Le plutonium est fabriqué à partir de l’uranium-238. Le 239Pu est normalement créé dans les réacteurs nucléaires par transmutation d’atomes individuels de l’un des isotopes de l’uranium présents dans les barres de combustible. Parfois, lorsqu’un atome de 238U est exposé à un rayonnement neutronique, son noyau capture un neutron, le transformant en 239U. Cela se produit plus facilement avec une énergie cinétique plus faible (l’activation de la fission du 238U étant de 6,6 MeV). Le 239U subit alors rapidement deux désintégrations β – une émission d’un électron et d’un anti-neutrino ( ν ¯ e {\displaystyle {\bar {\nu }}_{e}}
), laissant un proton – la première désintégration β- transformant le 239U en neptunium 239, et la seconde désintégration β- transformant le 239Np en 239Pu : U 92 238 + n 0 1 ⟶ U 92 239 → 23,5 min β – Np 93 239 → 2.356 d β – Pu 94 239 {\displaystyle {\ce {{}^{238}_{92}U + {}^{1}_{0}n -> {}^{239}_{92}U -> {}^{239}_{93}Np -> {}^{239}_{94}Pu}}}
L’activité de fission est relativement rare, donc même après une exposition importante, le 239Pu est toujours mélangé à une grande quantité de 238U (et éventuellement d’autres isotopes de l’uranium), d’oxygène, d’autres composants de la matière d’origine et de produits de fission. Ce n’est que si le combustible a été exposé pendant quelques jours dans le réacteur que le 239Pu peut être séparé chimiquement du reste de la matière pour donner un métal 239Pu de haute pureté.
Le 239Pu a une probabilité de fission plus élevée que le 235U et un plus grand nombre de neutrons produits par événement de fission, il a donc une masse critique plus petite. Le 239Pu pur a également un taux raisonnablement faible d’émission de neutrons due à la fission spontanée (10 fission/s-kg), ce qui rend possible l’assemblage d’une masse hautement supercritique avant le début d’une réaction en chaîne par détonation.
Dans la pratique, cependant, le plutonium produit par les réacteurs contiendra invariablement une certaine quantité de 240Pu en raison de la tendance du 239Pu à absorber un neutron supplémentaire pendant la production. Le 240Pu a un taux élevé d’événements de fission spontanée (415 000 fissions/s-kg), ce qui en fait un contaminant indésirable. Par conséquent, le plutonium contenant une fraction significative de 240Pu n’est pas adapté à l’utilisation dans les armes nucléaires ; il émet des radiations neutroniques, ce qui rend sa manipulation plus difficile, et sa présence peut conduire à un » fizzle » dans lequel une petite explosion se produit, détruisant l’arme mais ne provoquant pas la fission d’une fraction significative du combustible. (Toutefois, dans les armes nucléaires modernes qui utilisent des générateurs de neutrons pour l’amorçage et la stimulation de la fusion pour fournir des neutrons supplémentaires, le pétillement n’est pas un problème). C’est en raison de cette limitation que les armes à base de plutonium doivent être de type implosion, plutôt que de type canon. De plus, le 239Pu et le 240Pu ne peuvent être distingués chimiquement, il faudrait donc procéder à une séparation isotopique coûteuse et difficile pour les séparer. Le plutonium de qualité militaire est défini comme ne contenant pas plus de 7 % de 240Pu ; ceci est obtenu en n’exposant le 238U à des sources de neutrons que pendant de courtes périodes afin de minimiser le 240Pu produit.
Le plutonium est classé en fonction du pourcentage de plutonium-240 contaminant qu’il contient :
- Supergrade 2-3%
- Grade d’armement 3-7%
- Grade de combustible 7-18%
- Grade de réacteur 18% ou plus
Un réacteur nucléaire qui est utilisé pour produire du plutonium pour les armes possède donc généralement un moyen d’exposer le 238U aux radiations neutroniques et de remplacer fréquemment le 238U irradié par du 238U neuf. Un réacteur fonctionnant à l’uranium non enrichi ou modérément enrichi contient une grande quantité de 238U. Cependant, la plupart des modèles de réacteurs nucléaires commerciaux nécessitent l’arrêt de l’ensemble du réacteur, souvent pendant des semaines, afin de changer les éléments combustibles. Ils produisent donc du plutonium dans un mélange d’isotopes qui n’est pas bien adapté à la construction d’armes. Un tel réacteur pourrait être doté d’une machinerie qui permettrait de placer des balles de 238U près du cœur et de les changer fréquemment, ou il pourrait être arrêté fréquemment, de sorte que la prolifération est une préoccupation ; pour cette raison, l’Agence internationale de l’énergie atomique inspecte souvent les réacteurs autorisés. Quelques modèles de réacteurs de puissance commerciaux, tels que le reaktor bolshoy moshchnosti kanalniy (RBMK) et le réacteur à eau lourde pressurisée (PHWR), permettent le ravitaillement en combustible sans arrêts, et ils peuvent présenter un risque de prolifération. (En fait, le RBMK a été construit par l’Union soviétique pendant la guerre froide, de sorte que malgré leur finalité ostensiblement pacifique, il est probable que la production de plutonium ait été un critère de conception). En revanche, le réacteur canadien CANDU à eau lourde modérée et à l’uranium naturel peut également être rechargé en cours de fonctionnement, mais il consomme normalement la majeure partie du 239Pu qu’il produit in situ ; ainsi, non seulement il est intrinsèquement moins proliférant que la plupart des réacteurs, mais il peut même être exploité comme un « incinérateur d’actinides ». Le réacteur américain IFR (Integral Fast Reactor) peut également être exploité en « mode incinération », ce qui présente l’avantage de ne pas accumuler l’isotope de plutonium-242 ou les actinides à longue durée de vie, qui ne peuvent être brûlés facilement que dans un réacteur rapide. De plus, le combustible de l’IFR contient une proportion élevée d’isotopes brûlables, alors que dans le CANDU, un matériau inerte est nécessaire pour diluer le combustible ; cela signifie que l’IFR peut brûler une fraction plus élevée de son combustible avant de devoir le retraiter. La plupart du plutonium est produit dans des réacteurs de recherche ou des réacteurs de production de plutonium appelés surgénérateurs, car ils produisent plus de plutonium qu’ils ne consomment de combustible ; en principe, ces réacteurs font un usage extrêmement efficace de l’uranium naturel. En pratique, leur construction et leur exploitation sont suffisamment difficiles pour qu’ils ne soient généralement utilisés que pour produire du plutonium. Les surgénérateurs sont généralement (mais pas toujours) des réacteurs rapides, car les neutrons rapides sont un peu plus efficaces pour la production de plutonium.
Le plutonium-239 est plus fréquemment utilisé dans les armes nucléaires que l’uranium-235, car il est plus facile à obtenir en quantité de masse critique. Le plutonium-239 et l’uranium-235 sont tous deux obtenus à partir de l’uranium naturel, qui est principalement constitué d’uranium-238 mais contient des traces d’autres isotopes de l’uranium comme l’uranium-235. Le processus d’enrichissement de l’uranium, c’est-à-dire l’augmentation du rapport entre 235U et 238U pour atteindre la qualité militaire, est généralement un processus plus long et plus coûteux que la production de plutonium-239 à partir de 238U et le retraitement ultérieur.
Plutonium supergradeEdit
Le combustible de fission « supergrade », qui a moins de radioactivité, est utilisé dans l’étage primaire des armes nucléaires de l’US Navy à la place du plutonium conventionnel utilisé dans les versions de l’Air Force. « Supergrade » est le terme utilisé par l’industrie pour désigner un alliage de plutonium contenant une fraction exceptionnellement élevée de 239Pu (>95%), laissant une très faible quantité de 240Pu, qui est un isotope à fission spontanée élevée (voir ci-dessus). Ce plutonium est produit à partir de barres de combustible qui ont été irradiées pendant une très courte période, mesurée en MW-jour/tonne de combustion. Des durées d’irradiation aussi faibles limitent la quantité de capture de neutrons supplémentaires et donc l’accumulation de produits isotopiques alternatifs tels que le 240Pu dans le crayon, et aussi par conséquent est considérablement plus coûteux à produire, nécessitant beaucoup plus de crayons irradiés et traités pour une quantité donnée de plutonium.
Le plutonium-240, en plus d’être un émetteur de neutrons après la fission, est un émetteur gamma, et est donc responsable d’une grande fraction du rayonnement des armes nucléaires stockées. Qu’ils soient en patrouille ou au port, les membres d’équipage des sous-marins vivent et travaillent régulièrement à proximité des armes nucléaires stockées dans les salles des torpilles et les tubes des missiles, contrairement aux missiles de l’armée de l’air où les expositions sont relativement brèves. La nécessité de réduire l’exposition aux rayonnements justifie les coûts supplémentaires de l’alliage supergrade de première qualité utilisé sur de nombreuses armes nucléaires navales. Le plutonium supergrade est utilisé dans les ogives W80.