Plutonium
Le plutonium est un métal lourd très dense (deux fois plus lourd que le plomb), radioactif et toxique, de numéro atomique 94, découvert par Glenn T. Seaborg, Edwin M. McMillan, J. W. Kennedy et A. C. Wahl (États-Unis) en 1940. De même que l'uranium 235, c'est une matière fissible, qui est utilisée (pour son isotope 239) dans la fabrication d'armes nucléaires, et la production d'énergie dans certaines centrales nucléaires.

Le plutonium est normalement absent de la biosphère où c'est un élément chimique artificiel presque exclusivement produit de 1940 à nos jours. Mais il a existé et existe encore (en faible quantité) dans des structures géologiques particulières où de l'uranium a été naturellement concentré par des processus géologiques ou géobiologiques (bioconcentration en filons par des bactéries) il y a plus d'un milliard d'années, pour atteindre une criticité suffisante pour engendrer une réaction nucléaire naturelle. (C'est le cas sur le site d'Oklo).
Description

Le plutonium est un métal gris, relativement mou, très lourd (densité : 19,84), solide à température ambiante mais à point de fusion très bas (640°C).

Il est synthétisé lors des explosions nucléaires (En 1952, l'explosion de la bombe thermonucléaire américaine la plus puissante a ainsi produit deux radioéléments alors encore inconnus ; le plutonium-244 (Pu 244) et le plutonium-246 (Pu 246).
Le plutonium est aussi un déchet ou sous-produit de fonctionnement de centrales nucléaires civiles, avec divers actinides.
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 :

   1. capture neutronique de l'uranium 238 pour former de l'uranium 239 ;
   2. décroissance Beta- de l'uranium 239 (1/2 vie: 23 minutes) en neptunium 239 ;
   3. décroissance Beta- du neptunium 239 (1/2 vie: 2,3 jours) en plutonium 239.

Les isotopes les plus lourds du plutonium sont majoritairement formés par capture neutronique du plutonium 239.

Le plutonium est un métal argenté très radioactif (selon la composition isotopique, les isotopes 238 et 241 étant de très loin les plus radioactifs : voir tableau), et très toxique (un milligramme de plutonium peut suffire à induire un cancer). Il réagit avec l'oxygène, la vapeur d'eau et les acides. Il ne réagit pas avec les bases. Il est radiotoxique. Sa période de demi-vie est de 24 000 ans pour l'isotope 239.

Il y a quinze isotopes 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).
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). 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 générateurs thermo-électriques 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 armes nucléaires. Il faut environ 5 kg de plutonium pour obtenir une bombe. En tant qu'élément utile à la fabrication d'arme de destruction massive, il est suivi par divers textes et conventions internationales
Article détaillé : Contrôle des matières nucléaires.



Plutonium 239

Production

L'irradiation de l'uranium 238 dans les réacteurs nucléaires génère du plutonium 239. 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 240Pu, 241Pu, 242Pu. Parallèlement, du plutonium 238 est formé par la chaîne de transformation commençant par l'uranium 235.

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. Une brève irradiation, cependant, 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 (trois ou quatre ans).

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.

Retraitement

Les deux plus grandes installations mondiales recyclant le plutonium sont basées à La Hague et à Sellafield[1]



Plutonium 238

Le plutonium 238, d'une demi-vie de 86,41 ans, est un émetteur très puissant de rayonnement ? (noyaux d'hélium). 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 (par la conversion de la chaleur en électricité). Les utilisations de 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 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 trois ans, et il faut l'extraire sélectivement.



Dioxyde de plutonium

Le dioxyde de plutonium (PuO2) 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 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 (PuO3) 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 le dioxyde de Pu 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).

Toxicocinétique

En cas d'ingestion par un individu sain, seul environ 0,05% est absorbée par le tube digestif
Le plutonium franchit mal la barrière cutanée (si la peau est en bon état).
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 poumons, les 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 demie 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. 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.

Toxicité

Tous les isotopes et composés du plutonium sont toxiques et radioactifs.
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 et la biosphère, dans les années 45 à 70 par les essais et tirs nucléaires, avec aussi des retombées (plus locales ou régionales) lors de l'accident de Tchernobyl.

Le plutonium a parfois été décrit comme la « substance la plus toxique connue par l'homme », mais 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.
Bien que très peu de données soient disponibles dans le domaine public sur la toxicité comparée de ses différents isotopes. Certains considèrent que cette assertion est à relativiser pour les raisons suivantes ;

    * C'est un émetteur de 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'ADN et provoquer des cancers. 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 .
          o Le risque de cancer osseux (ou du sang) est le plus élevé car l'os fixe (adsorption) facilement le plutonium, comme il le fait avec le plomb dans le cas du saturnisme.
          o Le foie peut aussi l'accumuler.
          o Il est très lentement éliminé via l'urine, mais en passant par le rein, qu'il peut alors endommager.
          o L'inhalation de vapeur, micro-particules ou nanoparticules de plutonium peut causer un cancer du poumon (un microgramme inhalé suffit).
    * En terme de toxicité strictement chimique aigue ; c'est-à-dire sans tenir compte des effets de sa radioactivité (sauf en cas d'exposition interne et s'il ne s'agit pas de plutonium de qualité militaire), le plutonium semble n'avoir jamais causé de décès documenté par exposition externe (Source ?). Il n'a pas de toxicité aigue (des composés organiques tels que la toxine botulique sont bien plus rapidement mortels, et à une dose de quelques nanogrammes que le plutonium). Le plutonium est néanmoins un puissant cancérigène à long terme.
    * En terme de radiotoxicité en cas d'exposition externe, le radium naturel est à peu près 200 fois plus radiotoxique que le plutonium le moins actif, et des éléments tels que le carbone 14 ou le potassium 40 (émetteurs beta) peuvent provoquer des cancers par simple contact ce qui n'est pas le cas du plutonium quand il n'est qu'un simple émetteurs alphas. Cependant les isotopes du plutonium ont une activité (mesurée en curies) très variable. Si l'on ne tient pas compte d'éventuelles différences de toxicité chimique, on peut retenir que plus leur période de demie-vie est courte, plus ils sont actifs et dangereux. A titre d'exemple pris parmi les isotopes les plus courants,

    -le Pu-242 a une période (demie-vie) de 380 000 ans, une activité spécifique de 0.0040 Ci/g et une émission ? de 4.9 MeV (million electron volts), contre seulement 0.0087 MeV en terme d'émission Beta(?) et 0.0014 MeV en terme d'émission Gamma (?), ce qui le rend bien moins dangereux que d'autres isotopes du Plutonium.
    -le Pu-241, bien que physiquement très proche du précédent a lui a une période (demie-vie) comparativement très brève (14 ans), mais une activité spécifique beaucoup plus importante (100 Ci/g) ! De plus, il émet des particules Beta et se transforme en americium 241, un actinide dont la période est de 430 ans, et qui est beaucoup plus radiotoxique que le plutonium qui l'a engendré.

Le plutonium est donc le plus dangereux quand il est sous forme de plutonium "de qualité militaire" et quand il est inhalé. Il l'est bien entendu immédiatement quand il est à l'origine d'une explosion nucléaire volontaire ou d'un accident de criticité. Il semble être moins dangereux en cas d'exposition interne via ingestion car alors plus facilement éliminé via les excréments ou l'urine (Selon le livre d'Eileen Welsome, lorsqu'il est ingéré, et si l'on ne tient pas compte du risque de cancer, le plutonium serait chimiquement moins nocif que des substances comme la caféine ou d'autres que l'on peut trouver dans la nature. Il serait plus nocif que de l'éthanol pur, mais moins que le tabac ou certaines drogues. Toujours du seul point de vue « chimique » (c'est-à-dire sans tenir compte de sa radioactivité), sa toxicité serait comparable à celle du plomb ou à d'autres métaux lourds. Le plutonium a un goût métallique.
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