Produit de fission - Définition

Composition des produits de fission

Évolution dans le temps de la composition des produits de fission.

Après l'extraction du combustible usé à l'extérieur du réacteur, la durée de demi-vie des éléments fils des produits de fission conditionnent la composition future; c'est ce qu'illustre la courbe ci-contre.

Produits de fission stables ou à vie très courte (non radioactifs à moyen terme)

Environ 73 % du total des atomes formés lors de la fission (les PF) sont des corps solides stables ou des résidus stables des corps de période inférieure à 10 ans qui disparaissent rapidement à échelle historiquement gérable et dont la liste est très longue et n’est pas tracée ici.

Produits de fission à vie extrêmement longue, existants à l'état naturel

Environ 10 % du total des atomes formés lors de la fission sont des radioisotopes (déjà présents dans la nature) de période supérieure à 100 milliards d’années (soit donc très supérieure à l'âge de la Terre, et même de l'Univers) Ils peuvent de facto être considérés comme des corps stables.
Ce sont :

• Le néodyme 144, pour en gros 3,2 % des atomes initialement formés par fission, émetteur alpha (période 2,29×10¹⁵ ans).
• Le zirconium 96, pour en gros 3,2 % des atomes initialement formés par fission, très certainement émetteur béta (période > 380×10¹⁵ ans).
• Le rubidium 87, pour en gros 1,36 % des atomes initialement formés par fission, émetteur béta (période 470×10⁹ ans).
• Les samarium 147 et 149, pour en gros 1,85 % des atomes initialement formés par fission, émetteurs alpha (périodes respectives de 106×10⁹ ans et > 2×10¹⁵ ans).

Bien que certains de ces corps sont émetteurs alpha, ils ne sont pas spécialement gênants car leur activité est extrêmement faible, pour ne pas dire nulle. Le dégagement de chaleur et d’hélium (radioactivité alpha) correspondant est donc également négligeable.

Produits de fission à vie moyenne, historiquement gérable

Environ 7 % du total des atomes formés lors de la fission sont des radioisotopes à vie moyenne de période supérieure à 10 ans et inférieure à 100 ans.
Ce sont :

• Le césium 137, émetteur bêta et gamma d'une demi-vie de 30,2 ans pour en gros 3,2 % des atomes initialement formés par fission.
• Le strontium 90, émetteur bêta et gamma d'une demi-vie de 28,1 ans pour en gros 2,9 % des atomes initialement formés par fission.
• Le krypton 85, (qui est un gaz) émetteur bêta d'une demi-vie de 10,8 ans pour en gros 0,2 % à 0,7 % des atomes initialement formés par fission, ne se retrouve pas dans le stockage géologique mais séparé à l’usine de retraitement de La Hague.
• Le samarium 151, émetteur bêta d'une demi-vie de 93 ans pour en gros 0,24 % des atomes initialement formés par fission.
• Enfin, pour être complet, on doit mentionner l’étain 121 métastable émetteur gamma d'une demi-vie de 76 ans et le cadmium 113 métastable émetteur gamma d'une demi-vie de 14 ans, qui sont produits à hauteur de moins de 0,01 % des PF initialement formés.

Seuls le samarium 151, demi-vie de 93 ans (0,24 % des atomes initialement formés par fission) et l’étain 121 métastable, demi-vie de 76 ans (moins de 0,01 % des atomes initialement formés par fission), peuvent être considérés comme à la limite d’une gestion à l'échelle historique.

Produits de fission à vie très longue, hors échelle historique

Environ 10 % du total des atomes formés lors de la fission sont des radioisotopes artificiels à vie très longue qui représentent véritablement la radioactivité résiduelle à long terme due aux produits de fission. Ils sont au nombre de 7.
Ce sont :

• Le zirconium 93, émetteur bêta d'une demi-vie de 1,5 millions d’années pour en gros 3,2 % des atomes initialement formés par fission, sachant qu'une quantité complémentaire nettement plus faible est formée par irradiation neutronique du zirconium des gaines dont une infime partie est adjointe aux produits de fission du fait du procédé de cisaillage des gaines, effectué à l'usine de La Hague.
• Le césium 135, émetteur bêta d'une demi-vie de 3 millions d’années pour en gros 3,2 % des atomes initialement formés par fission.
• Le technétium 99, émetteur bêta d'une demi-vie de 211 000 ans pour en gros 3,0 % des atomes initialement formés.
• L’iode 129, émetteur bêta d'une demi-vie de 15,7 millions d’années pour en gros 0,49 % des atomes initialement formés.
• L’étain 126, émetteur bêta d'une demi-vie de 100 000 ans pour en gros 0,10 % des atomes initialement formés par fission.
• Le palladium 107, émetteur bêta d'une demi-vie de 18 millions d’années pour en gros 0,05 % des atomes initialement formés par fission.
• Le sélénium 79, émetteur bêta d'une demi-vie de 295 000 ans (l'ancienne demi-vie de 65 000 ans ayant été « abandonnée » récemment suite à de nouvelles mesures) pour en gros 0,02 % des atomes initialement formés par fission.

Pour ces corps dont la durée de vie est sans rapport avec les échelles de temps historiques, il n'existe pas de solution nominale actuellement. Des études préconisent de les confiner dans une matrice adaptée (mélangés aux autres PF ci-dessus) et les stocker en couche géologique profonde.
D'autres études et évaluations économiques sont en cours pour examiner dans quelles conditions, il est possible de transmuter ces 7 corps en d'autres corps à vie plus courte; comme par exemple via une irradiation neutronique en réacteur.

Commentaires

Il est très remarquable qu'il n'est aucun PF dont la période soit comprise entre 100 ans (93 ans pour le samarium 151) et 100 000 ans (pour l'étain 126), car, s'agissant des PF, ceci circonscrit le véritable problème du stockage géologique (et donc du confinement à très long terme) aux 7 éléments ci-dessus. Par ailleurs, le faible nombre de radionucléides recensés rend plausible la voie consistant à rechercher les moyens de les transmuter en corps à vie plus courte.