Carbure de plutonium
| Monocarbure de plutonium | |
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| __ Pu4+ __ C4− | |
| Identification | |
|---|---|
| No CAS | [réf. nécessaire] |
| Apparence | solide gris cristallisé (cubique à faces centrées) |
| Propriétés chimiques | |
| Formule | PuC |
| Masse molaire[1] | 256 g/mol C 4,69 %, Pu 95,34 %, |
| Propriétés physiques | |
| T° fusion | 1 658 ± 5 °C[2] |
| Masse volumique | 13,5 ± 0,1 g·cm-3[2] |
| Précautions | |
 Composé radioactif |
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| Unités du SI et CNTP, sauf indication contraire. | |
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Un carbure de plutonium est un composé de carbone et de plutonium. À l'instar du carbure d'uranium, le système plutonium-carbone présente plusieurs phases[3],[2] : Pu3C2, PuC1-δ, Pu2C3 et PuC2.
Propriétés physiques[modifier | modifier le code]
La phase Pu3C2, incomplètement caractérisée, se décompose à une température de 558 à 585 °C en plutonium ε + PuC1-δ.
Le monocarbure de plutonium est un composé non stœchiométrique qui présente un déficit en carbone. Sa formule chimique est notée PuC1-δ, où δ vaut de 0 à 0,17 et représente l'écart à la stœchiométrie. Il se présente sous la forme d'un solide cristallisé gris à l'éclat métallique, insoluble dans l'eau mais réagissant avec l'eau chaude, dont la masse volumique est de l'ordre de 13,5 ± 0,1 g·cm-3. Il fond à 1 658 ± 5 °C en formant un mélange liquide + Pu2C3 solide. Il cristallise dans le système cubique à faces centrées, avec un paramètre cristallin variant de 495,3 pm à 497,3 pm selon la teneur en carbone ; ce paramètre croît lentement avec le temps en raison de l'altération du réseau cristallin sous l'effet des radiations.
Le sesquicarbure de plutonium Pu2C3 cristallise dans le système cubique centré. Il a une masse volumique de 12,7 ± 0,1 g·cm-3 et fond à 2 020 ± 40 °C en formant un mélange liquide + PuC2 solide.
L'acétylure de plutonium PuC2 existe au-dessus de 1 650 °C et présente une structure cristalline quadratique. La transition de la phase PuC2 vers la phase Pu2C3 lors du refroidissement est si rapide qu'il est difficile de tremper le PuC2. Celui-ci fond à 2 240 ± 10 °C en formant un mélange liquide + carbone solide.
Propriétés chimiques[modifier | modifier le code]
Le monocarbure de plutonium s'oxyde lentement lorsqu'il est chauffé à des températures de 200 à 300 °C, et devient pyrophorique vers 400 °C. Il réagit également en présence d'eau chaude et se dissout dans les acides dilués en libérant de l'hydroxyde de plutonium Pu(OH)3, de l'hydrogène H2 et des hydrocarbures CnHm.
Production[modifier | modifier le code]
Le monocarbure de plutonium peut être produit en faisant fondre sous vide un mélange stœchiométrique de poudres de plutonium et de graphite dans un four à arc électrique, par réduction du dioxyde de plutonium PuO2 par le carbone à une température de 1 100 à 1 450 °C, par frittage de mélanges de poudres de carbone et de plutonium métallique ou d'hydrure de plutonium jusqu'à 1 400 °C, ou encore en faisant réagir des hydrocarbures avec du plutonium à des températures allant de 600 à 800 °C.
- Pu + C → PuC, 1 000 °C et plus ;
- PuO3 + C → PuC + 2 CO, de 1 100 à 1 450 °C ;
- 2 PuH2 + C → 2 PuC + 2 H2, jusqu'à 1 400 °C.
Chacune de ces méthodes présente ses avantages et ses inconvénients. La méthode du four à arc électrique produit un carbure de plutonium dense et relativement dépourvu d'impuretés d'oxygène et d'azote, mais il est difficile d'en contrôler la composition, et le produit obtenu est peu homogène à moins d'un recuit important. La réduction du dioxyde est plus économique mais il est alors difficile d'obtenir une phase PuC1-δ unique dépourvue d'oxygène. La production de carbure de plutonium par frittage nécessite une atmosphère inerte, car l'hydrure de plutonium est pyrophorique, mais permet d'obtenir du PuC1-δ monophase à teneur contrôlée en carbone ; on observe cependant dans ce cas un taux d'oxygène dans le réseau allant jusqu'à 0,1 %, et ce même sous atmosphère inerte.
Applications[modifier | modifier le code]
Le carbure de plutonium peut être utilisé comme combustible nucléaire dans des réacteurs nucléaires mélangé au carbure d'uranium. Ce mélange est appelé carbure d'uranium-plutonium[4] UPuC.
Notes et références[modifier | modifier le code]
- Masse molaire calculée d’après « Atomic weights of the elements 2007 », sur www.chem.qmul.ac.uk.
- (en) A. E. Ogard et J. A. Leary, « Plutonium Carbides » [PDF], sur AIEA, Los Alamos Scientific Laboratory of the University of California, (consulté le )
- (en) Harry Julius Emeléus et Alan G. Sharpe, Advances in inorganic chemistry and radiochemistry, Volume 12, New York, New York, Academic Press, , 205–206 p. (lire en ligne).
- (en) C. Duguay et G. Pelloquin, « Fabrication of mixed uranium–plutonium carbide fuel pellets with a low oxygen content and an open-pore microstructure », Journal of the European Ceramic Society, vol. 35, no 14, , p. 3977-3984 (DOI 10.1016/j.jeurceramsoc.2015.05.026, lire en ligne)
- (en) Cet article est partiellement ou en totalité issu de l’article de Wikipédia en anglais intitulé « Plutonium carbide » (voir la liste des auteurs).
