Plutonio

El plutonio es un elemento químico radiactivo con el símbolo Pu y el número atómico 94. Es un metal actínido de apariencia gris plateada que se empaña cuando se expone al aire y forma una capa opaca cuando se oxida. El elemento normalmente exhibe seis alótropos y cuatro estados de oxidación. Reacciona con carbono, halógenos, nitrógeno, silicio e hidrógeno. Cuando se expone al aire húmedo, forma óxidos e hidruros que pueden expandir la muestra hasta un 70 % en volumen, que a su vez se desmenuza como un polvo pirofórico. Es radiactivo y puede acumularse en los huesos, lo que hace peligrosa la manipulación del plutonio.

El plutonio se produjo y aisló sintéticamente por primera vez a finales de 1940 y principios de 1941, mediante un bombardeo con deuterón de uranio-238 en el ciclotrón de 1,5 metros (60 pulgadas) de la Universidad de California, Berkeley. Primero, se sintetizó neptunio-238 (vida media de 2,1 días), que posteriormente se descompuso en beta para formar el nuevo elemento con número atómico 94 y peso atómico 238 (vida media de 88 años). Dado que el uranio recibió su nombre del planeta Urano y el neptunio del planeta Neptuno, el elemento 94 recibió su nombre de Plutón, que en ese momento también se consideraba un planeta. El secreto de la guerra impidió que el equipo de la Universidad de California publicara su descubrimiento hasta 1948.

El plutonio es el elemento con el número atómico más alto que existe en la naturaleza. Las cantidades traza surgen en los depósitos naturales de uranio-238 cuando el uranio-238 captura los neutrones emitidos por la descomposición de otros átomos de uranio-238.

Tanto el plutonio-239 como el plutonio-241 son fisionables, lo que significa que pueden sostener una reacción nuclear en cadena, lo que lleva a aplicaciones en armas nucleares y reactores nucleares. El plutonio-240 exhibe una alta tasa de fisión espontánea, elevando el flujo de neutrones de cualquier muestra que lo contenga. La presencia de plutonio-240 limita la utilidad de una muestra de plutonio para armas o su calidad como combustible para reactores, y el porcentaje de plutonio-240 determina su grado (grado para armas, grado para combustible o grado para reactores). El plutonio-238 tiene una vida media de 87,7 años y emite partículas alfa. Es una fuente de calor en los generadores termoeléctricos de radioisótopos, que se utilizan para impulsar algunas naves espaciales. Los isótopos de plutonio son costosos y difíciles de separar, por lo que los isótopos particulares generalmente se fabrican en reactores especializados.

Producir plutonio en cantidades útiles por primera vez fue una parte importante del Proyecto Manhattan durante la Segunda Guerra Mundial que desarrolló las primeras bombas atómicas. Las bombas Fat Man utilizadas en la prueba nuclear Trinity en julio de 1945 y en el bombardeo de Nagasaki en agosto de 1945 tenían núcleos de plutonio. Los experimentos de radiación humana que estudian el plutonio se llevaron a cabo sin consentimiento informado y se produjeron varios accidentes de criticidad, algunos letales, después de la guerra. La eliminación de los desechos de plutonio de las plantas de energía nuclear y las armas nucleares desmanteladas construidas durante la Guerra Fría es una preocupación ambiental y de proliferación nuclear. Otras fuentes de plutonio en el medio ambiente son las consecuencias de numerosas pruebas nucleares sobre el suelo, ahora prohibidas.

Características

Propiedades físicas

El plutonio, como la mayoría de los metales, tiene una apariencia plateada brillante al principio, muy parecida al níquel, pero se oxida muy rápidamente a un gris opaco, aunque también se reportan amarillo y verde oliva. A temperatura ambiente, el plutonio se encuentra en su forma α (alfa). Esta, la forma estructural más común del elemento (alótropo), es tan dura y quebradiza como el hierro fundido gris, a menos que esté aleado con otros metales para hacerlo blando y dúctil. A diferencia de la mayoría de los metales, no es un buen conductor de calor o electricidad. Tiene un punto de fusión bajo (640 °C, 1184 °F) y un punto de ebullición inusualmente alto (3228 °C, 5842 °F). Esto da una amplia gama de temperaturas (más de 2500 kelvin de ancho) en las que el plutonio es líquido, pero esta gama no es la mayor entre todos los actínidos ni entre todos los metales.El bajo punto de fusión, así como la reactividad del metal nativo en comparación con el óxido, hace que los óxidos de plutonio sean una forma preferida para aplicaciones tales como combustible para reactores de fisión nuclear (combustible MOX).

La desintegración alfa, la liberación de un núcleo de helio de alta energía, es la forma más común de desintegración radiactiva del plutonio. Una masa de 5 kg de Pu contiene aproximadamente12,5 × 10 átomos. Con una vida media de 24.100 años, aproximadamente11,5 × 10 de sus átomos se desintegran cada segundo emitiendo una partícula alfa de 5,157 MeV. Esto equivale a 9,68 vatios de potencia. El calor producido por la desaceleración de estas partículas alfa lo calienta al tacto. Pu, debido a su vida media mucho más corta, se calienta a temperaturas mucho más altas y brilla al rojo vivo con radiación de cuerpo negro si se deja sin calefacción o refrigeración externa. Este calor se ha utilizado en generadores termoeléctricos de radioisótopos (ver más abajo).

La resistividad es una medida de la fuerza con la que un material se opone al flujo de corriente eléctrica. La resistividad del plutonio a temperatura ambiente es muy alta para un metal y aumenta aún más con temperaturas más bajas, lo cual es inusual para los metales. Esta tendencia continúa hasta 100 K, por debajo del cual la resistividad disminuye rápidamente para muestras frescas. La resistividad luego comienza a aumentar con el tiempo alrededor de 20 K debido al daño por radiación, con la tasa dictada por la composición isotópica de la muestra.

Debido a la autoirradiación, una muestra de plutonio se fatiga en toda su estructura cristalina, lo que significa que la disposición ordenada de sus átomos se ve interrumpida por la radiación con el tiempo. La auto-irradiación también puede conducir al recocido que contrarresta algunos de los efectos de fatiga cuando la temperatura aumenta por encima de 100 K.

A diferencia de la mayoría de los materiales, el plutonio aumenta su densidad cuando se funde, en un 2,5 %, pero el metal líquido exhibe una disminución lineal de densidad con la temperatura. Cerca del punto de fusión, el plutonio líquido tiene una viscosidad y una tensión superficial muy altas en comparación con otros metales.

Alótropos

El plutonio normalmente tiene seis alótropos y forma un séptimo (zeta, ζ) a alta temperatura dentro de un rango de presión limitado. Estos alótropos, que son diferentes modificaciones estructurales o formas de un elemento, tienen energías internas muy similares pero densidades y estructuras cristalinas que varían significativamente. Esto hace que el plutonio sea muy sensible a los cambios de temperatura, presión o química, y permite cambios de volumen drásticos después de las transiciones de fase de una forma alotrópica a otra. Las densidades de los diferentes alótropos varían de 16,00 g/cm a 19,86 g/cm.

La presencia de estos muchos alótropos hace que el plutonio sea muy difícil de mecanizar, ya que cambia de estado con mucha facilidad. Por ejemplo, la forma α existe a temperatura ambiente en el plutonio sin alear. Tiene características de mecanizado similares a las del hierro fundido, pero cambia a la forma β (beta) plástica y maleable a temperaturas ligeramente más altas. Las razones del complicado diagrama de fase no se comprenden del todo. La forma α tiene una estructura monoclínica de baja simetría, de ahí su fragilidad, resistencia, compresibilidad y baja conductividad térmica.

El plutonio en forma δ (delta) normalmente existe en el rango de 310 °C a 452 °C, pero es estable a temperatura ambiente cuando se alea con un pequeño porcentaje de galio, aluminio o cerio, lo que mejora la trabajabilidad y permite que se suelde. La forma δ tiene un carácter metálico más típico y es aproximadamente tan fuerte y maleable como el aluminio. En las armas de fisión, las ondas de choque explosivas utilizadas para comprimir un núcleo de plutonio también provocarán una transición del plutonio en fase δ habitual a la forma α más densa, lo que ayudará significativamente a lograr la supercriticidad. La fase ε, el alótropo sólido de temperatura más alta, exhibe una autodifusión atómica anormalmente alta en comparación con otros elementos.

Fisión nuclear

El plutonio es un metal actínido radiactivo cuyo isótopo, el plutonio-239, es uno de los tres isótopos fisionables primarios (el uranio-233 y el uranio-235 son los otros dos); el plutonio-241 también es altamente fisionable. Para ser considerado fisionable, el núcleo atómico de un isótopo debe poder romperse o fisionarse cuando es golpeado por un neutrón de movimiento lento y liberar suficientes neutrones adicionales para sostener la reacción nuclear en cadena al dividir más núcleos.

El plutonio-239 puro puede tener un factor de multiplicación (k _eff) mayor que uno, lo que significa que si el metal está presente en cantidad suficiente y con una geometría adecuada (por ejemplo, una esfera de tamaño suficiente), puede formar una masa crítica. Durante la fisión, una fracción de la energía de enlace nuclear, que mantiene unido un núcleo, se libera como una gran cantidad de energía electromagnética y cinética (mucha de esta última se convierte rápidamente en energía térmica). La fisión de un kilogramo de plutonio-239 puede producir una explosión equivalente a 21.000 toneladas de TNT (88.000 GJ). Es esta energía la que hace que el plutonio-239 sea útil en armas y reactores nucleares.

La presencia del isótopo plutonio-240 en una muestra limita su potencial de bomba nuclear, ya que el plutonio-240 tiene una tasa de fisión espontánea relativamente alta (~440 fisiones por segundo por gramo, más de 1000 neutrones por segundo por gramo), lo que eleva el nivel de neutrones de fondo. niveles y aumentando así el riesgo de predetonación. El plutonio se identifica como apto para armas, para combustible o para reactores según el porcentaje de plutonio-240 que contiene. El plutonio apto para armas contiene menos del 7 % de plutonio-240. El plutonio de grado de combustible contiene de 7% a menos del 19%, y el grado de reactor de potencia contiene 19% o más de plutonio-240. El plutonio supergrado, con menos del 4 % de plutonio-240, se utiliza en las armas de la Marina de los EE. UU. almacenadas cerca de las tripulaciones de barcos y submarinos, debido a su menor radiactividad.El isótopo plutonio-238 no es fisionable, pero puede sufrir fisión nuclear fácilmente con neutrones rápidos y desintegración alfa. Todos los isótopos de plutonio se pueden "criar" en material fisionable con una o más absorciones de neutrones, seguidas o no de desintegración beta. Esto hace que los isótopos no fisionables del plutonio sean un material fértil.

Isótopos y nucleosíntesis

Se han caracterizado veinte isótopos radiactivos de plutonio. Los más longevos son el plutonio-244, con una vida media de 80,8 millones de años, el plutonio-242, con una vida media de 373.300 años, y el plutonio-239, con una vida media de 24.110 años. Todos los isótopos radiactivos restantes tienen vidas medias inferiores a 7.000 años. Este elemento también tiene ocho estados metaestables, aunque todos tienen vidas medias de menos de un segundo. Se ha encontrado plutonio-244 en el espacio interestelar y tiene la vida media más larga de todos los radioisótopos no primordiales.

Los isótopos conocidos de plutonio varían en número de masa de 228 a 247. Los principales modos de desintegración de los isótopos con números de masa más bajos que el isótopo más estable, el plutonio-244, son la fisión espontánea y la emisión alfa, en su mayoría formando uranio (92 protones) y neptunio. (93 protones) isótopos como productos de descomposición (despreciando la amplia gama de núcleos hijos creados por procesos de fisión). El principal modo de desintegración de los isótopos con números de masa superiores al plutonio-244 es la emisión beta, que en su mayoría forma isótopos de americio (95 protones) como productos de desintegración. El plutonio-241 es el isótopo principal de la serie de desintegración del neptunio, que se descompone en americio-241 a través de la emisión beta.

El plutonio-238 y 239 son los isótopos más ampliamente sintetizados. El plutonio-239 se sintetiza a través de la siguiente reacción usando uranio (U) y neutrones (n) a través de la desintegración beta (β) con neptunio (Np) como intermediario:{^{239}_{92}U}->[beta ^{ -}][23,5 {ce {min}}]{^{239}_{93}Np}->[beta ^{-}][2,3565 {ce {d}}]{^{239 }_{94}Pu}}}}">

Los neutrones de la fisión del uranio-235 son capturados por núcleos de uranio-238 para formar uranio-239; una desintegración beta convierte un neutrón en un protón para formar neptunio-239 (vida media 2,36 días) y otra desintegración beta forma plutonio-239. Egon Bretscher, que trabajaba en el proyecto British Tube Alloys, predijo teóricamente esta reacción en 1940.

El plutonio-238 se sintetiza bombardeando uranio-238 con deuterones (D, los núcleos del hidrógeno pesado) en la siguiente reacción:}}&{ce {{^{238} _ {93}Np}+2_{0}^{1}n}}\&{ce {^{238}_{93}Np->[beta ^{-}][2.117 {ce {d}}]{^{238}_{94}Pu}}}end{alineado}}}">

En este proceso, un deuterón que choca con el uranio-238 produce dos neutrones y neptunio-238, que se descompone espontáneamente emitiendo partículas beta negativas para formar plutonio-238. El plutonio-238 también se puede producir mediante la irradiación de neutrones de neptunio-237.

Calor de descomposición y propiedades de fisión.

Los isótopos de plutonio se desintegran radiactivamente, lo que produce calor de desintegración. Diferentes isótopos producen diferentes cantidades de calor por masa. El calor de decaimiento generalmente se indica como vatio/kilogramo o milivatio/gramo. En piezas más grandes de plutonio (por ejemplo, un foso de armas) y una eliminación de calor inadecuada, el autocalentamiento resultante puede ser significativo.

Isótopo	Modo de descomposición	Vida media (años)	Calor de descomposición (W/kg)	Neutrones de fisión espontánea (1/(g·s))	Comentario
PU	alfa a U	87.74	560	2600	Calor de descomposición muy alto. Incluso en pequeñas cantidades puede causar un calentamiento espontáneo significativo. Utilizado solo en generadores termoeléctricos de radioisótopos.
PU	alfa a U	24100	1.9	0.022	El principal isótopo fisionable en uso.
PU	alfa a U, fisión espontánea	6560	6.8	910	La principal impureza en muestras del isótopo Pu. El grado de plutonio generalmente se indica como porcentaje de Pu. La alta fisión espontánea dificulta el uso en armas nucleares.
PU	beta-menos, a Am	14.4	4.2	0.049	Se desintegra a americio-241; su acumulación presenta un riesgo de radiación en muestras más antiguas.
PU	alfa a U	376000	0.1	1700	Pu decae a U a través de la desintegración alfa; también decaerá por fisión espontánea.

Compuestos y quimica

A temperatura ambiente, el plutonio puro es de color plateado, pero se deslustra cuando se oxida. El elemento muestra cuatro estados de oxidación iónicos comunes en solución acuosa y uno raro:

• Pu (III), como Pu (lavanda azul)
• Pu (IV), como Pu (marrón amarillo)
• Pu(V), como PuO₂(Rosa claro)
• Pu(VI), como PuO₂(naranja rosa)
• Pu(VII), como PuO₅(verde): el ion heptavalente es raro.

El color que muestran las soluciones de plutonio depende tanto del estado de oxidación como de la naturaleza del anión ácido. Es el anión ácido el que influye en el grado de complejación (cómo se conectan los átomos a un átomo central) de las especies de plutonio. Además, el estado de oxidación formal +2 del plutonio se conoce en el complejo [K(2.2.2-cryptand)] [Pu Cp″ ₃ ], Cp″ = C ₅ H ₃ (SiMe ₃) ₂.

También es posible un estado de oxidación +8 en el tetróxido volátil PuO₄. Aunque se descompone fácilmente a través de un mecanismo de reducción similar al FeO₄, PuO₄Se puede estabilizar en soluciones alcalinas y cloroformo.

El plutonio metálico se produce haciendo reaccionar tetrafluoruro de plutonio con bario, calcio o litio a 1200 °C. El plutonio metálico es atacado por ácidos, oxígeno y vapor, pero no por álcalis, y se disuelve fácilmente en ácidos clorhídrico, yodhídrico y perclórico concentrados. El metal fundido debe mantenerse al vacío o en una atmósfera inerte para evitar la reacción con el aire. A 135 °C, el metal se encenderá en el aire y explotará si se coloca en tetracloruro de carbono.

El plutonio es un metal reactivo. En aire húmedo o argón húmedo, el metal se oxida rápidamente, produciendo una mezcla de óxidos e hidruros. Si el metal se expone el tiempo suficiente a una cantidad limitada de vapor de agua, se forma una capa superficial de polvo de PuO ₂. También se forma hidruro de plutonio pero un exceso de vapor de agua forma sólo PuO ₂.

El plutonio muestra velocidades de reacción enormes y reversibles con hidrógeno puro, formando hidruro de plutonio. También reacciona fácilmente con el oxígeno, formando PuO y PuO ₂ así como óxidos intermedios; el óxido de plutonio llena un 40% más de volumen que el plutonio metálico. El metal reacciona con los halógenos, dando lugar a compuestos de fórmula general PuX ₃ donde X puede ser F, Cl, Br o I y también se ve PuF _4. Se observan los siguientes oxihalogenuros: PuOCl, PuOBr y PuOI. Reaccionará con carbono para formar PuC, nitrógeno para formar PuN y silicio para formar PuSi ₂.

La química organometálica de los complejos de plutonio es típica de las especies de organoactínidos; un ejemplo característico de un compuesto organoplutonio es el plutonoceno. Los métodos de química computacional indican un carácter covalente mejorado en el enlace plutonio-ligando.

Los polvos de plutonio, sus hidruros y ciertos óxidos como el Pu ₂ O ₃ son pirofóricos, lo que significa que pueden inflamarse espontáneamente a temperatura ambiente y, por lo tanto, se manipulan en una atmósfera inerte y seca de nitrógeno o argón. El plutonio a granel se enciende solo cuando se calienta por encima de los 400 °C. Pu ₂ O ₃ se calienta espontáneamente y se transforma en PuO ₂, que es estable en aire seco, pero reacciona con el vapor de agua cuando se calienta.

Los crisoles utilizados para contener plutonio deben poder soportar sus propiedades fuertemente reductoras. Los metales refractarios como el tántalo y el tungsteno junto con los óxidos, boruros, carburos, nitruros y siliciuros más estables pueden tolerar esto. La fusión en un horno de arco eléctrico se puede utilizar para producir pequeños lingotes de metal sin necesidad de un crisol.

El cerio se utiliza como simulador químico del plutonio para el desarrollo de tecnologías de contención, extracción y otras.

Estructura electronica

El plutonio es un elemento en el que los electrones 5f son la frontera de transición entre deslocalizado y localizado; por lo tanto, se considera uno de los elementos más complejos. El comportamiento anómalo del plutonio se debe a su estructura electrónica. La diferencia de energía entre las subcapas 6d y 5f es muy baja. El tamaño de la capa 5f es suficiente para permitir que los electrones formen enlaces dentro de la red, en el límite entre el comportamiento localizado y el enlace. La proximidad de los niveles de energía conduce a múltiples configuraciones electrónicas de baja energía con niveles de energía casi iguales. Esto lleva a competir 5f 7s y 5f 6d 7sconfiguraciones, lo que provoca la complejidad de su comportamiento químico. La naturaleza altamente direccional de los orbitales 5f es responsable de los enlaces covalentes direccionales en moléculas y complejos de plutonio.

Aleaciones

El plutonio puede formar aleaciones y compuestos intermedios con la mayoría de los demás metales. Las excepciones incluyen litio, sodio, potasio, rubidio y cesio de los metales alcalinos; y magnesio, calcio, estroncio y bario de los metales alcalinotérreos; y europio e iterbio de los metales de tierras raras. Las excepciones parciales incluyen los metales refractarios cromo, molibdeno, niobio, tántalo y tungsteno, que son solubles en plutonio líquido, pero insolubles o solo ligeramente solubles en plutonio sólido.El galio, el aluminio, el americio, el escandio y el cerio pueden estabilizar la fase δ del plutonio a temperatura ambiente. El silicio, el indio, el zinc y el circonio permiten la formación del estado δ metaestable cuando se enfrían rápidamente. Las altas cantidades de hafnio, holmio y talio también permiten cierta retención de la fase δ a temperatura ambiente. El neptunio es el único elemento que puede estabilizar la fase α a temperaturas más altas.

Las aleaciones de plutonio se pueden producir agregando un metal al plutonio fundido. Si el metal de aleación es lo suficientemente reductor, se puede agregar plutonio en forma de óxidos o haluros. Las aleaciones plutonio-galio y plutonio-aluminio en fase δ se producen agregando fluoruro de plutonio (III) al galio o al aluminio fundidos, lo que tiene la ventaja de evitar tratar directamente con el metal plutonio altamente reactivo.

• El plutonio-galio se utiliza para estabilizar la fase δ del plutonio, evitando los problemas relacionados con la fase α y α-δ. Su uso principal es en pozos de implosión de armas nucleares.
• El plutonio-aluminio es una alternativa a la aleación Pu-Ga. Fue el elemento original considerado para la estabilización de la fase δ, pero su tendencia a reaccionar con las partículas alfa y liberar neutrones reduce su utilidad para pozos de armas nucleares. La aleación de plutonio y aluminio también se puede utilizar como componente del combustible nuclear.
• La aleación de plutonio, galio y cobalto (PuCoGa ₅) es un superconductor no convencional que muestra una superconductividad por debajo de 18,5 K, un orden de magnitud superior al más alto entre los sistemas de fermiones pesados, y tiene una gran corriente crítica.
• La aleación de plutonio y circonio se puede utilizar como combustible nuclear.
• Las aleaciones de plutonio-cerio y plutonio-cerio-cobalto se utilizan como combustibles nucleares.
• El plutonio-uranio, con alrededor de 15 a 30 mol% de plutonio, se puede utilizar como combustible nuclear para reactores reproductores rápidos. Su naturaleza pirofórica y alta susceptibilidad a la corrosión hasta el punto de autoencenderse o desintegrarse después de la exposición al aire requieren aleación con otros componentes. La adición de aluminio, carbono o cobre no mejora notablemente las tasas de desintegración, las aleaciones de circonio y hierro tienen una mejor resistencia a la corrosión pero también se desintegran en varios meses en el aire. La adición de titanio y/o circonio aumenta significativamente el punto de fusión de la aleación.
• Se investigaron plutonio-uranio-titanio y plutonio-uranio-zirconio para su uso como combustibles nucleares. La adición del tercer elemento aumenta la resistencia a la corrosión, reduce la inflamabilidad y mejora la ductilidad, la fabricabilidad, la resistencia y la expansión térmica. El plutonio-uranio-molibdeno tiene la mejor resistencia a la corrosión, formando una película protectora de óxidos, pero se prefieren el titanio y el zirconio por razones físicas.
• El torio-uranio-plutonio se investigó como combustible nuclear para reactores reproductores rápidos.

Ocurrencia

En la naturaleza se pueden encontrar trazas de plutonio-238, plutonio-239, plutonio-240 y plutonio-244. Pequeñas trazas de plutonio-239, unas pocas partes por billón, y sus productos de descomposición se encuentran naturalmente en algunos minerales concentrados de uranio, como el reactor de fisión nuclear natural en Oklo, Gabón. La proporción de plutonio-239 a uranio en el depósito de uranio de la mina Cigar Lake oscila entre2,4 × 10 a44 × 10. Estas pequeñas cantidades de Pu se originan de la siguiente manera: en raras ocasiones, el U sufre una fisión espontánea y, en el proceso, el núcleo emite uno o dos neutrones libres con algo de energía cinética. Cuando uno de estos neutrones golpea el núcleo de otro átomo de U, es absorbido por el átomo, que se convierte en U. Con una vida media relativamente corta, U se desintegra en Np, que se descompone en Pu. Finalmente, se han encontrado cantidades extremadamente pequeñas de plutonio-238, atribuidas a la extremadamente rara desintegración doble beta del uranio-238, en muestras de uranio natural.

Debido a su vida media relativamente larga de alrededor de 80 millones de años, se sugirió que el plutonio-244 se presenta naturalmente como un nucleido primordial, pero los primeros informes de su detección no pudieron confirmarse. Sin embargo, su larga vida media aseguró su circulación a través del sistema solar antes de su extinción y, de hecho, se han encontrado pruebas de la fisión espontánea del extinto Pu en meteoritos. La antigua presencia dePu en el Sistema Solar primitivo se ha confirmado, ya que se manifiesta hoy como un exceso de sus hijos, ya sea Th (de la vía de desintegración alfa) o isótopos de xenón (de su fisión espontánea). Estos últimos son generalmente más útiles, porque las químicas del torio y el plutonio son bastante similares (ambos son predominantemente tetravalentes) y, por lo tanto, un exceso de torio no sería una prueba sólida de que parte de él se formó como plutonio hijo. Pu tiene la vida media más larga de todos los nucleidos transuránicos y se produce solo en el proceso r en supernovas y estrellas de neutrones en colisión; cuando los núcleos son expulsados ​​de estos eventos a gran velocidad para llegar a la Tierra, solo Pu entre los nucleidos transuránicos tiene una vida media lo suficientemente larga como para sobrevivir al viaje y, por lo tanto, pequeños rastros de vida interestelar.Pu se han encontrado en el fondo del mar profundo. Debido a que Pu también ocurre en la cadena de descomposición de Pu, también debe estar presente en el equilibrio secular, aunque en cantidades aún más pequeñas.

Por lo general, se encuentran rastros diminutos de plutonio en el cuerpo humano debido a las 550 pruebas nucleares atmosféricas y submarinas que se han llevado a cabo, y a una pequeña cantidad de accidentes nucleares importantes. La mayoría de las pruebas nucleares atmosféricas y submarinas fueron detenidas por el Tratado de Prohibición Limitada de Pruebas en 1963, el cual de las potencias nucleares fue firmado y ratificado por los Estados Unidos, el Reino Unido y la Unión Soviética. Francia continuaría con las pruebas nucleares atmosféricas hasta 1974 y China continuaría con las pruebas nucleares atmosféricas hasta 1980. Todas las pruebas nucleares posteriores se realizaron bajo tierra.

Historia

Descubrimiento

Enrico Fermi y un equipo de científicos de la Universidad de Roma informaron que habían descubierto el elemento 94 en 1934. Fermi llamó al elemento hesperio y lo mencionó en su Conferencia Nobel en 1938. La muestra en realidad contenía productos de fisión nuclear, principalmente bario y criptón.. La fisión nuclear, descubierta en Alemania en 1938 por Otto Hahn y Fritz Strassmann, era desconocida en ese momento.

El plutonio (específicamente, el plutonio-238) fue producido, aislado y luego identificado químicamente entre diciembre de 1940 y febrero de 1941 por Glenn T. Seaborg, Edwin McMillan, Emilio Segrè, Joseph W. Kennedy y Arthur Wahl mediante el bombardeo de uranio con deuterón. Ciclotrón de 60 pulgadas (150 cm) en el Laboratorio de Radiación de Berkeley en la Universidad de California, Berkeley. El neptunio-238 fue creado directamente por el bombardeo pero decayó por emisión beta con una vida media de poco más de dos días, lo que indicaba la formación del elemento 94. El primer bombardeo tuvo lugar el 14 de diciembre de 1940 y el nuevo elemento fue identificado por primera vez a través de la oxidación en la noche del 23 al 24 de febrero de 1941.

El equipo preparó un artículo que documentaba el descubrimiento y lo envió a la revista Physical Review en marzo de 1941, pero la publicación se retrasó hasta un año después del final de la Segunda Guerra Mundial debido a problemas de seguridad. En el Laboratorio Cavendish de Cambridge, Egon Bretscher y Norman Feather se dieron cuenta de que un reactor de neutrones lentos alimentado con uranio teóricamente produciría cantidades sustanciales de plutonio-239 como subproducto. Calcularon que el elemento 94 sería fisionable y tenía la ventaja adicional de ser químicamente diferente del uranio y podría separarse fácilmente de él.

McMillan había nombrado recientemente neptunio al primer elemento transuránico en honor al planeta Neptuno, y sugirió que el elemento 94, siendo el siguiente elemento de la serie, llevara el nombre de lo que entonces se consideraba el próximo planeta, Plutón. Nicholas Kemmer del equipo de Cambridge propuso de forma independiente el mismo nombre, basándose en el mismo razonamiento que el equipo de Berkeley. Seaborg originalmente consideró el nombre "plutonio", pero luego pensó que no sonaba tan bien como "plutonio". Eligió las letras "Pu" a modo de broma, en referencia a la interjección "P U" para indicar un olor especialmente repugnante, que pasó sin previo aviso a la tabla periódica.Los nombres alternativos considerados por Seaborg y otros fueron "ultimium" o "extremium" debido a la creencia errónea de que habían encontrado el último elemento posible en la tabla periódica.

Hahn y Strassmann, e independientemente Kurt Starke, en este momento también estaban trabajando en elementos transuránicos en Berlín. Es probable que Hahn y Strassmann supieran que el plutonio-239 debería ser fisionable. Sin embargo, no tenían una fuerte fuente de neutrones. El elemento 93 fue informado por Hahn y Strassmann, así como por Starke, en 1942. El grupo de Hahn no buscó el elemento 94, probablemente porque estaban desanimados por la falta de éxito de McMillan y Abelson en aislarlo cuando encontraron el elemento 93 por primera vez. Sin embargo, dado que el grupo de Hahn tenía acceso al ciclotrón más fuerte en París en este punto, probablemente habrían podido detectar plutonio si lo hubieran intentado, aunque en pequeñas cantidades (unos pocos becquereles).

Investigación temprana

Se descubrió que la química del plutonio se parece al uranio después de unos meses de estudio inicial. Las primeras investigaciones continuaron en el laboratorio metalúrgico secreto de la Universidad de Chicago. El 20 de agosto de 1942 se aisló y midió por primera vez una cantidad traza de este elemento. Se produjeron alrededor de 50 microgramos de plutonio-239 combinado con uranio y productos de fisión y solo se aisló alrededor de 1 microgramo. Este procedimiento permitió a los químicos determinar el peso atómico del nuevo elemento.El 2 de diciembre de 1942, en una cancha de raqueta bajo la tribuna oeste del Stagg Field de la Universidad de Chicago, los investigadores encabezados por Enrico Fermi lograron la primera reacción en cadena autosostenida en una pila de grafito y uranio conocida como CP-1. Usando información teórica obtenida de la operación de CP-1, DuPont construyó un reactor de producción experimental enfriado por aire, conocido como X-10, y una instalación piloto de separación química en Oak Ridge. La instalación de separación, utilizando métodos desarrollados por Glenn T. Seaborg y un equipo de investigadores del Met Lab, eliminó el plutonio del uranio irradiado en el reactor X-10. La información de CP-1 también fue útil para los científicos de Met Lab que diseñaron los reactores de producción de plutonio enfriados por agua para Hanford. La construcción en el sitio comenzó a mediados de 1943.

En noviembre de 1943, se redujo algo de trifluoruro de plutonio para crear la primera muestra de plutonio metálico: unos pocos microgramos de perlas metálicas. Se produjo suficiente plutonio para convertirlo en el primer elemento sintético visible a simple vista.

También se estudiaron las propiedades nucleares del plutonio-239; Los investigadores descubrieron que cuando es golpeado por un neutrón, se rompe (fisiona) liberando más neutrones y energía. Estos neutrones pueden golpear otros átomos de plutonio-239 y así sucesivamente en una reacción en cadena exponencialmente rápida. Esto puede resultar en una explosión lo suficientemente grande como para destruir una ciudad si se concentra suficiente isótopo para formar una masa crítica.

Durante las primeras etapas de la investigación, se utilizaron animales para estudiar los efectos de las sustancias radiactivas en la salud. Estos estudios comenzaron en 1944 en el Laboratorio de Radiación de la Universidad de California en Berkeley y fueron realizados por Joseph G. Hamilton. Hamilton buscaba responder preguntas sobre cómo variaría el plutonio en el cuerpo según el modo de exposición (ingestión oral, inhalación, absorción a través de la piel), las tasas de retención y cómo el plutonio se fijaría en los tejidos y se distribuiría entre los diversos órganos. Hamilton comenzó a administrar porciones de microgramos solubles de compuestos de plutonio-239 a ratas utilizando diferentes estados de valencia y diferentes métodos de introducción del plutonio (oral, intravenoso, etc.). Eventualmente, el laboratorio de Chicago también llevó a cabo sus propios experimentos de inyección de plutonio usando diferentes animales como ratones, conejos, peces e incluso perros. Los resultados de los estudios en Berkeley y Chicago mostraron que el comportamiento fisiológico del plutonio difería significativamente del del radio. El resultado más alarmante fue que hubo una deposición significativa de plutonio en el hígado y en la parte del hueso que se "metaboliza activamente". Además, la tasa de eliminación de plutonio en los excrementos difería entre las especies de animales hasta en un factor de cinco. Tal variación hizo extremadamente difícil estimar cuál sería la tasa para los seres humanos. porción de hueso. Además, la tasa de eliminación de plutonio en los excrementos difería entre las especies de animales hasta en un factor de cinco. Tal variación hizo extremadamente difícil estimar cuál sería la tasa para los seres humanos. porción de hueso. Además, la tasa de eliminación de plutonio en los excrementos difería entre las especies de animales hasta en un factor de cinco. Tal variación hizo extremadamente difícil estimar cuál sería la tasa para los seres humanos.

Producción durante el Proyecto Manhattan

Durante la Segunda Guerra Mundial, el gobierno de los Estados Unidos estableció el Proyecto Manhattan, que se encargó de desarrollar una bomba atómica. Los tres sitios principales de investigación y producción del proyecto fueron la instalación de producción de plutonio en lo que ahora es el sitio de Hanford, las instalaciones de enriquecimiento de uranio en Oak Ridge, Tennessee, y el laboratorio de investigación y diseño de armas, ahora conocido como Laboratorio Nacional de Los Alamos.

El primer reactor de producción que produjo plutonio-239 fue el reactor de grafito X-10. Se puso en línea en 1943 y se construyó en una instalación en Oak Ridge que luego se convirtió en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge.

En enero de 1944, los trabajadores colocaron los cimientos del primer edificio de separación química, T Plant, ubicado en 200-West. Tanto la Planta T como su instalación hermana en 200-West, la Planta U, se completaron en octubre. (La Planta U se usó solo para capacitación durante el Proyecto Manhattan). El edificio de separación en 200-East, Planta B, se completó en febrero de 1945. La segunda instalación planificada para 200-East se canceló. Apodados Queen Marys por los trabajadores que los construyeron, los edificios de separación eran impresionantes estructuras similares a cañones de 800 pies de largo, 65 pies de ancho y 80 pies de alto que contenían cuarenta piscinas de proceso. El interior tenía una calidad espeluznante cuando los operadores detrás de siete pies de protección de hormigón manipulaban el equipo de control remoto mirando a través de monitores de televisión y periscopios desde una galería superior. Incluso con tapas de hormigón macizo en las piscinas de proceso,

El 5 de abril de 1944, Emilio Segrè en Los Álamos recibió la primera muestra de plutonio producido por un reactor de Oak Ridge. En diez días, descubrió que el plutonio generado en reactores tenía una mayor concentración del isótopo plutonio-240 que el plutonio producido en ciclotrones. El plutonio-240 tiene una alta tasa de fisión espontánea, lo que eleva el nivel general de neutrones de fondo de la muestra de plutonio. Como resultado, el arma de plutonio tipo pistola original, con el nombre en código "Thin Man", tuvo que ser abandonada: el aumento en el número de neutrones espontáneos significaba que era probable una predetonación nuclear (esfumado).

Todo el esfuerzo de diseño de armas de plutonio en Los Alamos pronto se cambió al dispositivo de implosión más complicado, cuyo nombre en código es "Fat Man". Con un arma de implosión, el plutonio se comprime a una alta densidad con lentes explosivas, una tarea técnicamente más abrumadora que el diseño simple tipo pistola, pero necesaria para usar el plutonio con fines armamentísticos. El uranio enriquecido, por el contrario, se puede utilizar con cualquier método.

La construcción del reactor Hanford B, el primer reactor nuclear de tamaño industrial para la producción de materiales, se completó en marzo de 1945. El reactor B produjo el material fisionable para las armas de plutonio utilizadas durante la Segunda Guerra Mundial. B, D y F fueron los reactores iniciales construidos en Hanford, y más tarde se construyeron seis reactores productores de plutonio adicionales en el sitio.

A fines de enero de 1945, el plutonio altamente purificado se concentró aún más en el edificio de aislamiento químico terminado, donde las impurezas restantes se eliminaron con éxito. Los Álamos recibió su primer plutonio de Hanford el 2 de febrero. Si bien todavía no estaba claro que se pudiera producir suficiente plutonio para usar en bombas al final de la guerra, Hanford estaba en funcionamiento a principios de 1945. Solo habían pasado dos años desde que el coronel Franklin Matthias instaló por primera vez su cuartel general temporal a orillas del río Columbia.

Según Kate Brown, las plantas de producción de plutonio en Hanford y Mayak en Rusia, durante un período de cuatro décadas, "ambas liberaron más de 200 millones de curies de isótopos radiactivos en el entorno circundante, el doble de la cantidad expulsada en el desastre de Chernobyl en cada caso". ". La mayor parte de esta contaminación radiactiva a lo largo de los años formó parte de las operaciones normales, pero ocurrieron accidentes imprevistos y la gerencia de la planta mantuvo este secreto, ya que la contaminación continuó sin disminuir.

En 2004, se descubrió una caja fuerte durante las excavaciones de una zanja de entierro en el sitio nuclear de Hanford. Dentro de la caja fuerte había varios artículos, incluida una botella de vidrio grande que contenía una suspensión blanquecina que posteriormente se identificó como la muestra más antigua de plutonio apto para armas que se conoce. El análisis de isótopos realizado por el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico indicó que el plutonio de la botella se fabricó en el reactor de grafito X-10 en Oak Ridge durante 1944.

Bombas atómicas Trinity y Fat Man

La primera prueba de la bomba atómica, con el nombre en código "Trinity" y detonada el 16 de julio de 1945, cerca de Alamogordo, Nuevo México, utilizó plutonio como material fisionable. El diseño de implosión de "el dispositivo", como se denominó en código al dispositivo Trinity, usó lentes explosivas convencionales para comprimir una esfera de plutonio en una masa supercrítica, que simultáneamente fue bañada con neutrones del "Urchin", un iniciador hecho de polonio. y berilio (fuente de neutrones: reacción (α, n)). Juntos, estos aseguraron una reacción en cadena descontrolada y una explosión. El arma en general pesaba más de 4 toneladas, aunque usaba solo 6,2 kg de plutonio en su núcleo. Alrededor del 20% del plutonio utilizado en el arma Trinity se fisionó, lo que resultó en una explosión con una energía equivalente a aproximadamente 20.000 toneladas de TNT.

Se utilizó un diseño idéntico en la bomba atómica "Fat Man" lanzada sobre Nagasaki, Japón, el 9 de agosto de 1945, que mató a 35.000-40.000 personas y destruyó entre el 68% y el 80% de la producción de guerra en Nagasaki. Solo después del anuncio de las primeras bombas atómicas, el Informe Smyth del Proyecto Manhattan dio a conocer al público la existencia y el nombre del plutonio.

Uso y desperdicio de la Guerra Fría

Tanto la Unión Soviética como los Estados Unidos acumularon grandes reservas de plutonio apto para armas durante la Guerra Fría. Los reactores estadounidenses en Hanford y Savannah River Site en Carolina del Sur produjeron 103 toneladas, y se estima que se produjeron 170 toneladas de plutonio de grado militar en la URSS. Cada año se siguen produciendo unas 20 toneladas del elemento como subproducto de la industria de la energía nuclear. Es posible que se almacenen hasta 1000 toneladas de plutonio con más de 200 toneladas dentro o extraídas de armas nucleares. SIPRI estimó la reserva mundial de plutonio en 2007 en unas 500 toneladas, divididas por igual entre armas y reservas civiles.

La contaminación radiactiva en la planta de Rocky Flats se debió principalmente a dos grandes incendios de plutonio en 1957 y 1969. Durante la vida operativa de la planta, de 1952 a 1992, se liberaron concentraciones mucho más bajas de isótopos radiactivos. Los vientos dominantes de la planta llevaron la contaminación del aire hacia el sur y el este., en áreas pobladas al noroeste de Denver. La contaminación del área de Denver por plutonio de los incendios y otras fuentes no se informó públicamente hasta la década de 1970. Según un estudio de 1972 en coautoría de Edward Martell, "En las áreas más densamente pobladas de Denver, el nivel de contaminación de Pu en los suelos superficiales es varias veces mayor que la precipitación", y la contaminación por plutonio "justo al este de la planta de Rocky Flats alcanza cientos de veces el de las pruebas nucleares".Como señaló Carl Johnson en Ambio, "La exposición de una gran población en el área de Denver al plutonio y otros radionúclidos en las columnas de escape de la planta datan de 1953". La producción de armas en la planta de Rocky Flats se detuvo después de una redada combinada del FBI y la EPA en 1989 y años de protestas. Desde entonces, la planta ha sido cerrada, con sus edificios demolidos y completamente removidos del sitio.

En los EE. UU., parte del plutonio extraído de armas nucleares desmanteladas se derrite para formar troncos de vidrio de óxido de plutonio que pesan dos toneladas. El vidrio está hecho de borosilicatos mezclados con cadmio y gadolinio. Está previsto que estos troncos se recubran con acero inoxidable y se almacenen hasta 4 km (2 millas) bajo tierra en pozos perforados que se rellenarán con hormigón. Estados Unidos planeó almacenar plutonio de esta manera en el depósito de desechos nucleares de Yucca Mountain, que se encuentra a unas 100 millas (160 km) al noreste de Las Vegas, Nevada.

El 5 de marzo de 2009, el secretario de Energía, Steven Chu, dijo en una audiencia en el Senado que "el sitio de Yucca Mountain ya no se consideraba una opción para almacenar desechos del reactor". A partir de 1999, los desechos nucleares generados por el ejército se están sepultando en la Planta Piloto de Aislamiento de Residuos en Nuevo México.

En un memorando presidencial fechado el 29 de enero de 2010, el presidente Obama estableció la Comisión Blue Ribbon sobre el futuro nuclear de Estados Unidos. En su informe final, la Comisión presentó recomendaciones para desarrollar una estrategia integral a seguir, que incluye:"Recomendación n.º 1: Estados Unidos debería emprender un programa integrado de gestión de desechos nucleares que conduzca al desarrollo oportuno de una o más instalaciones geológicas profundas permanentes para la eliminación segura del combustible gastado y los desechos nucleares de actividad alta".

Experimentación médica

Durante y después del final de la Segunda Guerra Mundial, los científicos que trabajaban en el Proyecto Manhattan y otros proyectos de investigación de armas nucleares realizaron estudios de los efectos del plutonio en animales de laboratorio y sujetos humanos. Los estudios en animales encontraron que unos pocos miligramos de plutonio por kilogramo de tejido es una dosis letal.

En el caso de sujetos humanos, esto implicó inyectar soluciones que contenían (típicamente) cinco microgramos de plutonio en pacientes hospitalizados que se pensaba que tenían una enfermedad terminal o que tenían una esperanza de vida de menos de diez años debido a la edad o a una enfermedad crónica. Esto se redujo a un microgramo en julio de 1945 después de que estudios en animales descubrieran que la forma en que el plutonio se distribuía en los huesos era más peligrosa que el radio. La mayoría de los sujetos, dice Eileen Welsome, eran pobres, impotentes y enfermos.

De 1945 a 1947, dieciocho sujetos humanos de prueba fueron inyectados con plutonio sin consentimiento informado. Las pruebas se utilizaron para crear herramientas de diagnóstico para determinar la absorción de plutonio en el cuerpo a fin de desarrollar estándares de seguridad para trabajar con plutonio. Ebb Cade participó involuntariamente en experimentos médicos que implicaron la inyección de 4,7 microgramos de plutonio el 10 de abril de 1945 en Oak Ridge, Tennessee. Este experimento estuvo bajo la supervisión de Harold Hodge. Otros experimentos dirigidos por la Comisión de Energía Atómica de los Estados Unidos y el Proyecto Manhattan continuaron en la década de 1970. Los archivos de plutonionarra la vida de los sujetos del programa secreto nombrando a cada persona involucrada y discutiendo la investigación médica y ética realizada en secreto por los científicos y médicos. El episodio ahora se considera una grave violación de la ética médica y del juramento hipocrático.

El gobierno ocultó la mayoría de estos percances por radiación hasta 1993, cuando el presidente Bill Clinton ordenó un cambio de política y las agencias federales pusieron a disposición los registros pertinentes. La investigación resultante fue realizada por el Comité Asesor sobre Experimentos de Radiación Humana del presidente y descubrió gran parte del material sobre la investigación del plutonio en humanos. El comité emitió un controvertido informe de 1995 que decía que "se cometieron errores", pero no condenó a quienes los perpetraron.

Aplicaciones

Explosivos

El isótopo plutonio-239 es un componente fisionable clave en las armas nucleares, debido a su facilidad de fisión y disponibilidad. Encerrar el pozo de plutonio de la bomba en un tamper (una capa opcional de material denso) disminuye la cantidad de plutonio necesaria para alcanzar la masa crítica al reflejar los neutrones que escapan de regreso al núcleo de plutonio. Esto reduce la cantidad de plutonio necesaria para alcanzar la criticidad de 16 kg a 10 kg, que es una esfera con un diámetro de unos 10 centímetros (4 pulgadas). Esta masa crítica es aproximadamente un tercio de la del uranio-235.

Las bombas de plutonio Fat Man utilizaron una compresión explosiva de plutonio para obtener densidades significativamente más altas de lo normal, combinadas con una fuente central de neutrones para comenzar la reacción y aumentar la eficiencia. Por lo tanto, solo se necesitaron 6,2 kg de plutonio para un rendimiento explosivo equivalente a 20 kilotones de TNT. Hipotéticamente, se podrían usar tan solo 4 kg de plutonio, y tal vez incluso menos, para fabricar una sola bomba atómica utilizando diseños de ensamblaje muy sofisticados.

Combustible de óxido mixto

El combustible nuclear gastado de los reactores normales de agua ligera contiene plutonio, pero es una mezcla de plutonio-242, 240, 239 y 238. La mezcla no está suficientemente enriquecida para armas nucleares eficientes, pero puede usarse una vez como combustible MOX.La captura accidental de neutrones hace que la cantidad de plutonio-242 y 240 crezca cada vez que se irradia el plutonio en un reactor con neutrones "térmicos" de baja velocidad, de modo que después del segundo ciclo, el plutonio solo puede ser consumido por reactores de neutrones rápidos. Si los reactores de neutrones rápidos no están disponibles (el caso normal), el exceso de plutonio generalmente se descarta y forma uno de los componentes más longevos de los desechos nucleares. El deseo de consumir este plutonio y otros combustibles transuránicos y reducir la radiotoxicidad de los desechos es la razón habitual que dan los ingenieros nucleares para fabricar reactores de neutrones rápidos.

El proceso químico más común, PUREX (extracción de plutonio-UR anio ), reprocesa el combustible nuclear gastado para extraer plutonio y uranio que se pueden utilizar para formar un combustible de óxido mixto (MOX) para su reutilización en reactores nucleares. Se puede agregar plutonio apto para armas a la mezcla de combustible. El combustible MOX se utiliza en reactores de agua ligera y consta de 60 kg de plutonio por tonelada de combustible; después de cuatro años, las tres cuartas partes del plutonio se queman (se convierten en otros elementos). Los reactores reproductores están diseñados específicamente para crear más material fisionable del que consumen.

El combustible MOX ha estado en uso desde la década de 1980 y se usa ampliamente en Europa. En septiembre de 2000, los Estados Unidos y la Federación de Rusia firmaron un Acuerdo de gestión y eliminación de plutonio mediante el cual cada uno acordó deshacerse de 34 toneladas de plutonio apto para armas. El Departamento de Energía de los EE. UU. planea deshacerse de 34 toneladas de plutonio apto para armas en los Estados Unidos antes de finales de 2019 al convertir el plutonio en un combustible MOX para usar en reactores de energía nuclear comerciales.

El combustible MOX mejora el quemado total. Una barra de combustible se reprocesa después de tres años de uso para eliminar los productos de desecho, que para entonces representan el 3% del peso total de las barras. Cualquier isótopo de uranio o plutonio producido durante esos tres años se deja y la barra vuelve a la producción. La presencia de hasta un 1 % de galio por masa en una aleación de plutonio de grado militar tiene el potencial de interferir con el funcionamiento a largo plazo de un reactor de agua ligera.

El plutonio recuperado del combustible gastado del reactor plantea un riesgo de proliferación pequeño, debido a la contaminación excesiva con plutonio-240 y plutonio-242 no fisionables. La separación de los isótopos no es factible. Por lo general, se requiere un reactor dedicado que opere con un quemado muy bajo (por lo tanto, una exposición mínima del plutonio-239 recién formado a neutrones adicionales que hacen que se transforme en isótopos de plutonio más pesados) para producir material adecuado para su uso en armas nucleares eficientes. Si bien se define que el plutonio de "grado armamentístico" contiene al menos un 92 % de plutonio-239 (del plutonio total), Estados Unidos logró detonar un dispositivo de menos de 20 Kt utilizando plutonio que se cree que contiene solo un 85 % de plutonio-239, llamado plutonio de "grado de combustible".El plutonio de "grado de reactor" producido por un ciclo regular de quemado de LWR generalmente contiene menos del 60% de Pu-239, con hasta un 30% de Pu-240 / Pu-242 parasitario y 10-15% de Pu-241 fisionable. No se sabe si un dispositivo que utiliza plutonio obtenido de desechos nucleares civiles reprocesados ​​puede detonarse; sin embargo, dicho dispositivo hipotéticamente podría chisporrotear y esparcir materiales radiactivos en una gran área urbana. El OIEA clasifica conservadoramente el plutonio de todos los vectores isotópicos como material de "uso directo", es decir, "material nuclear que puede utilizarse para la fabricación de componentes de explosivos nucleares sin transmutación ni enriquecimiento adicional".

Fuente de energía y calor

El isótopo plutonio-238 tiene una vida media de 87,74 años. Emite una gran cantidad de energía térmica con bajos niveles tanto de rayos gamma/fotones como de rayos/partículas de neutrones espontáneos. Al ser un emisor alfa, combina radiación de alta energía con baja penetración y, por lo tanto, requiere un blindaje mínimo. Se puede usar una hoja de papel para protegerse contra las partículas alfa emitidas por el plutonio-238. Un kilogramo del isótopo puede generar unos 570 vatios de calor.

Estas características lo hacen muy adecuado para la generación de energía eléctrica para dispositivos que deben funcionar sin mantenimiento directo durante escalas de tiempo que se aproximan a la vida humana. Por lo tanto, se utiliza en generadores termoeléctricos de radioisótopos y unidades de calentamiento de radioisótopos, como las de las sondas espaciales Cassini, Voyager, Galileo y New Horizons, y los rovers de Marte Curiosity y Perseverance (Mars 2020).

Las naves espaciales gemelas Voyager se lanzaron en 1977 y cada una contenía una fuente de energía de plutonio de 500 vatios. Más de 30 años después, cada fuente sigue produciendo unos 300 vatios, lo que permite un funcionamiento limitado de cada nave espacial. Una versión anterior de la misma tecnología impulsó cinco paquetes de experimentos de superficie lunar Apolo, comenzando con el Apolo 12 en 1969.

El plutonio-238 también se ha utilizado con éxito para alimentar marcapasos cardíacos artificiales, para reducir el riesgo de cirugía repetida. Ha sido reemplazado en gran parte por células primarias a base de litio, pero a partir de 2003 había entre 50 y 100 marcapasos alimentados con plutonio todavía implantados y funcionando en pacientes vivos en los Estados Unidos. A fines de 2007, se informó que la cantidad de marcapasos que funcionan con plutonio se redujo a solo nueve. El plutonio-238 se estudió como una forma de proporcionar calor adicional al buceo. El plutonio-238 mezclado con berilio se utiliza para generar neutrones con fines de investigación.

Precauciones

Toxicidad

Hay dos aspectos de los efectos nocivos del plutonio: la radiactividad y los efectos del veneno de metales pesados. Los isótopos y compuestos de plutonio son radiactivos y se acumulan en la médula ósea. La contaminación por óxido de plutonio ha resultado de desastres nucleares e incidentes radiactivos, incluidos accidentes nucleares militares en los que se han quemado armas nucleares. Los estudios de los efectos de estas liberaciones más pequeñas, así como de la enfermedad y muerte generalizadas por envenenamiento por radiación después de los bombardeos atómicos de Hiroshima y Nagasaki, han proporcionado información considerable sobre los peligros, los síntomas y el pronóstico del envenenamiento por radiación, que en el caso del Los supervivientes japoneses no estaban relacionados en gran medida con la exposición directa al plutonio.

Durante la desintegración del plutonio, se liberan tres tipos de radiación ionizante, a saber, alfa, beta y gamma. La exposición aguda o a largo plazo conlleva el peligro de resultados graves para la salud, incluida la enfermedad por radiación, el daño genético, el cáncer y la muerte. El peligro aumenta con la cantidad de exposición. La radiación alfa puede viajar solo una distancia corta y no puede viajar a través de la capa externa muerta de la piel humana. La radiación beta puede penetrar la piel humana, pero no puede atravesar todo el cuerpo. La radiación gamma puede atravesar todo el cuerpo. Aunque la radiación alfa no puede penetrar la piel, el plutonio ingerido o inhalado sí irradia órganos internos. Se ha descubierto que las partículas alfa generadas por el plutonio inhalado causan cáncer de pulmón en una cohorte de trabajadores nucleares europeos.El esqueleto, donde se acumula el plutonio, y el hígado, donde se acumula y concentra, están en riesgo. El plutonio no se absorbe en el cuerpo de manera eficiente cuando se ingiere; solo el 0,04% del óxido de plutonio se absorbe después de la ingestión. El plutonio absorbido por el cuerpo se excreta muy lentamente, con una vida media biológica de 200 años. El plutonio pasa lentamente a través de las membranas celulares y los límites intestinales, por lo que la absorción por ingestión y la incorporación a la estructura ósea proceden muy lentamente. Donald Mastick ingirió accidentalmente una pequeña cantidad de cloruro de plutonio (III), que fue detectable durante los siguientes treinta años de su vida, pero aparentemente no sufrió efectos nocivos.

El plutonio es más peligroso cuando se inhala que cuando se ingiere. El riesgo de cáncer de pulmón aumenta una vez que la dosis equivalente de radiación total del plutonio inhalado supera los 400 mSv. El Departamento de Energía de los EE. UU. estima que el riesgo de cáncer a lo largo de la vida por inhalar 5000 partículas de plutonio, cada una de aproximadamente 3 µm de ancho, es un 1 % superior al promedio general de los EE. UU. La ingestión o inhalación de grandes cantidades puede causar envenenamiento por radiación agudo y posiblemente la muerte. Sin embargo, no se sabe que ningún ser humano haya muerto por inhalar o ingerir plutonio, y muchas personas tienen cantidades medibles de plutonio en sus cuerpos.

La teoría de la "partícula caliente" en la que una partícula de polvo de plutonio irradia un punto localizado de tejido pulmonar no está respaldada por la investigación convencional; tales partículas son más móviles de lo que se pensaba originalmente y la toxicidad no aumenta de manera apreciable debido a la forma de partículas. Cuando se inhala, el plutonio puede pasar al torrente sanguíneo. Una vez en el torrente sanguíneo, el plutonio se mueve por todo el cuerpo y hacia los huesos, el hígado u otros órganos del cuerpo. El plutonio que llega a los órganos del cuerpo generalmente permanece en el cuerpo durante décadas y continúa exponiendo el tejido circundante a la radiación y, por lo tanto, puede causar cáncer.

Una cita comúnmente citada de Ralph Nader afirma que una libra de polvo de plutonio esparcida en la atmósfera sería suficiente para matar a 8 mil millones de personas. Esto fue discutido por Bernard Cohen, un opositor del modelo lineal sin umbral generalmente aceptado de toxicidad de la radiación. Cohen estimó que una libra de plutonio podría matar a no más de 2 millones de personas por inhalación, por lo que la toxicidad del plutonio es aproximadamente equivalente a la del gas nervioso.

Varias poblaciones de personas que han estado expuestas al polvo de plutonio (por ejemplo, personas que viven a favor del viento de los sitios de prueba de Nevada, sobrevivientes de Nagasaki, trabajadores de instalaciones nucleares y pacientes con "enfermedades terminales" inyectados con Pu en 1945–46 para estudiar el metabolismo de Pu) han sido cuidadosamente seguido y analizado. Cohen encontró estos estudios inconsistentes con las altas estimaciones de toxicidad del plutonio, citando casos como el de Albert Stevens, quien sobrevivió hasta la vejez después de haber sido inyectado con plutonio. "Había unos 25 trabajadores del Laboratorio Nacional de Los Álamos que inhalaron una cantidad considerable de polvo de plutonio durante la década de 1940; según la teoría de las partículas calientes, cada uno de ellos tiene un 99,5 % de posibilidades de estar muerto de cáncer de pulmón en este momento, pero ha habido no ha habido un solo cáncer de pulmón entre ellos".

Toxicidad marina

Investigar la toxicidad del plutonio en humanos es tan importante como observar los efectos en la fauna de los sistemas marinos. Se sabe que el plutonio ingresa al medio ambiente marino por vertidos de desechos o fugas accidentales de plantas nucleares. Aunque las concentraciones más altas de plutonio en ambientes marinos se encuentran en los sedimentos, el complejo ciclo biogeoquímico del plutonio significa que también se encuentra en todos los demás compartimentos. Por ejemplo, varias especies de zooplancton que ayudan en el ciclo de nutrientes consumirán el elemento diariamente. La excreción completa del plutonio ingerido por el zooplancton hace que su defecación sea un mecanismo extremadamente importante en la eliminación del plutonio de las aguas superficiales.Sin embargo, el zooplancton que sucumbe a la depredación de organismos más grandes puede convertirse en un vehículo de transmisión de plutonio a los peces.

Además del consumo, los peces también pueden estar expuestos al plutonio por su distribución geográfica en todo el mundo. Un estudio investigó los efectos de los elementos transuránicos (plutonio-238, plutonio-239, plutonio-240) en varios peces que viven en la Zona de Exclusión de Chernobyl (CEZ). Los resultados mostraron que una proporción de percas hembras en la CEZ mostró una falla o un retraso en la maduración de las gónadas. Estudios similares encontraron grandes acumulaciones de plutonio en los órganos respiratorios y digestivos del bacalao, la platija y el arenque.

La toxicidad del plutonio es igualmente perjudicial para las larvas de peces en áreas de desechos nucleares. Los huevos no desarrollados tienen un mayor riesgo que los peces adultos desarrollados expuestos al elemento en estas áreas de desechos. El Laboratorio Nacional de Oak Ridge demostró que los embriones de carpas y pececillos criados en soluciones que contenían isótopos de plutonio no eclosionaban; los huevos que eclosionaron mostraron anomalías significativas en comparación con los embriones desarrollados de control. Reveló que se ha encontrado que concentraciones más altas de plutonio causan problemas en la fauna marina expuesta al elemento.

Potencial de criticidad

Se debe tener cuidado para evitar la acumulación de cantidades de plutonio que se acerquen a la masa crítica, particularmente porque la masa crítica del plutonio es solo un tercio de la del uranio-235. Una masa crítica de plutonio emite cantidades letales de neutrones y rayos gamma. Es más probable que el plutonio en solución forme una masa crítica que la forma sólida debido a la moderación del hidrógeno en el agua.

En el pasado se han producido accidentes de criticidad, algunos de ellos con consecuencias letales. El manejo descuidado de los ladrillos de carburo de tungsteno alrededor de una esfera de plutonio de 6,2 kg resultó en una dosis fatal de radiación en Los Álamos el 21 de agosto de 1945, cuando el científico Harry Daghlian recibió una dosis estimada en 5,1 sievert (510 rems) y murió 25 días después. Nueve meses después, otro científico de Los Álamos, Louis Slotin, murió a causa de un accidente similar que involucró un reflector de berilio y el mismo núcleo de plutonio (el llamado "núcleo demoníaco") que anteriormente se había cobrado la vida de Daghlian.

En diciembre de 1958, durante un proceso de purificación de plutonio en Los Álamos, se formó una masa crítica en un recipiente mezclador, lo que resultó en la muerte de un operador químico llamado Cecil Kelley. Se han producido otros accidentes nucleares en la Unión Soviética, Japón, Estados Unidos y muchos otros países.

Inflamabilidad

El plutonio metálico es un riesgo de incendio, especialmente si el material está finamente dividido. En un ambiente húmedo, el plutonio forma hidruros en su superficie, que son pirofóricos y pueden inflamarse en el aire a temperatura ambiente. El plutonio se expande hasta un 70 % en volumen a medida que se oxida y, por lo tanto, puede romper su contenedor. La radiactividad del material en llamas es un peligro adicional. La arena de óxido de magnesio es probablemente el material más eficaz para extinguir un incendio de plutonio. Enfría el material en llamas, actúa como un disipador de calor y también bloquea el oxígeno. Se requieren precauciones especiales para almacenar o manipular plutonio en cualquier forma; generalmente se requiere una atmósfera seca de gas inerte.

Transportación

Tierra y mar

El transporte habitual de plutonio es a través del óxido de plutonio más estable en un paquete sellado. Un transporte típico consiste en un camión que transporta un contenedor de envío protegido, con una cantidad de paquetes con un peso total que varía de 80 a 200 kg de óxido de plutonio. Un envío marítimo puede constar de varios contenedores, cada uno de los cuales contiene un paquete sellado. La Comisión Reguladora Nuclear de los Estados Unidos dicta que debe ser sólido en lugar de polvo si el contenido supera los 0,74 TBq (20 Curies) de actividad radiactiva. En 2016, los barcos Pacific Egret y Pacific Heron de Pacific Nuclear Transport Ltd. transportaron 331 kg (730 lb) de plutonio a una instalación del gobierno de los Estados Unidos en Savannah River, Carolina del Sur.

Aire

Las normas de transporte aéreo del Gobierno de los EE. UU. permiten el transporte de plutonio por vía aérea, sujeto a restricciones sobre otros materiales peligrosos transportados en el mismo vuelo, requisitos de embalaje y estiba en la parte trasera de la aeronave.

En 2012, los medios revelaron que el plutonio salió de Noruega en aerolíneas comerciales de pasajeros, aproximadamente cada dos años, incluida una vez en 2011. Las regulaciones permiten que un avión transporte 15 gramos de material fisionable. Tal transporte de plutonio no presenta problemas, según un asesor principal (seniorrådgiver) de Statens strålevern.