Plutonium
Le plutonium est un élément chimique radioactif transuranien de symbole Pu et de numéro atomique 94. Ce métal de la série des actinides présente une couleur gris argenté et se ternit au contact de l’air, où il forme une couche superficielle d’oxydes. Le plutonium métallique peut exister sous six formes allotropiques dans des conditions appropriées et présente plusieurs états d’oxydation, notamment +3, +4, +5 et +6.
Identité
- Masse atomique
- [244] u
- Catégorie
- Actinides
- Groupe
- 3
- Période
- 7
- Bloc
- f
- États d'oxydation
- +3, +4, +5, +6
- État physique (à 25 °C)
- Solide
- Apparence
- blanc argenté, ternissant au gris foncé à l'air
Structure électronique
- Configuration électronique
- 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f14 5d10 6p6 7s2 5f6
- Configuration abrégée
- [Rn] 5f6 7s2
- Électrons par couche
- 2, 8, 18, 32, 24, 8, 2
- Électronégativité (Pauling)
- 1.28
- Affinité électronique
- -48.3 kJ/mol
- 1ʳᵉ énergie d'ionisation
- 585 kJ/mol
Propriétés physiques
- Point de fusion
- 639.4 °C (913 K)
- Point d'ébullition
- 3231.8 °C (3505 K)
- Densité
- 19.816 g/cm³
- Capacité thermique molaire
- 35.5 J/(mol·K)
Comportement chimique de l'plutonium
Le plutonium possède six électrons externes ([Rn] 5f⁶ 7s²) et présente les états d’oxydation +3, +4, +5 et +6, le +4 étant le plus stable en solution. Son électronégativité est faible (1.28) et c’est un métal dense, cassant et radioactif : il chauffe ses propres composés et change de phase en fonction de la température. Ses solutions présentent des couleurs allant du bleu au rose selon l’état d’oxydation ; le Pu-238 dégage de la chaleur.
Réactivité
4 Pu + 3 O₂ → 2 Pu₂O₃
À l’air, il se ternit rapidement et forme du PuO₂ vert olive, une céramique utilisée dans les générateurs thermoélectriques à radio-isotopes (RTG) et le combustible MOX. La poudre fine peut s’enflammer spontanément.
Pu + 4 HF → PuF₄ + 2 H₂
Avec l’acide fluorhydrique, il forme le tétrafluorure, précurseur du métal obtenu par réduction au calcium et des cibles utilisées pour produire des isotopes destinés à l’espace.
PuO₂ + 4 HNO₃ → Pu(NO₃)₄ + 2 H₂O
Le dioxyde se dissout dans l’acide nitrique concentré pour le procédé PUREX : c’est ainsi que le plutonium est séparé de l’uranium et des produits de fission.
²³⁸Pu → ²³⁴U + α + heat
Le Pu-238 se désintègre en émettant des particules alpha et fournit une chaleur constante de 0.56 W/g pendant des décennies : c’est la source d’énergie qui alimente Voyager et Perseverance.
Composés notables
| Composé | Formule | Utilisation ou importance |
|---|---|---|
| Dioxyde de plutonium-238 | ²³⁸PuO₂ | Générateurs thermoélectriques à radio-isotopes pour sondes et astromobiles |
| Combustible MOX | UO₂-PuO₂ | Recyclage dans les réacteurs |
| Tétrafluorure de plutonium | PuF₄ | Production du métal |
| Nitrate de plutonium | Pu(NO₃)₄ | Retraitement PUREX |
| Alliage Pu-Ga | Pu-Ga | Stabilisation des phases à usage militaire |
Distribution de la couche électronique
Afficher dans le générateur d'atomesIsotopes
Aucun isotope du plutonium n’est stable. Le plutonium-239 (²³⁹Pu, 24,100 ans) est fissile et sert de combustible dans les armes nucléaires et le MOX. Le plutonium-238 (²³⁸Pu, 87.7 ans) produit de la chaleur pour les missions spatiales. Le plutonium-240, le plutonium-241 et le plutonium-242 accompagnent le combustible usé et compliquent sa manipulation en raison des neutrons et de la chaleur qu’ils génèrent.
Occurrence et production
Le plutonium existe à peine dans la nature : on n’en trouve que des traces issues de la capture de neutrons par l’uranium. Tout le plutonium exploitable est produit dans des réacteurs, lorsque l’U-238 capture des neutrons et se désintègre en passant par le Np-239 pour former du Pu-239. Il est séparé du combustible usé par retraitement nucléaire : chaque tonne en contient environ 10 kg. Le Pu-238 destiné aux applications spatiales est produit à partir du Np-237.
Histoire et origine du nom
Glenn Seaborg et son équipe l’ont synthétisé en 1940 en bombardant de l’uranium avec des deutérons à Berkeley. Ils l’ont nommé plutonium, d’après Pluton, situé au-delà de Neptune : la planète suivante et l’élément suivant. Le Pu-239 a alimenté l’arme nucléaire utilisée à Nagasaki et le réacteur de Chicago ; le Pu-238 maintient Voyager au chaud depuis 1977.
Applications et importance de l'plutonium
Utilisations de l'élément
Sous forme de pastilles céramiques de Pu-238, il alimente des générateurs thermoélectriques à radio-isotopes qui fournissent des centaines de watts pendant des décennies aux sondes Voyager et Cassini ainsi qu’à l’astromobile Perseverance. Sous forme de Pu-239, il constitue le cœur des armes nucléaires et, après dilution, entre dans la composition du combustible MOX utilisé dans les réacteurs français et japonais.
Utilisations de ses composés
Le dioxyde céramique encapsulé résiste à la rentrée atmosphérique sans se disperser ; le MOX transforme des excédents militaires en électricité. Les nitrates servent à l’étalonnage des dispositifs de contrôle de l’AIEA.
Santé, sécurité et environnement
Rôle biologique
Le plutonium n’a aucune fonction biologique et présente une radiotoxicité élevée : lorsqu’il est inhalé, il s’accumule dans les poumons, les os et le foie, avec une demi-vie biologique de plusieurs décennies. L’inhalation d’un seul microgramme augmente le risque de cancer du poumon.
Sécurité
Il est manipulé uniquement dans des installations nucléaires, dans des boîtes à gants sous atmosphère inerte, avec des blindages et des dispositifs de surveillance. Les poussières sont pyrophoriques et les neutrons émis par le Pu-240 nécessitent un blindage supplémentaire. Le plutonium n’est pas présent dans les produits de consommation.
Environnement
Les excédents militaires et le combustible usé sont vitrifiés ou entreposés à sec sous contrôle réglementaire. Chaque générateur thermoélectrique spatial à radio-isotopes est certifié pour limiter les risques de dispersion. Sa gestion influence la conception des dépôts géologiques destinés à accueillir les déchets pendant des dizaines de milliers d’années.
Questions fréquentes sur l' Plutonium
À quoi sert le plutonium-238 dans l’espace ?
Le plutonium-238 est utilisé dans les générateurs thermoélectriques à radio-isotopes, qui convertissent la chaleur de sa désintégration en électricité. Ces systèmes alimentent des sondes, des astromobiles et des observatoires qui se trouvent trop loin du Soleil pour dépendre de panneaux solaires. Sa production de chaleur reste stable pendant des décennies, ce qui permet des missions de longue durée. Il est utilisé sous forme d’oxyde céramique encapsulé, conçu pour réduire les risques en cas d’accident.
Le plutonium est-il dangereux ?
Oui. Le plutonium est radioactif et toxique, en particulier lorsqu’il est inhalé sous forme de particules fines, car il peut se déposer dans les poumons et s’accumuler dans les os et le foie. Son rayonnement alpha pénètre à peine la peau, mais il est très nocif si la matière pénètre dans l’organisme. Sa manipulation exige donc un confinement, des blindages, une ventilation adaptée et des protocoles stricts de radioprotection.
Le plutonium est-il utilisé dans les centrales nucléaires ?
Oui, bien qu’il ne constitue pas le combustible principal dans la plupart des pays. Le plutonium produit dans les réacteurs peut rester dans le combustible usé ou être récupéré par retraitement. Dans certains pays, il est utilisé dans le combustible MOX, un mélange d’oxydes d’uranium et de plutonium, pour produire de l’électricité. Son utilisation dépend de la politique énergétique, des capacités de retraitement et de la réglementation nucléaire de chaque pays.
Qu’est-ce que le combustible MOX ?
Le combustible MOX est un mélange d’oxydes d’uranium et de plutonium utilisé dans certains réacteurs nucléaires. Il permet de réutiliser le plutonium récupéré dans le combustible usé et de réduire la quantité de plutonium stockée comme déchet. Bien qu’il puisse produire de l’électricité, sa fabrication et sa manipulation sont complexes, car le plutonium est fissile et radiotoxique. Son utilisation est limitée aux pays disposant d’infrastructures de retraitement et d’une réglementation nucléaire avancée.
Quelle est la différence entre le plutonium-238 et le plutonium-239 ?
Le plutonium-238 émet principalement des rayonnements alpha et produit une chaleur constante ; il est donc utilisé dans les batteries nucléaires et les missions spatiales. Le plutonium-239 est fissile : il peut entretenir une réaction en chaîne et est utilisé dans les armes nucléaires ainsi que dans certains combustibles ou programmes de retraitement. De plus, le plutonium-238 a une demi-vie d’environ 88 ans, contre environ 24,100 ans pour le plutonium-239.
D’où vient le plutonium ?
Le plutonium est principalement produit dans les réacteurs nucléaires, lorsque l’uranium-238 absorbe des neutrons et se transforme en plutonium-239. Il peut ensuite être séparé du combustible usé par retraitement chimique, notamment au moyen du procédé PUREX. Le plutonium-238 utilisé dans le domaine spatial est obtenu par des voies nucléaires spécifiques à partir de neptunium-237 ou d’autres matériaux irradiés.
Pourquoi le plutonium a-t-il été utilisé dans les stimulateurs cardiaques ?
Le plutonium-238 produit une chaleur constante pendant des décennies, qui peut être convertie en électricité par un générateur thermoélectrique. Cela a permis de construire des stimulateurs cardiaques nucléaires offrant une autonomie bien supérieure à celle des batteries de l’époque. Ils ont toutefois été remplacés par des batteries au lithium, plus sûres, plus légères et plus faciles à gérer. Les stimulateurs au plutonium encore existants nécessitent une surveillance particulière et une élimination conforme aux règles de radioprotection.
Principales sources consultées : PubChem, Royal Society of Chemistry, NIST, IUPAC. Dernière révision : novembre 2026.