Trois isotopes naturels, trois produits dans des réacteurs

L’uranium naturel est constitué principalement d’uranium 238 avec 0,7% d’uranium 235 et une petite quantité d’isotope 234. Trois isotopes, l’uranium 236, 233 et 232, sont également produits par des réacteurs à partir d’uranium 235 et de thorium. Ces trois isotopes naturels et ces trois isotopes artificiels sont des émetteurs alpha

Comparaison des propriétés radioactives des isotopes de l’uranium
Les principaux isotopes de l’uranium contenus dans ce tableau ont une durée de vie extrêmement longue à l’exception de l’uranium 232. Tous sont des émetteurs alpha de 4 à 5 MeV d’énergie. Les colonnes de gauche du tableau montrent cependant la présence d’un rayonnement gamma de faible énergie et de rares désintégrations bêta. Les activités spécifiques (activités réduites à 1 gramme) sont inversement proportionnelles aux demi-vies.
Fiche technique ANL/ Uranium

Trois isotopes naturels

L’uranium 238, qui constitue à lui seul 99,3% de l’uranium naturel, a la durée de vie la plus longue : sa période est de 4,5 milliards d’années, soit environ l’âge de la Terre. Il n’est pas très radioactif. Sa très longue période indique qu’il est toujours présent dans la croûte terrestre. La capture neutronique par ce noyau conduit à la formation de plutonium 239 fissile dans un réacteur. Peu fissile, l’U-238 contribue au fonctionnement des réacteurs et à la production d’électricité grâce à ce plutonium. Ce potentiel impressionnant d’énergie de fission reste encore largement inexploité. Le but des réacteurs d’obtenteur de quatrième génération est de récupérer ce fantastique potentiel.
L’uranium 235, le seul noyau fissile existant dans l’uranium naturel, est utilisé comme combustible nucléaire dans les réacteurs et comme explosif pour les armes nucléaires. Cet isotope très rare, présent à la concentration de 0,7% dans l’uranium naturel, est donc un matériau hautement stratégique et convoité. Sa très longue période, 700 millions d’années, est cependant 6,5 fois plus courte que l’isotope 238. Au moment de la formation de la Terre, U-235 était 85 fois plus abondant. Les 0,7% observés aujourd’hui sont un résidu pâle de cette abondance passée. Si les humains avaient été présents au début de la Terre, ils n’auraient pas eu besoin d’enrichir de l’uranium pour fabriquer des bombes atomiques ou faire fonctionner leurs réacteurs !
L’uranium 234 est le premier descendant à longue durée de vie de l’uranium 238. Dans un échantillon naturel d’uranium, ces noyaux sont présents dans les proportions inaltérables de l’équilibre radioactif de la filiation de l’uranium 238 à un rapport d’un atome d’uranium 234 pour 18 800 atomes d’uranium 238, de sorte que les deux isotopes contribuent également aux rayonnements émis par l’uranium.

Formation des isotopes 236, 233 et 232
Les isotopes 236, 233 et 232 de l’uranium sont formés dans des réacteurs à partir de captures de neutrons non suivies de fission. L’uranium 236 est formé par une simple capture radiative par un noyau d’uranium 235 contrairement aux captures qui provoquent la fission. L’uranium 233 est formé par une capture similaire par un noyau de thorium naturel, suivie de deux transformations radioactives. L’uranium 233 est lui-même fissile. Soumis au flux de neutrons d’un réacteur, il subit une fission, mais se transforme plus rarement en uranium 232 par une réaction de capture spécifique (n, 2n) qui déclenche l’expulsion de deux neutrons.
IN2P3

Trois isotopes artificiels

L’uranium 236 est formé dans le combustible nucléaire à partir de l’uranium 235, après des captures de neutrons qui n’ont pas provoqué de fission. La présence de cet isotope dans un échantillon d’uranium signifie que l’échantillon a été dans un réacteur.
L’uranium 233 est un noyau fissile qui n’existe pas naturellement, comme le plutonium 239, dont il est proche par son mode de production. Il est produit par capture neutronique dans des réacteurs contenant du thorium. Fissionnable par des neutrons rapides et des neutrons lents, ce noyau présente des caractéristiques intéressantes pour la production d’énergie. Les réacteurs utilisant du thorium et de l’uranium 233 sont l’une des options envisagées pour les futurs réacteurs de quatrième génération.
L’uranium 232 est un sous-produit des réacteurs fonctionnant avec des foels de thorium et d’uranium 233. La formation de cet isotope résulte d’une capture neutronique spécifique par l’uranium 233 qui provoque l’éjection de deux neutrons. L’uranium 232 a une période relativement courte de 68.9 ans, mais surtout sa filiation radioactive génère un descendant, le thallium 208, qui émet des rayons gamma de 2,6 MeV très énergétiques et très pénétrants. Ces radiations intenses rendent la manipulation de l’uranium 233 fissile contaminé par de l’uranium 232, beaucoup plus dangereuse que les combustibles classiques à base d’uranium 235 ou de plutonium 239. Elles constituent un obstacle à la prolifération des bombes constituées de cet uranium fissile.
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