Plutonium

Le plutonium est l'élément chimique de symbole Pu et de numéro atomique 94. C'est un métal radioactif transuranien de la famille des actinides. Il se présente sous la forme d'un solide cristallisé dont les surfaces fraîches sont gris argenté mais se couvrent en quelques minutes, en présence d'humidité, d'une couche terne de couleur grise, tirant parfois sur le vert olive, constituée d'oxydes et d'hydrures ; l'accroissement de volume qui en résulte peut atteindre 70 % d'un bloc de plutonium pur, et la substance ainsi formée tend à se désagréger en une poudre pyrophorique.

Le plutonium a été produit et isolé pour la première fois le  à l'université de Californie à Berkeley en bombardant de l' par du deutérium. Venant à la suite de l'uranium et du neptunium dans le tableau périodique, ce nouvel élément chimique a été nommé en référence à Pluton, qui vient à la suite des planètes Uranus et Neptune dans le Système solaire. C'est un élément synthétique, produit artificiellement par l'homme, mais on rapporte également l'observation de traces de plutonium naturel dans des minerais d'uranium. Il s'agit d'un métal lourd radiotoxique qui tend à s'accumuler dans les os et, dans une moindre mesure, dans le foie. On observe couramment quatre états d'oxydation du plutonium, de +3 à +6 (l'état +7 est rare), avec des colorations distinctes. La structure électronique du métal pur est déterminée par la bande 5f, qui présente la plus grande densité d'états au niveau de Fermi ; particulièrement étroite, la bande 5f tend à localiser les électrons qui s'y trouvent, de sorte que le plutonium pur à température ambiante est semblable aux matériaux à fermions lourds, avec une capacité thermique et une résistivité électrique élevées.

On connaît pas moins de six allotropes du plutonium à pression atmosphérique, et un septième au-delà de . Ils ont des propriétés bien tranchées et souvent inhabituelles pour un métal. Ainsi, le plutonium , stable à température ambiante, est l'un des très rares métaux à cristalliser dans le système monoclinique ; ses propriétés physiques et structurelles relèvent davantage des minéraux que des métaux usuels, tandis que ses propriétés mécaniques rappellent celles de la fonte. Le plutonium , stable à température plus élevée ou avec une faible fraction molaire de gallium, cristallise en revanche dans une maille cubique à faces centrées, avec une masse volumique inférieure de près de 20 % à celle du plutonium  ; il est davantage métallique, avec des propriétés mécaniques semblables à l'aluminium, mais un coefficient de dilatation thermique négatif (il se contracte en chauffant). Le plutonium est également l'un des rares éléments chimiques dont le liquide est plus dense que le solide au point de fusion. L'existence de multiples allotropes aux énergies internes voisines rend la mise en forme du plutonium particulièrement délicate, au point qu'on utilise plutôt un alliage plutonium-gallium, qui stabilise la phase  à température ambiante, ce qui facilite l'usinage des pièces en plutonium.

Le plutonium 239 et le plutonium 241 sont des isotopes fissiles par neutrons thermiques, ce qui signifie qu'ils peuvent contribuer à une réaction nucléaire en chaîne et qu'ils peuvent être utilisés dans la conception d'armes nucléaires et de réacteurs nucléaires. Le  présente un taux de fission spontanée très élevé qui impose d'en maintenir un taux inférieur à 7 % dans le plutonium de qualité militaire. Le  a une demi-vie de  et émet des particules α ; c'est une source de chaleur souvent utilisée par les générateurs thermoélectriques à radioisotopes pour alimenter certaines sondes spatiales en électricité. La séparation des isotopes du plutonium est difficile et ils sont généralement produits spécifiquement par des réacteurs spécialisés. La production de plutonium en quantité suffisante a été l'un des objectifs du projet Manhattan au cours de la Seconde Guerre mondiale afin de développer les premières bombes nucléaires. La première explosion atomique, l'essai Trinity, a utilisé une charge en plutonium, de même que , la bombe atomique larguée sur Nagasaki ; la bombe  larguée trois jours plus tôt sur Hiroshima avait quant à elle un cœur en uranium enrichi.

Propriétés

Physique 

Le plutonium est un métal de la famille des actinides présentant, comme la plupart des autres métaux, un aspect argenté brillant comme le nickel. Cependant, au contact de l'air, il se recouvre rapidement d'une couche terne grisâtre, avec des couleurs pouvant tirer sur le jaune ou le vert olive, cette dernière teinte provenant du dioxyde de plutonium .

Comme le neptunium et l'uranium — et, dans une moindre mesure, le protactinium — la structure électronique du plutonium aux conditions normales de température et de pression est déterminée par les orbitales 5f, qui contribuent de manière prépondérante aux liaisons interatomiques. Les distances entre atomes s'en trouvent réduites dans ces matériaux, qui présentent de ce fait une masse volumique particulièrement élevée : celle du plutonium vaut , plus du double de celle de l'einsteinium (), qui a pourtant une masse atomique supérieure. Or les distances interatomiques dans un cristal influencent la largeur des bandes électroniques : plus ces distances sont petites, plus les bandes sont étroites. La bande 5f étant mathématiquement moins large que les bandes 6d et 7s, elle devient ici suffisamment étroite pour tendre à localiser les électrons dans le cristal, dont les propriétés métalliques sont par conséquent fortement dégradées. De là provient toute la complexité du plutonium : compte tenu de la structure de bandes très particulière du matériau, où les bandes 5f et 6d ont des niveaux d'énergie très voisins, les électrons 5f du plutonium sont à la limite entre état localisé et état délocalisé dans le cristal, de sorte qu'une légère variation d'énergie interne suffit pour passer de l'un à l'autre, ce qui se traduit par des modifications brutales des propriétés macroscopiques du matériau.

Conséquence de l'influence des électrons 5f, les cristaux des actinides légers sont moins symétriques que ceux des métaux usuels, car les orbitales 5f sont très directionnelles, et contraignent la géométrie des cristaux. Le protactinium cristallise dans le système quadratique, moins symétrique que ceux des métaux usuels, tandis que l'uranium et le neptunium cristallisent dans le système orthorhombique, encore moins symétrique, et que le plutonium cristallise dans le système monoclinique, le moins symétrique de tous. Il s'ensuit que le plutonium à l'état standard est peu ductile, peu malléable, peu plastique, et est au contraire plutôt dur et fragile ; on compare souvent ses propriétés mécaniques à celles de la fonte grise.

Autre conséquence de l'influence des électrons 5f, le plutonium à l'état standard présente une faible conductivité électrique et une faible conductivité thermique, mais une capacité thermique élevée, ce qui l'apparente aux matériaux à fermions lourds. De plus, sa conductivité électrique tend à décroître lorsqu'on refroidit le matériau, ce qui est à l'opposé du comportement habituel des métaux. La tendance s'observe jusqu'à , puis s'inverse pour le plutonium frais ; la résistivité croît cependant avec le temps en raison des dommages au réseau cristallin dus à la radioactivité.

D'une manière générale, la radioactivité désorganise la structure cristalline du plutonium par accumulation de défauts cristallins. Cependant, l'auto-irradiation peut également chauffer suffisamment le matériau pour conduire à un recuit, ce qui contrebalance l'effet précédent pour des températures supérieures à .

Isotopes 

On connaît une vingtaine d'isotopes du plutonium. Le  présente la demi-vie la plus longue, avec  d'années, suivi par le , avec , et le , avec . Tous les autres isotopes du plutonium ont une demi-vie inférieure à . Le plutonium présente également huit isomères nucléaires, dont la demi-vie est toujours inférieure à une seconde.

Les isotopes connus du plutonium ont une masse atomique allant de 228 à 247. Le mode de désintégration privilégié des isotopes plus légers que le  est la fission spontanée et la désintégration α, qui produit essentiellement du neptunium et de l'uranium, ainsi qu'une grande variété de produits de fission. Le mode de désintégration privilégié des isotopes plus lourds que le  est la désintégration β, qui produit essentiellement de l'américium. Le  est l'isotope parent de la série de désintégration du neptunium, qui donne de l' par désintégration β.

Le  est, avec l' et l', l'un des trois principaux isotopes fissiles utilisés par l'industrie nucléaire ou à des fins militaires. Le  est également fortement fissile, c'est-à-dire qu'il peut fissionner sous l'impact d'un neutron thermique en libérant suffisamment d'autres neutrons pour permettre la fission d'autres atomes et entretenir ainsi une réaction en chaîne ; il est cependant bien plus radioactif que le , et produit, par désintégration β, de l', un fort émetteur de particules α indésirables dans les applications habituelles du plutonium. Soumis à des neutrons thermiques, les isotopes Pu et Pu ont une probabilité d'environ ⁄ de fissionner et d'environ ⁄ de donner du Pu et du Pu respectivement, de sorte que le taux de Pu dans le plutonium résiduel après une réaction nucléaire est supérieur à celui du plutonium initial.

Sensiblement moins radioactif que la plupart des autres isotopes, le  pur présente cependant un facteur de multiplication k supérieur à 1, ce qui signifie que ce matériau peut atteindre la masse critique pour peu qu'une quantité suffisante de matière soit rassemblée dans le volume approprié. Au cours de la fission d'un atome, une fraction de l'énergie de liaison nucléaire, qui assure la cohésion du noyau atomique, est libérée sous forme d'énergie électromagnétique et d'énergie cinétique, cette dernière étant rapidement convertie en énergie thermique. La fission d'un kilogramme de  peut produire une explosion équivalente à  de TNT (). C'est cette énergie qui est utilisée par les réacteurs nucléaires et les armes nucléaires.

La présence de  dans une masse de  limite l'intérêt militaire de celui-ci car cet isotope présente un taux de fission spontanée supérieur de plus de quatre ordres de grandeur à celui du  — environ , soit plus de  — ce qui dégrade les performances explosives du matériau et accroît les risques d'explosion incontrôlée. Le plutonium est dit de qualité militaire () lorsqu'il contient moins de 7 % de , et de qualité combustible () lorsqu'il en contient moins de 19 %. Le plutonium haute qualité (), contenant moins de 4 % de , est utilisé, en raison de sa plus faible radioactivité, pour les armes nucléaires devant être conservées à proximité immédiate des équipages, dans les sous-marins nucléaires lanceurs d'engins et les divers types de navires de guerre par exemple. Le  n'est pas fissile mais peut facilement être fissionné sous l'effet de neutrons rapides ainsi que d'une radioactivité α.

Les deux principaux isotopes synthétisés sont le  et le . Le  est produit par capture neutronique puis désintégration β à partir d' :
 +  ⟶     .

Les neutrons issus de la fission de l' sont absorbés par les noyaux d' pour former de l' ; une désintégration β convertit alors un neutron en proton pour former du , converti par une seconde désintégration β en .

Le  est produit par bombardement d' avec des ions de deutérium :
{|
 |  +  ⟶ ||  + 2 
 |- 
 | ||   
 |}

Radioactivité 

Hormis le , qui présente un fort taux de fission spontanée, et le , qui se désintègre par radioactivité β, la désintégration spontanée des principaux isotopes du plutonium se fait essentiellement par radioactivité α, c'est-à-dire par émission de particules α (He) qui se recombinent avec des électrons du métal pour former de l'hélium, tandis que le plutonium est transmuté en uranium. Ainsi, un cœur typique d'arme nucléaire de  contient  donnant une activité de  (désintégrations par seconde) émettant des particules α, ce qui correspond globalement à une puissance de  .

{| class="wikitable" style="text-align:right;"
|+ Modes de désintégration principaux d'isotopes du plutonium
|-
! Isotope
! Période
radioactive
! Activitémassique
! Mode dedésintégration
! Nucléidefils
! Rapport debranchement
! Énergie dedésintégration
|-
! rowspan="2" | Pu
| rowspan="2" | 
| rowspan="2" | 
| rowspan="2" | Radioactivité α
| rowspan="2" style="text-align:center;" | U
| 71,04 %
| 
|-
| 28,84 %
| 
|-
! rowspan="3" | Pu
| rowspan="3" | 
| rowspan="3" | 
| rowspan="3" | Radioactivité α
| rowspan="3" style="text-align:center;" | U
| 73,30 %
| 
|-
| 15,10 %
| 
|-
| 11,45 %
| 
|-
! rowspan="2" | Pu
| rowspan="2" | 
| rowspan="2" | 
| rowspan="2" | Radioactivité α
| rowspan="2" style="text-align:center;" | U
| 72,90 %
| 
|-
| 27,00 %
| 
|-
! Pu
| 
| 
| Radioactivité β
| style="text-align:center;" | Am
| 99,99 %
| 
|}

Les radioisotopes du plutonium libèrent une chaleur de désintégration variable selon les isotopes considérés. Cette grandeur est généralement donnée en watts par kilogramme ou en milliwatts par gramme. Elle peut atteindre des valeurs significatives dans les pièces en plutonium de grande taille (par exemple, dans les têtes nucléaires). Tous les isotopes du plutonium libèrent également de faibles rayons .

{| class="wikitable" style="text-align:right;"
|+ Chaleur de désintégration d'isotopes du plutonium
! style="width:7em;" | Isotope
! style="width:10em;" | Chaleur de désintégration
! style="width:10em;" | Fission spontanée (neutrons)
! style="width:26em;" | Remarques
|-
! Pu
| style="text-align:center" | 
| 
| style="text-align:left;" | Chaleur de désintégration très élevée mise à profit dans les générateurs thermoélectriques à radioisotope
|-
! Pu
| style="text-align:center" | 
| 
| style="text-align:left;" | Principal isotope fissile du plutonium.
|-
! Pu
| style="text-align:center" | 
| 
| style="text-align:left;" | Principale impureté du . La qualité d'un plutonium est généralement exprimée en pourcentage de Pu. Son taux de fission spontanée est défavorable aux applications militaires.
|-
! Pu
| style="text-align:center" | 
| 
| style="text-align:left;" | Se désintègre en . Son accumulation présente un risque d'irradiation par les pièces de plutonium anciennes.
|-
! Pu
| style="text-align:center" | 
| 
|
|}

Allotropes 

Il existe six allotropes du plutonium à pression atmosphérique, et un septième au-delà de . Ces allotropes ont une énergie interne qui varie peu tandis que leurs propriétés physiques varient de façon spectaculaire. La masse volumique du plutonium pur à pression atmosphérique vaut ainsi  pour le  à température ambiante, mais seulement  pour le plutonium  à , soit une densité 20 % plus faible, correspondant à un allongement linéaire de plus de 7,6 %. Le plutonium peut ainsi réagir violemment à des changements de pression, de température ou d'environnement chimique, et les transitions de phase peuvent s'accompagner de changements de volume significatifs et brutaux.

{| class="wikitable" style="text-align:center"
|+ Phases du plutonium à pression atmosphérique
|-
! Phase
! Système cristallin
! Température detransition de phase
! Masse volumique
|-
| 
| style="text-align:left" | Monoclinique simple
| —
| 
|-
| 
| style="text-align:left" | Monoclinique à bases centrées
| 
| 
|-
| 
| style="text-align:left" | Orthorhombique à faces centrées
| 
| 
|-
| 
| style="text-align:left" | Cubique à faces centrées
| 
| 
|-
| ’
| style="text-align:left" | Quadratique centré
| 
| 
|-
| 
| style="text-align:left" | Cubique centré
| 
| 
|-
| colspan="2" | Liquide
| ~
| 
|}

L'existence d'allotropes aussi différents pour des énergies internes aussi voisines rend la mise en forme du plutonium pur particulièrement délicate. Son état standard, la phase , est monoclinique, faisant du plutonium pur à température ambiante un matériau dur et cassant comme la fonte grise, qui se prête fort peu à l'usinage et est susceptible de connaître de brusques variations de géométrie sous l'effet d'échauffements modérés. En revanche, la phase  est cubique à faces centrées, comme de nombreux métaux usuels tels que l'aluminium et le nickel, et présente des propriétés mécaniques semblables à celles de l'aluminium. Stable de  pour le plutonium pur, la phase  peut être stabilisée jusqu'à température ambiante moyennant l'adjonction d'une petite quantité de gallium, d'aluminium, d'américium, de scandium ou de cérium, qui permet d'usiner et de souder des pièces en plutonium. L'alliage plutonium-gallium est fréquemment utilisé à cet effet, car il permet de s'affranchir des transitions de phases non désirées entraînant des distorsions dues à des gonflements ou des contractions localisés dans la pièce. Le silicium, l'indium, le zinc et le zirconium permettent la formation d'une phase  métastable par refroidissement rapide. L'adjonction de grandes quantités d'hafnium, d'holmium et de thallium permet également de préserver la phase  jusqu'à la température ambiante. Le neptunium est le seul élément qui stabilise la phase  monoclinique à température plus élevée.

L'élasticité de la phase  est anisotrope, pouvant varier d'un facteur six à sept selon les directions.

Dans les armes à fission, l'onde de choc qui comprime le noyau (au-delà de quelques dizaines de kilobars) provoque également une transition de la phase  vers la forme , nettement plus dense, ce qui permet d'atteindre plus facilement la criticité.

Alliages 

Les alliages de plutonium peuvent être obtenus en ajoutant un métal à du plutonium fondu. Si le métal ajouté est suffisamment réducteur, le plutonium peut être apporté sous forme d'oxydes ou d'halogénures. L'alliage plutonium-gallium et l'alliage plutonium-aluminium, qui stabilisent la phase  du plutonium à température ambiante, sont obtenus en ajoutant du trifluorure de plutonium  à du gallium ou de l'aluminium fondus, ce qui présente l'avantage d'éviter de manipuler du plutonium métallique, très réactif.
 Plutonium-gallium Pu-Ga — Alliage principal utilisé pour la mise en forme, l'usinage et le soudage de pièces en plutonium en évitant les problèmes structurels posés par les transitions de phases –. Il est utilisé principalement pour la réalisation d'armes nucléaires à implosion.
 Plutonium-aluminium Pu-Al — Alternative à l'alliage plutonium-gallium, mais tend à interagir avec les particules α en émettant des neutrons, ce qui réduit son intérêt pour réaliser des armes nucléaires. Il peut en revanche être utilisé pour réaliser du combustible nucléaire.
 Plutonium-gallium-cobalt  — Supraconducteur non conventionnel présentant une supraconductivité en dessous de , un ordre de grandeur au-dessus du plus élevé des systèmes à fermions lourds, et avec un courant critique élevé.
 Plutonium-cérium Pu-Ce et plutonium-cérium-cobalt Pu-Ce-Co — Peuvent être utilisés comme combustibles nucléaires.
 Uranium-plutonium U-Pu — Avec environ 15 à 30 % d'atomes de plutonium, cet alliage peut être utilisé comme combustible nucléaire pour surgénérateurs. Il est pyrophorique et très sensible à la corrosion au point de s'enflammer ou de se désintégrer au contact de l'air, ce qui nécessite de l'allier à d'autres constituants. L'addition d'aluminium, de carbone ou de cuivre n'apporte aucune amélioration notable, tandis que le zirconium et le fer améliorent la résistance à la corrosion, mais ne permettent pas d'éviter la désintégration après plusieurs mois d'exposition à l'air. L'addition de titane ou de zirconium élève le point de fusion de l'alliage.
 Uranium-plutonium-zirconium U-Pu-Zr — Peut être utilisé comme combustible nucléaire, notamment pour surgénérateurs. Le titane et le zirconium accroissent la résistance à la corrosion, réduisent l'inflammabilité et améliorent la ductilité, la résistance, l'usinabilité et les caractéristiques thermiques. L'alliage uranium-plutonium-molybdène U-Pu-Mo présente la meilleure résistance à la corrosion, mais le titane et le zirconium sont préférés au molybdène en raison de meilleures propriétés physiques.
 Thorium-uranium-plutonium Th-U-Pu — Étudié comme possible combustible nucléaire pour surgénérateurs.

Chimie 

Le plutonium pur à température ambiante présente des surfaces argentées qui ternissent en quelques minutes au contact de l'air. Il présente quatre états d'oxydation courants en solution aqueuse, plus un cinquième plus rare :

 Pu(), sous forme d'ion Pu (bleu lavande)
 Pu(), sous forme d'ion Pu (brun jaune)
 Pu(), sous forme d'ion  (rose pâle)
 Pu(), sous forme d'ion  (rose orangé)
 Pu(), sous forme d'ion  (vert ; cet ion heptavalent est rare).

Un complexe avec du plutonium à l'état d'oxydation formel +2, le [K(2.2.2-cryptand)][PuCp″], où , a également été publié.

La couleur des solutions d'ions de plutonium dépend à la fois de l'état d'oxydation et de la nature de l'anion acide. C'est ce dernier qui influence le degré de complexation du plutonium.

Le plutonium métallique est obtenu en faisant réagir du tétrafluorure de plutonium  avec du baryum, du calcium ou du lithium à . Il est attaqué par les acides, l'oxygène et la vapeur d'eau, mais pas par les bases. Il se dissout facilement dans l'acide chlorhydrique HCl, l'acide iodhydrique HI et l'acide perchlorique  concentrés. Le plutonium fondu doit être maintenu sous vide ou sous atmosphère inerte afin d'éviter la réaction avec l'air. À , le plutonium métallique s'enflamme à l'air libre, et explose en présence de tétrachlorométhane .

Le plutonium réagit avec le carbone pour former des carbures de plutonium , ,  et  ; il réagit avec l'azote  pour former un nitrure PuN, et avec le silicium pour former un siliciure  ; il réagit avec les halogènes , où X peut représenter de fluor, le chlore, le brome et l'iode, en donnant des trihalogénures . Avec le fluor, outre le trifluorure de plutonium , on observe également du tétrafluorure de plutonium  ainsi que de l'hexafluorure de plutonium . Il se forme par ailleurs des oxyhalogénures PuOCl, PuOBr et PuOI.

Les creusets utilisés avec du plutonium doivent être en mesure de supporter les propriétés très réductrices de ce métal. Les métaux réfractaires, tels que le tantale et le tungstène, ainsi que les oxydes, borures, carbures, nitrures et siliciures les plus stables, peuvent convenir. La fusion dans un four à arc électrique peut permettre de produire de petits lingots de plutonium métallique sans avoir besoin d'un creuset.

Corrosion 

Le plutonium pur exposé à l'humidité, que ce soit dans l'air ou dans l'argon, se recouvre en quelques minutes d'une couche terne constituée d'un mélange d'oxydes et d'hydrures, qui se désagrège en formant une fine poussière volatile dont l'inhalation peut constituer un risque sanitaire sérieux. C'est la raison pour laquelle le plutonium est manipulé dans des boîtes à gants qui préviennent la dispersion atmosphérique de ces poussières.

Plus précisément, le plutonium exposé à l'air sec se recouvre d'une couche de dioxyde de plutonium  qui assure une passivation remarquable du métal, réduisant la progression de l'oxydation dans le matériau à une valeur aussi faible que . En revanche, la présence d'humidité introduit des hydrures , avec , qui catalysent la corrosion par l'oxygène , tandis que l'humidité en l'absence d'oxygène introduit des oxydes intermédiaires comme le sesquioxyde  qui favorisent la corrosion par l'hydrogène. Enfin, l'humidité en présence d'oxygène conduit à l'oxydation du dioxyde  pour former un oxyde supérieur  sur la couche de dioxyde qui semble favoriser la corrosion du métal dans l'air humide.

Les poudres de plutonium, de ses hydrures et de certains oxydes tels que  sont pyrophoriques, c'est-à-dire qu'elles peuvent prendre feu spontanément au contact de l'air à température ambiante, et sont par conséquent manipulées sous atmosphère sèche inerte d'azote  ou d'argon Ar. Le plutonium massif ne s'enflamme qu'au-dessus de . Le  s'échauffe spontanément et se transforme en dioxyde de plutonium , qui est stable dans l'air sec, mais réagit à chaud avec la vapeur d'eau. Les réactions en jeu seraient ainsi :

3  + Pu ⟶ 2 
2  +  ⟶ 4  .

Le plutonium réagit également avec l'hydrogène  pour former des hydrures , avec  :

2 Pu +   ⟶ 2 .

La valeur de  dépend de la pression partielle d'hydrogène et de la température de réaction. Ces hydrures, qui sont solides cristallisés dans le système cubique à faces centrées, sont rapidement oxydés par l'air, et se dissocient en leurs éléments constituants lorsqu'ils sont chauffés sous vide dynamique, c'est-à-dire avec pompage continu de l'hydrogène libéré.

Sûreté 

Différents types de risques sont à considérer s'agissant de la manipulation du plutonium, qui dépendent étroitement des isotopes en jeu. Les accidents de criticité surviennent lors d'erreurs de manipulation conduisant à la formation d'une masse critique de plutonium et sont susceptibles de provoquer un syndrome d'irradiation aiguë. La radiotoxicité et la reprotoxicité se manifestent à la suite de l'absorption de plutonium dans l'organisme conduisant à l'irradiation des tissus avec des rayonnements ionisants pouvant provoquer des mutations génétiques et induire des cancers.

Les isotopes du plutonium les plus courants sont avant tout des émetteurs α, irradiant des particules α de  qui sont facilement arrêtées par toute substance solide, notamment l'épiderme. Le  émet des , plus pénétrants que les rayons α, mais d'à peine .

D'un point de vue chimique, le plutonium est combustible et pyrophorique, de sorte qu'il présente un risque d'incendie. Sa toxicité chimique, en revanche, n'est pas particulièrement significative.

Criticité 

L'accumulation de plutonium dans un volume approchant de la masse critique est susceptible de conduire au déclenchement d'une réaction nucléaire émettant une quantité létale de neutrons et de . Le risque est d'autant plus grand avec le plutonium que la masse critique du  n'est généralement que le tiers de celle de l'. Ce risque est accru en solution en raison de l'effet modérateur de l'hydrogène de l'eau, qui thermalise les neutrons.

Plusieurs accidents de criticité impliquant du plutonium ont été rapportés au , certains ayant entraîné la mort de personnes touchées. Ce fut par exemple le cas au laboratoire national de Los Alamos le  lors d'une erreur de manipulation de briques en carbure de tungstène utilisées comme réflecteurs de neutrons autour d'une sphère en plutonium de qualité militaire, ce qui causa  plus tard la mort d'Harry Daghlian Jr., alors chercheur du projet Manhattan, à la suite d'un syndrome d'irradiation aiguë consécutif à la dose qu'il a reçue, estimée à . Neuf mois plus tard, Louis Slotin mourut également à Los Alamos d'un accident semblable en manipulant des réflecteurs en béryllium autour de la même sphère en plutonium, appelée . Toujours à Los Alamos, un accident différent est survenu en , coûtant la vie à un laborantin, nommé Cecil Kelley, lors d'une opération de purification du plutonium, à la suite de la formation d'une masse critique dans un récipient de mélange. D'autres accidents de ce type se sont produits à travers le monde, que ce soit aux États-Unis, en Union soviétique, au Japon ou dans d'autres pays.

Radiotoxicité 

Élément synthétique produit spécifiquement pour sa radioactivité, le plutonium est surtout connu pour sa radiotoxicité. Celle-ci résulte de trois types de rayonnements ionisants : les  (), les  (électrons) et les  (photons énergétiques). L'exposition aiguë ou prolongée à ces rayonnements présente des risques pour la santé, susceptibles de se manifester dans le cadre d'un syndrome d'irradiation aiguë, avec mutations génétiques et cancers. Les risques croissent avec la dose absorbée, mesurée en grays (Gy), et plus précisément en fonction de la dose équivalente, mesurée en sieverts (Sv), qui pondère l'impact physiologique des différents types de rayonnements reçus en fonction de leur capacité à causer des dommages dans les tissus irradiés. Cette pondération est introduite par le facteur de dose, mesuré typiquement en microsieverts par becquerel (µSv/Bq) :

{|class="wikitable" style="text-align:center;"
! Isotope
! Plutonium 238
! Plutonium 239
! Plutonium 240
! Plutonium 241
! Plutonium 242
|-
! Activité massique
| ~
| ~
| ~
| ~
| ~
|-
! Facteur de dose
| 
| 
| 
| 
| 
|}

Ainsi, les  traversent tous les tissus et touchent l'ensemble de l'organisme, tandis que les  sont moins pénétrants et que les  ne franchissent pas l'épiderme mais sont bien plus énergétiques (quelques mégaélectron-volts, contre quelques kiloélectron-volts pour les rayons β et ). Ainsi, les  sont dangereuses lorsqu'elles sont émises au sein même des tissus par le plutonium absorbé. Le principal risque est l'inhalation de particules contenant du plutonium, notamment sous forme de dioxyde de plutonium , qui se forme rapidement au contact de l'air et qui tend à se désagréger en fines poussières en présence d'humidité. On a ainsi montré une incidence accrue du cancer du poumon chez des salariés du secteur nucléaire. Le risque de cancer du poumon croît lorsque la dose équivalente de plutonium inhalé atteint . En revanche, l'ingestion ne permet d'absorber que 0,04 % du  ingéré. Les risques concernent également les os, où le plutonium s'accumule, ainsi que le foie, où il est concentré.

Tous les isotopes du plutonium ne présentent pas le même niveau de radiotoxicité. Le plutonium de qualité militaire, constitué à plus de 92 % de , présente ainsi une radiotoxicité plutôt modérée, en raison de son activité massique plus faible que celle du  et surtout du . Le  a une activité un millier de fois plus élevée, émettant des  qui sont plus pénétrants que le , bien qu'un millier de fois moins énergétiques.

{|class="wikitable" style="text-align:center;"
|+ Énergie par mode de désintégration
! Isotope
! Plutonium 238
! Plutonium 239
! Plutonium 240
! Plutonium 241
! Plutonium 242
|-
! Rayonnement α
| 
| 
| 
| < 
| 
|-
! Rayonnement β
| 
| 
| 
| 
| 
|-
! Rayonnement 
| 
| < 
| 
| < 
| 
|}

Le  présente la plus forte radiotoxicité, tandis que le , dont la concentration dans le plutonium croît avec le temps, produit rapidement de l', qui émet des  énergétiques susceptibles d'exposer l'environnement à une irradiation significative.

La dose mortelle par syndrome d'irradiation aiguë constatée sur les expérimentations in vivo est de l'ordre de  en une seule prise, une contamination chronique ayant des effets plus diffus. On estime de ce fait qu'une quantité de l'ordre d'une dizaine de milligrammes provoque le décès d'une personne ayant inhalé en une seule fois des oxydes de plutonium. En effet, les tests effectués sur des babouins et des chiens conduisent à estimer pour l'homme une mortalité de 50 % au bout de  avec , au bout d'un an avec  et  avec .

L'apparition de tumeurs pulmonaires a été mise en évidence chez le chien et le rat après inhalation de composés peu solubles tels que les oxydes de plutonium : la relation dose-effet mise en évidence comporte un seuil d'apparition des tumeurs pour une dose au poumon autour de . Ce seuil d'apparition des tumeurs correspondrait chez l'homme à un dépôt pulmonaire d'environ , soit ) de .

Inflammabilité 

Le plutonium présente un risque d'incendie, particulièrement lorsqu'il est sous forme de poudre finement divisée. En présence d'humidité, il forme à sa surface des hydrures qui sont pyrophoriques et sont susceptibles de prendre feu à température ambiante. Le risque est réel, et s'est matérialisé en 1969 par un important feu de plutonium au laboratoire national de Rocky Flats. L'accroissement de volume résultant de l'oxydation du plutonium peut atteindre 70 % et briser les récipients de confinement. La radioactivité de ce métal combustible constitue un risque supplémentaire.

L'oxyde de magnésium MgO est sans doute la substance la plus efficace pour éteindre un feu de plutonium : il refroidit le métal en agissant comme dissipateur thermique tout en coupant l'alimentation en oxygène de la combustion. Afin de prévenir les risques d'incendie, il est recommandé de manipuler le plutonium sous atmosphère sèche inerte.

Toxicologie 

Le plutonium présente la toxicité d'un métal lourd au même titre que l'uranium, par exemple, mais elle est moins documentée que celle de ce dernier, et les études ne placent pas la toxicité chimique comme risque majeur associé au plutonium. Plusieurs populations exposées à des poussières de plutonium ont été suivies de près afin d'évaluer l'impact sur leur santé de leur contamination au plutonium, comme les personnes résidant à proximité de sites d'expérimentation nucléaires atmosphériques lorsqu'ils étaient autorisés, les personnes travaillant dans des installations nucléaires, les rescapés du bombardement atomique de Nagasaki, voire des patients « en phase terminale » de maladies mortelles à qui a été injecté du plutonium dans les années 1945-1946 pour en observer la métabolisation dans le corps humain. Ces études ne montrent généralement pas de toxicité particulièrement élevée pour le plutonium, avec des exemples de cas célèbres comme celui d'Albert Stevens, cité par , qui vécut jusqu'à un âge avancé après avoir subi des injections de plutonium. Plusieurs dizaines de chercheurs du laboratoire national de Los Alamos ont également inhalé des quantités significatives de poussières de plutonium dans les années 1940 sans développer de cancer du poumon.

Certains discours antinucléaires affirment que « l'ingestion d'un seul millionième de gramme est fatale », ce qui n'est pas étayé par la documentation existante. Les données épidémiologiques des membres du « club des  », c'est-à-dire des  ayant travaillé au laboratoire national de Los Alamos sur du plutonium et en ayant ingéré au point qu'il était suivi dans les urines, montrent par exemple une mortalité et un taux de cancers inférieurs à la moyenne.

L'affirmation selon laquelle « Il suffirait de quelques centaines de grammes de plutonium répandue uniformément sur terre, pour y effacer toute forme de vie humaine » n'est pas non plus conforme aux données disponibles. On estime en effet que la dispersion d'une masse de l'ordre du kilogramme sur une surface de quelques centaines de kilomètres carrés (soit dans un rayon d'environ ) conduit à une contamination inférieure au centième de microgramme par mètre carré, de sorte quelques centaines de grammes répartis uniformément à la surface de la Terre seraient bien en deçà de toute quantité détectable.

Il convient également de distinguer la radiotoxicité du , qui est particulièrement élevée, de celle du  employé par l'armée et l'industrie nucléaire, dont la radioactivité spontanée est sensiblement moindre. Ces deux isotopes sont produits en quantités très différentes, par des circuits distincts et pour des usages qui n'ont aucun rapport : le  est produit à raison de quelques kilogrammes essentiellement comme source d'énergie embarquée pour générateur thermoélectrique à radioisotope, tandis que le  est produit à raison de plusieurs tonnes pour tirer profit de sa nature d'isotope fissile dans des réacteurs nucléaires ou des armes nucléaires.

Toxicodynamique 

Chez l'homme, le plutonium absorbé est transporté par des transferrines et est stocké dans le sang par la ferritine pour finir par s'accumuler essentiellement dans les os, également dans le foie, et, dans une moindre mesure, dans les poumons. Il demeure dans le corps humain avec une demi-vie biologique d'environ . Un moyen courant d'en limiter les effets est d'injecter un complexe d'acide diéthylène-triamine penta-acétique (DTPA, parfois appelé « acide pentétique ») avec du calcium ou du zinc dans les  suivant la contamination, ce qui limite la fixation du plutonium, ainsi que de l'américium et du curium. D'autres chélateurs peuvent également être utilisés, comme l'entérobactine et la déféroxamine, certains avec une meilleure efficacité que le DTPA, comme le 3,4,3-LIHOPO ou la DFO-HOPO (déféroxamine-hydroxypyridinone).

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  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.

Applications

Militaires 

Le  est un isotope fissile clé pour la réalisation d'armes nucléaires en raison de sa relative facilité de mise en œuvre et de sa disponibilité assez élevée. Il est possible de réduire la masse critique nécessaire à l'explosion en entourant le cœur de plutonium par des réflecteurs de neutrons qui ont le double rôle d'augmenter le flux de neutrons thermiques dans le cœur et de retarder l'expansion thermique de ce dernier afin d'y prolonger la réaction en chaîne et d'accroître la puissance de l'explosion nucléaire.

Une masse de  de  sans réflecteur suffit généralement pour atteindre la criticité ; cette masse peut être divisée par deux par une conception optimisée. C'est environ le tiers de la masse critique de l'.

La bombe  larguée sur Nagasaki par les États-Unis le  utilisait une charge de  d'alliage plutonium-gallium Pu-Pu-Ga 96:1:3 autour d'une source de neutrons d'amorçage Be-Po le tout cerné de lentilles explosives comprimant le plutonium pour en accroître significativement la masse volumique et donc la puissance de l'explosion, qui atteignit l'équivalent de  de TNT. Il est en théorie possible de réduire la masse de plutonium nécessaire dans une arme nucléaire pour atteindre la criticité à moins de  moyennant une conception suffisamment élaborée.

Civiles 

Le combustible nucléaire usagé provenant de réacteurs à eau légère conventionnels contient un mélange d'isotopes Pu, Pu, Pu et Pu. Ce mélange n'est pas suffisamment enrichi en  pour permettre la réalisation d'armes nucléaires mais peut être recyclé en combustible MOX. Les captures neutroniques accidentelles au cours de la réaction nucléaire accroissent la quantité de  et de  chaque fois que le plutonium est irradié dans un réacteur à neutrons thermiques de sorte que, à l'issue d'un premier cycle, le plutonium ne peut plus être utilisé que par des réacteurs à neutrons rapides. Si de tels réacteurs ne sont pas disponibles, ce qui est généralement le cas, le plutonium en excès est généralement éliminé en formant des déchets radioactifs à vie longue. La volonté de réduire la quantité de tels déchets et de les valoriser a poussé à réaliser davantage de réacteurs à neutrons rapides.

Le procédé chimique le plus courant, dit , permet le retraitement du combustible nucléaire usé en extrayant le plutonium et l'uranium qu'il contient afin de former un mélange d'oxydes dit , essentiellement du dioxyde d'uranium  et du dioxyde de plutonium , pouvant être utilisé à nouveau dans des réacteurs nucléaires. Du plutonium de qualité militaire peut être ajouté à ce mélange pour en accroître les performances énergétiques. Le MOX peut être utilisé dans les réacteurs à eau légère et contient environ  par tonne de combustible ; après quatre années d'utilisation, les trois quarts du plutonium sont consommés. Les surgénérateurs sont conçus afin d'optimiser l'utilisation des neutrons produits au cours de la réaction nucléaire en les utilisant pour produire, à partir d'atomes fertiles, davantage de matériau fissile qu'ils en consomment.

Le MOX est utilisé depuis les années 1980, notamment en Europe. Les États-Unis et la Russie ont signé, en ,
l'Accord de gestion et de traitement du plutonium () par lequel ils entendent éliminer  de plutonium de qualité militaire ; le DOE américain prévoit d'avoir recyclé cette masse de plutonium en MOX avant la fin de l'année 2019.

Le MOX accroît le rendement énergétique total. Une barre de combustible nucléaire est retraitée après une utilisation de trois ans afin d'en extraire les déchets, qui représentent alors environ 3 % de la masse totale de ces barres. Les isotopes d'uranium et de plutonium produits au cours de ces trois années d'exploitation sont laissés dans la barre de combustible, qui retourne dans un réacteur pour y être utilisé. La présence de gallium jusqu'à hauteur de 1 % pondéral dans le plutonium de qualité militaire peut interférer avec l'utilisation à long terme de ce matériau dans un réacteur à eau légère.

Les plus grandes installations déclarées de recyclage du plutonium sont les unités  et  de Sellafield, au Royaume-Uni ; l'usine de retraitement de la Hague, en France ; l'usine nucléaire de Rokkasho, au Japon ; et le complexe nucléaire Maïak en Russie ; il existe d'autres sites déclarés plus modestes, par exemple en Inde et au Pakistan.

Spatiales 

Le  a une demi-vie de . Il émet une grande quantité d'énergie thermique accompagnée de faibles flux de neutrons et de photons d'énergie gamma. Un kilogramme de cet isotope peut dégager une puissance thermique d'environ . Il émet principalement des particules α d'énergie élevée mais qui sont faiblement pénétrantes, de sorte qu'il ne nécessite qu'un blindage léger. Une feuille de papier suffit pour arrêter des rayons α.

Ces caractéristiques font de cet isotope du plutonium une source thermique particulièrement intéressante pour les applications embarquées devant fonctionner sans possibilité de maintenance directe pendant la durée d'une vie humaine. Il a par conséquent été utilisé comme source de chaleur dans les générateurs thermiques à radioisotope () et éléments chauffants à radioisotope () comme ceux des sondes Cassini-Huygens, Voyager, Galileo et New Horizons, ainsi que le rover Curiosity de Mars Science Laboratory.

Les sondes jumelles Voyager ont été lancées en 1977, chacune avec une source en plutonium libérant une puissance de . Plus de  plus tard, ces sources d'énergie libéraient encore une puissance de  permettant un fonctionnement limité des sondes. Une version plus ancienne de cette technologie alimentait les cinq Apollo Lunar Surface Experiments Packages à partir d'Apollo 12 en 1969.

Le plutonium 238 a également été utilisé avec succès pour alimenter des stimulateurs cardiaques afin d'éviter les interventions chirurgicales répétées pour remplacer la source d'énergie. Le  a depuis été largement remplacé dans cet usage par les piles au lithium, mais il restait encore en 2003 entre 50 et 100 patients aux États-Unis équipés de stimulateurs cardiaques alimentés au .

Sécurité 

Le plutonium étant susceptible d'être utilisé à des fins militaires ou terroristes, il fait l'objet de nombreux textes et conventions internationaux visant à en prévenir la prolifération. Le plutonium recyclé à partir de combustible nucléaire usé présente un risque de prolifération limité en raison de sa contamination élevée en isotopes non fissiles tels que le  et le , dont l'élimination n'est pas réalisable.

Un réacteur opérant avec un taux de combustion très faible produit peu de ces isotopes indésirables et laisse donc un matériau nucléaire potentiellement utilisable à des fins militaires. Le plutonium de qualité militaire est censé être constitué au moins de 92 % de , mais il est techniquement possible de faire exploser une bombe nucléaire de faible puissance à partir de plutonium ne contenant que 85 % de . Le plutonium produit par un réacteur à eau légère avec un taux de combustion normal contient généralement moins de 60 % de , 10 % de  fissile et jusqu'à 30 % d'isotopes indésirables  et . On ignore s'il est possible de faire exploser un engin nucléaire constitué d'un tel matériau, cependant un tel engin pourrait probablement répandre de la matière radioactive sur une surface étendue.

L'Agence internationale de l'énergie atomique classifie ainsi tous les isotopes du plutonium, qu'ils soient fissiles ou non, comme matériau directement utilisable à des fins nucléaires, c'est-à-dire comme matériau nucléaire qui peut être utilisé pour la fabrication d'explosifs nucléaires sans transmutation ni enrichissement supplémentaire. En France, le plutonium est une matière nucléaire dont la détention est réglementée par le chapitre  du code de la Défense.

Origine 

Le plutonium est un élément chimique qui est des plus rares dans la nature et presque exclusivement produit par l'homme de 1940 à nos jours. Cependant, de  de  seraient produits chaque année sur Terre par radioactivité α de l'uranium sur des éléments plus légers ainsi que sous l'effet des rayons cosmiques. C'est le deuxième des transuraniens à avoir été découvert.

L'isotope Pu a été produit en 1940 en bombardant une cible d'uranium par du deutérium au cyclotron de Berkeley. 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, la masse atomique de l'isotope utilisé pour la bombe, le Pu.

Il n'y a plus de plutonium en quantités détectables remontant à une nucléosynthèse primordiale. Des publications anciennes font toutefois état d'observations de  naturel. On trouve par ailleurs des traces de  dans les minerais d'uranium naturel (de même que du neptunium), où il résulte de l'irradiation de l'uranium par le très faible taux de neutrons créés par la désintégration spontanée de l'uranium.

Il a été produit plus massivement (et existe encore en quantités infimes) sous forme de Pu dans des structures géologiques particulières, où de l'uranium a été naturellement concentré par des processus géologiques il y a environ  d'années, pour atteindre une criticité suffisante pour engendrer une réaction nucléaire naturelle. Son taux de formation dans le minerai d'uranium a ainsi été accéléré par des réactions nucléaires rendues possibles par un accident de criticité naturel. C'est le cas sur le site du réacteur nucléaire naturel d'Oklo.

Production

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  dans 16 % des cas. Il forme alors un atome U, relativement stable (demi-vie de  d'années).
 Une deuxième capture neutronique le transforme en U (pour mémoire, des noyaux U peuvent également subir une réaction  qui les transforme en U par perte d'un neutron). L' est instable avec une demi-vie de , et se transforme par émission β en , relativement stable (demi-vie de  d'années).
 Une troisième capture neutronique transforme le noyau en , instable de demi-vie , qui se transforme en  par .

Le plutonium 238, d'une demi-vie de , est un émetteur très puissant de . En raison de son activité massique α et  élevée, il est utilisé comme source de neutrons (par «  » avec des éléments légers), comme source de chaleur et comme source d'énergie électrique (générateurs thermoélectriques à radiositopes). Les utilisations du Pu 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 , 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  des cibles, on les soumet à un traitement chimique, comportant une dissolution nitrique.

Il n'y a qu'environ  de neptunium 237 dans le combustible des réacteurs à eau ordinaire irradié pendant , et il faut l'extraire sélectivement.

Plutonium 239 

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.
 +  ⟶ .

L'uranium 239 formé est fortement instable. Il se transforme rapidement (avec une demi-vie de ) en neptunium par radioactivité  :
 ⟶  + e + .

Le neptunium 239 est également instable, et subit à son tour une décroissance β (avec une demi-vie de ) qui le transforme en plutonium 239 relativement stable (demi-vie de  ).
 ⟶  + e + .

Le plutonium 239 est fissile, et il peut donc contribuer à la réaction en chaine du réacteur. De ce fait, pour le bilan énergétique d'un réacteur nucléaire, le potentiel énergétique de l'uranium présent dans le réacteur comprend non seulement celui de l' initialement présent, mais également celui de l'uranium 238 fertile qui aura été transmuté en plutonium.

Soumis à un flux neutronique en réacteur, le plutonium 239 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 de cette manière, en raison de l'absorption de neutrons par le  et ses produits. Il se forme ainsi des isotopes Pu, Pu, Pu, jusqu'au Pu instable qui se désintègre en .

L'isotope intéressant par son caractère fissile est le Pu, relativement stable à échelle humaine ().

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 se forme donc linéairement en fonction du temps, la proportion de Pu augmente suivant une loi au carré du temps (en t), celle de Pu suivant une loi au cube du temps (en t), 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  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 ).

En première approximation, un réacteur produit typiquement  de Pu pour chaque fission de U, 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  de plutonium.

Plutonium 240 

Le 240Pu est simplement fertile et présente une radioactivité « seulement » quatre fois plus élevée que le 239Pu (avec une demi-vie de ).

Plutonium 241 

Le 241Pu est également fissile, mais extrêmement radioactif (demi-vie de ). 
En outre il se désintègre en produisant de l'américium 241 neutrophage, qui réduit par son accumulation éventuelle l'efficacité des dispositifs nucléaires militaires ou civils.

Plutonium 242 

Le 242Pu a une durée de vie beaucoup plus longue que les précédents (). Il n'est pas fissile en neutrons thermiques. Sa section efficace est beaucoup plus faible que celle des autres isotopes ; le recyclage successif du plutonium en réacteur tend donc à accumuler le plutonium sous cette forme très peu fertile.

Plutonium 243 

Le 243Pu est instable (demi-vie de moins de 5 heures) et se désintègre en américium 243.

Plutonium 244 

Le plutonium 244, l'isotope le plus stable d'une demi-vie de  d'années, ne se forme pas dans les réacteurs nucléaires. En effet, les captures neutroniques successives partant de l'uranium 239 conduisent au Pu, de très faible demi-vie (de l'ordre de cinq heures). Même dans des réacteurs « à haut flux », le Pu se transforme rapidement en Am, sans avoir le temps de capturer un neutron supplémentaire pour former le Pu.

En revanche, des flux neutroniques plus importants  permettent cette formation. Il est synthétisé lors des explosions nucléaires ou par nucléosynthèse stellaire lors de l'explosion d'une supernova. Ainsi, en 1952, l'explosion de la première bombe thermonucléaire américaine (test Ivy Mike) a ainsi produit deux radioisotopes alors encore inconnus : le plutonium 244 (Pu) et le plutonium 246 (Pu). Les traces de Pu dans l'environnement sont généralement attribuées aux essais nucléaires atmosphériques ainsi qu'à des reliquats de Pu primordial.

Stocks mondiaux 

Après près de  d'une production mondiale toujours croissante, les stocks déclarés de plutonium atteignent un total de  à la fin de l'année 2013, dont 52 % d'origine civile et 48 % militaire. Les stocks déclarés sont essentiellement répartis entre 5 pays : 
 Russie :  soit 35,6 %
 Royaume-Uni :  soit 21,4 %
 États-Unis :  soit 17,7 %
 France :  soit 13,2 %
 Japon :  soit 9,4 %
 Reste du monde :  soit 3 %

Notes

Notes et références

Voir aussi

Bibliographie 

 
 Sandrine Matton ; Mesures in vitro et in vivo des paramètres de dissolution des oxydes mixtes d'uranium et de plutonium en milieu biologique (In vitro and in vivo measurements of dissolution parameters of mixed uranium and plutonium oxides in biological medium) ; Thèse de Sandrine Matton (sous la direction de Michel Genet), soutenue à l'université de Paris 11 Orsay (Inist CNRS)
 IEER, Énergie & Sécurité  Sommaire : L'utilisation du plutonium militaire comme combustible de réacteur ; Les effets du plutonium sur la santé ; Le MOX en France et en Belgique ; Situation et perspective pour la production du combustible MOX en Russie ; La transmutation n'est pas une alternative à l'enfouissement ; La transformation du plutonium avec le temps], Énergie & Sécurité , 1997 (scan PDF)

Articles connexes 

 Contrôle des matières nucléaires
 Énergie nucléaire
 Radioactivité
 Procédé Purex

Liens externes 
 
 , avec en sous-pages les données connues pour chaque isotope
  Les expérimentations humaines sur le plutonium aux États-Unis (Los Alamos Science, 23, 1995)
  Plutonium, par le "World Nuclear Association"
 , rapport à l'Académie des sciences par Robert Dautray - Paris -  - Éditions Tec & Doc Lavoisier.
 Plutonium, Mythes et Réalités - Janvier 2010 - EDP Sciences.

 
Déchet radioactif