Le plutonium est un élément chimique utilisé comme combustible nucléaire dans la fabrication d’armes nucléaires. Bien que des traces puissent être trouvées dans la nature, tous les isotopes de plutonium sont d’origine artificielle.
La première fois que des quantités importantes de plutonium ont été produites, c'était pendant la Seconde Guerre mondiale, dans le cadre du projet Manhattan. Le but de ce projet était de fabriquer une quantité suffisante de matériau pour utiliser l’énergie nucléaire afin de développer une bombe nucléaire.
À quoi ressemble le plutonium?
Le plutonium est un métal radioactif de couleur gris argenté à l'état pur, bien qu'il s'oxyde rapidement au contact de l'air, acquérant des tons jaunes ou bruns. C'est un élément très dense et lourd, avec une densité proche de 19,8 g/cm³, similaire à celle de l'uranium.
De plus, il possède une structure cristalline complexe et peut exister sous diverses formes allotropiques, ce qui rend son comportement mécanique et thermique inhabituel.
D'un point de vue chimique, le plutonium est très réactif, étant capable de former divers oxydes et hydrures. Il se dissout dans les acides forts et peut générer de la chaleur en raison de sa désintégration radioactive, ce qui en fait un matériau dangereux.
Son isotope le plus connu, le plutonium 239, est utilisé dans les armes et les réacteurs nucléaires comme combustible, car il peut facilement subir une fission nucléaire. En raison de sa radioactivité et de sa toxicité, sa manipulation nécessite des mesures de sécurité strictes.
Comment obtient-on le plutonium ?
Le plutonium est obtenu principalement comme sous-produit de la fission nucléaire dans les réacteurs nucléaires conventionnels.
Lors du fonctionnement du réacteur, l'uranium 238 absorbe des neutrons et est converti en uranium 239, qui à son tour se désintègre en neptunium 239 et enfin en plutonium 239, un isotope fissile essentiel à l'énergie nucléaire et à la production d'armes.
Le combustible irradié des réacteurs nucléaires est composé principalement d’uranium (environ 96 %) et d’une petite fraction de plutonium (moins de 1 %), ainsi que d’autres produits de fission et d’éléments transuraniens. Selon la stratégie de gestion adoptée, ce combustible usé peut être considéré comme un déchet ou être recyclé en vue d’être réutilisé.
Gestion du combustible usé
Il existe deux principales approches pour gérer le plutonium et les autres matières présentes dans le combustible nucléaire usé :
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Cycle ouvert (stockage définitif)
Dans cette approche, le combustible usé est considéré comme un déchet hautement radioactif et est stocké dans des installations sûres à long terme telles que des bassins de refroidissement ou des dépôts géologiques profonds. Aucune tentative n’est faite pour récupérer le plutonium ou l’uranium présents dans le matériau irradié. -
Cycle fermé (retraitement et réutilisation)
Dans le cycle fermé, le combustible usé subit un processus de retraitement mécano-chimique qui permet de séparer le plutonium et l'uranium des produits de fission et d'autres éléments radioactifs. Le plutonium récupéré peut être utilisé pour fabriquer de nouveaux combustibles nucléaires, comme le MOX (un mélange d'oxydes d'uranium et de plutonium), optimisant ainsi l'utilisation des ressources nucléaires et réduisant la quantité de déchets de haute activité.
Cette approche prolonge la durée de vie du combustible nucléaire et réduit le besoin de nouvelles extractions d’uranium, mais pose des défis en termes de coût, de sécurité et de non-prolifération nucléaire.
Où le trouve-t-on dans la nature ?
Le plutonium est un élément extrêmement rare dans la nature en raison de la courte demi-vie de ses isotopes par rapport à l’âge de la Terre. Cependant, des traces ont été trouvées dans des minéraux d’uranium, comme l’uraninite, où l’uranium 238 peut capturer des neutrons et se transformer en plutonium 239 par des réactions nucléaires naturelles.
Un exemple notable de production naturelle de plutonium s’est produit au réacteur d’Oklo au Gabon, où, il y a 2 milliards d’années, les conditions étaient réunies pour que des réactions de fission spontanées se produisent dans les gisements d’uranium.
De plus, de petites quantités de plutonium peuvent être formées par l’interaction des rayons cosmiques avec des éléments lourds présents dans l’atmosphère ou la croûte terrestre.
Cependant, une grande partie du plutonium détecté aujourd’hui dans l’environnement provient d’essais nucléaires menés au XXe siècle, qui ont libéré des isotopes tels que le plutonium 239 et le plutonium 240 dans la biosphère.
Actuellement, le plutonium est principalement obtenu à partir de réacteurs nucléaires, car sa présence dans la nature est négligeable.
L'atome de plutonium dans le tableau périodique
Le plutonium (symbole Pu) est l'élément 93 du tableau périodique, ce qui signifie que son numéro atomique est 94.
C'est un élément chimique qui appartient à la série des actinides. Le plutonium possède 16 isotopes, tous radioactifs. Physiquement, le plutonium est un métal argenté et possède 5 structures cristallines différentes.
Chimiquement, c'est un matériau très actif qui peut former des composés avec tous les éléments non métalliques, à l'exception des gaz nobles. Le métal se dissout dans les acides et réagit avec l'eau, bien que modérément par rapport aux acides.
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Masse atomique |
244 po |
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État ordinaire |
Solide |
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Densité |
19816 kg/m3 |
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Point de fusion |
912,5 K (639 °C) |
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Point d'ébullition |
3 505 K (3 232 °C) |
Plutonium 239 et autres isotopes
Le plutonium 239 est un isotope fissile du plutonium composé de 145 protons et de 54 neutrons. C'est l'isotope principalement utilisé pour la fabrication d'armes nucléaires, mais il est également utilisé comme combustible nucléaire dans les réacteurs de puissance et dans les projets de recherche.
Un autre isotope important est le plutonium 238, qui est utilisé dans les sources de chaleur pour les applications spatiales, les générateurs de chaleur thermoélectriques et a été utilisé dans les stimulateurs cardiaques.
Utilisations et applications du plutonium
Les principales utilisations du plutonium sont les suivantes :
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Combustible nucléaire pour centrales nucléaires.
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Générateurs thermoélectriques à radio-isotopes . Un générateur thermoélectrique est un appareil qui convertit la chaleur en électricité. Cette technologie n’est pas pratique à grande échelle mais est utile dans certaines applications telles que les stimulateurs cardiaques artificiels, les sondes spatiales et les véhicules spatiaux. Le plutonium 238 est utilisé dans cette application car le rayonnement qu’il émet ne présente pas de menace pour la santé humaine.
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Fabrication de bombes atomiques. L'isotope utilisé à cette fin est le plutonium 239. Il est utilisé car il subira une fission nucléaire. Très peu d’isotopes subiront une fission nucléaire.
Gestion du plutonium récupéré des réacteurs nucléaires
Comme le plutonium est généré à l’intérieur du combustible des réacteurs nucléaires, il fissionne également, collaborant avec l’uranium dans la production d’énergie.
Entre 7 et 8 kilogrammes par tonne de plutonium non brûlé restent dans le combustible usé. Ce plutonium, récupéré lors du retraitement, peut être utilisé pour remplacer l'uranium 235 dans le combustible nucléaire en fabriquant des pastilles d'oxyde mixte d'uranium et d'oxyde de plutonium (combustible MOX).
Le combustible MOX peut remplacer le combustible à l’uranium enrichi dans les réacteurs nucléaires à eau légère.
Effets du plutonium sur la santé
Le plutonium est un élément chimique toxique et radioactif. Le principal type de rayonnement qu’il émet est le rayonnement alpha, qui ne peut pas pénétrer la peau.
Le danger du plutonium vient de sa radiotoxicité. Les particules alpha ingérées ou inhalées peuvent provoquer un cancer du poumon ou d’autres types de cancer. En grande quantité, ils peuvent provoquer un empoisonnement aigu aux radiations, voire la mort.
Une fois que le plutonium pénètre dans l’organisme, il y reste longtemps.
La probabilité que des personnes soient exposées au plutonium est très faible. Si cela se produit, cela est généralement dû à la manipulation.