Voir la source de Plutonium

{{Infobox Élément/Plutonium}}
{{Voir homonymie|Plutonium (homonymie)}}

Le '''plutonium''' est l'[[élément chimique]] de [[Symbole chimique|symbole]] Pu et de [[numéro atomique]] 94. C'est un [[métal]] [[Radioactivité|radioactif]] [[transuranien]] de la [[Famille d'éléments chimiques|famille]] des [[actinide]]s. Il se présente sous la forme d'un solide cristallisé dont les surfaces fraîches sont gris argenté mais se couvrent en quelques minutes, en présence d'humidité, d'une couche terne de couleur grise, tirant parfois sur le vert olive, constituée d'[[oxyde]]s et d'[[hydrure]]s ; l'accroissement de volume qui en résulte peut atteindre 70 % d'un bloc de plutonium pur, et la substance ainsi formée tend à se désagréger en une poudre [[pyrophorique]].

Le plutonium a été produit et isolé pour la première fois le {{nobr|14 décembre 1940}} à l'[[université de Californie à Berkeley]] en bombardant de l'{{nobr|[[uranium 238]]}} par du [[deutérium]]. Venant à la suite de l'[[uranium]] et du [[neptunium]] dans le [[Tableau périodique des éléments|tableau périodique]], ce nouvel élément chimique a été nommé en référence à [[Pluton (planète naine)|Pluton]], qui vient à la suite des planètes [[Uranus (planète)|Uranus]] et [[Neptune (planète)|Neptune]] dans le [[Système solaire]]. C'est un [[élément synthétique]], produit artificiellement par l'homme, mais on rapporte également l'observation de [[Trace (chimie)|traces]] de plutonium naturel dans des [[Minerai d'uranium|minerais d'uranium]]. Il s'agit d'un métal lourd [[Radiotoxicité|radiotoxique]] qui tend à s'accumuler dans les [[os]] et, dans une moindre mesure, dans le [[foie]]. On observe couramment quatre [[État d'oxydation|états d'oxydation]] du plutonium, de +3 à +6 (l'état +7 est rare), avec des colorations distinctes. La structure électronique du métal pur est déterminée par la [[Théorie des bandes|bande]] 5f, qui présente la plus grande [[Densité d'états électroniques|densité d'états]] au [[niveau de Fermi]] ; particulièrement étroite, la bande 5f tend à localiser les électrons qui s'y trouvent, de sorte que le plutonium pur à température ambiante est semblable aux [[Fermion lourd|matériaux à fermions lourds]], avec une [[capacité thermique]] et une [[résistivité]] [[Électricité|électrique]] élevées.

On connaît pas moins de six [[allotropes du plutonium]] à [[pression atmosphérique]], et un septième au-delà de {{unité|60|MPa}}. Ils ont des propriétés bien tranchées et souvent inhabituelles pour un métal. Ainsi, le plutonium {{serif|α}}, stable à température ambiante, est l'un des très rares métaux à [[cristal]]liser dans le [[Système cristallin monoclinique|système monoclinique]] ; ses propriétés physiques et structurelles relèvent davantage des [[Minéral|minéraux]] que des métaux usuels, tandis que ses propriétés mécaniques rappellent celles de la [[Fonte (métallurgie)|fonte]]. Le plutonium {{serif|δ}}, stable à température plus élevée ou avec une faible [[fraction molaire]] de [[gallium]], cristallise en revanche dans une [[Maille (cristallographie)|maille]] [[cubique à faces centrées]], avec une [[masse volumique]] inférieure de près de 20 % à celle du plutonium {{serif|α}} ; il est davantage métallique, avec des propriétés mécaniques semblables à l'[[aluminium]], mais un coefficient de [[dilatation thermique]] négatif (il se contracte en chauffant). Le plutonium est également l'un des rares éléments chimiques dont le liquide est plus dense que le solide au [[point de fusion]]. L'existence de multiples allotropes aux [[Énergie interne|énergies internes]] voisines rend la [[Mise en forme d'un matériau|mise en forme]] du plutonium particulièrement délicate, au point qu'on utilise plutôt un [[alliage plutonium-gallium]], qui stabilise la phase {{serif|δ}} à température ambiante, ce qui facilite l'[[usinage]] des pièces en plutonium.

Le [[plutonium 239]] et le [[plutonium 241]] sont des [[Isotope fissile|isotopes fissiles]] par [[neutron thermique|neutrons thermiques]], ce qui signifie qu'ils peuvent contribuer à une [[Réaction en chaîne (nucléaire)|réaction nucléaire en chaîne]] et qu'ils peuvent être utilisés dans la conception d'[[Arme nucléaire|armes nucléaires]] et de [[Réacteur nucléaire|réacteurs nucléaires]]. Le {{nobr|[[plutonium 240]]}} présente un taux de [[fission spontanée]] très élevé qui impose d'en maintenir un taux inférieur à 7 % dans le plutonium de qualité militaire. Le {{nobr|[[plutonium 238]]}} a une [[Période radioactive|demi-vie]] de {{unité|88|ans}} et émet des [[Particule alpha|particules α]] ; c'est une source de chaleur souvent utilisée par les [[Générateur thermoélectrique à radioisotope|générateurs thermoélectriques à radioisotopes]] pour alimenter certaines [[Sonde spatiale|sondes spatiales]] en électricité. La séparation des isotopes du plutonium est difficile et ils sont généralement produits spécifiquement par des réacteurs spécialisés. La production de plutonium en quantité suffisante a été l'un des objectifs du [[projet Manhattan]] au cours de la [[Seconde Guerre mondiale]] afin de développer les premières bombes nucléaires. La première explosion atomique, l'essai [[Trinity (essai atomique)|Trinity]], a utilisé une charge en plutonium, de même que ''{{lang|en|[[Fat Man]]}}'', la bombe atomique larguée sur [[Bombardements atomiques d'Hiroshima et Nagasaki|Nagasaki]] ; la bombe ''{{lang|en|[[Little Boy]]}}'' larguée trois jours plus tôt sur [[Hiroshima]] avait quant à elle un cœur en [[uranium enrichi]].

== Propriétés ==

<gallery mode="packed" heights="220px">
Fichier:Pu,94.jpg | {{Centrer|Plutonium vu par la tranche sur le ''{{lang|en|salt cake}}'' issu du procédé multicycle de réduction directe d'oxyde ({{Abréviation|MCDOR|MultiCycle Direct Oxide Reduction}}) : le [[dioxyde de plutonium]] {{fchim|PuO|2}} est dissous dans le [[chlorure de calcium]] {{fchim|CaCl|2}} fondu de {{tmp|820|875|°C}} dans un creuset en [[oxyde de magnésium]] MgO pour y être réduit en plutonium métallique<ref name="ARQ 2018-10 p.10">{{Lien web | langue = en | format = pdf | auteur1 = David L. Clark, Gordon Jarvinen, Cynthia Kowalczyk, Jim Rubin et Mary Ann Stroud  | url = http://www.lanl.gov/discover/publications/actinide-research-quarterly/pdfs/ARQ-2008-10.pdf | titre = Nitric Acid Processing | série = Actinide Research Quarterly — 3rd Quarter 2008 | mois = octobre | année = 2008 | site = Actinide Research Quarterly (ARQ) sur le site du [[Laboratoire national de Los Alamos|Los Alamos National Laboratory]] | éditeur = Seaborg Institute for Transactinium Science | page = 10 | consulté le = 7 août 2017}}.</ref>.}}
Fichier:RayonsIonique&MétalliqueDesActinides.JPG | {{Centrer|[[Rayon métallique]] (en noir) des [[actinide]]s. On observe que le rayon métallique du [[protactinium]], de l'[[uranium]], du [[neptunium]] et du plutonium est sensiblement inférieur à celui des autres [[actinide]]s ([[thorium]], [[américium]], [[curium]], [[berkélium]], etc.). Cet effet est imputable aux [[électron]]s des [[Orbitale atomique|orbitales]] 5f.}}
</gallery>

=== Physique ===

Le plutonium est un [[métal]] de la [[Famille d'éléments chimiques|famille]] des [[actinide]]s présentant, comme la plupart des autres métaux, un aspect argenté brillant comme le [[nickel]]. Cependant, au contact de l'air, il se recouvre rapidement d'une couche terne grisâtre, avec des couleurs pouvant tirer sur le jaune ou le vert olive, cette dernière teinte provenant du [[dioxyde de plutonium]]<ref name="ARQ 2018-10 p.6">
{{Lien web
 | langue      = en
 | format      = pdf
 | auteur1     = David L. Clark, Gordon Jarvinen, Cynthia Kowalczyk, Jim Rubin et Mary Ann Stroud 
 | url         = http://www.lanl.gov/discover/publications/actinide-research-quarterly/pdfs/ARQ-2008-10.pdf
 | titre       = Nitric Acid Processing
 | série       = Actinide Research Quarterly — 3rd Quarter 2008
 | mois        = octobre
 | année       = 2008
 | site        = Actinide Research Quarterly (ARQ) sur le site du [[Laboratoire national de Los Alamos|Los Alamos National Laboratory]]
 | éditeur     = Seaborg Institute for Transactinium Science
 | page        = 6
 | consulté le = 5 août 2017
}} : {{Citation bloc|''{{lang|en|While plutonium dioxide is normally olive green, samples can be various colors. It is generally believed that the color is a function of chemical purity, stoichiometry, particle size, and method of preparation, although the color resulting from a given preparation method is not always reproducible.}}''}}.</ref> {{fchim|PuO|2}}.

Comme le [[neptunium]] et l'[[uranium]] — et, dans une moindre mesure, le [[protactinium]] — la structure électronique du plutonium aux [[conditions normales de température et de pression]] est déterminée par les [[Orbitale atomique|orbitales]] 5f, qui contribuent de manière prépondérante aux liaisons interatomiques. Les distances entre atomes s'en trouvent réduites dans ces matériaux, qui présentent de ce fait une [[masse volumique]] particulièrement élevée : celle du plutonium vaut {{unité|19.816|g/cm3}}, plus du double de celle de l'[[einsteinium]] ({{unité|8.84|g/cm3}}), qui a pourtant une [[masse atomique]] supérieure. Or les distances interatomiques dans un [[cristal]] influencent la largeur des [[Théorie des bandes|bandes électroniques]] : plus ces distances sont petites, plus les bandes sont étroites. La bande 5f étant mathématiquement moins large que les bandes 6d et 7s, elle devient ici suffisamment étroite pour tendre à localiser les électrons dans le cristal, dont les propriétés métalliques sont par conséquent fortement dégradées<ref name="LAS:26.90">
{{Article
 | langue      = en
 | nom1        = A. Michael Boring et James L. Smith
 | titre       = Plutonium Condensed-Matter Physics – A survey of theory and experiment
 | périodique  = Los Alamos Science 
 | numéro      = 26
 | année       = 2000
 | pages       = 90-127
 | url texte   = http://permalink.lanl.gov/object/tr?what=info:lanl-repo/lareport/LA-UR-00-1865
 | consulté le = 5 août 2017
 }}</ref>. De là provient toute la complexité du plutonium : compte tenu de la structure de bandes très particulière du matériau, où les bandes 5f et 6d ont des niveaux d'énergie très voisins, les électrons 5f du plutonium sont à la limite entre état localisé et état délocalisé dans le cristal, de sorte qu'une légère variation d'énergie interne suffit pour passer de l'un à l'autre, ce qui se traduit par des modifications brutales des propriétés macroscopiques du matériau.

Conséquence de l'influence des électrons 5f, les cristaux des actinides légers sont moins symétriques que ceux des métaux usuels, car les orbitales 5f sont très directionnelles<ref name="LAS:26.290">
{{Article
 | langue      = en
 | nom1        = Siegfried S. Hecker
 | titre       = Plutonium and Its Alloys – From atoms to microstructure
 | périodique  = Los Alamos Science
 | numéro      = 26
 | année       = 2000
 | pages       = 290-335
 | url texte   = https://fas.org/sgp/othergov/doe/lanl/pubs/00818035.pdf
 | consulté le = 5 août 2017
 }}</ref>, et contraignent la géométrie des cristaux. Le protactinium cristallise dans le [[Système cristallin tétragonal|système quadratique]], moins symétrique que ceux des métaux usuels, tandis que l'uranium et le neptunium cristallisent dans le [[Système réticulaire orthorhombique|système orthorhombique]], encore moins symétrique, et que le plutonium cristallise dans le [[Système cristallin monoclinique|système monoclinique]], le moins symétrique de tous. Il s'ensuit que le plutonium à l'état standard est peu [[Ductilité|ductile]], peu [[Malléabilité|malléable]], peu [[Déformation plastique|plastique]], et est au contraire plutôt dur et fragile ; on compare souvent ses propriétés mécaniques à celles de la [[fonte grise]]<ref name="LAS:26.336">
{{Article
 | langue      = en
 | nom1        = Siegfried S. Hecker et Michael F. Stevens
 | titre       = Mechanical Behavior of Plutonium and Its Alloys
 | périodique  = Los Alamos Science 
 | numéro      = 26
 | année       = 2000
 | pages       = 336-355
 | url texte   = http://permalink.lanl.gov/object/tr?what=info:lanl-repo/lareport/LA-UR-00-2478
 | consulté le = 5 août 2017
 }}</ref>.

Autre conséquence de l'influence des électrons 5f, le plutonium à l'état standard présente une faible [[conductivité électrique]] et une faible [[conductivité thermique]], mais une [[capacité thermique]] élevée, ce qui l'apparente aux [[Fermion lourd|matériaux à fermions lourds]]<ref name="LAS:26.90"/>. De plus, sa conductivité électrique tend à décroître lorsqu'on refroidit le matériau<ref name="Miner1968">{{en}} William N. Miner et Fred W. Schonfeld, « Plutonium », ''The Encyclopedia of the Chemical Elements'', 1968, Clifford A. Hampel, Reinhold Book Corporation, New York, {{pp.|540–546}}</ref>, ce qui est à l'opposé du comportement habituel des métaux. La tendance s'observe jusqu'à {{unité|100|K}}, puis s'inverse pour le plutonium frais ; la résistivité croît cependant avec le temps en raison des dommages au réseau cristallin dus à la radioactivité.

{| class="wikitable" align="center" style="text-align:right;"
|+ Propriétés comparées du plutonium et d'autres métaux usuels<ref name="LAS:26.16">
{{Article
 | langue      = en
 | nom1        = Siegfried S. Hecker
 | titre       = Plutonium, an element at odds with itself
 | périodique  = Los Alamos Science
 | numéro      = 26
 | année       = 2000
 | pages       = 16-23
 | url texte   = http://permalink.lanl.gov/object/tr?what=info:lanl-repo/lareport/LA-UR-00-4100-05
 | consulté le = 10 août 2017
 }}</ref>
|-
! [[Métal]]
! [[Conductivité thermique|Conductivité<br>thermique]]
! [[Résistivité]]<br>[[Électricité|électrique]]
! [[Compressibilité]]
! [[Module de Young|Module<br>de Young]]
|-
! Plutonium {{serif|α}}
| {{unité|4.2|W/m/K}}
| {{unité|1.45|µΩ||m}}
| {{unité|0.020|GPa|-1}}
| {{unité|100|GPa}}
|-
! Plutonium {{serif|δ}} ([[Alliage plutonium-gallium|Pu-Ga]])
| {{unité|9.2|W/m/K}}
| {{unité|1.00|µΩ||m}}
| {{unité|0.033|GPa|-1}}
| {{unité|42|GPa}}
|-
! [[Acier inoxydable]]
| {{unité|15|W/m/K}}
| {{unité|0.7|µΩ||m}}
| {{unité|0.0007|GPa|-1}}
| {{unité|180|GPa}}
|-
! [[Aluminium]]
| {{unité|222|W/m/K}}
| {{unité|0.029|µΩ||m}}
| {{unité/2|0.015|GPa|-1}}
| {{unité|70|GPa}}
|}

D'une manière générale, la radioactivité désorganise la structure cristalline du plutonium par accumulation de [[défauts cristallins]]<ref name="LAS:26.290"/>. Cependant, l'auto-irradiation peut également chauffer suffisamment le matériau pour conduire à un [[recuit]], ce qui contrebalance l'effet précédent pour des températures supérieures à {{unité|1000|K}}<ref name="LAS:26.238">
{{Article
 | langue      = en
 | nom1        = Siegfried S. Hecker et Joseph C. Martz
 | titre       = Aging of Plutonium and Its Alloys
 | périodique  = Los Alamos Science
 | numéro      = 26
 | année       = 2000
 | pages       = 238-243
 | url texte   = http://permalink.lanl.gov/object/tr?what=info:lanl-repo/lareport/LA-UR-00-2619
 | consulté le = 5 août 2017
 }}</ref>.

=== Isotopes ===

{{Article détaillé|isotopes du plutonium}}

[[Fichier:Plutonium ring.jpg|vignette|Pièce de {{unité|5.3|kg}} de plutonium électro-raffiné à plus de 99,96 % d'environ {{unité|11|cm}} de diamètre destiné à la fabrication d'une tête nucléaire<ref name="LAS:23.168">
{{Article
 | langue      = en
 | nom1        = Dana C. Christensen
 | titre       = The Future Role of Plutonium Technology
 | périodique  = Los Alamos Science
 | numéro      = 23
 | année       = 1995
 | pages       = 168-173
 | url texte   = http://permalink.lanl.gov/object/tr?what=info:lanl-repo/lareport/LA-UR-95-4005-07
 | consulté le = 7 août 2017
 }}</ref>. La géométrie annulaire vise à prévenir les risques d'[[accident de criticité]].]]

On connaît une vingtaine d'[[isotopes du plutonium]]. Le {{nobr|[[plutonium 244]]}} présente la [[Période radioactive|demi-vie]] la plus longue, avec {{unité|80.8|millions}} d'années, suivi par le {{nobr|[[plutonium 242]]}}, avec {{unité|373300|ans}}, et le {{nobr|[[plutonium 239]]}}, avec {{unité|24110|ans}}. Tous les autres isotopes du plutonium ont une demi-vie inférieure à {{unité|7000|ans}}. Le plutonium présente également huit [[Isomère nucléaire|isomères nucléaires]], dont la demi-vie est toujours inférieure à une seconde<ref name="NNDC Chart">
{{Lien web
 | langue      = en
 | url         = http://www.nndc.bnl.gov/chart/reCenter.jsp?z=94&n=150
 | titre       = Chart of Nuclides
 | site        = National Nuclear Data Center
 | consulté le = 6 août 2017
|brisé le = 2023-11-28}}.</ref>.

Les isotopes connus du plutonium ont une [[masse atomique]] allant de 228 à 247. Le [[mode de désintégration]] privilégié des isotopes plus légers que le {{nobr|plutonium 244}} est la [[fission spontanée]] et la [[Radioactivité α|désintégration α]], qui produit essentiellement du [[neptunium]] et de l'[[uranium]], ainsi qu'une grande variété de [[produits de fission]]. Le mode de désintégration privilégié des isotopes plus lourds que le {{nobr|plutonium 244}} est la [[Radioactivité β|désintégration β]], qui produit essentiellement de l'[[américium]]. Le {{nobr|[[plutonium 241]]}} est l'isotope parent de la série de désintégration du neptunium, qui donne de l'{{nobr|[[américium 241]]}} par désintégration β<ref name="NNDC Chart"/>{{,}}<ref name="0-8306-3018-X">{{en}} David L. Heiserman, « Element 94: Plutonium », ''Exploring Chemical Elements and their Compounds'', 1992, TAB Books, New York (NY), {{pp.|337–340}}. {{ISBN|0-8306-3018-X}}.</ref>.

Le {{nobr|[[plutonium 239]]}} est, avec l'{{nobr|[[uranium 233]]}} et l'{{nobr|[[uranium 235]]}}, l'un des trois principaux [[Isotope fissile|isotopes fissiles]] utilisés par l'[[industrie nucléaire]] ou à des fins militaires. Le {{nobr|[[plutonium 241]]}} est également fortement fissile, c'est-à-dire qu'il peut [[Fission nucléaire|fissionner]] sous l'impact d'un [[neutron thermique]] en libérant suffisamment d'autres neutrons pour permettre la fission d'autres atomes et entretenir ainsi une [[Réaction en chaîne (nucléaire)|réaction en chaîne]] ; il est cependant bien plus radioactif que le {{nobr|plutonium 239}}, et produit, par [[désintégration β]], de l'{{nobr|[[américium 241]]}}, un fort émetteur de [[Particule alpha|particules α]] indésirables dans les applications habituelles du plutonium. Soumis à des neutrons thermiques, les isotopes {{exp|239}}Pu et {{exp|241}}Pu ont une probabilité d'environ {{3}}⁄{{ind|4}} de fissionner et d'environ {{1}}⁄{{ind|4}} de donner du {{exp|240}}Pu et du {{exp|242}}Pu respectivement, de sorte que le taux de {{exp|240}}Pu dans le plutonium résiduel après une réaction nucléaire est supérieur à celui du plutonium initial.

Sensiblement moins radioactif que la plupart des autres isotopes, le {{nobr|plutonium 239}} pur présente cependant un [[Formule des quatre facteurs|facteur de multiplication]] ''k''{{ind|eff}} supérieur à 1, ce qui signifie que ce matériau peut atteindre la [[Masse critique (réaction nucléaire)|masse critique]] pour peu qu'une quantité suffisante de matière soit rassemblée dans le volume approprié<ref name="0-88029-251-2">{{en}} Isaac Asimov, ''Nuclear Reactors'', Understanding Physics, 1988, Barnes & Noble Publishing, New York. {{ISBN|0-88029-251-2}}.</ref>. Au cours de la fission d'un atome, une fraction de l'énergie de [[liaison nucléaire]], qui assure la cohésion du [[noyau atomique]], est libérée sous forme d'[[énergie électromagnétique]] et d'[[énergie cinétique]], cette dernière étant rapidement convertie en [[énergie thermique]]. La fission d'un kilogramme de {{nobr|plutonium 239}} peut produire une explosion équivalente à {{unité|21|kt}} de [[Trinitrotoluène|TNT]] ({{unité|88000|GJ}}). C'est cette énergie qui est utilisée par les [[Réacteur nucléaire|réacteurs nucléaires]] et les [[Arme nucléaire|armes nucléaires]]<ref name="0-8306-3018-X"/>.

La présence de {{nobr|[[plutonium 240]]}} dans une masse de {{nobr|plutonium 239}} limite l'intérêt militaire de celui-ci car cet isotope présente un taux de [[fission spontanée]] supérieur de plus de quatre ordres de grandeur à celui du {{nobr|plutonium 239}} — environ {{unité|440|fissions/s/g}}, soit plus de {{unité|1000|neutrons/s/g}}<ref name="AEC 1972">
{{Lien web
 | langue      = en
 | format      = pdf
 | auteur1     = Samuel Glasstone et Leslie M. Redman
 | url         = https://web.archive.org/web/20090827082245/http://www.doeal.gov/opa/docs/RR00171.pdf
 | titre       = An introduction to nuclear weapons
 | mois        = juin
 | année       = 1972
 | site        = web.archive.org
 | éditeur     = Atomic Energy Commission
 | consulté le = 7 août 2017
}}.</ref> — ce qui dégrade les performances explosives du matériau et accroît les risques d'explosion incontrôlée<ref name="DOE 1999">{{en}} F. G. Gosling, (1999). [http://www.cfo.doe.gov/me70/manhattan/publications/DE99001330.pdf ''The Manhattan Project: Making the Atomic Bomb''] {{Lien archive|url=http://www.cfo.doe.gov/me70/manhattan/publications/DE99001330.pdf |horodatage archive=20090224204033 |titre=Copie archivée }} {{PDF}}, 1999, United States Department of Energy, Oak Ridge. {{ISBN|0-7881-7880-6}}</ref>. Le plutonium est dit de qualité militaire (''{{lang|en|weapon-grade}}'') lorsqu'il contient moins de 7 % de {{nobr|plutonium 240}}, et de qualité combustible (''{{lang|en|fuel-grade}}'') lorsqu'il en contient moins de 19 %. Le plutonium haute qualité (''{{lang|en|supergrade}}''), contenant moins de 4 % de {{nobr|plutonium 240}}, est utilisé, en raison de sa plus faible radioactivité, pour les armes nucléaires devant être conservées à proximité immédiate des équipages, dans les [[Sous-marin nucléaire lanceur d'engins|sous-marins nucléaires lanceurs d'engins]] et les divers types de [[Navire de guerre|navires de guerre]] par exemple<ref name="DOE 1996">
{{Lien web
 | langue      = en
 | format      = pdf
 | url         = https://web.archive.org/web/20130218162928/http://www.doeal.gov/SWEIS/DOEDocuments/004%20DOE-DP-0137%20Plutonium%2050%20Years.pdf
 | titre       = Plutonium: the 50 Years
 | année       = 1996
 | site        = web.archive.org
 | éditeur     = U.S. Department of Energy
 | consulté le = 7 août 2017
}}.</ref>. Le {{nobr|[[plutonium 238]]}} n'est pas fissile mais peut facilement être fissionné sous l'effet de neutrons rapides ainsi que d'une [[radioactivité α]]<ref name="0-8306-3018-X"/>.

[[Fichier:PuIsotopes.svg|redresse=2|vignette|Chaînes Th-U et U-Pu.]]

Les deux principaux isotopes synthétisés sont le {{nobr|[[plutonium 238]]}} et le {{nobr|[[plutonium 239]]}}<ref name="0-8306-3018-X"/>. Le {{nobr|plutonium 239}} est produit par [[capture neutronique]] puis désintégration β à partir d'{{nobr|[[uranium 238]]}}<ref name="10.1103/PhysRev.70.555">
{{Article
 | langue      = en
 | nom1        = J. W. Kennedy, G. T. Seaborg, E. Segrè et A. C. Wahl
 | titre       = Properties of 94(239)
 | périodique  = Physical Review
 | volume      = 70
 | numéro      = 7-8
 | mois        = octobre
 | année       = 1946
 | pages       = 555-556
 | url texte   = https://journals.aps.org/pr/abstract/10.1103/PhysRev.70.555
 | consulté le = 6 août 2017
 | doi         = 10.1103/PhysRev.70.555
 | bibcode     = 1946PhRv...70..555K
}}</ref> :
:{{Nucléide|1|0|n|Neutron}} + {{Nucléide|238|92|U|Uranium 238}} ⟶ {{Nucléide|239|92|U|Uranium 239}} <math>\mathrm{\xrightarrow[23.5 \ min]{\beta^-}}</math> {{Nucléide|239|93|Np|Neptunium 239}} <math>\mathrm{\xrightarrow [2.3565 \ d]{\beta^-}}</math> {{Nucléide|239|94|Pu|Plutonium 239}}.

Les [[neutron]]s issus de la [[Fission nucléaire|fission]] de l'{{nobr|[[uranium 235]]}} sont absorbés par les [[Noyau atomique|noyaux]] d'{{nobr|[[uranium 238]]}} pour former de l'{{nobr|[[uranium 239]]}} ; une [[Radioactivité β|désintégration β]] convertit alors un neutron en [[proton]] pour former du {{nobr|[[neptunium 239]]}}, converti par une seconde désintégration β en {{nobr|[[plutonium 239]]}}.

Le {{nobr|[[plutonium 238]]}} est produit par bombardement d'{{nobr|[[uranium 238]]}} avec des [[ion]]s de [[deutérium]]<ref name="10.1103/PhysRev.69.366">
{{Article
 | langue      = en
 | nom1        = Louis A. Turner
 | titre       = Atomic Energy from U{{exp|238}}
 | périodique  = Physical Review
 | volume      = 69
 | numéro      = 7-8
 | mois        = avril
 | année       = 1946
 | pages       = 366-366
 | url texte   = https://journals.aps.org/pr/abstract/10.1103/PhysRev.69.366
 | consulté le = 6 août 2017
 | doi         = 10.1103/PhysRev.69.366
 | bibcode     = 1946PhRv...69..366T
}}</ref> :
:{|
 | {{Nucléide|2|1|D|Deutérium}} + {{Nucléide|238|92|U|Uranium 238}} ⟶ || {{Nucléide|238|93|Np|neptunium 238}} + 2 {{Nucléide|1|0|n|Neutron}}
 |- 
 | || {{Nucléide|238|93|Np|Neptunium 238}} <math>\mathrm{\xrightarrow[2{,}117\;\mathrm j]{\beta^-}}</math> {{Nucléide|238|94|Pu|Plutonium 238}}
 |}

=== Radioactivité ===

Hormis le {{nobr|plutonium 240}}, qui présente un fort taux de [[fission spontanée]], et le {{nobr|plutonium 241}}, qui se désintègre par [[radioactivité β]], la désintégration spontanée des principaux isotopes du plutonium se fait essentiellement par [[radioactivité α]], c'est-à-dire par émission de [[Particule alpha|particules α]] (He{{exp|2+}}) qui se recombinent avec des [[électron]]s du métal pour former de l'[[hélium]], tandis que le plutonium est [[Transmutation|transmuté]] en [[uranium]]. Ainsi, un cœur typique d'arme nucléaire de {{unité|5|kg}} contient {{unité|12.5e24|atomes}} donnant une [[Activité (physique)|activité]] de {{unité|11.5e12|Bq}} ([[Désintégration radioactive|désintégrations]] par seconde) émettant des particules α, ce qui correspond globalement à une puissance de {{unité|9.68|W}} <ref name="978-0-8306-3018-9">
{{Ouvrage
 | langue           = en
 | prénom1          = David L.
 | nom1             = Heiserman
 | titre            = Exploring Chemical Elements and their Compounds
 | lieu             = New York (NY)
 | éditeur          = TAB Books
 | année            = 1992
 | numéro d'édition = 1
 | pages totales    = 376
 | passage          = 337–340
 | isbn             = 978-0-8306-3018-9
 | lccn             = 91017687
 | titre chapitre   = Element 94: Plutonium
}}</ref>{{,}}<ref name="978-0-671-65719-2">
{{Ouvrage|langue=en|prénom1=Richard|nom1=Rhodes|lien auteur1=Richard Rhodes|titre=[[The Making of the Atomic Bomb]]|lieu=New York|éditeur=[[Simon & Schuster]]|année=1986|numéro d'édition=1|pages totales=886|format livre=poche|passage=659–660|isbn=978-0-671-65719-2|lccn=86015445}} Leona Marshall : « Quand vous en prenez un lingot en main, on sent qu'il est chaud comme un lapin vivant ».</ref>.

:{| class="wikitable" style="text-align:right;"
|+ Modes de désintégration principaux d'isotopes du plutonium<ref name="ISRN 2004">
{{Lien web
 | langue       = fr
 | format       = pdf
 | auteur1      = K. Beaugelin-Seiller, D. Boust, P. Germain, S. Roussel-Debet et C. Colle
 | url          = http://www.irsn.fr/FR/Larecherche/publications-documentation/fiches-radionucleides/Documents/environnement/Plutonium_Pu239_v2.pdf
 | titre        = Plutonium et environnement
 | série        = Fiche Radionucléide
 | jour         = 1
 | mois         = septembre
 | année        = 2004
 | site         = irsn.fr
 | éditeur      = [[Institut de radioprotection et de sûreté nucléaire]]
 | consulté le  = 13 août 2017
}}.</ref>
|-
! [[Isotope]]
! Période
radioactive
! [[Activité massique|Activité<br>massique]]
! [[Mode de désintégration|Mode de<br>désintégration]]
! [[Nucléide]]<br>fils
! [[Rapport de branchement|Rapport de<br>branchement]]
! [[Énergie de désintégration|Énergie de<br>désintégration]]
|-
! rowspan="2" | [[Plutonium 238|{{exp|238}}Pu]]
| rowspan="2" | {{unité|87.76|ans}}
| rowspan="2" | {{unité|6.34e11|Bq/g}}
| rowspan="2" | [[Radioactivité α]]
| rowspan="2" style="text-align:center;" | [[Uranium 234|{{exp|234}}U]]
| 71,04 %
| {{unité|5.499|MeV}}
|-
| 28,84 %
| {{unité|5.457|MeV}}
|-
! rowspan="3" | [[Plutonium 239|{{exp|239}}Pu]]
| rowspan="3" | {{unité|24130|ans}}
| rowspan="3" | {{unité|2.295e9|Bq/g}}
| rowspan="3" | [[Radioactivité α]]
| rowspan="3" style="text-align:center;" | [[Uranium 235|{{exp|235}}U]]
| 73,30 %
| {{unité|5.156|MeV}}
|-
| 15,10 %
| {{unité|5.144|MeV}}
|-
| 11,45 %
| {{unité|5.106|MeV}}
|-
! rowspan="2" | [[Plutonium 240|{{exp|240}}Pu]]
| rowspan="2" | {{unité|6567.5|ans}}
| rowspan="2" | {{unité|8.40e9|Bq/g}}
| rowspan="2" | [[Radioactivité α]]
| rowspan="2" style="text-align:center;" | [[Uranium 236|{{exp|236}}U]]
| 72,90 %
| {{unité|5.168|MeV}}
|-
| 27,00 %
| {{unité|5.124|MeV}}
|-
! [[Plutonium 241|{{exp|241}}Pu]]
| {{unité|14.29|ans}}
| {{unité|3.81e12|Bq/g}}
| [[Radioactivité β]]
| style="text-align:center;" | [[Américium 241|{{exp|241}}Am]]
| 99,99 %
| {{unité|20.81|keV}}
|}

Les [[radioisotope]]s du plutonium libèrent une chaleur de désintégration variable selon les isotopes considérés. Cette grandeur est généralement donnée en [[watt]]s par [[kilogramme]] ou en [[milliwatt]]s par [[gramme]]. Elle peut atteindre des valeurs significatives dans les pièces en plutonium de grande taille (par exemple, dans les [[Tête nucléaire|têtes nucléaires]]). Tous les isotopes du plutonium libèrent également de faibles [[Rayon gamma|rayons {{mvar|γ}}]].{{Clr|right}}

:{| class="wikitable" style="text-align:right;"
|+ Chaleur de désintégration d'isotopes du plutonium<ref name="CNFC 2001">
{{Lien web
 | langue      = en
 | url         = http://www.cnfc.or.jp/e/proposal/reports/index.html
 | titre       = Can Reactor Grade Plutonium Produce Nuclear Fission Weapons?
 | mois        = mai
 | année       = 2001
 | site        = cnfc.or.jp
 | éditeur     = Council for Nuclear Fuel Cycle Institute for Energy Economics Japan
 | consulté le = 7 août 2017
}}.</ref>
! style="width:7em;" | [[Isotope]]
! style="width:10em;" | Chaleur de désintégration
! style="width:10em;" | [[Fission spontanée]] ([[neutron]]s)
! style="width:26em;" | Remarques
|-
! [[Plutonium 238|{{exp|238}}Pu]]
| style="text-align:center" | {{unité|560|W/kg}}
| {{unité|2600|g|-1|s|-1}}
| style="text-align:left;" | Chaleur de désintégration très élevée mise à profit dans les [[Générateur thermoélectrique à radioisotope|générateurs thermoélectriques à radioisotope]]
|-
! [[Plutonium 239|{{exp|239}}Pu]]
| style="text-align:center" | {{unité|1.9|W/kg}}
| {{unité|0.022|g|-1|s|-1}}
| style="text-align:left;" | Principal [[isotope fissile]] du plutonium.
|-
! [[Plutonium 240|{{exp|240}}Pu]]
| style="text-align:center" | {{unité|6.8|W/kg}}
| {{unité|910|g|-1|s|-1}}
| style="text-align:left;" | Principale impureté du {{nobr|[[plutonium 239]]}}. La qualité d'un plutonium est généralement exprimée en pourcentage de {{exp|240}}Pu. Son taux de [[fission spontanée]] est défavorable aux applications militaires.
|-
! [[Plutonium 241|{{exp|241}}Pu]]
| style="text-align:center" | {{unité|4.2|W/kg}}
| {{unité|0.049|g|-1|s|-1}}
| style="text-align:left;" | Se désintègre en {{nobr|[[américium 241]]}}. Son accumulation présente un risque d'irradiation par les pièces de plutonium anciennes.
|-
! [[Plutonium 242|{{exp|242}}Pu]]
| style="text-align:center" | {{unité|0.1|W/kg}}
| {{unité|1700|g|-1|s|-1}}
|
|}

=== Allotropes ===

{{Article détaillé|allotropes du plutonium}}

[[Fichier:Pu-phases.png|vignette|Le plutonium présente six [[allotropie|allotropes]] à pression ambiante : '''alpha'''&nbsp;({{serif|α}}), '''beta'''&nbsp;({{serif|β}}), '''gamma'''&nbsp;({{serif|γ}}), '''delta'''&nbsp;({{serif|δ}}), '''delta&nbsp;prime'''&nbsp;({{serif|δ}}’) et '''epsilon'''&nbsp;({{serif|ε}})<ref name="LAS:26.290"/>.]]

Il existe six [[allotropes du plutonium]] à pression atmosphérique, et un septième au-delà de {{unité|60|MPa}}<ref name="LAS:26.290"/>. Ces allotropes ont une [[énergie interne]] qui varie peu tandis que leurs propriétés physiques varient de façon spectaculaire. La [[masse volumique]] du plutonium pur à pression atmosphérique vaut ainsi {{unité|19.86|g/cm3}} pour le {{nobr|plutonium {{serif|α}}}} à température ambiante, mais seulement {{unité|15.92|g/cm3}} pour le plutonium {{serif|δ}} à {{tmp|125|°C}}<ref name="NIH">
{{Lien web
 | langue      = en
 | format      = html
 | url         = https://webwiser.nlm.nih.gov/getSubstanceData.do?substanceId=419&displaySubstanceName=Plutonium%20Radioactive&STCCID=&UNNAID=&selectedDataMenuItemID=44&catId=51
 | titre       = Plutonium, Radioactive
 | éditeur     = [[National Institutes of Health]]
 | consulté le = 5 août 2017
}}.</ref>, soit une densité 20 % plus faible, correspondant à un allongement linéaire de plus de 7,6 %. Le plutonium peut ainsi réagir violemment à des changements de pression, de température ou d'environnement chimique, et les [[Transition de phase|transitions de phase]] peuvent s'accompagner de changements de volume significatifs et brutaux<ref name="LAS:26.290"/>.

:{| class="wikitable" style="text-align:center"
|+ [[Phase (thermodynamique)|Phases]] du plutonium à [[pression atmosphérique]]<ref name="NIH"/>
|-
! [[Phase (thermodynamique)|Phase]]
! [[Système cristallin]]
! [[Température]] de<br>[[transition de phase]]
! [[Masse volumique]]{{note|groupe=alpha|À la température de transition de phase.}}
|-
| {{serif|α}}
| style="text-align:left" | [[Système cristallin monoclinique|Monoclinique]] simple
| —{{note|groupe=alpha|Masse volumique correspondante donnée à {{tmp|0|°C}}.}}
| {{unité|19.86|g/cm3}}
|-
| {{serif|β}}
| style="text-align:left" | [[Système cristallin monoclinique|Monoclinique]] à bases centrées
| {{tmp|124.5|°C}}
| {{unité|17.70|g/cm3}}
|-
| {{serif|γ}}
| style="text-align:left" | [[Système cristallin orthorhombique|Orthorhombique]] à faces centrées
| {{tmp|214.8|°C}}
| {{unité|17.14|g/cm3}}
|-
| {{serif|δ}}
| style="text-align:left" | [[Cubique à faces centrées]]
| {{tmp|320.0|°C}}
| {{unité|15.92|g/cm3}}
|-
| {{serif|δ}}’
| style="text-align:left" | [[Système cristallin trigonal|Quadratique]] centré
| {{tmp|462.9|°C}}
| {{unité|16.00|g/cm3}}
|-
| {{serif|ε}}
| style="text-align:left" | [[Cubique centré]]
| {{tmp|482.6|°C}}
| {{unité|16.51|g/cm3}}
|-
| colspan="2" | Liquide
| ~{{tmp|640|°C}}
| {{unité|16.65|g/cm3}}
|}

<gallery mode="nolines" caption="Systèmes cristallins du plutonium pur">
Monoclinic.svg | [[Système cristallin monoclinique|Monoclinique]] ({{serif|α}})
Base-centered monoclinic.svg | [[Système cristallin monoclinique|Monoclinique]] à bases centrées ({{serif|β}})
Orthorhombic-face-centered.svg | [[Système cristallin orthorhombique|Orthorhombique]] à faces centrées ({{serif|γ}})
Cubic-face-centered.svg | [[Cubique à faces centrées]] ({{serif|δ}})
Tetragonal-body-centered.svg | [[Système cristallin tétragonal|Tétragonal]] centré ({{serif|δ}}’)
Cubic-body-centered.svg | [[Cubique centré]] ({{serif|ε}})
</gallery>

L'existence d'allotropes aussi différents pour des énergies internes aussi voisines rend la [[Mise en forme d'un matériau|mise en forme]] du plutonium pur particulièrement délicate. Son [[état standard]], la phase {{serif|α}}, est [[Système cristallin monoclinique|monoclinique]], faisant du plutonium pur à température ambiante un matériau dur et cassant comme la [[fonte grise]], qui se prête fort peu à l'[[usinage]] et est susceptible de connaître de brusques variations de géométrie sous l'effet d'échauffements modérés. En revanche, la phase {{serif|δ}} est [[cubique à faces centrées]], comme de nombreux métaux usuels tels que l'[[aluminium]] et le [[nickel]], et présente des propriétés mécaniques semblables à celles de l'[[aluminium]]. Stable de {{tmp|320.0|462.9|°C}} pour le plutonium pur, la phase {{serif|δ}} peut être stabilisée jusqu'à température ambiante moyennant l'adjonction d'une petite quantité de [[gallium]], d'aluminium, d'[[américium]], de [[scandium]] ou de [[cérium]], qui permet d'usiner et de [[Soudage|souder]] des pièces en plutonium<ref name = "Miner1968"/>. L'[[alliage plutonium-gallium]] est fréquemment utilisé à cet effet, car il permet de s'affranchir des transitions de phases non désirées entraînant des distorsions dues à des gonflements ou des contractions localisés dans la pièce. Le [[silicium]], l'[[indium]], le [[zinc]] et le [[zirconium]] permettent la formation d'une phase {{serif|δ}} [[Métastabilité|métastable]] par refroidissement rapide. L'adjonction de grandes quantités d'[[hafnium]], d'[[holmium]] et de [[thallium]] permet également de préserver la phase {{serif|δ}} jusqu'à la température ambiante. Le [[neptunium]] est le seul élément qui stabilise la phase {{serif|α}} monoclinique à température plus élevée<ref name="LAS:26.290"/>.

L'[[Déformation élastique|élasticité]] de la phase {{serif|δ}} est [[Anisotropie|anisotrope]], pouvant varier d'un facteur six à sept selon les directions<ref name="GlobalSecurity">{{lien web|langue=en |url=http://www.globalsecurity.org/wmd/intro/pu-phase.htm |titre=Plutonium Crystal Phase Transitions |éditeur=GlobalSecurity.org}}.</ref>.

Dans les armes à fission, l'[[onde de choc]] qui comprime le noyau (au-delà de quelques dizaines de kilobars) provoque également une transition de la phase {{serif|δ}} vers la forme {{serif|α}}, nettement plus dense, ce qui permet d'atteindre plus facilement la [[Criticité (nucléaire)|criticité]]<ref name="GlobalSecurity"/>.

=== Alliages ===

Les [[alliage]]s de plutonium peuvent être obtenus en ajoutant un [[métal]] à du plutonium fondu. Si le métal ajouté est suffisamment [[Réducteur (chimie)|réducteur]], le plutonium peut être apporté sous forme d'[[oxyde]]s ou d'[[halogénure]]s. L'[[alliage plutonium-gallium]] et l'alliage plutonium-aluminium, qui stabilisent la phase {{serif|δ}} du plutonium à température ambiante, sont obtenus en ajoutant du [[trifluorure de plutonium]] {{fchim|PuF|3}} à du [[gallium]] ou de l'[[aluminium]] fondus, ce qui présente l'avantage d'éviter de manipuler du plutonium métallique, très réactif<ref name="0-8493-1513-1">{{en}} Kenton James Moody, Ian D. Hutcheon et Patrick M. Grant, ''Nuclear forensic analysis'', 2005, CRC Press, {{p.|169}}. {{ISBN|0-8493-1513-1}}</ref>.
* '''Plutonium-gallium''' Pu-Ga — Alliage principal utilisé pour la [[Mise en forme d'un matériau|mise en forme]], l'[[usinage]] et le [[soudage]] de pièces en plutonium en évitant les problèmes structurels posés par les [[Transition de phase|transitions de phases]] {{serif|α}}–{{serif|δ}}. Il est utilisé principalement pour la réalisation d'[[Arme nucléaire|armes nucléaires]] à implosion<ref name="10.1149/1.2976352">
{{Article
 | langue      = en
 | nom1        = David G. Kolman et Lisa P. Colletti 
 | titre       = Aqueous Corrosion Behavior of Plutonium Metal and Plutonium–Gallium Alloys Exposed to Aqueous Nitrate and Chloride Solutions
 | périodique  = Journal of the Electrochemical Society
 | volume      = 155
 | numéro      = 12
 | jour        = 7
 | mois        = octobre
 | année       = 2008
 | pages       = C565-C570 
 | url texte   = http://jes.ecsdl.org/content/155/12/C565.full.pdf+html
 | consulté le = 9 août 2017
 | doi         = 10.1149/1.2976352
 }}</ref>.
* '''Plutonium-aluminium''' Pu-Al — Alternative à l'alliage plutonium-gallium, mais tend à interagir avec les [[Particule α|particules α]] en émettant des [[neutron]]s, ce qui réduit son intérêt pour réaliser des armes nucléaires. Il peut en revanche être utilisé pour réaliser du [[combustible nucléaire]]<ref name="Canadian Research Reactors">{{en}} D. G. Hurst, A. G. Ward, [https://scintillators.ru/booc/criticality/reports/ref_066.pdf ''Canadian Research Reactors''] {{PDF}}, 1956, Atomic Energy of Canada Limited, Ottawa.</ref>.
* '''Plutonium-gallium-cobalt''' {{fchim|PuCoGa|5}} — [[Supraconducteur]] non conventionnel présentant une supraconductivité en dessous de {{unité|18.5|K}}, un ordre de grandeur au-dessus du plus élevé des systèmes à [[Fermion lourd|fermions lourds]], et avec un courant critique élevé.
* '''Plutonium-cérium''' Pu-Ce et '''plutonium-cérium-cobalt''' Pu-Ce-Co — Peuvent être utilisés comme combustibles nucléaires.
* '''Uranium-plutonium''' U-Pu — Avec environ 15 à 30 % d'atomes de plutonium, cet alliage peut être utilisé comme combustible nucléaire pour [[surgénérateur]]s. Il est [[pyrophorique]] et très sensible à la corrosion au point de s'enflammer ou de se désintégrer au contact de l'air, ce qui nécessite de l'allier à d'autres constituants. L'addition d'aluminium, de [[carbone]] ou de [[cuivre]] n'apporte aucune amélioration notable, tandis que le [[zirconium]] et le [[fer]] améliorent la résistance à la corrosion, mais ne permettent pas d'éviter la désintégration après plusieurs mois d'exposition à l'air. L'addition de [[titane]] ou de [[zirconium]] élève le [[point de fusion]] de l'alliage<ref name="Plutonium 1965">{{en}} A. E. Kay, ''Plutonium 1965'', 1965, Taylor & Francis.</ref>.
* '''Uranium-plutonium-zirconium''' U-Pu-Zr — Peut être utilisé comme combustible nucléaire, notamment pour surgénérateurs<ref name="10.1007/BF02671924">
{{Article
 | langue      = en
 | nom1        = Gerard L. Hofman, R. G. Pahl, C. E. Lahm et D. L. Porter
 | titre       = Swelling behavior of U-Pu-Zr fuel
 | périodique  = Metallurgical Transactions A
 | volume      = 21
 | numéro      = 2
 | mois        = février
 | année       = 1990
 | pages       = 517-528
 | url texte   = https://link.springer.com/article/10.1007%2FBF02671924
 | consulté le = 11 août 2017
 | doi         = 10.1007/BF02671924
 | bibcode     = 1990MTA....21..517H
}}</ref>{{,}}<ref name="10.1007/BF02647233">
{{Article
 | langue      = en
 | nom1        = R. G. Pahl, D. L. Porter, C. E. Lahm et G. L. Hofman
 | titre       = Experimental studies of U-Pu-Zr fast reactor fuel pins in the experimental breeder reactor-ll
 | périodique  = Metallurgical Transactions A
 | volume      = 21
 | numéro      = 7
 | mois        = juillet
 | année       = 1990
 | pages       = 1863–1870
 | url texte   = https://link.springer.com/article/10.1007%2FBF02647233
 | consulté le = 11 août 2017
 | doi         = 10.1007/BF02647233
 | bibcode     = 1990MTA....21.1863P
}}</ref>. Le titane et le zirconium accroissent la résistance à la corrosion, réduisent l'inflammabilité et améliorent la ductilité, la résistance, l'usinabilité et les caractéristiques thermiques. L'alliage '''uranium-plutonium-molybdène''' U-Pu-Mo présente la meilleure résistance à la corrosion, mais le titane et le zirconium sont préférés au [[molybdène]] en raison de meilleures propriétés physiques<ref name="Plutonium 1965"/>.
* '''Thorium-uranium-plutonium''' Th-U-Pu — Étudié comme possible combustible nucléaire pour surgénérateurs<ref name="Plutonium 1965"/>.

=== Chimie ===

[[Fichier:Plutonium in solution.jpg|vignette|Couleurs des [[cation]]s Pu({{III}}), Pu({{IV}}) et Pu({{V}}) dans une solution molaire d'[[acide perchlorique]] {{fchim|HClO|4}}, de Pu({{VI}}) dans une solution de [[perchlorate de sodium]] {{fchim|NaClO|4}} à {{nobr|[[Potentiel hydrogène|pH]] {{=}} 7}}, et de Pu({{VII}}) dans {{unité|2.5|M}} de [[Hydroxyde de sodium|NaOH]]<ref name="LAS:26.364">
{{Article
 | langue      = en
 | nom1        = David L. Clark
 | titre       = The Chemical Complexities of Plutonium
 | périodique  = Los Alamos Science
 | numéro      = 26
 | année       = 2000
 | pages       = 364-381
 | url texte   = http://library.lanl.gov/cgi-bin/getfile?00818038.pdf
 | consulté le = 8 août 2017
 }}</ref>.]]

Le plutonium pur à température ambiante présente des surfaces argentées qui ternissent en quelques minutes au contact de l'air<ref name="0-8306-3018-X"/>. Il présente quatre [[État d'oxydation|états d'oxydation]] courants en [[solution aqueuse]], plus un cinquième plus rare<ref name="0-8493-0487-3">{{en}} David R. Lide, ''Handbook of Chemistry and Physics'', 2006, CRC Press, Taylor & Francis Group {{87e|édition}}, Boca Raton. {{ISBN|0-8493-0487-3}}</ref> :

* Pu({{III}}), sous forme d'ion Pu{{exp|3+}} (bleu lavande)
* Pu({{IV}}), sous forme d'ion Pu{{exp|4+}} (brun jaune)
* Pu({{V}}), sous forme d'ion {{fchim|PuO|2}}{{exp|+}} (rose pâle){{note|groupe=alpha|L'ion {{fchim|PuO|2}}{{exp|+}} est instable en solution et se [[Dismutation|dismute]] en Pu{{exp|4+}} et {{fchim|PuO|2}}{{exp|2+}} ; le Pu{{exp|4+}} oxyde alors le {{fchim|PuO|2}}{{exp|+}} résiduel en {{fchim|PuO|2}}{{exp|2+}} en devenant lui-même du Pu{{exp|3+}}. Une solution de {{fchim|PuO|2}}{{exp|+}} devient donc au fil du temps un mélange de {{fchim|PuO|2}}{{exp|2+}} et de Pu{{exp|3+}}. L'ion {{fchim|UO|2}}{{exp|+}} est instable pour la même raison<ref name="LLNL 2002">{{en}} William J. Crooks, « [https://ncsp.llnl.gov/ncset/Module10.pdf Nuclear Criticality Safety Engineering Training Module 10 – Criticality Safety in Material Processing Operations, Part 1] » {{PDF}}, 2002.</ref>.}}
* Pu({{VI}}), sous forme d'ion {{fchim|PuO|2}}{{exp|2+}} (rose orangé)
* Pu({{VII}}), sous forme d'ion {{fchim|PuO|5}}{{exp|3−}} (vert ; cet ion heptavalent est rare).

Un complexe avec du plutonium à l'état d'oxydation formel +2, le [K(2.2.2-[[cryptand]])][Pu{{exp|{{II}}}}Cp″{{ind|3}}], où {{nobr|Cp″ {{=}} {{fchim|C|5|H|3|(SiMe|3|)|2}}}}, a également été publié<ref name="10.1021/jacs.7b00706">
{{Article
 | langue      = en
 | nom1        = Cory J. Windorff, Guo P. Chen, Justin N. Cross, William J. Evans, Filipp Furche, Andrew J. Gaunt, Michael T. Janicke, Stosh A. Kozimor et Brian L. Scott
 | titre       = Identification of the Formal +2 Oxidation State of Plutonium: Synthesis and Characterization of {{fchim|{Pu{{exp|{{II}}}}[C|5|H|3|(SiMe|3|)|2|<nowiki>]</nowiki>|3|}<nowiki/>}}{{exp|−}}
 | périodique  = Journal of the American Chemical Society
 | volume      = 139
 | numéro      = 11
 | jour        = 22
 | mois        = mars
 | année       = 2017
 | pages       = 3970-3973
 | url texte   = http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.7b00706
 | consulté le = 7 août 2017
 | doi         = 10.1021/jacs.7b00706
 | pmid        = 28235179
 }}</ref>.

La couleur des solutions d'ions de plutonium dépend à la fois de l'état d'oxydation et de la nature de l'[[anion]] [[acide]]<ref name="LA-UR-02-6594">{{en}} George Matlack, [http://permalink.lanl.gov/object/tr?what=info:lanl-repo/lareport/LA-UR-02-6594 ''A Plutonium Primer: An Introduction to Plutonium Chemistry and Its Radioactivity''], Los Alamos national Laboratory, janvier 2003.</ref>. C'est ce dernier qui influence le degré de complexation du plutonium.

Le plutonium métallique est obtenu en faisant réagir du [[tétrafluorure de plutonium]] {{fchim|PuF|4}} avec du [[baryum]], du [[calcium]] ou du [[lithium]] à {{tmp|1200|°C}}<ref name="978-3-11-011451-5">{{en}} Mary Eagleson, ''Concise Encyclopedia Chemistry'', 1994, Walter de Gruyter, Berlin, {{p.|840}}. {{ISBN|978-3-11-011451-5}}.</ref>. Il est attaqué par les [[acide]]s, l'[[Dioxygène|oxygène]] et la [[vapeur d'eau]], mais pas par les [[Base (chimie)|bases]]. Il se dissout facilement dans l'[[acide chlorhydrique]] HCl, l'[[acide iodhydrique]] HI et l'[[acide perchlorique]] {{fchim|HClO|4}} concentrés<ref name="Miner1968"/>. Le plutonium fondu doit être maintenu sous vide ou sous atmosphère inerte afin d'éviter la réaction avec l'air<ref name="Miner1968"/>. À {{tmp|135|°C}}, le plutonium métallique s'enflamme à l'air libre, et explose en présence de [[tétrachlorométhane]]<ref name="0-19-850340-7">{{en}} John Emsley, (2001). « Plutonium », ''Nature's Building Blocks: An A–Z Guide to the Elements'', 2001, Oxford University Press, Oxford (UK). {{ISBN|0-19-850340-7}}.</ref> {{fchim|CCl|4}}.

Le plutonium réagit avec le [[carbone]] pour former des [[Carbure de plutonium|carbures de plutonium]] {{fchim|Pu|3|C|2}}, {{fchim|PuC|1-{{serif|δ}}}}, {{fchim|Pu|2|C|3}} et {{fchim|PuC|2}} ; il réagit avec l'[[Diazote|azote]] {{fchim|N|2}} pour former un [[nitrure]] PuN, et avec le [[silicium]] pour former un [[siliciure]] {{fchim|PuSi|2}}<ref name="0-8493-0487-3"/>{{,}}<ref name="0-19-850340-7"/> ; il réagit avec les [[halogène]]s {{fchim|X|2}}, où X peut représenter de [[fluor]], le [[chlore]], le [[brome]] et l'[[iode]], en donnant des trihalogénures {{fchim|PuX|3}}. Avec le fluor, outre le [[trifluorure de plutonium]] {{fchim|PuF|3}}, on observe également du [[tétrafluorure de plutonium]] {{fchim|PuF|4}} ainsi que de l'[[hexafluorure de plutonium]] {{fchim|PuF|6}}. Il se forme par ailleurs des oxyhalogénures PuOCl, PuOBr et PuOI.

Les [[creuset]]s utilisés avec du plutonium doivent être en mesure de supporter les propriétés très [[Réducteur (chimie)|réductrices]] de ce métal. Les [[Métal réfractaire|métaux réfractaires]], tels que le [[Tantale (chimie)|tantale]] et le [[tungstène]], ainsi que les [[oxyde]]s, [[borure]]s, [[carbure]]s, [[nitrure]]s et [[siliciure]]s les plus stables, peuvent convenir. La fusion dans un [[four à arc électrique]] peut permettre de produire de petits lingots de plutonium métallique sans avoir besoin d'un creuset<ref name="Miner1968"/>.
 
=== Corrosion ===

{{Article détaillé|dioxyde de plutonium}}

[[Fichier:Plutonium pyrophoricity.jpg|vignette|[[Pyrophoricité]] en conditions statiques de morceaux de plutonium<ref name="LAS:26.252">
{{Article
 | langue      = en
 | nom1        = John M. Haschke, Thomas H. Allen et Luis A. Morales
 | titre       = Surface and Corrosion Chemistry of Plutonium
 | périodique  = Los Alamos Science
 | numéro      = 26
 | année       = 2000
 | pages       = 252-273
 | url texte   = http://library.lanl.gov/cgi-bin/getfile?00818031.pdf
 | consulté le = 8 août 2017
 }}</ref> (visibles ici rougeoyant au fond d'une boîte métallique).]]

Le plutonium pur exposé à l'humidité, que ce soit dans l'[[air]] ou dans l'[[argon]], se recouvre en quelques minutes d'une couche terne constituée d'un mélange d'[[oxyde]]s et d'[[hydrure]]s<ref name="NIH"/>, qui se désagrège en formant une fine poussière volatile dont l'[[inhalation]] peut constituer un risque sanitaire sérieux. C'est la raison pour laquelle le plutonium est manipulé dans des [[Boîte à gants (laboratoire)|boîtes à gants]] qui préviennent la dispersion atmosphérique de ces poussières.

Plus précisément, le plutonium exposé à l'air sec se recouvre d'une couche de [[dioxyde de plutonium]] {{fchim|PuO|2}} qui assure une [[passivation]] remarquable du métal, réduisant la progression de l'oxydation dans le matériau à une valeur aussi faible que {{unité|20|pm/h}}<ref name="LAS:26.252"/>. En revanche, la présence d'humidité introduit des hydrures {{fchim|PuH|{{mvar|x}}}}, avec {{nobr|1,9 < {{mvar|x}} < 3}}, qui [[catalyse]]nt la [[corrosion]] par l'[[Dioxygène|oxygène]] {{fchim|O|2}}, tandis que l'humidité en l'absence d'oxygène introduit des oxydes intermédiaires comme le sesquioxyde {{fchim|Pu|2|O|3}} qui favorisent la corrosion par l'hydrogène. Enfin, l'humidité en présence d'oxygène conduit à l'oxydation du dioxyde {{fchim|PuO|2}} pour former un oxyde supérieur {{fchim|PuO|2+{{mvar|x}}}} sur la couche de dioxyde qui semble favoriser la corrosion du métal dans l'air humide<ref name="LAS:26.252"/>.

Les poudres de plutonium, de ses hydrures et de certains oxydes tels que {{fchim|Pu|2|O|3}} sont [[Pyrophoricité|pyrophoriques]], c'est-à-dire qu'elles peuvent prendre feu spontanément au contact de l'air à température ambiante, et sont par conséquent manipulées sous atmosphère sèche inerte d'[[Diazote|azote]] {{fchim|N|2}} ou d'[[argon]] Ar. Le plutonium massif ne s'enflamme qu'au-dessus de {{tmp|400|°C}}. Le {{fchim|Pu|2|O|3}} s'échauffe spontanément et se transforme en [[dioxyde de plutonium]] {{fchim|PuO|2}}, qui est stable dans l'air sec, mais réagit à chaud avec la [[vapeur d'eau]]<ref name="DOE 1994-12">
{{Lien web
 | langue      = en
 | url         = https://web.archive.org/web/20071013203317/http://hss.energy.gov:80/NuclearSafety/techstds/standard/hdbk1081/hbk1081d.html#ZZ281
 | titre       = Plutonium
 | série       = Primer on Spontaneous Heating and Pyrophoricity
 | mois        = décembre
 | année       = 1994
 | site        = web.archive.org
 | éditeur     = U.S. Department of Energy, Washington, D.C. 20585
 | consulté le = 8 août 2017
}}.</ref>. Les réactions en jeu seraient ainsi :

:3 [[Dioxyde de plutonium|{{fchim|PuO|2}}]] + Pu ⟶ 2 {{fchim|Pu|2|O|3}}
:2 {{fchim|Pu|2|O|3}} + [[Dioxygène|{{fchim|O|2}}]] ⟶ 4  [[Dioxyde de plutonium|{{fchim|PuO|2}}]].

Le plutonium réagit également avec l'[[Dihydrogène|hydrogène]] {{fchim|H|2}} pour former des [[hydrure]]s {{fchim|PuH|{{mvar|x}}}}, avec {{nobr|1,9 < {{mvar|x}} < 3}} :

:2 Pu + {{mvar|x}} [[Dihydrogène|{{fchim|H|2}}]] ⟶ 2 {{fchim|PuH|{{mvar|x}}}}.

La valeur de {{mvar|x}} dépend de la [[pression partielle]] d'hydrogène et de la température de réaction. Ces hydrures, qui sont solides cristallisés dans le système cubique à faces centrées, sont rapidement oxydés par l'air, et se dissocient en leurs éléments constituants lorsqu'ils sont chauffés sous vide dynamique, c'est-à-dire avec pompage continu de l'hydrogène libéré.

== Sûreté ==

Différents types de risques sont à considérer s'agissant de la manipulation du plutonium, qui dépendent étroitement des [[isotope]]s en jeu. Les [[Accident de criticité|accidents de criticité]] surviennent lors d'erreurs de manipulation conduisant à la formation d'une [[Masse critique (réaction nucléaire)|masse critique]] de plutonium et sont susceptibles de provoquer un [[syndrome d'irradiation aiguë]]. La [[radiotoxicité]] et la [[reprotoxicité]] se manifestent à la suite de l'absorption de plutonium dans l'[[Corps humain|organisme]] conduisant à l'irradiation des [[Tissu biologique|tissus]] avec des [[Rayonnement ionisant|rayonnements ionisants]] pouvant provoquer des [[Mutation (génétique)|mutations génétiques]] et induire des [[cancer]]s.

Les isotopes du plutonium les plus courants sont avant tout des [[Radioactivité α|émetteurs α]], irradiant des [[Particule α|particules α]] de {{unité|4.9|à=5.5|MeV}} qui sont facilement arrêtées par toute substance solide, notamment l'[[Épiderme (anatomie)|épiderme]]. Le {{nobr|[[plutonium 241]]}} émet des [[Radioactivité β|{{nobr|rayons β}}]], plus pénétrants que les rayons α, mais d'à peine {{unité|5.2|keV}}.

D'un point de vue chimique, le plutonium est [[combustible]] et [[Pyrophoricité|pyrophorique]], de sorte qu'il présente un risque d'incendie. Sa toxicité chimique, en revanche, n'est pas particulièrement significative.

=== Criticité ===

L'accumulation de plutonium dans un volume approchant de la [[Masse critique (réaction nucléaire)|masse critique]] est susceptible de conduire au déclenchement d'une [[réaction nucléaire]] émettant une quantité létale de [[neutron]]s et de [[Rayon gamma|{{nobr|rayons {{mvar|γ}}}}]]<ref name="Miner1968"/>. Le risque est d'autant plus grand avec le plutonium que la masse critique du {{nobr|plutonium 239}} n'est généralement que le tiers de celle de l'{{nobr|[[uranium 235]]}}<ref name="0-8306-3018-X"/>. Ce risque est accru en solution en raison de l'effet [[Modérateur (nucléaire)|modérateur]] de l'[[hydrogène]] de l'[[eau]], qui [[Thermalisation des neutrons|thermalise]] les [[neutron]]s<ref name="0-8493-0487-3"/>.

Plusieurs [[Accident de criticité|accidents de criticité]] impliquant du plutonium ont été rapportés au {{s|XX|e}}, certains ayant entraîné la mort de personnes touchées. Ce fut par exemple le cas au [[laboratoire national de Los Alamos]] le {{nobr|21 août 1945}} lors d'une erreur de manipulation de briques en [[carbure de tungstène]] utilisées comme [[Réflecteur de neutrons|réflecteurs de neutrons]] autour d'une sphère en plutonium de qualité militaire, ce qui causa {{unité|25|jours}} plus tard la mort d'[[Harry Daghlian Jr.]], alors chercheur du [[projet Manhattan]], à la suite d'un [[syndrome d'irradiation aiguë]] consécutif à la dose qu'il a reçue, estimée à {{unité|5.1|Sv}}<ref name="LAS Criticity">{{en}} Kevin N. Roark, « [https://web.archive.org/web/20081008180945/http://lanl.gov/news/index.php/fuseaction/home.story/story_id/1054/view/print Criticality accidents report issued] », laboratoire national de Los Alamos, {{nobr|8 octobre 2008}}</ref>{{,}}<ref name="978-0-8061-3891-6">{{en}} Jon Hunner, ''Inventing Los Alamos'', 2004 {{ISBN|978-0-8061-3891-6}}.</ref>. Neuf mois plus tard, [[Louis Slotin]] mourut également à Los Alamos d'un accident semblable en manipulant des réflecteurs en [[béryllium]] autour de la même sphère en plutonium, appelée ''{{lang|en|[[demon core]]}}''<ref name="LANL 2008">{{en}} « [https://web.archive.org/web/20130103180527/http://www.lanl.gov/history/people/R_Schreiber.shtml Raemer Schreiber] », Staff Biographies, Los Alamos {{nobr|16 novembre 2008}}.</ref>. Toujours à Los Alamos, un accident différent est survenu en {{date-|décembre 1958}}, coûtant la vie à un laborantin, nommé [[Accident de criticité de Cecil Kelley|Cecil Kelley]], lors d'une opération de purification du plutonium, à la suite de la formation d'une masse critique dans un récipient de mélange. D'autres accidents de ce type se sont produits à travers le monde, que ce soit aux [[États-Unis]], en [[Union des républiques socialistes soviétiques|Union soviétique]], au [[Japon]] ou dans d'autres pays<ref name="LANL 1967">
{{Lien web
 | langue       = en
 | format       = pdf
 | auteur1      = William R. Stratton
 | url          = http://permalink.lanl.gov/object/tr?what=info:lanl-repo/lareport/LA-03611
 | titre        = A Review of Criticality Accidents
 | jour         = 26
 | mois         = septembre
 | année        = 1967
 | éditeur      = [[Laboratoire national de Los Alamos]]
 | consulté le  = 16 août 2017
}}.</ref>.

=== Radiotoxicité ===

[[Élément synthétique]] produit spécifiquement pour sa [[radioactivité]], le plutonium est surtout connu pour sa [[radiotoxicité]]. Celle-ci résulte de trois types de [[Rayonnement ionisant|rayonnements ionisants]] : les [[Radioactivité α|{{nobr|rayons α}}]] ([[Particule α|{{nobr|particules α}}]]), les [[Radioactivité β|{{nobr|rayons β}}]] ([[électron]]s) et les [[Rayon gamma|{{nobr|rayons {{mvar|γ}}}}]] ([[photon]]s énergétiques). L'exposition aiguë ou prolongée à ces rayonnements présente des risques pour la santé, susceptibles de se manifester dans le cadre d'un [[syndrome d'irradiation aiguë]], avec [[Mutation (génétique)|mutations génétiques]] et [[cancer]]s. Les risques croissent avec la [[dose absorbée]], mesurée en [[Gray (unité)|grays]] (Gy), et plus précisément en fonction de la [[dose équivalente]], mesurée en [[sievert]]s (Sv), qui pondère l'impact [[Physiologie|physiologique]] des différents types de rayonnements reçus en fonction de leur capacité à causer des dommages dans les [[Tissu biologique|tissus]] irradiés. Cette pondération est introduite par le facteur de dose, mesuré typiquement en microsieverts par becquerel (µSv/Bq) :

:{|class="wikitable" style="text-align:center;"
! [[Isotope]]
! [[Plutonium 238]]
! [[Plutonium 239]]
! [[Plutonium 240]]
! [[Plutonium 241]]
! [[Isotopes du plutonium|Plutonium 242]]
|-
! [[Activité massique]]<ref name="ANL 2007">
{{Lien web
 | langue      = en
 | format      = pdf
 | auteur1     = John Peterson, Margaret MacDonell, Lynne Haroun et Fred Monette 
 | url         = https://www.remm.nlm.gov/ANL_ContaminantFactSheets_All_070418.pdf
 | titre       = Radiological and Chemical Fact Sheets to Support Health Risk Analyses for Contaminated Areas 
 | mois        = mars
 | année       = 2007
 | site        = Radiation Emergency Medical Management
 | éditeur     = Argonne National Laboratory Environmental Science Division 
 | consulté le = 14 août 2017
}}.</ref>
| ~{{unité|630|GBq/g}}
| ~{{unité|2.3|GBq/g}}
| ~{{unité|8.5|GBq/g}}
| ~{{unité|3700|GBq/g}}
| ~{{unité|0.15|GBq/g}}
|-
! Facteur de dose<ref name="IN2P3 2012">
{{Lien web
 | langue      = fr
 | format      = pdf
 | auteur1     = Ch. O. Bacri
 | url         = http://institut.in2p3.fr/actions/formation/PhyAuDet10/cycle_combustible_Bacri.pdf
 | titre       = La gestion des déchets nucléaires
 | série       = De la physique au détecteur
 | mois        = novembre
 | année       = 2010
 | site        = in2p3.fr
 | éditeur     = [[Institut national de physique nucléaire et de physique des particules|IN2P3]]
 | page        = 17
 | consulté le = 14 août 2017
|brisé le = 2023-11-28}}.</ref>
| {{unité|0.23|µSv/Bq}}
| {{unité|0.25|µSv/Bq}}
| {{unité|0.25|µSv/Bq}}
| {{unité|0.0048|µSv/Bq}}
| {{unité|0.24|µSv/Bq}}
|}

Ainsi, les {{nobr|rayons {{mvar|γ}}}} traversent tous les [[Tissu biologique|tissus]] et touchent l'ensemble de l'organisme, tandis que les {{nobr|rayons β}} sont moins pénétrants et que les {{nobr|rayons α}} ne franchissent pas l'[[Épiderme (anatomie)|épiderme]] mais sont bien plus énergétiques (quelques mégaélectron-volts, contre quelques kiloélectron-volts pour les rayons β et {{mvar|γ}}). Ainsi, les {{nobr|particules α}} sont dangereuses lorsqu'elles sont émises au sein même des tissus par le plutonium absorbé<ref name="0-19-850340-7"/>. Le principal risque est l'inhalation de particules contenant du plutonium, notamment sous forme de [[dioxyde de plutonium]] {{fchim|PuO|2}}, qui se forme rapidement au contact de l'air et qui tend à se désagréger en fines poussières en présence d'humidité. On a ainsi montré une incidence accrue du [[cancer du poumon]] chez des salariés du secteur nucléaire<ref name="10.1097/EDE.0000000000000684">
{{Article
 | langue      = en
 | nom1        = James Grellier, Will Atkinson, Philippe Bérard, Derek Bingham, Alan Birchall, Eric Blanchardon, Richard Bull, Irina Canu Guseva, Cécile Challeton-de Vathaire, Rupert Cockerill, Minh T. Do, Hilde Engels, Jordi Figuerola, Adrian Foster, Luc Holmstock, Christian Hurtgen, Dominique Laurier, Matthew Puncher, Anthony E. Riddell, Eric Samson, Isabelle Thierry-Chef, Margot Tirmarche, Martine Vrijheid et Elisabeth Cardis
 | titre       = Risk of lung cancer mortality in nuclear workers from internal exposure to alpha particle-emitting radionuclides
 | périodique  = Epidemiology
 | mois        = mai
 | année       = 2017
 | url texte   = https://insights.ovid.com/crossref?an=00001648-201709000-00007
 | consulté le = 12 août 2017
 | doi         = 10.1097/EDE.0000000000000684
 }}</ref>. Le risque de cancer du poumon croît lorsque la dose équivalente de plutonium inhalé atteint {{unité|400|mSv}}<ref name="10.1093/aje/kwh192">
{{Article
 | langue      = en
 | nom1        = Shannon C. Brown, Margaret F. Schonbeck, David McClure, Anna E. Barón, William C. Navidi, Tim Byers et A. James Ruttenber
 | titre       = Lung Cancer and Internal Lung Doses among Plutonium Workers at the Rocky Flats Plant: A Case-Control Study
 | périodique  = American Journal of Epidemiology
 | volume      = 160
 | numéro      = 2
 | jour        = 15
 | mois        = juillet
 | année       = 2004
 | pages       = 163-172
 | url texte   = https://academic.oup.com/aje/article-lookup/doi/10.1093/aje/kwh192
 | consulté le = 12 août 2017
 | doi         = 10.1093/aje/kwh192
 | pmid        = 15234938
 }}</ref>. En revanche, l'ingestion ne permet d'absorber que 0,04 % du {{fchim|PuO|2}} ingéré<ref name="0-19-850340-7"/>. Les risques concernent également les os, où le plutonium s'accumule, ainsi que le foie, où il est concentré<ref name="Miner1968"/>.

Tous les isotopes du plutonium ne présentent pas le même niveau de radiotoxicité. Le plutonium de qualité militaire, constitué à plus de 92 % de {{nobr|plutonium 239}}, présente ainsi une radiotoxicité plutôt modérée<ref>[http://www.fas.org/nuke/intro/nuke/plutonium.htm FAS fact sheet]</ref>, en raison de son [[activité massique]] plus faible que celle du {{nobr|plutonium 240}} et surtout du {{nobr|plutonium 238}}. Le {{nobr|plutonium 241}} a une activité un millier de fois plus élevée, émettant des {{nobr|rayons β}} qui sont plus pénétrants que le {{nobr|rayonnement α}}, bien qu'un millier de fois moins énergétiques.

:{|class="wikitable" style="text-align:center;"
|+ [[Énergie de désintégration|Énergie]] par [[mode de désintégration]]<ref name="ANL 2007"/>
! [[Isotope]]
! [[Plutonium 238]]
! [[Plutonium 239]]
! [[Plutonium 240]]
! [[Plutonium 241]]
! [[Isotopes du plutonium|Plutonium 242]]
|-
! [[Radioactivité α|Rayonnement α]]
| {{unité|5.5|MeV}}
| {{unité|5.1|MeV}}
| {{unité|5.2|MeV}}
| < {{unité|1|keV}}
| {{unité|4.9|MeV}}
|-
! [[Radioactivité β|Rayonnement β]]
| {{unité|11|keV}}
| {{unité|6.7|keV}}
| {{unité|11|keV}}
| {{unité|5.2|keV}}
| {{unité|8.7|keV}}
|-
! [[Rayon gamma|Rayonnement {{mvar|γ}}]]
| {{unité|1.8|keV}}
| < {{unité|1|keV}}
| {{unité|1.7|keV}}
| < {{unité|1|keV}}
| {{unité|1.4|keV}}
|}

Le {{nobr|plutonium 238}} présente la plus forte radiotoxicité, tandis que le {{nobr|plutonium 241}}, dont la concentration dans le plutonium croît avec le temps, produit rapidement de l'{{nobr|américium 241}}, qui émet des {{nobr|rayons {{mvar|γ}}}} énergétiques susceptibles d'exposer l'environnement à une irradiation significative<ref name="ANS 1999">
{{Lien web
 | langue      = en
 | format      = pdf
 | auteur1     = Reuben Rainisch
 | url         = https://www.orau.org/ptp/PTP%20Library/library/Subject/Plutonium/plutonium1.pdf
 | titre       = Effect of Americium-241 Content on Plutonium Radiation Source Terms
 | mois        = octobre
 | année       = 1999
 | éditeur     = American Nuclear Society 1999 Annual Meeting and Embedded Topical at Boston
 | consulté le = 17 août 2017
}}.</ref>.

La dose mortelle par [[syndrome d'irradiation aiguë]] constatée sur les expérimentations ''[[in vivo]]'' est de l'ordre de {{unité|400|à=4000|µg/kg}} en une seule prise, une contamination chronique ayant des effets plus diffus<ref name="LAS:23.177">
{{Article
 | langue      = en
 | nom1        = William Moss et Roger Eckhardt
 | titre       = The Human Plutonium Injection Experiments
 | périodique  = Los Alamos Science
 | volume      = 23
 | année       = 1995
 | pages       = 177-233
 | url texte   = http://permalink.lanl.gov/object/tr?what=info:lanl-repo/lareport/LA-UR-95-4005-09
 | consulté le = 14 août 2017
 }}</ref>. On estime de ce fait qu'une quantité de l'ordre d'une dizaine de milligrammes provoque le décès d'une personne ayant inhalé en une seule fois des oxydes de plutonium. En effet, les tests effectués sur des [[babouin]]s et des [[chien]]s conduisent à estimer pour l'homme une mortalité de 50 % au bout de {{unité|30|jours}} avec {{unité|9|mg}}, au bout d'un an avec {{unité|0.9|mg}} et {{unité|1000|jours}} avec {{unité|0.4|mg}}<ref name="IRSN 2007">
{{Lien web
 | langue      = fr
 | format      = pdf
 | auteur1     = Guillaume Phan, François Rebière, Jean-Michel Deligne et Jean-René Jourdain
 | url         = http://centredoc.ecole-eme.fr/opac/doc_num.php?explnum_id=362
 | titre       = Plutonium 
 | sous-titre  = Aspects sanitaires
 | série       = Fiche radionucléide
 | année       = 2007
 | site        = centredoc.ecole-eme.fr de l'[[École des métiers de l'environnement]] ([[France]])
 | éditeur     = [[Institut de radioprotection et de sûreté nucléaire|IRSN]]
 | page        = 5
 | consulté le = 15 août 2017
}}.</ref>.

L'apparition de tumeurs pulmonaires a été mise en évidence chez le chien et le rat après inhalation de composés peu solubles tels que les oxydes de plutonium : la relation dose-effet mise en évidence comporte un seuil d'apparition des tumeurs pour une dose au poumon autour de {{unité|1|Gy}}<ref name="IRSN 2007"/>{{,}}<ref name="CEA">[http://www-carmin.cea.fr/content/download/1011/7584/version/4/file/plutonium.pdf Fiche radiotoxicologique Plutonium], CEA, décembre 2005.</ref>. Ce seuil d'apparition des tumeurs correspondrait chez l'homme à un dépôt pulmonaire d'environ {{unité|200|kBq}}, soit {{unité|87|µg}}) de [[Dioxyde de plutonium|{{exp|239}}{{fchim|PuO|2}}]]<ref name="IRSN 2007"/>.

=== Inflammabilité ===

Le plutonium présente un risque d'incendie, particulièrement lorsqu'il est sous forme de poudre finement divisée. En présence d'humidité, il forme à sa surface des [[hydrure]]s qui sont [[Pyrophoricité|pyrophoriques]] et sont susceptibles de prendre feu à température ambiante. Le risque est réel, et s'est matérialisé en 1969 par un important feu de plutonium au [[laboratoire national de Rocky Flats]]<ref name="ISIS 1999">
{{Lien web
 | langue      = en
 | auteur1     = David Albright et Kevin O'Neill
 | url         = https://web.archive.org/web/20080708220510/http://www.isis-online.org/publications/usfacilities/Rfpbrf.html
 | titre       = The Lessons of Nuclear Secrecy at Rocky Flats
 | année       = 1999
 | site        = web.archive.org
 | éditeur     = Institute for Science and International Security
 | consulté le = 17 août 2017
}}.</ref>. L'accroissement de volume résultant de l'oxydation du plutonium peut atteindre 70 % et briser les récipients de confinement<ref name="DOE 1994-12"/>. La radioactivité de ce métal combustible constitue un risque supplémentaire.

L'[[oxyde de magnésium]] MgO est sans doute la substance la plus efficace pour éteindre un feu de plutonium : il refroidit le métal en agissant comme [[dissipateur thermique]] tout en coupant l'alimentation en oxygène de la [[combustion]]. Afin de prévenir les risques d'incendie, il est recommandé de manipuler le plutonium sous atmosphère sèche inerte<ref name="DOE 1994-12"/>.

=== Toxicologie ===

Le plutonium présente la toxicité d'un [[métal lourd]] au même titre que l'[[uranium]], par exemple, mais elle est moins documentée que celle de ce dernier, et les études ne placent pas la toxicité chimique comme risque majeur associé au plutonium<ref name="10.1097/00004032-197705000-00003">
{{Article
 | langue      = en
 | nom1        = Bernard L. Cohen
 | titre       = Hazards from Plutonium Toxicity
 | périodique  = Health Physics
 | volume      = 32
 | numéro      = 5
 | mois        = mai
 | année       = 1977
 | pages       = 359-379
 | url texte   = http://journals.lww.com/health-physics/pages/articleviewer.aspx?year=1977&issue=05000&article=00003&type=abstract
 | consulté le = 12 août 2017
 | doi         = 10.1097/00004032-197705000-00003
 | pmid        = 881333
 }}</ref>{{,}}<ref name="Cohen 1985">
{{Lien web
 | langue      = en
 | auteur1     = Bernard L. Cohen
 | url         = https://web.archive.org/web/20110826115232/http://russp.org/BLC-3.html
 | titre       = The Myth of Plutonium Toxicity
 | année       = 1985
 | site        = web.archive.org
 | consulté le = 13 août 2017
}}.</ref>. Plusieurs populations exposées à des poussières de plutonium ont été suivies de près afin d'évaluer l'impact sur leur santé de leur contamination au plutonium<ref name="ATSDR 2010">
{{Lien web
 | langue      = en
 | url         = https://www.atsdr.cdc.gov/ToxProfiles/tp.asp?id=648&tid=119
 | titre       = Toxicological Profile for Plutonium
 | année       = 2010
 | site        = ATSDR Toxic Substances Portal 
 | éditeur     = Agency for Toxic Substances & Disease Registry
 | consulté le = 18 août 2017
}}.</ref>, comme les personnes résidant à proximité de sites d'expérimentation nucléaires atmosphériques lorsqu'ils étaient autorisés, les personnes travaillant dans des installations nucléaires, les rescapés du [[Bombardements atomiques d'Hiroshima et Nagasaki|bombardement atomique de Nagasaki]], voire des patients « en phase terminale » de maladies mortelles à qui a été injecté du plutonium dans les années 1945-1946 pour en observer la [[Métabolisme|métabolisation]] dans le [[corps humain]]. Ces études ne montrent généralement pas de toxicité particulièrement élevée pour le plutonium, avec des exemples de cas célèbres comme celui d'[[Albert Stevens]], cité par {{Lien|langue=en|trad=Bernard Cohen (physicist)|fr=Bernard Cohen}}<ref name="Cohen 1985"/>, qui vécut jusqu'à un âge avancé après avoir subi des injections de plutonium. Plusieurs dizaines de chercheurs du [[laboratoire national de Los Alamos]] ont également inhalé des quantités significatives de poussières de plutonium dans les [[années 1940]] sans développer de cancer du poumon<ref name="10.1097/00004032-197510000-00011">
{{Article
 | langue      = en
 | nom1        = G. L. Voelz
 | titre       = What We Have Learned about Plutonium from Human Data
 | périodique  = Health Physics
 | volume      = 29
 | numéro      = 4
 | mois        = octobre
 | année       = 1975
 | pages       = 551-561
 | url texte   = http://journals.lww.com/health-physics/Abstract/1975/10000/What_We_Have_Learned_about_Plutonium_from_Human.11.aspx
 | consulté le = 15 août 2017
 | doi         = 10.1097/00004032-197510000-00011
 | pmid        = 1205858
 }}</ref>.

Certains discours antinucléaires<ref>[http://bienprofond.free.fr/lelectronlibre/lelectronlibre-01/l_electron_libre_01.pdf radioactivité naturelle et artificielle], l'électron libre, 12/2002</ref>{{,}}<ref>[http://www.nucleaire-nonmerci.net/ETUDE-SORTIES-web.pdf Nucléaire : comment en sortir ?], Réseau "Sortir du nucléaire", 2007.</ref>{{,}}<ref>[http://midipyrenees.eelv.fr/files/2013/01/Newsletter-JDP-Avril-2011.pdf La lettre d'information avril 2011], EELV Midi-Pyrénées.</ref>{{,}}<ref>[https://books.google.fr/books?id=EKbYVDSVJ20C&pg=PP82 Fleur Australe], Géraldine Danon, Flammarion -Arthaud, 2012.</ref>{{,}}<ref name="SdN">[http://www.sortirdunucleaire.org/L-exploration-spatiale-nouvelle L’exploration spatiale, "nouvelle frontière" du nucléaire ?], Sortir du nucléaire {{n°|56}} - Hiver 2012-2013</ref>{{,}}<ref name=Gdalia>[http://blogs.mediapart.fr/blog/gdalia-roulin/040715/ya-quequ-chose-qui-cloche-la-ddans  Y'a quéqu' chose qui cloche là-d'dans... ], Le blog de Gdalia Roulin, Mediapart, 4 juillet 2015.</ref> affirment que « l'ingestion d'un seul millionième de gramme est fatale », ce qui n'est pas étayé par la documentation existante<ref name="ATSDR 2010.0">
{{Lien web
 | langue      = en
 | format      = pdf
 | url         = https://www.atsdr.cdc.gov/ToxProfiles/tp143.pdf
 | titre       = Toxicological Profile for Plutonium
 | série       = Toxic Substances Portal
 | mois        = novembre
 | année       = 2010
 | site        = ATSDR  - Plutonium 
 | éditeur     = [[Agency for Toxic Substances and Disease Registry]] (ATSDR) et U.S. [[Environmental Protection Agency]] (EPA)
 | consulté le = 18 août 2017
}}.</ref>. Les données épidémiologiques des membres du « club des ''{{lang|en|UPPU}}''{{note|groupe=alpha|En anglais, ''{{lang|en|UPPU}}'' se lit ''{{lang|en|you pee Pu}}'', c'est-à-dire « tu pisses du plutonium ».}} », c'est-à-dire des {{unité|26|personnes}} ayant travaillé au [[laboratoire national de Los Alamos]] sur du plutonium et en ayant ingéré au point qu'il était suivi dans les urines, montrent par exemple une mortalité et un taux de cancers inférieurs à la moyenne<ref name="978-0-309-10296-4">{{en}} Jeremy Bernstein, ''Plutonium : a history of the world's most dangerous element'', 2007, Joseph Henry Press, Washington, D.C. {{ISBN|978-0-309-10296-4}}</ref>.

L'affirmation selon laquelle « Il suffirait de quelques centaines de grammes de plutonium répandue uniformément sur terre, pour y effacer toute forme de vie humaine »<ref name=Gdalia/> n'est pas non plus conforme aux données disponibles. On estime en effet que la dispersion d'une masse de l'ordre du kilogramme sur une surface de quelques centaines de kilomètres carrés (soit dans un rayon d'environ {{unité|10|km}}) conduit à une contamination inférieure au centième de microgramme par mètre carré<ref name=SdN/>{{,}}<ref>[http://warisacrime.org/content/curiosity-mission-nukes-space The Curiosity Mission: Nukes in Space], Karl Grossman.</ref>, de sorte quelques centaines de grammes répartis uniformément à la surface de la Terre seraient bien en deçà de toute quantité détectable.

Il convient également de distinguer la [[radiotoxicité]] du {{nobr|[[plutonium 238]]}}, qui est particulièrement élevée, de celle du {{nobr|[[plutonium 239]]}} employé par l'armée et l'industrie nucléaire, dont la radioactivité spontanée est sensiblement moindre. Ces deux [[isotope]]s sont produits en quantités très différentes, par des circuits distincts et pour des usages qui n'ont aucun rapport : le {{nobr|plutonium 238}} est produit à raison de quelques kilogrammes essentiellement comme source d'énergie embarquée pour [[générateur thermoélectrique à radioisotope]], tandis que le {{nobr|plutonium 239}} est produit à raison de plusieurs tonnes pour tirer profit de sa nature d'[[isotope fissile]] dans des réacteurs nucléaires ou des armes nucléaires<ref>[http://isis-online.org/isis-reports/detail/plutonium-watch-tracking-plutonium-inventories/ Plutonium Watch: Tracking Plutonium Inventories], ISIS Reports, June 2004.</ref>.

=== Toxicodynamique ===

Chez l'[[Homo sapiens|homme]], le plutonium absorbé est transporté par des [[transferrine]]s<ref name="10.2307/3572534">
{{Article
 | langue      = en
 | nom1        = G. A. Turner et D. M. Taylor
 | titre       = The Binding of Plutonium to Serum Proteins in Vitro
 | périodique  = Radiation Research
 | volume      = 36
 | numéro      = 1
 | mois        = octobre
 | année       = 1968
 | pages       = 22-30
 | url texte   = http://www.rrjournal.org/doi/abs/10.2307/3572534
 | consulté le = 12 août 2017
 | doi         = 10.2307/3572534
 | pmid        = 17387923
 | jstor       = 3572534
}}</ref>{{,}}<ref name="10.2307/3573043">
{{Article
 | langue      = en
 | nom1        = A. R. Chipperfield et D. M. Taylor
 | titre       = Binding of Plutonium to Glycoproteins in Vitro
 | périodique  = Radiation Research
 | volume      = 43
 | numéro      = 2
 | mois        = août
 | année       = 1970
 | pages       = 393-402
 | url texte   = http://www.rrjournal.org/doi/abs/10.2307/3573043
 | consulté le = 12 août 2017
 | doi         = 10.2307/3573043
 | pmid        = 5465552
 | jstor       = 3573043
}}</ref>{{,}}<ref name="10.1038/nchembio.594">
{{Article
 | langue      = en
 | nom1        =  Mark P. Jensen, Drew Gorman-Lewis, Baikuntha Aryal, Tatjana Paunesku, Stefan Vogt, Paul G. Rickert, Soenke Seifert, Barry Lai, Gayle E. Woloschak et L. Soderholm
 | titre       = An iron-dependent and transferrin-mediated cellular uptake pathway for plutonium
 | périodique  = Nature Chemical Biology
 | volume      = 7
 | numéro      = 8
 | jour        = 26
 | mois        = juin
 | année       = 2011
 | pages       = 560-565
 | url texte   = http://www.nature.com/nchembio/journal/v7/n8/full/nchembio.594.html
 | consulté le = 12 août 2017
 | doi         = 10.1038/nchembio.594
 | pmid        = 21706034
 | pmcid       = 3462652
}}</ref>{{,}}<ref name="10.1080/09553008114551541">
{{Article
 | langue      = en
 | nom1        = John R. Cooper et Helen S. Gowing
 | titre       = The Binding of Americium and Curium to Human Serum Proteins
 | périodique  = International Journal of Radiation Biology and Related Studies in Physics, Chemistry and Medicine
 | volume      = 40
 | numéro      = 5
 | mois        = novembre
 | année       = 1981
 | pages       = 569-572
 | url texte   = http://www.tandfonline.com/doi/abs/10.1080/09553008114551541
 | consulté le = 12 août 2017
 | doi         = 10.1080/09553008114551541
 | pmid        = 6975262
 }}</ref> et est stocké dans le [[sang]] par la [[ferritine]]<ref name="10.1016/S0020-1693(00)84710-6">
{{Article
 | langue      = en
 | nom1        = David M. Taylor et George J. Kontoghiorghes
 | titre       = Mobilisation of plutonium and iron from transferrin and ferritin by hydroxypyridone chelators
 | périodique  = Inorganica Chimica Acta
 | volume      = 125
 | numéro      = 3
 | mois        = novembre
 | année       = 1986
 | pages       = L35-L38
 | url texte   = http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0020169300847106
 | consulté le = 12 août 2017
 | doi         = 10.1016/S0020-1693(00)84710-6
 }}</ref>{{,}}<ref name="10.1016/S0020-1693(00)81124-X">
{{Article
 | langue      = en
 | nom1        = David M. Taylor, Arnulf Seidel, Felicitas Planas-Bohne, Ute Schuppler, Margarethe Neu-Müller et Rainer E. Wirth
 | titre       = Biochemical studies of the interactions of plutonium, neptunium and protactinium with blood and liver cell proteins
 | périodique  = Inorganica Chimica Acta
 | volume      = 140
 | jour        = 15
 | mois        = décembre
 | année       = 1987
 | pages       = 361-363
 | consulté le = 12 août 2017
 | doi         = 10.1016/S0020-1693(00)81124-X
 }}</ref>{{,}}<ref name="10.1097/00004032-197111000-00009">
{{Article
 | langue      = en
 | nom1        = F. W. Bruenger, B. J. Stover et W. Stevens
 | titre       = {{exp|239}}Pu({{IV}}): its subcellular distribution and association with ferritin in the canine liver
 | périodique  = Health Physics
 | volume      = 21
 | numéro      = 5
 | mois        = novembre
 | année       = 1971
 | pages       = 679-687
 | url texte   = http://journals.lww.com/health-physics/pages/articleviewer.aspx?year=1971&issue=11000&article=00009&type=abstract
 | consulté le = 12 août 2017
 | doi         = 10.1097/00004032-197111000-00009
 | pmid        = 5112182
 }}</ref>{{,}}<ref name="10.2307/3572805">
{{Article
 | langue      = en
 | nom1        = G. Boocock, C. J. Danpure, D. S. Popplewell et D. M. Taylor
 | titre       = The Subcellular Distribution of Plutonium in Rat Liver
 | périodique  = Radiation Research
 | volume      = 42
 | numéro      = 2
 | mois        = mai
 | année       = 1970
 | pages       = 381-396
 | url texte   = http://www.rrjournal.org/doi/abs/10.2307/3572805
 | consulté le = 12 août 2017
 | doi         = 10.2307/3572805
 | pmid        = 4315168
 | jstor       = 3572805
}}</ref> pour finir par s'accumuler essentiellement dans les [[os]], également dans le [[foie]], et, dans une moindre mesure, dans les [[poumon]]s<ref name="10.1097/00004032-198306001-00045">
{{Article
 | langue      = en
 | nom1        = N. P. Singh, M. D. E. Wrenn et S. A. Ibrahim
 | titre       = Plutonium concentration in human tissues: comparison to thorium
 | périodique  = Health Physics
 | volume      = 44
 | numéro      = Suppl. 1
 | année       = 1983
 | pages       = 469-476
 | url texte   = http://journals.lww.com/health-physics/pages/articleviewer.aspx?year=1983&issue=06001&article=00045&type=abstract
 | consulté le = 12 août 2017
 | doi         = 10.1097/00004032-198306001-00045
 | pmid        = 6862922
 }}</ref>. Il demeure dans le [[corps humain]] avec une demi-vie biologique d'environ {{unité|50|ans}}<ref name="ATSDR 2010.D">
{{Lien web
 | langue      = en
 | format      = pdf
 | url         = https://www.atsdr.cdc.gov/toxprofiles/tp143-a.pdf
 | titre       = Appendix D. Overview of basic radiation physics, chemistry, and biology  
 | série       = Toxic Substances Portal
 | mois        = novembre
 | année       = 2010
 | site        = ATSDR  - Plutonium 
 | éditeur     = [[Agency for Toxic Substances and Disease Registry]] (ATSDR) et U.S. [[Environmental Protection Agency]] (EPA)
 | page        = D-4
 | consulté le = 18 août 2017
}}.</ref>. Un moyen courant d'en limiter les effets est d'injecter un complexe d'acide diéthylène-triamine penta-acétique<ref name="10.1097/HP.0000000000000283">
{{Article
 | langue      = en
 | nom1        = K. Konzen et R. Brey
 | titre       = Development of the Plutonium-DTPA Biokinetic Model
 | périodique  = Health Physics
 | volume      = 108
 | numéro      = 6
 | mois        = juin
 | année       = 2015
 | pages       = 565-573
 | url texte   = http://journals.lww.com/health-physics/pages/articleviewer.aspx?year=2015&issue=06000&article=00001&type=abstract
 | consulté le = 12 août 2017
 | doi         = 10.1097/HP.0000000000000283
 | pmid        = 25905517
 }}</ref>{{,}}<ref name="10.1021/ic300757k">
{{Article
 | langue      = en
 | nom1        = M. Alex Brown, Alena Paulenova et Artem V. Gelis
 | titre       = Aqueous Complexation of Thorium({{IV}}), Uranium({{IV}}), Neptunium({{IV}}), Plutonium({{III}}/{{IV}}), and Cerium({{III}}/{{IV}}) with DTPA
 | périodique  = Inorganic Chemistry
 | volume      = 51
 | numéro      = 14
 | jour        = 16
 | mois        = juillet
 | année       = 2012
 | pages       = 7741-7748
 | url texte   = http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ic300757k
 | consulté le = 12 août 2017
 | doi         = 10.1021/ic300757k
 | pmid        = 22738207
 }}</ref>{{,}}<ref name="10.1016/j.apradiso.2005.01.005">
{{Article
 | langue      = en
 | nom1        = F.Ménétrier, L.Grappin, P.Raynaud, C.Courtay, R.Wood, S.Joussineau, V.List, G. N. Stradling, D. M. Taylor, Ph. Bérard, M. A. Morcillo et J.Rencova
 | titre       = Treatment of accidental intakes of plutonium and americium: Guidance notes
 | périodique  = Applied Radiation and Isotopes
 | volume      = 62
 | numéro      = 6
 | mois        = juin
 | année       = 2005
 | pages       = 829-846
 | url texte   = http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0969804305000096
 | consulté le = 12 août 2017
 | doi         = 10.1016/j.apradiso.2005.01.005
 | pmid        = 15799861
 }}</ref> ([[DTPA]], parfois appelé « acide pentétique ») avec du [[calcium]]<ref name="10.1093/rpd/ncm300">
{{Article
 | langue      = en
 | nom1        = A. L. Sérandour, N. Tsapis, C. Gervelas, G. Grillon, M. Fréchou, J. R. Deverre, H. Bénech, E. Fattal, P. Fritsch et J. L. Poncy
 | titre       = Decorporation of plutonium by pulmonary administration of Ca-DTPA dry powder: a study in rat after lung contamination with different plutonium forms
 | périodique  = Radiation Protection Dosimetry
 | volume      = 127
 | numéro      = 1-4
 | mois        = novembre
 | année       = 2007
 | pages       = 472-476
 | url texte   = https://academic.oup.com/rpd/article-abstract/127/1-4/472/1607257
 | consulté le = 12 août 2017
 | doi         = 10.1093/rpd/ncm300
 | pmid        = 17562654
 }}</ref> ou du [[zinc]]<ref name="10.1093/rpd/ncm299">
{{Article
 | langue      = en
 | nom1        = David M. Taylor, Susan A. Hodgson et Neil Stradling
 | titre       = Treatment of human contamination with plutonium and americium: would orally administered Ca- or Zn-DTPA be effective?
 | périodique  = Radiation Protection Dosimetry
 | volume      = 127
 | numéro      = 1-4
 | mois        = novembre
 | année       = 2007
 | pages       = 469-471
 | url texte   = https://academic.oup.com/rpd/article-abstract/127/1-4/469/1607165
 | consulté le = 12 août 2017
 | doi         = 10.1093/rpd/ncm299
 | pmid        = 17556346
 }}</ref> dans les {{unité|24|h}} suivant la contamination, ce qui limite la fixation du plutonium, ainsi que de l'[[américium]] et du [[curium]]. D'autres [[chélateur]]s peuvent également être utilisés, comme l'[[entérobactine]]<ref name="10.1080/07366299908934651">
{{Article
 | langue      = en
 | nom1        =  Pihong Zhao, Vadim V. Romanovski, Donald W. Whisenhunt Jr, Darleane C. Hoffman, Thomas R. Mohs, Jide Xu et Kenneth N. Raymond
 | titre       = Extraction of plutonium by chelating hydroxypyridinone and catecholamide resins
 | périodique  = Solvent Extraction and Ion Exchange
 | volume      = 17
 | numéro      = 5
 | année       = 1999
 | pages       = 1327-1353
 | url texte   = http://www.tandfonline.com/doi/abs/10.1080/07366299908934651
 | consulté le = 12 août 2017
 | doi         = 10.1080/07366299908934651
 }}</ref> et la [[déféroxamine]], certains avec une meilleure efficacité que le DTPA, comme le [[3,4,3-LIHOPO]] ou la DFO-HOPO<ref name="10.1080/09553009314552191">
{{Article
 | langue      = en
 | nom1        = V. Volf, R. Burgada, K. N. Raymond et P. W. Durbin
 | titre       = Early Chelation Therapy for Injected Pu-238 and Am-241 in the Rat: Comparison of 3,4,3-LIHOPO, DFO-HOPO, DTPA-DX, DTPA and DFOA
 | périodique  = International Journal of Radiation Biology
 | volume      = 63
 | numéro      = 6
 | mois        = juin
 | année       = 1993
 | pages       = 785-793
 | url texte   = http://www.tandfonline.com/doi/abs/10.1080/09553009314552191
 | consulté le = 12 août 2017
 | doi         = 10.1080/09553009314552191
 | pmid        = 8100266
 }}</ref> (déféroxamine-hydroxypyridinone).

On estime que chez l'Homme, 10 % du plutonium qui a franchi la barrière intestinale ou pulmonaire quitte le corps (via l'urine, et les excréments). Le reste après passage dans le sang se fixe pour moitié dans le [[foie]] et pour moitié dans le [[squelette]], où il demeure très longtemps et pour partie à vie (Le DOE américain estime que la [[demi-vie#En biologie et pharmacologie|demi-vie dans l'organe]] est respectivement de 20 et {{unité|50|ans}} pour le foie et l'os, selon des modèles simplifiés ne tenant pas compte de redistributions intermédiaires (en cas de [[fracture]] et/ou de [[ménopause]] (cf. dé[[calcification (médecine)|calcification]]) et lors du recyclage normal de l'os, etc). Le DOE précise que le taux accumulé dans le foie et le squelette dépend aussi de l'âge de l'individu (l'absorption dans le foie augmente avec l'âge), et qu'en fait, le plutonium se fixe d'abord sur la surface corticale et trabéculaire des os avant d'être lentement redistribué dans tout le volume minéral osseux.

== Applications ==

=== Militaires ===

Le {{nobr|[[plutonium 239]]}} est un [[isotope fissile]] clé pour la réalisation d'[[Arme nucléaire|armes nucléaires]] en raison de sa relative facilité de mise en œuvre et de sa disponibilité assez élevée. Il est possible de réduire la [[Masse critique (réaction nucléaire)|masse critique]] nécessaire à l'explosion en entourant le cœur de plutonium par des [[Réflecteur de neutrons|réflecteurs de neutrons]] qui ont le double rôle d'augmenter le flux de [[Neutron thermique|neutrons thermiques]] dans le cœur et de retarder l'expansion thermique de ce dernier afin d'y prolonger la [[Réaction en chaîne (nucléaire)|réaction en chaîne]] et d'accroître la [[Puissance des armes nucléaires|puissance de l'explosion nucléaire]].

Une masse de {{unité|10|kg}} de {{nobr|plutonium 239}} sans réflecteur suffit généralement pour atteindre la criticité<ref name="Pu-238 Critical">
{{Lien web
 | langue      = en
 | auteur1     = A. Blanchard, K. R. Yates, J. F. Zino, D. Biswas, D. E. Carlson, H. Hoang et D. Heemstra
 | url         = http://sti.srs.gov/fulltext/ms9900313/ms9900313.html
 | titre       = Updated Critical Mass Estimates for Plutonium-238
 | site        = osti.gov
 | éditeur     = U.S. Department of Energy: Office of Scientific & Technical Information
 | consulté le = 19 août 2017
}}.</ref> ; cette masse peut être divisée par deux par une conception optimisée. C'est environ le tiers de la masse critique de l'{{nobr|[[uranium 235]]}}.

La bombe ''{{lang|en|[[Fat Man]]}}'' larguée [[Bombardements atomiques d'Hiroshima et Nagasaki|sur Nagasaki]] par les [[États-Unis]] le {{nobr|9 août 1945}} utilisait une charge de {{unité|6.4|kg}} d'[[alliage plutonium-gallium]] [[Plutonium 239|{{exp|239}}Pu]]-[[Plutonium 240|{{exp|240}}Pu]]-[[Gallium|Ga]] 96:1:3 autour d'une [[source de neutrons]] d'amorçage [[Béryllium|Be]]-[[Polonium 210|{{exp|210}}Po]] le tout cerné de [[lentille explosive|lentilles explosives]] comprimant le plutonium pour en accroître significativement la masse volumique et donc la puissance de l'explosion, qui atteignit l'équivalent de {{unité|20000|t}} de [[Trinitrotoluène|TNT]]<ref name="LA 1985">
{{Lien web
 | langue      = en
 | format      = pdf
 | auteur1     = John Malik
 | url         = https://fas.org/sgp/othergov/doe/lanl/docs1/00313791.pdf
 | titre       = The Yields of the Hiroshima and Nagasaki Nuclear Explosions
 | mois        = septembre
 | année       = 1985
 | site        = fas.org
 | éditeur     = [[Laboratoire national de Los Alamos]]
 | consulté le = 19 août 2017
}}.</ref>. Il est en théorie possible de réduire la masse de plutonium nécessaire dans une arme nucléaire pour atteindre la criticité à moins de {{unité|4|kg}} moyennant une conception suffisamment élaborée.

=== Civiles ===

{{Article détaillé|réacteur nucléaire|cycle du combustible nucléaire}}

Le [[combustible nucléaire usagé]] provenant de [[Réacteur à eau légère|réacteurs à eau légère]] conventionnels contient un mélange d'[[isotope]]s [[Plutonium 238|{{exp|238}}Pu]], [[Plutonium 239|{{exp|239}}Pu]], [[Plutonium 240|{{exp|240}}Pu]] et [[Plutonium 242|{{exp|242}}Pu]]. Ce mélange n'est pas suffisamment enrichi en {{nobr|plutonium 239}} pour permettre la réalisation d'[[Arme nucléaire|armes nucléaires]] mais peut être [[Cycle du combustible nucléaire|recyclé]] en [[combustible MOX]]. Les [[Capture neutronique|captures neutroniques]] accidentelles au cours de la [[réaction nucléaire]] accroissent la quantité de {{nobr|plutonium 240}} et de {{nobr|plutonium 242}} chaque fois que le plutonium est irradié dans un réacteur à [[neutron thermique|neutrons thermiques]] de sorte que, à l'issue d'un premier cycle, le plutonium ne peut plus être utilisé que par des [[Réacteur à neutrons rapides|réacteurs à neutrons rapides]]. Si de tels réacteurs ne sont pas disponibles, ce qui est généralement le cas, le plutonium en excès est généralement éliminé en formant des [[Déchet radioactif|déchets radioactifs]] à vie longue. La volonté de réduire la quantité de tels déchets et de les valoriser a poussé à réaliser davantage de réacteurs à neutrons rapides<ref name="978-1-4663-8460-6">{{en}} C. E. Till, Y. I. Chang, ''Plentiful Energy: The Story of the Integral Fast Reactor, the Complex History of a Simple Reactor Technology, with Emphasis on Its Scientific Basis for Non-specialists'', 2011, Charles E. Till and Yoon Il Chang, {{pp.|254-256}}. {{ISBN|978-1-4663-8460-6}}</ref>.

Le [[procédé chimique]] le plus courant, dit [[PUREX|{{Abréviation|PUREX|Plutonium-Uranium Extraction}}]], permet le retraitement du combustible nucléaire usé en extrayant le plutonium et l'uranium qu'il contient afin de former un mélange d'[[oxyde]]s dit [[Combustible MOX|{{Abréviation|MOX|Mixed Oxides}}]], essentiellement du [[dioxyde d'uranium]] {{fchim|UO|2}} et du [[dioxyde de plutonium]] {{fchim|PuO|2}}, pouvant être utilisé à nouveau dans des réacteurs nucléaires. Du plutonium de qualité militaire peut être ajouté à ce mélange pour en accroître les performances énergétiques. Le MOX peut être utilisé dans les réacteurs à eau légère et contient environ {{unité|60|kg}} par tonne de combustible ; après quatre années d'utilisation, les trois quarts du plutonium sont consommés. Les [[surgénérateur]]s sont conçus afin d'optimiser l'utilisation des neutrons produits au cours de la réaction nucléaire en les utilisant pour produire, à partir d'[[isotope fertile|atomes fertiles]], davantage de matériau [[Isotope fissile|fissile]] qu'ils en consomment<ref name="978-1-4663-8460-6"/>.

Le MOX est utilisé depuis les [[années 1980]], notamment en [[Europe]]. Les [[États-Unis]] et la [[Russie]] ont signé, en {{date-|septembre 2000}},
l'[[Accord de gestion et de traitement du plutonium]] ({{Abréviation|PMDA|Plutonium Management and Disposition Agreement}}) par lequel ils entendent éliminer {{unité|34|tonnes}} de plutonium de qualité militaire ; le [[Département de l'Énergie des États-Unis|DOE]] américain prévoit d'avoir recyclé cette masse de plutonium en MOX avant la fin de l'année 2019<ref name="DNFSB 2004">{{en}} 
{{Lien web
 | langue      = en
 | format      = pdf
 | url         = https://www.dnfsb.gov/sites/default/files/Board%20Activities/Reports/Reports%20to%20Congress/2004/sr_2004528_4687_0.pdf
 | titre       = Plutonium Storage at the Department of Energy's Savannah River Site: First Annual Report to Congress
 | année       = 2004
 | site        = dnfsb.gov
 | éditeur     = Defense Nuclear Facilities Safety Board
 | page        = A-1
 | consulté le = 20 août 2017
}}.</ref>.

Le MOX accroît le rendement énergétique total. Une barre de combustible nucléaire est retraitée après une utilisation de trois ans afin d'en extraire les déchets, qui représentent alors environ 3 % de la masse totale de ces barres<ref name="0-19-850340-7"/>. Les isotopes d'uranium et de plutonium produits au cours de ces trois années d'exploitation{{note|groupe=alpha|La [[composition isotopique]] du plutonium dans un [[combustible nucléaire usagé]] est de l'ordre de 58 % de [[Plutonium 239|{{exp|239}}Pu]], 24 % de [[Plutonium 240|{{exp|240}}Pu]], 11 % de [[Plutonium 241|{{exp|241}}Pu]], 5 % de [[Plutonium 242|{{exp|242}}Pu]] et 2 % de [[Plutonium 238|{{exp|238}}Pu]]<ref name="0-19-850340-7"/>.}} sont laissés dans la barre de combustible, qui retourne dans un réacteur pour y être utilisé. La présence de [[gallium]] jusqu'à hauteur de 1 % pondéral dans le plutonium de qualité militaire peut interférer avec l'utilisation à long terme de ce matériau dans un réacteur à eau légère<ref name="10.1111/j.1151-2916.1998.tb02740.x">
{{Article
 | langue      = en
 | nom1        = Theodore M. Besmann
 | titre       = Thermochemical Behavior of Gallium in Weapons-Material-Derived Mixed-Oxide Light Water Reactor (LWR) Fuel
 | périodique  = Journal of the American Ceramic Society
 | volume      = 81
 | numéro      = 12
 | mois        = décembre
 | année       = 1998
 | pages       = 3071–3076
 | url texte   = http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/j.1151-2916.1998.tb02740.x/abstract
 | consulté le = 20 août 2017
 | doi         = 10.1111/j.1151-2916.1998.tb02740.x
 }}</ref>.

Les plus grandes installations déclarées de recyclage du plutonium sont les unités {{Lien|langue=en|trad=B205|fr=B205}} et {{Lien|langue=en|trad=Thermal Oxide Reprocessing Plant|fr=THORP|texte={{Abréviation|THORP|Thermal Oxide Reprocessing Plant}}}}{{note|groupe=alpha|Une fuite importante de plutonium et d'[[uranium]] est survenue le {{nobr|19 avril 2005}} à l'usine {{Lien|langue=en|trad=Thermal Oxide Reprocessing Plant|fr=THORP|texte={{Abréviation|THORP|Thermal Oxide Reprocessing Plant}}}} à la suite d'une rupture de soudure dans une des cuves de retraitement. {{unité|200|kg}} de plutonium ont été perdus avec {{unité|83000|L}} de matière [[radioactivité|radioactive]] provenant d'une cuve en [[béton armé]] conçue pour recueillir d'éventuelles pertes. Cette fuite a fait suite à une rupture de canalisation qui n'avait pas été détectée, les techniciens ayant ignoré, durant plusieurs mois, les indicateurs d'alerte à ce sujet, qui signalaient une perte de masse dans la cuve signifiant une fuite. Craignant un [[accident de criticité]], l'autorité de sûreté a provisoirement fermé l'une des deux installations jumelles<ref name="TG 2005-05-09">
{{Lien web
 | langue      = en
 | url         = https://www.theguardian.com/society/2005/may/09/environment.nuclearindustry
 | titre       = Huge radioactive leak closes Thorp nuclear plant
 | jour        = 9
 | mois        = mai
 | année       = 2005
 | site        = theguardian.com
 | éditeur     = [[The Guardian]]
 | consulté le = 20 août 2017
}}.</ref>.}} de [[Sellafield]], au [[Royaume-Uni]] ; l'[[usine de retraitement de la Hague]], en [[France]] ; l'[[usine nucléaire de Rokkasho]], au [[Japon]] ; et le [[complexe nucléaire Maïak]] en [[Russie]] ; il existe d'autres sites déclarés plus modestes, par exemple en [[Inde]] et au [[Pakistan]].

=== Spatiales ===

Le {{nobr|[[plutonium 238]]}} a une [[Période radioactive|demi-vie]] de {{unité|87.74|ans}}. Il émet une grande quantité d'[[énergie thermique]] accompagnée de faibles flux de [[neutron]]s et de [[photon]]s d'énergie [[Rayon gamma|gamma]]. Un kilogramme de cet isotope peut dégager une puissance thermique d'environ {{unité|570|W}}. Il émet principalement des [[Particule α|particules α]] d'énergie élevée mais qui sont faiblement pénétrantes, de sorte qu'il ne nécessite qu'un blindage léger. Une feuille de papier suffit pour arrêter des rayons α<ref name="LANL RTG">
{{Lien web
 | langue      = en
 | url         = http://www.lanl.gov/orgs/nmt/nmtdo/AQarchive/05spring/heart.html
 | titre       = From heat sources to heart sources: Los Alamos made material for plutonium-powered pumper
 | site        = lanl.gov
 | éditeur     = [[Laboratoire national de Los Alamos]]
 | consulté le = 20 août 2017
}}.</ref>.

Ces caractéristiques font de cet isotope du plutonium une source thermique particulièrement intéressante pour les applications embarquées devant fonctionner sans possibilité de maintenance directe pendant la durée d'une vie humaine. Il a par conséquent été utilisé comme source de chaleur dans les [[Générateur thermoélectrique à radioisotope|générateurs thermiques à radioisotope]] ({{Abréviation|RTG|Radioisotope Thermoelectric Generators}}) et [[Élément chauffant à radioisotope|éléments chauffants à radioisotope]] ({{Abréviation|RHU|Radioisotope Heater Units}}) comme ceux des sondes [[Cassini-Huygens]]<ref name="JPL 1996">
{{Lien web
 | langue      = en
 | url         = https://web.archive.org/web/20150226085238/http://saturn.jpl.nasa.gov/spacecraft/safety/solar.pdf
 | titre       = Why the Cassini Mission Cannot Use Solar Arrays
 | mois        = novembre
 | année       = 1996
 | site        = web.archive.org
 | éditeur     = [[Jet Propulsion Laboratory]]
 | consulté le = 20 août 2017
}}.</ref>, [[Programme Voyager|Voyager]], [[Galileo (sonde spatiale)|Galileo]] et [[New Horizons]], ainsi que le [[Astromobile|rover]] ''Curiosity'' de [[Mars Science Laboratory]].

Les sondes jumelles Voyager ont été lancées en 1977, chacune avec une source en plutonium libérant une puissance de {{unité|500|W}}. Plus de {{unité|30|ans}} plus tard, ces sources d'énergie libéraient encore une puissance de {{unité|300|W}} permettant un fonctionnement limité des sondes<ref name="JPL Voyager">
{{Lien web
 | langue      = en
 | url         = https://www.jpl.nasa.gov/voyager/mission/spacecraft/
 | titre       = Voyager Spacecraft
 | site        = jpl.nasa.gov
 | éditeur     = [[Jet Propulsion Laboratory]]
 | consulté le = 20 août 2017
|brisé le = 2023-11-28}}.</ref>. Une version plus ancienne de cette technologie alimentait les cinq [[Apollo Lunar Surface Experiments Package]]s à partir d'[[Apollo 12]] en 1969<ref name="0-19-850340-7"/>.

Le plutonium 238 a également été utilisé avec succès pour alimenter des [[Stimulateur cardiaque|stimulateurs cardiaques]] afin d'éviter les interventions chirurgicales répétées pour remplacer la source d'énergie<ref name="PMID 16943934">
{{Article
 | langue      = en
 | nom1        = Venkateswara Sarma Mallela, V. Ilankumaran et N.Srinivasa Rao
 | titre       = Trends in Cardiac Pacemaker Batteries
 | périodique  = Indian Pacing and Electrophysiology Journal
 | volume      = 4
 | numéro      = 4
 | mois        = octobre-décembre
 | année       = 2004
 | pages       = 201-212
 | url texte   = https://pdfs.semanticscholar.org/27c4/d83656601307b6c1fc8eae07e5e8115d1597.pdf
 | consulté le = 20 août 2017
 | pmid        = 16943934
 | pmcid       = 1502062
}}</ref>. Le {{nobr|plutonium 238}} a depuis été largement remplacé dans cet usage par les [[Pile au lithium|piles au lithium]], mais il restait encore en 2003 entre 50 et 100 patients aux États-Unis équipés de stimulateurs cardiaques alimentés au {{nobr|plutonium 238}}<ref name="ORAU Pacemaker">
{{Lien web
 | langue      = en
 | url         = http://www.orau.org/ptp/collection/Miscellaneous/pacemaker.htm
 | titre       = Plutonium Powered Pacemaker (1974)
 | jour        = 10
 | mois        = mai
 | année       = 2011
 | site        = orau.org
 | éditeur     = {{Lien|lang=en|trad=Oak Ridge Associated Universities|fr=Oak Ridge Associated Universities}}
 | consulté le = 20 août 2017
}}.</ref>.

== Sécurité ==

{{Article détaillé|Sécurité nucléaire|traité de non-prolifération}}

Le plutonium étant susceptible d'être utilisé à des fins militaires ou terroristes, il fait l'objet de nombreux textes et conventions internationaux visant à en prévenir la [[Prolifération nucléaire|prolifération]]. Le plutonium recyclé à partir de combustible nucléaire usé présente un risque de prolifération limité en raison de sa contamination élevée en isotopes non fissiles tels que le {{nobr|plutonium 240}} et le {{nobr|plutonium 242}}, dont l'élimination n'est pas réalisable.

Un réacteur opérant avec un [[taux de combustion]] très faible produit peu de ces isotopes indésirables et laisse donc un matériau nucléaire potentiellement utilisable à des fins militaires. Le plutonium de qualité militaire est censé être constitué au moins de 92 % de {{nobr|plutonium 239}}, mais il est techniquement possible de faire exploser une bombe nucléaire de faible puissance à partir de plutonium ne contenant que 85 % de {{nobr|plutonium 239}}{{note|groupe=alpha|Les États-Unis ont ainsi fait exploser un engin nucléaire en 1962 à partir de combustible usé provenant d'un réacteur britannique [[Magnox]], très probablement celui de la [[centrale nucléaire de Chapelcross]], de type [[Centrale nucléaire de Calder Hall/Sellafield|Calder Hall]] ; la [[composition isotopique]] de ce plutonium n'a pas été rendue publique mais n'excède certainement pas 85 % de {{nobr|[[plutonium 239]]}}<ref name="WNA">
{{Lien web
 | langue      = en
 | url         = http://www.world-nuclear.org/information-library/nuclear-fuel-cycle/fuel-recycling/plutonium.aspx
 | titre       = Plutonium
 | site        = world-nuclear.org
 | éditeur     = [[Association nucléaire mondiale]]
 | consulté le = 20 août 2017
}}.</ref>.}}. Le plutonium produit par un réacteur à eau légère avec un taux de combustion normal contient généralement moins de 60 % de {{nobr|plutonium 239}}, 10 % de {{nobr|[[plutonium 241]]}} [[Isotope fissile|fissile]] et jusqu'à 30 % d'isotopes indésirables {{nobr|plutonium 240}} et {{nobr|242}}. On ignore s'il est possible de faire exploser un engin nucléaire constitué d'un tel matériau, cependant un tel engin pourrait probablement répandre de la matière radioactive sur une surface étendue.

L'[[Agence internationale de l'énergie atomique]] classifie ainsi tous les [[isotope]]s du plutonium, qu'ils soient fissiles ou non, comme matériau directement utilisable à des fins nucléaires, c'est-à-dire comme matériau nucléaire qui peut être utilisé pour la fabrication d'explosifs nucléaires sans [[transmutation]] ni [[Enrichissement de l'uranium|enrichissement]] supplémentaire. En France, le plutonium est une matière nucléaire dont la détention est réglementée par le chapitre {{III}} du [[code de la Défense]]<ref name="Code de la Défense">
{{Lien web
 | langue      = fr
 | url         = https://www.legifrance.gouv.fr/affichCode.do;jsessionid=7EB2362FFAF2AED7521813A087944C93.tpdila11v_2?cidTexte=LEGITEXT000006071307&dateTexte=20170819
 | titre       = Code de la défense 
 | site        = legifrance.gouv.fr
 | consulté le = 19 août 2017
}}.</ref>.

== Origine ==

Le plutonium est un [[élément chimique]] qui est des plus rares dans la nature et presque exclusivement produit par l'homme de [[1940]] à nos jours. Cependant, de {{unité|4|à=30|kg}} de {{nobr|plutonium 239}} seraient produits chaque année sur [[Terre]] par [[radioactivité α]] de l'[[uranium]] sur des éléments plus légers ainsi que sous l'effet des [[Rayon cosmique|rayons cosmiques]]<ref name="Plutonium2010">
{{lien web
 | consulté le = 23 décembre 2014
 | nom         = Métivier
 | prénom      = Henri
 | url         = https://books.google.fr/books?id=OS8VNz28QuUC&pg=PA18&lpg=PA18&dq=plutonium+%C3%A0+%C3%A9tat+naturel&source=bl&ots=joPrnuu5mi&sig=Ih_gcflp0qqutTyO8FEwoYmSFak&hl=fr&sa=X&ei=E9CZVKD7EILzaI7DgJAC&ved=0CE8Q6AEwBg#v=onepage&q=plutonium%20%C3%A0%20%C3%A9tat%20naturel&f=false
 | titre       = Plutonium - Mythes et réalités
}}.</ref>. C'est le deuxième des [[transuranien]]s à avoir été découvert.

L'[[isotope]] [[plutonium 238|{{exp|238}}Pu]] a été produit en 1940 en bombardant une cible d'[[uranium]] par du [[deutérium]] au [[cyclotron]] de [[Berkeley (Californie)|Berkeley]]<ref>[http://www.fas.org/nuke/intro/nuke/plutonium.htm Plutonium production], Federation of American Scientists.</ref>. Durant le [[projet Manhattan]], le [[plutonium 239]] avait le nom de code ''49'', le '4' étant le dernier chiffre de ''94'' (le numéro atomique) et le '9', le dernier chiffre de 239, la masse atomique de l'isotope utilisé pour la bombe, le [[Plutonium 239|{{exp|239}}Pu]]<ref> {{lien web|langue=en
 |auteur=E.F. Hammel
 |titre=The taming of "49" — Big Science in little time. Recollections of Edward F. Hammel
 |url=http://www.fas.org/sgp/othergov/doe/lanl/pubs/00818010.pdf
 |éditeur=Los Alamos Science, Vol 26, Iss. 1, 2000
 |consulté le={{date|24|mai|2008}}
}}. Cette convention a été étendue pour tous les [[actinide]]s, dans les équations décrivant la dynamique de leur population dans des réacteurs. Ainsi, l'[[isotope]] 235 de l'uranium (92) reçoit dans les équations l'indice ''25'' et ainsi de suite.</ref>.

Il n'y a plus de plutonium en quantités détectables remontant à une [[nucléosynthèse]] primordiale. Des publications anciennes font toutefois état d'observations de {{nobr|plutonium 244}} naturel<ref name="10.1038/234132a0">
{{Article
 | langue      = en
 | nom1        = D. C. Hoffman, F. O. Lawrence, J. L. Mewherter et F. M. Rourke
 | titre       = Detection of Plutonium-244 in Nature
 | périodique  = Nature
 | volume      = 234
 | numéro      = 5325
 | jour        = 19
 | mois        = novembre
 | année       = 1971
 | pages       = 132-134
 | url texte   = http://www.nature.com/nature/journal/v234/n5325/abs/234132a0.html
 | consulté le = 15 août 2017
 | doi         = 10.1038/234132a0
 | bibcode     = 1971Natur.234..132H
}}</ref>. On trouve par ailleurs des traces de {{nobr|plutonium 239}} dans les [[Minerai d'uranium|minerais d'uranium]] naturel (de même que du [[neptunium]]), où il résulte de l'irradiation de l'uranium par le très faible taux de [[neutron]]s créés par la désintégration spontanée de l'uranium.

Il a été produit plus massivement (et existe encore en quantités infimes) sous forme de {{exp|239}}Pu dans des [[Géologie|structures géologiques]] particulières, où de l'uranium a été naturellement concentré par des processus géologiques il y a environ {{unité|2|milliards}} d'années, pour atteindre une [[Criticité (nucléaire)|criticité]] suffisante pour engendrer une [[réaction nucléaire]] naturelle. Son taux de formation dans le minerai d'uranium a ainsi été accéléré par des réactions nucléaires rendues possibles par un [[accident de criticité]] naturel. C'est le cas sur le site du [[réacteur nucléaire naturel d'Oklo]].

== Production ==

=== Plutonium 238 ===
{{Article détaillé|plutonium 238}}
[[Fichier:Putting the Plutonium 238 fuel into the SNAP 27.jpg|vignette|droite|Chargement d'un [[générateur thermoélectrique à radioisotope]] au [[plutonium 238]] sur le [[module lunaire Apollo]].]]

Dans les centrales nucléaires, du [[plutonium 238]] est formé parallèlement au [[plutonium 239]], par la chaîne de transformation commençant par l'[[uranium 235]] fissible.
* L'uranium 235 qui capture un neutron thermique peut se stabiliser par émission d'un [[rayonnement gamma|rayonnement {{mvar|γ}}]] dans 16 % des cas. Il forme alors un atome {{exp|236}}U, relativement stable (demi-vie de {{unité|23|millions}} d'années).
* Une deuxième capture neutronique le transforme en [[Uranium 237|{{exp|237}}U]] (pour mémoire, des noyaux [[Uranium 238|{{exp|238}}U]] peuvent également subir une réaction {{nobr|([[Neutron|n]],&thinsp;2[[Neutron|n]])}} qui les transforme en [[Uranium 237|{{exp|237}}U]] par perte d'un neutron). L'{{nobr|uranium 237}} est instable avec une [[Période radioactive|demi-vie]] de {{unité|6.75|jours}}, et se transforme par [[Radioactivité β|émission β{{exp|−}}]] en {{nobr|[[neptunium 237]]}}, relativement stable (demi-vie de {{unité|2.2|millions}} d'années).
* Une troisième capture neutronique transforme le noyau en {{nobr|neptunium 238}}, instable de demi-vie {{unité|2.1|jours}}, qui se transforme en {{nobr|plutonium 238}} par [[radioactivité β#Désintégration β−|{{nobr|émission β{{exp|−}}}}]].

Le plutonium 238, d'une demi-vie de {{unité|86.41|ans}}, est un émetteur très puissant de [[Radioactivité α|{{nobr|rayonnement α}}]]. En raison de son activité massique α et {{mvar|γ}} élevée, il est utilisé comme [[source de neutrons]] (par « {{nobr|réaction α}} » avec des éléments légers), comme source de chaleur et comme source d'énergie électrique ([[Générateur thermoélectrique à radioisotope|générateurs thermoélectriques à radiositopes]]). Les utilisations du [[Plutonium 238|{{exp|238}}Pu]] pour produire de l'électricité sont cantonnées aux utilisations spatiales, et, par le passé, à certains stimulateurs cardiaques.

On prépare le plutonium 238 à partir de l'irradiation neutronique du {{nobr|neptunium 237}}, un actinide mineur récupéré pendant le retraitement, ou à partir de l'irradiation de l'[[américium]], en réacteur. Dans les deux cas, pour extraire le {{nobr|plutonium 238}} des cibles, on les soumet à un traitement chimique, comportant une dissolution nitrique.

Il n'y a qu'environ {{unité|700|g/t}} de [[neptunium 237]] dans le combustible des réacteurs à eau ordinaire irradié pendant {{unité|3|ans}}, et il faut l'extraire sélectivement.

=== Plutonium 239 ===
{{Article détaillé|plutonium 239}}

L'irradiation de l'[[uranium 238]] dans les réacteurs nucléaires génère du [[plutonium 239]] par capture de [[neutron]]s. Dans un premier temps, un atome d'[[uranium 238]] capture un neutron et se transforme transitoirement en [[uranium 239]]. Cette réaction de capture est plus facile avec des neutrons rapides qu'avec des neutrons thermiques, mais est présente dans les deux cas.
:{{Nucléide|1|0|n|Neutron}} + {{Nucléide|238|92|U|Uranium 238}} ⟶ {{Nucléide|239|92|U|Uranium 239}}.

L'[[uranium 239]] formé est fortement instable. Il se transforme rapidement (avec une demi-vie de {{unité|23.5|minutes}}) en [[neptunium]] par radioactivité {{nobr|β{{exp|−}}}} :
:{{Nucléide|239|92|U|Uranium 239}} ⟶ {{Nucléide|239|93|Np|Neptunium 239}} + [[Électron|e{{exp|−}}]] + [[Antineutrino électronique|{{Surligner|{{mvar|ν}}}}{{ind|e}}]].

Le [[Isotopes du neptunium|neptunium 239]] est également instable, et subit à son tour une [[Radioactivité β|décroissance β{{exp|−}}]] (avec une demi-vie de {{unité|2.36|jours}}) qui le transforme en [[plutonium 239]] relativement stable (demi-vie de  {{unité|24000|ans}}).
:{{Nucléide|239|93|Np|Neptunium 239}} ⟶ {{Nucléide|239|94|Pu|Plutonium 239}} + [[Électron|e{{exp|−}}]] + [[Antineutrino électronique|{{Surligner|{{mvar|ν}}}}{{ind|e}}]].

Le [[plutonium 239]] est [[Isotope fissile|fissile]], et il peut donc contribuer à la [[réaction en chaîne (nucléaire)|réaction en chaine]] du [[Réacteur nucléaire|réacteur]]. De ce fait, pour le bilan énergétique d'un [[réacteur nucléaire]], le potentiel énergétique de l'uranium présent dans le réacteur comprend non seulement celui de l'{{nobr|[[uranium 235]]}} initialement présent, mais également celui de l'uranium 238 fertile qui aura été transmuté en plutonium.

Soumis à un [[flux neutronique]] en réacteur, le plutonium 239 peut également capturer un neutron sans subir de fission. Quand le combustible subit des périodes d'irradiation de plus en plus longues, les isotopes supérieurs s'accumulent de cette manière, en raison de l'absorption de neutrons par le {{nobr|[[plutonium 239]]}} et ses produits. Il se forme ainsi des isotopes [[Plutonium 240|{{exp|240}}Pu]], [[Plutonium 241|{{exp|241}}Pu]], [[Plutonium 242|{{exp|242}}Pu]], jusqu'au [[Plutonium 243|{{exp|243}}Pu]] instable qui se désintègre en {{nobr|[[américium 243]]}}.

L'isotope intéressant par son caractère fissile est le [[Plutonium 239|{{exp|239}}Pu]], relativement stable à échelle humaine ({{unité|24000|ans}}).

Le rythme de production d'un isotope dépend de la disponibilité de son précurseur, qui doit avoir eu le temps de s'accumuler. Dans un combustible neuf, le [[Plutonium 239|{{exp|239}}Pu]] se forme donc linéairement en fonction du temps, la proportion de [[Plutonium 240|{{exp|240}}Pu]] augmente suivant une loi au carré du temps (en t{{2}}), celle de [[Plutonium 241|{{exp|241}}Pu]] suivant une loi au cube du temps (en t{{3}}), et ainsi de suite.

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 {{nobr|plutonium 239}} est aussi pur que possible. En revanche, pour des usages civils, une brève irradiation n'extrait pas toute l'énergie que le combustible peut produire. On n'enlève donc le combustible des réacteurs électrogènes qu'après un séjour beaucoup plus long (3 ou {{unité|4|ans}}).

En première approximation, un réacteur produit typiquement {{unité|0.8|atome}} de [[Plutonium 239|{{exp|239}}Pu]] pour chaque fission de [[Uranium 235|{{exp|235}}U]], soit un gramme de plutonium par jour et par [[Méga|M]][[Watt|W]] de puissance thermique (les réacteurs à eau légère produisant moins que les graphite-gaz). Ainsi, en France, les réacteurs nucléaires produisent chaque année environ {{unité|11|tonnes}} de plutonium<ref>[http://www.senat.fr/rap/o97-179/o97-1793.html Rapport Bataille] 1997/1998 au Sénat.</ref>.

=== Plutonium 240 ===
{{Article détaillé|Isotopes du plutonium}}
Le <sup>240</sup>Pu est simplement fertile et présente une radioactivité « seulement » quatre fois plus élevée que le <sup>239</sup>Pu (avec une demi-vie de {{unité|6500|ans}}).

=== Plutonium 241 ===
{{Article détaillé|Isotopes du plutonium#Plutonium 241}}

Le <sup>241</sup>Pu est également fissile, mais extrêmement radioactif (demi-vie de {{unité|14,29|ans}}). <br />
En outre il se désintègre en produisant de l'[[américium 241]] [[Poison_à_neutrons|neutrophage]], qui réduit par son accumulation éventuelle l'efficacité des dispositifs nucléaires militaires ou civils.

=== Plutonium 242 ===
{{Article détaillé|Isotopes du plutonium}}

Le <sup>242</sup>Pu a une durée de vie beaucoup plus longue que les précédents ({{unité|373000|ans}}). Il n'est pas fissile en neutrons thermiques. Sa [[section efficace]] est beaucoup plus faible que celle des autres isotopes ; le recyclage successif du plutonium en réacteur tend donc à accumuler le plutonium sous cette forme très peu fertile.

=== Plutonium 243 ===
{{Article détaillé|Isotopes du plutonium}}

Le <sup>243</sup>Pu est instable (demi-vie de moins de 5 heures) et se désintègre en [[américium|américium 243]].

=== Plutonium 244 ===
{{Article détaillé|plutonium 244}}

Le [[plutonium 244]], l'isotope le plus stable d'une [[Période radioactive|demi-vie]] de {{unité|80|millions}} d'années, ne se forme pas dans les réacteurs nucléaires. En effet, les captures neutroniques successives partant de l'[[uranium 239]] conduisent au [[Plutonium 243|{{exp|243}}Pu]], de très faible demi-vie (de l'ordre de cinq heures). Même dans des réacteurs « à haut flux », le [[Plutonium 243|{{exp|243}}Pu]] se transforme rapidement en [[Américium 243|{{exp|243}}Am]], sans avoir le temps de capturer un neutron supplémentaire pour former le [[Plutonium 244|{{exp|244}}Pu]].

En revanche, des flux neutroniques plus importants  permettent cette formation. Il est synthétisé lors des [[explosion nucléaire|explosions nucléaires]] ou par [[nucléosynthèse stellaire]] lors de l'explosion d'une [[supernova]]. Ainsi, en [[1952]], l'explosion de la première bombe thermonucléaire américaine (test ''[[Ivy Mike]]'') a ainsi produit deux [[radioisotope]]s alors encore inconnus : le [[plutonium 244]] ({{exp|244}}Pu) et le plutonium 246 ({{exp|246}}Pu). Les [[trace (radioisotope)|traces]] de [[Plutonium 244|{{exp|244}}Pu]] dans l'environnement sont généralement attribuées aux [[Essai nucléaire|essais nucléaires]] atmosphériques ainsi qu'à des reliquats de [[Plutonium 244|{{exp|244}}Pu]] primordial.

== Stocks mondiaux ==

Après près de {{unité|70|ans}} d'une production mondiale toujours croissante, les stocks déclarés de plutonium atteignent un total de {{unité|500|tonnes}} à la fin de l'année 2013, dont 52 % d'origine civile et 48 % militaire<ref name="IPFM2015">{{Lien web |langue=en |titre=Alternatives to MOX - Direct-disposal options for stockpiles of separated plutonium |url=http://fissilematerials.org/library/rr13.pdf |date=April 2015 |site=fissilematerials.org |consulté le=23 avril 2015}}.</ref>. Les stocks déclarés sont essentiellement répartis entre 5 pays : 
* [[Russie]] : {{unité|178|tonnes}} soit 35,6 %
* [[Royaume-Uni]] : {{unité|107.2|tonnes}} soit 21,4 %
* [[États-Unis]] : {{unité|88.3|tonnes}} soit 17,7 %
* [[France]] : {{unité|66.2|tonnes}} soit 13,2 %
* [[Japon]] : {{unité|47.1|tonnes}} soit 9,4 %
* Reste du monde : {{unité|13|tonnes}} soit 3 %

== Notes ==

{{Références|taille=30|groupe=alpha}}

== Notes et références ==

{{Références nombreuses|taille=30}}

== Voir aussi ==

{{Autres projets| commons=Category:Plutonium| wiktionary=plutonium| wikiversity=Principes de la physique nucléaire/Fission}}

=== Bibliographie ===

* {{Ouvrage|langue=en|prénom1=David R.|nom1=Lide|et al.=oui|titre=Handbook of Chemistry and Physics|lieu=Boca Raton (FL)|éditeur=CRC Press, Taylor & Francis Group|année=2006|numéro d'édition=87|pages totales=2608|isbn=0-8493-0487-3|id=CRC2006}}
* Sandrine Matton ; Mesures [[in vitro]] et [[in vivo]] des paramètres de dissolution des oxydes mixtes d'uranium et de plutonium en milieu biologique (In vitro and in vivo measurements of dissolution parameters of mixed uranium and plutonium oxides in biological medium) ; Thèse de Sandrine Matton (sous la direction de Michel Genet), soutenue à l'université de Paris 11 Orsay ([http://www.refdoc.fr/Detailnotice?idmono=253550 Inist CNRS])
* IEER, [http://ieer.org/wp/wp-content/uploads/1997/07/FrenchE&S3.pdf Énergie & Sécurité {{n°|3}}] Sommaire : L'utilisation du plutonium militaire comme combustible de réacteur ; Les effets du plutonium sur la santé ; Le MOX en France et en Belgique ; Situation et perspective pour la production du combustible MOX en Russie ; La transmutation n'est pas une alternative à l'enfouissement ; La transformation du plutonium avec le temps], Énergie & Sécurité {{n°|3}}, 1997 (scan PDF)

=== Articles connexes ===

* [[Contrôle des matières nucléaires]]
* [[Énergie nucléaire]]
* [[Radioactivité]]
* Procédé [[PUREX|Purex]]

=== Liens externes ===
* {{Autorité}}
* {{lien web|langue=en|url=http://www.periodictable.com/Elements/094/data.html|titre=Technical data for Plutonium|consulté le=19 avril 2019}}, avec en sous-pages les données connues pour chaque isotope
* {{en}} [http://www.fas.org/sgp/othergov/doe/lanl/pubs/00326640.pdf Les expérimentations humaines sur le plutonium aux États-Unis] (Los Alamos Science, 23, 1995)
* {{en}} [http://www.world-nuclear.org/info/inf15.html Plutonium], par le "World Nuclear Association"
* {{lien web|consulté le=2014-12-23|url=http://www.academie-sciences.fr/activite/rapport/rm0505.htm|titre=Les isotopes du plutonium et leurs descendants dans le nucléaire civil|brisé le = 2023-11-28}}, rapport à l'Académie des sciences par [[Robert Dautray]] - Paris - {{date-|Mai 2005}} - Éditions Tec & Doc Lavoisier.
* [http://laboutique.edpsciences.fr/produit/20/9782759809035 Plutonium, Mythes et Réalités - Janvier 2010 - EDP Sciences.]

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[[Catégorie:Déchet radioactif]]