Structure
Il ne s’agit pas d’un diagramme de points sur des anneaux — mais d’un échantillon de Monte-Carlo de la véritable densité de probabilité |ψ|² pour chaque sous-couche occupée. Faites glisser pour faire pivoter. Le bleu et le violet indiquent les signes opposés de la fonction d’onde, ce qui rend la liaison possible.
Valeurs mesurées
Chaque barre indique où se situe plutonium parmi les 118 éléments pour cette propriété.
Sources : masses atomiques standard de l’IUPAC 2021 · CRC Handbook of Chemistry and Physics · NIST. Les valeurs marquées ~ sont prédites plutôt que mesurées.
Taille, à l’échelle
Rayon de 159 pm — soit 0,159 nm ; il en faudrait donc environ 3,14 millions côte à côte pour couvrir un millimètre.
Plage thermique
Plutonium est liquide dans une plage de 2592 K, de 913 K à 3505 K.
L’histoire
L’élément qui a rendu l’âge atomique possible et qui alimente les engins spatiaux au-delà de la portée du Soleil.
Glenn T. Seaborg, Edwin McMillan, Joseph W. Kennedy et Arthur Wahl de l’Université de Californie à Berkeley ont découvert le plutonium à la fin de 1940 et au début de 1941. Cette découverte allait littéralement changer le cours de l’histoire mondiale et mettre fin à la Seconde Guerre mondiale.
Bombardement par des deutérons : Le 14 décembre 1940, l’équipe a bombardé de l’uranium-238 avec des deutérons (noyaux d’hydrogène lourd) dans le cyclotron de 60 pouces de Berkeley. Elle a créé du neptunium-238, qui s’est ensuite désintégré en un élément inconnu de numéro atomique 94.
Isolement chimique : Les brillants travaux de chimie de Seaborg au début de 1941 ont permis d’isoler et d’identifier l’élément 94. Les chercheurs ont découvert qu’il était fissile comme l’uranium-235, mais qu’il pouvait être séparé chimiquement de l’uranium beaucoup plus facilement : un avantage crucial pour la production d’armes.
Secret militaire : La découverte a immédiatement été classée secret-défense. Le projet Manhattan a compris que le plutonium offrait une voie potentiellement plus simple vers les armes nucléaires que l’enrichissement de l’uranium-235, ce qui a conduit à la construction d’immenses réacteurs de production à Hanford, dans l’État de Washington.
Essai Trinity : Le premier essai d’arme nucléaire au monde, réalisé le 16 juillet 1945 au Nouveau-Mexique, a utilisé un dispositif à implosion au plutonium. Trois semaines plus tard, une bombe similaire au plutonium a été larguée sur Nagasaki, au Japon, mettant fin à la Seconde Guerre mondiale.
Thème planétaire : Suivant le modèle du neptunium (Neptune), les découvreurs ont nommé l’élément 94 « plutonium », d’après la planète naine Pluton. Ce nom semblait particulièrement approprié compte tenu de l’association de Pluton avec les enfers, reflétant le potentiel destructeur du plutonium.
Accomplissement scientifique : Glenn Seaborg a reçu le prix Nobel de chimie en 1951 pour la découverte du plutonium et d’autres éléments transuraniens. Ses travaux ont établi la série des actinides et révolutionné notre compréhension de la chimie des éléments lourds.
Début de l’ère atomique : La découverte du plutonium a marqué le véritable début de l’ère atomique. Elle a rendu possibles les armes nucléaires et l’énergie nucléaire, transformant fondamentalement les relations internationales, la stratégie militaire et la production d’énergie pour toutes les générations futures.
Applications
Combustible pour réacteurs nucléaires : Le plutonium-239 est l’un des matériaux fissiles les plus importants pour la production d’énergie nucléaire. Le combustible à oxydes mixtes (MOX) contenant du plutonium permet de recycler les déchets nucléaires tout en produisant de l’électricité propre pour des millions de foyers dans le monde.
Réacteurs surgénérateurs rapides : Des conceptions avancées de réacteurs utilisent le plutonium à la fois comme combustible et comme matière fertile, ce qui pourrait fournir des siècles d’énergie nucléaire propre tout en consommant les déchets nucléaires existants. Des pays comme la Russie, la Chine et l’Inde exploitent avec succès des réacteurs rapides alimentés au plutonium.
Générateurs thermoélectriques à radioisotope (RTG) : Le plutonium-238 alimente certaines des plus grandes réalisations spatiales de l’humanité, notamment les sondes Voyager (désormais dans l’espace interstellaire), les rovers martiens Curiosity et Perseverance, ainsi que la mission New Horizons vers Pluton. Ces RTG fournissent une énergie fiable pendant des décennies dans l’environnement hostile de l’espace.
Missions dans l’espace lointain : La longue demi-vie et la forte masse volumique énergétique du plutonium le rendent irremplaçable pour les missions au-delà de Mars, où les panneaux solaires deviennent inefficaces. Les futures missions vers les planètes externes et l’espace interstellaire dépendent de sources d’énergie au plutonium.
Stimulateurs cardiaques : Le plutonium-238 a alimenté les premiers stimulateurs cardiaques, fournissant une énergie fiable aux patients pendant plus de 20 ans. Bien que les nouvelles technologies de batteries les aient largement remplacés, certains implants médicaux à longue durée de vie utilisent encore des sources d’énergie au plutonium.
Recherche médicale : Des quantités contrôlées d’isotopes du plutonium sont utilisées dans la recherche médicale avancée pour comprendre les effets des rayonnements et mettre au point de nouveaux traitements contre le cancer, ce qui exige toutefois les protocoles de sécurité les plus stricts.
Recherche fondamentale : Les propriétés nucléaires uniques du plutonium sont essentielles à l’étude de la fission nucléaire, des réactions de fusion et du comportement des noyaux lourds. Ces recherches approfondissent notre compréhension de la nucléosynthèse stellaire et de l’origine des éléments lourds dans l’Univers.
Sources de neutrons : Les sources de neutrons plutonium-béryllium sont utilisées dans les réacteurs de recherche, l’analyse par activation neutronique et la diagraphie dans l’industrie pétrolière pour localiser les ressources souterraines.
Recyclage du combustible nucléaire : Dans des pays disposant de programmes nucléaires avancés comme la France et le Japon, le plutonium extrait du combustible nucléaire usé est recyclé en nouveau combustible MOX (à oxydes mixtes), ce qui réduit les déchets nucléaires et prolonge les ressources en uranium.
Normes des laboratoires de recherche : De minuscules quantités d’isotopes du plutonium servent d’étalons de référence dans les laboratoires nucléaires pour étalonner les équipements de détection et étudier la chimie des actinides.
Missions de la NASA : Le plutonium-238 est la seule source d’énergie pratique pour les missions dans l’espace lointain. Les réserves limitées de la NASA alimentent des missions essentielles comme les rovers martiens et les explorateurs des planètes externes, ce qui le rend plus précieux que l’or pour l’exploration spatiale.
Chimie nucléaire : Les centres de recherche utilisent le plutonium pour étudier la chimie des éléments transuraniens, les processus de désintégration nucléaire et les propriétés fondamentales des noyaux lourds.
Analyse par activation neutronique : Les sources de neutrons plutonium-béryllium aident à analyser la composition des matériaux en géologie, en archéologie et en science des matériaux.
Remarque importante : Toutes les utilisations du plutonium sont strictement réglementées par les autorités nucléaires internationales. Il n’existe aucune utilisation grand public en raison de sa radioactivité extrême et de son potentiel militaire.
D’où il vient
0 mg/kg de la croûte terrestre · plus abondant que 0 % des éléments
Formation naturelle à l’état de traces : Bien que le plutonium soit essentiellement synthétique, des quantités extrêmement faibles (mesurées en parties par billion) ont été détectées dans des gisements de minerai d’uranium comme ceux du Gabon, en Afrique. Ces traces se forment lors de réactions nucléaires naturelles extrêmement rares, lorsque l’uranium capture des neutrons issus des rayons cosmiques ou de la fission spontanée.
Transmutation de l’uranium : La quasi-totalité du plutonium est produite artificiellement dans des réacteurs nucléaires lorsque l’uranium-238 absorbe des neutrons et subit une désintégration bêta. Ce processus se produit naturellement dans tout réacteur alimenté à l’uranium, faisant du plutonium un sous-produit de la production d’énergie nucléaire.
Production contrôlée : Des réacteurs de production spécialisés peuvent être optimisés pour maximiser la production de plutonium en contrôlant soigneusement le flux de neutrons et le temps d’exposition du combustible. La qualité et la composition isotopique du plutonium dépendent fortement de ces paramètres de production.
Stocks mondiaux : Environ 500 tonnes métriques de plutonium existent dans le monde, principalement sous forme de sous-produits de la production d’énergie nucléaire. Cela représente l’un des matériaux les plus étroitement surveillés et sécurisés sur Terre.
Qualité militaire contre qualité réacteur : La qualité du plutonium varie considérablement : le plutonium de qualité militaire (>93 % Pu-239) nécessite des techniques de production particulières, tandis que le plutonium de qualité réacteur contient plusieurs isotopes et convient moins bien aux armes, mais parfaitement à la production d’énergie.
Production de combustible MOX : Des pays comme la France retraitent le combustible nucléaire usé pour en extraire le plutonium et le recycler en nouveau combustible, créant ainsi un cycle fermé du combustible nucléaire qui réduit les déchets et prolonge les ressources en uranium.
Manipulation
Plutonium est radioactif. Il ne possède aucun isotope stable : chaque noyau se désintègre. Sa manipulation exige un blindage et des autorisations appropriés.
Radioactivité mortelle : Le plutonium est l’une des substances les plus toxiques connues de l’humanité. Une particule microscopique de plutonium-239 inhalée dans les poumons peut provoquer un cancer du poumon des décennies plus tard. Même des quantités de l’ordre du nanogramme présentent de graves risques pour la santé.
Rayonnement alpha : Le plutonium émet des particules alpha qui ne peuvent pas traverser la peau, mais qui causent des dommages dévastateurs si de la poussière de plutonium est inhalée ou ingérée. Les particules alpha détruisent l’ADN cellulaire et provoquent des cancers, des mutations génétiques et le mal des rayons.
Exposition à long terme : Le plutonium-239 a une demi-vie de 24 100 ans, ce qui signifie qu’il reste dangereux pendant des centaines de milliers d’années. Une fois présent dans l’organisme, il se concentre dans les os et les organes, provoquant une exposition aux rayonnements pendant toute la vie.
Sécurité nucléaire : Tout le plutonium est soumis aux protocoles de sécurité internationaux les plus stricts en raison de son potentiel militaire. Son transport, son stockage et sa manipulation nécessitent plusieurs niveaux d’autorisation et une sécurité armée.
Systèmes de confinement : Le travail avec le plutonium exige des boîtes à gants spécialisées, un confinement à pression négative, une surveillance continue de l’air et des équipes d’intervention d’urgence. Même les quantités destinées à la recherche nécessitent des mesures de sécurité extraordinaires.
Protocole de contamination : Toute exposition présumée au plutonium nécessite une prise en charge médicale immédiate par des spécialistes formés à la médecine des rayonnements. Les procédures de décontamination sont complexes et doivent être mises en œuvre sans délai.
Sécurité publique : L’exposition des civils au plutonium est évitée grâce à de multiples barrières réglementaires, à des traités internationaux et à des mesures de sécurité physique qui en font l’une des matières les plus strictement contrôlées sur Terre.
Réponses rapides
Plutonium (symbole Pu) est l’élément 94 du tableau périodique, un actinide de la période 7. L’élément qui a rendu l’âge atomique possible et qui alimente les engins spatiaux au-delà de la portée du Soleil. À température ambiante, c’est un solide et il est radioactif.
[Rn] 5f⁶ 7s² ; elle comporte 7 couches occupées, avec la répartition 2, 8, 18, 32, 24, 8, 2.Plutonium fond à 913 K (639.9 °C) et bout à 3505 K (3231.9 °C).
Plutonium n’a aucun isotope stable ; il n’a donc pas de masse atomique standard. La valeur indiquée, 244, est le nombre de masse de son isotope connu ayant la plus longue durée de vie.
Plutonium a une masse volumique de 19.85 g/cm³. L’eau a une masse volumique de 1.0 g/cm³ ; un bloc de Plutonium est donc environ 19.9× plus lourd.
Plutonium a une électronégativité de Pauling de 1.28. L’échelle va de 0.70 (le francium, le moins attiré par les électrons) à 3.98 (le fluor, le plus attiré). Les valeurs de cette plage intermédiaire tendent à former des liaisons covalentes plutôt que des liaisons fortement ioniques.
Plutonium a été découvert en 1940 par Seaborg, McMillan, Kennedy & Wahl. Il porte le nom de pluton, plus éloignée que Neptune.
Plutonium n’existe pas naturellement sur Terre en quantité significative — il est produit dans un réacteur ou un accélérateur.
Oui. Plutonium ne possède aucun isotope stable — chacun de ses noyaux se désintègre. De faibles quantités sont présentes naturellement comme produits de désintégration d’éléments plus lourds.