La séparation et la transmutation des éléments radioactifs à ... - CEA

CEA i Décembre 2012
3.
AVANCÉES TECHNIQUES
SUR LA TRANSMUTATION
DES ACTINIDES MINEURS
Le principe de la transmutation appliquée au traitement des
déchets nucléaires consiste à modifier les noyaux des éléments
à vie longue afin de transformer les isotopes concernés
en des corps stables ou à durée de vie beaucoup plus courte.
Le neutron est de loin la particule la mieux adaptée à cette
transformation et son utilisation à cette fin est connue depuis
longtemps.
3.1. Rappel de la physique
de la transmutation
[DTS-11]
Les interactions nucléaires sont engendrées dans les réacteurs
par collision des neutrons avec les noyaux présents. L’interaction
peut avoir lieu sans capture du neutron incident : ce sont
des chocs élastiques ou inélastiques qui ralentissent les neutrons
et diffusent l’énergie. Par contre, si le noyau capture le
neutron incident, il acquiert un excès d’énergie qu’il va libérer
de différentes manières :
n En émettant un rayonnement ; on parle dans ce cas de réaction
de capture puisque le neutron reste captif du noyau ; le
neutron est alors « perdu » ;
n En se scindant en deux fragments de plus petite masse et en
émettant simultanément deux à trois neutrons. On parle
alors de fission, réaction qui libère une importante quantité
d’énergie. Les fragments formés, appelés produits de fission,
sont au départ radioactifs, mais la majorité d’entre eux
évolue rapidement vers des noyaux stables.
C’est bien évidemment cette seconde réaction qu’il faut privilégier
pour transmuter efficacement les actinides mineurs.
La capture génère des actinides de rang plus élevé et ne fait
généralement que déplacer le problème.
La probabilité qu’a un neutron de provoquer l’une ou l’autre
de ces deux réactions est caractérisée par une grandeur dénommée
section efficace. Celle-ci est fonction de la nature du
noyau et de l’énergie du neutron (Figure 19). Sans entrer
dans les détails de la physique nucléaire, on retiendra les
points suivants :
n Globalement, les sections efficaces de capture diminuent
lorsque l’énergie des neutrons augmente. A l’exception du
domaine des résonances où les sections efficaces vont varier
très brutalement, les captures seront d’autant moins probables
que les neutrons seront rapides ;
n Il en est de même pour les sections efficaces de fission, au
moins jusqu’à des énergies de l’ordre du MeV. Mais il faut à
ce stade distinguer deux familles de noyaux :
– Les noyaux comportant un nombre impair de neutrons
( 242 Am, 243 Cm, 245 Cm…) pour lesquels la barrière 11 de fission
est faible. La fission sera plus probable que la capture
quelle que soit l’énergie du neutron absorbé. Ces noyaux
sont dits « fissiles » ;
– Les noyaux comportant un nombre pair de neutrons
( 237 Np, 241 Am, 243 Am, 244 Cm…) seront au contraire très
peu fissiles et les probabilités de capture neutronique seront
généralement supérieures de plusieurs ordres de
grandeur à celles de fission. Ces noyaux sont dits « capturants
». Néanmoins, lorsque le neutron incident apporte
suffisamment d’énergie pour pouvoir franchir la barrière
de fission, la probabilité de fission s’accroît sensiblement
et devient alors supérieure à la probabilité de capture.
n Les noyaux fissiles pourront donc être transmutés efficacement
dans n’importe quel spectre neutronique mais bénéficieront
de sections efficaces plus importantes avec les neutrons
de faible énergie ;
n Les noyaux capturants ne pourront fissionner directement
qu’avec des neutrons de forte énergie, ce qui peut laisser entendre
que leur transmutation requiert obligatoirement des
neutrons de ce type. La réalité est plus nuancée car leur
transmutation peut aussi passer par des réactions successives
avec les neutrons d’énergie moindre : une première
absorption transformant le noyau capturant en un noyau
fissile et la seconde provoquant la fission de ce dernier.
La vitesse de transmutation d’un radionucléide sera d’autant
plus grande que la section efficace d’absorption des neutrons
sera élevée mais aussi que le flux de neutrons sera important.
Les différents types de réacteur favoriseront différemment
ces deux paramètres clés. Par exemple, les réacteurs à neutrons
thermiques (REP) combineront des sections efficaces
élevées mais un flux neutronique relativement faible. A l’inverse,
pour les réacteurs à neutrons rapides (RNR), les sections
efficaces seront réduites mais le flux neutronique environ
10 fois plus élevé.
Ainsi, du strict point de vue de la vitesse de transmutation,
les REP pourraient être plus efficaces que les RNR, grâce à
des sections efficaces beaucoup plus élevées dans le domaine
thermique que dans celui des neutrons rapides, avantage
conservé malgré un flux neutronique plus faible dans les REP
que dans les RNR.
Malgré cet avantage théorique, les neutrons rapides apparaissent
mieux adaptés à la transmutation des actinides mineurs.
La principale raison est liée au bilan neutronique de la transmutation.
En effet, celle-ci est à la fois consommatrice (par
les captures) et génératrice (par les fissions) de neutrons et
11 – D’une manière simplifiée, la barrière de fission représente l’énergie d’excitation
que doit atteindre le noyau composé (noyau initial ayant absorbé un neutron) pour
fissionner. Elle est l’analogue de l’énergie d’activation des réactions chimiques.
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