Plutonio

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94		 Pu
 
               
               
                                   
                                   
                                                               
                                                               
Tabla completa • Tabla ampliada
Pu,94.jpg
Blanco plateado
Información general
Nombre, símbolo, número Plutonio, Pu, 94
Serie química Actínidos
Grupo, período, bloque 5, 7, f
Masa atómica 244 u
Configuración electrónica [Rn] 5f6 7s2
Electrones por nivel 2, 8, 18, 32, 24, 8, 2 (imagen)
Propiedades atómicas
Radio medio 135 pm
Electronegatividad 1,28 (Pauling)
Radio atómico (calc) 159 pm (Radio de Bohr)
Radio covalente 187±1 pm
Estado(s) de oxidación 6, 5, 4, 3 (óxido anfotérico)
1.ª Energía de ionización 584,7 kJ/mol
Propiedades físicas
Estado ordinario Sólido
Densidad 19816 kg/m3
Punto de fusión 912,5 K (639 °C)
Punto de ebullición 3 505 K (3 232 °C)
Entalpía de vaporización 333,5 kJ/mol
Entalpía de fusión 2,82 kJ/mol
Presión de vapor 10,00 Pa a 2.926 K
Varios
Estructura cristalina Monoclínica
N° CAS 7440-07-5
Calor específico 35,5 J/(K·kg)
Conductividad térmica 6,74 W/(K·m)
Módulo elástico 96 GPa
Módulo de cizalladura 43 GPa
Coeficiente de Poisson 0,21
Velocidad del sonido 2,260 m/s a 293,15 K (20 °C)
Isótopos más estables
Artículo principal: Isótopos del plutonio
iso AN Periodo MD Ed PD
MeV
238Pu trazas 87,74 años FN
α		 204,66[1]
5,5		 —
234U
239Pu trazas 2,41 × 104años FN
α		 207,06
5,157		 —
235U
240Pu trazas 6,35 × 103años FN
α		 205,66
5,256		 —
236U
241Pu sintético 14 años β−
FN		 0,02078
210,83		 241Am
—
242Pu sintético 3,73 × 105años FN
α		 209,47
4,984		 —
238U
244Pu trazas 8,08 × 105años7 α
FN		 4,666
—		 240U
—
Valores en el SI y condiciones normales de presión y temperatura, salvo que se indique lo contrario.

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 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 vida media 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 vida media 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 vida media 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 numeras pruebas nucleares en la superficie (ahora prohibidas).

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 menciono 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 vida media 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 si 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 Álamos[17]

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 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

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Características

Propiedades físicas

El plutonio tiene peso molecular de 244 correspondiente al isótopo más estable. Su punto de fusión es de 640 ºC, su punto de ebullición es de 3228 ºC. Su densidad es de 19.84 g/ml (a 20 ºC). 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

Existencia

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Aplicaciones

Explosivos

La bomba atómica lanzada en Nagasaki, Japón en 1945 tenía un núcleo de plutonio.

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).[25] 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.[20][26] (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.[26]

Combustible nuclear de mezcla de óxidos

Energía y fuente de calor

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Precauciones

Toxicidad

Los isótopos y compuestos del plutonio son radioactivos y se acumulan en la médula osea. La contaminación por óxido de plutonio se ha producido tras incidentes radioactivos y desastres nucleares, incluyendo accidentes nucleares militares donde armas nucleares han ardido.[27] 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.[28]

Durante el decaimiento del plutonio, son liberados tres tipos de radiación, alfa, beta y gamma. La radiación alfa solo puede recorrer cortas distacias 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.[29] 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

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.[30] La radioactividad 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.[30][nota 6]

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Notas

  1. ↑ This was not the first time somebody suggested that an element be named "plutonium." A decade after barium was discovered, a Cambridge University professor suggested it be renamed to "plutonium" because the element was not (as suggested by the Greek root, barys, it was named for) heavy. He reasoned that, since it was produced by the relatively new technique of electrolysis, its name should refer to fire. Thus he suggested it be named for the Roman god of the underworld, Pluto. (Heiserman, 1992)
  2. ↑ As one article puts it, referring to information Seaborg gave in a talk: "The obvious choice for the symbol would have been Pl, but facetiously, Seaborg suggested Pu, like the words a child would exclaim, 'Pee-yoo!' when smelling something bad. Seaborg thought that he would receive a great deal of flak over that suggestion, but the naming committee accepted the symbol without a word."
    Clark, David L.; Hobart, David E. (2000). «Reflections on the Legacy of a Legend: Glenn T. Seaborg, 1912–1999» (PDF). Los Alamos Science 26:  pp. 56–61, on 57. http://www.fas.org/sgp/othergov/doe/lanl/pubs/00818011.pdf. 
  3. ↑ Room 405 of the George Herbert Jones Laboratory, where the first isolation of plutonium took place, was named a National Historic Landmark in May 1967.
  4. ↑ During the Manhattan Project, plutonium was also often referred to as simply "49": the number 4 was for the last digit in 94 (atomic number of plutonium), and 9 was for the last digit in plutonium-239, the weapon-grade fissile isotope used in nuclear bombs.
    Hammel, E.F. (2000). «The taming of "49"  – Big Science in little time. Recollections of Edward F. Hammel, pp. 2–9. In: Cooper N.G. Ed. (2000). Challenges in Plutonium Science». Los Alamos Science 26 (1):  pp. 2–9. http://www.fas.org/sgp/othergov/doe/lanl/pubs/00818010.pdf. 
    Hecker, S.S. (2000). «Plutonium: an historical overview. In: Challenges in Plutonium Science». Los Alamos Science 26 (1):  pp. 1–2. http://www.fas.org/sgp/othergov/doe/lanl/pubs/number26.htm. 
  5. ↑ 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.
  6. ↑ There was a major plutonium-initiated fire at the Rocky Flats Plant near Boulder, Colorado in 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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Referencias

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  2. ↑ «Detection of Plutonium-244 in Nature». Nature 234 (5325):  pp. 132–134. 1971. doi:10.1038/234132a0. Bibcode: 1971Natur.234..132H. http://www.nature.com/nature/journal/v234/n5325/abs/234132a0.html. 
  3. ↑ "Contaminated Water Escaping Nuclear Plant, Japanese Regulator Warns". The New York Times.
  4. ↑ Holden, Norman E. (2001). «A Short History of Nuclear Data and Its Evaluation». 51st Meeting of the USDOE Cross Section Evaluation Working Group. Upton (NY): National Nuclear Data Center, Brookhaven National Laboratory. Consultado el 3 de enero de 2009.
  5. ↑ Fermi, Enrico (12 de diciembre de 1938). «Artificial radioactivity produced by neutron bombardment: Nobel Lecture» (PDF). Royal Swedish Academy of Sciences.
  6. ↑ Darden, Lindley (1998). «Enrico Fermi: "Transuranium" Elements, Slow Neutrons». The Nature of Scientific Inquiry. College Park (MD): Department of Philosophy, University of Maryland. http://www.philosophy.umd.edu/Faculty/LDarden/sciinq/. Consultado el 3 de enero de 2008. 
  7. ↑ Seaborg, Glenn T.. «An Early History of LBNL: Elements 93 and 94». Advanced Computing for Science Department, Lawrence Berkeley National Laboratory. Consultado el 17 de septiembre de 2008.
  8. ↑ Glenn T. Seaborg. «The plutonium story». Lawrence Berkeley Laboratory, University of California.
  9. ↑ a b c d e f g h Emsley, 2001
  10. ↑ Stwertka, 1998
  11. ↑ a b Heiserman, 1992, p. 338
  12. ↑ Clark, David L.; Hobart, David E. (2000). «Reflections on the Legacy of a Legend: Glenn T. Seaborg, 1912–1999» (PDF). Los Alamos Science 26:  pp. 56–61, on 57. http://www.fas.org/sgp/othergov/doe/lanl/pubs/00818011.pdf. 
  13. ↑ PBS contributors (1997). «Frontline interview with Seaborg». Frontline. Public Broadcasting Service. Consultado el 7 de diciembre de 2008.
  14. ↑ a b c Miner, 1968, p. 541
  15. ↑ NPS contributors. «Room 405, George Herbert Jones Laboratory». National Park Service. Consultado el 14 de diciembre de 2008.
  16. ↑ Miner, 1968, p. 540
  17. ↑ LANL contributors. «Site Selection». LANL History. Los Alamos, New Mexico: Los Alamos National Laboratory. Consultado el 23 de diciembre de 2008.
  18. ↑ Sublette, Carey. «Atomic History Timeline 1942–1944». Washington (DC): Atomic Heritage Foundation. Consultado el 22 de diciembre de 2008.
  19. ↑ Sublette, Carey (3 de julio de 2007). «8.1.1 The Design of Gadget, Fat Man, and "Joe 1" (RDS-1)». Nuclear Weapons Frequently Asked Questions, edition 2.18. The Nuclear Weapon Archive.
  20. ↑ a b Malik, John (septiembre de 1985). The Yields of the Hiroshima and Nagasaki Explosions. Los Alamos. p. Table VI. LA-8819. http://www.fas.org/sgp/othergov/doe/lanl/docs1/00313791.pdf. Consultado el 15 de febrero de 2009. 
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  23. ↑ CRC, 2006, pp. 4–27
  24. ↑ Instituto Internacional de Estudios para la Paz de Estocolmo (2007) (en inglés). SIPRI Yearbook 2007: Armaments, Disarmament, and International Security. Oxford University Press. pp. 567. ISBN 0-19-923021-8, 9780199230211. http://books.google.com/?id=2M0C6SERFG0C&pg=PA567. 
  25. ↑ Martin, James E. (2000). Physics for Radiation Protection (1st edición). Wiley-Interscience. p. 532. ISBN 0-471-35373-6. 
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  28. ↑ «Cancer and non-cancer effects in Japanese atomic bomb survivors». J Radiol Prot 29 (2A):  pp. A43–59. June 2009. doi:10.1088/0952-4746/29/2A/S04. PMID 19454804. Bibcode: 2009JRP....29...43L. 
  29. ↑ Plutonium, CAS ID #: 7440-07-5, Centers for Disease Control and Prevention (CDC) Agency for Toxic Substances and Disease Registry
  30. ↑ a b DOE contributors (1994). «Primer on Spontaneous Heating and Pyrophoricity – Pyrophoric Metals – Plutonium». Washington (DC): U.S. Department of Energy, Office of Nuclear Safety, Quality Assurance and Environment. Archivado desde el original, el 28 de abril de 2007.
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Bibliografía

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  • «Plutonium». Nature's Building Blocks: An A–Z Guide to the Elements. Oxford (UK): Oxford University Press. 2001. pp. 324–329. ISBN 0-19-850340-7. 
  • Chemistry of the Elements (2nd edición). Oxford (UK): Butterworth-Heinemann. 1997. ISBN 0-7506-3365-4. 
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Véase también

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Enlaces externos

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Última modificación el 21 may 2013, a las 14:36