Amélioration de la production de plutonium avec une efficacité accrue et des coûts réduits

Qu’est-ce qu’un vaisseau spatial et un stimulateur cardiaque ont en commun ? Tous deux sont alimentés par le plutonium-238 (238Pu), un isotope polyvalent, réputé pour ses propriétés de chauffage idéales. Des recherches récentes dévoilent un nouveau modèle neutronique haute résolution qui améliore significativement la production de 238Pu, augmentant le rendement de près de 20 % dans les réacteurs à haut flux et réduisant les coûts.

Amélioration de la production de 238Pu grâce à la modélisation haute résolution

Une équipe de scientifiques nucléaires de l’Université Jiao Tong de Shanghai et de l’Institut de l’énergie nucléaire de Chine a rapporté que leurs méthodes — combustion par filtre, combustion à énergie unique et analyse de l’extrémum de combustion — améliorent la précision de la production de 238Pu, conduisant à une augmentation significative de 18,81 % du rendement. Cette amélioration élimine les approximations théoriques auparavant courantes dans ce domaine, permettant une résolution spectrale d’environ 1 eV.

Qingquan Pan, le chercheur principal de l’étude, a indiqué : «Notre travail non seulement repousse les limites des technologies de production isotopique, mais offre également une nouvelle perspective sur la transmutation nucléaire dans les réacteurs à haut flux.»

Le parcours de l’analyse du spectre neutronique

Le plutonium-238 joue un rôle crucial dans l’alimentation des dispositifs où les batteries traditionnelles ne suffisent pas, comme dans les missions spatiales lointaines et les dispositifs médicaux. Malgré son importance, la production de 238Pu a été entravée par des inefficacités et des coûts élevés en raison d’un manque de modèles précis.

L’approche de l’équipe a analysé les réactions en chaîne complexes au sein des réacteurs nucléaires, créant un modèle qui non seulement améliore les méthodes de production actuelles, mais réduit également l’impact des radiations gamma associées, rendant le processus plus sûr et plus respectueux de l’environnement.

L’étude a comparé trois méthodes distinctes. Les méthodes de combustion par filtre et de combustion à énergie unique fournissent des informations détaillées sur l’impact du spectre énergétique sur les réactions nucléaires, tandis que la méthode d’analyse de l’extrémum de combustion évalue comment les changements au fil du temps d’irradiation affectent l’efficacité globale de la production. Ces techniques permettent collectivement un contrôle précis et une optimisation des réactions neutroniques au sein des réacteurs.

De l’exploration spatiale aux stimulateurs cardiaques

Les implications de cette recherche sont vastes. Une production améliorée de 238Pu soutient directement le fonctionnement des dispositifs dans des environnements hostiles et inaccessibles. «Ce modèle pourrait avoir un impact significatif non seulement sur les futures missions spatiales, en garantissant une alimentation durable pour les vaisseaux spatiaux, mais aussi sur la fiabilité des dispositifs médicaux comme les stimulateurs cardiaques,» affirme Qingquan Pan.

Le processus de production raffiné signifie que plus de 238Pu peut être produit avec moins de ressources, réduisant l’impact environnemental et améliorant la sécurité des installations de production.

À l’avenir, l’équipe de recherche prévoit d’étendre les applications de leur modèle. «Nos prochaines étapes impliquent de raffiner la conception des cibles d’un point de vue ingénierie, d’optimiser le spectre neutronique utilisé dans la production et de construire des canaux d’irradiation dédiés dans les réacteurs à haut flux,» ajoute le chercheur. Ces développements non seulement rationaliseront la production de 238Pu, mais pourraient également être adaptés à d’autres isotopes rares, promettant des impacts étendus dans divers domaines scientifiques et médicaux.

Le développement d’un modèle neutronique haute résolution marque un progrès significatif en science nucléaire, avec des implications qui s’étendent bien au-delà du laboratoire. Lorsque ce modèle sera appliqué à d’autres isotopes rares, son impact sur la technologie et l’industrie devrait s’élargir, soutenant des avancées significatives dans l’énergie, la médecine et la technologie spatiale. Alors que le monde se tourne de plus en plus vers des solutions énergétiques sophistiquées, le travail de Pan et de son équipe souligne le rôle crucial de la recherche nucléaire innovante pour garantir un avenir durable et technologiquement avancé.

Légende illustration : L’exploration de l’espace lointain est confrontée au défi de l’approvisionnement continu en énergie. Le plutonium 238 (238Pu) subit une désintégration α- avec une demi-vie de 87,7 ans et une énergie de rayon moyenne de 5,49 MeV, ce qui peut libérer de la chaleur en continu et fournir une source de chaleur pour ce scénario. Crédit : Dr. Qingquan Pan

Article : « High-resolution neutronics model for 238Pu production in high-flux reactors » – DOI: 10.1007/s41365-024-01461-x