PLUTONIUM

Élément chimique artificiel de numéro atomique 94, le plutonium a pour symbole chimique Pu. Par analogie avec les éléments uranium et neptunium le précédant immédiatement dans la classification périodique, il doit son nom à la planète Pluton découverte après Uranus et Neptune.

Le plutonium fut découvert en 1940 à l'université de Californie par une équipe dirigée par Glenn T. Seaborg. La réaction nucléaire de synthèse mettait en jeu le bombardement d'une cible d'oxyde d'uranium par des deutons de 16 MeV accélérés dans un cyclotron. La réaction nucléaire conduit à l'isotope de masse 238 du neptunium, émetteur β^— dont la demi-vie radioactive est de 2,117 j. Le plutonium 238 obtenu par les réactions ci-dessous est caractérisé par une radioactivité α d'une demi-vie de 87,7 ans :

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De nombreux isotopes furent ensuite synthétisés, en particulier l'isotope 239. En 1941, la démonstration du caractère fissile de celui-ci lors de l'irradiation par des neutrons lents inaugurait le début d'une production à grande échelle, d'une part à des fins militaires (qui devait aboutir en 1945 à l'explosion nucléaire de Nagasaki), d'autre part à des fins civiles, comme combustible dans les réacteurs nucléaires.

Plutonium : principaux isotopes - crédits : Encyclopædia Universalis France — Plutonium : principaux isotopes
Encyclopædia Universalis France

Le tableau résume les caractéristiques nucléaires des principaux isotopes (20 sont répertoriés actuellement). En plus des modes de désintégration indiqués, ces isotopes se fissionnent spontanément avec des périodes voisines de 10¹⁰ ans pour ceux dont la masse est paire et de plus de 10¹⁵ ans pour le ²³⁹Pu.

Production

Deux isotopes, le plutonium 239 et le plutonium 238, ont reçu des applications justifiant une production importante pour le premier, beaucoup plus limitée pour le second. Ces productions, effectuées dans le cadre de programmes nationaux souvent couverts par le secret militaire, ne peuvent être évaluées avec précision.

Plutonium 239

Le plutonium 239 se forme dans les réacteurs nucléaires alimentés à l' uranium. La capture radiative d'un neutron par l'uranium 238 conduit à un isotope de masse supérieure, l'uranium 239. Celui-ci, instable, se transmute par émission β^— en neptunium 239 avec une demi-vie de 23,45 minutes. Ce dernier isotope est également émetteur β^— (sa demi-vie est de 2,356 j) ; il donne naissance au plutonium 239, émetteur α d'une demi-vie de 24 110 ans.

Au cours du fonctionnement du réacteur, il s'opère donc une transmutation de ²³⁸U en ²³⁹Pu qui s'accumule dans le combustible. Du fait de ses caractéristiques nucléaires, une partie du plutonium 239 subit la fission par les neutrons et une autre partie donne naissance par capture neutronique aux isotopes supérieurs 240, 241 et 242 selon les réactions nucléaires suivantes :

La proportion relative des isotopes du plutonium dans le combustible varie avec l'enrichissement de l'uranium, les conditions d'irradiation (en particulier, l'énergie des neutrons) et le taux d'irradiation.

Ainsi, dans le combustible d'un réacteur à eau pressurisée caractérisé par un enrichissement initial de l'uranium de 3,5 p. 100 et un taux d'irradiation de 33 000 MW.j.t^—1, la masse de plutonium est voisine de 1 p. 100 de celle de l'uranium. La composition isotopique de ce plutonium indique la présence de 50 à 60 p. 100 d'isotope 239 et de quantités décroissantes des isotopes suivants jusqu'au plutonium 242. On peut noter également une contribution de 1 à 2 p. 100 de l'isotope 238 formé par réaction nucléaire sur le ²³⁷Np produit pendant l'irradiation.

Dans ce même type de combustible, la masse des produits de fission est voisine de 3,5 p. 100 de la masse d'uranium. Ceux-ci émettent un flux de rayonnements β^— et γ très important. En raison de cette activité considérable, les opérations de traitement[...]

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Écrit par

Daniel CALAIS : chef honoraire de la section de métallurgie du plutonium et des actinides au Commissariat à l'énergie atomique
André CHESNÉ : ingénieur de l'École supérieure de physique et chimie industrielle de la Ville de Paris, assistant de directeur au Commissariat à l'énergie atomique, directeur de laboratoire au Centre de recherche de l'École centrale des arts et manufactures

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