Plutonium

Le plutonium est l’élément le plus emblématique de l’ère nucléaire. Synthétisé pour la première fois en 1940, il a été produit en quelques années à l’échelle industrielle pour fabriquer la bombe larguée sur Nagasaki. Il est aussi recyclé dans le combustible de certaines centrales et alimente en électricité les sondes qui explorent le système solaire lointain.

Fiche d’identité

Propriétés

Le plutonium est un métal gris argenté qui se ternit rapidement à l’air, en prenant une teinte jaune puis olive. Sa poudre est pyrophorique : elle s’enflamme spontanément. Sa radioactivité le rend tiède au toucher en quantité suffisante.

C’est l’un des éléments les plus complexes de la chimie et de la métallurgie : il possède six formes cristallines différentes entre la température ambiante et son point de fusion, avec des variations de densité allant jusqu’à 25 %. Il peut exister simultanément sous plusieurs états d’oxydation en solution (de +3 à +7), chacun avec sa couleur. Ses électrons 5f lui confèrent un comportement intermédiaire entre métaux localisés et itinérants (voir actinides).

Isotopes

Comment le plutonium est-il produit ?

Dans tout réacteur à uranium, l’uranium 238 absorbe des neutrons et se transforme en uranium 239, qui devient en quelques jours du neptunium 239 puis du plutonium 239 (voir uranium). Une partie de ce plutonium fissionne directement dans le réacteur et contribue à produire l’énergie. Le combustible usé d’un réacteur à eau sous pression contient environ 1 % de plutonium.

Pour les armes, on produit un plutonium riche en isotope 239 en retirant le combustible au bout d’un temps court. Le plutonium civil, issu de combustibles longtemps irradiés, contient davantage de plutonium 240, 241 et 242.

Le plutonium 238, lui, est fabriqué en irradiant du neptunium 237.

Usages

• Combustible MOX : en France, le plutonium séparé lors du retraitement du combustible usé à l’usine de La Hague est mélangé à de l’uranium appauvri sous forme d’oxydes mixtes, à l’usine Melox de Marcoule, puis utilisé dans une partie des réacteurs. Le MOX permet de recycler le plutonium et d’économiser de l’uranium.
• Réacteurs à neutrons rapides : le plutonium est leur combustible principal ; ils peuvent en produire plus qu’ils n’en consomment.
• Armes nucléaires : la bombe d’essai Trinity, le 16 juillet 1945 au Nouveau-Mexique, et la bombe Fat Man, larguée sur Nagasaki le 9 août 1945, étaient au plutonium. La plupart des armes thermonucléaires modernes utilisent un cœur de plutonium (voir Seconde Guerre mondiale et guerre froide).
• Énergie spatiale : les générateurs thermoélectriques à radio-isotope (RTG) au plutonium 238 convertissent la chaleur de sa désintégration en électricité. Ils alimentent les sondes Voyager 1 et 2, lancées en 1977 et toujours actives, Cassini, New Horizons, et les rovers martiens Curiosity et Perseverance, là où les panneaux solaires seraient insuffisants (voir Mars).
• Médecine (historique) : des stimulateurs cardiaques au plutonium 238 ont été implantés dans les années 1970.

Rôle biologique et toxicité

Le plutonium n’a aucun rôle biologique. Ses isotopes principaux émettent des particules alpha, arrêtées par une feuille de papier ou la peau : le plutonium est peu dangereux à l’extérieur du corps. En revanche, inhalé sous forme de fines particules, il se dépose dans les poumons puis migre vers les os et le foie, où il reste des décennies et augmente fortement le risque de cancer. Ingéré, il est très peu absorbé par l’intestin.

Sa réputation de « substance la plus toxique du monde » est exagérée : sa toxicité chimique est comparable à celle d’autres métaux lourds, et son danger tient surtout à sa radioactivité interne. Sa manipulation se fait en boîtes à gants étanches. Une masse trop importante de plutonium rassemblée peut aussi provoquer un accident de criticité, une réaction en chaîne incontrôlée.

Les essais nucléaires atmosphériques ont dispersé plusieurs tonnes de plutonium dans l’environnement mondial, en traces.

Histoire du nom

Fin 1940, à l’université de Californie à Berkeley, Glenn T. Seaborg, Edwin McMillan, Joseph Kennedy et Arthur Wahl bombardent de l’uranium avec des deutons dans un cyclotron et obtiennent du plutonium 238 ; ils identifient chimiquement le nouvel élément en février 1941. Le plutonium 239 et son caractère fissile sont démontrés dans la foulée. La découverte est gardée secrète pendant la guerre, puis publiée en 1946. Après le neptunium, nommé d’après Neptune, l’élément suivant prend le nom de Pluton, considéré alors comme la planète suivante (voir Pluton). Seaborg choisit le symbole Pu, plutôt que Pl, par plaisanterie. Seaborg et McMillan reçoivent le prix Nobel de chimie en 1951.

Dans le cadre du projet Manhattan, des réacteurs géants sont construits à Hanford, dans l’État de Washington, pour produire du plutonium en quantité ; le site reste l’un des plus contaminés des États-Unis.

Questions fréquentes

Le plutonium existe-t-il dans la nature ?

En traces infimes : il se forme dans les minerais d’uranium par capture de neutrons, et il s’en est formé dans les réacteurs naturels d’Oklo, au Gabon. Presque tout le plutonium existant a été fabriqué par l’homme.

Pourquoi les sondes spatiales utilisent-elles du plutonium ?

Loin du Soleil, ou sur Mars pendant les tempêtes de poussière, les panneaux solaires sont peu efficaces. La chaleur du plutonium 238 fournit de l’électricité pendant des décennies sans entretien.

Le plutonium est-il dans les centrales françaises ?

Oui : tout réacteur à uranium en produit, et une partie des réacteurs français utilisent du combustible MOX contenant du plutonium recyclé.