El Plutonio

l 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 radioactivo 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).

Índice

1 Historia

1.1 Descubrimiento

1.2 Primeras investigaciones

1.3 Producción en el Proyecto Manhattan

1.4 Bombas atómicas Trinity y Fat Man

1.5 Uso y residuos en la Guerra Fría

1.6 Experimentación médica

2 Características

2.1 Propiedades físicas

2.2 Alótropos

2.3 Fisión nuclear

2.4 Isótopos y síntesis

2.5 Calor de desintegración y propiedades de la fisión

2.6 Compuestos y química

2.6.1 Estructura electrónica

2.7 Aleaciones

2.8 Existencia

3 Aplicaciones

3.1 Explosivos

3.2 Combustible nuclear de mezcla de óxidos

3.3 Energía y fuente de calor

4 Precauciones

4.1 Toxicidad

4.2 Potencial crítico

4.3 Inflamabilidad

5 Notas

6 Referencias

7 Bibliografía

8 Véase también

9 Enlaces externos

Historia

Descubrimiento

Glenn T. Seaborg y su equipo fueron los primeros en producir plutonio.

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 que documentaba el 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 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 Álamos17

El Reactor B de Hanford en construcción. El primer reactor productor de plutonio.

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

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