Plutonium
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31651025
2008-07-17T11:56:28Z
Croquant
52033
/* Liens externes */ corr. lien ATSDR
{{Élément/Plutonium}}
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'[[arme nucléaire|armes nucléaires]] et la production d'énergie dans certaines [[centrales nucléaires]]. Il sert également à l'élaboration de [[générateur thermoélectrique à radioisotope|générateurs thermoélectriques à radioisotope]].
Le plutonium est un [[élément chimique]] artificiel presque exclusivement produit de [[1940]] à nos jours. Il est obtenu dans le cœur des [[réacteur nucléaire|réacteurs nucléaires]] par la transformation, sous l'effet du flux de [[neutron]]s, d'une partie de l'uranium qui compose le [[combustible nucléaire]]. Ainsi, en France, les réacteurs nucléaires produisent chaque année environ 11 tonnes de plutonium<ref>[http://www.senat.fr/rap/o97-179/o97-1793.html Rapport Bataille] 1997/1998 au Sénat.</ref>.
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 [[mine (gisement)|filon]]s par des [[bactérie]]s) 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'[[Réacteur nucléaire naturel d'Oklo|Oklo]].
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, Pu-239)<ref> {{en}} {{lien web
|auteur=E.F. Hammel
|titre=The taming of "49" — Big Science in little time. Recollections of Edward F. Hammel
|url=http://www.fas.org/sgp/othergov/doe/lanl/pubs/00818010.pdf
|editeur=Los Alamos Science, Vol 26, Iss. 1, 2000
|consulté le={{date|24|mai|2008}}
}}. Cette convention a été étendue pour tous les [[actinide]]s, 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.</ref>.
==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 [[explosion nucléaire|explosions nucléaires]] (en [[1952]], l'explosion de la bombe thermonucléaire américaine la plus puissante a ainsi produit deux [[radioélément]]s alors encore inconnus ; le plutonium 244 (<sup>244</sup>Pu) et le plutonium-246 (<sup>246</sup>Pu). <br>
Le plutonium est aussi un déchet ou sous-produit de fonctionnement de centrales nucléaires civiles, avec divers [[actinide]]s. <br>
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 :
# capture neutronique de l'uranium 238 pour former de l'uranium 239 ;
# décroissance β- de l'[[uranium]] 239 ([[demi-vie]] : 23 minutes) en [[neptunium]] 239 ;
# décroissance β- du neptunium 239 (demi-vie : 2,3 jours) en plutonium 239.
Les [[isotope]]s les plus lourds du plutonium sont majoritairement formés par capture neutronique du plutonium 239.
Le plutonium est un métal argenté très [[radioactivité|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 [[acide]]s. Il ne réagit pas avec les [[Base (chimie)|bases]].
Sa période de [[demi-vie]] est de 24 000 ans pour l'isotope 239.
Il y a 15 [[isotope]]s 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).
[[Image:Pu,94.jpg|thumb|left|Opérateur tenant une pastille de plutonium dans ses mains gantées.]]
==Statut juridique==
Le plutonium répond aux définitions admises de « [[polluant]] ».
Lorsqu'il est produit dans les réacteurs civils ; est considéré comme [[déchet]] par certains pays et comme matière valorisable par d'autres (dont la France). <br>
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 [[générateur thermoélectrique à radioisotope|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 [[arme nucléaire|armes nucléaires]]. Il faut environ 5 kg de plutonium pour obtenir une [[Bombe A |bombe nucléaire]]. En tant qu'élément utile à la fabrication d'[[arme de destruction massive]], il est suivi par divers textes et conventions internationales.
{{loupe|Contrôle des matières nucléaires}}
== Plutonium 239 et isotopes supérieurs ==
'''Production'''
L'irradiation de l'[[uranium]] 238 dans les réacteurs nucléaires génère du plutonium 239 par capture de neutron. Dans un premier temps, un atome d'U-238 capture un neutron et se transforme transitoirement en U-239. Cette réaction de capture est plus facile avec des neutrons rapides qu'avec des neutrons thermiques, mais est présente dans les deux cas.
:<math>\mathrm\hbox{n}+{{}^2{}^{38}_{92}U}\rightarrow\mathrm{{}^2{}^{39}_{92}U}</math>
L'U-239 formé est fortement instable. Il se transforme rapidement (avec une demi-vie de 23,5 minutes) en [[neptunium]] par radioactivité β- :
:<math>\mathrm{{}^2{}^{39}_{92}U}\rightarrow\mathrm{{}^2{}^{39}_{93}Np}+ e^- + \bar{\nu}_e</math>
Le Np-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).
:<math>\mathrm{{}^2{}^{39}_{93}Np}\rightarrow\mathrm{{}^2{}^{39}_{94}Pu}+ e^- + \bar{\nu}_e</math>
Le Pu-239 est fissible, 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 <sup>240</sup>Pu, <sup>241</sup>Pu, <sup>242</sup>Pu, jusqu'au <sup>243</sup>Pu instable qui se désintègre en [[américium]] 243.
* L'isotope intéressant par son caractère fissible est le Pu-239, relativement stable (24 000 ans).
* L'isotope suivant, le Pu-240, est simplement fertile, et présente une radioactivité "seulement" quatre fois plus élevée (6500 ans).
* Le Pu-241 est également fissible, mais fortement radioactif (demi-vie de 14 ans). <br>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. <br>
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 t<sup>2</sup>), celle de Pu-241 suivant une loi au cube du temps (en t<sup>3</sup>), 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. <br>
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]]<ref>[[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 [[litre]]s de matière [[radioactivité|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.
* [http://www.guardian.co.uk/uk_news/story/0,3604,1479483,00.html Voir].
* [http://www.irsn.fr/index.php?module=presse&action=getCom&mode=topten&com_id=261&lgcode=FR 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).
</ref>.
== 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'U-235 qui capture un neutron thermique peut se stabiliser par émission d'un [[rayonnement gamma|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'U-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 [[radioactivité β#désintégration β-|émission β-]].
Le plutonium 238, d'une demi-vie de 86,41 ans, est un émetteur très puissant de [[rayonnement alpha|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 ([[générateur thermoélectrique à radioisotope|par la conversion de la chaleur en électricité]]). Les utilisations du 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 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 ==
Le dioxyde de plutonium (PuO<sub>2</sub>) 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 A|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 (PuO<sub>3</sub>) 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 PuO<sub>2</sub> 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 (Terre)|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 [[toxique]]s 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 Pu239 est comparativement quatre fois moins radioactif que le Pu240. Le radio isotope le plus dangereux est le Pu241, qui est extrêmement radioactif (mille fois plus que les précédents), est un émetteur béta-moins (donc plus pénétrant que les particules alpha), et présente dans sa [[chaîne radioactive]] des émetteurs gamma dur particulièrement dangereux. Paradoxalement, c'est donc le plutonium dit "de qualité militaire", formé essentiellement de Pu239, qui est le moins dangereux en terme de radiotoxicité.
{|class="wikitable" style="text-align:center; width:80%;"
! Isotope
! Activité spécifique ([[Curie (unité)|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
|}
Pour ces raisons, les installations industrielles qui opèrent sur du plutonium (typiquement, les usines de retraitement) sont des installations très lourdes en terme de radioprotection. Là où une simple boîte à gants suffit pour traiter l'uranium naturel ou enrichi en amont du cycle, le traitement du plutonium nécessite des barrières de protection épaisses (murs en béton boré, hublots épais,...), même quand il n'est pas associé à des produits de fission (comme c'est le cas en début de traitement).
===Toxicocinétique===
Le plutonium a parfois été décrit comme la « substance la plus [[toxique]] connue par l'homme ». C'est un émetteur de [[Radioactivité α|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'[[Acide désoxyribonucléique|ADN]] et provoquer des [[cancer]]s. 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<ref>{{Lien web|titre=Radiological control technical training DOE-HDBK-1122-99 | éditeur=U.S. Department of Energy| url=http://hss.energy.gov/NuclearSafety/techstds/standard/hdbk1122-04/part9of9.pdf }}.</ref>.
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. <br>
Le plutonium franchit mal la barrière cutanée (si la peau est en bon état). <br>
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 [[poumon]]s, les [[Ganglion lymphatique|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#En biologie et pharmacologie|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. dé[[calcification]]) 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.
== Voir aussi ==
{{Wiktionnaire}}
* [[Contrôle des matières nucléaires]]
* [[Énergie nucléaire]]
* [[Radioactivité]]
* Le [[tableau périodique des éléments]]
=== Liens externes ===
* {{fr}} [http://www.ktf-split.hr/periodni/fr/pu.html Pu - tableau périodique des éléments] (Faculté de chimie de Split)
* {{en}} [http://www.fas.org/sgp/othergov/doe/lanl/pubs/00326640.pdf Les expérimentations humaines sur le plutonium aux États-Unis] (Los Alamos Science, 23, 1995)
* {{en}} [http://www.world-nuclear.org/info/inf15.html Plutonium], par le "World Nuclear Association"
* {{en}} [http://www.atsdr.cdc.gov/toxprofiles/tp143.html Toxicological Profile for Plutonium], ATSDR, U.S. Department of Health and Human Services
=== Références ===
<references />
{{Portail|Chimie|Énergie}}
{{Lien BA|de}}
[[Catégorie:Élément chimique]]
[[Catégorie:Actinide]]
[[Catégorie:Déchet radioactif]]
[[Catégorie:Matériau nucléaire]]
[[ar:بلوتونيوم]]
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[[zh:钚]]