240Np
241Np 93 148 241,05825(8) 13,9(2) min β- 241Pu (5/2+)
242Np 93 149 242,06164(21) 2,2(2) min β- 242Pu (1+)
242mNp 0(50)# keV 5,5(1) min 6+#
243Np 93 150 243,06428(3)# 1,85(15) min β- 243Pu (5/2-)
244Np 93 151 244,06785(32)# 2,29(16) min β- 244Pu (7-)
  1. Abréviations :
    DC : Désintégration par émission de cluster.
    CE : capture électronique.
    TI : transition isomérique.
    FS: Fission spontanée.
  2. Isotopes stables en gras.
  3. Isotope fissile.
  4. Isotope le plus commun.

Remarques[modifier | modifier le code]

  • Les valeurs marquées # ne sont pas purement dérivées des données expérimentales, mais aussi au moins en partie à partir des tendances systématiques. Les spins avec des arguments d'affectation faibles sont entre parenthèses.
  • Les incertitudes sont données de façon concise entre parenthèses après la décimale correspondante. Les valeurs d'incertitude dénotent un écart-type, à l'exception de la composition isotopique et de la masse atomique standard de l'IUPAC qui utilisent des incertitudes élargies.

Références[modifier | modifier le code]

  1. (en) Final Report, Evaluation of nuclear criticality safety data and limits for actinides in transport, Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire, Département de Prévention et d'étude des Accidents.
  2. (en) P. Weiss, « Little-studied metal goes critical - Neptunium Nukes? », Science News,‎ 26 October 2002 (consulté le 2006-09-29)
  3. a, b, c, d, e, f, g, h, i, j, k et l IRSN Fiche radionucléide ; 237Np et l'environnement
  4. Katsumi Shozugawa, Norio Nogawa, Motoyuki Matsuo (20122), Deposition of fission and activation products after the Fukushima Dai-ichi nuclear power plant accident ; Environmental Pollution, Volume 163, April 2012, Pages 243-247 (résumé)
  5. (en)Universal Nuclide Chart


Voir aussi[modifier | modifier le code]

Articles connexes[modifier | modifier le code]