Plutonium - Définition et Explications

Origine

Le plutonium est un élément chimique artificiel presque exclusivement produit de 1940 à nos jours. C'est le deuxième des transuraniens à avoir été découvert. L'isotope 238Pu a été produit en 1940 en bombardant une cible d'uranium (L'uranium est un élément chimique de symbole U et de numéro atomique 92. C'est un élément naturel assez fréquent : plus abondant que l'argent, autant que le molybdène ou l'arsenic, quatre fois moins abondant...) par du deutérium (Le deutérium (symbole 2H ou D) est un isotope naturel de l'hydrogène. Il possède 1 proton et 1 neutron. Son nombre de masse est 2.) au cyclotron (Le cyclotron est un type d’accélérateur circulaire inventé par Ernest Orlando Lawrence en 1931. Dans un cyclotron, les particules placées dans un champ magnétique suivent une trajectoire en forme de spirale et...) de Berkeley. Durant le Projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a priori à l’identique, nécessitant le concours et l’intégration d’une grande...) Manhattan (Manhattan est l'une des cinq circonscriptions (borough) de la ville de New York (les quatre autres étant The Bronx, Queens, Brooklyn et Staten Island). La circonscription de Manhattan se superpose avec le...), le plutonium 239 (Le plutonium 239, noté 239Pu, est l'isotope du plutonium dont le nombre de masse est égal à 239 : son noyau atomique compte 94 protons et 145 neutrons avec un spin 1/2+ pour une masse atomique de...) avait le nom de code 49, le '4' étant le dernier chiffre (Un chiffre est un symbole utilisé pour représenter les nombres.) de 94 (le numéro atomique) et le '9', le dernier chiffre de 239 (l'isotope (Le noyau d'un atome est constitué en première approche de protons et de neutrons. En physique nucléaire, deux atomes sont dits isotopes s'ils ont le même nombre de protons. Le nombre de protons dans le noyau d'un atome est...) utilisé pour la bombe, le 239Pu).

Le plutonium (Le plutonium est un métal lourd de symbole chimique Pu et de numéro atomique 94, très dense — approximativement 1,74 fois plus lourd que le plomb — radioactif et...) est normalement absent de la biosphère (La notion de biosphère désigne à la fois un espace et un processus auto-entretenu (jusqu'à ce jour et depuis plus de 3 milliards d'années) sur la planète Terre, et...), mais il a existé (et existe encore en quantités infimes) sous forme de 239Pu dans des structures géologiques particulières où de l'uranium a été naturellement concentré par des processus géologiques ou géobiologiques (bioconcentration en filons par des bactéries) il y a environ 2 milliards d'années, pour atteindre une criticité suffisante pour engendrer une réaction nucléaire (Une réaction nucléaire est une transformation d'un ou plusieurs noyaux atomiques, elle se distingue d'une réaction chimique qui concerne les électrons ou les liaisons entre les atomes. Dans une réaction nucléaire, deux noyaux...) naturelle. C'est le cas sur le site d'Oklo. On en trouve également des traces dans les minerais d'uranium naturel (de même que du neptunium), où il résulte de l'irradiation (En physique nucléaire, l'irradiation désigne l'action d'exposer (volontairement ou accidentellement) un organisme, une substance, d'un corps à un flux de rayonnements...) de l'uranium par les neutrons présents.

On le trouve également dans des terres rares (Les terres rares sont un groupe de métaux aux propriétés voisines comprenant le scandium 21Sc, l'yttrium 39Y et les quinze lanthanides.) sous forme de très faibles trace (TRACES (TRAde Control and Expert System) est un réseau vétérinaire sanitaire de certification et de notification basé sur internet sous la responsabilité de la Commission européenne dans le...) de 244Pu, ce qui en fait l'élément naturel le plus lourd identifié à ce jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil éclairent le ciel. Son début (par rapport à minuit heure locale) et sa durée...).

Production

Plutonium 239 et isotopes supérieurs

L'irradiation de l'uranium 238 dans les réacteurs nucléaires génère du plutonium 239 par capture (Une capture, dans le domaine de l'astronautique, est un processus par lequel un objet céleste, qui passe au voisinage d'un astre, est retenu dans la...) de neutrons. Dans un premier temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.), un atome (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner...) d'uranium 238 capture un neutron (Le neutron est une particule subatomique de charge électrique totale nulle.) et se transforme transitoirement en uranium 239. Cette réaction de capture est plus facile avec des neutrons rapides qu'avec des neutrons thermiques, mais est présente dans les deux cas.

\mathrm{^1_0n+{}^{238}_{\ 92}U\to{}^{239}_{\ 92}U}

L'uranium 239 formé est fortement instable. Il se transforme rapidement (avec une demi-vie (La demi-vie est le temps mis par une substance (médicament, noyau radioactif, ou autres) pour perdre la moitié de son activité pharmacologique, physiologique ou...) de 23,5 minutes) en neptunium (Le neptunium est un élément chimique de synthèse de symbole Np et de numéro atomique 93.) par radioactivité (La radioactivité, phénomène qui fut découvert en 1896 par Henri Becquerel sur l'uranium et très vite confirmé par Marie Curie pour le thorium, est un phénomène physique naturel au cours duquel des...) β- :

\mathrm{^{239}_{\ 92}U\to{}^{239}_{\ 93}Np+e^-+\bar{\nu}_e}

Le neptunium 239 est également instable, et subit à son tour une décroissance β- (avec une demi-vie de 2,36 jours) qui le transforme en plutonium 239 relativement stable (demi-vie de 24 000 ans).

\mathrm{^{239}_{\ 93}Np\to{}^{239}_{\ 94}Pu+e^-+\bar{\nu}_e}

Le plutonium 239 est fissile, et contribue à la réaction en chaîne (Le mot chaîne peut avoir plusieurs significations :) du réacteur ; mais il peut également capturer un neutron sans subir de fission. Quand le combustible (Un combustible est une matière qui, en présence d'oxygène et d'énergie, peut se combiner à l'oxygène (qui sert de comburant) dans une réaction chimique générant de la...) subit des périodes d'irradiation de plus en plus longues, les isotopes supérieurs s'accumulent en raison de l'absorption ( En optique, l'absorption se réfère au processus par lequel l'énergie d'un photon est prise par une autre entité, par exemple, un atome qui fait une transition entre deux niveaux d'énergie...) de neutrons par le plutonium 239 et ses produits. Il se forme ainsi des isotopes 240Pu, 241Pu, 242Pu, jusqu'au 243Pu instable qui se désintègre en américium 243.

  • L'isotope intéressant par son caractère fissile est le 239Pu, relativement stable à échelle humaine (24 000 ans).
  • L'isotope suivant, le 240Pu, est simplement fertile, et présente une radioactivité "seulement" quatre fois plus élevée (6 500 ans).
  • Le 241Pu est également fissile, mais fortement radioactif (demi-vie de 14 ans).
    En outre il se désintègre en produisant de l'américium 241 neutrophage, ce qui réduit l'efficacité des dispositifs nucléaires militaires.

Le rythme de production d'un isotope dépend de la disponibilité (La disponibilité d'un équipement ou d'un système est une mesure de performance qu'on obtient en divisant la durée durant laquelle ledit équipement ou système est opérationnel par la...) de son précurseur, qui doit avoir eu le temps de s'accumuler.
Dans un combustible neuf, le Pu 239 se forme donc linéairement en fonction du temps, la proportion de Pu 240 augmente suivant une loi au carré (Un carré est un polygone régulier à quatre côtés. Cela signifie que ses quatre côtés ont la même longueur et ses quatre angles la...) du temps (en t2), celle de Pu 241 suivant une loi au cube (En géométrie euclidienne, un cube est un prisme dont toutes les faces sont carrées. Les cubes figurent parmi les solides les plus remarquables de l'espace. C'est un des cinq solides de Platon, le seul ayant...) du temps (en t3), et ainsi de suite.

Ainsi, quand on utilise un réacteur (Un réacteur peut désigner :) 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.
En revanche, pour des usages civils, une brève irradiation n'extrait pas toute l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) que le combustible peut produire. On n'enlève donc le combustible des réacteurs électrogènes qu'après un séjour beaucoup plus long (3 ou 4 ans).

En première approximation (Une approximation est une représentation grossière c'est-à-dire manquant de précision et d'exactitude, de quelque chose, mais encore assez significative pour être utile. Bien...), un réacteur produit typiquement 0,8 atome (Un atome (grec ancien ἄτομος [atomos], « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner...) de 239Pu pour chaque fission de 235U, soit un gramme (Le gramme est une unité de masse du Système international (l'unité de base est le kilogramme) et du système CGS. L'abréviation du gramme est g.) de plutonium par jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil...) et par MW de puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de l'énergie pour la production de chaleur ou de froid, et des transferts de...) (les réacteurs à eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) légère produisant moins que les graphite-gaz). Ainsi, en France, les réacteurs nucléaires produisent chaque année (Une année est une unité de temps exprimant la durée entre deux occurrences d'un évènement lié à la révolution de la Terre autour du Soleil.) environ 11 tonnes de plutonium.

Plutonium 244

Le plutonium 244, l'isotope le plus stable d'une demi-vie de 80 millions d'années, ne se forme pas dans les réacteurs nucléaires. En effet, les captures neutroniques successives conduisent au 243Pu, de très faible demi-vie (de l'ordre de cinq heures). Même dans des réacteurs "à haut flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments (informations / données, énergie, matière, ...) évoluant dans un sens commun. Plus précisément le terme est employé dans les domaines...)", le 243Pu se transforme rapidement en 244Am, sans avoir le temps de capturer un neutron supplémentaire pour former le 244Pu. En revanche, des flux neutroniques plus importants (d'une explosion (Une explosion est la transformation rapide d'une matière en une autre matière ayant un volume plus grand, généralement sous forme de gaz. Plus cette transformation s'effectue rapidement, plus la matière résultante...) nucléaire (Le terme d'énergie nucléaire recouvre deux sens selon le contexte :), ou de l'explosion d'une supernova) permettent cette formation.

Les traces de 244Pu dans l'environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se déroule la vie humaine. Avec les enjeux écologiques actuels, le terme environnement tend actuellement à...) sont généralement attribuées aux essais nucléaires atmosphériques ainsi qu'à des reliquats de 244Pu primordial. Il est aussi synthétisé lors des explosions nucléaires : en 1952, l'explosion de la bombe thermonucléaire américaine la plus puissante a ainsi produit deux radioéléments alors encore inconnus : le plutonium 244 (244Pu) et le plutonium 246 (246Pu).

Plutonium 238

Chargement (Le mot chargement peut désigner l'action de charger ou son résultat :) d'un générateur thermoélectrique à radioisotope (Un générateur thermoélectrique à radioisotope, (en anglais RTG : Radioisotope thermoelectric generator) est un générateur électrique de conception simple, créant de l'énergie électrique par désintégration radioactive.) au plutonium 238 sur le module lunaire Apollo (Le module lunaire ou LEM (pour Lunar Excursion Module) ou LM (pour Lunar Module) est le véhicule spatial utilisé dans le cadre du programme spatial...).

Dans les centrales nucléaires, du plutonium 238 est formé parallèlement au plutonium 239, par la chaîne de transformation commençant par l'uranium 235 fissible.

  • L'uranium 235 qui capture un neutron thermique peut se stabiliser par émission d'un rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de transmission d'énergie impliquant une particule porteuse.) γ dans 16 % des cas. Il forme alors un atome d'U 236, relativement stable (demi-vie de 23 million (Un million (1 000 000) est l'entier naturel qui suit neuf cent quatre-vingt-dix-neuf mille neuf cent quatre-vingt-dix-neuf (999 999) et qui précède...) d'années).
  • Une deuxième capture neutronique le transforme en U 237 (pour mémoire (D'une manière générale, la mémoire est le stockage de l'information. C'est aussi le souvenir d'une information.), des atomes d'U 238 peuvent également subir une réaction (n, 2n) qui les transforment en U 237 par perte d'un neutron). L'uranium 237 est instable avec une demi-vie de 6,75 jours, et se transforme par émission β- en neptunium 237, relativement stable (demi-vie de 2,2 millions d'années).
  • Une troisième capture neutronique transforme le noyau en neptunium 238, instable de demi-vie 2,1 jours, qui se transforme en plutonium 238 par émission β-.

Le plutonium 238, d'une demi-vie de 86,41 ans, est un émetteur très puissant de rayonnement α. En raison de son activité (Le terme d'activité peut désigner une profession.) massique alpha et gamma élevée, il est utilisé comme source de neutrons (par "réaction alpha (En astrophysique, les réactions alpha sont une des deux classe de réactions de fusion nucléaire par lesquelles les étoiles convertissent de l'hélium en éléments plus lourds; l'autre classe sont les réactions triple...)" avec des éléments légers), comme source de chaleur (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent : Quelle chaleur !) et comme source d'énergie électrique (Un apport d'énergie électrique à un système électrotechnique est nécessaire pour qu'il effectue un travail : déplacer une charge, fournir de la lumière, calculer. Ce travail est proportionnel à la...) (par la conversion de la chaleur en électricité). Les utilisations du Pu 238 pour produire de l'électricité (L’électricité est un phénomène physique dû aux différentes charges électriques de la matière, se manifestant par une énergie. L'électricité désigne également la branche de la physique qui...) sont cantonnées aux utilisations spatiales, et par le passé (Le passé est d'abord un concept lié au temps : il est constitué de l'ensemble des configurations successives du monde et s'oppose au futur sur une échelle des temps centrée sur le présent....) à certains stimulateurs cardiaques.

On prépare le plutonium 238 à partir de l'irradiation neutronique du neptunium 237, un actinide (La série chimique des actinides comprend les éléments chimiques du tableau périodique se situant entre l'actinium et le lawrencium, possédant donc un numéro atomique entre 89 et 103 inclus.) mineur récupéré pendant le retraitement ou à partir de l'irradiation de l'américium (L’américium est un élément chimique transuranien de symbole Am et de numéro atomique 95.), 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 3 ans, et il faut l'extraire sélectivement.

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