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Description : métal lourd artificiel

Isotopes : quinze isotopes dont plutonium 238, 239, et 241

Production : irradiation de l'uranium 238

Utilisation : plutonium 239 : composant de têtes nucléaires et de combustible Mox ; plutonium 238 : source de neutrons et de chaleur

Radioactivité : émetteur de particules alpha et de rayonnement gamma faible, sauf plutonium 241 émetteur bêta

Commentaire : plutonium 239 et 241 sont des matières fissiles

Il y a quinze isotopes connus du plutonium. Ceux qui nous intéressent pour l'utilisation du plutonium sont le plutonium 238, 239, 240, 241 et 242. Tous sont radioactifs et tous sont dits fissibles (voir Uranium naturel). Les plutonium 239 et 241 sont également fissiles (voir Uranium naturel) ; mais surtout le plutonium 239 est utilisé pour la production de l'énergie et des armements. Le plutonium 241 est rarement utilisé séparément en raison de la difficulté à le produire en grande quantité, du coût élevé de sa production, de sa demi-vie brève, et de sa radioactivité plus élevée que celle du plutonium 239. Le plutonium 238 a des applications commerciales et militaires, parce que c'est un émetteur exceptionnellement fort en rayonnements alpha. Les plutonium 240 et 242 ne sont que des poisons neutroniques.

Plutonium 239

Production

L'irradiation de l'uranium 238 dans les réacteurs nucléaires génère le 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 Pu 240, Pu 241, Pu 242. En même temps, le 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. Donc on n'enlève le combustible des réacteurs électrogènes qu'après un séjour beaucoup plus long (trois ou quatre ans).

Après que le combustible, les cibles et la couverture sont 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.

Le plutonium est classé selon le pourcentage du contaminant plutonium 240 qu'il contient.

Qualité super 2-3 %

Qualité militaire moins de 7 %

Qualité combustible 7-18 %

Qualité réacteur 18 % ou plus

Néanmoins, cette classification est trompeuse. Selon l'Agence internationale de l'énergie atomique (AIEA), « même du plutonium de qualité réacteur fortement irradié peut être utilisé pour la fabrication d'armes nucléaires très puissantes. A l'exception du plutonium créé pour servir de source de chaleur et qui contient 80 % ou plus de l'isotope 238, on considère aux fins des garanties de l'AIEA que tout le plutonium dans les Etats non dotés d'armes nucléaires a un caractère névralgique identique » [Shea 93].

Pour les fabricants de bombes, la présence d'isotopes autres que le plutonium 239 pose quelques problèmes mais ils ne sont pas insurmontables. Le plutonium 238 et le plutonium 240 augmentent la chaleur présente, mais on peut construire un engin qui résout cette difficulté. Le plutonium 240 a un taux élevé de fissions spontanées et, plus il y en a, plus il y a possibilité d'un pré-amorçage. Cependant, même avec un pré-amorçage au pire moment dans un engin aussi simple que la bombe de Nagasaki, le rendement serait de l'ordre d'une ou plusieurs kilotonnes. Un descendant du plutonium 241, l'américium 241, émet des rayonnements gamma, mais la radioactivité n'empêcherait pas la manipulation par des fabricants résolus, utilisant des écrans de protection.

Theodore Taylor, un ancien concepteur d'armements à Los Alamos, a déclaré qu'« il est possible de remplacer le plutonium de qualité militaire par le plutonium de qualité réacteur dans toutes les armes que l'on a fabriqué à n'importe quelle période. Il faut entre 0 et 2 fois plus de plutonium et quelques autres changements » [Taylor 94].

Un autre expert américain, J. Carson Mark, estime qu'un groupe de terroristes pourrait fabriquer très rapidement une bombe d'une puissance significative en utilisant environ cinq à dix kilogrammes de plutonium. Un pays, avec du temps et des moyens, n'aurait besoin que de quelques kilogrammes [Mark 90]. D'autres estiment que pour une puissance d'une kilotonne, il ne faut qu'un à trois kg de plutonium de qualité militaire [Cochran 94].

L'oxyde de plutonium est utilisé en mélange avec l'uranium naturel ou appauvri dans les combustibles Mox (oxydes mixtes uranium-plutonium) pour réacteurs à neutrons rapides et réacteurs à eau ordinaire.

Le plutonium 238, d'une demi-vie de 86,41 ans, est un émetteur alpha très puissant. En raison de son activité massique alpha 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). Comme la source de l'électricité, les applications comprennent des stimulateurs cardiaques et des utilisations spatiales.

On prépare le plutonium 238 à partir de l'irradiation du neptunium 237, un produit de fission 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.

Comme métal lourd, le plutonium est toxique chimiquement, mais c'est sa radiotoxicité qui est déterminante. Tous les isotopes de plutonium qui nous intéressent émettent des particules alpha et des faibles radiations gamma sauf le plutonium 241 qui n'émet que des particules bêta.

L'uranium 235 et uranium 238 sont également des émetteurs alpha. Le plutonium est plus nocif que l'uranium 235 et l'uranium 238, en grande partie à cause des différences dans leur demi-vies et, par conséquent, dans leur activité spécifique. Les demi-vies des cinq isotopes du plutonium qui nous intéressent ici sont bien plus courtes que celles de l'uranium 235 et 238. Le plutonium 239 d'une demi-vie de 24 400 ans, a une activité spécifique environ 200 000 fois plus grande que celle de l'uranium 238 et environ 30 000 fois plus grande que celle de l'uranium 235. Les particules alpha émises dans la désintégration du plutonium 239 sont environ 25 % plus énergétiques que celles émises par la désintégration de l'uranium 238 et de l'uranium 235. Donc, le plutonium 239 est environ 250 000 fois plus nocif par gramme que l'uranium 238 et environ 39 000 fois plus nocif par gramme du point de vue radiologique que l'uranium 235 [voir IPPNW 92 et NAS 95].

Ces statistiques ne mesurent pas les dégâts biologiques, qui ne peuvent être calculés qu'en prenant en compte les voies et les durées de résidence dans le corps aussi bien que l'activité spécifique et l'énergie. L'indice du volume de dilution, qui tient compte de ces facteurs, en effet, montre que, par gramme, le plutonium de qualité militaire représente un risque d'inhalation potentiel 23 000 fois plus grand et un risque d'ingestion potentiel 130 000 fois plus grand que celui de l'uranium hautement enrichi [NAS 95].

Le métal plutonium et ses composés peuvent entrer dans le corps par ingestion. Cependant, comme c'est le cas avec l'uranium, la plus grande part du plutonium ingérée est rapidement éliminée. La voie la plus dangereuse est l'inhalation. Comme pour l'uranium, les petites particules sont les plus dangereuses. Les particules de plutonium peuvent se loger dans les poumons où elles peuvent déclencher un cancer ; elles peuvent être portées des poumons jusqu'aux ganglions lymphatiques pulmonaires ; elles peuvent aussi passer par le sang aux autres parties du corps. Le plutonium a une tendance à se concentrer dans le foie et dans les os aussi bien que dans le poumon. Dans les os, le plutonium est déposé sur les régions non-calcifiées et non-cartilagineuses [IPPNW 92].

Comme avec les composés d'uranium, l'impact des composés du plutonium sur le corps dépend de la solubilité du composé. Les composés solubles, y compris le nitrate de plutonium, passent rapidement au foie et aux os et sont une cause prouvée du cancer des os et de foie. Les composés insolubles ou peu solubles, y compris l'oxyde de plutonium, restent dans les poumons pendant des années. L'inhalation d'environ

30 microgrammes de plutonium sous forme insoluble ou peu soluble, supposant une répartition homogène de la charge, est une cause presque certaine du cancer du poumon ; des expériences animales l'ont démontré. Les effets de l'exposition sur le corps humain sont relativement peu connus, notamment, en grande partie parce que les gouvernements n'ont pas systématiquement rassemblé et analysé les données concernant les travailleurs exposés au plutonium [IPPNW 92 ; IPPNW 95].

Le plutonium 241 (demi-vie 13,2 ans), qui se trouve en quantités variables dans toutes les formes de plutonium se désintègre en américium 241, lequel émet des radiations gamma aussi bien que des radiations alpha. L'américium 241 s'accumule dans les tissus, en particulier les reins et les os, y créant un danger semblable à celui

du plutonium [Benedict 81]. De plus, il décroît avec une période de 458 ans par désintégration alpha en neptunium 237, lui-même un émetteur alpha et gamma avec une période de 2 millions d'années. Le plutonium 239 se désintègre en uranium 235.

Pyrophoricité. Le métal plutonium, quand il est finement divisé, est pyrophorique. Les particules de moins d'un millimètre de diamètre sont pyrophoriques à environ 150 °C ; les particules de plus de 1 millimètre diamètre sont pyrophoriques à environ 500 °C [Science n° 2, 94]. Les feux de plutonium produisent une fumée de dioxyde de plutonium, des particules fines et insolubles.

Criticité imprévue. Environ 5-6 kg de plutonium entourés d'un excellent réflecteur tel qu'une masse d'eau constitue une masse critique ; mais comme avec l'uranium, la quantité nécessaire pour produire une masse critique varie selon des facteurs tels que la géométrie de la masse et la présence des modérateurs ou des réflecteurs de neutrons.

Le plutonium en solution liquide, telle que le nitrate de plutonium est plus susceptible de devenir critique que le plutonium solide [IPPNW 95].

Difficulté de détection. Parce que le plutonium 239 n'émet que des particules alpha, lesquelles ne parcourent que des distances courtes et ont un rayonnement gamma faible, le plutonium contenu dans un récipient est difficile à détecter. On le mesure par des moyens indirects, normalement des calculs basés sur la radiation gamma présente, ce qui n'est pas une mesure précise. P. Nicolai de Valduc vante une méthode qui permet la mesure de la masse de plutonium dans les déchets avec « une barre d'erreur proche de 15 % » [Nicolai 93].