Plutonium 239
Leplutonium 239,noté239Pu,est l'isotopeduplutoniumdont lenombre de masseest égal à 239: sonnoyau atomiquecompte 94protonset 145neutronsavec unétat fondamentalayant unspin1/2+ pour unemasse atomiquede 239,052 16g/mol.Il est caractérisé par unexcès de massede48 588keVet uneénergie de liaison nucléaireparnucléonde7 560,31keV[1].Un gramme deplutonium 239présente uneradioactivitéde 2,276GBq,tandis qu'un kilogramme de239Pu pur est le siège d'environ 10fissions spontanéespar seconde.
| Nom | Plutonium 239 |
|---|---|
| Symbole |
239 94Pu 145 |
| Neutrons | 145 |
| Protons | 94 |
| Demi-vie | 24 110 ± 30 ans[1] |
|---|---|
| Produit de désintégration | 235U |
| Masse atomique | 239,0521616(12)u |
| Spin | 1/2+ |
| Excès d'énergie | 48 588,2±1,1keV[1] |
| Énergie de liaisonparnucléon | 7 560,319±0,005keV[1] |
| Isotope parent | Désintégration | Demi-vie |
|---|---|---|
| 239 93Np |
β− | 2,356(3) jours |
| 239 95Am |
β+ | 11,9(1)h |
| 243 96Cm |
α | 29,1(1) ans |
| Désintégration | Produit | Énergie (MeV) |
|---|---|---|
| α | 235 92U |
5,24451 |
| FSà 3,1 × 10−10% | Produits de fission | N/A |
Propriétés du plutonium 239
modifierIl estradioactifavec unepériodede 24 110 ans en produisant de l'uranium 235pardésintégration αmoyennant uneénergie de désintégrationde5,245MeV.Il se désintègre également parfission spontanéeavec une probabilité de 3,1 × 10−10%et une énergie totale par atome fissionné de207,1MeV= 3,318 × 10−11J[2].
Le239Pu est l'un des troisradioisotopescouramment utilisés dans l'industrieet l'armement nucléaires,avec le235Uet le233U.
Lafissiond'un atome d'uranium 235 libère deux ou troisneutronsqui peuvent être capturés par des atomes d'uranium 238pour donner duplutonium 239après deuxdésintégrations β−successives:
![{\displaystyle \mathrm {\xrightarrow[{23,45\ min}]{\beta ^{-}\ 1,265\ MeV}} }](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/312642b10562bedfbbc6a38ddd3bb09e637892b3)
![{\displaystyle \mathrm {\xrightarrow[{2,3565\ jours}]{\beta ^{-}\ 0,722\ MeV}} }](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/fa5c4e336b4d0c8b92ccd39b27fe18c8b8bdf38a)
Propriétés nucléaires
modifierLe plutonium 239 a une probabilité defissionplus élevée que l'uranium 235et libère davantage deneutronspar fission, ce qui lui confère unemasse critiqueplus faible. La fission d'un kilogramme de plutonium 239 peut libérer une énergie équivalente à l'explosion de 20 000 tonnes deTNT(Avec une énergie totale — neutrinos et antineutrinos compris — par atome fissionné de207,2MeV= 3,319 71 × 10−11J,cela produit une libération d'énergie de 19,992TJ/mol= 83,629TJ/kg). Le239Pu pur présente l'avantage de produire relativement peu defissions 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, le239Pu contient toujours une fraction de240Purésultant de l'absorption d'un neutron supplémentaire lors de la production du239Pu à partir du238U.Le240Puproduit environ 420 000 fissions par seconde et par kilogramme, ce qui en fait uncontaminantindésirable dont on s'efforce de limiter la concentration dans le239Pu: le plutonium de qualité militaire n'en contient pas plus de 7 %, tandis que lecombustible nucléairepeut en contenirjusqu'à 31,1 %.Un bon moyen de limiter la production de240Puavec le239Pu consiste à limiter dans le temps l'exposition du238Uaux neutrons.
Propriétés chimiques
modifierD'un point de vue chimique, leplutoniummétallique est un métal très réactif, qui se couvre, en présence de traces d'humidité, d'une couche dedioxyde de plutoniumPuO2et d'hydrure de plutoniumPuH2-2,7nonstœchiométrique.L'oxygènea un effetpassivantqui retarde l'effet de l'humidité. Un excès devapeur d'eaune produit qu'une couche de PuO2d'aspect poudreux qui rend le métalpyrophorique,d'où la nécessité de le manipuler sous atmosphère inerte d'azoteou d'argon.
Ledioxyde de plutoniumPuO2est 40 % plus volumineux que le métal, ce qui peut provoquer l'éclatement des conteneurs deplutoniumen cas d'oxydationimprévue. Ces conteneurs doivent être constitués de matériaux tolérant la nature fortementréductricedu plutonium. Ce sont desmétaux réfractairestels que letantaleou letungstène,ainsi que des oxydes stables, des composés dubore,descarbures,desnitrures,voire des alliages desilicium.
Usages industriels et militaires
modifierLescentrales nucléairesciviles qui fonctionnent au plutonium sont toujours conçues pour pouvoir exposer de l'uranium 238au flux de neutrons produit par laréaction nucléaireafin de générer leplutonium 239recherché. Cela ouvre naturellement la voie à la production deplutoniumde qualité militaire en détournant des installations civiles pour convertir enplutonium 239l'isotope238U,toujours présent dans l'uranium enrichien235U.D'une manière générale, les centrales sont généralement conçues pour que le remplacement ducombustible nucléairese fasse après arrêt complet du réacteur, ce qui empêche la génération de239Pu de qualité suffisante en raison du grand nombre d'isotopesparasitesgénérés à cette occasion.
Cependant, certaines conceptions de réacteurs civils ont précisément pour but de permettre le remplacement du combustible à chaud, ce qui rend possible la production deplutonium 239militaire: c'est particulièrement le cas des réacteurs canadiensPHWR,françaisUNGGet soviétiquesRBMK.Des installations plus classiques peuvent également être équipées de systèmes permettant de placer brièvement des barres d'uranium appauvriprès du cœur pour produire duplutonium 239,ou peuvent être exploitées en cycles courts avec arrêts fréquents pour générer des matériaux nucléaires à usage militaire, l'Agence internationale de l'énergie atomique(AIEA) ayant notamment pour rôle d'inspecter de telles installations civiles afin d'y déceler d'éventuels détournements à usage militaire.
Leplutoniumest essentiellement produit dans lessurgénérateurs,conçus au départ pour maximiser la production d'énergie à partir de l'uraniumen exploitant le caractèrefertilede l'uranium 238:ce dernier est converti enplutonium 239sous l'effet des neutrons issus des fissions contrôlées dans le réacteur à partir de l'uranium 235,le plutonium ainsi produit prenant le relais en tant que combustible nucléaire.
Notes et références
modifier-
(en)«Live Chart of Nuclides:239
94Pu
145», surwww-nds.iaea.org,AIEA,(consulté le). - (en)«Table of Physical and Chemical Constants, Sec 4.7.1: Nuclear Fission», Kaye & Laby Online.
Voir aussi
modifierArticles connexes
modifier- Plutonium
- Isotope fissile
- Chaîne de désintégration
- Arme nucléaire
- Isotope fertile
- Table des isotopes
Liens externes
modifier- Argonne National LaboratoryPlutonium
| 1 | H | He | ||||||||||||||||||||||||||||||
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| 3 | Na | Mg | Al | Si | P | S | Cl | Ar | ||||||||||||||||||||||||
| 4 | K | Ca | Sc | Ti | V | Cr | Mn | Fe | Co | Ni | Cu | Zn | Ga | Ge | As | Se | Br | Kr | ||||||||||||||
| 5 | Rb | Sr | Y | Zr | Nb | Mo | Tc | Ru | Rh | Pd | Ag | Cd | In | Sn | Sb | Te | I | Xe | ||||||||||||||
| 6 | Cs | Ba | La | Ce | Pr | Nd | Pm | Sm | Eu | Gd | Tb | Dy | Ho | Er | Tm | Yb | Lu | Hf | Ta | W | Re | Os | Ir | Pt | Au | Hg | Tl | Pb | Bi | Po | At | Rn |
| 7 | Fr | Ra | Ac | Th | Pa | U | Np | Pu | Am | Cm | Bk | Cf | Es | Fm | Md | No | Lr | Rf | Db | Sg | Bh | Hs | Mt | Ds | Rg | Cn | Nh | Fl | Mc | Lv | Ts | Og |
