En général, un échantillon de plutonium n'est pas constitué que de plutonium-239 pur, mais d'un mélange d'isotopes. Il y a quinze isotopes de plutonium, dont les nombres de masse vont de 232 à 246. Ils sont tous radioactifs, c'est-à-dire que leur noyau se désintègre et que durant ce processus de nouveaux éléments sont formés. Tous les produits de la désintégration des isotopes du plutonium sont radioactifs. Donc, chaque isotope de plutonium forme une chaîne de désintégration. Une chaîne de désintégration simplifiée du plutonium-239 est illustrée au tableau 3.

Les isotopes ordinairement trouvés dans le plutonium fabriqué dans les réacteurs nucléaires vont du plutonium-238 au plutonium-242. La quantité des isotopes, autres que le plutonium-239, produits dans les réacteurs militaires ou civils dépend du type de combustible utilisé, du type de réacteur, et du temps d'irradiation.

Le tableau 1 montre les deux mélanges de plutonium les plus courants. Le premier est le plutonium de qualité militaire qui contient 93 pour-cent ou plus de plutonium-239. L'autre est une composition typique de plutonium de qualité réacteur généré dans les réacteurs à eau ordinaire. Il est à remarquer que le plutonium de qualité réacteur généré dans les réacteurs à eau ordinaire contient habituellement plus de 20 % de plutonium-240, et plus de 10% de plutonium-241. Le plutonium produit dans les autres réacteurs comme par exemple les réacteurs modérés au graphite (dont certains fonctionnent en Angleterre, en Russie et ailleurs) ou dans les réacteurs à eau lourde utilisés au Canada et ailleurs, a une composition intermédiaire à celles présentées dans le tableau. Le tableau 1 donne aussi la demi-vie et l'activité spécifique des isotopes les plus courants. La demi-vie se rapporte au temps nécessaire pour que la moitié des atomes d'un échantillon se soient désintégrés. L'activité spécifique (qui est inversement proportionnelle à la demi-vie) indique la radioactivité d'un certain poids de matériau. Le plutonium de qualité militaire et celui de qualité réacteur contiennent tous les deux du plutonium-241. Le plutonium-241 se transforme en américium-241 en émettant une particule bêta. Du fait que l'américium-241 a une demi-vie beaucoup plus longue (432 ans) que le plutonium-241 (14,4 ans), il s'accumule au fur et à mesure que le plutonium-241 se désintègre. Le rayonnement gamma de la désintégration de l'américium-241, qui est beaucoup plus fort que celui du plutonium-239, s'accroît aussi avec le vieillissement de l'échantillon de plutonium. Donc, plus il y a de plutonium-241 et plus l'échantillon est vieux, plus il y a une accentuation du rayonnement gamma provenant de l'accumulation de l'américium-241.

TABLEAU 1

Plutonium Isotope	Demi-vie, années	Activité spécifique, curies par gramme	Quantité dans le pu de qualité militaire, pourcentage	Quantité dans le pu de qualité réacteur, pourcentage1
plutonium-238	87,74	17,3	---	1,3
plutonium-239	24 110	0,063	93,0	56,6
plutonium-240	6 537	0,23	6,5	23,2
plutonium-241	14,4	104	0,5	13,9
plutonium-242	379 000	0,004	---	4,9
1 Typique pour les réacteurs à eau pressurisé, le genre de réacteurs le plus courant en exploitation.

Puisque le plutonium de qualité réacteur contient des quantités substantielles de plutonium-241, plus l'échantillon est vieux, plus grande est la dose de radiation pour les travailleurs qui le manipulent. Quand les pays qui utilisent le plutonium séparé du combustible irradié des réacteurs à eau ordinaire pour fabriquer du combustible à oxydes mixtes (combustible MOX), les échantillons de plutonium plus vieux donnent des doses de radiation plus importantes aux ouvriers des usines de MOX. Les vieilles usines de MOX sont équipées pour manipuler du plutonium de qualité réacteur qui date de moins de 2 ans après le retraitement (le retraitement sépare les isotopes d'américium présents dans le combustible irradié). Les usines MOX plus récentes peuvent manipuler du plutonium de qualité réacteur âgé d'environ 3 ans. Ainsi des pays comme le Japon et la Russie qui n'utilisent pas de plutonium de qualité réacteur mais qui l'ont séparé et accumulé pendant de nombreuses années ont gaspillé beaucoup d'argent puisque le plutonium le plus vieux devra probablement être de nouveau retraité pour éliminer l'américium-241. Ainsi, il serait certainement financièrement plus prudent, même pour les partisans du MOX d'arrêter le retraitement jusqu'au jour où le plutonium est prêt à être fabriqué en combustible.

Le tableau 2 et le graphe montrent comment l'américium-241 s'accumulerait dans un échantillon de 200 grammes de plutonium de qualité réacteur dans lequel se trouve 1 gramme de plutonium-241 au moment du retraitement. Il y a deux colonnes vides à remplir par le lecteur comme exercice pour affiner sa compétence. Il est à noter que la demi-vie du plutonium-241 est de 14,4 années et qu'à chaque demi-vie, la moitié du plutonium-241 se transforme en américium-241. Pour plus de simplicité nous avons négligé la désintégration de l'américium-241 puisque 28,8 années sont peu comparées à sa demi-vie de 432 ans.