Chaîne de désintégration

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La chaîne de désintégration, ou chaîne radioactive, ou encore désintégration en cascade, désigne la série de désintégrations, apparaissant par transformation spontanée d'un radioisotope instable, permettant d'arriver à un élément chimique dont le noyau atomique est stable (c'est à dire non radioactif). Le plomb est généralement le point stable auquel les chaînes de désintégration s'arrêtent.

Les quatre chaînes de désintégration.

Sommaire

1 Les chaînes de désintégration
2 Famille 4n + 0 du thorium 232 (plutonium 240, uranium 236)
3 Famille 4n + 1 du neptunium 237 (plutonium 241)
4 Famille 4n + 2 de l'uranium 238
5 Famille 4n + 3 de l'uranium 235 (plutonium 239)
6 Voir aussi
- 6.1 Liens internes
- 6.2 Sources et liens externes

[modifier] Les chaînes de désintégration

Lors d'une simple désintégration, l'élément radioactif subit différents modes de désintégration : il peut émettre soit un rayonnement (alpha, bêta plus ou bêta moins, et se transforme en un autre élément appelé produit de désintégration. Le rayonnement α consiste en l'émission d'un noyau d'hélium, constitué de deux neutrons et deux protons ; le rayonnement β^- consiste en l'émission d'un électron (chargé négativement) ; le rayonnement β⁺ par celle d'un positron (ou anti-électron).

On définit ainsi une filiation radioactive comme la stabilisation du noyau instable appelé « mère » en une succession de désintégrations. Chaque étape est caractérisée par un état intermédiaire correspondant à un radionucléide appelé « fille » de l'élément mère. Une chaîne de désintégration peut être représentée graphiquement par un schéma de désintégration, particulièrement utile lorsque la chaîne est complexe.

Pour certains éléments il peut se produire spontanément non pas une désintégration, mais une fission nucléaire, initialisant plusieurs chaînes de désintégration. Par exemple, l'uranium 235 se transforme dans une très faible proportion en deux produits de fission en émettant quelques neutrons. Un autre exemple est constitué par le californium 252, pour lequel le taux de fission spontanée est d'environ 3 %.

Il n'y a que quatre chaînes de désintégration, compte tenu du mode de décroissance des actinides : la radioactivité α fait perdre quatre nucléides, tandis que la radioactivité β^- (et le cas échéant, la radioactivité β⁺) ne fait pas changer le nombre de nucléides. Pour cette raison, pratiquement toutes les désintégrations radioactives conduiront à un radionucléide dont le nombre de nucléides reste constant modulo quatre.

Trois de ces chaînes se rencontrent dans la nature : celles de l'uranium 235, de l'uranium 238, et du thorium 232. La quatrième chaîne, celle du neptunium 237, ne comporte que des radionucléides artificiels. Ces chaînes se prolongent en amont par les actinides artificiels transuraniens, plus lourds et plus instables.

À échelle de temps géologique, c'est le radionucléide dont la demi-vie est la plus longue qui domine la chaîne. Quand ses descendants sont à l'équilibre, le nombre d'atomes d'un descendant dans le minerai est pratiquement proportionnel à sa demi-vie. Ainsi, accompagnant de l'uranium 238 (4500x10^6 ans), on trouve toujours à l'équilibre dynamique une faible proportion de son descendant l'uranium 234 (0,25×10⁶ ans) dans une proportion de 0.25/4500=0,0056 %. Mais l'activité d'un radionucléide étant inversement proportionnelle à sa durée de vie, chaque maillon de la chaîne a finalement la même contribution en terme de nombre de désintégration par seconde (becquerel): l'activité globale d'une chaîne de désintégration à l'équilibre est celle de son maillon dominant, multipliée par le nombre d'étapes de la chaîne. En particulier, pour un minerai d'uranium (majoritairement ²³⁸U), la radioactivité due au radon est du même niveau que celle due à l'uranium proprement dit, c'est à dire 7 % de la radioactivité globale.

[modifier] Famille 4n + 0 du thorium 232 (plutonium 240, uranium 236)

Le plutonium 240 est produit en réacteur à partir du plutonium 239, par capture neutronique. La proportion de plutonium 240 sera d'autant plus élevée qu'il aura subit une irradiation prolongée. À long terme, sa radioactivité est dominée d'abord par l'uranium 236, et à échelle de temps géologique, par le thorium 232 pratiquement stable (il est présent dans la croûte terrestre en quantité plus importante que l'uranium).

Élément chimique		Rayonnement	Demi-vie
Plutonium 240	²⁴⁰Pu	Radioactivité α	6560 ans
Uranium 236	²³⁶U	Radioactivité α	23 millions d'années
Thorium 232	²³²Th	Radioactivité α	14,05×10⁹ a
Radium 228	²²⁸Ra	Radioactivité β^-	5,75 ans
Actinium 228	²²⁸Ac	Radioactivité β^-	6,15 heures
Thorium 228	²²⁸Th	Radioactivité α	1,19 an
Radium 224	²²⁴Ra	Radioactivité α	3,63 jours
Radon 220	²²⁰Rn	Radioactivité α	55,6 s
Polonium 216	²¹⁶Po	Radioactivité α	0,145 s
Plomb 212	²¹²Pb	Radioactivité β^-	10,64 h
Bismuth 212	²¹²Bi	Radioactivité β^-	60,55 min
Polonium 212	²¹²Po	Radioactivité α	0,3 μs
Plomb 208	²⁰⁸Pb	Stable	-

[modifier] Famille 4n + 1 du neptunium 237 (plutonium 241)

Cette série est entièrement artificielle. La durée de vie de cette série est insuffisante pour que l'on en trouve des traces minéralogiques.

Le plutonium 241 est un isotope fissile, mais rarement utilisé séparément en raison de la difficulté à le produire en grande quantité, du coût élevé de sa production, de sa demi-vie brève, et de sa radioactivité plus élevée que celle du plutonium 239. Le plutonium 241 possède un descendant radiotoxique, l'américium 241, qui, s'il s'accumule dans les tissus, en particulier les reins et les os, y crée un danger semblable à celui du plutonium.

À long terme (échelle du millénaire) la radioactivité du plutonium 241 est dominée par son descendant le neptunium 237, dont la demi-vie est de deux millions d'années.

Élément chimique		Rayonnement	Demi-vie
Plutonium 241	²⁴¹Pu	Radioactivité β	14,4 ans
Américium 241	²⁴¹Am	Radioactivité α	432,7 ans
Neptunium 237	²³⁷Np	Radioactivité α	2 140 000 ans
Protactinium 233	²³³Pa	Radioactivité β	27 j
Uranium 233	²³³U	Radioactivité α	159 000 ans
Thorium 229	²²⁹Th	Radioactivité α	75 400 ans
Radium 225	²²⁵Ra	Radioactivité β	14,9 j
Actinium 225	²²⁵Ac	Radioactivité α	10 j
Francium 221	²²¹Fr	Radioactivité α	4,8 min
Astate 217	²¹⁷At	Radioactivité α	32 ms
Bismuth 213	²¹³Bi	Radioactivité α	46,5 min
Thallium 209	²⁰⁹Tl	Radioactivité β	2,2 min
Plomb 209	²⁰⁹Pb	Radioactivité β	3,25 h
Bismuth 209	²⁰⁹Bi	Radioactivité α	19 trillion d'années
Thallium 205	²⁰⁵Tl	stable

[modifier] Famille 4n + 2 de l'uranium 238

L'uranium 238 est l'isotope d'uranium qui représente plus de 99,3 % de l'uranium naturel, il se désintègre naturellement en plomb 206, stable et non radioactif. Parmi les descendants de l'uranium 238, le radon est un gaz radiotoxique qui peut provoquer le cancer du poumon en cas d'inhalation.

Élément chimique		Mode de désintégration	Observable en spectrométrie gamma	Demi-vie
Uranium 238	²³⁸U	Radioactivité α		env. 4,5 milliards d'années
Thorium 234	²³⁴Th	Radioactivité β	oui	24 j
Protactinium 234	²³⁴Pa	Radioactivité β	oui	1,2 min
Uranium 234	²³⁴U	Radioactivité α		250 000 ans
Thorium 230	²³⁰Th	Radioactivité α	oui	75 000 ans
Radium 226	²²⁶Ra	Radioactivité α	oui	1 600 ans
Radon 222	²²²Rn	Radioactivité α		3,8 j
Polonium 218	²¹⁸Po	Radioactivité α		3 min
Plomb 214	²¹⁴Pb	Radioactivité β	oui	27 min
Bismuth 214	²¹⁴Bi	Radioactivité β	oui	20 min
Polonium 214	²¹⁴Po	Radioactivité α		160 μs
Plomb 210	²¹⁰Pb	Radioactivité β	oui	22,3 ans
Bismuth 210	²¹⁰Bi	Radioactivité β		5 j
Polonium 210	²¹⁰Po	Radioactivité α		138 j
Plomb 206	²⁰⁶Pb	stable

Source : Le tableau provient de "La Gazette Nucléaire", n°221/222, juin 2005 [1]

La longue demi-vie de l'uranium 238 explique qu'on en trouve encore sur Terre à l'état naturel et qu'il n'ait pas encore été complètement transformé en plomb.

[modifier] Famille 4n + 3 de l'uranium 235 (plutonium 239)

Le plutonium 239 est un métal lourd artificiel, utilisé pour fabriquer des têtes nucléaires et du combustible MOX. Le plutonium 239 est aussi contenu dans certains déchets radioactifs, il est cependant difficile à détecter.

Il se désintègre dans sa première étape en uranium 235, qui est 30 000 fois moins radioactif que lui : en première approximation, le plutonium 239 se convertit en uranium 235 qui est un élément fissible et présent à 0,73 % de l'uranium à l'état naturel. La chaîne de désintégration du plutonium 239 se confond ensuite avec celle de l'uranium 235. Une chaîne de désintégration simplifiée du plutonium 239 est illustrée ci-dessous.

Élément chimique		Rayonnement	Demi-vie
Plutonium 239	²³⁹Pu	Radioactivité α	24 110 ans
Uranium 235	²³⁵U	Radioactivité α	704 000 000 ans
Thorium 231	²³¹Th	Radioactivité β	25,2 h
Protactinium 231	²³¹Pa	Radioactivité α	32 700 ans
Actinium 227	²²⁷Ac	Radioactivité β	21,8 ans
Thorium 227	²²⁷Th	Radioactivité α	18,72 j
Radium 223	²²³Ra	Radioactivité α	11,43 j
Radon 219	²¹⁹Rn	Radioactivité α	3,96 s
Polonium 215	²¹⁵Po	Radioactivité α	1,78 ms
Plomb 211	²¹¹Pb	Radioactivité β	36,1 min
Bismuth 211	²¹¹Bi	Radioactivité α	2,15 min
Thallium 207	²⁰⁷Tl	Radioactivité β	4,77 min
Plomb 207	²⁰⁷Pb	stable

Cette chaîne présente trois diverticules où les désintégrations successives α et β sont inversées:

L'actinium 227 subit une radioactivité α dans 1.38 % des cas, conduisant au francium 223. Celui-ci, très radioactif de période 22 minutes, se désintègre majoritairement (à 99.99 %) par une désintégration β, conduisant au radium 223 de la branche principale. Dans 0.006 % des cas, le francium subit une désintégration conduisant à l'astate 219. Celui-ci se désintègre avec une demi-vie de 56 secondes. Une minorité de ses désintégrations (3 %) se fait en β-, rejoignant la branche principale sur le radon 219, le reste (97 %) subit une désintégration α, conduisant au bismuth 215. Ce dernier se désintègre à 100 % en polonium 215, rejoignant la branche principale.
Le polonium 215 subit une radioactivité β^- dans 0.00024 % des cas, conduisant à l'astate 215. Celui-ci, très instable avec une demi-vie de 0,1 ms, subit une désintégration α qui lui fait rejoindre la branche principale sur le bismuth 211.
Le bismuth 211 subit une désintégration β^- dans 0.28 % des cas, conduisant au polonium 211, d'une demi-vie de 0.516 s. Il se désintègre en plomb 207, stable, par une décroissance α.