Plutoniu

De la Wikipedia, enciclopedia liberă
Jump to navigation Jump to search
Plutoniu
Plutonium ring.jpg
NeptuniuPlutoniuAmericiu
Sm
   
(244)
94
Pu
 
               
               
                                   
                                   
                                                               
                                                               
Pu
Uqh
Tabelul completTabelul extins
Informații generale
Nume, Simbol, Număr Plutoniu, Pu, 94
Serie chimică Actinide
Grupă, Perioadă, Bloc 3, 7, f
Densitate 19820 kg/m³
Culoare alb argintie
Număr CAS 7440-07-5
Număr EINECS
Proprietăți atomice
Masă atomică (244) u
Rază atomică 151 pm
Rază de covalență 187 pm
Rază van der Waals pm
Configurație electronică [Rn] 5f6 7s2
Electroni pe nivelul de energie 2, 8, 18, 32, 24, 8, 2
Număr de oxidare (+7), +6, +5, +4, +3
Oxid Pu2O3
PuO2
Structură cristalină
Proprietăți fizice
Fază ordinară solid
Punct de topire 639,4 °C = 912,5 K
Punct de fierbere 3228 °C = 3505 K
Energie de fuziune kJ/mol
Energie de evaporare 333,5 kJ/mol
Temperatură critică  K
Presiune critică  Pa
Volum molar m³/kmol
Presiune de vapori 325 kJ/mol
Viteza sunetului 2260 m/s la 20 °C
Forță magnetică
Informații diverse
Electronegativitate (Pauling) 1,28
Căldură specifică J/(kg·K)
Conductivitate electrică 1,460 S/m
Conductivitate termică 6,74 W/(m·K)
Prima energie de ionizare 584,7 kJ/mol
A 2-a energie de ionizare {{{potențial_de_ionizare_2}}} kJ/mol
A 3-a energie de ionizare {{{potențial_de_ionizare_3}}} kJ/mol
A 4-a energie de ionizare {{{potențial_de_ionizare_4}}} kJ/mol
A 5-a energie de ionizare {{{potențial_de_ionizare_5}}} kJ/mol
A 6-a energie de ionizare {{{potențial_de_ionizare_6}}} kJ/mol
A 7-a energie de ionizare {{{potențial_de_ionizare_7}}} kJ/mol
A 8-a energie de ionizare {{{potențial_de_ionizare_8}}} kJ/mol
A 9-a energie de ionizare {{{potențial_de_ionizare_9}}} kJ/mol
A 10-a energie de ionizare {{{potențial_de_ionizare_10}}} kJ/mol
Cei mai stabili izotopi
Simbol AN T1/2 MD Ed PD
MeV
238Puurme87,74 anifisiune spontană
α
204,66
5,5
--
234U
239Pu100%24100 anifisiune spontană
α
207,06
5,157
--
235U
240Puurme6500 anifisiune spontană
α
205,66
5,256
--
236U
241Pusintetic14 aniβ-0,02078241Am
242Puurme373000 aniα4,984238U
244Puurme80800000 aniα4,666240U
Precauții
NFPA 704
Unitățile SI și condiții de temperatură și presiune normale dacă nu s-a specificat altfel.

Plutoniul este un element chimic metalic radioactiv din grupa actinidelor având numărul atomic 94 și simbolul chimic Pu. A fost descoperit în 1941, dar – din cauza războiului – descoperirea sa a fost comunicată abia în 1948. A fost „botezat” în martie 1942,[1] numele elementului provenind de la cel al planetei Pluto, în analogie cu uraniul și neptuniul.

Având în vedere comportamentul fizico-chimic și perspectivele tehnologice, plutoniul este considrat a fi unul dintre cele mai complexe și fascinante elemente din sistemul periodic, jucând un rol unic în istoria recentă a omenirii.[1] La mai puțin de cinci ani de la separarea sa, acesta a fost folosit în una dintre cele două bombe atomice utilizate scopuri beligerante, către sfârșitul celui de-Al Doilea Război Mondial. De asemenea, o parte importantă a energiei de origine nucleară este produsă în reactoare nucleare prin fisiunea nucleelor atomilor de plutoniu. Practic, era atomică este asociată plutoniului (alături de uraniu): „Plutoniul evocă toată gama de emoții umane, de la bine la rău, de la speranță la disperare, de la salvarea omenirii la distrugerea sa totală. Nu există alt element în sistemul periodic care să fi avut un impact atât de profund în conștiința umanității”.[1]

Configurația electronică a atomului de plutoniu

Istorie[modificare | modificare sursă]

Prima probă în care s-a pus în evidență procesul de fisiune a nucleelor de 239Pu

În 1934,[2] Enrico Fermi a raportat descoperirea elementului Hesperium (Z=94). De fapt, probele analizate erau amestecuri conținând bariu și alte fragmente de fisiune, reprezentând o intepretare eronată a fenomenului de fisiune nucleară evidențiat ulterior (în 1938) de către Otto Hahn și Fritz Strassmann.

Plutoniul a fost produs și izolat în urma experimentelor din 14 decembrie 1940 realizate de către Glenn T. Seaborg, Edwin McMillan, Joseph W. Kennedy și Arthur Wahl.[3] Ei au bombardat 238U cu deuteroni în ciclotronul de 1,5 m al Universității California, Berkley,. A fost astfel produs 238Np (cu timp de înjumătățire de 2,1 zile) care se transformă prin emisie de particule β în 238Pu (cu timp de înjumătățire de 87,7 ani):

Identificarea chimică a elementului s-a produs la 23 februarie 1941.[4] Imediat apoi,[5] s-a descoperit că 239Pu fisioneză sub neutroni lenți, stabilindu-se că 239Pu este o sursă de energie de origine nucleară.

Caracteristici[modificare | modificare sursă]

Caracteristici fizice[modificare | modificare sursă]

Plutoniu în stare metalică
Pastilă de 238Pu folosită ca sursă de energie în generatoare termoelectrice utilizate pentru sondele spațiale
Variația volumului atomic al diverselor forme alotropice ale plutoniului în funcție de temperatură
Densitatea diferitelor forme alotropice ale plutoniului

Plutoniul este un element transuranian, în stare metalică având culoarea alb-argintie. Din cauza 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.

În condiții normale, plutoniul metalic este prezent în șase forme alotropice; o a șaptea (zeta, ζ) poate fo obținută la temperaturi înalte și într-un domeniu îngust de presiune.[6] Acesta face ca plutoniul să fie extrem de sensibil la schimbări de temperatură, presiune sau compoziție chimică, variații minore conducând la schimbări dramatice de volum (de până la 25%) sau structură cristalină, fenomene care însoțesc tranzițiile de fază.[7] Spre deosebire de majoritatea elementelor/materialelor, densitatea plutoniului crește prin topire cu 2,5%, iar metalul lichid suferă o descreștere a densității odată cu creșterea temperaturii. În funcție de starea alotropică are densitatea cuprinsă între 16,00 și 19,86 g/cm3, fiind un metal greu.

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 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 rezistentă și maleabilă precum aluminiul.

Caracteristici chimice[modificare | modificare sursă]

Plutoniul metalic și aliaje[modificare | modificare sursă]

Piroforicitatea plutoniului

Plutoniul metalic poate fi preparat prin reducerea unor compuși ai plutoniului. Sunt cunoscute destule astfel de reacții, dar nu toate conduc la un produs suficent de pur. Dintre metodele pirochimice, cea mai utilizată este reducerea în topitură cu calciu metalic a PuF4, PuF3, PuCl3, PuO2 sau a amestecului PuO2-PuF4, produsul rezultat nenecesitând purificare ulterioară. Pentru separarea plutoniului metalic din amestecuri metalice este utilizată reacția acestuia cu H2, care conduce la hidruri de tip PuHx (x= 1,9-3,0) care – la reîncălzire în vid – trec din nou în Pu0. În ceea ce privește aliajele, cele mai comune sunt cele cu Ga și Al. Multe alte diagrame de fază au fost studiate și sistematizate în 1980.[8]

Plutoniul este un metal foarte reactiv în contact cu oxigenul (este piroforic la 500°C)[9] sau cu aerul umed. Din cauza autoiradierii, suferă un proces de „îmbatrânire” (similar cu metamictizarea mineralelor). Metalul se dizolvă ușor în acid clorhidric sau percloric. Reacționează cu borul, carbonul, halogenii, azotul, fosforul, siliciul, oxigenul, hidrogenul etc.

Plutoniul în soluție[modificare | modificare sursă]

Stările de oxidare ale plutoniului

În soluții apoase, plutoniul prezintă patru stări de oxidare stabile, o a cincea disproporționând rapid. Culorile diferite ajută la recunoasterea facilă a stării de oxidare în care plutoniul este prezent: Pu(III), ca Pu3+; Pu(IV), ca Pu4+; Pu(V), ca PuO2+; Pu(VI), ca PuO22+; Pu(VII), ca PuO3.

PuO2+ este instabil în soluție și disproporționează în Pu4+ și PuO22+; Pu4+ astfel format oxidează PuO2+ rămas, fiind redus la Pu3+. Astfel, soluțiile de PuO2+ au tendința de a se transforma în timp în amestecuri de Pu3+ și PuO22+.

O astfel de reacție – care implică patru stări de oxidare deferite ale aceluiași element – este unică în chimie:

PuO2+ + Pu4+ = PuO22+ + Pu3+

Izotopi și proprietăți nucleare[modificare | modificare sursă]

Schemă de producere și dezintegrare a celor mai importanți izotopi ai plutoniului

Plutoniul este un element radioactiv, toți izotopii săi fiind radioactivi. Sunt cunoscuți 20 izotopi ai plutoniului cu masa cuprinsă între 228 și 247.

Izotopul 238Pu este un emițător alfa (t1/2= 87,7 ani, produs de dezintegrare 234U, Eα=5,5 MeV).

Cel mai răspândit izotop este 239Pu, care se dezintegrează alfa (t1/2 de circa 24000 de ani, produs de dezintegrare 235U, Eα=5,2 MeV). 239Pu este un izotop fisil (fisionabil sub neutroni termici), ceea ce face ca utilizarea acestuia să fie strict controlată, dim motive de proliferare nucleară.

Izotopul 240Pu este un emițător alfa (t1/2 de circa 6560 de ani, produs de dezintegrare 236U, Eα=5,3 MeV). Este un izotop fertil, transformându-se – în urma activării sub neutroni rapizi – în 241Pu.

Izotopul 241Pu este un emițător beta (timp de înjumătățire de 14,4 ani, produs de dezintegrare 241Am, Eβ=0,02 MeV). 239Pu este un este un izotop fisil , contribuind la randamentul total de fisiune. Totuși, transmutața sale 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.

Izotopul 242Pu este un emițător alfa (t1/2 de circa 273000 ani, produs de dezintegrare 238U, Eα=5,0 MeV).

Sistemul periodic al elementelor indică izotopul cosmogenic 244Pu ca fiind cel mai stabil izotop al plutoniului (t1/2 de circa 80,8 milioane de ani, produs de dezintegrare 240U).

Pentru circa o treime din evenimentele de ciocnire a 239Pu cu neutroni se produce 240Pu. În funcție de conținutul de 240Pu (nefisionabil sub neutroni lenți) în amestecul izotopic, plutoniul se clasifică în:

  • plutoniul pentru arme nucleare (eng. „weapon grade plutonium”), care conține mai puțin de 7% 240Pu
  • plutoniu pentru combustibil nuclear (eng. „fuel grade plutonium”), care conține mai puțin de 7-18% 240Pu
  • plutoniul de reactor, (eng. „reactor grade plutonium”), care conține mai mult de18% 240Pu

Răspândire[modificare | modificare sursă]

Este considerat a fi un element chimic sintetic, chiar dacă urme[10] de 239Pu se găseau în natură în zăcămintele bogate în uraniu și înainte de 1945. Acest izotop este produs ca urmare a proceselor de activare neutronică a 238U cu neutroni emiși prin fisiunea spontană a altor nuclee de 238U. Prezența sa a fost semnalată în zona reactorilor naturali de fisiune de la Oklo.

De asemenea, 244Pu (cu timp de înjumătățire de 80,8 milioane de ani) este un radioizotop primordial[11] și a jucat probabil un oarecare rol în formarea mineralelor în primul miliard de ani de existență a Pământului. Practic, plutoniul este uneori considerat ca fiind cel mai greu element chimic prezent în mod natural pe Pământ.

Inventarul de plutoniu a crescut semnificativ odată cu începutul erei atomice, fiind produs de activare a uraniului atât în reactorii nucleari, cât și în bombele atomice în baza reacției nucleare:

Urme de plutoniu pot fi detectate în organismul uman,[12] prezența sa datorându-se contaminării radioactive (în natură sunt disperate câteva tone de plutoniu[13] ca urmare a testelor și accidentelor nucleare). Concentrația de plutoniu este estimată a fi de 0,37 Bq/kg sol și între 6ˑ10-8–1,4ˑ10-7 Bq/m3 aer.[14]

Producție[modificare | modificare sursă]

Proiectul Manhatan[modificare | modificare sursă]

Învelișul unei bombe atomice cu plutoniu Mark III, având aceeași configurație și aceleși dimensiuni ca și Fat Man
Schema de principiu a unei bombe nucleare de implozie

În timpul celui de-Al Doilea Război Mondial, guvernul SUA a implementat proiectul Manhattan, cu rolul de a dezvolta arma nucleară. Locurile în care au fost implementate facilitățile de cercetare și de producție sunt Hanford (Washinton) și ceea ce sunt acum cunoscute ca fiind Oak Ridge National Laboratory (Tennessee), respectiv Los Alamos National Laboratory (New Mexico). 239Pu a fost obținut în scopuri militare pentru prima oară prin bombardarea neutronică a 238U în reactorul moderat cu grafitX-10” (Oak Ridge), care a intrat în regim critic pe 4 noiembrie 1943 și a produs pentru prima oară plutoniu la începutul anului următor. Ideal, plutoniul pentru aplicații militare ar trebui să fie monoizotopic, 239Pu. Probele transferate la Los Alamos în aprilie 1944 au indicat însă faptul că acestea conțineau cantități ridicate de 240Pu (izotop care prezintă o probabilitate crescută de fisiune spontană) comparativ cu plutoniul produs în ciclotron. Acest fapt conduce la prezența unei cantități însemnate de neutroni, crescând riscul de pre-detonare. Din acest motiv, proiectul prin care se dorea realizarea unei arme nucleară de tip proiectil (cu nume de cod „Thin Man” – Slabuțul) a fost abandonat.[15] Acesta a fost înlocuit cu proiectul de implozie „Fat Man” – Grăsanul, mai complicat din punct de vedere tehnic.

În martie 1945 a fost terminată construcția Handford B, primul reactor de producție izotopică a plutoniului la scară industrială. Aici s-a produs materialul fisil necesar bombei nucleare „Fat Man”. În ianuarie 1945, plutoniul înalt purificat a fost supus unei concentrări finale, care a fost apoi trimis la Los Alamos începând din februarie 1945, unde au fost definitivate bombele nucleare „Trinity” și „Fat Man”.

Prima dintre acestea (în greutate totală de circa 4 tone, conținând 6,2 kg plutoniu) a fost detonată sub numele de cod „Trinity” la 16 iulie 1945 lângă Alamogordo (New Mexico). Succesul testului nuclear (circa 20% din plutoniu a fisionat în regim divergent) a condus la detonarea bombei „Fat Man” deasurpa orașului Nagasaki (Japonia) în 9 august 1945.

Era atomică[modificare | modificare sursă]

SUA și URSS au produs cantități însemnate (de ordinul sutelor de tone)[16] de plutoniu pentru aplicații militare prin iradierea cu neutroni a 238U în reactori de iradiere.[17] La nivelul anului 2003, a fost estimat că pe Pământ ar fi existat o cantitate de circa 1830 t plutoniu,[1][17] rezultată atât din activități militare cât și civile. Alte aproximativ 70-75 t se adaugă anual la acest inventar (fiind obținute ca produs secundar în reactorii nucleari comerciali prin activarea combustibilului nuclear),[18] ceea ce ar conduce la o cantitate totală de aproximativ 3000 t. Practic, 35 de țări dețin în prezent plutoniu, printre acestea numărându-se și România. Cantitatea de plutoniu estimată a exista în combustibilul nuclear epuizat rezultat din centrala nucleară de la Cernavodă era în 2003 de circa 2,4 t.[17]

Plutoniul civil era distribuit în 2003 astfel: circa 1340 t este conținut de către în combustibilul nuclear epuizat și circa 330 t combustibiil neiradiat (incluzând aici aproximativ 100 t de plutoniu militar declarat de către SUA și Rusia drept exces, în urma tratatelor de dezarmare).[17] Aproximativ 155 t se regăseau în componența armelor nucleare (existente sau dezasamblate).[12] Pentru a înțelege semnificația acestei cantități, acesta trebuie raportată la masa critică a 239Pu. Este evident deci că acest inventar trebuie administrat cu prudență pentru mult timp de acum înainte, într-un context politic, socioeconomic și tehnologic complex.[1]

Plutoniul pentru nave spațiale[modificare | modificare sursă]

238Pu este obținut prin bombardarea cu neutroni a 237Np provenit din reactori de cercetare sau ținte de iradiere. 238Np, odata format, se dezintegrază rapid, formând 238Pu.

În prezent există foarte puține locuri în care se mai produce 238Pu. Rezerva NASA a scăzut la 35 kg, ceea ce ar fi suficent pentru misiunile asumate până în 2025. Începând din 2019, Oak Ridge National Laboratory urmează să producă anual circa 1,5 kg 238Pu.[13]

Compuși ai plutoniului[modificare | modificare sursă]

Sunt conoscuți diverși compuși binari cu:

  • hidrogenul (PuHx, x= 1,9-3,0): există diverse hidruri ale plutoniului, în general nestoechiometrice; toate sunt formate prin reacția directă a elementelor la temperaturi de sub 200 °C. De asemenea, astfel de compuși se formează (alături de Pu2O3 și PuO2) la reacția dintre plutoniul metalic și aerul umed la 200–350 °C.
  • borul (PuB2, PuB4, PuB6, PuB12 și PuB66): borurile se formează prin reacția directă a elementelor la temperaturi de 800–1200 °C în atmosferă inertă la presiune scăzută.
  • carbonul (Pu3C2, PuC1-x, Pu2C3 și PuC2): carburile se formează fie prin reacția dintre elemente, fie prin decompunerea unor compuși ai plutoniului (precum oxalați, acetați etc.) în atmosferă inertă. Carburile de plutoniu sunt considerate ca fiind potențiali combustibili nucleari sub formă de soluții solide cu uraniul: U1-xPuxC sau U1-xPuxC2.
  • azotul (PuN) – posibil conbustibil nuclear sub forma U1-xPuxN, fosforul (PuP), sulful (PuS, Pu3S4, PuS2), seleniul (PuSe, Pu3Se4, Pu2Se3, PuSe1,8–2,0), telurul (PuTe, Pu3Te4, PuTe3, PuTe1,81–2,02), siliciul (Pu5Si3, Pu3Si2, PuSi, Pu3Si5 și PuSi2)
  • oxigenul (PuO, Pu2O3, PuO2 etc.): se formează la arderea plutoniului în aer sau la descompunere termică sau hídrotermală a unor compuși (de exemplu, oxalați). Doxidul de plutoniu este un combustibil nuclear de sutilizat sub formă de soluții solide cu uraniul: U1-xPuxO2 (MOX).
  • halogenii: fluoruri și oxofluoruri (PuF3, PuOF, PuF4, PuF6), cloruri (PuCl3, PuCl4), bromuri și oxobromuri (PuBr3, PuOBr), ioduri și oxoioduri (PuI3, PuOI) etc. Halogenurile duble de plutoniu și metale alcaline (de exemplu, NaPuF4, KPuF4 etc.) sunt considerate precum combustibil nuclear sub formă de săruri topite.

Dintre compușii în stare solidă sei mai cunoscuți sunt:

  • plutonații (plutoniul apare sub formă anionică), în care plutoniul poate prezenta diverse stări de oxidare; pentru Pu(IV): BaPuO3, SrPuO3, Li8PuO6, Ba2CePuO6 etc.; pentru Pu(V): Li3PuO4, Ba3PuO5,5 etc.; Pu(VI): K2PuO4, Rb2PuO4, Cs2PuO4, SrPuO4, Li4PuO5, Na4PuO5, L6PuO6, Na6PuO6, Ba3PuO6 etc.; Pu(VII): Li5PuO5, Na5PuO6.
  • combinații cationice cu elemente ale blocului p și d: pentru Pu(III): PuAlO3, PuScO3, PuVO3, PuCrO3, PuAsO4, PuPO4 etc.; pentru Pu(IV): PuSiO4, PuGeO4, Pu(TeO3)2, Pu(TaO3)4, PuP2O7 etc. Extrem de importanți sunt oxalații, care se descompun termic la dioxid de plutoniu de dimensiuni namometrice (ceea ce conduce la pulberi de combustibil cu sinterabilitate foarte bună). O metodă recentă demonstrează că oxalatul de Pu(IV) poate fi descompus hidrotermal la PuO2 la numai 95 °C.[19]

Utilizare[modificare | modificare sursă]

Material exploziv[modificare | modificare sursă]

Localizarea țărilor care dețin în mod oficial arme nucleare și a testelor efectuate
Filmare a operațiunii Teapot (test nuclear)

Plutoniul este materialul fisionabil esențial pentru armele nucleare moderne. Tonul proliferării nucleare l-a dat competiția SUA-URSS. De atunci au avut loc peste 2000 de teste nucleare, dintre care aproximativ 500 atmosferice.[12] Cu foarte puține excepții (bazate pe uraniu îmbogățit), acestea au utilizat plutoniu ca material exploziv. Singurele țări cunoscute că au detonat asemenea dispozitive sunt Statele Unite ale Americii, Uniunea Sovietică, Marea Britanie, Franța, China, India, Pakistan și Coreea de Nord. Producea și testarea armelor nucleare a condus la contaminarea excesivă a anumitor regiuni, peste limitele admisibile (în fosta URSS, SUA, Atolul Bikini etc.), ceea ce le face nelocuibile pentru mult timp de acum încolo.

Plutoniul poate fi folosit pentru fabricarea armelor radiologice (bomba murdară).

Combustibil pentru reactori nucleari[modificare | modificare sursă]

Schemă a procesului de extracție a uraniului și plutoniului din combustibilul nuclear epuizat

Combustibilul nuclear epuizat rezultat din reactori nucleari răciți cu apă ușoară conține un amestec de izotopi ai plutoniului, anume: 238Pu, 239Pu, 240Pu și 242Pu. Prin reprocesare, acesta poate fi reutilizat sub formă de combustibil (U,Pu)O2 (MOX, eng. „mixed oxides”) în același tip de reactori. Acest tip de combustibil este utilizat la scară largă în scopuri comerciale încă din anii '80.[20] Practic, 5% din combustibilul nuclear utilizat în prezent este de tip MOX, producând circa o treime din totalul de energie nucleară la nivel mondial.[13]

Prin captură neutronică, procentul de 240Pu și 242Pu devine semnificativ, acest plutoniu „ars”, nemaifisionând sub neutroni termalizați, ci doar sub neutroni rapizi. Acest plutoniu ars mai poate fi utilizat fie în reactori cu neutroni rapizi,[21] fie este stocat, constituind componenta de viață lungă (tip C) a deșeurilor radioactive. Cu cât gradul de ardere este mai ridicat, cu atât cantitatea relativă de 239Pu în amestecul izotopic este mai scăzută, ceea ce conduce la reducerea riscului de proliferare nucleară.[21] Cu toate acestea, IAEA clasifică[13] – în mod conservativ – toți vectorii de plutoniu cu potențial uz direct, adică „un material nuclear care poate fi utilizat pentru producerea de explozivi nucleari îîn absența transmutației nucleare sau a îmbogățirii izotopice.

În vederea reutilizării, plutoniul este supus unor operații tehnologice de separare și purificare. Impuritățile care însoțesc plutoniul combustibilul nuclear epuizat sunt alte actinide (uraniul și actinidele minore: neptuniu, americiu, curiu) și produși de fisiune (bariu, ceriu, cesiu, lantan, molibden, paladiu, praseodim, samariu, stronțiu, xenon, zirconiu etc.). Procesul industrial prin care uraniul și plutoniul sunt izolate de produșii de fisiune și celelalte materiale ce intră în compoziția combustibilul uzat se numește reprocesare.

Metodele de separare a plutoniului (și a altor actinide) din combustibilul iradiat pot fi clasificate în două grupe majore: procese apoase și neapoase. Procesele apoase sunt de tip lichid–lichid (extracție cu solvenți), de schimb ionic și de precipitare. Exemple de procese neapoase sunt electrorafinarea în săruri topite și volatilizarea fluorurilor. Aproape toate metodele de separare se bazează pe stările de oxidare multiple pe care plutoniul le poate adopta în forme chimice diferite. Cel mai cunoscut proces de separare a plutoniului este PUREX (Plutonium, Uranium, Reduction, EXtraction), un proces de extracție cu tributil fosfat. Un alt proces apos forte eficient este precipitatea cu acid oxalic a PuIV.

Surse de putere[modificare | modificare sursă]

Generatoar termoelectric radioizotopic pentru misiuni multiple utilizat pentru roverul Curiosity
Astronautul Alan L. Bean (Apollo 12) tranferând combustibilul de 238Pu de pe modulul lunar
Stimulator cardiac cu un conținut original de 150 mg 238Pu

Dintre cei peste 2900 de radioizotopi cunoscuți în prezent, doar 22[22] prezintă un cumul de proprietăți nucleare care să-i recomande pentru utilizarea lor ca surse de putere ca generatoarele termoelectrice (eng. „Radioisotope Thermoelectric Generators”, RTR) utilizate la sondele spațiale (în baza efectului Seebeck). 238Pu este scump, relativ greu de obținut în prezent și ridicând probleme de radioprotecția lucrătorilor. Chiar și așa, acesta este considerat în continuare de către NASA ca fiind cel mai indicat pentru astfel de aplicații.

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, 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. În misiunile recente se utilizează generatoarele termoelectrice radioizotopice pentru misiuni multiple (eng. „Multi-Mission Radioisotope Thermoelectric Generators”, MMRTG).

Precauții[modificare | modificare sursă]

Aspectele legate de piroforicitatea metalului au fost deja semnalate, iar cele referitoare la siguranța reactorilor nucleari nu fac obiectul acestui articol.

Masa critică[modificare | modificare sursă]

Masa critică a plutoniului este de ordinul kilogramelor, depinzând de compoziția amestecului izotopic, geometria sistemului și materialele reflectoare utilizate. Citeva accidente de criticalitate (unele fatale) au fost raportate de-a lungul timpului în SUA (Hanford, Idaho Falls, Los Alamos, Oak Ridge, Wood River Junction), URSS (Electrostal, Mayak, Novosibirsk, Obninsk, Tomsk), Regatul Unit (Windscale) și Japonia (Tokay-mura).[23]

Toxicitate[modificare | modificare sursă]

Laborator IAEA în care se manipulează plutoniu

Plutonul ridică probleme de toxicitate din două puncte de vedere: radiotoxicitatea, respectiv toxicitatea plutoniului ca metal greu.

Având în vedere răspândirea redusă,[14] astel de situații pot fi întâlnite doar în cazul lucrătorilor expuși profesional sau a persoanelor aflate în raza de acțiune a unui accident/test nuclear; astfel, informații asupra (radio)toxicologiei plutoniului provin din studiul supraviețuitorilor dezastrului de la Nagasaki, a militarilor implicați în testele nucleare și a personalului expus profesional.

Aspectele de expunere externă sunt similare expunerii la oricare alt radioizotop ca sursă de radiații ionizante. Astfel, expunerea acută sau cronică poate produce probleme de sănătate, incluzând aici iradierea acută, alterarea materialului genetic sau cancer radioindus. Dimpotrivă, dezintegrarea predominant alfa și timpii de înjumătățire ridicați, fac ca izotopii plutoniului să fie mai puțin periculoși decât – de exemplu – cei cu uz medial.

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 măduva osoasă; de asemena, 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.[24] Pentru limitarea expunerii externe și a reducerii riscului încorporării, lucrul cu plutoniu se face fără contact direct.

Referințe[modificare | modificare sursă]

  1. ^ a b c d e D.L. Clark, S.S. Hecker, G.D. Jarvinen, M.P. Neu. Plutonium. Cap. VII, in: Chemistry of the actinide and transactinide elements, 4th edition, eds. L.R. Morss, N.M. Edelstein, J. Fuger. 
  2. ^ N.E. Holden. „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”. Accesat în . 
  3. ^ „Nuclear reactions. Why the americans faar nuclear power? Interviu cu Glenn Seaborg”. Accesat în . 
  4. ^ G.T. Seaborg. „Plutonium story, Actinides-1981 conference, Pacific Grove, CA, USA, 10 Sep 1981”. Accesat în . 
  5. ^ J. W. Kennedy, G. T. Seaborg, E. Segrè, and A. C. Wahl. „Properties of 94(239), Phys. Rev. 70 (1946) 555–556”. 
  6. ^ R.D. Baker, S.S. Hecker, D.R. Harbur. „Plutonium: a wartime nightmare but a metallurgist's dream, Los Alamos Science. Los Alamos National Laboratory, 148 (1983) 150-151”. Accesat în . 
  7. ^ S.S. Hecker. „Plutonium and its alloys: from atoms to microstructure, Los Alamos Science, 26 (2000) 290-335” (PDF). Accesat în . 
  8. ^ O.J. Wick. „Plutonium Handbook, American Chemical Society, 1980, 966 pp”. Accesat în . 
  9. ^ M.A. Haschke, T.H. Allen, L.A. Morales, Surface and corrosion chemistry of plutonium, Los Alamos Science 26 (2000) 257
  10. ^ G.T. Seaborg, M.L. Perlman. „Search for elements 94 and 93 in Nature. Presence of 94(239) in pitchblende, J. Am. Chem. Soc. 70 (1948) 1571–1573”. Accesat în . 
  11. ^ R.M. Hazen, R.C. Ewing, D.S. Sverjensky. „Evolution of uranium and thorium minerals, Am. Mineral. 94 (2009) 1293-1311” (PDF). Accesat în . 
  12. ^ a b c J. Emsley. "Plutonium". Nature's Building Blocks: An A–Z Guide to the Elements. Oxford (UK) Oxford University Press, 2001”. Accesat în . 
  13. ^ a b c d „World Nuclear Association - Plutonium”. Accesat în . 
  14. ^ a b „Toxicological profile of plutonium, US-DoE Report” (PDF). Accesat în . 
  15. ^ L. Hoddeson, P.W. Henriksen, R.A. Meade, C. Westfall (). Critical assembly: a technical history of Los Alamos during the Oppenheimer years, 1943-1945. 
  16. ^ N. Zarimpas. „Building transparency in nuclear-weapon states: the political and technological dimensions, IAEA-SM-367/9/06” (PDF). Accesat în . 
  17. ^ a b c d D, Albright, K. Kramer. „Plutonium Watch: Tracking Plutonium Inventories” (PDF). Accesat în . 
  18. ^ Lide, D.R. (). Handbook of Chemistry and Physics (87th ed.). 
  19. ^ K. Popa, O. Walter, O. Dieste Blanco, A. Guiot, D. Bouëxière, J.-Y. Colle, L. Martel, M. Naji, D. Manaraa. „A low-temperature synthesis method for AnO2 nanocrystals (An = Th, U, Np, and Pu) and associate solid solutions, CrystEngComm 20 (2018) 4614-4622”. Accesat în . 
  20. ^ „World Nuclear Association - Mixed Oxide (MOX) Fuel”. Accesat în . 
  21. ^ a b C.E. Till, Y.A. Chang. „Plentiful energy: The story of the integral fast reactor, the complex history of a simple reactor technology, with emphasis on its scientific basis for non-specialists,” (PDF). Accesat în . 
  22. ^ „World Nuclear Association - Nuclear Reactors and Radioisotopes for Space”. Accesat în . 
  23. ^ T.P. McLaughlin, S.P. Monahan, N.L. Pruvost, V.V. Frolov, B.G. Ryazanov, V.I.Sviridov. „A review of criticality incidents, 2000 Revision, Los Alamos report LA-13638” (PDF). Accesat în . 
  24. ^ 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,. „Risk of lung cancer mortality in nuclear workers from internal exposure to alpha particle-emitting radionuclides, Epidemiology 28 (2017) 675-684”. Accesat în . 

Vezi și[modificare | modificare sursă]

Legături externe[modificare | modificare sursă]