Plutoniu: Diferență între versiuni

Plutoniul a fost produs în cantități semnificative tehnologic în timpul [[Proiectul Manhattan|Proiectului Manhattan]]. Bombele ''[[Fat Man]]'' utilizate în cadrul testului nuclear ''[[Testul Trinity|Trinity]]'' și la bombardarea orașului japonez Nagasaki (în august 1945) au utilizat plutoniu drept material exploziv. [[Test nuclear|Testele nucleare]] efectuate în anii 1950-1960 au utilizat la scară extinsă plutoniu. Plutoniul produs în scopuri militare și cel format în [[Reactor nuclear|reactori nucleari]] prin [[Activare cu neutroni|procese de activare]] ridică în prezent probleme majore de [[proliferare nucleară]]. Puterea specifică rezultată ca urmare a evenimentelor de dezintegrare (0.,57 W/g) a ²³⁸Pu este suficientă pentru utilizarea sa ca [[stimulator cardiac]], surse de putere pentru generatoarele termoelectrice, [[Baliză|balize]] de navigare, vehicule spațiale etc.<ref name=":10" />

În 1934,<ref>{{Citat web|url=https://www.nndc.bnl.gov/content/evaluation.html|accessdate=13/11/2018|autor=N.E. Holden|titlu=A short history of nuclear data and its evaluation, 51st Meeting of the USDOE Cross Section Evaluation Working Group at BNL November 5-7, 2001}}</ref> [[Enrico Fermi]] a raportat descoperirea elementului ''Hesperium'' (Z=94), incluzând aceste rezultate în prelegerea susținută în fața Comitetului Nobel în 1938.<ref>{{Citat web|url=https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1938/fermi/lecture/|accessdate=23/04/2019|autor=Enrico Fermi|titlu=Artificial radioactivity produced by neutron bombardment: Nobel Lecture}}</ref> De fapt, probele analizate erau amestecuri conținând [[bariu]], [[kripton]] și alte [[Produs de fisiune|fragmente de fisiune]],<ref>L. Darden, Lindley. [http://faculty.philosophy.umd.edu/LDarden/sciinq/ The Nature of Scientific Inquiry]. College Park: Department of Philosophy, University of Maryland. Retrieved January 3, ianuarie 2008</ref> reprezentând o interpretare eronată a fenomenului de [[fisiune nucleară]] evidențiat ulterior (în 1938) de către [[Otto Hahn]] și [[Fritz Strassmann]].

Imediat apoi,<ref>{{Citat web|url=https://journals.aps.org/pr/pdf/10.1103/PhysRev.70.555|accessdate=|autor=J. W. Kennedy, G. T. Seaborg, E. Segrè, and A. C. Wahl|titlu=Properties of 94(239), Phys. Rev. 70 (1946) 555–556}}</ref> s-a descoperit că ²³⁹Pu fisionezăfisionează sub [[Neutron|neutroni]] lenți, stabilindu-se că ²³⁹Pu poate fi utilizat drept sursă de energie de origine nucleară.

Elementul a fost denumit Plutoniu în martie 1942,<ref name=":0" /> numele elementului provenind de la cel al planetoidului [[Pluto]], în analogie cu elementele precedente în sistemul periodic, [[Uraniu|uraniul]] și [[Neptuniu|neptuniul]]. Seaborg a propus inițalinițial numele ''Plutium''. Alte denumiri considerate pentru acest element au fost ''Ultimium'' și ''Extemium'', nume provenind din convingerea (greșită) că acesta ar fi ultimul element posibil a exista în sistemul periodic al elementelor.<ref>{{Citat web|url=https://www.pbs.org/wgbh/pages/frontline/shows/reaction/interviews/seaborg.html|accessdate=18/02/2018|autor=Public Broadcasting Service, 1999|titlu=Frontline interview with Seaborg}}</ref> Interesant este faptul că [[Simbol chimic|simbolul elementului]] (Pu) nu respectă normele în domeniu (conform normelor, acesta ar fi trebuit să fie Pl).<ref>Alegerea evidentă a simbolului ar fi fost Pl, dar Seaborg a sugerat Pu, așa cum un copil ar exclama: „''Pee-yoo!''” când miroase ceva rău. Seaborg a crezut că va fi dojenit pentru această sugestie, dar comitetul de numire a acceptat simbolul fără probleme.</ref>

Acest comportament complicat face ca prelucrarea plutoniului metalic să fie foarte dificilă, cu schimbări greu de controlat între fazele de temperatură joasă. Faza delta (''δ-phase'') există în metalul pur doar în intervalul 310–452 °C, dar poate fi stabilizată la temperatura camerei prin [[Aliaj|aliere]] cu mici cantități de [[galiu]], [[aluminiu]] sau [[ceriu]]. Aceasta conduce la îmbunătățirea proprietăților prelucrative pentru aplicații militare. Faza delta are un caracter metalic mai pronunțat, fiind aproximativ la fel de [[Rezistența materialelor|rezistentă]] și maleabilă precum aluminiul. Plutoniul este un [[Actinide|element actinid]] [[transuranian]], în stare metalică având culoarea alb-argintie (asemănătoare [[Nichel|nichelului]]). În prezența aerului umed se acoperă rapid cu un strat de oxohidroxid de culoare gri, uneori cu tentă verzuie.<ref name=":14" /><ref>''Actinide Research Quarterly''. Los Alamos (NM): [[Laboratorul Național Los Alamos|Los Alamos National Laboratory]] (semestrul al treilea, 2008), 09/02/2010: „În timp ce dioxidul de plutoniu este, în mod normal, de culoarea uleiului de măsline, probele pot avea diferite culori. Se consideră, în general, că aceasta (culoarea) este o caracteristică a purității chimice, a [[Stoechiometrie|stoichiometriei]], a dimensiunii particulelor și a metodei de preparare, deși culoarea care rezultă dintr-o metodă dată de preparare nu este întotdeauna reproductibilă.”</ref> La temperatura camerei plutoniul apare în forma sa α (alfa). Aceasta este forma structurală cea mai comună a elementului, este aproximativ la fel de dură și fragilă precum fonta atunci când nu este aliată cu alte metale. Spre deosebire de cele mai multe metale, plutoniul nu este un bun conducător de căldură sau electricitate. Are un punct de topire scăzut (640 °C) și un punct de fierbere neobișnuit de ridicat (3228 °C).<ref name=":14" />

Din cauza [[Dezintegrare alfa|dezintegrării alfa]], piesele metalice de plutoniu se încălzesc; evident, cu cât timpul de viață a izotopului este mai redus, cu atât efectul termic asociat este mai puternic. O masă de 5 kg de ²³⁹Pu conține aproximativ 12,5 × 10²⁴ atomi. Pentru un timp de înjumătățire de 24100 de ani, aproximativ 11,5 × 10¹² din atomii săi se descompun în fiecare secundă prin emiterea unei particule alfa de 5,157 MeV. Aceasta corespunde unueiunei puteri de 9,68 [[watt]]. Căldura produsă de decelerarea acestor particule alfa se simte la atingerea probei.<ref name=":16">Heiserman, David L. (1992). "Element 94: Plutonium". ''Exploring Chemical Elements and their Compounds''. New York (NY): TAB Books. pp. 337–340.</ref><ref name=":9" />

Tot din cauza autoiradieriautoiradierii, eșantioanele de plutoniu [[Solid amorf|amorfizează]] (parțial sau total) în timp,<ref name=":6">{{Citat web|url=https://fas.org/sgp/othergov/doe/lanl/pubs/00818035.pdf|accessdate=13/11/2018|autor=S.S. Hecker|titlu=Plutonium and its alloys: from atoms to microstructure, Los Alamos Science, 26 (2000) 290-335}}</ref> într-un proces asemănător celui de [[metamictizare]] a [[Mineral|mineralelor]]. [[Structură cristalină|Structura cristalină]] poate fi recuperată în urma tratamentelor termice.<ref name=":6" />

Fișier:Monoclinic-baseBase-centered monoclinic.svg|[[Sistem cristalin monoclinic|Monoclinic]] cu baze centrate (β)

Plutoniul este un metal foarte [[Reactivitate chimică|reactiv]] în contact cu [[oxigen]]ul (este [[Piroforicitate|piroforic]] la 500°C)<ref name=":14" /> sau cu aerul umed. Din cauza autoiradierii, suferă un proces de „îmbătrânire” (similar cu [[Metamictizare|metamictizarea]] [[Mineral|mineralelor]]). Metalul se dizolvă ușor în [[acid clorhidric]] sau [[Acid percloric|percloric]]. Reacționează cu [[Bor (element)|borul]], [[carbon]]ul, [[halogen]]ii, [[azot]]ul, [[Fosfor|fosforul]], [[siliciu]]l, [[Oxigen|oxigenul]], [[Hidrogen|hidrogenul]] etc.<ref name=":0" /> Creuzetele utilizate la reducerea plutoniului trebuiesctrebuie contruiteconstruite din materiale care să reziste la caracterulcaracterului puternic reducător al acestuia. Metale [[Material refractar|refractare]] precum [[tantal]] sau [[wolfram]], precum și oxizii, borurile, carburile, nitrurile stabile ale acestora, îndeplinesc acesta calitate. De asemenea, reacția în arc electric poate fi utilizată drept metodă alternativă pentru producerea a mici cantitatățicantități de plutoniu metalic.<ref name=":0" />

* Plutoniu-uraniu (15–30% Pu) poate fi utilizat pentru reactori reproducători (care produc mai mult [[Izotop fisil|material fisil]] decât consumă). Este piroforic și susceptibil de coroziune aproape de punctul de autoaprindere, trecând în formă pulverulentă după expunere la aer; din aceste cauze, este necesară alierea cu alte componente. Aluminiul, carbonul sau cuprul nu îmbunătățesc rata de trecere în formă pulverulentă; aliajele ce conțin zirconiu și fier prezintă rezistență sporită la coroziune, dar trec în formă de pulbere după citevacâteva luni de la expunerea la aer. Adăugarea de titan și/sau zirconiu ridică semnificativ punctul de topire al aliajului.<ref name=":15">A. E. Kay, H. B. Waldron (1965). [https://books.google.ro/books?id=8r8NAAAAQAAJ&pg=PA456&redir_esc=y&hl=ro ''Plutonium 1965'']: Proceedings of the Third International Conference on Plutonium, London, 1965. Chapman & Hall, 1967.</ref>

* Thoriu-uraniu-plutoniu a fost investigat drept combuustibilcombustibil pentru reactori reproducători.<ref name=":15" />

Culorile soluțiilor de plutoniu depind atât de starea de oxidare a acestuia, cât și de natura aciduluianionului anionicacid.<ref>G. Matlack, (2002). ''A Plutonium Primer: An Introduction to Plutonium Chemistry and its Radioactivity''. Los Alamos National Laboratory. LA-UR-02-6594</ref> Acesta din urmă influențeayăinfluențează gradul de complexare (adică modul în care atomii donori se leagă de atomul central) al speciei de plutoniu. În plus față de stările de oxidare amintite, starea de oxidare formală +2 este cunoscută pentru compusul de corrdinațiecoordinație [K(2.,2.,2-cryptand)] [Pu^IICp″₃], Cp″ = C₅H₃(SiMe₃)₂.<ref>C.J. Windorff, G.P. Chen, J.N. Cross, W.J. Evans, F. Furche, A.J. Gaunt, M.T. Janicke, S.A: Kozimor, B.L. Scott, „Identification of the Formal +2 Oxidation State of Plutonium: Synthesis and Characterization of {Pu^II[C₅H₃(SiMe₃)₂]₃}−”. ''J. Am. Chem. Soc''. '''139''' (2017): 3970–3973</ref>

Cel mai răspândit izotop este ²³⁹Pu, care se dezintegrează alfa (t_1/2 de circa 24000 de ani, produs de dezintegrare ²³⁵U, E_α=5,2 MeV). ²³⁹Pu este un [[izotop fisil]] (fisionabil sub neutroni termici), ceea ce face ca utilizarea acestuia să fie strict controlată, dimdin motive de [[proliferare nucleară]].<ref name=":3" />

Izotopul ²⁴¹Pu este un emițător beta (timp de înjumătățire de 14,4 ani, produs de dezintegrare ²⁴¹Am, E_β=0,02 MeV). ²⁴¹Pu este un este un [[izotop fisil]], contribuind la randamentul total de fisiune. Totuși, transmutația sa relativ rapidă în ²⁴¹Am, face ca prezența sa să fie nedorită în plutoniul militar sau pentru uz sub formă de combustibil nuclear de tip MOX.<ref name=":3" />

Sistemul periodic al elementelor indică izotopul cosmogenic ²⁴⁴Pu ca fiind cel mai stabil [[izotop]] al plutoniului (t_1/2 de circa 80,8 milioane de ani, produs de dezintegrare ²⁴⁰U).<ref name=":3" />

Este considerat a fi un [[Element sintetic|element chimic sintetic]], chiar dacă urme de ²³⁹Pu se găseau în natură în [[Zăcământ|zăcămintele]] [[Minereu uranifer|bogate în uraniu]] și înainte de 1945.<ref>{{Citat web|url=https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ja01184a083|accessdate=15/11/2018|autor=G.T. Seaborg, M.L. Perlman|titlu=Search for elements 94 and 93 in Nature. Presence of 94(239) in pitchblende, J. Am. Chem. Soc. 70 (1948) 1571–1573}}</ref> Acest izotop este produs ca urmare a proceselor de [[Activare cu neutroni|activare neutronică]] a ²³⁸U cu [[Neutron|neutroni]] emiși în urma [[Fisiune spontană|fisiunii spontane]] a altor nuclee de ²³⁸U.<ref name=":3" /> Prezența sa a fost semnalată în zona [[Reactor natural de fisiune nucleară|reactorilor naturali de fisiune]] de la Oklo. Raportul ²³⁹Pu/U-nat în [[Minereu uranifer|minerelulminereul uranifer]] de la Cigar Lake variază între 2,4×10⁻¹² și 44×10⁻¹².<ref>D. Curtis, J. Fabryka-Martin, D. Paul, J. Cramer, (1999). "Nature's uncommon elements: plutonium and technetium". ''Geochimica et Cosmochimica Acta''. '''63'''(2): 275–285.</ref> Cantități și mai reduse de ²³⁸Pu se pot forma ca urmare a unei dezintegrări beta duble a nucleelor de ²³⁸U.<ref>I. Peterson, „Uranium displays rare type of radioactivity”. ''Science News''. Wiley-Blackwell. '''140''' (23): 373.</ref>

De asemenea, ²⁴⁴Pu (cu [[Perioadă de înjumătățire|timp de înjumătățire]] de 80,8 milioane de ani) este un radioizotop primordial<ref>{{Citat web|url=http://pages.jh.edu/~dsverje1/Hazen.et.al(2009).pdf|accessdate=13/11/2018|autor=R.M. Hazen, R.C. Ewing, D.S. Sverjensky|titlu=Evolution of uranium and thorium minerals, Am. Mineral. 94 (2009) 1293-1311}}</ref> și a jucat probabil un oarecare rol în formarea mineralelor în primul miliard de ani de existență a [[Pământ|Pământului]]; evidențe ale fisiunii spontane ale acestui radioizotop au putut fi găsite în meteoriți.<ref>I.D. Hutcheon, B.P. Price, „Plutonium-244 Fission Tracks: Evidence in a Lunar Rock 3.95 Billion Years Old”. ''Science,'' '''176''' (4037): 909–911. </ref> Prezența anterioară a ²⁴⁴Pu în [[Sistem Solar|Sistemul Solar]] a fost confirmată în baza excesului actual de produși ai [[Serie de dezintegrare|seriei de dezintegrare]] 4n, fie ²³²Th (din dezintegrarea alfa), fie izotopi ai [[Xenon|xenonului]] (din fisiune spontană). Din punct de vedere chimic, aceștia din urmă sunt mai ușor de pus în evidență comparativ cu raportul ²⁴⁴Pu/²³²Th (cele două actinide prezintă [[Proprietate chimică|proprietăți chimice]] asemănătoare, astfel că excesul de thoriu nu conduce la concluzia evidentă că acesta ar rezulta ca fiică a plutoniului).<ref>J. Kunz, T. Staudacher, C.J. Allègre, „Plutonium-Fission Xenon Found in Earth's Mantle”, ''Science''. '''280''' (5365): 877–880</ref> ²⁴⁴Pu are cel mai mare timp de înjumătățire dintre toți izotopii [[Element transuranian|elementelor transuraniene]], fiind produs doar în urma proceselor-''r'' în [[Supernovă|supernove]] și în coliziunea [[Stea neutronică|stelelor neutronice]]; atunci când sunt ejectate nuclee de mare viteză în urma unor astfel de procese – nuclee care ajung pe Pământ – dintre nucleele elementelor transuraniene doar ²⁴⁴Pu mai poate fi detectat, mulțumită timpului său de înjumătățire îndelungat. Din acest motiv, urme de ²⁴⁴Pu de origine interstelară pot fi găsite pe fundul oceanelor. Cum ²⁴⁰Pu apare ca [[produs de dezintegrare]] al ²⁴⁴Pu, acesta trebuie să fie prezent la rândul său în echilibru secular cu părintele său, chiar dacă în cantități mult mai reduse.<ref>A. Wallner, T. Faestermann, J. Feige, C. Feldstein, K. Knie, G. Korschinek, W Kutschera, A. Ofan, M. Paul, F. Quinto, G. Rugel, P. Steiner, P. (March 30, martie 2014). „Abundance of live ²⁴⁴Pu in deep-sea reservoirs on Earth points to rarity of actinide nucleosynthesis”. ''Nature Communications''. '''6''' (2014) </ref>

[[Fișier:Fat Man West Point Museum.JPG|thumb|Învelișul unei bombe atomice cu plutoniu Mark III, având aceeași configurație și aceleșiaceleași dimensiuni ca și [[Fat Man]]]]

²³⁹Pu a fost obținut în scopuri militare pentru prima oară prin bombardarea neutronică a ²³⁸U în reactorul [[Moderator de neutroni|moderat]] cu [[grafit]] „X-10” (Oak Ridge), care a intrat în regim critic pe 4 noiembrie 1943 și a produs pentru prima oară plutoniu la începutul anului următor. În noiembrie 1943, o primă probă de câteva micrograremicrograme de plutoniu metalic a fost produsă prin reducerea trifluorurii de plutoniu.<ref name=":12">W.N. Miner, F.W. Schonfeld, ''Plutonium''. In C.A. Hampel. ''The Encyclopedia of the Chemical Elements''. New York (NY): Reinhold Book Corporation (1968) 540–546</ref> Astfel, plutoniul a devenit primul [[element sintetic]] vizibil cu ochiul liber.<ref name=":12" />

Dintre compușii în stare solidă cei mai cunoscuți sunt:<ref name=":0" /><ref>S. Cotton, ''Lanthanide and actinide chemistry'', 2006, John Wiley & Sons, Ltd.</ref><ref>{{Citat web|url=https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.inorgchem.9b00679|accessdate=29/06/2019|autor=J.-F. Vigier, K. Popa, L. Martel, D. Manara, O. Dieste Blanco, D. Freis, R.J.M. Konings,|titlu=Plutonium and americium aluminate perovskites, Inorg. Chem. 58 (2019) accepted9118-9126}}</ref>

**Pu(VII): Li₅PuO₅₆, Na₅PuO₆.

[[Fișier:Multi-Mission Radioisotope Thermoelectric Generator for Curiosity.jpg|thumb|right|GeneratoarGenerator termoelectric radioizotopic pentru misiuni multiple utilizat pentru [[Mars Science Laboratory|roverul Curiosity]]]]

[[Fișier:Putting the Plutonium 238 fuel into the SNAP 27.jpg|thumb|right|Astronautul [[Alan Bean|Alan L. Bean]] ([[Apollo 12]]) tranferândtransferând combustibilul de ²³⁸Pu de pe [[Modulul lunar Apollo|modulul lunar]]]]

Puterea specifică rezultată ca urmare a evenimentelor de dezintegrare (0.,57 W/g) este suficientă pentru utilizarea sa ca [[stimulator cardiac]], surse de putere pentru generatoarele termoelectrice, [[Baliză|balize]] de navigare etc. ²³⁸Pu a fost utilizat ca sursă de putere pentru circa 30 de vehicule spațiale ale NASA. De exemplu, sonda spațială [[Cassini-Huygens]] are trei generatori cu 33 kg ²³⁸PuO₂, care produc o 870 W.<ref name=":3" /> În misiunile recente se utilizează generatoarele termoelectrice radioizotopice pentru misiuni multiple (eng. „Multi-Mission Radioisotope Thermoelectric Generators”, MMRTG).<ref name=":10" />

Doar 0,04% din plutoniul ingerat este absorbit de către organismul uman. Odată încorporat însă, este excretat foarte greu, cu un timp biologic de înjumătățire de circa 200 de ani; compușii plutoniului se acumulează în [[Măduvă osoasă|măduva osoasă]]; de asemenaasemenea, acesta este colectat și concentrat în [[ficat]]. Astfel de cazuri de contaminare internă au fost detectate și relaționate cu incidența cancerului pulmonar semnalat în cazul lucrătorilor expuși profesional.<ref name=":11">{{Citat web|url=https://journals.lww.com/epidem/Fulltext/2017/09000/Risk_of_Lung_Cancer_Mortality_in_Nuclear_Workers.7.aspx|accessdate=17/11/2018|autor=J. Grellier, W. Atkinson, P. Bérard, D. Bingham, A. Birchall, E. Blanchardon, R. Bull, I. Guseva Canu, C. Challeton-de Vathaire, R. Cockerill, M.T. Do, H. Engels, J. Figuerola, A. Foster, L. Holmstock, C. Hurtgen, D. Laurier, M. Puncher, A.E. Riddell, E. Samson, I. Thierry-Chef, M. Tirmarche, M. Vrijheid, E. Cardis,|titlu=Risk of lung cancer mortality in nuclear workers from internal exposure to alpha particle-emitting radionuclides, Epidemiology 28 (2017) 675-684}}</ref> Pentru limitarea expunerii externe și a reducerii riscului încorporării, manipularea plutoniului se face fără contact direct.