Plutonium : Propriétés et utilisations des éléments

Parmi les éléments du tableau périodique, le plutonium est l'un des plus historiques et des plus complexes sur le plan scientifique. Réputé pour son extrême radioactivité, sa chimie variée et son rôle central dans la technologie nucléaire, le plutonium continue d'être un sujet de recherche, de développement énergétique et de contrôle à l'échelle mondiale. Notoirement associé aux armes nucléaires, le plutonium est également un matériau essentiel à la production d'électricité et à l'alimentation des engins spatiaux pour les missions dans l'espace lointain. Pour comprendre cet élément, il faut étudier son origine, sa structure, son comportement et ses applications dans de nombreux domaines de la science et de l'ingénierie.

Présentation de l'élément

Le plutonium fait partie de la série des actinides et n'existe pas dans la nature en quantités significatives. Il a été synthétisé pour la première fois au début des années 1940 dans le cadre de la recherche nucléaire américaine, les scientifiques étant alors à la recherche de nouvelles matières fissiles autres que l'uranium. Caractérisé par une configuration électronique dense et de multiples états d'oxydation, le plutonium est rapidement devenu partie intégrante de la physique nucléaire. Sa capacité à entretenir une réaction en chaîne à neutrons rapides - une propriété unique parmi de nombreux autres éléments - lui a assuré une place centrale dans le développement des réacteurs nucléaires et des premières armes atomiques. Aujourd'hui, le plutonium reste une pierre angulaire de la science nucléaire, dont la production et l'utilisation sont étroitement contrôlées pour des raisons de sécurité, d'environnement et de géopolitique.

Histoire et dénomination

La découverte du plutonium est inextricablement liée au rythme scientifique de la Seconde Guerre mondiale. En 1940, un groupe de chercheurs dirigé par Glenn T. Seaborg, Edwin McMillan, Joseph Kennedy et Arthur Wahl, travaillant à l'université de Californie à Berkeley, a produit pour la première fois du plutonium en bombardant de l'uranium 238 avec des deutérons dans un cyclotron. D'autres expériences ont montré que l'un des isotopes formés, le plutonium 239, pouvait subir une fission nucléaire soutenue.

L'élément a été nommé d'après Pluton, qui était considéré comme une planète à l'époque. Il s'agissait d'une convention de dénomination astronomique : uranium pour Uranus, neptunium pour Neptune, plutonium pour Pluton. Les scientifiques ont plaisanté plus tard sur le fait que le symbole "Pu" avait été choisi en raison de la réputation désagréable de l'élément, mais la convention de dénomination était cohérente avec ses voisins dans le tableau périodique.

D'un seul coup, la découverte du plutonium allait changer non seulement la science nucléaire, mais aussi la politique mondiale, la recherche énergétique et les cadres de sécurité internationale pour les décennies à venir.

Description des propriétés chimiques

Du point de vue chimique, le plutonium est très complexe : il possède six états d'oxydation courants (+3, +4, +5, +6 et +7) représentés par des couleurs différentes dans ses solutions. Cette large gamme explique la grande diversité de sa réactivité et la variété d'oxydes, d'halogénures et de composés de coordination.

Dans l'air, le plutonium métal s'oxyde facilement pour former une couche superficielle d'oxyde de plutonium qui peut s'écailler, ce qui est important pour le stockage et la sécurité. Dans l'eau, le métal peut réagir pour produire de l'hydrogène gazeux et un mélange d'oxydes et d'hydroxydes, ce qui rend son comportement intéressant pour la science de la corrosion et la gestion à long terme des déchets nucléaires.

Comme de nombreux composés du plutonium sont de puissants émetteurs de radiations, leur chimie est étudiée dans des conditions de laboratoire hautement spécialisées, avec des systèmes de manipulation à distance, des boîtes à gants et un blindage lourd.

Propriétés physiques

Les propriétés physiques du plutonium sont aussi inhabituelles que sa chimie :

La structure cristalline du plutonium est notoirement instable et varie entre un certain nombre d'allotropes à différentes températures. La densité et les propriétés mécaniques changent radicalement d'un allotrope à l'autre, ce qui rend l'étude métallurgique du plutonium à la fois difficile et nécessaire, en particulier pour les applications d'ingénierie nucléaire.

Pour plus de détails, veuillez consulter le site Stanford Advanced Materials (SAM).

Plutonium et uranium

Bien que souvent mentionnés dans le même souffle, le plutonium et l'uranium sont fondamentalement différents :

Source

- L'uranium est d'origine naturelle et extrait de minerais tels que l'uraninite.

On peut noter que la plupart du plutonium est d'origine synthétique, résultant de l'absorption de neutrons par l'uranium 238 dans un réacteur nucléaire.

Comportement nucléaire

- L'isotope naturel, l'uranium 235, peut subir une fission, mais il est rare.

- Le plutonium 239 est plus facile et plus rapide à produire en grandes quantités et est plus fissile, ce qui contribue à son utilisation dans les réacteurs et les armes.

Applications

- L'uranium est le combustible principal de la plupart des réacteurs commerciaux.

- Le plutonium est utilisé dans les combustibles MOX, les réacteurs de conception avancée et les applications militaires spécialisées.

Sécurité et toxicité

Le plutonium est plus dangereux que l'uranium sur le plan radiologique et chimique, c'est pourquoi les contrôles de sa manipulation et la surveillance internationale doivent être beaucoup plus stricts.

Utilisations courantes

Le plutonium sert à de nombreuses fins dans différents domaines :

Défense

La raison d'être des armes nucléaires repose sur le plutonium 239 car il est capable de subir une fission rapide dans des géométries compactes.

L'énergie

Le plutonium de qualité réacteur est utilisé dans les combustibles MOX pour la production d'électricité afin de prolonger la durée de vie des combustibles nucléaires usés.

Exploration spatiale

Ces RTG sont alimentés par du plutonium 238 et ont été utilisés dans des missions telles que Voyager, Cassini et les rovers martiens.

Recherche scientifique

Les composés de plutonium aident les chercheurs à étudier la désintégration radioactive, le comportement des actinides et les matériaux avancés dans des conditions extrêmes.

Méthodes de préparation

Le plutonium est principalement produit par l'irradiation de l'uranium 238 dans un réacteur nucléaire. L'uranium 239, formé par la capture de neutrons, se désintègre en neptunium 239, puis en plutonium 239. La séparation chimique du plutonium du combustible usé par extraction au solvant ou par des techniques d'échange d'ions est complexe. Les procédures sont effectuées dans des conditions de sécurité très contrôlées en raison des risques radiologiques de la matière.

Questions fréquemment posées

Pourquoi le plutonium est-il considéré comme si dangereux ?

Il est à la fois hautement radioactif et chimiquement toxique, ce qui nécessite des mesures de sécurité strictes.

Quels sont les isotopes les plus importants sur le plan industriel ?

Le plutonium 239 pour les réacteurs et les armes, et le plutonium 238 pour les sources d'énergie des engins spatiaux.

Comment le plutonium est-il séparé du combustible nucléaire ?

En utilisant des techniques de séparation chimique en plusieurs étapes, y compris l'extraction par solvant et des équipements manipulés à distance.

Le plutonium peut-il être utilisé à des fins pacifiques ?

Oui, il joue un rôle important dans les technologies de l'énergie nucléaire et de l'exploration spatiale.

Qu'est-ce qui rend la manipulation du plutonium sûre ?

Les réglementations internationales, les systèmes de confinement spécialisés et une formation rigoureuse en matière de sécurité radiologique.