Plutonium

Second élément transuranien, de numéro atomique 94, le plutonium est produit par l’homme depuis 1940, d’abord en bombardant une cible d’uranium par du deutérium, créant l’isotope 238Pu, et maintenant formé principalement en tant que 239Pu au cœur des réacteurs nucléaires où il participe à la production d’énergie thermique convertie en électricité. C’est un cœur de plutonium qui servit à réaliser la première explosion atomique, l’essai Trinity, ainsi que Fat Man, la deuxième et, à ce jour dernière utilisation opérationnelle d’une bombe atomique, larguée sur Nagasaki le 9 août 1945.

Il n’y a pratiquement plus de plutonium en quantités significatives remontant à une nucléosynthèse primordiale. On le trouve cependant encore dans des terres rares sous forme de très faibles traces de 244Pu, ce qui en fait l’élément naturel le plus lourd identifié à ce jour. Il a été produit plus massivement (et existe encore en quantités infimes) sous forme de 239Pu dans des structures géologiques particulières comme celle d’Oklo, où de l’uranium (cf. Uranium) a été naturellement concentré par des processus géologiques il y a environ 2 milliards d’années, pour atteindre une criticité suffisante pour engendrer une réaction nucléaire spontanée.

Le plutonium fut préparé pour la première fois à Berkeley en 1940 par l’équipe de Glen T. Seaborg (Prix Nobel de Chimie 1951) en bombardant à l’aide d’un cyclotron une cible d’uranium avec du deutérium :

L’irradiation de 238U dans les réacteurs nucléaires engendre du 239Pu par capture de neutrons issus de la fission de 235U (cf. Uranium). Dans un premier temps, un atome de 238U capture un neutron et se transforme transitoirement en 239U. Cette réaction de capture est plus facile avec des neutrons rapides qu’avec des neutrons thermiques, mais est présente dans les deux cas. Fortement instable, 239U se transforme rapidement par radioactivité β- (avec une demi-vie de 23,5 minutes) en 239Np, lequel subit à son tour une décroissance β- (avec une demi-vie de 2,36 jours) qui le transforme en plutonium 239 :

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 243Am.

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 241Am, neutrophage, ce qui réduit l’efficacité des dispositifs nucléaires militaires.

Quand on utilise un réacteur spécifique (« plutonigène ») pour la fabrication du « plutonium militaire », le combustible utilisé pour la production du plutonium est extrait après quelques semaines dans le réacteur afin d’avoir l’assurance que 239Pu est aussi pur que possible. 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). 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. Ainsi, en France, les réacteurs nucléaires produisent chaque année environ 11 tonnes de plutonium.

Le procédé Purex (Plutonium Uranium Refining by Extraction) est mis en œuvre pour retraiter les combustibles nucléaires usés, notamment dans les deux plus grandes installations mondiales recyclant le plutonium basées à la Hague en France, et à Sellafield au Royaume-Uni. Fondé sur l’extraction sélective des ions uranium et plutonium par le phosphate de butyle (TBP), il consiste dans une première phase à mettre en solution, par attaque à l’acide nitrique, de l’ensemble des éléments qui constituent le combustible usé.

Dans une seconde phase, ces ions sont extraits sélectivement de la solution en mettant à profit l’affinité du TBP envers ces éléments.

Dans une première étape, l’uranium et le plutonium sont co-extraits dans la phase organique, les produits de fission restant pour l’essentiel dans la phase aqueuse. Un deuxième cycle d’extraction permet leur séparation : les ions plutonium passent alors en phase aqueuse, tandis que les ions uranium restent dans le solvant, d’où il seront ré-extraits à leur tour. L’uranium et le plutonium subissent alors séparément d’autres cycles d’extraction-réextraction, ce qui parachève leur purification vis-à-vis des contaminants initialement présents.

La fission d’un gramme de 239Pu libère autant d’énergie que la combustion de près de deux tonnes de pétrole, une caractéristique qui a conduit à son utilisation dans les secteurs électronucléaire et militaire. 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. Il est alors mélangé avec de l’uranium appauvri (issu de l’étape initiale d’enrichissement en 235U) pour former du combustible MOX (mélange d’oxydes d’uranium et de plutonium..

L’isotope 238Pu, d’une demi-vie de 86,41 ans, est un émetteur très puissant de rayonnement α. En raison de cette activité massique élevée, il est utilisé comme source de neutrons (par « réaction α » avec des éléments légers), comme source de chaleur et comme source d’énergie électrique (effet thermoélectrique). On le prépare par irradiation neutronique de 237Np, récupéré pendant le retraitement ou à partir de l’irradiation de l’américium, en réacteur.

Le plutonium est un métal relativement mou, très dense, à point de fusion relativement bas (640 °C) et à température d’ébullition exceptionnellement élevée (3 327 °C). Contrairement à la plupart des matériaux, sa densité s’accroît (de 2,5 %) à la fusion, si bien qu’un lingot de plutonium flotte à la surface du métal en fusion… comme un glaçon sur l’eau. Il présente six états allotropiques dans les conditions normales de pression, la forme . Ces allotropes ont des énergies internes très proches, mais des structures cristallines et des densités très différentes, qui varient de 16,00 g/cm3 à 19,86 g/cm3.

Si la forme δ existe entre 310 et 452 °C, elle est stable à température ambiante quand le plutonium est allié avec une faible proportion de gallium, d’aluminium, ou de cérium, ce qui permet son usinage et son soudage . Cette phase, de type cubique à face centrée, présente de plus une forte anisotropie de son élasticité, qui peut varier d’un facteur six à sept suivant les directions. Les propriétés physiques de cette phase sont plus celles d’un métal classique : elle est à peu près aussi résistante et malléable que de l’aluminium.

Le plutonium fait partie des éléments présentant une « radiotoxicité très élevée ». Normalement absent à la surface du globe, il a été produit et diffusé en quantités significatives et encore mesurables dans l’atmosphère et la biosphère, essentiellement dans les années 1945 à 1970 par les essais et tirs nucléaires : on comptabiliserait plus 4 tonnes cumulées. 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 239Pu est comparativement quatre fois moins radioactif que le 240Pu. Le radio-isotope le plus dangereux est le 241Pu, qui est extrêmement radioactif (mille fois plus que les précédents), est un émetteur β- (donc plus pénétrant que les particules α), et présente dans sa chaîne radioactive des émetteurs de rayons γ durs particulièrement dangereux, comme 241Am. Paradoxalement, c’est donc le plutonium dit « de qualité militaire », formé essentiellement de 239Pu, qui est le moins dangereux…

Pensée du jour
« Pluton : Dieu des Enfers et Planète glaciale… »

Sources

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