Plutonium 239 - Définition

Introduction

Le plutonium 239, noté ²³⁹Pu, est l'isotope du plutonium dont le nombre de masse est égal à 239 : son noyau atomique compte 94 protons et 145 neutrons avec un spin 1/2+ pour une masse atomique de 239,0521634 g/mol. Il est caractérisé par un excès de masse de 48 583 478 ± 1 971 eV/c² et une énergie de liaison nucléaire de 1 806 921 454 ± 1 998 eV. 

Plutonium pur à 99,96 % ; la géométrie en anneau d'environ 11 cm de diamètre contribue à maintenir la concentration spatiale des 5,3 kg de plutonium en deçà de la masse critique.

Un gramme de plutonium 239 présente une radioactivité de 2,276 GBq.
Un kilogramme d'isotope ²³⁹Pu pur est le siège d'environ 10 fissions spontanées par seconde.

Propriétés du plutonium 239

Il est radioactif avec une période de 24 110 ans en produisant de l'uranium 235 par désintégration α moyennant une énergie de désintégration de 5,245 MeV. Il se désintègre également par fission spontanée avec une probabilité de 3 × 10^-10 et une énergie totale par atome fissionné de 207,1 MeV = 3,318 × 10^-11 J, soit 19,98 TJ/mol = 83,61 TJ/kg.

Le ²³⁹Pu est l'un des trois radioisotopes couramment utilisés dans l'industrie et l'armement nucléaires, avec le ²³⁵U et le ²³³U.

La fission d'un atome d'uranium 235 libère deux ou trois neutrons qui peuvent être capturés par des atomes d'uranium 238 pour donner du plutonium 239 après deux désintégrations β^- successives :

Propriétés nucléaires

Le plutonium 239 a une probabilité de fission plus élevée que l'uranium 235 et libère davantage de neutrons par fission, ce qui lui confère une masse critique plus faible. La fission d'un kilogramme de plutonium 239 peut libérer une énergie équivalente à l'explosion de 20 000 tonnes de TNT. Le ²³⁹Pu pur présente l'avantage de produire relativement peu de fissions spontanées (environ une dizaine par seconde et par kilogramme) et donc d'émissions de neutrons, ce qui permet d'en assembler en quantité largement supérieure à la masse critique avant l'explosion.

Cependant, le ²³⁹Pu contient toujours une fraction de ²⁴⁰Pu résultant de l'absorption d'un neutron supplémentaire lors de la production du ²³⁹Pu à partir du ²³⁸U. Le ²⁴⁰Pu produit environ 415 000 fissions par seconde et par kilogramme, ce qui en fait un contaminant indésirable dont on s'efforce de limiter la concentration dans le ²³⁹Pu : le plutonium de qualité militaire n'en contient pas plus de 7 %, tandis que le combustible nucléaire peut en contenir jusqu'à 18 %. Un bon moyen de limiter la production de ²⁴⁰Pu avec le ²³⁹Pu consiste à limiter dans le temps l'exposition du ²³⁸U aux neutrons.

Propriétés chimiques

D'un point de vue chimique, le plutonium métallique est un métal très réactif, qui se couvre, en présence de traces d'humidité, d'une couche de dioxyde de plutonium PuO₂ et d'hydrure de plutonium PuH_2-2,7 non stœchiométrique. L'oxygène a un effet passivant qui retarde l'effet de l'humidité. Un excès de vapeur d'eau ne produit qu'une couche de PuO₂ d'aspect poudreux qui rend le métal pyrophorique, d'où la nécessité de le manipuler sous atmosphère inerte d'azote ou d'argon.

Le dioxyde de plutonium PuO₂ est 40 % plus volumineux que le métal, ce qui peut provoquer l'éclatement des conteneurs de plutonium en cas d'oxydation imprévue. Ces conteneurs doivent être constitués de matériaux tolérant la nature fortement réductrice du plutonium. Ce sont des métaux réfractaires tels que le tantale ou le tungstène, ainsi que des oxydes stables, des composés du bore, des carbures, des nitrures, voire des alliages de silicium.