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
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
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
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
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
- 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).
