Plutonium - Définition
| Données | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| Général | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Nom, Symbole, Numéro | Plutonium (Le plutonium est un métal lourd de symbole chimique Pu et de numéro atomique 94,...), Pu, 94 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Série chimique | Actinides | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Groupe, Période, Bloc | L/A, 7, f | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Masse volumique (La masse volumique est une grandeur physique qui caractérise la masse d'un matériau par...) | 19 816 kg/m3 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Couleur (La couleur est la perception subjective qu'a l'œil d'une ou plusieurs fréquences d'ondes...) | blanc (Le blanc est la couleur d'un corps chauffé à environ 5 000 °C (voir...) métallique argenté | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Propriétés atomiques | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Masse atomique (La masse atomique (ou masse molaire atomique) d'un isotope d'un élément chimique est la masse...) | 244,06 u | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Rayon atomique (Le rayon atomique d'un élément chimique est une mesure de la taille de ses atomes,...) (calc) | 175 (ND) pm | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Rayon de covalence (En chimie, le rayon de covalence correspond à la moitié de la distance entre deux noyaux...) | ND pm | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Rayon de van der Waals | ND pm | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Configuration électronique (En physique des particules comme en chimie quantique, la configuration électronique est la...) | [Rn]5f67s2 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Électrons par niveau d'énergie | 2, 8, 18, 32, 24, 8, 2 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| État(s) d'oxydation | 6, 5, 4, 3 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Oxyde (Un oxyde est un composé de l'oxygène avec un élément moins...) | amphotère | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Structure cristalline | Monoclinique | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Propriétés physiques | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| État ordinaire | solide | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...) de fusion (En physique et en métallurgie, la fusion est le passage d'un corps de l'état solide vers l'état...) | 912,5 K | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Température de vaporisation | 3503 K | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) de fusion | 2,84 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Énergie de vaporisation | 344 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension...) molaire | 12,29×10-6 m3/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée...) de la vapeur () | ND | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Vélocité (VéloCité est un service de prêt gratuit mis en place par la ville d'Angers qui fournit aux...) du son | 2260 m/s à 20 °C | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Divers | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Électronégativité (Pauling) | 1,28 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Chaleur massique (La chaleur massique (symbole c ou s), qu'il convient d'appeler capacité thermique massique[1] est...) | ND J/(kg·K) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Conductivité électrique (La conductivité électrique est l'aptitude d'un matériau à laisser les charges électriques se...) | 0,666×106 S/m | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Conductivité thermique (La conductivité thermique est une grandeur physique caractérisant le comportement des...) | 6,74 W/(m·K) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 1er potentiel d'ionisation (L'ionisation est l'action qui consiste à enlever ou ajouter des charges à un atome ou une...) | 584,7 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Isotopes les plus stables | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| Unités du SI & CNTP, sauf indication contraire. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Le plutonium est un élément chimique artificiel. (Il existe à l'état naturel mais en très petite quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire,...), produite lors d’une réaction nucléaire (Une réaction nucléaire est une transformation d'un ou plusieurs noyaux atomiques, elle se...) naturelle sur le site d'Oklo). Il porte le numéro atomique (Le numéro atomique (Z) est le terme employé en chimie et en physique pour représenter le nombre...) 94.
Le plutonium a été découvert par Glenn T. Seaborg, Edwin M. McMillan, J. W. Kennedy et A. C. Wahl (États-Unis) en 1940.
Le plutonium est solide à température ambiante. Son point de fusion (Le point de fusion' ou la température de fusion d'un corps représente la température...) est 640°C. Il a une densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la...) de 19,84.
Le plutonium est produit par capture (Une capture, dans le domaine de l'astronautique, est un processus par lequel un objet céleste, qui...) neutronique (La neutronique est l'étude du cheminement des neutrons dans la matière et des...) de l'uranium (L'uranium est un élément chimique de symbole U et de numéro atomique 92. C'est un...) dans les réacteurs nucléaires. Par exemple, l’isotope 239 est formé en trois étapes :
- capture neutronique de l'uranium 238 (L'uranium 238, noté 238U, est l'isotope de l'uranium dont le nombre de masse est égal...) pour former de l'uranium 239 ;
- décroissance β- de l'uranium 239 (1/2 vie (La vie est le nom donné :): 23 minutes) en neptunium (Le neptunium est un élément chimique de synthèse de symbole Np et de numéro...) 239 ;
- décroissance β- du neptunium 239 (1/2 vie: 2,3 jours) en plutonium 239 (Le plutonium 239, noté 239Pu, est l'isotope du plutonium dont le nombre de masse est égal...).
Les isotopes plus lourds du plutonium sont majoritairement formés par capture neutronique du plutonium 239.
Le plutonium produit dans les réacteurs civils est considéré comme déchet (Un déchet (détritus, résidu..) est un objet en fin de vie ou une substance issue d'un processus,...) par certains pays (Pays vient du latin pagus qui désignait une subdivision territoriale et tribale d'étendue...) et comme matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses...) valorisable par d'autres (dont la France). En effet, le combustible (Un combustible est une matière qui, en présence d'oxygène et d'énergie, peut se...) 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 (Le Combustible MOX (abréviation de mixed oxide) est un combustible nucléaire fabriqué à partir...). En faibles quantités, le plutonium est utilisé dans les générateurs thermo-électriques à radioisotope (Les radioisotopes, radionucléides ou radioéléments, contraction de...).
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.
Le plutonium est un métal (Un métal est un élément chimique qui peut perdre des électrons pour former des...) 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 (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de...), la vapeur d'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les...) et les acides. Il ne réagit pas avec les bases. Il est radiotoxique. Sa période de demi-vie (La demi-vie est le temps mis par une substance (médicament, noyau radioactif, ou autres) pour...) est de 24 000 ans pour l'isotope (Le noyau d'un atome est constitué en première approche de protons et de neutrons. En physique...) 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 (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de...) (réacteurs actuellement en production).
Plutonium 239
Production
L'irradiation (En physique nucléaire, l'irradiation désigne l'action d'exposer (volontairement ou...) 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 ( En optique, l'absorption se réfère au processus par lequel l'énergie d'un photon est prise...) de neutrons par le plutonium 239 et ses produits. Il se forme ainsi des isotopes 240Pu, 241Pu, 242Pu. Parallèlement, du plutonium 238 (Le plutonium 238, noté 238Pu, est l'isotope du plutonium dont le nombre de masse est égal...) est formé par la chaîne (Le mot chaîne peut avoir plusieurs significations :) de transformation commençant par l'uranium 235 (L'uranium 235, noté 235U, est l'isotope de l'uranium dont le nombre de masse est égal...).
Ainsi, quand on utilise un réacteur (Un réacteur peut désigner :) 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.
C'est notamment du plutonium qui est retraité à La Hague.
Plutonium 238
Le plutonium 238, d'une demi-vie de 86,41 ans, est un émetteur très puissant de rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de...) α (noyaux d'hélium). En raison de son activité (Le terme d'activité peut désigner une profession.) massique alpha et gamma élevée, il est utilisé comme source de neutrons (par réaction alpha (En astrophysique, les réactions alpha sont une des deux classe de réactions de fusion nucléaire...) avec des éléments légers), comme source de chaleur (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent :...) et comme source d'énergie électrique (Un apport d'énergie électrique à un système électrotechnique est nécessaire pour qu'il...) (par la conversion de la chaleur en électricité). Les utilisations de Pu 238 pour produire de l'électricité (L’électricité est un phénomène physique dû aux différentes charges électriques de la...) sont cantonnées aux stimulateurs cardiaques et aux utilisations spatiales.
On prépare le plutonium 238 à partir de l'irradiation du neptunium 237 (Le neptunium 237, noté 237Np, est l'isotope du neptunium dont le nombre de masse est égal...), un actinide (La série chimique des actinides comprend les éléments chimiques du tableau...) mineur récupéré pendant le retraitement ou à partir de l'irradiation de l'américium (L’américium est un élément chimique transuranien de symbole Am et de...), 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 (Le recyclage est un procédé de traitement des déchets industriels et des déchets ménagers qui...) des combustibles nucléaires, la confection des ogives ou le stockage des déchets radioactifs. Il s'agit d'une poudre (La poudre est un état fractionné de la matière. Il s'agit d'un solide présent...) 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 (Le dihydrogène est la forme moléculaire de l'élément hydrogène, qui existe...), un gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et...) très explosif (Un explosif est un composé chimique défini ou un mélange de corps susceptibles lors...).
Ceci est problématique car l'eau serait le principal vecteur (En mathématiques, un vecteur est un élément d'un espace vectoriel, ce qui permet...) 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 (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a...), dans des boites étanches, pour être ensuite réutilisé dans des centrales ordinaires, en entrant dans la composition du combustible MOX (Le Combustible MOX (abréviation de mixed oxide) est un combustible nucléaire fabriqué à partir...) (MiXed Oxyde).
Précautions
(Traduit de l'article en anglais.)
Toxicité (La toxicité (du grec τοξικότητα...)
Tous les isotopes et composés du plutonium sont toxiques et radioactifs. Le plutonium est souvent décrit comme la " substance la plus toxique connue par l'homme ". C'est pourtant inexact lorsque l'on considère sa toxicité à proprement parler. Ainsi, hormis lorsqu'il est à l'origine d'un accident de criticité (Un accident de criticité désigne un accident nucléaire provoqué par une réaction nucléaire en...), le plutonium n'a pour l'instant (L'instant désigne le plus petit élément constitutif du temps. L'instant n'est pas...) causé aucun décès par simple exposition. Le radium (Le radium est un élément chimique de symbole Ra et de numéro atomique 88.) naturel est à peu près 200 fois plus radiotoxique que le plutonium, par exemple. Il en va de même pour des composés organiques comme la toxine botulique (La toxine botulique est une toxine sécrétée par Clostridium botulinum, la...), qui est mortelle à des doses de quelques nanogrammes, soit bien moins que la quantité de plutonium nécessaire pour causer un risque de cancer (Le cancer est une maladie caractérisée par une prolifération cellulaire anormalement...). De plus, des éléments tels que le carbone 14 (Le carbone 14 est un isotope radioactif du carbone, noté 14C.) ou le potassium 40 (Le potassium 40, noté 40K, est l'isotope du potassium dont le nombre de masse est égal...) qui sont des émetteurs beta (Le genre Beta appartient à la famille des Chénopodiacées, tribu des Cyclolobae.), peuvent provoquer des cancers par simple contact, contrairement aux émetteurs alphas.
Lorsqu'il est ingéré, et si l'on met de coté le risque de cancer, le plutonium est chimiquement moins nocif que des substances comme la caféïne ou d'autres que l'on peut trouver dans la nature. Il est plus nocif que de l'éthanol pur, mais moins que du tabac ou de la drogue (Une drogue est un composé chimique, biochimique ou naturel, capable d'altérer une ou...). D'un point (Graphie) de vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et...) strictement chimique, la toxicité du plutonium est comparable à celle du plomb (Le plomb est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Pb et...) ou à celle des autres métaux lourds. Le plutonium a d'ailleurs un goût (Pour la faculté de juger les belles choses, voir Goût (esthétique)) métallique.[1]
La principale différence entre la toxicité du plutonium et celle de la toxine (Une toxine est une substance toxique pour un ou plusieurs organismes vivants. Le Petit Larousse de...) botulique ou de gaz innervants au phosphore (Le phosphore est un élément chimique de la famille des pnictogènes, de symbole P et...) (comme le sarin) réside dans le fait que ces derniers tuent en quelques heures (L'heure est une unité de mesure :). Le plutonium mettre des années à causer un cancers. Certaines personnes ont des doses mesurables de plutonium dans leur organisme.
Ceci dit, il ne fait aucun doute que le plutonium peut être extrêmement dangereux lorsqu'il n'est pas manipulé correctement. Le rayonnement alpha qu'il émet ne pénètrent pas la peau (La peau est un organe composé de plusieurs couches de tissus. Elle joue, entre autres, le...), mais peuvent irradier les organes lorsque le plutonium est inhalé ou avalé. Le risque est particulièrement important au niveau des os, qui peuvent l'absorber à leur surface, et du foie (Le foie est un organe abdominal impair et asymétrique, logé chez l'homme dans...), qui va l'accumuler. L'inhalation de microparticules de plutonium (d'une masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un...) de l'ordre du microgramme) peut causer un cancer du poumon (Le poumon est un organe invaginé permettant d'échanger des gaz vitaux, notamment...).