Plutonium - Définition

Données
Neptunium - Plutonium - Américium Sm Pu -         94 Pu                                                                                                                                                                                                                                           Table complète - Table étendue
Général
Nom, Symbole, Numéro	Plutonium, Pu, 94
Série chimique	Actinides
Groupe, Période, Bloc	L/A, 7, f
Masse volumique	19 816 kg/m3
Couleur	blanc métallique argenté
Propriétés atomiques
Masse atomique	244,06 u
Rayon atomique (calc)	175 (ND) pm
Rayon de covalence	ND pm
Rayon de van der Waals	ND pm
Configuration électronique	[Rn]5f67s2
Électrons par niveau d'énergie	2, 8, 18, 32, 24, 8, 2
État(s) d'oxydation	6, 5, 4, 3
Oxyde	amphotère
Structure cristalline	Monoclinique
Propriétés physiques
État ordinaire	solide
Température de fusion	912,5 K
Température de vaporisation	3503 K
Énergie de fusion	2,84 kJ/mol
Énergie de vaporisation	344 kJ/mol
Volume molaire	12,29×10-6 m3/mol
Pression de la vapeur	ND
Vélocité du son	2260 m/s à 20 °C
Divers
Électronégativité (Pauling)	1,28
Chaleur massique	ND J/(kg·K)
Conductivité électrique	0,666×106 S/m
Conductivité thermique	6,74 W/(m·K)
1er potentiel d'ionisation	584,7 kJ/mol
Isotopes les plus stables
iso AN période MD Ed MeV PD 238Pu {syn.} 87,75 a α ; FS et rad, exo, (28Mg) 5,5 234U 239Pu {syn.} 24 100 a α et FS 5,245 235U 240Pu {syn.} 6560 a α ; FS et rad, exo, (28Mg;30Mg;32S) 5,17 236U 241Pu {syn.} 14,4 a β- et α 0,021 / 4,85 241Am 242Pu {syn.} 373 000 a α et FS 4,9 238U 244Pu {syn.} 80,8×106 a α et FS 4,666 240U
Unités du SI & CNTP, sauf indication contraire.

Le plutonium est un élément chimique artificiel. (Il existe à l'état naturel mais en très petite quantité, produite lors d’une réaction nucléaire naturelle sur le site d'Oklo). Il porte le numéro atomique 94.

Le plutonium a été découvert par Glenn T. Seaborg, Edwin M. McMillan, J. W. Kennedy et A. C. Wahl (États-Unis) en 1940.

Le plutonium est solide à température ambiante. Son point de fusion est 640°C. Il a une densité de 19,84.

Le plutonium est produit par capture neutronique de l'uranium dans les réacteurs nucléaires. Par exemple, l’isotope 239 est formé en trois étapes :

• capture neutronique de l'uranium 238 pour former de l'uranium 239 ;
• décroissance β- de l'uranium 239 (1/2 vie: 23 minutes) en neptunium 239 ;
• décroissance β- du neptunium 239 (1/2 vie: 2,3 jours) en plutonium 239.

Les isotopes plus lourds du plutonium sont majoritairement formés par capture neutronique du plutonium 239.

Le plutonium produit dans les réacteurs civils est considéré comme déchet par certains pays et comme matière valorisable par d'autres (dont la France). En effet, le combustible usé déchargé des réacteurs peut être retraité afin d'en isoler le plutonium, qui est alors mélangé avec de l’uranium appauvri (issu de l'étape initiale d'enrichissement) pour former du combustible MOX. En faibles quantités, le plutonium est utilisé dans les générateurs thermo-électriques à radioisotope.

Opérateur tenant une pastille de plutonium dans ses mains gantées

Le plutonium est aussi produit à des fins militaires dans des installations dédiées ou dans des réacteurs électrogènes selon les pays. Il est alors utilisé pour fabriquer des armes nucléaires. Il faut environ 5 kg de plutonium pour obtenir une bombe.

Le plutonium est un métal argenté très radioactif (selon la composition isotopique, les isotopes 238 et 241 étant de très loin les plus radioactifs : voir tableau), et très toxique (un milligramme de plutonium peut suffire à induire un cancer). Il réagit avec l'oxygène, la vapeur d'eau et les acides. Il ne réagit pas avec les bases. Il est radiotoxique. Sa période de demi-vie est de 24 000 ans pour l'isotope 239.

Il y a quinze isotopes connus. Les isotopes les plus produits en réacteurs sont les isotopes 238, 239, 240, 241, 242. Tous sont radioactifs. Les isotopes de numéro atomique impair (239 et 241) sont fissiles en spectre thermique (réacteurs actuellement en production).

Plutonium 239

Production

L'irradiation de l'uranium 238 dans les réacteurs nucléaires génère du plutonium 239. Quand le combustible subit des périodes d'irradiation de plus en plus longues, les isotopes supérieurs s'accumulent en raison de l'absorption de neutrons par le plutonium 239 et ses produits. Il se forme ainsi des isotopes ²⁴⁰Pu, ²⁴¹Pu, ²⁴²Pu. Parallèlement, du plutonium 238 est formé par la chaîne de transformation commençant par l'uranium 235.

Ainsi, quand on utilise un réacteur spécifique pour la fabrication du plutonium militaire, le combustible utilisé pour la production du plutonium aussi bien que les cibles et la couverture s'il y en a, sont extraits après un bref séjour (quelques semaines) dans le réacteur afin d'avoir l'assurance que le plutonium 239 est aussi pur que possible. Une brève irradiation, cependant, n'extrait pas toute l'énergie que le combustible peut produire. On n'enlève donc le combustible des réacteurs électrogènes qu'après un séjour beaucoup plus long (trois ou quatre ans).

Une fois le combustible, les cibles et la couverture enlevés du réacteur dans lequel ils ont été irradiés, ils subissent un traitement chimique, qui s'appelle le retraitement des combustibles irradiés, dans une usine ou un atelier pour séparer le plutonium.

C'est notamment du plutonium qui est retraité à La Hague.

Plutonium 238

Le plutonium 238, d'une demi-vie de 86,41 ans, est un émetteur très puissant de rayonnement α (noyaux d'hélium). En raison de son activité massique alpha et gamma élevée, il est utilisé comme source de neutrons (par réaction alpha avec des éléments légers), comme source de chaleur et comme source d'énergie électrique (par la conversion de la chaleur en électricité). Les utilisations de Pu 238 pour produire de l'électricité sont cantonnées aux stimulateurs cardiaques et aux utilisations spatiales.

On prépare le plutonium 238 à partir de l'irradiation du neptunium 237, un actinide mineur récupéré pendant le retraitement ou à partir de l'irradiation de l'américium, en réacteur. Dans les deux cas, pour extraire le plutonium 238 des cibles, on les soumet à un traitement chimique, comportant une dissolution nitrique.

Il n'y a qu'environ 700 g/t de neptunium 237 dans le combustible des réacteurs à eau ordinaire irradié pendant trois ans, et il faut l'extraire sélectivement.

Dioxyde de plutonium

Le dioxyde de plutonium (PuO₂) est pour les radiochimistes la forme idéale pour manipuler le dangereux élément. Découvert en 1940 par les chimistes américains partis sur le chemin de la bombe atomique, on le retrouve pour le recyclage des combustibles nucléaires, la confection des ogives ou le stockage des déchets radioactifs. Il s'agit d'une poudre de cristaux jaunes-verts.

Il a longtemps été considéré comme inoxydable. Longtemps le trioxyde de plutonium (PuO₃) a été recherché mais personne n'a jamais réussi à en fabriquer. Cependant en 2000, le laboratoire de Los Alamos (Nouveau-Mexique) a montré que le dioxyde de Pu peut en fait réagir simplement avec l'eau, à une température allant de 25 à 350°C, pour former un composé stable plus oxydé : la proportion entre l'oxygène et le plutonium peut aller jusqu'à 2,27. De plus, cette réaction dégage du dihydrogène, un gaz très explosif.

Ceci est problématique car l'eau serait le principal vecteur potentiel de dissémination radioactive lors du stockage des déchets en profondeur. Une fraction du nouvel oxyde formé pourrait se dissoudre dans l'eau et se disséminer lentement aux alentours.

En France, le dioxyde de plutonium est stocké en surface, dans des boites étanches, pour être ensuite réutilisé dans des centrales ordinaires, en entrant dans la composition du combustible MOX (MiXed Oxyde).

Précautions

(Traduit de l'article en anglais.)

Toxicité

Tous les isotopes et composés du plutonium sont toxiques et radioactifs. Le plutonium est souvent décrit comme la " substance la plus toxique connue par l'homme ". C'est pourtant inexact lorsque l'on considère sa toxicité à proprement parler. Ainsi, hormis lorsqu'il est à l'origine d'un accident de criticité, le plutonium n'a pour l'instant causé aucun décès par simple exposition. Le radium naturel est à peu près 200 fois plus radiotoxique que le plutonium, par exemple. Il en va de même pour des composés organiques comme la toxine botulique, qui est mortelle à des doses de quelques nanogrammes, soit bien moins que la quantité de plutonium nécessaire pour causer un risque de cancer. De plus, des éléments tels que le carbone 14 ou le potassium 40 qui sont des émetteurs beta, peuvent provoquer des cancers par simple contact, contrairement aux émetteurs alphas.

Lorsqu'il est ingéré, et si l'on met de coté le risque de cancer, le plutonium est chimiquement moins nocif que des substances comme la caféïne ou d'autres que l'on peut trouver dans la nature. Il est plus nocif que de l'éthanol pur, mais moins que du tabac ou de la drogue. D'un point de vue strictement chimique, la toxicité du plutonium est comparable à celle du plomb ou à celle des autres métaux lourds. Le plutonium a d'ailleurs un goût métallique.^[1]

La principale différence entre la toxicité du plutonium et celle de la toxine botulique ou de gaz innervants au phosphore (comme le sarin) réside dans le fait que ces derniers tuent en quelques heures. Le plutonium mettre des années à causer un cancers. Certaines personnes ont des doses mesurables de plutonium dans leur organisme.

Ceci dit, il ne fait aucun doute que le plutonium peut être extrêmement dangereux lorsqu'il n'est pas manipulé correctement. Le rayonnement alpha qu'il émet ne pénètrent pas la peau, mais peuvent irradier les organes lorsque le plutonium est inhalé ou avalé. Le risque est particulièrement important au niveau des os, qui peuvent l'absorber à leur surface, et du foie, qui va l'accumuler. L'inhalation de microparticules de plutonium (d'une masse de l'ordre du microgramme) peut causer un cancer du poumon.