Dioxyde de plutonium

Le dioxyde de plutonium a la même structure cristalline que la fluorine CaF₂, qui est également celle du dioxyde d'uranium et du dioxyde de neptunium : les cations Pu⁴⁺ occupent les nœuds d'un réseau cubique à faces centrées tandis que les anions O²⁻ occupent les sites tétraédriques[4]. Le PuO₂ se prête bien aux applications nucléaires en raison des lacunes dans les sites octaédriques, qui offrent de la place pour les produits de fission sans briser la structure cristalline du matériau.

Le plutonium métallique s'oxyde spontanément en dioxyde de plutonium PuO₂ lorsqu'il est exposé à l'oxygène. Industriellement, il est produit par calcination à 300 °C de l'oxalate de plutonium Pu(C₂O₄)₂.6H₂O issu du traitement du combustible nucléaire usé.

Cylindre de ²³⁸PuO₂ luisant sous l'effet de sa propre chaleur de désintégration.

Le dioxyde de plutonium entre dans la composition du combustible MOX utilisé par certains réacteurs nucléaires. Le dioxyde de plutonium 238 est utilisé comme source d'énergie pour les sondes spatiales dans leur générateur thermoélectrique à radioisotope, comme c'est le cas de la sonde New Horizons qui a atteint le système de Pluton en été 2015. L'isotope ²³⁸Pu se désintègre en effet essentiellement en émettant des particules α dont il est possible de convertir efficacement l'énergie cinétique en énergie thermique : la puissance spécifique du plutonium 238 pur est d'environ 567 W/kg, soit environ 390 W/kg sous forme de dioxyde de plutonium PuO₂ — l'isotope ²³⁸Pu n'est jamais pur, il est généralement concentré entre 75 et 80 %, avec souvent entre 15 et 20 % de ²³⁹Pu et divers autres actinides.

Cette technologie présente de très nombreux avantages du point de vue de l'exploration spatiale, mais suscite toujours la méfiance du public quant aux risques de contamination radioactive en cas d'accident lors du lancement ou en cas de chute de l'engin dans l'atmosphère terrestre — dans la mesure par exemple où New Horizons a dû repasser très près de la Terre pour bénéficier de son assistance gravitationnelle par effet de fronde avant de mettre le cap vers Jupiter.

Comme tous les composés du plutonium, le dioxyde de plutonium est tracé dans le cadre du traité sur la non-prolifération des armes nucléaires. Le PuO₂ est chaud au toucher en raison de son intense radioactivité α, comme le sont d'ailleurs tous les autres composés du plutonium. Ce dernier n'est pas seulement radiotoxique, mais également toxique d'un point de vue chimique, particulièrement par inhalation[5].