Plutonium 239

Il est radioactif avec une période de 24 110 ans en produisant de l'uranium 235 par désintégration α moyennant une énergie de désintégration de 5,245 MeV. Il se désintègre également par fission spontanée avec une probabilité de 3,1 × 10⁻¹⁰ % et une énergie totale par atome fissionné de 207,1 MeV = 3,318 × 10⁻¹¹ J[2].

Le ²³⁹Pu est l'un des trois radioisotopes couramment utilisés dans l'industrie et l'armement nucléaires, avec le ²³⁵U et le ²³³U.

La fission d'un atome d'uranium 235 libère deux ou trois neutrons qui peuvent être capturés par des atomes d'uranium 238 pour donner du plutonium 239 après deux désintégrations β⁻ successives :

1
0n + 238
92U ⟶ 239
92U ${\displaystyle \mathrm {\xrightarrow[{23,45\ min}]{\beta ^{-}\ 1,265\ MeV}} }$ 239
93Np ${\displaystyle \mathrm {\xrightarrow[{2,3565\ jours}]{\beta ^{-}\ 0,722\ MeV}} }$ 239
94Pu.

Les centrales nucléaires civiles qui fonctionnent au plutonium sont toujours conçues pour pouvoir exposer de l'uranium 238 au flux de neutrons produit par la réaction nucléaire afin de générer le plutonium 239 recherché. Cela ouvre naturellement la voie à la production de plutonium de qualité militaire en détournant des installations civiles pour convertir en plutonium 239 l'isotope ²³⁸U, toujours présent dans l'uranium enrichi en ²³⁵U. D'une manière générale, les centrales sont généralement conçues pour que le remplacement du combustible nucléaire se fasse après arrêt complet du réacteur, ce qui empêche la génération de ²³⁹Pu de qualité suffisante en raison du grand nombre d'isotopes parasites générés à cette occasion.

Cependant, certaines conceptions de réacteurs civils ont précisément pour but de permettre le remplacement du combustible à chaud, ce qui rend possible la production de plutonium 239 militaire : c'est particulièrement le cas des réacteurs canadiens PHWR, français UNGG et soviétiques RBMK. Des installations plus classiques peuvent également être équipées de systèmes permettant de placer brièvement des barres d'uranium appauvri près du cœur pour produire du plutonium 239, ou peuvent être exploitées en cycles courts avec arrêts fréquents pour générer des matériaux nucléaires à usage militaire, l'Agence internationale de l'énergie atomique (AIEA) ayant notamment pour rôle d'inspecter de telles installations civiles afin d'y déceler d'éventuels détournements à usage militaire.

Le plutonium est essentiellement produit dans les surgénérateurs, conçus au départ pour maximiser la production d'énergie à partir de l'uranium en exploitant le caractère fertile de l'uranium 238 : ce dernier est converti en plutonium 239 sous l'effet des neutrons issus des fissions contrôlées dans le réacteur à partir de l'uranium 235, le plutonium ainsi produit prenant le relais en tant que combustible nucléaire.