Plutonium

Le plutonium, élément atomique n°94 de symbole Pu : ses généralités, ses origines, ses caractéristiques, ses utilisations, sa sécurisation et sa production.

À l’état pur, cet élément possède une structure électronique déterminée par la plus grande densité d’états au niveau de Fermi. La bande 5f étant assez étroite, elle favorise la localisation des électrons. En conséquence, la forme pure du Pu à température ambiante se comporte de manière similaire aux matériaux à fermions lourds. Cela se traduit par une aptitude élevée à absorber et à stocker la chaleur (capacité thermique), ainsi qu’une haute difficulté à laisser passer le courant électrique (résistivité).

À pression atmosphérique normale, six allotropes du plutonium ont été identifiés, dont un septième apparaissant à une pression supérieure à 60 MPa. Chacun présente des propriétés distinctes et singulières par rapport aux autres métaux.

Sa forme α stable fait partie des rares métaux qui cristallisent dans le système monoclinique. Ses propriétés structurelles et physiques présentent des similitudes avec celles des minéraux plutôt que celles des métaux habituels, et ses propriétés mécaniques avec celles de la fonte.

Sa forme δ cristallise dans une structure cubique à faces centrées. Elle est moins dense, avec une  masse volumique inférieure d’environ 20 % à celle du plutonium α. Elle partage des similitudes avec l’aluminium en termes de propriétés mécaniques. Contrairement à la plupart des matériaux, qui ont tendance à se dilater en chauffant, la forme δ se contracte au fur et à mesure qu’elle est chauffée.

La phase liquide de ce métal est plus dense que sa phase solide au point de fusion.

Sa forme pure est difficile à travailler en raison de la présence d’allotropes à énergies internes proches. Pour faciliter la manipulation et l’usinage des pièces en plutonium, un alliage Pu-Ga est généralement utilisé, ce qui garantit une plus grande stabilité de la forme δ.

Les isotopes ²³⁹Pu et ²⁴¹Pu présentent des propriétés fissiles par neutrons thermiques, et sont utilisés comme combustibles nucléaires. Le ²⁴⁰Pu, quant à lui, se distingue par son taux de fission spontanée élevé. En général, un taux inférieur à 7 % est recherché pour le plutonium à usage militaire. Le ²³⁸Pu, avec une demi-vie de 88 ans, se caractérise par son émission de particules α. Il est utilisé comme source de chaleur dans les générateurs thermoélectriques à radioisotopes (GTR) pour les missions spatiales à long terme.

La plupart des isotopes du plutonium sont produits par des réacteurs nucléaires spécialisés, en raison de la complexité de leur séparation. Le projet Manhattan a contribué à la production à grande échelle de cet élément durant la Seconde Guerre mondiale, à des fins nucléaires. Trinity, le premier essai d’arme nucléaire, ainsi que la bombe atomique larguée sur Nagasaki (Fat Man), utilisaient du plutonium comme matériau fissile. À Hiroshima, le cœur de la bombe A (Little Boy) était composé d’uranium enrichi.

Origine du plutonium

Il fait partie des éléments les plus rares dans sa forme naturelle. Depuis 1940, le Pu est produit synthétiquement par l’homme. Il s’agit du deuxième élément transuranien découvert, après le neptunium. Toutefois, la radioactivité α de l’uranium et le rayonnement cosmique apportent entre 4 et 30 kg de ²³⁹Pu chaque année.

Le ²³⁸Pu est obtenu en 1940 par le bombardement de deutérium sur une cible d’uranium dans l’accélérateur de particules cyclotron, à l’université de Berkeley. Le ²³⁹Pu, quant à lui, était désigné sous le nom de code 49 lors du projet Manhattan. Ce code correspond aux derniers chiffres de son numéro atomique (94) et de sa masse atomique (239).

Aucune trace mesurable de plutonium n’a été générée pendant les processus de nucléosynthèse survenus lors de l’émergence de l’univers. Des publications antérieures mentionnent cependant la présence de ²⁴⁴Pu d’origine naturelle.

Les minerais d’uranium naturel contiennent également des traces de ²³⁹Pu et de neptunium. Ces isotopes proviennent de l’irradiation de l’uranium par les neutrons produits lors de sa désintégration radioactive.

Certaines formations géologiques qui concentrent naturellement de l’uranium ont autrefois produit des quantités significatives de ²³⁹Pu. Cette concentration est suffisante pour atteindre la criticité, déclenchant ainsi une réaction nucléaire naturelle.

Actuellement, le ²³⁹Pu n’est produit qu’en de très faibles doses dans ces zones. Ces accidents nucléaires naturels ont augmenté la présence de cet isotope dans le minerai d’uranium. Ces phénomènes ont notamment eu lieu dans la mine d’uranium d’Oklo, au Gabon, qui est ainsi devenu un réacteur nucléaire naturel.

Les niveaux d’énergie des bandes 5f et 6d étant très proches, ses électrons 5f ne sont ni complètement localisés autour d’un atome particulier, ni entièrement délocalisés à travers le cristal. Une transition rapide entre ces deux états se produit à la moindre variation d’énergie, et mène à des changements brusques dans les propriétés macroscopiques de l’élément.

En raison de l’influence des électrons 5f, la structure cristalline des actinides légers présente une symétrie réduite par rapport aux métaux courants. La nature très directionnelle des orbitales 5f restreint également la géométrie des cristaux. La cristallisation du protactinium se déroule dans le système quadratique, celle de l’uranium et du neptunium dans le système orthorhombique et enfin celle du plutonium dans le système monoclinique. La structure cristalline de ce dernier est la plus asymétrique de toutes.

Dans son état naturel, les propriétés mécaniques du Pu sont les suivantes : sa plasticité,  malléabilité et ductilité sont faibles. Sa dureté et sa fragilité sont souvent comparées à celles de la fonte grise.

Les propriétés électriques et thermiques du plutonium se distinguent également, toujours en raison de l’influence des électrons 5f. Sa capacité à conduire l’électricité ainsi que la chaleur est réduite. Cependant, sa capacité thermique est élevée. Le plutonium partage cette propriété avec les matériaux à fermions lourds.

Contrairement aux autres métaux, sa conductivité électrique diminue lorsqu’il est refroidi. Cette tendance s’inverse pour le plutonium frais à des températures inférieures à 100 K. La radioactivité induit des dommages à son réseau cristallin, et entraîne une augmentation de sa résistivité.

Le tableau suivant compare les propriétés du plutonium à celles d’autres métaux usuels.

La radioactivité provoque une désorganisation de la structure cristalline du plutonium et provoque une accumulation de défauts cristallins. L’auto-irradiation peut générer suffisamment de chaleur dans l’élément, de sorte à provoquer un processus de recuit, qui contribue à réparer partiellement les dommages causés par l’irradiation. Ainsi, pour des températures supérieures à 1 000 K, l’effet du recuit peut corriger l’état précédent et permettre une restauration de sa structure.

Isotopes

Le plutonium compte huit isomères nucléaires et 20 isotopes connus. Parmi ces derniers, le ²⁴⁴Pupossède une demi-vie de 80,8 millions d’années, considérée comme la plus longue. Les isotopes ²³⁹Pu et ²⁴²Pu, présentent respectivement des demi-vies de 24 110 et 373 300 ans. Celles des autres isotopes sont inférieures à 7 000 ans.

Leur masse atomique varie entre 228 et 247. Les isotopes moins lourds que le ²⁴⁴Pu ont principalement deux modes de désintégration prédominants : la fission spontanée et la désintégration α. Ces processus produisent de l’uranium et du neptunium, avec d’autres produits de fission.

Les isotopes plus lourds que le ²⁴⁴Pu se désintègrent par radioactivité β, et produisent de l’américium. Du neptunium naît de la désintégration du ²⁴¹Pu , qui se transforme ensuite en américium 241 après le choc de la radioactivité bêta.

Le ²³⁹Pu, ²³³Ur et ²³⁵Ur sont les principaux isotopes fissiles utilisés à des fins militaires et en industrie nucléaire. Le ²⁴¹Pu possède une plus grande radioactivité que le ²³⁹Pu, mais peut également subir une fission après choc d’un neutron thermique. Les neutrons libérés par cette réaction vont ensuite entretenir une réaction en chaîne.

Par désintégration β, le ²⁴¹Pu se transforme en ²⁴¹Am. Ce dernier émet des particules α qui perturbent le fonctionnement des appareils fonctionnant au plutonium. Sous l’impact de neutrons thermiques, les isotopes ²³⁹Pu et ²⁴¹Pu ont environ 75% de chance de subir une fission, contre 25% de se transformer en ²⁴⁰Pu et ²⁴²Pu. Suite à la réaction nucléaire, la quantité restante de ²⁴⁰Pu est supérieure à celle du plutonium parent.

Le ²³⁹Pu pur présente moins de radioactivité que les autres isotopes. Toutefois, son facteur de multiplication k_eff supérieur à 1 lui permet d’atteindre la masse minimale nécessaire pour déclencher une réaction en chaîne, c’est la masse critique. Cette réaction s’accomplit lorsqu’un élément se trouve en quantité suffisante dans un volume défini.

Pendant la fission atomique, une partie de l’énergie qui maintient le noyau atomique cohérent (liaison nucléaire) est libérée sous forme d’énergie cinétique et électromagnétique. L’énergie cinétique se transforme par la suite en énergie thermique. C’est  cette réaction que les réacteurs des centrales nucléaires actuelles exploitent, de même que les armes nucléaires.

Lorsque le ²³⁹Pu subit une fission, un seul kilogramme peut générer une explosion d’une puissance équivalente à 21 kilotonnes de TNT, soit 88 000 gigajoules.

La présence de ²⁴⁰Pu dans le ²³⁹Pu réduit son utilité militaire. En effet, les performances explosives de l’isotope se détériorent et les risques d’explosion incontrôlée augmentent significativement. Le taux de fission spontanée du ²⁴⁰Pu est 10 000 fois plus élevé que celui du ²³⁹Pu. Il est estimé à environ 440 fissions par seconde par gramme, soit l’équivalent de 1 000 neutrons par seconde par gramme.

Le plutonium est qualifié de fuel-grade (de qualité combustible) lorsque sa teneur en ²⁴⁰Pu est inférieure à 19 %. Il est qualifié de weapon-grade (de qualité militaire) lorsque cette teneur est inférieure à 7 %.

Le plutonium de haute qualité ou supergrade, est caractérisé par une teneur en ²⁴⁰Pu inférieure à 4 %. Cette forme, en raison de sa radioactivité réduite, est utilisée dans les armes nucléaires qui doivent être stockées à proximité immédiate des membres d’équipage, à l’instar des sous-marins nucléaires stratégiques et diverses classes de vaisseaux militaires.

Contrairement aux autres isotopes, le ²³⁸Pu n’est pas fissile. Toutefois, il peut subir une fission par radioactivité alpha, ou sous l’influence de neutrons rapides.

Les isotopes 238 et 239 du plutonium sont synthétiques. Le ²³⁹Pu naît de la capture de neutrons, suivie d’une désintégration bêta de l’uranium 238 :

¹₀ n + ²³⁸ ₉₂ U → ²³⁹ ₉₂ U  → ^β- _23.5min⟶ ²³⁹ ₉₃ Np ⟶  ^β- _{2.3565 d} ⟶ ²³⁹ ₉₄ Pu

Les neutrons produits par la fission de l’uranium 235 sont capturés par les noyaux d’uranium 238, formant ainsi le ²³⁹U. La désintégration β produit ensuite le ²³⁹Np, converti plus tard en ²³⁹Pu en réponse à une deuxième désintégration de même nature.

Le ²³⁸Pu est obtenu en bombardant l’uranium 238 avec des ions de deutérium :

²₁  D + ²³⁸ ₉₂ U → ²³⁸ ₉₃ Np + 2 ¹₀ n

²³⁸ ₉₃ Np → ^β- _{2,117 j} ⟶ ²³⁸ ₉₄ Pu

 Les isotopes radioactifs du plutonium génèrent une quantité variable de chaleur lors de leur désintégration, mesurée en milliwatts par gramme ou en watts par kilogramme. Cette production de chaleur peut être significative dans les structures de grande taille contenant du plutonium, telles que les têtes nucléaires. De plus, tous ses isotopes émettent de faibles rayons γ.

Le tableau suivant présente la chaleur de désintégration des isotopes du plutonium :

Allotropes

Lorsqu’un corps simple possède la propriété d’exister sous plusieurs formes moléculaires ou cristallines, on dit qu’il est doué d’allotropie. Ses différentes formes sont alors dites des allotropes. Le plutonium possède un allotrope qui n’existe qu’à partir de 60 MPa, et six allotropes différents à pression atmosphérique. Ces derniers sont notés α (alpha), β (bêta), γ (gamma), δ (delta), δ’ (delta prime), ε (epsilon) et  ζ (zêta).

Leurs niveaux de variation énergétique sont minimes, tandis que leurs propriétés physiques présentent des variations significatives. La densité du plutonium pur à pression atmosphérique fluctue entre 19,86 g/cm³ pour le plutonium α à température normale, et 15,92 g/cm³ pour le plutonium δ à 125 °C. Cela équivaut à une diminution de densité de 20 %, se manifestant par une augmentation de plus de 7,6 % de la longueur dans une dimension linéaire.

Ainsi, les changements de pression, de température ou de milieu chimique entraînent une réaction violente de l’élément.  Par ailleurs, sa masse volumique se modifie au fur et à mesure qu’il passe d’une phase à une autre

Les différentes phases du plutonium à pression atmosphérique sont représentées dans le tableau ci-dessous.

Le façonnage du plutonium pur est difficile en raison de la similarité des énergies internes de ses allotropes. Il se stabilise entre 320,0 à 462,9 °C. Sa forme la plus courante (α) présente un état cristallin monoclinique. Cela lui confère des propriétés similaires à celles de la fonte grise, telles que la dureté et la fragilité. Lorsque le plutonium pur est soumis à une légère augmentation de température, il subit des changements géométriques brusques. Sa forme α ne peut être stabilisée à une température élevée qu’avec l’aide du neptunium.

Sa phase δ présente un système cristallin cubique à faces centrées, dont les propriétés mécaniques sont semblables à celles de l’aluminium. Cet allotrope peut être maintenu à température normale en ajoutant une petite dose de gallium, de cérium, de scandium, d’américium ou d’aluminium. Cette stabilisation permet de faciliter l’usinage et l’assemblage des pièces en plutonium. Afin d’éviter les transitions de phases qui peuvent entraîner des déformations locales dans la pièce (contractions ou gonflements), l’alliage Pu-Ga est couramment utilisé.

L’ajout du zinc, du zirconium, de l’indium et du silicium donne naissance à une phase δ métastable, lorsqu’elle est soumise à un processus de refroidissement rapide. Cet état peut être maintenu jusqu’à une température normale suite à l’addition de grandes quantités de thallium, d’holmium et d’hafnium.  L’élasticité de la phase δ  est dite anisotrope : ses propriétés élastiques varient, de six à sept en fonction des directions dans l’espace.

La phase δ se transforme en phase α pendant la fission nucléaire, à cause de l’onde de choc générée pour comprimer le noyau de plutonium. La densité de la forme α obtenue étant plus élevée, les risques de réaction en chaîne sont mieux évalués.

Alliages

Le plutonium est fondu et ensuite ajouté à un métal pour former des alliages. Il peut être incorporé sous forme d’oxydes ou d’halogénures si le métal présente un caractère réducteur. Les alliages Pu-Ga et Pu-Al résultent du mélange de PuF₃ (trifluorure de plutonium) dans du gallium et de l’aluminium à l’état liquide. Ils permettent de stabiliser la phase δ à température normale.

Les principaux alliages du plutonium comprennent :

• Le plutonium-gallium (Pu-Ga) : il est largement opté pour façonner, usiner et souder les pièces en plutonium, permettant ainsi d’éviter les complications structurelles causées par les transitions de phases α–δ. Il sert dans la fabrication d’armes nucléaires à implosion.
• Le plutonium-gallium-cobalt (PuCoGa₅) : il présente des propriétés supraconductrices lorsqu’il est refroidi à moins 18,5 K. Cette température critique est remarquablement élevée, dépassant celle des systèmes à fermions lourds.
• Le plutonium-aluminium (Pu-Al), alternative au Pu-Ga : il est moins utilisé dans la fabrication d’armes nucléaires au vu de son interaction avec les particules α. Il sert dans la production de combustible nucléaire.
• Le plutonium-cérium (Pu-Ce) et plutonium-cérium-cobalt (Pu-Ce-Co) : ils font usage de combustibles nucléaires.
• L’uranium-plutonium (U-Pu) : il est constitué de 15 à 30 % d’atomes de plutonium. Il sert de combustible nucléaire pour les surgénérateurs. Cet alliage possède des capacités pyrophoriques. Il réagit violemment à la corrosion, peut s’embraser ou même se décomposer au contact de l’air. L’ajout du zirconium et du fer dans l’alliage augmente sa capacité à résister à la corrosion, mais il risque quand même de se désintégrer après une période prolongée d’exposition à l’air. L’incorporation de titane ou de zirconium permet d’accroître sa température de fusion. En outre, certains éléments comme l’aluminium, le carbone et le cuivre sont inefficaces pour améliorer les propriétés du mélange.
• L’uranium-plutonium-zirconium (U-Pu-Zr) : il fait office de combustible nucléaire pour les surgénérateurs. L’ajout de titane et de zirconium renforce sa résistance à la corrosion, ses propriétés thermiques, sa ductilité et son usinage. Aussi, sa capacité à s’enflammer est réduite. Allié au molybdène, il est mieux protégé contre la corrosion, mais l’usage du titane et du zirconium est plus courant compte tenu de leurs excellentes caractéristiques physiques.
• Le thorium-uranium-plutonium (Th-U-Pu) : il est actuellement à l’étude pour d’éventuelles applications en tant que combustible nucléaire pour les surgénérateurs.

Corrosion

La forme pure du plutonium développe rapidement une couche terne composée d’un mélange d’oxydes et d’hydrures lorsqu’elle est exposée à de l’argon (Ar) ou à l’humidité de l’air. Cette couche se désintègre ensuite en une poussière volatile, dont l’inhalation est toxique pour l’homme. Par ailleurs, afin d’éviter que les particules ne se dispersent dans l’environnement, le plutonium est traité dans des boîtes à gants.

La formation d’une couche de dioxyde de plutonium (PuO₂) suite à l’exposition à l’air sec constitue une passivation très efficace pour le métal. Elle limite l’oxydation de l’élément, avec une progression de seulement 20 pm/h.

En revanche, l’humidité favorise la création des hydrures PuH_x, avec 1,9 < x < 3. Ces composés accélèrent la réaction de corrosion par l’oxygène. Si l’humidité est dépourvue d’O₂, des oxydes intermédiaires, comme le sesquioxyde Pu₂O₃, se forment et contribuent à la corrosion par l’’hydrogène. Si, par-contre, l’humidité est dotée d’O₂, une réaction d’oxydation se produit, transformant le PuO₂ en un oxyde supérieur PuO_2+x. Elle se produit sur la couche de dioxyde existante et contribue à la détérioration du métal dans l’air humide.

Les poudres de ses oxydes (Pu₂O₃), de ses hydrures ainsi que celles du plutonium partagent des propriétés pyrophoriques. Elles s’enflamment spontanément lorsqu’elles entrent en contact avec l’air, même à température ambiante. Par conséquent, elles sont traitées dans des environnements inertes, sous l’azote N₂ ou l’argon Ar, afin de maintenir une atmosphère sèche et sécurisée. Sous forme solide, le Pu ne prend feu qu’à partir de 400 °C. L’inflammation du sesquioxyde, quant à lui, permet l’obtention du dioxyde de plutonium (PuO₂) inerte à l’air sec, mais réactif en présence de vapeur d’eau. Ces réactions s’écrivent :

3 PuO₂ + Pu ⟶ 2 Pu₂O₃

2 Pu₂O₃ + O₂ ⟶ 4 PuO₂.

En réaction avec l’hydrogène, le plutonium produit des hydrures PuH_x où 1,9 < x < 3 :

2 Pu + x H₂ ⟶ 2 PuH_x où la valeur de x varie en fonction de la température de réaction et de la pression partielle d’hydrogène.

La forme cristalline des hydrures de plutonium dans le système cubique à faces centrées est représentée par des solides cristallisés.  Ces derniers subissent une oxydation rapide lorsqu’ils sont exposés à l’air. Une fois mis sous chauffage et sous vide dynamique (évacuation continue de l’hydrogène libéré), les éléments qui les constituent se séparent.

Risques liés à la manipulation du plutonium

Les dangers encourus par exposition à ce métal sont liés à ses isotopes. Des réactions nucléaires en chaîne involontaires et incontrôlées peuvent par exemple se déclencher si le plutonium n’est pas traité correctement. Ces accidents dits de criticité ont des effets toxiques sur l’homme, dont le syndrome d’irradiation aiguë, qui, à dose élevée, peut causer la mort en seulement quelques minutes.

Le plutonium présente également une toxicité radioactive et reprotoxique, perturbant la fertilité et le développement du fœtus. Son ingestion entraîne une irradiation des tissus qui peut induire des mutations génétiques, susceptibles de contribuer au développement de cancers.

Les isotopes les plus connus du plutonium émettent de la radioactivité alpha, dont l’énergie des particules α émises est comprise entre 4,9 et 5,5 MeV. Elles sont facilement stoppées par l’épiderme et généralement par tous les matériaux solides. Les rayons β émis par l’isotope ²⁴¹Pu sont un peu plus élevés (5,2 keV), et traversent mieux que les particules α.

En chimie, le plutonium est considéré comme un élément très inflammable en raison de ses propriétés combustibles et pyrophoriques. Toutefois, sa toxicité est considérée moins dangereuse.

Criticité

En fission, la masse critique du ²³⁹Pu vaut le tiers de celle du ²³⁵U. La masse critique de matière fissile correspond à la quantité minimale de matière requise pour amorcer une réaction en chaîne de fission nucléaire. À l’approche de cette masse critique, le ²³⁹Pu risque de déclencher une réaction nucléaire avec une quantité mortelle de neutrons et de rayons γ. La probabilité est plus grande si le plutonium est sous forme liquide, à cause de la capacité de l’hydrogène à ralentir les neutrons.

Au XXe siècle, plusieurs personnes trouvent la mort dans des accidents de criticité liés à l’utilisation du plutonium. Le 21 Août 1945, une faute de manipulation de matériaux radioactifs se produit au laboratoire national de Los Alamos. Des briques en carbure de tungstène étaient utilisées pour contrôler les neutrons autour d’une sphère contenant du plutonium, connue sous le nom de demon core. Harry Daghlian Jr., un chercheur du projet Manhattan a été exposé à une dose d’irradiation de 5,1 Sv. Vingt-cinq jours plus tard, il meurt à la suite d’un syndrome d’irradiation aiguë successive. Louis Slotin meurt également neuf mois plus tard, à Los Alamos, à cause de la maintenance des réflecteurs en béryllium autour du demon core, dont il avait la charge.

Dans la même ville, en décembre 1958, le laborantin Cecil Kelley a trouvé la mort pendant un protocole de purification de plutonium où une masse critique s’est formée dans un récipient et a déclenché une réaction en chaîne. Des accidents semblables ont été relevés au Japon, en Union soviétique, aux États-Unis et dans d’autres pays.

Nature radioactive

Le plutonium est un élément synthétique radioactif, produit par réaction nucléaire. Ses rayonnements ionisants sont connus pour leur radiotoxicité, dont les rayons α ou particules α, les rayons β ou électrons, ainsi que les rayons γ ou photons énergétiques.

Des expositions successives et intenses comportent des dangers pour la santé, pouvant se traduire par des cancers, des mutations génétiques ou un syndrome d’irradiation aiguë.

Les risques augmentent selon la dose radioactive absorbée et selon la dose équivalente, laquelle prend en compte les dommages causés par les rayonnements. La première est mesurée en grays (Gy), et la deuxième en sieverts (Sv).  La dose équivalente est exprimée par le facteur de dose, qui se présente en microsieverts par becquerel (µSv/Bq) :

Les rayons α n’ont pas la capacité de franchir l’épiderme, mais affichent une énergie bien plus élevée (mégaélectron-volts) que celle des autres rayons (kiloélectron-volts). Les rayons β, quant à eux, pénètrent mieux que les particules α, mais moins que les rayons γ, qui peuvent traverser tous les tissus et pénétrer dans l’organisme.

L’inhalation de poussières contenant du plutonium, principalement du dioxyde de plutonium (PuO₂), présente le plus de danger. Au contact de l’air, le PuO₂ se forme rapidement et peut se fragmenter en particules fines dans un environnement humide. Des études ont révélé une augmentation du nombre de cas de cancer du poumon chez les travailleurs du secteur nucléaire, si la dose équivalente inhalée arrive à 400 mSv. Le plutonium tend à s’accumuler au niveau du foie et des os.

Les isotopes présentent des propriétés radiotoxiques différentes. Le plutonium utilisé dans les armes nucléaires (92% de ²³⁹Pu) est relativement moins toxique en raison de sa faible activité radioactive par unité de masse. Le ²⁴⁰Pu et le ²³⁸Pu, en revanche, ont une activité radioactive plus élevée. Celle du ²⁴¹Pu est mille fois supérieure à ces derniers du fait des rayons β qu’il émet.

Le tableau ci-dessous présente les différentes énergies par mode de désintégration du plutonium :

Le ²³⁸Pu est le plus radiotoxique des isotopes du plutonium. Lorsque le ²⁴¹Pu se désintègre, il produit de l’américium 241 dont les rayons γ énergétiques sont nocifs pour l’environnement.

Les essais cliniques sur des organismes vivants ont montré que la quantité létale de Pu à prise unique est située entre 400 à 4 000 µg/kg. La mort est induite par le syndrome d’irradiation aiguë. Une exposition prolongée peut toutefois provoquer des dommages plus progressifs.

En outre, l’inhalation de dix milligrammes d’oxydes de plutonium est estimée mortelle. Suite aux expériences menées sur des chiens et des babouins, les résultats suggèrent que chez l’homme, une dose de 9 mg de plutonium entraînerait la mort en 30 jours ; cette probabilité est de 50 %. Une dose de 0,9 mg conduirait à une mortalité en un an avec une probabilité similaire, et une dose de 0,4 mg au bout de trois ans.

Des tumeurs du poumon ont été constatées chez les animaux testés (rat et chien), à la suite de l’inhalation d’oxydes de plutonium. Les études ont révélé une relation dose-effet, indiquant un effet cancérigène du Pu s’il est inhalé au-delà d’environ 1 Gy. Chez l’homme, ce seuil correspond à une accumulation de  ²³⁹PuO₂ d’environ 200 kBq (87 µg) dans les poumons.

Toxicité chez l’homme

Une fois à l’intérieur de l’organisme humain, le plutonium est véhiculé par des protéines appelées transferrines et stocké dans le sang par la ferritine. Progressivement, il s’accumule principalement dans les os, mais aussi dans le foie, et en petite quantité, dans les poumons. Il reste dans l’organisme pendant environ 50 ans.

Pour atténuer ses effets, du DTPA (complexe d’acide diéthylène-triamine penta-acétique), également connu sous le nom d’acide pentétique doit être injecté dans les 24 heures suivant la contamination, en combinaison avec du zinc ou du calcium. Cette technique limite la fixation du plutonium, ainsi que celle de l’américium et du curium.

L’entérobactine et la déféroxamine peuvent également être appliquées dans le traitement de l’intoxication. D’autres chélateurs, tels que le 3,4,3-LIHOPO et la DFO-HOPO (déféroxamine-hydroxypyridinone), ont même montré une efficacité supérieure par rapport au DTPA.

Lorsque le plutonium pénètre dans le corps humain par voie intestinale ou pulmonaire, environ 10 % de la quantité absorbée est éliminée du corps, principalement par les excréments  et l’urine. Le reste qui entre dans le sang est réparti à parts égales entre le foie et le squelette, où il peut rester pendant une période considérable, voire toute la vie.

Selon le Département de l’Énergie américain (DOE), sa demi-vie est d’environ 20 ans dans le foie et 50 ans dans les os. Ces estimations sont basées sur des modèles simplifiés qui ne prennent pas en compte les redistributions intermédiaires. Ces dernières se produisent lors de recyclage normal de l’os, de processus de décalcification, de ménopause ou de fracture osseuse.

Selon leurs données, le taux d’accumulation du Pu dans le foie et les os est influencé par l’âge de l’individu, avec une absorption accrue par le foie au fil du temps. Il a tendance à se concentrer d’abord sur les surfaces externes des os, puis à se déplacer progressivement à travers les os pour atteindre leur structure interne.

Utilisations du plutonium

Usage militaire

Le ²³⁹Pu est essentiel dans la production d’armes nucléaires où il est utilisé comme isotope fissile. Il est plus pratique en raison de son abondance et de sa facilité de manipulation. La masse critique du plutonium peut être réduite en enrobant le noyau avec des matériaux réflecteurs de neutrons. Ces derniers ont un double rôle : ils vont à la fois augmenter le flux de neutrons thermiques dans le noyau et retarder son expansion thermique. Ce processus permet d’avoir une réaction en chaîne plus longue et une explosion nucléaire plus puissante.

Dix kilos de ²³⁹Pu suffisent pour atteindre la criticité, si aucun réflecteur n’est utilisé. Cependant, une conception améliorée peut réduire en théorie ce poids de moitié pour atteindre la criticité. Cela serait l’équivalent du 1/3 de la masse critique de l’uranium 235.

En 1945, les États-Unis lâchent sur Nagasaki la bombe Fat Man. Celle-ci  présentait une configuration spécifique de plutonium qui a maximisé sa puissance explosive. Elle contenait une charge de 6,4 kg d’alliage plutonium-gallium (²³⁹Pu-²⁴⁰Pu-Ga dans un ratio de 96:1:3), avec une source de neutrons d’amorçage Be-²¹⁰Po en son milieu. L’ensemble était enrobé de lentilles explosives qui compriment le plutonium, augmentant ainsi sa densité et, par conséquent, l’intensité de l’explosion. Cette dernière a atteint l’équivalent d’environ 20 000 tonnes de TNT.

Usage civil

Les déchets nucléaires provenant de réacteurs à eau légère standard contiennent un mélange d’isotopes de plutonium, notamment le ²³⁸Pu, le ²³⁹Pu, le ²⁴⁰Pu et le ²⁴²Pu. Ce combustible ne renferme pas assez de ²³⁹Pu pour être directement utilisé dans la fabrication d’armes nucléaires. Cependant, il est recyclé en combustible MOX (Mixed Oxides), qui sert de carburant dans les réacteurs.

Pendant la réaction nucléaire, le plutonium est exposé à des captures neutroniques accidentelles qui entraînent une augmentation de la quantité de ²⁴⁰Pu et de ²⁴²Pu. Au bout du premier cycle, le plutonium perd de son efficacité et ne peut être exploité que dans des réacteurs à neutrons rapides. En l’absence de ces derniers, l’excès de Pu est souvent éliminé en tant que déchets radioactifs à longue durée de vie. Actuellement, la construction de réacteurs à neutrons rapides est au cœur des priorités afin de minimiser et valoriser les déchets nucléaires.

Le procédé PUREX (Plutonium-Uranium Extraction) est le processus  chimique le plus utilisé pour extraire l’uranium et le plutonium des déchets nucléaires. Le résultat obtenu forme le MOX, composé de dioxyde de plutonium (PuO₂) et de dioxyde d’uranium (UO₂), appliqué comme combustible dans des réacteurs nucléaires. Il renferme 60 kg de Pu par tonne et fonctionne dans les réacteurs à eau légère.

Au bout de quatre ans d’utilisation, 75 % du Pu contenu dans le MOX sont consommés. Les surgénérateurs sont conçus pour que les neutrons produits lors de la réaction nucléaire puissent générer plus de matériau fissile qu’ils n’en consomment.

Depuis 1980, l’Europe a adopté le mélange d’oxydes MOX dans ses besoins nucléaires. En 2000, la Russie et les États-Unis ont signé le PMDA (Accord de gestion et de traitement du plutonium), dont le principal objectif est de se débarrasser des 34 tonnes de plutonium de qualité militaire. Le recyclage de toute cette quantité par le DOE américain devait être achevé avant la fin de l’année 2019.

Le MOX a la capacité d’augmenter le rendement énergétique total. Les barres de combustible nucléaire sont recyclées après trois ans et réintégrées dans un réacteur. Les isotopes de plutonium et d’uranium générés pendant cette période d’utilisation y sont conservés. Les déchets extraits ne constituent qu’environ 3 % de leur masse totale. La durabilité du Pu de qualité militaire dans le réacteur à eau légère est altérée par le gallium, bien qu’il ne soit présent qu’en petite quantité, à hauteur de 1%.

Les principaux centres de recyclage du plutonium sont :

• les unités THORP de Sellafield et B205 au Royaume-Uni,
• l’usine nucléaire de Rokkasho au Japon,
• l’usine de retraitement de la Hague en France,
• le complexe nucléaire de Maïak en Russie.

D’autres sites de moindre envergure sont également fonctionnels, notamment au Pakistan et en Inde.

Usage spatial

La période radioactive du ²³⁸Pu est de 87,74 ans. Il produit une quantité significative d’énergie thermique, ainsi que des flux relativement faibles de photons gamma et de neutrons. Sa puissance thermique est de 570 W/kg. Cet isotope émet des particules alpha à haute énergie mais peu pénétrantes. Par conséquent, une protection légère, telle qu’une feuille de papier, est suffisante pour les arrêter. En raison de ces propriétés, il est considéré comme source de chaleur potentielle dans les dispositifs ne nécessitant aucun entretien direct durant toute une existence humaine.

Le ²³⁸Pu a été utilisé pour les missions d’exploration spatiale New Horizons, Galileo, Voyager et Cassini-Huygens et  dans le rover Curiosity du Mars Science Laboratory. Il a notamment servi dans les éléments chauffants à radioisotope (RHU) et les générateurs thermiques à radioisotope (RTG).

Les sondes Voyager, lancées en 1977, étaient équipées chacune d’une source de plutonium de 500 W. Après plus de 30 ans, les sondes ont pu maintenir un fonctionnement limité grâce à la puissance de 300 W encore produite par les sources d’énergie. Les cinq appareils scientifiques ALSEP (Apollo Lunar Surface Experiments Packages) installés sur la Lune en 1969 lors de la mission Apollo 12 contenaient une ancienne version de ce procédé.

L’isotope ²³⁸Pu trouve également usage dans le domaine médical, en particulier dans l’alimentation des stimulateurs cardiaques. Son application permet de réduire les procédures chirurgicales récurrentes relatives au renouvellement de la source d’énergie. En 2003, il a été remplacé par les piles au lithium, mais entre 50 et 100 patients aux États-Unis sont encore équipés de stimulateurs cardiaques fonctionnant avec du ²³⁸Pu.

Sécurisation du plutonium

Le plutonium est considéré comme un matériau sensible en raison de son potentiel d’utilisation dans des applications militaires ou terroristes. Par conséquent, plusieurs textes et conventions internationaux ont été établis dans le but de réguler son accès. Le risque de prolifération est limité lorsqu’il est recyclé à partir de déchets nucléaires, dû à la présence des isotopes ²⁴⁰Pu et ²⁴²Pu. En effet, ces derniers sont non fissiles et difficiles à éliminer.

Lorsqu’un réacteur nucléaire fonctionne avec une combustion massique faible, il a tendance à produire moins d’isotopes non fissiles. Le matériau nucléaire résultant est susceptible d’être utilisé à des fins militaires. Le plutonium de qualité militaire contient généralement environ 92 % de ²³⁹Pu, l’isotope fissile le plus couramment utilisé dans les armes nucléaires. Cependant, 85 % de ²³⁹Pu est suffisant pour construire une bombe nucléaire moins puissante.

Si la combustion massique du réacteur à eau légère est normale, le plutonium qui en résulte contient moins de ²³⁹Pu, à hauteur de 60 %. Il renferme également 30% d’isotopes non fissiles ainsi que 10% de ²⁴¹Pu. L’explosion des bombes nucléaires fabriquées à partir de ce matériau demeure incertaine ; néanmoins leur utilisation peut entraîner la libération de substances radioactives.

Par conséquent, tous les isotopes du plutonium sont classés comme matériau à usage nucléaire par l’Agence internationale de l’énergie atomique. Celle-ci justifie cette disposition par le fait qu’ils peuvent être directement employés dans la confection d’explosifs nucléaires, sans nécessiter d’enrichissement supplémentaires ou de modifications. La détention de cet élément est régie par le code de la Défense, chapitre III, en France.

Production du plutonium

Plutonium 238

Les isotopes  ²³⁸Pu et  ²³⁹Pu sont formés par la chaîne de désintégration de l’uranium 235 dans les centrales nucléaires.

• Une première capture neutronique permet au ²³⁵U de se stabiliser grâce au rayon gamma qu’il émet. L’isotope ²³⁶U en résulte, avec une période radioactive de 23 millions d’années. 
• Le ²³⁵U subit une deuxième capture et forme le ²³⁷U, instable et avec une demi-vie courte de 6,75 jours. L’émission β^– lui permet de se transmuter en neptunium 237, qui peut vivre jusqu’à 2,2 millions d’années. L’isotope  ²³⁸U peut également se transformer en  ²³⁷U suite à une perte de neutron par la réaction (n, 2n).
• Une troisième capture de neutron donne naissance à du  ²³⁸Np instable, avec une durée de vie radioactive de 2,1 jours. Par la suite, il subit une émission β^– pour se convertir en  ²³⁸Pu.

La demi-vie du  ²³⁸Pu est de 86,41 ans. Il émet une radioactivité alpha significative et possède une activité spécifique élevée en termes de rayonnement alpha et gamma. C’est pourquoi le ²³⁸Pu est choisi comme source de neutrons, de chaleur et d’énergie électrique dans les générateurs thermoélectriques à radioisotopes. Il sert uniquement dans des applications spatiales comme source d’électricité et, anciennement, dans des stimulateurs cardiaques.

Le ²³⁸Pu provient de l’émission de neutrons du ²³⁷Np (récupéré lors du recyclage des déchets nucléaires), ou de l’américium dans un réacteur nucléaire. L’extraction du ²³⁸Pu de ces éléments nécessite une dissolution nitrique.

Sur une période de trois ans, le combustible irradié des réacteurs nucléaires à eau ne contient que 700 grammes de neptunium 237 par tonne de combustible. L’extraction de ce Np se fait de manière sélective.

Plutonium 239

Le ²³⁹Pu est produit par capture neutronique, suite à l’exposition de ²³⁸U à des rayonnements dans les réacteurs nucléaires. Le neutron (rapide ou thermique) capturé par l’atome de ²³⁸U se transforme temporairement en  ²³⁹U : ¹₀ n + ²³⁸ ₉₂ U → ²³⁹ ₉₂ U.

Le ²³⁹U, instable, viable seulement pendant 23,5 minutes, subit ensuite une radioactivité β^– pour donner du neptunium : ²³⁹ ₉₂U  ⟶ ²³⁹ ₉₃ Np + e⁻ + ν_e.

Le ²³⁹Np, viable environ 2,36 jours, se transforme ensuite en ²³⁹Pu dont la demi-vie est de 24 000 ans par décroissance β^– : ²³⁹ ₉₃ Np ⟶ ²³⁹ ₉₄ Pu  + e⁻ + ν_e.

Le ²³⁹Pu participe à la réaction en chaîne du réacteur en tant qu’isotope fissile. Ainsi, lors de l’évaluation énergétique d’un réacteur nucléaire, la capacité énergétique de ²³⁵U initial et celle de ²³⁸U fertile transformé en plutonium sont prises en compte.

Le ²³⁹Pu peut procéder à une capture neutronique sans subir de division nucléaire s’il est exposé à un flux neutronique. L’absorption de neutrons par le ²³⁹Pu et ses produits de fission lors de périodes prolongées d’irradiation conduit à l’accumulation d’isotopes plus lourds dans le combustible nucléaire. Ce processus permet l’apparition des isotopes ²⁴⁰Pu, ²⁴¹Pu, ²⁴²Pu, ainsi que ²⁴³Am, produit de désintégration de ²⁴³Pu.

La quantité d’un isotope produit dépend de l’abondance de l’isotope parent, qui doit avoir eu le temps de s’accumuler. Le ²³⁹Pu suit donc une évolution linéaire dans un combustible vierge. La quantité de ²⁴⁰Pu croît de manière quadratique (t²) avec le temps, tandis que celle de ²⁴¹Pu croît de manière cubique (t³), et cette tendance se poursuit ainsi pour les isotopes suivants.

Pour garantir la pureté du plutonium militaire, il est nécessaire d’extraire le combustible, les cibles et la couverture utilisés lors de sa fabrication après quelques semaines. Pour le cas du plutonium à usage civil, une brève exposition aux rayonnements ne suffit pas à extraire toute l’énergie produite par le combustible. Ce dernier n’est retiré des réacteurs qu’après trois ou quatre ans.

Une fission de ²³⁵U équivaut à environ 0,8 atome de ²³⁹Pu, ou environ 1g/MW par jour de plutonium dans un réacteur. En France, 11 tonnes de plutonium sont produites chaque année environ. Toutefois, les réacteurs à eau légère ont tendance à générer moins que les graphite-gaz.

Plutonium 240

Le ²⁴⁰Pu ne fait pas partie des isotopes fissiles du plutonium. Il présente une radioactivité quatre fois supérieure à celle de ²³⁹Pu, et une période radioactivé de 6 500  ans.

Plutonium 241

Le ²⁴¹Pu est un isotope radioactif fissile, avec une demi-vie de 14,29 ans. Il se décompose en américium 241 neutrophage et altère la performance des engins nucléaires.

Plutonium 242

Le ²⁴²Pu est un isotope peu fertile, avec une section efficace faible. Il se forme suite au recyclage récurrent du plutonium en réacteur. Sa demi-vie est de 373 000 ans.

Plutonium 243

Le ²⁴³Pu est instable, avec une demi-vie de moins de cinq heures. Sa désintégration forme l’américium 243.

Plutonium 244

Le ²⁴⁴Pu est l’isotope le plus stable du plutonium, avec une période radioactive de 80 millions d’années. Il n’est pas un produit de fission. En effet, le ²³⁹U se transforme en ²⁴³Pu, avec une demi-vie de cinq heures. Ce dernier, ne disposant pas suffisamment de temps pour une autre capture neutronique nécessaire à la formation du ²⁴⁴Pu, se désintègre rapidement en ²⁴³Am.

Le ²⁴⁴Pu se forme pendant les explosions de bombes nucléaires ou de supernova (nucléosynthèse stellaire), grâce à leurs puissants flux neutroniques. L’essai Ivy Mike en 1952 a donc permis la découverte du ²⁴⁴Pu et du ²⁴⁶Pu. Les concentrations de ²⁴⁴Pu dans la nature proviennent des essais nucléaires atmosphériques passés et des résidus de ²⁴⁴Pu naturel.

Réserve mondiale de plutonium

En 2013, après 70 ans de synthétisation, la réserve mondiale de plutonium est estimée à 500 tonnes, dont 52 % proviennent de sources civiles, tandis que 48 % sont d’origine militaire. Ce stock est réparti entre 5 producteurs :

• Japon : 9,4 % soit 47,1 tonnes,
• France : 13,2 % soit 66,2 tonnes,
• États-Unis : 17,7 % soit 88,3 tonnes,
• Royaume-Uni : 21,4 % soit 107,2 tonnes,
• Russie : 35,6 % soit 178 tonnes.

Les 3 % restants représentent 13 tonnes, et proviennent du reste du monde.