7440-07-5

Plutonium

Plutonium
Neptunium ← Plutonium → Américium Sm       94 Pu                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               ↑ Pu ↓ Uqq Table complète • Table étendue
Informations générales
Nom, Symbole, Numéro	Plutonium, Pu, 94
Série chimique	Actinides
Groupe, Période, Bloc	L/A, 7, f
Masse volumique	19 816 kg/m3
Couleur	blanc argenté
N° CAS	7440-07-5
N° EINECS
Propriétés atomiques
Masse atomique	244,06 u
Rayon atomique (calc)	159 pm
Rayon de covalence	187 ± 1 pm
Rayon de van der Waals	?
Configuration électronique	[Rn] 5f6 7s2
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	639,4 °C, 912,5 K
Température d'ébullition	3 229,9 °C, 3503 K
Énergie de fusion	2,84 kJ/mol
Énergie de vaporisation	344 kJ/mol
Température critique	K
Pression critique	Pa
Volume molaire	12,29×10-6 m3/mol
Pression de vapeur	1 Pa (à 1483°C)
Vitesse du son	2260 m/s à 20 °C
Divers
Électronégativité (Pauling)	1,28
Chaleur massique	35,5 J/(kg·K)
Conductivité électrique	685×106 S/m
Conductivité thermique	6,74 W/(m·K)
1e Énergie d'ionisation	584,7 kJ/mol
2e Énergie d'ionisation	{{{potentiel_ionisation2}}} kJ/mol
3e Énergie d'ionisation	{{{potentiel_ionisation3}}} kJ/mol
4e Énergie d'ionisation	{{{potentiel_ionisation4}}} kJ/mol
5e Énergie d'ionisation	{{{potentiel_ionisation5}}} kJ/mol
6e Énergie d'ionisation	{{{potentiel_ionisation6}}} kJ/mol
7e Énergie d'ionisation	{{{potentiel_ionisation7}}} kJ/mol
8e Énergie d'ionisation	{{{potentiel_ionisation8}}} kJ/mol
9e Énergie d'ionisation	{{{potentiel_ionisation9}}} kJ/mol
10e Énergie d'ionisation	{{{potentiel_ionisation10}}} kJ/mol
Isotopes les plus stables
iso AN Période MD Ed PD MeV 238Pu {syn.} 87,75 a α FS cluster 5,5 —  ? 234U PF 210Pb 239Pu {syn.} 24 100 a α FS 5,245 — 235U PF 240Pu {syn.} 6560 a α FS clusters 5,17 —  ? 236U PF (Pb ; Pt) 241Pu {syn.} 14,4 a β- α 0,021 4,85 241Am 242Pu {syn.} 373 000 a α FS 4,9 — 238U PF 244Pu {syn.} 80,8×106 a α FS 4,666 — 240U PF
Précautions
NFPA 704
Unités du SI & CNTP, sauf indication contraire.

Le plutonium est un métal lourd très dense — approximativement 1,74 fois plus lourd que le plomb — radioactif et toxique, de numéro atomique 94, découvert aux États-Unis par Glenn T. Seaborg, Edwin M. McMillan, J. W. Kennedy et A. C. Wahl en 1940. De même que l'uranium 235, c'est une matière fissible, qui est utilisée pour son isotope 239 dans la fabrication d'armes nucléaires et la production d'énergie dans certaines centrales nucléaires. Son isotope 238 sert également à l'élaboration de générateurs thermoélectriques à radioisotope.

Origine

Le plutonium est un élément chimique artificiel presque exclusivement produit de 1940 à nos jours. C'est le deuxième des transuraniens a avoir été découvert. L'isotope ²³⁸Pu a été produit en 1940 en bombardant une cible d'uranium par du deutérium au cyclotron de Berkeley.^[1] Durant le Projet Manhattan, le plutonium 239 avait le nom de code 49, le '4' étant le dernier chiffre de 94 (le numéro atomique) et le '9', le dernier chiffre de 239 (l'isotope utilisé pour la bombe, le ²³⁹Pu)^[2].

Il est produit dans le cœur des réacteurs nucléaires par la transformation, sous l'effet du flux de neutrons, d'une partie de l'uranium qui compose le combustible nucléaire. En première approximation, un réacteur produit typiquement 0,8 atome de ²³⁹Pu pour chaque fission de ²³⁵U, soit un gramme de plutonium par jour et par MW de puissance thermique (les réacteurs à eau légère produisant moins que les graphite-gaz). Ainsi, en France, les réacteurs nucléaires produisent chaque année environ 11 tonnes de plutonium^[3].

Le plutonium est normalement absent de la biosphère, mais il a existé (et existe encore en quantités infimes) 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 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 de l'uranium par les neutrons présents.

Description

Le plutonium est un métal gris, relativement mou, très lourd (densité : 19,84), solide à température ambiante mais à point de fusion relativement bas (640 °C).

Il est 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).
Le plutonium est aussi un déchet ou sous-produit de fonctionnement de centrales nucléaires civiles, avec divers actinides.
Il est aussi volontairement produit par capture neutronique de l'uranium dans les réacteurs nucléaires.

Par exemple, l’isotope 239 est formé en trois étapes :

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

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

Échantillon de plutonium.

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 ci-contre), et très radiotoxique (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.

Sa période de demi-vie est de 24 000 ans pour l'isotope 239. Il y a 15 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).

Statut juridique

Article détaillé : Contrôle des matières nucléaires.

Le plutonium répond aux définitions admises de « polluant ».

Lorsqu'il est produit dans les réacteurs civils, il 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 thermoélectriques à radioisotope.

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 nucléaire. En tant qu'élément utile à la fabrication d'arme de destruction massive, il est suivi par divers textes et conventions internationales.

Plutonium 239 et isotopes supérieurs

Article principal : plutonium 239.

Production

L'irradiation de l'uranium 238 dans les réacteurs nucléaires génère du plutonium 239 par capture de neutrons. Dans un premier temps, un atome d'uranium 238 capture un neutron 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.

$\mathrm\hbox{n}+{{}^2{}^{38}_{92}U}\rightarrow\mathrm{{}^2{}^{39}_{92}U}$

L'uranium 239 formé est fortement instable. Il se transforme rapidement (avec une demi-vie de 23,5 minutes) en neptunium par radioactivité β- :

$\mathrm{{}^2{}^{39}_{92}U}\rightarrow\mathrm{{}^2{}^{39}_{93}Np}+ e^- + \bar{\nu}_e$

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).

$\mathrm{{}^2{}^{39}_{93}Np}\rightarrow\mathrm{{}^2{}^{39}_{94}Pu}+ e^- + \bar{\nu}_e$

Le plutonium 239 est fissile, et contribue à la réaction en chaîne du réacteur ; mais il peut également capturer un neutron sans subir de fission. 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, jusqu'au ²⁴³Pu instable qui se désintègre en américium 243.

• L'isotope intéressant par son caractère fissile est le ²³⁹Pu, relativement stable (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 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 du temps (en t²), celle de Pu 241 suivant une loi au cube du temps (en t³), et ainsi de suite.

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.
En revanche, pour des usages civils, une brève irradiation 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 (3 ou 4 ans).

Retraitement

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.

Les deux plus grandes installations mondiales recyclant le plutonium sont basées à la Hague et à Sellafield^[4].

Plutonium 238

Article principal : plutonium 238.

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 γ dans 16 % des cas. Il forme alors un atome d'U 236, relativement stable (demi-vie de 23 million d'années).
• Une deuxième capture neutronique le transforme en U 237 (pour mémoire, 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 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 du Pu 238 pour produire de l'électricité sont cantonnées aux utilisations spatiales, et par le passé à certains stimulateurs cardiaques.

On prépare le plutonium 238 à partir de l'irradiation neutronique 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 3 ans, et il faut l'extraire sélectivement.

Dioxyde de plutonium

Article principal : dioxyde de plutonium.

Le dioxyde de plutonium PuO₂ est, pour les radiochimistes, la forme la plus pratique pour manipuler l'uranium. 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'était parvenu à en produire. Cependant, en 2000, le laboratoire de Los Alamos (Nouveau-Mexique) a montré que PuO₂ 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 inflammable.

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

Contrôle des matières nucléaires

Le plutonium est une matière nucléaire dont la détention est réglementée (Article R1333-1 du code de la défense).

Radioprotection

Ce métal est normalement absent dans la nature à la surface du globe, mais il a été produit et diffusé en quantité significative et encore mesurable dans l'atmosphère et la biosphère, essentiellement dans les années 1945 à 1970 par les essais et tirs nucléaires (et marginalement avec aussi des retombées plus locales ou régionales lors de la catastrophe de Tchernobyl).

Tous les isotopes et composés du plutonium sont toxiques et radioactifs.

Ce qui le rend dangereux est d'une part sa forte activité spécifique, et d'autre part l'énergie de ses émissions alpha (de l'ordre de 5 MeV, à comparer au 0,02 MeV du tritium). Le plutonium est d'autant plus dangereux que sa période radioactive est courte: le Pu–239 est comparativement quatre fois moins radioactif que le Pu–240. Le radio-isotope le plus dangereux est le Pu–241, qui est extrêmement radioactif (mille fois plus que les précédents), est un émetteur β- (donc plus pénétrant que les particules alpha), et présente dans sa chaîne radioactive des émetteurs de rayons gamma durs particulièrement dangereux, comme l'américium 241. Paradoxalement, c'est donc le plutonium dit "de qualité militaire", formé essentiellement de Pu–239, qui est le moins dangereux en termes de radiotoxicité : il est relativement stable, et peut être manipulé avec des gants épais^[5].

Isotope	Activité spécifique (Curie / g)	Activité spécifique (x10^9 Bq / g)
Pu 238	17,3	640
Pu 239	0,063	2,3
Pu 240	0,23	8.5
Pu 241	104	3848

Toxicocinétique

Le plutonium est un émetteur de rayonnement alpha, type de rayonnement facilement arrêté par les parois fines, y compris par la peau. Cependant, s'il est inhalé ou ingéré, il irradie directement les cellules des organes qui sont en contact avec lui (ou qu'il a pénétré). Il peut alors affecter leur noyau et l'ADN et provoquer des cancers. Son activité interne est d'autant plus dangereuse qu'une part importante du plutonium absorbé par l'organisme s’y fixe durablement ; sa demi-vie biologique est estimée être de 200 ans^[6]. À cause de ses caractéristiques et nombreux isotopes, il faudrait distinguer la toxicité de court, moyen et long terme, et les cas d'exposition externe et interne.

En cas d'ingestion par un individu sain, seul environ 0,05 % est absorbé par le tube digestif.
Le plutonium franchit mal la barrière cutanée (si la peau est en bon état).
Par contre, une part importante du plutonium inhalé passe des poumons au sang qui le diffuse vers d'autres organes, plus ou moins vite et bien selon la taille des particules, et selon la nature et la solubilité du composé. Chez l'animal de laboratoire exposé à des taux élevés de plutonium, les tissus cibles ont été les poumons, les ganglions lymphatiques, le foie et les os (avec réduction de la durée de vie, cancers et pathologie pulmonaires).

On estime que chez l'Homme, 10 % du plutonium qui a franchi la barrière intestinale ou pulmonaire quitte le corps (via l'urine, et les excréments). Le reste après passage dans le sang se fixe pour moitié dans le foie et pour moitié dans le squelette, où il demeure très longtemps et pour partie à vie (Le DOE américain estime que la demi-vie dans l'organe est respectivement de 20 et 50 ans pour le foie et l'os, selon des modèles simplifiés ne tenant pas compte de redistributions intermédiaires (en cas de fracture et/ou de ménopause (cf. décalcification) et lors du recyclage normal de l'os, etc). Le DOE précise que le taux accumulé dans le foie et le squelette dépend aussi de l'âge de l'individu (l'absorption dans le foie augmente avec l'âge), et qu'en fait, le plutonium se fixe d'abord sur la surface corticale et trabéculaire des os avant d'être lentement redistribué dans tout le volume minéral osseux.

Notes et références

1. ↑ Plutonium production, Federation of American Scientists.
2. ↑ (en) E.F. Hammel, « The taming of "49" — Big Science in little time. Recollections of Edward F. Hammel ». Consulté le 24 mai 2008. Cette convention a été étendue pour tous les actinides, dans les équations décrivant la dynamique de leur population dans des réacteurs. Ainsi, l'isotope 235 de l'uranium (92) reçoit dans les équations l'indice 25 et ainsi de suite.
3. ↑ Rapport Bataille 1997/1998 au Sénat.
4. ↑ Sellafield, où, à l’usine de retraitement de Thorp, le 19 avril 2005, a été découverte une fuite de 200 kg de plutonium perdus avec 83 000 litres de matière radioactive dans une pièce en béton armé (conçue pour recueillir d'éventuelles pertes). Cette fuite a fait suite à une rupture de canalisation qui n'avait pas été détectée, les techniciens n'ayant pas — durant plusieurs mois — pris en compte les indicateurs d'alerte à ce sujet, qui montrait une perte de poids de la cuve signifiant une fuite. Craignant un accident de criticité, l'autorité de sûreté a provisoirement fermé l'une des deux installations jumelles.
   • Voir.
   • Voir. Note IRSN, mise à jour le 4 octobre 2007 sur l'incident à l'usine THORP de retraitement à Sellafield 2007 (Actualisation de la note d'information du 05/12/05).
5. ↑ FAS fact sheet
6. ↑ Radiological control technical training DOE-HDBK-1122-99, U.S. Department of Energy.

Voir aussi

Voir « plutonium » sur le Wiktionnaire.

Articles connexes

• Contrôle des matières nucléaires
• Énergie nucléaire
• Radioactivité
• Isotopes :
  • Plutonium 238
  • Plutonium 239
  • Plutonium 244
• Tableau périodique des éléments

Liens externes

• (fr) Pu - tableau périodique des éléments (Faculté de chimie de Split)
• (fr) Fiche d'informations sur le Pu (Areva)
• (en) Les expérimentations humaines sur le plutonium aux États-Unis (Los Alamos Science, 23, 1995)
• (en) Plutonium, par le "World Nuclear Association"
• (en) Toxicological Profile for Plutonium, ATSDR, U.S. Department of Health and Human Services

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