Plutonio en el medio ambiente

Desde mediados del siglo XX, el plutonio en el medio ambiente ha sido producido principalmente por la actividad humana. Las primeras plantas que produjeron plutonio para su uso en bombas atómicas de la guerra fría estaban en el sitio nuclear de Hanford, en Washington, y en la planta nuclear de Mayak, en Chelyabinsk Oblast, Rusia. Durante un período de cuatro décadas, "ambos 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 mayoría de los isótopos de plutonio tienen una vida corta en una escala de tiempo geológica, aunque se ha argumentado que todavía existen rastros del isótopo Pu de larga vida en la naturaleza. Este isótopo se ha encontrado en suelo lunar, meteoritos y en el reactor natural de Oklo. Sin embargo, en un artículo sobre sedimentos marinos para plutonio en sedimentos marinos, la lluvia radiactiva de la bomba atómica es responsable del 66 % del Pu y del 59 % del Pu que se encuentran en el Canal de la Mancha, mientras que el reprocesamiento nuclear es responsable de la mayoría del Pu y del Pu presentes en el Canal de la Mancha. Los océanos de la Tierra (las pruebas de armas nucleares solo son responsables del 6,5 y el 16,5% de estos isótopos, respectivamente).

Fuentes de plutonio

Producción de plutonio

Richland, Washington, fue la primera ciudad establecida para apoyar la producción de plutonio en el sitio nuclear cercano de Hanford, para impulsar los arsenales de armas nucleares estadounidenses. Ozersk, Rusia apoyó la producción de plutonio para alimentar los arsenales nucleares soviéticos en la planta nuclear de Mayak. Estas fueron las dos primeras ciudades del mundo en producir plutonio para usar en bombas atómicas de la guerra fría.

En el libro de 2013 sobre la historia de estas dos ciudades arruinadas, Plutopia: Nuclear Families, Atomic Cities, and the Great Soviet and American Plutonium Disasters (Oxford), Kate Brown explora la salud de los ciudadanos afectados tanto en los Estados Unidos como en Rusia, y los “desastres en cámara lenta” que aún amenazan los entornos donde se ubican las plantas. Según Brown, las plantas de Hanford y Mayak, 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 en Hanford y Mayak fue 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. Incluso hoy en día, mientras persisten las amenazas de contaminación para la salud y el medio ambiente, el gobierno mantiene informado al público sobre los riesgos asociados.

Detonaciones de bombas

Unas 3,5 toneladas de plutonio han sido liberadas al medio ambiente por las pruebas de bombas atómicas. Si bien esto puede parecer una gran cantidad, solo ha resultado en una dosis muy pequeña para la mayoría de los humanos en la tierra. En general, los efectos sobre la salud de los productos de fisión son mucho mayores que los efectos de los actínidos liberados por la detonación de una bomba nuclear. El plutonio del combustible de la bomba se convierte en un óxido de alta combustión que se eleva por el aire. Cae lentamente a la tierra como lluvia radiactiva global y no es soluble, y como resultado, es difícil que este plutonio se incorpore a un organismo si se ingiere. Gran parte de este plutonio se absorbe en los sedimentos de lagos, ríos y océanos. Sin embargo, alrededor del 66% del plutonio de la explosión de una bomba se forma por la captura de neutrones de uranio-238; este plutonio no es convertido por la bomba en un óxido de alto fuego ya que se forma más lentamente. Este plutonio formado es más soluble y más dañino como lluvia radiactiva.

Algo de plutonio puede depositarse cerca del punto de detonación. La trinitita vítrea formada por la bomba Trinity ha sido examinada para determinar qué actínidos y otros radioisótopos contenía. Un artículo de 2006 informa sobre los niveles de radioisótopos de vida prolongada en la trinitita. Eu y Eu se formaron principalmente por la activación neutrónica del europio en el suelo, y el nivel de radiactividad de estos isótopos es más alto donde la dosis de neutrones al suelo fue mayor. Parte del Co fue generado por la activación del cobalto en el suelo, pero parte también fue generado por la activación del cobalto en la torre de acero (100 pies) sobre la que se encontraba la bomba. Este Co de la torre se habría esparcido por el sitio reduciendo la diferencia en los niveles del suelo. ba yLos am fueron creados por la activación de neutrones de bario y plutonio dentro de la bomba. El bario estaba presente en forma de nitrato en los explosivos químicos utilizados, mientras que el plutonio era el combustible fisionable utilizado.

Como la relación Pu/ Pu solo cambió ligeramente durante la detonación de Trinity, se ha comentado que esta relación isotópica para la mayoría de las bombas atómicas (en Japón, la relación Pu/ Pu en el suelo normalmente está en el rango de 0,17 a 0,19) es muy diferente que de la bomba lanzada sobre Nagasaki.

Pruebas de seguridad de bombas

El plutonio también se ha liberado al medio ambiente en ensayos de seguridad.. En estos experimentos, las bombas nucleares han sido sujetas a accidentes simulados o detonadas con una iniciación anormal de sus explosivos químicos. Una implosión anormal dará como resultado una compresión del pozo de plutonio, que es menos uniforme y más pequeña que la compresión diseñada en el dispositivo. En estos experimentos en los que se produce muy poca o ninguna fisión nuclear, se ha esparcido plutonio metálico por los sitios de prueba. Si bien algunas de estas pruebas se realizaron bajo tierra, otras se realizaron al aire libre. La Agencia Internacional de Energía Atómica ha impreso un artículo sobre los radioisótopos que quedaron en una isla tras las pruebas de bombas nucleares francesas del siglo XX y una sección de este informe trata sobre la contaminación por plutonio resultante de dichas pruebas.

Se llevaron a cabo otros ensayos relacionados en Maralinga, Australia del Sur, donde se realizaron detonaciones de bombas normales y "ensayos de seguridad". Si bien la actividad de los productos de fisión se ha desintegrado casi por completo (a partir de 2006), el plutonio permanece activo.

Espacio

El plutonio también puede introducirse en el medio ambiente a través de la reentrada de satélites artificiales que contienen baterías atómicas. Ha habido varios incidentes de este tipo, siendo el más destacado la misión Apolo 13. El Paquete de Experimentos de la Superficie Lunar del Apolo transportado en el Módulo Lunar volvió a entrar en la atmósfera sobre el Pacífico Sur. Muchas baterías atómicas han sido del tipo generador termoeléctrico de radioisótopos (RTG). El plutonio-238 utilizado en RTG tiene una vida media de 88 años, a diferencia del plutonio-239 utilizado en armas y reactores nucleares, que tiene una vida media de 24.100 años.En abril de 1964, un SNAP-9A no pudo alcanzar la órbita y se desintegró, dispersando aproximadamente 1 kilogramo (2,2 libras) de plutonio-238 en todos los continentes. La mayor parte del plutonio cayó en el hemisferio sur. Se liberaron aproximadamente 6300GBq o 2100 Sv-hombre de radiación y condujo al desarrollo de la tecnología de energía solar fotovoltaica de la NASA.

Las reacciones en cadena no ocurren dentro de los RTG, por lo que una fusión nuclear es imposible. De hecho, algunos RTG están diseñados para que la fisión no ocurra en absoluto; más bien, se utilizan formas de desintegración radiactiva que no pueden desencadenar otras desintegraciones radiactivas. Como resultado, el combustible en un RTG se consume mucho más lentamente y se produce mucha menos energía. Los RTG siguen siendo una fuente potencial de contaminación radiactiva: si el contenedor que contiene el combustible tiene fugas, el material radiactivo contaminará el medio ambiente. La principal preocupación es que si ocurriera un accidente durante el lanzamiento o el paso posterior de una nave espacial cerca de la Tierra, podría liberarse material nocivo a la atmósfera. Sin embargo, este evento es extremadamente improbable con los diseños actuales de barriles RTG.

Para minimizar el riesgo de que se libere el material radiactivo, el combustible se almacena normalmente en unidades modulares individuales con su propio blindaje térmico. Están rodeados por una capa de metal de iridio y encerrados en bloques de grafito de alta resistencia. Estos dos materiales son resistentes a la corrosión y al calor. Rodeando los bloques de grafito hay una capa aerodinámica, diseñada para proteger todo el conjunto contra el calor que se genera al volver a entrar en la atmósfera terrestre. El combustible de plutonio también se almacena en forma de cerámica resistente al calor, lo que minimiza el riesgo de vaporización y aerosolización. La cerámica también es altamente insoluble.

El Departamento de Energía de EE. UU. ha realizado pruebas de agua de mar y ha determinado que la carcasa de grafito, que fue diseñada para resistir la reentrada, es estable y no debería producirse una liberación de plutonio. Investigaciones posteriores no han encontrado ningún aumento en la radiación de fondo natural en el área. El accidente del Apolo 13 representa un escenario extremo debido a las altas velocidades de reingreso de la nave que regresa del espacio cislunar. Este accidente ha servido para validar el diseño de RTG de última generación como altamente seguros.

Ciclo del combustible nuclear

Se ha liberado plutonio al medio ambiente en solución acuosa procedente de plantas de reprocesamiento nuclear y de enriquecimiento de uranio. La química de este plutonio es diferente de la de los óxidos metálicos formados por las detonaciones de bombas nucleares.

Un ejemplo de un sitio donde el plutonio ingresó al suelo es Rocky Flats, donde en el pasado reciente se utilizó XANES (espectroscopía de rayos X) para determinar la naturaleza química del plutonio en el suelo. El XANES se utilizó para determinar el estado de oxidación del plutonio, mientras que el EXAFS se utilizó para investigar la estructura del compuesto de plutonio presente en el suelo y el hormigón.

Chernóbil

Debido a que el óxido de plutonio es muy volátil, la mayor parte del plutonio del reactor no se liberó durante el incendio. Sin embargo, lo que se liberó se puede medir. VI Yoschenko et al. informó que los incendios de pastos y bosques pueden hacer que el cesio, el estroncio y el plutonio vuelvan a ser móviles en el aire.

Fukushima

La crisis en curso en este sitio incluye piscinas de combustible gastado en los pisos superiores, expuestas a la intemperie con productos complejos de MOX y plutonio. El grupo de trabajo del gobierno japonés ha solicitado presentaciones al Instituto Internacional de Investigación para el Desmantelamiento Nuclear con respecto a los problemas actuales de agua contaminada.

Crimen nuclear

Ha habido 18 incidentes de robo o pérdida de uranio altamente enriquecido (UME) y plutonio confirmados por el OIEA.

Existe un caso de un hombre alemán que intentó envenenar a su ex esposa con plutonio robado de WAK (Wiederaufbereitungsanlage Karlsruhe), una planta de reprocesamiento a pequeña escala donde trabajaba. No robó una gran cantidad de plutonio, solo trapos para limpiar superficies y una pequeña cantidad de desechos líquidos. El hombre fue enviado a prisión por su crimen. Al menos otras dos personas resultaron contaminadas por el plutonio. También se contaminaron dos pisos en Renania-Palatinado. Posteriormente se limpiaron con un coste de dos millones de euros.

Química ambiental

Visión general

El plutonio, como otros actínidos, forma fácilmente un núcleo de dióxido de plutonilo (PuO ₂). En el medio ambiente, este núcleo de plutonilo forma fácilmente complejos con carbonato y otros restos de oxígeno (OH, NO ₂, NO ₃ y SO ₄) para formar complejos cargados que pueden moverse fácilmente con poca afinidad por el suelo.

• PuO ₂ (CO ₃) ₁
• PuO ₂ (CO ₃) ₂
• PuO ₂ (CO ₃) ₃

El PuO ₂ formado a partir de la neutralización de soluciones de ácido nítrico altamente ácido tiende a formar PuO ₂ polimérico que es resistente a la formación de complejos. El plutonio también cambia fácilmente las valencias entre los estados +3, +4, +5 y +6. Es común que alguna fracción de plutonio en solución exista en todos estos estados en equilibrio.

Unión al suelo

Se sabe que el plutonio se une a las partículas del suelo con mucha fuerza (consulte más arriba un estudio espectroscópico de rayos X del plutonio en el suelo y el hormigón). Si bien el cesio tiene una química muy diferente a la de los actínidos, es bien sabido que tanto el cesio como muchos de los actínidos se unen fuertemente a los minerales del suelo. Por lo tanto, ha sido posible utilizar suelos marcados con Cs para estudiar la migración de Pu y Cs en los suelos. Se ha demostrado que los procesos de transporte coloidal controlan la migración de Cs (y controlarán la migración de Pu) en el suelo en la Planta Piloto de Aislamiento de Residuos según RD Whicker y SA Ibrahim. J. D. Chaplin et al.recientemente informaron avances en la técnica de gradientes difusivos en películas delgadas, que han proporcionado un método para medir el plutonio biodisponible lábil en suelos, así como en agua dulce y agua de mar.

Química microbiológica

Mary Neu (en Los Álamos, EE. UU.) ha realizado un trabajo que sugiere que las bacterias pueden acumular plutonio porque los sistemas de transporte de hierro que utilizan las bacterias también funcionan como sistemas de transporte de plutonio.

Biología

El plutonio ingerido o inyectado en humanos se transporta en el sistema de transporte de hierro (III) basado en transferrina y luego se almacena en el hígado en el almacén de hierro (ferritina), después de una exposición al plutonio, es importante inyectar rápidamente al sujeto con un quelante. agente tal como el complejo de calcio de DTPA. Este antídoto es útil para una sola exposición, como la que ocurriría si un trabajador de una guantera se cortara la mano con un objeto contaminado con plutonio. El complejo de calcio tiene una cinética de unión al metal más rápida que el complejo de zinc, pero si el complejo de calcio se usa durante mucho tiempo, tiende a eliminar minerales importantes de la persona. El complejo de zinc es menos capaz de causar estos efectos.

El plutonio que inhalan los humanos se aloja en los pulmones y se traslada lentamente a los ganglios linfáticos. Se ha demostrado que el plutonio inhalado provoca cáncer de pulmón en animales de experimentación.