Plutonio-238
Plutonio-238 (238Pu o Pu-238) es un isótopo radiactivo del plutonio que tiene una vida media de 87,7 años.
El plutonio-238 es un emisor alfa muy potente; Como las partículas alfa se bloquean fácilmente, esto hace que el isótopo plutonio-238 sea adecuado para su uso en generadores termoeléctricos de radioisótopos (RTG) y unidades calentadoras de radioisótopos. La densidad del plutonio-238 a temperatura ambiente es de aproximadamente 19,8 g/cc. El material generará aproximadamente 0,57 vatios por gramo de 238Pu.
La masa crítica de la esfera desnuda del plutonio-238 metálico no se conoce con precisión, pero su rango calculado está entre 9,04 y 10,07 kilogramos.
Historia
Producción inicial
El plutonio-238 fue el primer isótopo de plutonio descubierto. Fue sintetizado por Glenn Seaborg y asociados en diciembre de 1940 bombardeando uranio-238 con deuterones, creando neptunio-238.
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El isótopo neptunio luego sufre una desintegración β- hasta plutonio-238, con una vida media de 2,12 días:
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El plutonio-238 se desintegra naturalmente a uranio-234 y luego, a lo largo de la serie del radio, a plomo-206. Históricamente, la mayor parte del plutonio-238 ha sido producido por Savannah River en su reactor de armas, irradiando neptunio-237 (vida media 2,144 Ma) con neutrones.
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El neptunio-237 es un subproducto de la producción de plutonio-239, material apto para armas, y cuando el sitio se cerró en 1988, 238Pu se mezcló con aproximadamente un 16% 239Pu.
Proyecto Manhattan
El plutonio fue sintetizado por primera vez en 1940 y aislado en 1941 por químicos de la Universidad de California, Berkeley.
El Proyecto Manhattan comenzó poco después del descubrimiento, y la mayoría de las primeras investigaciones (anteriores a 1944) se llevaron a cabo utilizando pequeñas muestras fabricadas con grandes ciclotrones en el Berkeley Rad Lab y la Universidad de Washington en St. Louis.
Gran parte de las dificultades encontradas durante el Proyecto Manhattan se referían a la producción y prueba de combustible nuclear. Finalmente se determinó que tanto el uranio como el plutonio eran fisibles, pero en cada caso tuvieron que ser purificados para seleccionar los isótopos adecuados para una bomba atómica.
Con la Segunda Guerra Mundial en marcha, los equipos de investigación estaban presionados por el tiempo. Los ciclotrones produjeron microgramos de plutonio en 1942 y 1943. En el otoño de 1943, se cita a Robert Oppenheimer diciendo que "sólo existe una vigésima parte de un miligramo".
A petición suya, el Rad Lab de Berkeley puso a disposición 1,2 mg de plutonio a finales de octubre de 1943, la mayor parte del cual fue llevado a Los Álamos para realizar trabajos teóricos allí.
El segundo reactor del mundo, el reactor de grafito X-10 construido en un sitio secreto en Oak Ridge, estaría en pleno funcionamiento en 1944. En noviembre de 1943, poco después de su puesta en marcha inicial, pudo producir unos minúsculos 500 mg. Sin embargo, este plutonio se mezcló con grandes cantidades de combustible de uranio y se destinó a la cercana planta piloto de procesamiento químico para la separación isotópica (enriquecimiento). Gramos de plutonio no estarían disponibles hasta la primavera de 1944.
La producción de plutonio a escala industrial no comenzó hasta marzo de 1945, cuando el reactor B en el sitio de Hanford comenzó a funcionar.
Plutonio-238 y la experimentación humana
Aunque había muestras de plutonio disponibles en pequeñas cantidades y manipuladas por investigadores, nadie sabía qué efectos podría tener sobre la salud.
En 1944 ocurrieron percances en el manejo del plutonio, lo que provocó alarma en los líderes del Proyecto Manhattan ya que la contaminación dentro y fuera de los laboratorios se estaba convirtiendo en un problema. En agosto de 1944, al químico Donald Mastick le rociaron la cara con cloruro de plutonio líquido, lo que le hizo tragar accidentalmente un poco. Los frotis nasales tomados a investigadores de plutonio indicaron que se estaba inhalando plutonio. El químico principal del Proyecto Manhattan, Glenn Seaborg, descubridor de muchos elementos transuránicos, incluido el plutonio, instó a que se desarrollara un programa de seguridad para la investigación del plutonio. En un memorando dirigido a Robert Stone en el Met Lab de Chicago, Seaborg escribió "que se inicie lo antes posible un programa para rastrear el curso del plutonio en el cuerpo... [con] la más alta prioridad". ; Este memorando estaba fechado el 5 de enero de 1944, antes de muchos de los eventos de contaminación de 1944 en el Edificio D donde trabajaba Mastick. Seaborg afirmó más tarde que no tenía ninguna intención de implicar la experimentación con humanos en este memorando, ni se enteró de su uso en humanos hasta mucho más tarde debido a la compartimentación de la información clasificada.
Con el plutonio-239 enriquecido para bombas destinado a investigaciones críticas y a la producción de armas atómicas, el plutonio-238 se utilizó en los primeros experimentos médicos, ya que no se puede utilizar como combustible para armas atómicas. Sin embargo, el 238Pu es mucho más peligroso que el 239Pu debido a su corta vida media y a que es un fuerte emisor alfa. Pronto se descubrió que el plutonio se excretaba a un ritmo muy lento, acumulándose en sujetos de prueba involucrados en los primeros experimentos con humanos. Esto tuvo graves consecuencias para la salud de los pacientes involucrados.
Del 10 de abril de 1945 al 18 de julio de 1947, se inyectó plutonio a dieciocho personas como parte del Proyecto Manhattan. Las dosis administradas oscilaron entre 0,095 y 5,9 microcurios (μCi).
Albert Stevens, después de un diagnóstico (erróneo) de cáncer terminal que parecía afectar a muchos órganos, fue inyectado en 1945 con plutonio sin su consentimiento informado. Se le denominó paciente CAL-1 y el plutonio consistía en 3,5 μCi 238Pu y 0,046 μCi 239Pu, lo que le daba una carga corporal inicial de 3,546 μCi (131 kBq) actividad total. El hecho de que tuviera plutonio-238 altamente radiactivo (producido en el ciclotrón de 60 pulgadas del Laboratorio Crocker mediante bombardeo con deuterón de uranio natural) contribuyó en gran medida a su dosis a largo plazo. Si todo el plutonio administrado a Stevens hubiera sido el 239Pu de larga duración utilizado en experimentos similares de la época, la dosis de vida de Stevens habría sido significativamente menor. La corta vida media de 87,7 años del 238Pu significa que una gran cantidad del mismo se descompuso durante su estancia dentro de su cuerpo, especialmente en comparación con la vida media de 24.100 años del 239Pu.
Después de su "cáncer" la cirugía eliminó muchos "tumores" no cancerosos, Stevens sobrevivió durante unos 20 años después de su dosis experimental de plutonio antes de sucumbir a una enfermedad cardíaca; había recibido la dosis de radiación acumulada más alta conocida de cualquier paciente humano. Los cálculos modernos de la dosis absorbida durante su vida dan un total significativo de 64 Sv (6400 rem).
Armas
La primera aplicación del 238Pu fue su uso en componentes de armas nucleares fabricados en Mound Laboratories para el Laboratorio de Radiación Lawrence (ahora Laboratorio Nacional Lawrence Livermore). Mound fue elegido para este trabajo debido a su experiencia en la producción del iniciador Urchin alimentado con polonio-210 y su trabajo con varios elementos pesados en un programa de combustibles para reactores. Dos científicos de Mound pasaron 1959 en Lawrence en desarrollo conjunto mientras se construía el Edificio Metalúrgico Especial en Mound para albergar el proyecto. Mientras tanto, la primera muestra de 238Pu llegó a Mound en 1959.
El proyecto de armas requería la producción de aproximadamente 1 kg/año de 238Pu durante un período de 3 años. Sin embargo, el componente 238Pu no pudo producirse según las especificaciones a pesar de un esfuerzo de dos años que comenzó en Mound a mediados de 1961. Se llevó a cabo un esfuerzo máximo con 3 turnos al día, 6 días a la semana y un aumento de la producción de 238Pu de Savannah River durante los siguientes tres años a aproximadamente 20 kg/año. Una flexibilización de las especificaciones dio como resultado una productividad de alrededor del 3% y la producción finalmente comenzó en 1964.
Uso en generadores termoeléctricos de radioisótopos
A partir del 1 de enero de 1957, los inventores de RTG de Mound Laboratories, Jordan & Birden estaba trabajando en un contrato del Cuerpo de Señales del Ejército (R-65-8-998 11-SC-03-91) para realizar investigaciones sobre materiales radiactivos y termopares adecuados para la conversión directa de calor en energía eléctrica utilizando polonio-210 como calor. fuente.
En 1961, el capitán R. T. Carpenter había elegido 238Pu como combustible para el primer RTG (generador termoeléctrico de radioisótopos) que se lanzaría al espacio como energía auxiliar para el satélite de navegación Transit IV de la Armada. El 21 de enero de 1963, aún no se había tomado la decisión sobre qué isótopo se utilizaría para alimentar los grandes RTG de los programas de la NASA.
A principios de 1964, los científicos de Mound Laboratories desarrollaron un método diferente para fabricar el componente del arma que resultó en una eficiencia de producción de alrededor del 98%. Esto puso a disposición el exceso de producción de 238Pu del río Savannah para el uso de energía eléctrica espacial justo a tiempo para satisfacer las necesidades del SNAP-27 RTG en la Luna, la nave espacial Pioneer, los módulos de aterrizaje Viking en Marte y más Transit. Satélites de navegación de la Marina (precursores del GPS actual) y dos naves espaciales Voyager, para las cuales todas las fuentes de calor 238Pu se fabricaron en Mound Laboratories.
Las unidades de calentadores de radioisótopos se utilizaron en la exploración espacial, comenzando con los calentadores de radioisótopos Apollo (ALRH) que calentaron el experimento sísmico colocado en la Luna por la misión Apolo 11 y en varios vehículos exploradores de la Luna y Marte, hasta los 129 LWRHU que calentaron los experimentos en la nave espacial Galileo.
A finales de 1964 se completó una ampliación de las instalaciones de producción de componentes de armas de construcción metalúrgica especial para la fabricación de combustible con fuente de calor 238Pu. En 1969 también se instaló una instalación temporal de producción de combustible en el Edificio de Investigación para la fabricación de combustible de Transit. Una vez finalizado el proyecto del componente de armas, el Edificio Metalúrgico Especial, apodado "Snake Mountain" debido a las dificultades encontradas en el manejo de grandes cantidades de 238Pu, cesó sus operaciones el 30 de junio de 1968, y las operaciones de 238Pu fueron asumidas por el nuevo Edificio de Procesamiento de Plutonio, especialmente diseñado y construido para manejar grandes cantidades de 238Pu. Al plutonio-238 se le asigna el número de peligro relativo más alto (152) de los 256 radionucleidos evaluados por Karl Z. Morgan et al. en 1963.
Marpasos de energía nuclear
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En los Estados Unidos, cuando el plutonio-238 estuvo disponible para usos no militares, se propusieron y probaron numerosas aplicaciones, incluido el programa de marcapasos cardíacos que comenzó el 1 de junio de 1966, junto con NUMEC. La última de estas unidades se implantó en 1988, cuando los marcapasos alimentados con litio, que tenían una vida útil prevista de 10 años o más sin las desventajas de las preocupaciones por la radiación y los obstáculos regulatorios, hicieron que estas unidades quedaran obsoletas.
En 2007, había nueve personas vivas con marcapasos de propulsión nuclear en los Estados Unidos, de un total de 139 receptores originales. Cuando estos individuos mueran, se supone que se les quitará el marcapasos y se enviará a Los Álamos, donde se recuperará el plutonio.
En una carta al New England Journal of Medicine sobre una mujer que recibió un Numec NU-5 hace décadas que está funcionando continuamente, a pesar de un precio original de $5,000 equivalente a $23,000 en dólares de 2007, los costos de seguimiento han sido de aproximadamente $19,000 en comparación con $55,000 para un marcapasos alimentado por batería.
Otro marcapasos de propulsión nuclear fue el “Laurens-Alcatel Modelo 9000” de Medtronics. Aproximadamente 1600 marcapasos cardíacos y/o conjuntos de baterías de propulsión nuclear se han ubicado en todo Estados Unidos y son elegibles para su recuperación por parte del equipo del Proyecto de recuperación de fuentes externas (OSRP) en el Laboratorio Nacional de Los Álamos (LANL).
Producción
El plutonio apto para reactores procedente del combustible nuclear gastado contiene varios isótopos de plutonio. 238El Pu constituye sólo uno o dos por ciento, pero puede ser responsable de gran parte del calor de desintegración a corto plazo debido a su corta vida media en relación con otros isótopos de plutonio. El plutonio apto para reactores no es útil para producir 238Pu para RTG porque sería necesaria una difícil separación isotópica.
El plutonio-238 puro se prepara mediante irradiación de neutrones de neptunio-237, uno de los actínidos menores que se pueden recuperar del combustible nuclear gastado durante el reprocesamiento, o mediante irradiación de neutrones de americio en un reactor. Los objetivos se purifican químicamente, incluida la disolución en ácido nítrico para extraer el plutonio-238. Una muestra de 100 kg de combustible de reactor de agua ligera que ha sido irradiada durante tres años contiene sólo unos 700 gramos (0,7% en peso) de neptunio-237, que debe extraerse y purificarse. También se podrían producir cantidades significativas de 238Pu puro en un ciclo de combustible de torio.
En EE. UU., la Iniciativa de Sistemas de Energía Espacial y de Defensa de la Oficina de Energía Nuclear del Departamento de Energía procesa 238Pu, mantiene su almacenamiento y desarrolla, produce, transporta y gestiona. seguridad de las unidades de energía y calefacción de radioisótopos tanto para la exploración espacial como para las naves espaciales de seguridad nacional. En marzo de 2015, había un total de 35 kilogramos (77 libras) de 238Pu disponibles para usos espaciales civiles. Del inventario, 17 kg (37 lb) permanecían en condiciones que cumplían con las especificaciones de la NASA para el suministro de energía. Parte de este conjunto de 238Pu se utilizó en un generador termoeléctrico de radioisótopos multimisión (MMRTG) para la misión Mars Rover 2020 y dos MMRTG adicionales para una misión hipotética de la NASA en 2024. Después de eso, quedarían 21 kg (46 lb), incluidos aproximadamente 4 kg (8,8 lb) que apenas cumplen con las especificaciones de la NASA. Dado que el contenido de isótopos en el material se pierde con el tiempo debido a la desintegración radiactiva mientras está almacenado, este stock podría alcanzar las especificaciones de la NASA mezclándolo con una cantidad menor de 238Pu recién producido con un mayor contenido de el isótopo y, por tanto, la densidad de energía.
EE.UU. la producción cesa y se reanuda
Estados Unidos dejó de producir 238Pu a granel con el cierre de los reactores del río Savannah en 1988. Desde 1993, todo el 238Pu utilizado en las naves espaciales estadounidenses se ha sido comprado en Rusia. En total, se han comprado 16,5 kilogramos (36 libras), pero Rusia ya no produce 238Pu y, según se informa, su propio suministro se está agotando.
En febrero de 2013, el reactor de isótopos de alto flujo de Oak Ridge produjo con éxito una pequeña cantidad de 238Pu, y el 22 de diciembre de 2015, informaron la producción de 50 gramos ( 1,8 onzas) de 238Pu.
En marzo de 2017, Ontario Power Generation (OPG) y su brazo de riesgo, Canadian Nuclear Partners, anunciaron planes para producir 238Pu como segunda fuente para la NASA. Las barras que contienen neptunio-237 serán fabricadas por el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico (PNNL) en el estado de Washington y enviadas a la Estación de Generación Nuclear Darlington de OPG en Clarington, Ontario, Canadá, donde serán irradiadas con neutrones dentro del reactor. s núcleo para producir 238Pu.
En enero de 2019, se informó que se implementaron algunos aspectos automatizados de su producción en el Laboratorio Nacional Oak Ridge en Tennessee, que se espera que tripliquen la cantidad de gránulos de plutonio producidos cada semana. Ahora se espera que la tasa de producción aumente de 80 gránulos por semana a aproximadamente 275 gránulos por semana, para una producción total de aproximadamente 400 gramos por año. El objetivo ahora es optimizar y ampliar los procesos para producir un promedio de 1,5 kg (3,3 lb) por año para 2025.
Aplicaciones
La principal aplicación del 238Pu es como fuente de calor en generadores termoeléctricos de radioisótopos (RTG). El RTG fue inventado en 1954 por los científicos de Mound Ken Jordan y John Birden, quienes fueron incluidos en el Salón Nacional de la Fama de los Inventores en 2013. Inmediatamente produjeron un prototipo funcional utilizando una fuente de calor 210Po, y en El 1 de enero de 1957, celebró un contrato con el Cuerpo de Señales del Ejército (R-65-8-998 11-SC-03-91) para realizar investigaciones sobre materiales radiactivos y termopares adecuados para la conversión directa de calor en energía eléctrica utilizando polonio-210. como fuente de calor.
En 1966, un estudio publicado por SAE International describió el potencial del uso del plutonio-238 en subsistemas de energía de radioisótopos para aplicaciones en el espacio. Este estudio se centró en emplear conversiones de energía a través del ciclo de Rankine, el ciclo de Brayton, la conversión termoeléctrica y la conversión termoiónica con plutonio-238 como elemento calefactor principal. El calor suministrado por el elemento calefactor de plutonio-238 era constante entre los regímenes de 400 °C y 1000 °C, pero la tecnología futura podría alcanzar un límite superior de 2000 °C, aumentando aún más la eficiencia de los sistemas de energía. El estudio del ciclo Rankine reportó una eficiencia entre 15 y 19% con temperaturas de entrada de la turbina de 1800 R, mientras que el ciclo Brayton ofreció una eficiencia superior al 20% con una temperatura de entrada de 2000 R. Los convertidores termoeléctricos ofrecieron una eficiencia baja (3-5%) pero alta fiabilidad. La conversión termoiónica podría proporcionar eficiencias similares a las del ciclo Brayton si se alcanzaran las condiciones adecuadas.
La tecnología RTG fue desarrollada por primera vez por el Laboratorio Nacional de Los Álamos durante las décadas de 1960 y 1970 para proporcionar energía de generador termoeléctrico de radioisótopos para marcapasos cardíacos. De los 250 marcapasos alimentados con plutonio que fabricó Medtronic, veintidós todavía estaban en servicio más de veinticinco años después, una hazaña que ningún marcapasos alimentado por baterías podría lograr.
Esta misma tecnología de energía RTG se ha utilizado en naves espaciales como Pioneer 10 y 11, Voyager 1 y 2, Cassini–Huygens y New Horizons, y en otros dispositivos, como el Mars Science Laboratory y el Mars 2020 Perseverance Rover, para generación de energía nuclear a largo plazo.