Plutonio
El plutonio es un elemento transuránico radiactivo con el símbolo químico Pu y el número atómico 94. Es un metal actínido con apariencia gris plateada que se oscurece cuando es expuesto al aire, formando una capa opaca cuando se oxida. El elemento normalmente exhibe seis estados alotrópicos y cuatro de oxidación. Reacciona con el carbono, los halógenos, nitrógeno y silicio. Cuando se expone al aire húmedo forma óxidos e hidruros que expanden hasta un 70% su volumen, que a su vez, se desprende en forma de polvo que puede inflamarse de forma espontánea. También es un elemento radiactivo y se puede acumular en los huesos. Estas propiedades hacen que manipular plutonio sea peligroso.
El plutonio es el elemento primordial más pesado en virtud a su isótopo más estable, el plutonio-244, con una semi vida aproximada de 80 millones de años es tiempo suficiente para que el elemento se encuentre en pequeñas cantidades en la naturaleza.[2] El plutonio es principalmente un subproducto de la fisión nuclear en los reactores, donde algunos de los neutrones liberados por el proceso de fisión convierten núcleos de uranio-238 en plutonio.[3]
Uno de los isótopos del plutonio utilizados es el plutonio-239, que tiene una semi vida de 24.100 años. El plutonio-239, junto con el plutonio-241 son elementos fisibles, esto quiere decir que el núcleo de sus átomos se puede dividir cuando es bombardeado con neutrones térmicos, liberando energía, radiación gamma y más neutrones. Esos neutrones pueden mantener una reacción nuclear en cadena, dando lugar a aplicaciones en armas y reactores nucleares.
El plutonio-238 tiene una semi vida de 88 años y emite partículas alfa. Es una fuente de calor en los generadores termoeléctricos de radioisótopos, que son utilizados para proporcionar energía a algunas sondas espaciales. El plutonio-240 tiene una tasa elevada de fisión espontánea, aumentando el flujo de neutrones de cualquier muestra en la que se encuentre. La presencia de plutonio-240 limita el uso de muestras para armas o combustible nuclear y determina su grado. Los isótopos del plutonio son caros y difíciles de separar, por esto suelen fabricarse en reactores especializados.
El plutonio fue sintetizado por primera vez en 1940 por un equipo dirigido por Glenn T. Seaborg y Edwin McMillan en el laboratorio de la Universidad de California, Berkeley bombardeando uranio-238 con deuterio. Posteriormente se encontraron trazas de plutonio en la naturaleza. La producción de 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. La primera prueba nuclear ("Trinity", en julio de 1945), y la segunda bomba atómica usada para destruir una ciudad ("Fat Man" en Nagasaki, Japón en agosto de 1945) tenían núcleos de plutonio-239. Durante y después de la guerra, se realizaron experimentos con humanos sin consentimiento informado que estudiaban la radiación del plutonio y tuvieron lugar varios accidentes críticos, algunos de ellos letales. La eliminación de los residuos de plutonio de las centrales nucleares y el desmantelamiento de las armas nucleares construidas durante la Guerra Fría son preocupaciones sobre la proliferación nuclear y el medio ambiente. Otras fuentes de plutonio en el medio ambiente son consecuencia de las numerosas pruebas nucleares en la superficie (ahora prohibidas).
Historia
Descubrimiento
Enrico Fermi y un equipo de científicos de la Universidad de Roma informaron que habían descubierto el elemento 94 en 1934.[4] Fermi llamo al nuevo elemento hesperio y lo mencionó en su discurso del Nobel en 1938.[5] La muestra era en realidad una mezcla de bario, kriptón y otros elementos, pero esto no se conocía en ese momento porque la fisión nuclear todavía no se había descubierto.[6]
El plutonio (específicamente, plutonio-238) fue producido y aislado por primera vez el 14 de diciembre de 1940 y fue identificado químicamente el 23 de febrero de 1941 por el Dr. Glenn T. Seaborg, Edwin M. McMillan, J. W. Kennedy y A. C. Wahl bombardeando uranio con deuterio en el ciclotrón de 150 cm de diámetro de la Universidad de California, Berkeley.[7][8] En el experimento de 1940, se produjo neptunio-238 en el bombardeo pero se desintegró por emisión beta con una semi vida corta de unos dos días, que indicaba la formación del elemento 94.[9]
Un documento científico del descubrimiento fue preparado por el equipo y enviado a la revista Physical Review en marzo de 1941.[9] El documento fue retirado antes de la publicación debido a que descubrieron que un isótopo de este nuevo elemento (plutonio-239) podría experimentar la fisión nuclear de forma que podría ser útil para la bomba atómica. La publicación fue retrasada hasta un año después del fin de la Segunda Guerra Mundial debido a las preocupaciones sobre la seguridad.[10]
Edwin McMillan había nombrado recientemente el primer elemento transuránico debido al planeta Neptuno y sugirió que el elemento 94, siendo el siguiente elemento de la serie, fuera nombrado como el que en ese momento era el siguiente planeta, Plutón.[11][nota 1] Seaborg originalmente consideró el nombre "plutio", pero después pensó que no sonaba tan bien como "plutonio".[12] Él eligió las letras "Pu" como una broma, que fue aprobada sin previo aviso en la tabla periódica.[nota 2] Otros nombres alternativos considerados por Seaborg y otros fueron "ultimio" o "extremio" debido a la creencia errónea de que habían encontrado el último elemento posible en la tabla periódica.[13]
Primeras investigaciones
Después de unos pocos meses de estudio inicial se encontró que la química básica del plutonio era parecida a la del uranio.[9] Las primeras investigaciones continuaron en el Laboratorio Metalúrgico de la Universidad de Chicago. El 18 de agosto de 1942, una cantidad muy pequeña fue aislada y medida por primera vez. Fueron producidos unos 50 mg de plutonio-239 junto con uranio y productos de la fisión y solo se aisló 1 mg aproximadamente.[14] Este procedimiento permitió a los químicos determinar la masa atómica del nuevo elemento.[15][nota 3]
En noviembre de 1943 algunos trifluoruros de plutonio fueron reducidos para crear la primera muestra de plutonio metálico: unos pocos microgramos de perlas metálicas.[14] Se produjo suficiente plutonio para que fuera el primer elemento sintético visible a simple vista.[16]
Las propiedades nucleares del plutonio-239 también fueron estudiadas; los investigadores encontraron que, cuando un átomo es golpeado por un neutrón, se rompe (fisión), liberando más neutrones y energía. Esos neutrones pueden golpear otros átomos de plutonio-239 y así sucesivamente en una rápida reacción nuclear en cadena. Esto puede originar una explosión suficientemente grande como para destruir una ciudad si se concentra suficiente plutonio-239 para alcanzar la masa crítica.[9]
Producción en el Proyecto Manhattan
Durante la Segunda Guerra Mundial, el Gobierno federal de los Estados Unidos creó el Proyecto Manhattan, que fue el encargado de desarrollar la bomba atómica. Los tres principales sitios de investigación y producción del proyecto fueron: la instalación de producción de plutonio en lo que ahora es Hanford Site, 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 Álamos[17]
El primer reactor de producción que producía plutonio-239 fue el reactor de Grafito X-10. Empezó a funcionar en 1943 y fue construido en una instalación en Oak Ridge que después se convirtió en el Laboratorio Nacional Oak Ridge.[9][nota 4]
El 5 de abril de 1944, Emilio Segrè, en Los Alamos, recibió la primera muestra de plutonio producido por reactor de Oak Ridge.[18]
Bombas atómicas Trinity y Fat Man
La primera prueba de una bomba atómica, denominada Trinity y detonada el 16 de julio de 1945 cerca de Alamogordo, Nuevo Mexico, contenía plutonio como su material de fisión.[14] En el diseño de la implosión del dispositivo se usó lentes explosivos convencionales para comprimir una esfera de plutonio en una masa supercrítica, que era bombardeado simultáneamente con neutrones desde el «Urchin»,[nota 5] un iniciador hecho de polonio y berilio.[9] En conjunto, estos aseguraron una reacción en cadena y una explosión. El arma en su totalidad pesaba más de 4 toneladas, a pesar de que sólo habían sido utilizados 6,2 kilogramos de plutonio en su núcleo.[19] Aproximadamente el 20% del plutonio utilizado en el arma Trinity se sometió a fisión, lo que resultó en una explosión con una energía equivalente a aproximadamente 20 000 toneladas de TNT.[20]
Un diseño idéntico fue utilizado en la bomba atómica «Fat Man», lanzada sobre Nagasaki, Japón, el 9 de agosto de 1945, matando a 70 000 personas e hiriendo a otras 100 000.[9] La bomba «Little Boy» lanzada sobre Hiroshima tres días antes, usó uranio-235 y no plutonio. Fue hecha pública la existencia del plutonio solamente luego del anuncio de las primeras bombas atómicas.
Uso y residuos en la Guerra Fría
Durante la guerra fría fueron construidas grandes reservas de plutonio para armas nucleares, tanto por la Unión Soviética como por Estados Unidos. Los reactores estadounidenses de Hanford y Savannah River Site en Carolina del Sur producían 103 toneladas,[21] y se estimaba que se producían 170 toneladas de plutonio de grado militar en la Unión Soviética.[22] Cada año aún son producidas alrededor de 20 toneladas del elemento como un subproducto de la industria de energía nuclear.[23] Aproximadamente 1000 toneladas de plutonio pueden estar almacenadas junto con más de 200 toneladas de plutonio extraído desde armas nucleares.[9] El Instituto Internacional de Estudios para la Paz de Estocolmo estimaba que las reservas mundiales de plutonio en 2007 eran de 500 toneladas, divididas en partes iguales entre reservas civiles y armamentísticas.[24]
Experimentación médica
Durante y después del final de la Segunda Guerra Mundial, los científicos que trabajaban en el Proyecto Manhattan y en otros proyectos de investigación de armas nucleares, llevaron a cabo estudios de los efectos del plutonio en animales de laboratorio y en seres humanos.[25] Los estudios en animales revelaron que unos pocos miligramos de plutonio por kilogramo de tejido representan una dosis letal.[26]
En el caso de los seres humanos, dichos experimentos implicaban inyectar soluciones que contenían (por lo general) cinco microgramos de plutonio en pacientes hospitalarios que se creía que sufrían de una enfermedad terminal, o que tuvieran una esperanza de vida menor a diez años ya sea debido a la avanzada edad o por la condición de una enfermedad crónica.[25] Esta cantidad fue reducida a un microgramo en julio de 1945 después de que en los estudios en animales se constatara que la forma en la que el plutonio se distribuía en los huesos era más peligrosa que la del radio.[26] Muchos de estos experimentos dieron como resultado fuertes mutaciones. La mayoría de los sujetos de prueba —de acuerdo a lo dicho por Eileen Welsome— eran pobres, impotentes y enfermos.[27]
Características
Propiedades físicas
El plutonio tiene peso molecular de 244 correspondiente al isótopo más estable. Su punto de fusión es de 640 °C, su punto de ebullición es de 3228 °C. Su densidad es de 19.84 g/ml (a 20 °C). El primer potencial de ionización es de 5.8 eV y su electronegatividad en la escala de Pauling es de 1.30.
Alótropos
Fisión nuclear
Isótopos y síntesis
Calor de desintegración y propiedades de la fisión
Compuestos y química
Estructura electrónica
La estructura electrónica del plutonio es [Rn]5f 6 6d10 7s2 presentando los números de oxidación de +3, +4, +5, y +6.
Aleaciones
Existencias
Aplicaciones
Explosivos
El isótopo plutonio-239 es un componente clave en las armas nucleares debido a su fácil fisión y su disponibilidad. Encapsulando el pozo de plutonio de la bomba en un pisón (una capa opcional de material denso) disminuye la cantidad de plutonio necesaria para alcanzar la masa crítica que refleja los neutrones que escapan de nuevo en el 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 cm (4 in).[28] Esta masa crítica es aproximadamente un tercio de la del uranio-235.[11]
La bombas de plutonio tipo "Fat Man" producidas durante el Proyecto Manhattan usaban explosivos para comprimir el plutonio y obtener densidades significativamente más altas de lo normal, combinado con una fuente central de neutrones para iniciar la reacción y aumentar su eficiencia. De esta forma solo se necesitaban 6,2 kg de plutonio para un rendimiento equivalente a una explosión de 20 kilotones de TNT (Véase también diseño de armas nucleares) Hipotéticamente, tan solo son necesarios 4 kg de plutonio, tal vez menos, para hacer una bomba atómica usando diseños de ensamblado muy sofisticados.[29]
Combustible nuclear de mezcla de óxidos
Energía y fuente de calor
Precauciones
Toxicidad
Los isótopos y compuestos del plutonio son radiactivos y se acumulan en la médula ósea. La contaminación por óxido de plutonio se ha producido tras incidentes radiactivos y desastres nucleares, incluyendo accidentes nucleares militares donde armas nucleares han ardido.[30] Estudios de los efectos de estas pequeñas fugas, así como el extensivo envenenamiento por radiación y posteriores muertes después de los bombardeos atómicos sobre Hiroshima y Nagasaki, han aportado información considerable con respecto a los peligros, síntomas y pronósticos del envenenamiento por radiación, que en el caso de los japoneses sobrevivientes (Hibakusha), se demostró que no estaban relacionados en gran medida con la exposición directa al plutonio.[31]
Durante el decaimiento del plutonio, son liberados tres tipos de radiación, alfa, beta y gamma. La radiación alfa solo puede recorrer cortas distancias y no puede viajar a través de la capa exterior muerta de la piel humana. La radiación beta puede penetrar la piel humana pero no puede atravesar el cuerpo. La radiación gamma puede ir a través de todo el cuerpo.[32] Los tres tipos de radiación son ionizantes. Una exposición aguda o de larga duración conlleva serios problemas de salud, incluyendo síndrome de irradiación aguda, daño genético, cáncer y hasta la muerte. El daño aumenta con la cantidad de exposición.
Potencial crítico
Es necesario evitar que el plutonio se acumule en cantidades cercanas a su masa crítica, debido a que la masa crítica del plutonio es de un tercio de la del uranio-235. La masa crítica del plutonio emite cantidades letales de neutrones y rayos gamma. El plutonio en estado líquido presenta una mayor probabilidad de formar una masa crítica que en estado sólido debido a la moderación que produce el hidrógeno en el agua.
Inflamabilidad
El plutonio metálico se inflama fácilmente, especialmente si el material está dividido en partes finas. En un ambiente húmedo, el plutonio forma hidruros piroforicos en su superficie que pueden incendiarse a temperatura ambiente. El plutonio expande hasta un 70% su volumen cuando se oxida y puede romper el contenedor.[33] La radiactividad del material en combustión es un peligro adicional. La arena de óxido de magnesio es probablemente el material más efectivo para extinguir un fuego de plutonio. Esta enfría el material combustible, actuando como un disipador, y también bloquea el oxígeno. Para manipular o almacenar el plutonio en cualquier forma es necesario tomar precauciones especiales; generalmente se requiere una atmósfera seca de gas inerte.[33][nota 6]
Notas
- ↑ Esta no era la primera vez que alguien sugería que un elemento fuera llamado "plutonio". Una década después de que el Bario fuera descubierto, un profesor de la Universidad de Cambridge sugirió que fuera renombrado como "plutonio" ya que el elemento no era pesado (como sugería la raíz de origen griego "barys", por la que fue nombrado). El pensó que, ya que el Bario fue producido por la técnica relativamente nueva de la Electrólisis, su nombre debería estar relacionado con el fuego. Por lo tanto sugirió que fuera nombrado "plutonio", por el dios Romano del inframundo, Plutón.(Heiserman, 1992)
- ↑ Tal como lo expresa un artículo, refiriéndose a información que Seaborg dió en una charla: "La opción obvia para el símbolo hubiera sido Pl, pero de manera chistosa, Seaborg sugirió Pu, como las palabras que un niño exclamaría, 'Pee-Yoo' al sentir un olor feo. Seaborg pensó que recibiría grandes críticas por esa sugerencia, pero el comité de nombres aceptó el símbolo sin decir una palabra."
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- ↑ El salon 405 del Laboratorio George Herbert Jones, donde se aisló por primera vez plutonio, fue nombrado como sitio de interés histórico nacional en mayo de 1967.
- ↑ Durante el Proyecto Manhattan, a menudo se hizo referencia al plutonio simplemente como "49": el número 4 era debido a el último dígito en 94 (número atómico del plutonio), y el 9 era por el último dígito en plutonio-239, el isótopo fisionable del plutonio y apto para armas usado en las bombas nucleares.
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- ↑ Urchin fue el nombre clave para el iniciador interno de neutrones, un dispositivo generador de neutrones que disparaba la detonación nuclear de las primeras bombas atómicas de plutonio, como la del proyecto Trinity (The Gadget) y Fat Man, una vez que la masa crítica haya sido montada por la fuerza de explosivos convencionales.
- ↑ Hubo un gran incendio iniciado a causa del plutonio en la planta nuclear Rocky Flats cerca de Boulder (Colorado) en 1969. Albright, David; O'Neill, Kevin (1999). «The Lessons of Nuclear Secrecy at Rocky Flats». ISIS Issue Brief. Institute for Science and International Security (ISIS). Archivado desde el original el 8 de julio de 2008. Consultado el 7 de diciembre de 2008.
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Véase también
- Ciclo del combustible nuclear
- Energía nuclear
- Física nuclear
- Ingeniería nuclear
- Efectos biológicos de la radiación
Enlaces externos
Wikimedia Commons alberga una galería multimedia sobre Plutonio.- Sutcliffe, W.G.; et al. (1995). «A Perspective on the Dangers of Plutonium». Lawrence Livermore National Laboratory. Archivado desde el original el 29 de septiembre de 2006.
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