La semaine dernière, j’ai écrit sur la façon dont la pénurie de Pu-238 pourrait avoir un impact sur l’exploration du système solaire externe, mais je ne me suis pas beaucoup penché sur l’origine du plutonium. Après tout, s’il existe des traces de plutonium naturel, il n’y en a certainement pas assez pour alimenter une sonde spatiale. Cette semaine, il nous a donc semblé qu’il valait la peine de revenir sur l’origine de notre plutonium, ne serait-ce que pour comprendre pourquoi la NASA (ou le DOE) a besoin de dizaines de millions de dollars pour le produire.
Sur le tableau périodique, le plutonium est deux places au-dessus de l’uranium – l’uranium a un numéro atomique de 92 (c’est-à-dire qu’il a 92 protons) et le plutonium est à 94. Pour fabriquer du plutonium, il faut en quelque sorte ajouter deux protons à un atome d’uranium. La façon dont cela se passe est plutôt cool – et il existe différentes voies selon l’isotope de plutonium que l’on veut produire.
Pour fabriquer du Pu-239, le nucléide utilisé dans les armes nucléaires, c’est un processus assez simple. L’uranium naturel est composé à plus de 99 % d’U-238, qui ne fissionne pas si bien que ça. Placez l’U-238 (qui constitue au moins 95 % du combustible du réacteur) au milieu d’un réacteur, qui bouillonne de neutrons provenant de la fission de l’uranium, et il capturera un neutron et se transformera en U-239. L’U-239, à son tour, se désintègre en émettant une particule bêta en neptunium-239, qui émet une autre particule bêta. Comme chaque désintégration bêta transforme un neutron en un proton, ces deux désintégrations bêta suffisent à transformer un atome d’uranium en un atome de plutonium. Ainsi, un seul atome d’U-238 absorbant un seul neutron et pouvant rester suffisamment longtemps pour subir deux désintégrations bêta (quelques semaines environ) se transformera en un seul atome de Pu-239. La fabrication de nucléides de plutonium plus lourds est tout aussi facile : lorsque le Pu-239 capture des neutrons supplémentaires, il se transforme en Pu-240, Pu-241, Pu-242, etc. Non seulement c’est assez facile, mais cela se produit tout le temps dans tout réacteur nucléaire en fonctionnement.
OK – donc nous pouvons voir comment la simple capture de neutrons et la patience peuvent nous donner des nucléides de plutonium plus lourds que l’U-238, mais cela ne nous aide vraiment pas à fabriquer le Pu-238 nécessaire pour alimenter un vaisseau spatial. La fabrication du nucléide plus léger est un peu plus détournée.
Rappellez-vous que, par la capture des neutrons, un réacteur produit du Pu-241. Il s’avère que le Pu-241 se désintègre également par émission bêta, créant l’Am-241 – le truc qui est utilisé dans les détecteurs de fumée (entre autres choses). L’Am-241 est un émetteur alpha et il se désintègre en une variété plus légère de neptunium (Np-237) qui, lorsqu’il est soumis à une irradiation neutronique, capture un neutron pour devenir du Np-238. Une dernière transformation – une dernière désintégration bêta – est la dernière étape pour produire du Pu-238. C’est la raison pour laquelle le Pu-238 est si cher – sa fabrication nécessite deux irradiations (la première suffisamment longue pour produire le Pu-241), suffisamment de temps pour que toutes les désintégrations radioactives transforment le plutonium en américium et l’américium en neptunium, et plusieurs étapes de traitement chimique pour isoler les différents éléments d’intérêt qui sont formés.
Bien que cela semble alambiqué (enfin, je suppose que c’est alambiqué), la fabrication du Pu-238 est assez simple. La science et l’ingénierie sont à la fois bien connues et bien établies, et sa production n’innove certainement pas sur le plan scientifique ou technique. Mais la politique… c’est une toute autre affaire.
Comme je l’ai mentionné la semaine dernière, la ligne de production américaine de Pu-238 a été fermée il y a plus de deux décennies. Depuis lors, nous l’avons acheté aux Russes, mais ils ont leur propre programme spatial et ont des stocks limités pour démarrer. Cette option ne fonctionnera donc plus très longtemps, quel que soit l’avenir des relations internationales américano-russes.
Un récent billet de blog de Nuclear Watch suggère que les États-Unis pourraient être en mesure de répondre à leurs besoins en Pu-238 en démantelant des armes nucléaires et en piochant dans leur inventaire de déchets de Pu-238 – il note que les documents du Los Alamos National Laboratory (LANL) indiquent que plus de 2000 RTG de ce nucléide peuvent être récupérés à partir des seules armes nucléaires. Mais je ne suis pas sûr de pouvoir accepter cette affirmation, principalement parce que l’utilisation de ce nucléide dans une arme nucléaire n’a absolument aucun sens. Je ne peux pas commenter les « restes » de Pu-238 que le LANL aurait en sa possession, et malheureusement Nuclear Watch n’a pas fourni de lien vers les documents du LANL qu’ils ont cités, ce qui rend difficile toute vérification ou commentaire supplémentaire. Mais s’il existe un stock de Pu-238 au LANL, ce serait certainement bien de l’exploiter pour l’exploration spatiale – sans parler des économies réalisées sur les coûts d’élimination.
Une autre façon de fabriquer du Pu-238 est d’utiliser un réacteur au thorium à fluorure liquide (LFTR) – un réacteur qui utilise le thorium naturel (Th-232) pour produire de l’U-233, qui fissionne assez bien. Des captures supplémentaires de neutrons peuvent transformer l’U-233 en Pu-238, qui peut être séparé chimiquement du combustible. Le sujet est bien plus vaste que cela, mais j’ai couvert le sujet des réacteurs au thorium de manière assez approfondie l’année dernière (le premier de ces billets se trouve à cette URL, et il y en a trois autres dans la même série) et il est également traité sur le site Web de la Thorium Energy Alliance. Les réacteurs au thorium présentent de nombreux avantages, outre leur capacité à produire du Pu-238, et c’est une technologie qui a été élaborée et testée, mais les États-Unis ne semblent pas vouloir en construire de sitôt. L’Inde et la Chine pourraient développer de vastes systèmes de réacteurs au thorium, mais ce que ces nations pourraient faire dans une ou deux décennies ne sera pas d’un grand secours pour la NASA dans les prochaines années. En fin de compte, aussi prometteurs qu’ils puissent être pour les besoins futurs, les réacteurs au thorium ne sont pas susceptibles de nous aider à envoyer davantage de vaisseaux spatiaux vers le système solaire externe dans un avenir proche.
Voici donc où nous en sommes. Les États-Unis ont cessé de produire le Pu-238 nécessaire au fonctionnement de nos sondes spatiales profondes et nous avons pratiquement épuisé nos stocks de cette matière. Entre-temps, nous avons acheté du Pu-238 russe, mais il ne sera plus disponible pendant longtemps, ce qui nous laisse sans ressources. Il existe peut-être des restes de matière – voire des stocks – dans diverses installations du DOE, mais le démantèlement des armes nucléaires ne suffira probablement pas. À long terme, les réacteurs à cycle au thorium pourraient être une excellente solution, mais ces réacteurs ne sont pas en service dans le monde aujourd’hui et les Américains ne prévoient pas d’en construire de sitôt. Il semble donc que nous n’ayons que trois options : relancer notre chaîne de production de Pu-238, trouver un autre moyen de fabriquer (ou d’obtenir) la matière, ou nous confiner dans le système solaire interne. Comme je l’ai mentionné la semaine dernière, j’espère sincèrement que nous n’emprunterons pas cette dernière voie. Alors voyons ce que nous pouvons trouver – et espérons que nous ne laissons pas la solution (et les décisions) trop longtemps.
Le post Where does the plutonium come from ? apparaît sur ScienceWonk, le blog de FAS pour les opinions des experts invités et des leaders.