La production d'énergie nucléaire est le plus souvent associée à la réaction en chaîne de fission, mais la physique sous-jacente de la désintégration radioactive, en particulier la désintégration alpha, joue un rôle tout aussi critique tout au long du cycle du combustible.De la composition naturelle du combustible du réacteur à la gestion à long terme du combustible nucléaire usé, la désintégration alpha régit la stabilité, la radioactivité et la production de chaleur de nombreux isotopes.

Qu'est-ce qu'Alpha Decay ?

La décomposition alpha est un type de désintégration radioactive dans lequel un noyau atomique instable éjecte une particule alpha[— un groupe étroitement lié de deux protons et deux neutrons, identiques à un noyau d'hélium-4. Au cours de ce processus, le noyau parent perd deux protons et deux neutrons, réduisant son nombre atomique de 2 et son nombre de masse de 4. Le résultat est la transformation d'un élément en un autre; par exemple, l'uranium-238 se désintègre en thorium-234.

Cette énergie est dérivée de la différence d'énergie de liaison entre le noyau parent et le noyau de fillette, connue sous le nom de valeur Q de la décomposition. Parce que la particule alpha est relativement massive et porte une charge électrique +2, elle a un transfert d'énergie linéaire élevée (LET) en matière, ce qui signifie qu'elle dépose son énergie très dense sur une courte distance. Dans l'air, une particule alpha ne peut parcourir que quelques centimètres; une feuille de papier ou la couche extérieure de la peau humaine suffit pour l'arrêter.

La forte répulsion électrostatique entre les protons dans ces grands noyaux les rend enclins à libérer une particule alpha, ce qui réduit l'énergie totale de Coulomb. Le processus peut être décrit mécaniquement comme un événement tunnel : la particule alpha est préformée à l'intérieur du noyau et des tunnels à travers la barrière potentielle. La constante de désintégration (et donc la demi-vie) varie énormément – des microsecondes pour certains isotopes à des milliards d'années pour d'autres, comme l'uranium-238 (4,47 milliards d'années) et le thorium-232 (14 milliards d'années).

  • [Uranium-238
  • [Thorium-232][Thorium-232[Thorium-230
  • [Radium-226][utilisé historiquement dans les peintures luminescentes et la thérapie médicale]
    • ]
  • ][Radon-222[FLT]
  • [

    Comprendre à quelles isotopes se décomposent par émission alpha et à quelles chaînes de décomposition ils appartiennent est fondamental pour prédire le comportement du combustible nucléaire et des déchets à l'échelle géologique.

    Alpha Décay dans les cycles du combustible nucléaire

    Dans les réacteurs à eau légère (REL) et les autres centrales à fission, la principale source d'énergie est la fission induite par les neutrons de uranium-235 ou plutonium-239. Cependant, le combustible lui-même contient des quantités importantes d'isotopes émetteurs d'alpha qui contribuent à la radioactivité et à la charge thermique globale. L'uranium naturel est composé de 99,3 % uranium-238 et de 0,7 % d'uranium-235. L'uranium-238 n'est pas facilement fissionnable mais se désintègre lentement par émission d'alpha, formant du thorium-234.

    Dans le réacteur, la capture de neutrons par l'uranium-238 crée du plutonium-239, un isotope fissile important. Plutonium-239 se désintègre par émission alpha d'une demi-vie de 24 100 ans. Cela signifie que le combustible nucléaire usé contient un mélange d'émetteurs alpha tels que plutonium-239, plutonium-240, americium-241 et curium-244. Ces isotopes sont responsables de la majorité de la radiotoxicité à long terme et de la chaleur de décomposition dans les déchets nucléaires à haute concentration, ce qui fait de la décomposition alpha une préoccupation centrale pour la conception des dépôts géologiques.

    La chaîne Uranium-238 Décay

    La chaîne de décomposition de l'uranium-238 est l'une des séries radioactives les plus étudiées de la nature. Elle se compose de 14 décompositions successives, dont 8 sont des décompositions alpha et 6 sont des décompositions bêta, culminant par une stabilité du plomb-206. La chaîne est souvent divisée en deux segments: de l'uranium-238 au radium-226 et du radium-226 au plomb-206.

    1. Uranium-238 (demi-vie 4,47×109 ans) émet une particule alpha pour former Thorium-234.
    2. Le thorium-234 (24,1 jours) subit une dégradation bêta jusqu'à Protactinium-234m (état isomère).
    3. Le protéactinium-234m (1,17 minutes) se désintègre en uranium-234.
    4. Uranium-234 (2,46×105 ans) pourriture alpha en Thorium-230.
    5. Thorium-230 (75380 ans) pourriture alpha en Radium-226.
    6. Radium-226 (1 600 ans) pourriture alpha à Radon-222.
    7. Radon-222 (3,82 jours) pourriture alpha à Polonium-218.
    8. Le polonium-218 (3,1 minutes) est en désintégration alpha en Lead-214 (avec une petite branche de désintégration bêta).
    9. Le plomb-214 (26,8 minutes) se désintègre en Bismuth-214.
    10. Le bismuth-214 (19.9 minutes) se désintègre en Polonium-214.
    11. Polonium-214 (164 microsecondes) pour des désintégrations alpha à Lead-210.
    12. Le plomb-210 (22,3 ans) se désintègre en Bismuth-210.
    13. Le bismuth-210 (5,01 jours) se désintègre en Polonium-210.
    14. (138,4 jours) pour des désintégrations alpha à ] (stable).

    Parmi les caractéristiques notables de cette chaîne, on peut citer la production de radon-222, un gaz noble qui peut s'échapper des roches et des sols, s'accumuler dans les bâtiments et présenter un risque de cancer du poumon par émission de particules alpha lorsqu'il est inhalé. Dans le contexte de l'énergie nucléaire, la chaîne de décomposition est d'une importance critique pour le stockage du combustible usé, car plusieurs filles ont des demi-vies de centaines à des milliers d'années, contribuant à la radioactivité persistante.

    La chaîne de désintégration Thorium-232

    Le thorium-232, isotope le plus abondant du thorium, subit également la désintégration alpha comme tête de sa propre chaîne de désintégration, se terminant par un plomb stable-208. Cette chaîne comprend 10 désintégrations (6 alpha, 4 bêta) et comporte des isotopes notables tels que le radium 228 (5,75 ans), le thorium 228 (1,91 ans) et le radium 224 (3,63 jours). La chaîne de thorium produit également du radon-220 (également appelé thoron), qui se désintègre en moins d'une minute.

    Incidences sur la production d'énergie nucléaire

    Gestion des déchets radioactifs

    Le combustible nucléaire usé des réacteurs à eau légère d'aujourd'hui contient un large éventail d'isotopes émetteurs d'alpha, principalement des éléments transuraniques tels que le plutonium, l'americium et le curium. Ces isotopes ont une demi-vie allant de décennies à des dizaines de milliers d'années, ce qui représente un danger à long terme. La aliphase de plutonium-239 (demi-vie 24,100 ans) et americium-241 (demi-vie 432 ans) domine la radiotoxicité des déchets après quelques centaines d'années.

    Les dépôts géologiques, tels que le dépôt proposé à Yucca Mountain aux États-Unis ou l'installation la plus avancée à Onkalo en Finlande, sont conçus pour isoler du combustible usé et des déchets de haute activité de la biosphère. La chaleur de décomposition des émissions alpha doit être soigneusement prise en compte dans la conception des conteneurs de déchets et des roches environnantes. Au fil du temps, la chaleur peut affecter le débit des eaux souterraines et les conditions chimiques, ce qui pourrait modifier la solubilité des radionucléides.

    Outre les transuraniques, les produits de fission à longue durée de vie technétium-99 et iodine-129 ne se désintègrent pas par émission alpha mais sont toujours pertinents pour la gestion des déchets.

    Protection et sécurité contre les rayonnements

    Bien que les particules alpha soient facilement arrêtées par la couche externe de peau morte ou par une feuille de papier, elles sont extrêmement dangereuses si une substance alpha-émettrice est ingérée, inhalée ou incorporée dans le corps. Le transfert d'énergie linéaire élevé (LET) signifie que les particules alpha peuvent causer une ionisation dense le long de leur chemin, entraînant des dommages cellulaires graves, des ruptures de double brin d'ADN et un risque élevé de cancer.

    Dans les centrales nucléaires, les travailleurs doivent être protégés contre les poussières et les aérosols qui émettent des alpha, en particulier pendant la fabrication, le retraitement et la manutention des déchets de combustible.Les programmes de surveillance comprennent l'échantillonnage de l'air, les enquêtes sur la contamination de surface et le comptage de l'ensemble du corps (pour les émetteurs gamma).

    Les rejets environnementaux des émetteurs alpha des installations nucléaires sont strictement réglementés. L'Agence internationale de l'énergie atomique (AIEA) et les organismes nationaux fixent des limites de dose pour le public et les travailleurs.

    Chaleur de décay Alpha dans le combustible usé

    Après la fin de la fission, le combustible nucléaire usé continue de produire de la chaleur en raison de la décomposition de produits de fission à courte durée de vie et d'actinides à longue durée de vie. La décomposition alpha contribue de façon substantielle à cette chaleur de décay après les premières décennies. Pour les combustibles frais usés (moins de 10 ans), les émetteurs bêta et gamma dominent.

    Dans les bassins de stockage humide, l'eau circulante élimine la chaleur; dans les fûts de stockage sec, on utilise la convection passive de l'air. Pour la conception d'un dépôt géologique profond, la puissance thermique ne doit pas dépasser la capacité de la roche hôte à dissiper la chaleur sans effets néfastes. Les ingénieurs utilisent souvent des modèles analytiques en cascade qui tiennent compte de la contribution de chaque émetteur alpha dans la chaîne de décomposition pour prédire l'évolution de la chaleur sur des dizaines de milliers d'années.

    Il est intéressant de noter que la même chaleur de décomposition alpha qui complique la gestion des déchets est utilisée dans les générateurs thermoélectriques radio-isotopes (RTGs) utilisés par la NASA pour des missions dans l'espace profond. Les RTG convertissent la chaleur de décomposition alpha (généralement du plutonium-238) en électricité, fournissant une puissance fiable pendant des décennies.

    Applications au-delà de la production d'énergie

    La désintégration alpha n'est pas seulement un sous-produit de l'énergie nucléaire, mais elle trouve aussi des applications directes. Americium-241, un émetteur alpha d'une demi-vie de 432 ans, est l'élément actif de la plupart des détecteurs de fumée domestiques. Les particules alpha ionisent l'air à l'intérieur du détecteur, permettant le courant de circulation; les particules de fumée interrompent ce courant, déclenchant l'alarme. Le polonium-210 (émetteur alpha, demi-vie 138 jours) est utilisé dans les éliminateurs statiques et comme source de chaleur dans certains RCG. De plus, les sources alpha-neutron, qui mélangent un émetteur alpha avec du béryllium, produisent des neutrons pour les jauges industrielles et la recherche.

    Dans le cadre de la recherche sur l'énergie nucléaire, la désintégration alpha est également exploitée pour des projets de transmutation nucléaire[. L'objectif de partitionnement et de transmutation (P&T) est de séparer les émetteurs alpha à longue durée de vie du combustible usé et de les convertir ensuite en nucléides stables ou à vie plus courte, réduisant ainsi la radiotoxicité à long terme des déchets.

    Conclusion

    La désintégration alpha est un processus physique fondamental qui imprègne toutes les étapes de la production d'énergie nucléaire, depuis la désintégration naturelle de l'uranium et du thorium dans la croûte terrestre, jusqu'à la composition du combustible du réacteur, jusqu'à la gestion des déchets de haute activité. Ses dépôts énergétiques élevés et ses filles de longue durée en font un défi pour la sûreté radiologique et une considération clé dans la conception des dépôts.