Fabriqué, non découvert
Le plutonium n’existe pas dans la nature en quantité significative. Ce dont la Terre disposait à sa formation s’est désintégré depuis longtemps ; les traces présentes aujourd’hui proviennent de captures neutroniques dans les minerais d’uranium, à des concentrations de l’ordre du billionième.
Il a été fabriqué à Berkeley en 1940 par l’équipe de Glenn Seaborg, en bombardant de l’uranium avec des deutons. Ils identifient l’élément 94 et, après Neptune, le baptisent d’après Pluton.
En deux ans il apparaît que le plutonium 239 est fissile, qu’il peut être produit en masse dans un réacteur, et que c’est une voie plus simple vers l’arme que l’enrichissement de l’uranium.
⚠️ Le projet Manhattan a donc mené deux programmes de front. Oak Ridge séparait l’uranium 235 par des moyens physiques ; Hanford produisait du plutonium en réacteur et le séparait chimiquement — ce qui est bien plus facile, puisqu’il s’agit de deux éléments différents.
La raison de l’implosion
Little Boy était un canon : deux pièces d’uranium projetées l’une contre l’autre dans un tube. Assez simple pour être employé sans essai préalable.
Le plutonium ne s’assemble pas ainsi, et la raison porte un nom : le plutonium 240.
Tout plutonium produit en réacteur en contient, formé lorsqu’un noyau de 239 capture un neutron supplémentaire au lieu de fissionner. Le plutonium 240 fissionne spontanément et émet des neutrons de lui-même.
Dans un assemblage par canon, qui prend quelques millisecondes, ces neutrons parasites amorcent la réaction alors que les pièces se rapprochent encore. La matière chauffe, se dilate et se disperse avant que l’essentiel ait réagi — un échec partiel, avec une fraction de la puissance prévue.
⚠️ L’implosion résout le problème par la vitesse. Des lentilles explosives compriment une sphère sous-critique jusqu’à la surcriticité en quelques microsecondes, plus vite qu’un neutron parasite ne peut gâcher l’affaire. Obtenir une onde de choc symétrique fut l’un des problèmes techniques les plus ardus du projet, et c’est pourquoi Trinity a été essayé : le canon à uranium n’avait pas besoin d’essai, l’implosion au plutonium si.
La distinction de qualité
La durée de séjour du combustible en réacteur décide du plutonium obtenu.
Une irradiation courte donne un plutonium principalement composé de 239, avec moins d’environ 7 % de 240 — la qualité militaire. Une irradiation longue, ce que fait un réacteur de puissance puisqu’il cherche à extraire de l’énergie, accumule du 240 et donne la qualité réacteur.
C’est la base pratique de la surveillance de non-prolifération. Un réacteur exploité économiquement produit un plutonium difficile à militariser. Un réacteur dont on change fréquemment le combustible après de courtes irradiations fait autre chose, et les manutentions se voient.
⚠️ Le plutonium de qualité réacteur n’est pas inutilisable — un engin est concevable, avec une puissance réduite et imprévisible. La distinction est de difficulté, non de physique, et la traiter comme absolue a produit des erreurs dans les deux sens.
Le MOX, et le choix français
La France a fait du plutonium un combustible plutôt qu’un déchet.
L’usine de La Hague sépare le plutonium du combustible usé, et l’usine Melox de Marcoule le mélange à de l’uranium appauvri pour produire du MOX — mélange d’oxydes. Une vingtaine de réacteurs français en sont chargés partiellement.
L’intérêt affiché est double : brûler une matière fissile déjà produite, et réduire le volume de plutonium entreposé.
⚠️ La cohérence économique du cycle fermé est débattue depuis des décennies. Il coûte plus cher que l’uranium neuf aux prix actuels, et le MOX usé est plus chaud et plus difficile à stocker que le combustible ordinaire. Ses défenseurs répondent qu’il préserve une compétence et une option pour les surgénérateurs — dont l’abandon d’Astrid en 2019 a repoussé l’horizon indéfiniment.
Ce que c’est vraiment
Le plutonium est un métal étrange, radioactivité mise à part. Il possède six variétés allotropiques à pression ordinaire, plus que tout autre élément, dont les densités diffèrent jusqu’à 25 %. Une pièce coulée peut se fissurer en refroidissant par simple changement de phase.
Il conduit mal la chaleur et l’électricité pour un métal, il est cassant sous certaines phases et malléable sous d’autres, et il se corrode facilement à l’air.
Les concepteurs d’armes le stabilisent en l’alliant à un peu de gallium, ce qui maintient la phase delta jusqu’à température ambiante.
⚠️ Il est aussi tiède au toucher. Un kilogramme dégage quelques watts par sa propre désintégration alpha — assez pour se sentir, et à l’origine de la description selon laquelle une sphère de plutonium donne l’impression d’être vivante.