Πλουτώνιο

Πλουτώνιο
Ποσειδώνιο ← Πλουτώνιο → Αμερίκιο Σαμάριο ↑ Pu ↓ — Περιοδικός Πίνακας
Κομμάτι καθαρού πλουτωνίου
Ταυτότητα του στοιχείου
Όνομα, σύμβολο	Πλουτώνιο (Pu)
Ατομικός αριθμός (Ζ)	94
Κατηγορία	Μέταλλα, ακτινίδες
ομάδα, περίοδος, τομέας	- ,7, f
Σχετική ατομική μάζα (Ar)	244 g/mol
Ηλεκτρονική διαμόρφωση	[Rn] 5f6 7s2
Αριθμός EINECS	231-117-7
Αριθμός CAS	7440-07-5
Ατομικές ιδιότητες
Ατομική ακτίνα	159 pm
Ομοιοπολική ακτίνα	187 pm
Ηλεκτραρνητικότητα	1,28
Κυριότεροι αριθμοί οξείδωσης	+7, +6, +5, +4, +3
Ενέργειες ιονισμού	1η: 584,7 kJ/mol
Φυσικά χαρακτηριστικά
Κρυσταλλικό σύστημα	μονοκλινές
Σημείο τήξης	912,5 K, 639,4 °C, 1182,9 °F
Σημείο βρασμού	3505 K, 3228 °C, 5842 °F
Πυκνότητα	19,816 g/cm3
Ενθαλπία τήξης	2,82 KJ/mol
Ενθαλπία εξάτμισης	333,5 KJ/mol
Ειδική θερμοχωρητικότητα	(25 °C) 35,5 J/(mol·K)
Μαγνητική συμπεριφορά	παραμαγνητικό
Ειδική ηλεκτρική αντίσταση	(0 °C) 1,460 µΩ·m
Ειδική ηλεκτρική αγωγιμότητα	666667 S/m
Ειδική θερμική αγωγιμότητα	(27 °C) 6,74 W/(mK)
Μέτρο ελαστικότητας (Young's modulus)	96 GPa
Μέτρο διάτμησης (Shear modulus)	43 GPa
Λόγος Poison	0,21
Ταχύτητα του ήχου	2260 m/s
Επικινδυνότητα
Η κατάσταση αναφοράς είναι η πρότυπη κατάσταση (25°C, 1 Atm) εκτός αν σημειώνεται διαφορετικά

Το χημικό στοιχείο πλουτώνιο (plutonium) είναι υπερουράνιο, ραδιενεργό μέταλλο που ανήκει στις ακτινίδες. Ο ατομικός αριθμός του είναι 94 και η σχετική ατομική μάζα του 244. Το χημικό του σύμβολο είναι "Pu" και ανήκει στην περίοδο 7 και στον τομέα f. Έχει θερμοκρασία τήξης 639,5±2°C και θερμοκρασία βρασμού 3235±19°C.

Είναι αργυρόλευκο μέταλλο που αμαυρώνεται γρήγορα στον αέρα εξαιτίας της οξείδωσής του. Απαντάται σε έξι αλλοτροπικές μορφές, σε θερμοκρασίες από δωματίου έως 640 °C που είναι και το σημείο τήξης του. Οι αλλοτροπικές μεταπτώσεις του πλουτωνίου συνοδεύονται από ασυνεχείς μεταβολές στην πυκνότητά του. Ένα μοναδικό χαρακτηριστικό του είναι ότι με θέρμανση, από τους 310 °C στους 480 °C συστέλλεται και δε διαστέλλεται, όπως συμβαίνει με τα άλλα μέταλλα. Στις ενώσεις του εμφανίζεται με πέντε αριθμούς οξείδωσης. Αντιδρά με τον άνθρακα, τα αλογόνα, το άζωτο και το πυρίτιο. Όταν εκτίθεται στον υγρό αέρα, δημιουργεί οξείδια και υδρίδια τα οποία αυξάνουν τον όγκο της αρχικής ποσότητας πλουτωνίου έως και 70%. Στη συνέχεια αποφλοιώνεται και μετατρέπεται σε σκόνη που μπορεί να αναφλεχθεί απότομα. Είναι ραδιενεργό δηλητήριο που συσσωρεύεται στο μυελό των οστών. Αυτές και άλλες ιδιότητες κάνουν τη διακίνηση του πλουτωνίου επικίνδυνη.
Το πλουτώνιο, ειδικότερα το ισότοπο ²³⁸Pu, παρασκευάστηκε με ακτινοβόληση ουρανίου με πυρήνες δευτερίου (βαρύ υδρογόνο) και απομονώθηκε για πρώτη φορά το Δεκέμβριο του 1940, ενώ ταυτοποιήθηκε χημικά λίγο αργότερα, το Φεβρουάριο του 1941 από τους Γκλεν Σήμποργκ, Έντουιν Μακ Μίλλαν, Γιόζεφ Κέννεντυ και Άρθουρ Γουώλ. Το νέο στοιχείο πήρε το όνομα του πλανήτη πλούτωνα, παρόμοια με άλλα χημικά στοιχεία που ανήκουν στις ακτινίδες, δηλαδή το ουράνιο και το ποσειδώνιο, που πήραν τα ονόματά τους από τον πλανήτη ουρανό και τον πλανήτη ποσειδώνα. Παράγεται σε πυρηνικούς αντιδραστήρες με πρώτη ύλη το ουράνιο που χρησιμοποιείται ως καύσιμη ύλη. Χρησιμοποιείται στους αντιδραστήρες και στην κατασκευή πυρηνικών όπλων σχάσης.

Ιστορία

Ανακάλυψη

Ο Ενρίκο Φέρμι και μία ομάδα επιστημόνων στο Πανεπιστήμιο της Ρώμης, ανέφεραν ότι είχαν ανακαλύψει το στοιχείο 94 το 1934.. Ο Φέρμι αποκαλούσε το στοιχείο hesperium και το ανάφερε στη διάλεξή του κατά την απονομή του βραβείου Νόμπελ το 1938. Το δείγμα ήταν στην πραγματικότητα ένα μείγμα από βάριο, κρυπτό και άλλα στοιχεία, μα αυτό δεν ήταν γνωστό εκείνη την εποχή γιατί η πυρηνική σχάση δεν είχε ανακαλυφθεί ακόμη.

Ο Γκλεν Θ. Σίμποργκ και η ομάδα του στο Μπέρκλεϊ ήταν οι πρώτοι που παρήγαγαν πλουτώνιο

Το πλουτώνιο (ακριβέστερα το ισότοπο ²³⁸Pu) παράχθηκε και απομονώθηκε για πρώτη φορά στις 14 Δεκεμβρίου 1940 και εντοπίστηκε χημικά στις 23 Φεβρουαρίου 1941 από τους Γκλεν Σίμποργκ (Glenn Theodore Seaborg, 1912 – 1999), Έντουιν Μακ Μίλαν (Edwin Mattison McMillan, 1907 – 1991), Τζόζεφ Κένεντι (Joseph William Kennedy, 1916 – 1957) και Άρθουρ Γουώλ (Arthur C. Wahl, 1917 – 2006), με βομβαρδισμό ουρανίου με πυρήνες δευτερίου σε κύκλοτρο 60 ιντσών (152,4 cm) στο πανεπιστήμιο του Μπέρκλεϊ στην Καλιφόρνια. Στο πείραμα του 1940, το ποσειδώνιο-238 δημιουργήθηκε άμεσα από τον βομβαρδισμό αλλά διασπάσθηκε με εκπομπή β-σωματιδίων δύο μέρες αργότερα, με την οποία σχηματίστηκε και το νέο στοιχείο 94.

Το έγγραφο που τεκμηριώνει την ανακάλυψη συντάχθηκε από την επιστημονική ομάδα και στάλθηκε στο περιοδικό Physical Review τον Μάρτιο του 1941. Το έγγραφο αποσύρθηκε πριν από τη δημοσίευσή του όταν διαπιστώθηκε ότι ένα ισότοπο του νέου στοιχείου (το ²³⁹Pu) θα μπορούσε να υποστεί πυρηνική σχάση με τέτοιο τρόπο που θα μπορούσε να γίνει χρήσιμο στην ατομική βόμβα. Η δημοσίευση καθυστέρησε έως ένα χρόνο μετά τη λήξη του Β' Παγκοσμίου Πολέμου για λόγους ασφαλείας.

Ο Έντουιν Μακ Μίλαν είχε πρόσφατα ονομάσει το πρώτο υπερουράνιο στοιχείο με το όνομα του πλανήτη Ποσειδώνα και πρότεινε το εν λόγω στοιχείο 94, που είναι το επόμενο στοιχείο της σειράς, να πάρει το όνομά του από τον επόμενο πλανήτη, τον Πλούτωνα Ο Σίμποργκ αρχικά θεώρησε πως το όνομα του στοιχείου θα ήταν "plutium", "πλούτιο", αλλά στη συνέχεια έκρινε πως δεν ακουγόταν ηχητικά τόσο καλά όσο το "plutonium", "πλουτώνιο".. Επέλεξε τα γράμματα "Pu" ως αστείο, τα οποία πέρασαν χωρίς προειδοποίηση στον περιοδικό πίνακα. Εναλλακτικές ονομάσιες δημιουργημένες από τον Σίμποργκ ήταν ουλτίμιο (ultimium) ή εξτρέμιο (extremium) λόγω της λανθασμένης πεποίθησης ότι βρήκαν το τελευταίο δυνατό χημικό στοιχείο στον περιοδικό πίνακα.

Πρώιμη Έρευνα

Η βασική χημεία του πλουτωνίου λίγους μήνες μετά την αρχική μελέτη έμοιαζε να έχει ομοιότητες με αυτήν του ουρανίου . Η πρωταρχική έρευνα συνεχίστηκε μυστικά στο μεταλλουργικό εργαστήριο του Πανεπιστημίου του Σικάγου. Στις 18 Αυγούστου του 1942, απομονώθηκαν και μετρήθηκαν για πρώτη φορά ίχνη πλουτωνίου. Περίπου 50 μg πλουτωνίου-239 παράχθηκαν αναμειγμένα με ουράνιο και άλλα προϊόντα σχάσης με αποτέλεσμα να απομονωθεί μόνο 1 μg καθαρού πλουτωνίου. Η διαδικασία αυτή επέτρεψε στους χημικούς να καθορίσουν τη σχετική ατομική μάζα του νέου στοιχείου

Τον Νοέμβριο του 1943 δείγμα τριφθοριούχου πλουτωνίου υπέστη αναγωγή με αποτέλεσμα τη δημιουργία του πρώτου δείγματος μεταλλικού πλουτωνίου: μερικά μικρογραμμάρια μεταλλικές χάντρες αρκετά όμως για να χαρακτηριστεί ως το πρώτο συνθετικό στοιχείο που έγινε ορατό με γυμνό μάτι.

Οι ραδιενεργές ιδιότητες του ²³⁹Pu μελετήθηκαν επίσης: Ερευνητές διαπίστωσαν ότι όταν χτυπηθεί από ένα νετρόνιο υφίσταται σχάση απελευθερώνοντας περισσότερα νετρόνια και ενέργεια. Αυτά τα νετρόνια μπορούν να συγκρουστούν με άλλα άτομα ²³⁹Pu και ούτω καθ' εξής σε μια, εκθετικού ρυθμού, ταχεία αλυσιδωτή αντίδραση. Αυτό μπορεί να οδηγήσει σε έκρηξη αρκετά μεγάλη για να καταστρέψει μια πόλη εάν υπάρχει αρκετό συγκεντρωμένο ισότοπο ούτως ώστε να σχηματίσει μία κρίσιμη μάζα.

Παραγωγή κατά τη διάρκεια του σχεδίου Μανχάταν

Η πρόσοψη του Αντιδαστήρα Β του Hanford υπό κατασκευή - ο πρώτος αντιδραστήρας παραγωγής πλουτωνίου.

Κατά τη διάρκεια του Β' Παγκοσμίου Πολέμου η κυβέρνηση των Η.Π.Α. έθεσε σε εφαρμογή το Σχέδιο Μανχάταν, το οποίο είχε στόχο την ανάπτυξη ατομικής βόμβας. Οι τρεις βασικές περιοχές έρευνας και παραγωγής του Σχεδίου ήταν η εγκατάσταση παραγωγής πλουτωνίου εκεί που είναι τώρα η τοποθεσία Χάνφορντ, οι εγκαταστάσεις εμπλουτισμού ουρανίου στο Όακ Μπριτζ και το Τενεσί, για τις έρευνες των όπλων σε ένα εργαστήριο σχεδιασμού γνωστό σήμερα ως Εθνικό Εργαστήριο του Λος Άλαμος.

Ο πρώτος αντιδραστήρας παραγωγής πλουτωνίου-239 ήταν ο Αντιδραστήρας γραφίτη X-10. Κατασκευάστηκε το 1943 σε μια εγκατάσταση στην Όακ Μπρίτζ που αργότερα έγινε το Εθνικό Εργαστήριο Όακ Μπριτζ.

Στις 5 Απριλίου 1944, ο Εμίλιο Τζίνο Σεγκρέ (Emilio Gino Segrè) στο Λος Άλαμος (Los Alamos) έλαβε το πρώτο δείγμα από αντιδραστήρα παραγωγής πλουτωνίου στο Όακ Μπριτζ. Εντός δέκα ημερών, ανακάλυψε ότι o τροφοδοτούμενος με πλουτώνιο αντιδραστήρας είχε υψηλότερη συγκέντρωση στο ισότοπο πλουτώνιο-240 από το πλουτώνιο που παραγόταν από το κύκλοτρο. Το πλουτώνιο-240 έχει ρυθμό υψηλής αυθόρμητης σχάσης, αυξάνοντας το συνολικό επίπεδο του υποβάθρου νετρονίων του δείγματος πλουτωνίου. Το αρχικό όπλο τύπου πλουτωνίου με το κωδικό όνομα "Thin Man, ως αποτέλεσμα, έπρεπε να εγκαταλειφθεί, καθώς η αύξηση του αριθμού των αυθόρμητων νετρονίων έδειχνε ότι η πυρηνική προ-έκρηξη θα ήταν πιθανή.

Η κατασκευή του Αντιδραστήρα Β του Hanford, του πρώτου βιομηχανικού μεγέθους πυρηνικού αντιδραστήρα για παραγωγικούς σκοπούς, ολοκληρώθηκε τον Μάρτιο του 1945. Ο Αντίδραστήρας Β παρήγαγε το σχάσιμο υλικό για τα όπλα πλουτωνίου που χρησιμοποιείτο κατα τη διάρκεια του Β' Παγκοσμίου Πολέμου.

Οι αντιδραστήρες Β, Γ και Δ ήταν οι αρχικοί αντιδραστήρες που ήταν χτισμένοι στο Hanford και έξι επιπλέον αντιδραστήρες παραγωγής πλουτωνίου χτίστηκαν αργότερα σε αυτόν το χώρο.

Το 2004, ένα χρηματοκιβώτιο ανακαλύφθηκε κατά τη διάρκεια των ανασκαφών μιας τάφρου ενταφιασμών στο πυρηνικό εργοστάσιο Hanford. Μέσα στο χρηματοκιβώτιο υπήρχαν διάφορα αντικείμενα, συμπεριλαμβανομένης και μιας μεγάλης γυάλινης φιάλης που περιείχε μέσα έναν υπόλευκο πολτό ο οποίος στη συνέχεια προσδιορίστηκε ως το παλαιότερο γνωστό στρατιωτικό δείγμα πλουτωνίου. Η ισοτοπική ανάλυση από το Νοτιότερο Εργαστήριο του Ειρηνικού ωκεανού ανάφερε ότι το πλουτώνιο στη φιάλη παρασκευάστηκε από τον Αντιδραστήρα X-10 στο Όακ Μπρίτζ κατά τη διάρκεια του 1944.

Ατομικές βόμβες τύπου Τριάδας και «Fat Man»

Εξαιτίας της παρουσίας του πλουτωνίου-240 στον αντιδραστήρα φυλής πλουτωνίου, ο σχεδιασμός κατάρρευσης αναπτύχθηκε μόνο για τα όπλα τύπου «Fat Man» και «Τριάδας» (αγγ. Trinity).

Η πρώτη δοκιμή ατομικής βόμβας, με το κωδικό όνομα «Τριάδα» (Trinity) έγινε στις 16 Ιουλίου του 1945, κοντά στο Αλαμογκόρντο του Νέου Μεξικού και χρησιμοποιήθηκε πλουτώνιο ως σχάσιμο υλικό. Το σχέδιο κατάρρευσης «το Gadget», καθώς η συσκευή «Τριάδα» απέκτησε κωδικό, χρησιμοποιεί συμβατικά εκρηκτικά-φακούς για να συμπιεστεί μια σφαίρα του πλουτωνίου σε υπερκρίσιμη μάζα, η οποία ταυτόχρονα πλημμύρισε με νετρόνια από το «Urchin», μια συσκευή έναυσης κατασκευασμένη από πολώνιο και βηρύλλιο (πηγή νετρονίων: (α, n) αντίδραση). Μαζί, αυτά εξασφάλιζαν μια ανεξέλεγκτη αλυσιδωτή αντίδραση και την έκρηξη. Το όπλο, στο σύνολό του, ζύγιζε περίπου 4 τόνους, αν και χρησιμοποιούσε 6,2 kg πλουτωνίου στον πυρήνα του. Περίπου 20% του πλουτωνίου που χρησιμοποιήθηκε στο όπλο «Τριάδα» είχε ως αποτέλεσμα έκρηξη με ενέργεια ισοδύναμη με 20.000 τόνους TNT.

Πανομοιότυπος σχεδιασμός χρησιμοποιήθηκε στην ατομική βόμβα "Fat Man", η οποία εξερράγη στο Ναγκασάκι (Ιαπωνία) στις 9 Αυγούστου 1945, σκοτώνοντας 70.000 ανθρώπους και τραυματίζοντας άλλους 100.000. Η βόμβα «Little Boy» εξερράγη στη Χιροσίμα, 3 μέρες νωρίτερα, και εκεί χρησιμοποιήθηκε ουράνιο-235, όχι πλουτώνιο. Η Ιαπωνία παραδόθηκε στις 15 Αυγούστου και μόνο μετά την ανακοίνωση για τις πρώτες ατομικές βόμβες η παρουσία του πλουτωνίου έγινε γνωστή δημοσίως.

Χρήση και απόβλητα ψυχρού πολέμου

Μεγάλα αποθέματα πλουτωνίου δημιουργήθηκαν για στρατιωτική χρήση, τόσο από τη Σοβιετική Ένωση (Ε.Σ.Σ.Δ.) όσο και από τις Ηνωμένες Πολιτίες της Αμερικής κατα τη διάρκεια του Ψυχρού Πολέμου. Οι αντιδραστήρες των Η.Π.Α. στο Hanford και στη Περιοχή Σαβάνα Ρίβερ (Savannah River Site) στη Νότια Καρολίνα παράγουν 103 τόνους, και περίπου 170 τόνοι στρατιωτικού πλουτωνίου παρήχθη στη Ρωσία. Κάθε χρόνο 20 τόνοι από το στοιχείο εξακολουθούν να παράγονται ως υποπροϊόν της βιομηχανίας πυρηνικής ενέργειας. Τουλάχιστον 1000 τόνοι του πλουτώνιου μπορούν να είναι στην αποθήκευση με περισσότερους από 200 τόνους από αυτό να είναι είτε από μέσα από τα πυρηνικά όπλα, είτε βγαλμένα από τα πυρηνικά όπλα . Η εκτίμηση SIPRI του αποθέματος πλουτωνίου ανα τον κόσμο το 2007 ήταν 500 τόνοι, εξίσου κατανομή των όπλων και των πολιτικών αποθεμάτων.

Προτεινόμενο σχέδιο σηράγγων αποθήκευσης αποβλήτων για αποθήκη πυρηνικών αποβλήτων βουνών Yucca.

Από το τέλος του ψυχρού πολέμου, αυτά τα αποθέματα έχουν γίνει εστία των ανησυχιών εξάπλωσης των πυρηνικών όπλων. Στις ΗΠΑ, κάποια ποσότητα πλουτωνίου που εξάγεται από τα αποσυναρμολογημένα πυρηνικά όπλα λειώνει για να διαμορφώσει τα κυλινδικούς σχηματισμούς του οξειδίου πλουτώνιου που ζυγίζουν δύο τόνους. Tο γυαλί αποτελείται από τα βοροπυριτικά που αναμιγνύονται με το κάδμιο και το γαδολίνιο. Αυτά τα κούτσουρα προγραμματίστηκαν να εγκιβωτιστούν σε ανοξείδωτο χαλυβά και να αποθηκευτούν τουλάχιστον 4 χιλιόμετρα υπογείως μέσα σε οπές που θα έσουν μέσα σκυρόδεμα. Από το 2008, το μόνο κέντρο στις Η.Π.Α. που έχει προγραμματιστεί για την αποθήκευση του πλουτωνίου είναι το κέντρο Αποθήκης πυρηνικών αποβλήτων βουνών Yucca, το οποίο είναι 100 μίλια (160 χλμ) βορειοανατολικά του Λας Βέγκας, στη Νεβάδα. Οι τοπικές και κρατικές αντιθέσεις με αυτό το σχέδιο έχουν καθυστερήσει τις προσπάθειες για την αποθήκευση πυρηνικών αποβλήτων στο βουνό Yucca. Το Μάρτιο του 2010, το Τμήμα Ενέργειας απέσυρε την αίτηση αδειών του για την αποθήκη " βουνών Yucca με το predjudice" και χρηματοδότηση για το γραφείο της πολιτικής διαχείρησης ραδιενεργών αποβλήτων, η οποία είχε διαχειριστεί την περιοχή βουνών Yucca για 25 έτη.

Ιατρικοί πειραματισμοί

Κατά τη διάρκεια και μετά από του τέλους του Δεύτερου Παγκόσμιου Πολέμου, οι επιστήμονες που λειτουργούν στο πρόγραμμα του Μανχάταν και άλλα ερευνητικά προγράμματα πυρηνικών όπλων πραγματοποίησαν τις μελέτες των αποτελεσμάτων του πλουτώνιου στα εργαστηριακά ζώα και τα ανθρώπινα θέματα. Ζωικές μελέτες διαπίστωσαν ότι μερικά χιλιοστόγραμμα του πλουτώνιου ανά χιλιόγραμμο του ιστού είναι μια θανατηφόρα δόση. Στην περίπτωση των ανθρώπινων θεμάτων, αυτό περιέλαβε την έγχυση των λύσεων που περιέχουν (τυπικά) πέντε μικρογραμμάρια του πλουτώνιου στους ασθενείς νοσοκομείου πιθανά είτε κατά το τέλος άρρωστους, είτε για να έχει μια υπολογιζόμενη διάρκεια ζωής λιγότερο από δέκα ετών είτε που οφείλονται στην ηλικία είτε τον όρο χρόνιων αρρωστίων. αυτό μειώθηκε σε ένα μικρογραμμάριο Ιουλίου 1945 αφότου διαπίστωσαν οι ζωικές μελέτες ότι ο τρόπος που το πλουτώνιο διανεμήθηκε στα κόκκαλα ήταν πιο επικίνδυνος από το ράδιο. Δεκαοχτώ ανθρώπινα θέματα δοκιμής εγχθήκαν με το πλουτώνιο χωρίς ενημερωμένη συγκατάθεση. Οι δοκιμές χρησιμοποιήθηκαν για να δημιουργήσουν τα διαγνωστικά εργαλεία για να αποφασίσουν τη λήψη του πλουτώνιου στο σώμα προκειμένου να αναπτυχθούν οι ασφάλειες προτύπου για την εργασία με το πλουτώνιο. Το επεισόδιο θεωρείται τώρα μια σοβαρή παραβίαση της ιατρικής ηθικής και του ιπποκράτειου όρκου. Περισσότεροι συμπονετικοί σχολιαστές έχουν σημειώσει ότι ενώ ήταν σίγουρα μια παραβίαση στην εμπιστοσύνη και την ηθική, " τα αποτελέσματα των εγχύσεων πλουτώνιου δεν ήταν όπως καταστρεπτικά στα θέματα ως πρόωρες ειδήσεις που χρωματίστηκαν, ούτε ήταν τόσο ανακόλουθες τόσο πολλοί επιστήμονες, έπειτα και τώρα, πιστεύουν.

Χαρακτηριστικά

Φυσικά χαρακτηριστικά

Μεταβολές της πυκνότητας του Pu σε συνάρτηση με τη θερμοκρασία

Το πλουτώνιο, όπως και άλλα πολλά μέταλλα, έχει ασημένια εμφάνιση σαν το νικέλιο, αλλά οξειδώνεται πολύ γρήγορα, δημιουργώντας γκρίζο, κίτρινο, ή πράσινο στο χρώμα της ελιάς οξείδιο. Σε θερμοκρασία δωματίου το πλουτώνιο είναι στην α-μορφή που είναι και η πιο κοινή δομική μορφή του στοιχείου. Η α-μορφή είναι τόσο εύθρυπτη, όσο και ο γκρίζος χυτοσίδηρος, εκτός κι αν είναι κράμα με άλλα μέταλλα οπότε γίνεται μαλακή και όλκιμη. Σε αντίθεση με άλλα μέταλλα, το πλουτώνιο, δεν είναι καλός αγωγός του ηλεκτρισμού και της θερμότητας. Έχει χαμηλό σημείο τήξης (640 °C), και ασυνήθιστα υψηλό σημείο βρασμού (3327 °C).

Η εκπομπή σωματιδίων α, που είναι υψηλής ενέργειας πυρήνες ηλίου, είναι η πιο γνωστή μορφή ακτινοβολίας που εκπέμπεται από το πλουτώνιο. Ένας τυπικός πυρήνας πυρηνικού όπλου 5 Kg περιέχει 12,5 × 10²⁴ άτομα. Με χρόνο ημιζωής 24.100 χρόνια, περίπου 11,5 × 10¹² από τα άτομά του διασπόνται κάθε δευτερόλεπτο εκπέμποντας 5,157 MeV α- σωματιδίων. Η θερμότητα που παράγεται με την επιβράδυνση και την τριβή των α - σωματιδίων, κάνει το Pu πολύ ζεστό για να το αγγίξουμε.

Η ειδική ηλεκτρική αντίσταση είναι ένα μέτρο που μετρά πόσο έντονα ένα υλικό αντιστέκεται στη ροή του ηλεκτρικού ρεύματος. Η ειδική ηλεκτρική αντίσταση του πλουτωνίου σε θερμοκρασία δωματίου είναι πολύ μεγάλη για ένα μέταλλο, και γίνεται όλο και πιο μεγάλη σε χαμηλότερες θερμοκρασίες, σε αντίθεση με τα άλλα μέταλλα. Η τάση αυτή συνεχίζεται μέχρι τους 100 Κ κάτω από τους οποίους, η αντίσταση μειώνεται γρήγορα για πρόσφατες ποσότητες πλουτωνίου. Μετά, στους 20 K περίπου, η αντίσταση αρχίζει να αυξάνεται με τον χρόνο πράγμα που οφείλεται στις απώλειες μάζας που δημιουργεί η ακτινοβόληση. Αυτή η αύξηση της αντίστασης, εξαρτάται από την ισοτοπική σύσταση του μελετούμενου δείγματος.

Λόγω της εκπομπής ακτινοβολίας, καταστρέφεται το κρυσταλλικό πλέγμα του πλουτωνίου, δηλαδή διαταράσσεται η κανονική διάταξη των ατόμων του με το χρόνο. Ωστόσο, η ραδιοεκπομπή μπορεί να οδηγήσει επίσης σε ανόπτηση που εξουδετερώνει κάποιες από τις επιπτώσεις καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται πάνω από τους 100 Κ.

Σε αντίθεση με άλλα υλικά, το πλουτώνιο "αυξάνει" την πυκνότητά του όταν τήκεται, κατά 2,5 %, αλλά το υγρό μέταλλο δείχνει μία γραμμική μείωση της πυκνότητας με την θερμοκρασία. Κοντά στο σημείο τήξης του, το πλουτώνιο έχει επίσης πολύ μεγάλο ιξώδες και επιφανειακή τάση σε σύγκριση με άλλα μέταλλα.

Αλλοτροπικές μορφές

Το πλουτώνιο εμφανίζεται με έξι αλλοτροπικές μορφές σε κανονική ατμοσφαιρική πίεση (δηλ. 1 Atm): άλφα (α), βήτα (β), γάμμα (γ), δέλτα (δ), δέλτα prime (δ'), & έψιλον (ε)

Το πλουτώνιο κανονικά έχει έξι αλλοτροπικές μορφές και διαθέτει άλλη μια έβδομη, τη ζήτα, ζ, σε υψηλή θερμοκρασία και περιορισμένο εύρος πιέσεων. Αυτές οι αλλοτροπικές μορφές έχουν παρόμοιες εσωτερικές πηγές ενέργειας, αλλά διαφέρουν σημαντικά οι πυκνότητες και τα κρυσταλλικά πλέγματά τους. Αυτό κάνει το πλουτώνιο πολύ ευαίσθητο στις μεταβολές της θερμοκρασίας, της πίεσης και επιτρέπει τις μεγάλες μεταβολές του όγκου κατά τη μετάβαση από τη μία αλλοτροπική μορφή στην άλλη. Οι διαλυτότητες των διαφόρων αλλοτρόπων κυμαίνονται από 16.00 g/cm³ έως 19.86 g/cm³.

Η παρουσία των αλλοτροπικών μορφών καθιστά τη μηχανική κατεργασία του πλουτωνίου πολύ δύσκολη, δεδομένου ότι αλλάζει κατάσταση πολύ εύκολα. Για παράδειγμα, η α-μορφή υπάρχει σε θερμοκρασία δωματίου από καθαρό πλουτώνιο. Έχει παρόμοια μηχανικά χαρακτηριστικά με το χυτοσίδηρο, όμως αλλάζει στην πλαστική και ελατή β-μορφή σε ελαφρά υψηλότερες θερμοκρασίες. Οι λόγοι για την πολύπλοκη φάση του διπλανού διαγράμματος δεν είναι πλήρως κατανοητοί. Η α-μορφή έχει μονοκλινή συμμετρία στην οποία οφείλεται και η ευθραυστότητα, ο εφελκυσμός, η συμπιεστότητα και η μικρή αγωγιμότητα.

Η δ-μορφή του πλουτωνίου εμφανίζεται κανονικά από τους 310 °C έως τους 452 °C αλλά είναι σταθερή και σε θερμοκρασία δωματίου όταν είναι σε κράμα με μικρό ποσοστό γαλλίου, αργιλίου ή δημητρίου. Διευκολύνεται έτσι η μηχανική κατεργασία των κραμάτων αυτών και ενισχύονται οι συγκολλητικές τους ιδιότητες. Η δ-μορφή έχει περισσότερο τυπικό μεταλλικό χαρακτήρα, και είναι ανθεκτική και ελατή, όπως το αλουμίνιο. Σε πυρηνικά όπλα σχάσης, τα ωστικά εκρηκτικά κύματα χρησιμοποιούνται για τη συμπίεση του πυρήνα πλουτωνίου, που θα προκαλέσει επίσης μετάβαση από τη συνηθισμένη δ-μορφή, στην πυκνότερη α-μορφή, συμβάλλοντας σημαντικά στην επίτευξη της κρίσιμης μάζας που είναι απαραίτητη για την έναρξη της σχάσης και την έκρηξη του όπλου. Η ε-μορφή, που είναι στερεή μορφή υψηλής θερμοκρασίας, παρουσιάζει ανωμαλία υψηλής ατομικής αυτο-διάχισης σε σχέση με άλλα στοιχεία.

Πυρηνική σχάση

Δακτυλίδι από 99,96 % καθαρό πλουτώνιο, αρκετό για μία πυρηνική βόμβα. Το δακτυλίδι έχει μάζα 5,3 Kg περίπου και έχει διάμετρο 11 cm

Το πλουτώνιο είναι ένα στοιχείο στο οποίο τα 5f ηλεκτρόνια είναι ημιεντοπισμένα. Ως εκ τούτου θεωρείται από τα πιο πολύπλοκα στοιχεία. Πρόκειται για ένα ραδιενεργό μέταλλο των ακτινιδών και το ισότοπό του, το ²³⁹Pu, είναι ένα από τα τρία βασικά ισότοπα για τη σχάση (το ουράνιο-233 και το ουράνιο-235 είναι τα άλλα δύο) Το ²⁴¹Pu είναι κι αυτό εξαιρετικά σχάσιμο. Για να θεωρηθεί σχάσιμο ένα ισότοπο πρέπει ο πυρήνας του να είναι σε θέση να διασπαστεί ή να υποστεί σχάση όταν χτυπηθεί από βραδέως κινούμενο νετρόνιο, απελευθερώνοντας έτσι αρκετά επιπλέον νετρόνια και συντηρώντας την πυρηνική αλυσιδωτή αντίδραση.

Το πλουτώνιο-239 έχει πολλαπλασιαστικό παράγοντα (k) μεγαλύτερο από ένα, πράγμα που σημαίνει ότι αν το μέταλλο έχει αρκετή μάζα και με την κατάλληλη γεωμετρία (π.χ. μία συμπιεσμένη σφαίρα), μπορεί να αποτελέσει κρίσιμη μάζα. Κατά τη διάρκεια της σχάσης, ένα μέρος της ενέργειας σύνδεσης, η οποία συγκρατεί τον πυρήνα συμπαγή, απελευθερώνεται με τη μορφή μεγάλης ποσότητας θερμικής, ηλεκτρομαγνητικής και κινητικής ενέργειας: ένα κιλό πλουτωνίου-239, μπορεί να παράγει μία έκρηξη ισοδύναμη με 20.000 τόνους εκρηκτικού TNT. Αυτή είναι η ενέργεια που κάνει το πλουτώνιο-239 χρήσιμο για πυρηνικά όπλα και πυρηνικούς αντιδραστήρες.

Η παρουσία του ισοτόπου ²⁴⁰Pu σε ένα δείγμα, περιορίζει τις δυνατότητες της πυρηνικής βόμβας διότι αυτό έχει ένα σχετικά υψηλό ποσοστό αυθόρμητης σχάσης (~ 440 διασπάσεις ανά δευτερόλεπτο και ανά γραμμάριο δηλαδή πάνω από 1000 νετρόνια ανά δευτερόλεπτο και ανά γραμμάριο), αυξάνοντας έτσι τον κίνδυνο πρόωρης έκρηξης. Το πλουτώνιο χαρακτηρίζεται ως οπλικό σύστημα, ως καύσιμο ή ως υλικό για αντιδραστήρα με βάση το ποσοστό πλουτωνίου-240 που περιέχει. Τα όπλα πλουτωνίου περιέχουν λιγότερο από 7 % πλουτώνιο-240. Το πλουτώνιο που προορίζεται για καύσιμο περιέχει από 7 % έως λιγότερο από 19 % πλουτώνιο-240 και το πλουτώνιο των αντιδραστήρων περιέχει 19 % ή περισσότερο πλουτώνιο-240. Το εμπλουτισμένο πλουτώνιο-239 όταν περιέχει λιγότερο από 4 % πλουτώνιο-240, χρησιμοποιείται στα όπλα του αμερικάνικου ναυτικού που προορίζονται για αποθήκευση, στα πλοία και στα υποβρύχια επειδή είναι λιγότερο ραδιενεργό. Το ισότοπο ²³⁸Pu δεν είναι σχάσιμο, αλλά μπορεί να υποστεί πυρηνική σχάση εύκολα με ταχέως κινούμενα νετρόνια αλλά και με α-διάσπαση.

Ισότοπα και σύνθεση

Είκοσι ραδιενεργά ισότοπα του πλουτωνίου έχουν χαρακτηρισθεί. Τα μακροβιότερα είναι το πλουτώνιο-244, με χρόνο ημιζωής 80,8 εκατομμύρια χρόνια, το πλουτώνιο-242 με ημιζωή 373.300 χρόνια και το πλουτώνιο-239 με ημιζωή 24.110 χρόνια. Τα υπόλοιπα ραδιοϊσότοπα έχουν ημιζωή λιγότερη από 7.000 χρόνια. Το πλουτώνιο έχει επίσης οκτώ μετασταθείς καταστάσεις, αν και καμμία δεν είναι σταθερή και όλες έχουν ημιζωή κάτω από ένα δευτερόλεπτο.

Οι μαζικοί αριθμοί των ισοτόπων του πλουτωνίου κυμαίνονται από 228 έως 247. Ο βασικός τρόπος διάσπασης των ισοτόπων με μαζικό αριθμό μικρότερο από το πιο σταθερό ισότοπο, το πλουτώνιο-244, είναι η αυθόρμητη σχάση και η εκπομπή α-σωματιδίων, ενώ, ως επί το πλείστον, τα προϊόντα διάσπασης είναι ισότοπα του ουρανίου (με 92 πρωτόνια) και του ποσειδωνίου (με 93 πρωτόνια) (αγνοώντας τους ενδιάμεσους θυγατρικούς πυρήνες που δημιουργούνται). Ο κύριος τρόπος διάσπασης για τα ισότοπα που έχουν μαζικό αριθμό μεγαλύτερο από το πλουτώνιο-244, είναι η εκπομπή β-σωματιδίων, ως επί το πλείστον όμως τα προϊόντα αποσύνθεσης αποτελούν τα ισότοπα του αμερικίου (με 95 πρωτόνια). Το πλουτώνιο-241 είναι το μητρικό ισότοπο της ραδιενεργής σειράς του ποσειδωνίου, που αποσυντίθεται σε αμερίκιο-241, μέσω της εκπομπής β-σωματιδίων ή με εκπομπή ηλεκτρονίων.

Το πλουτώνιο-238 και 239 είναι τα πιο κοινά από τα συνθετικά ισότοπα. Το πλουτώνιο-239 δημιουργείται με την ακόλουθη αντίδραση από ουράνιο (U) και νετρόνια (n), μέσω της διάσπασης βήτα (β⁻) με ποσειδώνιο (Np), ως ενδιάμεσο:

$\mathrm{^{238}_{\ 92}U\ +\ ^{1}_{0}n\ \longrightarrow \ ^{239}_{\ 92}U\ \xrightarrow[23.5 \ min]{\beta^-} \ ^{239}_{\ 93}Np\ \xrightarrow[2.3565 \ d]{\beta^-} \ ^{239}_{\ 94}Pu}$

Τα νετρόνια από τη σχάση του ουρανίου-235 συλλαμβάνονται από τους πυρήνες του ουρανίου-238 για να σχηματίσουν το ουράνιο-239: η β-διάσπαση μετατρέπει ένα νετρόνιο σε ένα πρωτόνιο για να σχηματίσει το ποσειδώνιο-239 (ημιζωή 2,36 ημέρες) και άλλη μία β-διάσπαση σχηματίζει πλουτώνιο-239. Οι επιστήμονες που συμμετείχαν στο μυστικό Βρετανικό πρόγραμμα κατασκευής ατομικής βόμβας κατά το Β' Παγκόσμιο Πόλεμο, είχαν προβλέψει αυτή την αντίδραση θεωρητικά το 1940.

Το πλουτώνιο-238 συντίθεται με βομβαρδισμό ουρανίου-238 με δευτερόνια (το D είναι ο πυρήνας του βαρέος υδρογόνου) στην ακόλουθη αντίδραση:

$\mathrm{^{238}_{\ 92}U\ +\ ^{2}_{1}D\ \longrightarrow \ ^{238}_{\ 93}Np\ +\ 2\ ^{1}_{0}n \quad;\quad ^{238}_{\ 93}Np\ \xrightarrow[2.117 \ d]{\beta^-} \ ^{238}_{\ 94}Pu}$

Σε αυτή τη διαδικασία, ένα δευτερόνιο χτυπά το ουράνιο-238 για να παράγει δύο νετρόνια και για να σχηματίσει το ποσειδώνιο-238, το οποίο διασπάται αυθόρμητα εκπέμποντας αρνητικά β-σωματίδια για να σχηματίσει το πλουτώνιο-238.

Θερμότητα διάσπασης και ιδιότητες σχάσης

Τα ισότοπα του πλουτωνίου υφίστανται ραδιενεργό διάσπαση, κατά την οποία παράγεται θερμότητα. Τα διαφορετικά ισότοπα παράγουν διαφορετική θερμότητα ανά μονάδα μάζας. Η θερμότητα διάσπασης εκφράζεται συνήθως ως W/Kg ή mW/g. Σε περίπτωση μεγαλύτερων κομματιών πλουτωνίου (όπως είναι πχ. το τμήμα του όπλου που περιέχει το σχάσιμο υλικό) και ανεπαρκούς απαγωγής της θερμότητας, τα αποτελέσματα από την υπερθέρμανση μπορεί να είναι σημαντικά. Όλα τα ισότοπα κατά τη διάσπασή τους παράγουν ακτίνες γάμμα μικρής ενέργειας.

Η θερμότητα διάσπασης των ισοτόπων του πλουτωνίου

Ισότοπο	Είδος διάσπασης	Χρόνος ημιζωής (έτη)	Θερμότητα διάσπασης (W/kg)	Αυθόρμητη σχάση νετρόνια (1/(g·s))	Σχόλιο
Pu-238	άλφα διάσπαση δημιουργώντας U-234	87.74	560	2600	Πολύ υψηλή θερμότητα διάσπασης. Ακόμα και σε μικρές ποσότητες μπορεί να προκαλέσει σημαντική αυτο-θέρμανση. Χρησιμοποιείται από μόνο του στις ραδιοϊσοτοπικές θερμοηλεκτρικές γεννήτριες.
Pu-239	άλφα διάσπαση δημιουργώντας U-235	24100	1.9	0.022	Το κύριο σχάσιμο ισότοπο που χρησιμοποιείται.
Pu-240	άλφα διάσπαση δημιουργώντας U-236, αυθόρμητη σχάση	6560	6.8	910	Η κύρια πρόσμειξη με πλουτώνιο-239. Ο εμπλουτισμός σε πλουτώνιο αναφέρεται συνήθως σε ποσοστό πλουτωνίου-240. Η υψηλή αυθόρμητη σχάση παρεμποδίζει τη χρήση σε πυρηνικά όπλα.
Pu-241	βήτα διάσπαση δημιουργώντας Am-241	14.4	4.2	0.049	Διασπάται προς αμερίκιο-241: η συσσώρευσή του παρουσιάζει μεγάλο κίνδυνο από την ακτινοβολία στα παλιά δείγματα.
Pu-242	άλφα διάσπαση δημιουργώντας U-238	376000	0.1	1700

Το αμερίκιο-241, το προϊόν διάσπασης του πλουτωνίου-241, έχει διάρκεια ημιζωής 430 έτη, 1,2 αυθόρμητες σχάσεις ανά γραμμάριο και ανά δευτερόλεπτο, και θερμότητα διάσπασης 114 W/Kg. Καθώς η διάσπαση παράγει εξαιρετικά διεισδυτικές ακτίνες γάμμα, η παρουσία της στο πλουτώνιο προσδιοριζόμενη από την αρχική συγκέντρωση πλουτωνίου-241 και την ηλικία του δείγματος, αυξάνει την έκθεση στην ακτινοβολία του περιβάλλοντος χώρου και του προσωπικού που βρίσκεται κοντά.

Χημεία και ενώσεις του πλουτωνίου

Διάφορες καταστάσεις οξείδωσης του πλουτωνίου σε διαλύματα

Σε θερμοκρασία δωματίου, το καθαρό πλουτώνιο έχει ασημί χρώμα, αμαυρώνεται όμως όταν οξειδώνεται. Το στοιχείο εμφανίζεται στις ενώσεις του με πέντε αριθμούς οξείδωσης :

• Pu(III) ως Pu³⁺ (μπλε στο χρώμα της λεβάντας)
• Pu(IV) ως Pu⁴⁺ (κίτρινο με καφέ)
• Pu(V) ως PuO₂⁺ (ροζ?)
• Pu(VI) ως PuO₂²⁺ (ροζ με πορτοκαλί)
• Pu(VII) ως PuO₅³⁻ (πράσινο στο χρώμα της ελιάς. Το Pu(VII) είναι σπάνιο.

Το χρώμα που αποκτούν τα διαλύματα πλουτωνίου εξαρτάται από την οξειδωτική κατάσταση και τη φύση του όξινου ανιόντος. Το ανιόν αυτό μάλιστα, καθορίζει και τον τρόπο συναρμογής στα σύμπλοκα του πλουτωνίου, δηλαδή το πώς τα άτομα συνδέονται με το κεντρικό άτομο.

Το μεταλλικό πλουτώνιο παράγεται από την αντίδραση του τετραφθοριούχου πλουτωνίου με βάριο, ασβέστιο ή λίθιο στους 1200°C. Προσβάλλεται από οξέα, οξυγόνο και υδρατμούς, αλλά όχι από τα αλκάλια. Διαλύεται εύκολα στο υδροχλωρικό, το υδροϊωδικό και στο υπερχλωρικό οξέα. Το λιωμένο μέταλλο, πρέπει να φυλάσσεται σε κενό ή σε αδρανή ατμόσφαιρα για να αποφευχθεί η αντίδραση με τον αέρα. Στους 135 °C αναφλέγεται στον αέρα και εκρήγνυται αν τοποθετηθεί σε τετραχλωράνθρακα.

Το πυροφορικό πλουτώνιο μπορεί να το κάνει να λάμπει σαν μια λαμπερή στάχτη, υπό ορισμένες προϋποθέσεις.

Είκοσι μικρογραμμάρια καθαρού υδροξειδίου πλουτώνιου. [καθαρό υδροξείδιο πλουτώνιου.

Το πλουτώνιο είναι ένα δραστικό μέταλλο. Σε υγρό αέρα ή σε υγρό αργό, το μέταλλο οξειδώνεται ταχύτατα, παράγοντας ένα μείγμα οξειδίων και υδριδίων. Αν το μέταλλο εκτεθεί ένα μεγάλο χρονικό διάστημα σε περιορισμένη ποσότητα υδρατμών, σχηματίζεται μία επιστρωμένη σκόνη από διοξείδιο του πλουτωνίου πάνω στην επιφάνειά του. Σχηματίζεται επίσης και υδρίδιο του πλουτωνίου, αλλά καθ' υπέρβαση των υδρατμών σχηματίζεται μόνο διοξείδιο του πλουτωνίου.

Με αυτή την επένδυση, το μέταλλο είναι πυροφορικό, που σημαίνει ότι μπορεί να αναφλεχθεί αυθόρμητα, έτσι, το μεταλλικό πλουτώνιο μετακινείται μεσα σε ξηρή και αδρανή ατμόσφαιρα, από άζωτο ή αργό. Το οξυγόνο επιβραδύνει τις επιπτώσεις της υγρασίας και λειτουργεί ως πράκτορας παθητικότητας.

Το πλουτώνιο δείχνει τεράστια, και αναστρέψιμα ποσοστά αντίδρασης με το καθαρό υδρογόνο, σχηματίζοντας υδρίδιο του πλουτωνίου. Αντιδρά επίσης εύκολα με το οξυγόνο, δημιουργώντας PuO (οξείδιο του πλουτωνίου) και PuO₂ (διοξείδιο του πλουτωνίου) και άλλα ενδιάμεσα οξείδια: το οξείδιο του πλουτωνίου είναι 40% μεγαλύτερο σε όγκο από το μεταλλικό πλουτώνιο. Αντιδρά με τα αλογόνα, δίνοντας ενώσεις όπως το (όπου είναι το X είναι τα αλογόνα εκτός από το άστατο) PuX₃. Θεωρείται πως μπορεί να υπάρχει και η ένωση PuF₄. Παρατηρούνται τα ακόλουθα οξυαλογονίδια:PuOCl, PuOBr και PuOI. Αντιδρά με τον άνθρακα για να δημιουργήσει την ένωση PuC (καρβίδιο του πλουτωνίου), με το άζωτο για να δημιουργήσει PuN (νιτρίδιο του πλουτωνίου), και με το πυρίτιο για να δημιουργήσει PuSi.

Τα χωνευτήρια για την τήξη που χρησιμοποιούνται για να περιέχουν πλουτώνιο πρέπει να είναι σε θέση να αντισταθούν σθεναρά την μείωση των ιδιοτήτων τους. Πυρίμαχα μέταλλα όπως ταντάλιο και βολφράμιο μαζί με τα πιο σταθερά οξείδια, βορίδια, καρβίδια, νιτρίδια και πυριτίδια μπορούν να ανεχτούν τη μείωση. Η τήξη σε ηλεκτρική κάμινο τόξου μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή μικρών ράβδων του μετάλλου χωρίς την ανάγκη της χοάνης.

Το δημήτριο χρησιμοποιείται ως χημικός προσομοιωτής του πλουτωνίουγια την ανάπτυξη της αναχαίτησης, της εξόρυξης και άλλων τεχνολογιών.

Ηλεκτρονική διαμόρφωση: τα 5 ηλεκτρόνια της στοιβάδας F

Η ανώμαλη συμπεριφορά του πλουτωνίου προκαλείται από την ηλεκτρονική δομή του. Η διαφορά της ενέργειας μεταξύ των υποκέλυφων 6d και 5f είναι πολύ χαμηλή. Το μέγεθος του κελύφους 5f είναι ακριβώς αρκετό στο να επιτρέψει στα ηλεκτρόνια να σχηματίσουν δεσμούς εντός του πλέγματος, για τα πολύ μεγάλα όρια μεταξύ της συμπεριφοράς των τοπικών δεσμών. Η εγγύτητα των επιπέδων ενέργειας οδηγεί σε πολλαπλές διαμορφώσεις των ηλεκτρονίων χαμηλής ενέργειας με σχεδόν ίσα επίπεδα ενέργειας. Αυτό οδηγεί σε ανταγωνισμό των συνθέσεων 5fⁿ7s² και 5f^n-16d¹7s², ο οποίος προκαλεί την πολυπλοκότητα της χημικής συμπεριφοράς του πλουτωνίου. Η φυσική κατεύθυνση των 5f τροχιακών είναι υπεύθυνη για τους κατευθυντικούς ομοιοπολικούς δεσμούς στα μόρια και στα συγκροτήματα του πλουτωνίου.

Κράματα

Το πλουτώνιο μπορεί να σχηματίσει κράματα και ενδιάμεσες ενώσεις με τα περισσότερα μέταλλα. Εξαιρέσεις περιλαμβάνουν το λίθιο, το νάτριο, το κάλιο και το ρουβίδιο από τα αλκαλιμέταλλα, και το μαγνήσιο, το ασβέστιο, το στρόντιο και το βάριο από τις αλκαλικές γαίες, και το ευρώπιο και το υττέρβιο από τις σπάνιες γαίες. Επιμέρους εξαιρέσεις περιλαμβάνουν τα πυρίμαχα μέταλλα χρώμιο, μολυβδαίνιο, νιόβιο, ταντάλιο και βολφράμιο, τα οποία είναι διαλυτά σε υγρό πλουτώνιο, αλλά αδιάλυτα ή ελάχιστα διαλυτά σε στερεό πλουτώνιο. Το γάλλιο, το αλουμίνιο, το αμερίκιο, το σκάνδιο και το δημήτριο μπορούν να σταθεροποιήσουν τη δ αλλοτροπική μορφή του πλουτωνίου σε θερμοκρασία δωματίου (20 °C). Το πυρίτιο, το ίνδιο, ο ψευδάργυρος και το ζιρκόνιο καταστούν δυνατή τη συγκρότηση των μετασταθών στην δ αλλοτροπική μορφή όταν ψύχεται γρήγορα. Υψηλά ποσά του αφνίου, ολμίου και θαλλίου μπορούν επίσης να διατηρήσουν μερική από την δ φάση σε θερμοκρασία δωματίου. Το ποσειδώνιο είναι το μόνο χημικό στοιχείο που μπορεί να σταθεροποιήσει την α αλλοτροπική μορφή σε υψηλότερες θερμοκρασίες.

Τα κράματα του πλουτωνίου μπορούν να παραχθούν με την προσθήκη ενός μετάλλου σε τηγμένο πλουτώνιο. Ωστόσο, αν και τα κράματα του μετάλλου είναι επαρκώς περιορισμένα, το πλουτώνιο προστίθεται και με μορφή οξειδίων ή αλογονιδίων. Τα κράματα της δ φάσης του πλουτωνίου μαζί με γάλλιο και τα κράματα πλουτωνίου-αλουμινίου παράγονται με την προσθήκη τριφθοριούχου πλουτωνίου μέσα σε λειωμένο γάλλιο ή αλουμίνιο, το οποίο έχει το πλεονέκτημα της αποφυγής που ευθύνεται άμεσα με το εξαιρετικά αντιδραστικό μεταλλικό πλουτώνιο.

• Το κράμα πλουτωνίου-γαλλίου χρησιμοποιείται για τη σταθεροποίηση της δ αλλοτροπικής μορφής του πλουτωνίου, αποφεύγοντας τη α-φάση και τις α-δ συναφείς εξόδους. Η κύρια χρήση του είναι σε λάκκους της κατάρρευσης των πυρηνικών όπλων.

• Το κράμα πλουτωνίου-αλουμινίου είναι εναλλακτικό του κράματος πλουτωνίου-γαλλίου. Ήταν το αρχικό στοιχείο που λαμβάνθηκε υπόψη ότι σταθεροποιεί τη δ-φάση του πλουτωνίου, ωστόσο, η τάση του να αντιδρά με σωματίδια-α και να απελευθερώνει νετρόνια μειώνει τη χρησιμότητά του στα πυρηνικά όπλα pits. Το κράμα αυτό μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί ως συστατικό του πυρηνικού καυσίμου.

• Το κράμα πλουτωνίου-γαλλίου-κοβαλτίου (PuCoGa₅) αντισυμβατικός υπεραγωγός, δείχνοντας υπεραγωγιμότητα κάτω από τους 18,5Κ, σε μία τάξη μεγαλύτερου μεγέθους από την υψηλότερη μεταξύ των συστημάτων των βαρέων φερμιονίων, και έχει μεγάλη κρισιμότητα.

• Το κράμα πλουτωνίου-ζιρκονίου μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως πυρηνικό καύσιμο.

• Τα κράματα πλουτωνίου-δημητρίου και πλουτωνίου-δημητρίου-κοβαλτίου χρησιμοποιούνται ως πυρηνικά καύσιμα.

• Το κράμα πλουτωνίου-ουρανίου, με περίπου 15-30% mol πλουτώνιο, μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως πυρηνικό καύσιμο για τους ταχείς αναπαραγωγικούς αντιδραστήρες. Ωστόσο η πυροφορική του φύση και η υψηλή ευαισθησία στη διάβρωση στο σημείο αυτανάφλεξης και ο θρυμματισμός του όταν εκτίθεται στον αέρα απαιτεί κράμα με άλλα εξαρτήματα. Ακόμα και με προσθήκη αλουμινίου, άνθρακα ή χαλκού, δεν βελτιώνονται αισθητά τα ποσοστά της αποσύνθεσης. Το ζιρκόνιο και τα κράματα σιδήρου έχουν μεγαλύτερη διαβρωτική αντίσταση, αλλά αποσυντίθεται όταν βρίσκεται στον αέρα αρκετούς μήνες. Όταν προστεθεί τιτάνιο και/ή ζιρκόνιο αυξάνει/ουν σημαντικά το σημείο τήξης του κράματος.

• Στα κράμα πλουτωνίου-ουρανίου-τιτανίου και πλουτωνίου-ουρανίου-ζιρκονίου διερευνήθηκε αν μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως πυρηνικά καύσιμα. Η προσθήκη του τρίτου στοιχείου στα κράματα αυξάνει την διαβρωτική αντίσταση, μειώνει την ευφλεκτότητα και βελτιώνει την ολκιμότητα, την ελατότητα, τη δύναμη και τη δύναμη θερμικής διαστολής. Το κράμα πλουτωνίου-ουρανίου-μολυβδαινίου έχει την καλύτερη διαβρωτική αντίσταση, σχηματίζει ένα προστατευτικό φιλμ οξειδίων, αλλά και το τιτάνιο και το ζιρκόνιο προτιμούνται για φυσικούς λόγους.

• Το κράμα θορίου-ουρανίου-πλουτωνίου διερευνάται αν θα μπορεί να χρησιμοποιηθεί σαν πυρηνικό καύσιμο στους πυρηνικούς αντιδραστήρες ταχέων ηλεκτρονίων.

Εμφάνιση

Οι ιχνοποσότητες τουλάχιστον δύο ισοτόπων του πλουτωνίου (πλουτώνιο-239 και 244) μπορούν να βρεθούν στη φύση. Μικρά ίχνη πλουτωνίου-239, μερικά μέρη ανά το τρισεκατομμύριο, καθώς και τα προϊόντα διάσπασής του, μπορούν να βρεθούν φυσικά στα συμπυκνωμένα μεταλλεύματα του ουρανίου, όπως και στο φυσικό πυρηνικό αντιδραστήρα σχάσης στο Όκλο, Γκαμπόν. Η αναλογία του πλουτωνίου-239 στο ουράνιο στο ορυχείο Cigar Lake η κατάθεση ουρανίου κυμαίνεται από 2.4 × 10⁻¹² έως 44 × 10⁻¹². Ακόμα και οι μικρότερες ποσότητες του αρχέγονου πλουτωνίου-244 απαντώνται στη φύση λόγω της τεράστιας διάρκειας ημιζωής του, που είναι περίπου 80 εκατομμύρια χρόνια. Αυτά τα ίχνη πλουτωνίου-239 προέρχονται από την ακόλουθη φάση: Σε σπάνιες περιπτώσεις, το U-238 υπόκειται σε αυθόρμητη σχάση, και κατά τη διαδικασία, ο πυρήνας εκπέμπει ένα ή δύο ελεύθερα νετρόνια με κάποια κινητική ενέργεια. Όταν ένα από αυτά τα νετρόνια βρει έναν πυρήνα ενός άλλου ατόμου U-238, το άτομο απορροφά το νετρόνιο και έτσι γίνεται άτομο U-239. Επειδή έχει πολύ μικρή διάρκεια ημιζωής, το U-239 διασπάται σε ποσειδώνιο-239 (Np-239) και, στη συνέχεια το Np-239 διασπάται σε Pu-239.

Δεδομένου ότι η σχετικά μακρά διάρκεια ημιζωής του Pu-240, που εμφανίζεται και στην αλυσίδα διάσπασης του πλουτωνίου-244, είναι 10.000 φορές σπανιότερο. Τέλος, εξαιρετικά μικρές ποσότητες πλουτωνίου-238 δημιουργούνται από την απίστευτα σπάνια διπλή διάσπαση βήτα του ουρανίου-238 που έχουν βρεθεί στα φυσικά δείγματα ουρανίου.

Ίχνη πλουτωνίου βρίσκονται συνήθως στο ανθρώπινο σώμα εξαιτίας των 550 ατμοσαφαιρικών και υποβρυχίων πυρηνικών δοκιμών που έχουν πραγματοποιηθεί και ενός μικρού αριθμού μεγάλων πυρηνικών ατυχημάτων. Πιο πολλές ατμοσφαιρικές και υποβρύχιες πυρηνικές δοκιμές, συνελήφθηκαν από την Limited Test Ban Treaty το 1963, η οποία έχει υπογραφεί και επικυρωθεί από τις Ηνωμένες Πολιτείες της Αμερικής, το Ηνωμένο Βασίλειο, την Σοβιετική Ένωση, καθώς και από άλλα έθνη. Ατμοσφαιρική δοκιμή πυρηνικών όπλων συνεχίστηκε από το 1963 και μετά, με καμία διεθνές συμφωνία, συμπεριλαμβανομένης της Κίνας (δοκιμή ατομικής βόμβας πάνω από την Έρημο Γκόμπι, το 1964, δοκιμή βόμβας υδρογόνου το 1967 και άλλες σχετικές δοκιμές) και η Γαλλία (δοκιμές όπως πρόσφατα, τη δεκαετία του 1980).

Επειδή είναι σκόπιμα κατασκευασμένα για πυρηνικά όπλα και πυρηνικούς αντιδραστήρες, το πλουτώνιο-239 είναι το πιο άφθονο ισότοπο του πλουτωνίου με μεγάλη διαφθορά.

Είναι επίσης υποθετικά δυνατό ότι μικρές ποσότητες πλουτωνίου παράγονται από τους φυσικούς βομβαρδισμούς των μεταλλευμάτων ουρανίου με κοσμικές ακτίνες.

Εφαρμογές

Εκρηκτικές ύλες

Η ατομική βόμβα που έπεσε στο Ναγκασάκι, στην Ιαπωνία το 1945 είχε έναν πυρήνα πλουτώνιου

Η ατομική βόμβα που έπεσε στο Ναγκασάκι της Ιαπωνίας το 1945 είχε έναν πυρήνα πλουτώνιου. Το ισότοπο πλουτώνιο-239 είναι ένα βασικό εύσχιστο συστατικό στα πυρηνικά όπλα, λόγω της εύκολής του διάσπασης και διαθεσιμότητας. περιβάλλοντας το κοίλωμα βόμβας πλουτώνιου του s σε μια πλαστογράφηση (ένα προαιρετικό στρώμα του πυκνού υλικού) μειώνει το ποσό πλουτώνιου που απαιτείται για να φθάσει στη κρίσιμη μάζα με την απεικόνιση των δραπετεύοντων νετρονίων πίσω στον πυρήνα πλουτώνιου. Αυτό μειώνει το ποσό πλουτώνιου που απαιτείται για να φθάσει στην κριτική διάθεση από 16 kg σε 10 kg, η οποία είναι μια σφαίρα με μια διάμετρο περίπου 10 εκατοστόμετρων (4 μέσα). Aυτή η κρίσιμη μάζα είναι περίπου το ένα τρίτο από αυτό για το ουράνιο-235.

Οι "Fat Μαn" - οι βόμβες τύπου πλουτώνιου που παρήχθησαν κατά τη διάρκεια του σχεδίου Μανχάταν με την εκρηκτική συμπίεση του πλουτώνιου για να λάβουν τις σημαντικά υψηλότερες πυκνότητες από τις κανονικές, που συνδυάστηκαν χρησιμοποίησαν με μια κεντρική πηγή νετρονίων για να αρχίσει την αντίδραση και να αυξήσει την αποδοτικότητα. Κατά συνέπεια μόνο 6.2 kg του πλουτώνιου απαιτήθηκαν για μια εκρηκτική παραγωγή ισοδύναμη με 20 τόνους του TNT. (Δείτε επίσης το σχέδιο πυρηνικών όπλων.) Υποθετικά, τόσο λίγα όπως 4 kg πλουτώνιο-και ίσως λιγότερο-μπόρεσαν ακόμη και να χρησιμοποιηθούν για να κάνουν μια ενιαία ατομική βόμβα χρησιμοποιώντας τα πολύ περίπλοκα σχέδια συνελεύσεων.

Μικτά καύσιμα οξειδίων

Τα ξοδευμένα πυρηνικά καύσιμα από τους κανονικούς αντιδραστήρες ελαφρού ύδατος περιέχουν πλουτώνιο, αλλά είναι ένα μίγμα πλουτωνίου-242, 240, 239 και 238. Το μίγμα δεν είναι αρκετά εμπλουτισμένο για τα αποδοτικά πυρηνικά όπλα, αλλά μπορεί να χρησιμοποιηθεί μια φορά ως καύσιμα MOX. Το τυχαίο νετρόνιο συλλαμβάνει τις αιτίες του ποσού των πλουτώνιου-242 και 240 για να αυξηθεί κάθε φορά που ακτινοβολείται το πλουτώνιο σε έναν αντιδραστήρα με αργόστροφα " θερμόμενα " νετρόνια, έτσι ώστε μετά από το δεύτερο κύκλο, το πλουτώνιο να μπορεί μόνο να καταναλωθεί από τους γρήγορους αντιδραστήρες νετρονίων. Εάν οι γρήγοροι αντιδραστήρες νετρονίων δεν είναι διαθέσιμοι (η κανονική περίπτωση), το υπερβολικό πλουτώνιο απορρίπτεται συνήθως, και διαμορφώνεται το μακροβιώτερο συστατικό των πυρηνικών αποβλήτων. Η επιθυμία να καταναλωθεί αυτό το πλουτώνιο αλλά και άλλα υπερουράνια καύσιμα και να μειωθεί η ραδιοτοξικότητα των αποβλήτων είναι ο συνηθισμένος λόγος που οι πυρηνικοί μηχανικοί δίνουν για να κάνουν γρήγορους τους αντιδραστήρες νετρονίων.

Η πιο κοινή χημική διαδικασία, PUREX (εξαγωγή πλουτωνίου-ουράνιου) επανεπεξεργάζεται τα ξοδευμένα πυρηνικά καύσιμα για να εξαγάγει το πλουτώνιο και το ουράνιο που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να διαμορφώσουν ένα μικτό οξείδιο " MOX fuel" για την επαναχρησιμοποίηση στους πυρηνικούς αντιδραστήρες. Το πλουτώνιο βαθμού όπλων μπορεί να προστεθεί στο μίγμα καυσίμων. Τα καύσιμα MOX χρησιμοποιούνται στους αντιδραστήρες ελαφρού ύδατος και αποτελούνται από 60 kg του πλουτώνιου ανά τόνο των καυσίμων μετά από τέσσερα έτη, τα τρία τέταρτα του πλουτώνιου καίγονται (μετατρεπόμενα σε άλλα στοιχεία). Οι αντιδραστήρες κτηνοτρόφων σχεδιάζονται συγκεκριμένα για να δημιουργήσουν περισσότερο διασπάσιμο υλικό από αυτό που καταναλώνουν.

Τα καύσιμα MOX ήταν σε λειτουργία από τη δεκαετία του '80 και χρησιμοποιούνται ευρέως στην Ευρώπη. Σεπτεμβρίου 2000, οι Ηνωμένες Πολιτείες και η Ρωσική Ομοσπονδία υπεγράφη μια διαχείριση πλουτώνιου και συμφωνία διάθεσης από τις οποίες κάθε μια συμφώνησε να ξεφορτωθεί 34 τόνος του πλουτώνιου βαθμού όπλων. Το Αμερικανικό Τμήμα Ενέργειας προγραμματίζει να ξεφορτωθεί 34 τόνους του πλουτώνιου βαθμού όπλων στις Ηνωμένες Πολιτείες πριν από το τέλος του 2019 με τη μετατροπή του πλουτώνιου σε ένα MOX τροφοδοτεί με καύσιμα για να χρησιμοποιηθεί στους εμπορικούς αντιδραστήρες πυρηνικής ενέργειας.

Τα καύσιμα MOX βελτιώνουν τη συνολική καύση. Μια ράβδος καυσίμων επανεπεξεργάζεται μετά από τρία έτη χρήσης για να απομακρύνει τα προϊόντα αποβλήτων, τα οποία αποτελούν έως τότε 3% του συνολικού βάρους των ράβδων. οποιαδήποτε ισότοπα ουράνιου ή πλουτώνιου που παράγονται κατά τη διάρκεια εκείνων των τριών ετών αφήνονται και η ράβδος επιστρέφει στην παραγωγή . Η παρουσία μέχρι του γαλλίου 1% ανά μάζα στο κράμα πλουτώνιου βαθμού όπλων έχει τη δυνατότητα να παρεμποδίσει τη μακροπρόθεσμη λειτουργία ενός αντιδραστήρα ελαφρού ύδατος.

Το πλουτώνιο που ανακτάται από το ξοδευμένο καύσιμο αντιδραστήρα θέτει έναν λιγότερο σημαντικό κίνδυνο πολλαπλασιασμού, λόγω της υπερβολικής μόλυνσης με μη-εύσχιστα πλουτώνιο-240 και πλουτώνιο-242. Ο χωρισμός των ισοτόπων δεν είναι εφικτός. Ένας αφιερωμένος αντιδραστήρας που λειτουργεί στην πολύ χαμηλή καύση απαιτείται γενικά για να παραγάγει το υλικό κατάλληλο για τη χρήση στα αποδοτικά πυρηνικά όπλα. Ενώ ' όπλο-grade' το πλουτώνιο καθορίζεται για να περιέχει τουλάχιστον 92% πλουτώνιο-239, οι Ηνωμένες Πολιτείες έχουν κατορθώσει να πυροδοτήσουν μια κάτω από-20Kt συσκευή χρησιμοποιώντας το πλουτώνιο που θεωρείται για να περιέχει μόνο περίπου 85% πλουτώνιο-239, αποκαλούμενο ' καύσιμο-grade' πλουτώνιο. Ο ' αντιδραστήρας τάξεως' πλουτωνίου που παράγεται από έναν κανονικό κύκλο καύσης LWR περιέχει χαρακτηριστικά λιγότερο από 60% PU-239, με μέχρι 30% παρασιτικό PU-240/Pu-242, και 10-15% εύσχιστα PU-241. Είναι άγνωστο εάν μια συσκευή που χρησιμοποιεί το πλουτώνιο μπορεί από τα επανεπεξεργασμένα αστικά πυρηνικά απόβλητα να πυροδοτηθεί, εντούτοις μια τέτοια συσκευή θα μπορούσε υποθετικά να διασπάσει και να διαδώσει τα ραδιενεργά υλικά πέρα από μια μεγάλη αστική περιοχή. Το IAEA ταξινομούν συντηρητικά το πλουτώνιο όλων των ισοτοπικών διανυσμάτων ως να "άμεσης χρήσης" κατευθυνόμενο υλικό, δηλ., " πυρηνικό υλικό που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή των πυρηνικών τμημάτων εκρηκτικών υλών χωρίς τη μεταστοιχείωση ή περαιτέρω εμπλουτισμό ".

Το ²⁴¹Am έχει προταθεί πρόσφατα για να χρησιμοποιηθεί ως μετουσιώνοντας πράκτορας στις ράβδους καυσίμου του αντιδραστήρα πλουτώνιου στο περαιτέρω όριο της δυνατότητας πολλαπλασιασμού του.

Πηγή ενέργειας και θερμότητας

Ένας λαμπερός κύλινδρος από ²³⁸PuO₂

Το ισότοπο πλουτώνιο-238 έχει μια ημιζωή 87.74 ετών. Εκπέμπει μια θερμική ενέργεια μεγάλου ποσού με τα χαμηλά επίπεδα και ακτίνων γάμμα/μορίων και αυθόρμητων ακτίνων νετρονίων/μορίων. Όντας μία εκπομπή άλφα, συνδυάζει την υψηλής ενέργειας ακτινοβολία με τη χαμηλή διείσδυση και με αυτόν τον τρόπο απαιτεί το ελάχιστο προστατευτικό κάλυμμα. Ένα φύλλο του εγγράφου μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να δράσει ενάντια στα άλφα μόρια που εκπέμπονται από το πλουτώνιο-238 ενώ ένα χιλιόγραμμο του ισοτόπου μπορεί να παραγάγει περίπου 570 Watt της ενέργειας θερμότητας.

Αυτά τα χαρακτηριστικά το καθιστούν καλοταιριασμένο για την παραγωγή ηλεκτρικής δύναμης για τις συσκευές που πρέπει να λειτουργήσουν χωρίς άμεση συντήρηση για τα χρονοδιαγράμματα που προσεγγίζουν μια ανθρώπινη διάρκεια ζωής. Επομένως χρησιμοποιείται στις θερμοηλεκτρικές γεννήτριες ραδιοϊσοτόπου και τις μονάδες θερμαστρών ραδιοϊσοτόπου όπως εκείνα στους διαστημικούς ελέγχους Cassini, Voyager και New Horizons.

Τα δίδυμα διαστημικά σκάφη Voyager προωθήθηκαν το 1977 με το καθένα να περιέχει μια πηγή ισχύος πλουτώνιου 500 Watt. Πάνω από 30 έτη αργότερα κάθε πηγή παράγει ακόμα περίπου 300 Watt που επιτρέπει την περιορισμένη λειτουργία κάθε διαστημικού σκάφους. Οι προηγούμενες εκδόσεις της ίδιας τεχνολογίας τροφοδότησαν τα συστήματα ALSEP και EASEP συμπεριλαμβανομένων των σεισμικών πειραμάτων στη 14 αποστολή στο φεγγάρι του Apollon.

Πλουτώνιο-238 έχουν χρησιμοποιηθεί επίσης επιτυχώς για να τροφοδοτήσουν τους τεχνητούς βηματοδότες καρδιών, για να μειώσουν τον κίνδυνο επαναλαμβανόμενης χειρουργικής επέμβασης. Έχει αντικατασταθεί κατά ένα μεγάλο μέρος από τα βασισμένα στο λίθιο αρχικά κύτταρα, αλλά από το 2003 υπήρξε κάπου μεταξύ 50 και 100 βηματοδότες τροφοδοτημένοι με πλουτώνιο που εμφυτεύθηκαν και που λειτουργούν ακόμα στους ζωντανούς ασθενείς. Το πλουτώνιο-238 μελετήθηκε ως τρόπος να παρασχεθεί η συμπληρωματική θερμότητα στην κατάδυση σκαφάνδρων. Το πλουτώνιο-238 αναμιγνύεται με το βηρύλλιο για να χρησιμοποιηθεί για να παράγει τα νετρόνια για ερευνητικούς λόγους.

Προφυλάξεις

Δείτε Επίσης:Πλουτώνιο στο περιβάλλον

Tοξικότητα

Τα ισότοπα και οι ενώσεις του πλουτώνιου είναι ραδιενεργά και συσσωρεύονται στο μυελό των οστών. Η μόλυνση από το οξείδιο του πλουτώνιου έχει προκύψει από διάφορες πυρηνικές καταστροφές και ραδιενεργά γεγονότα συμπεριλαμβανομένων των στρατιωτικών πυρηνικών ατυχημάτων όπου τα πυρηνικά όπλα είχαν καεί. Μελέτες των αμελητέων αποτελεσμάτων, αυτών των μικρότερων απελευθερώσεων, καθώς επίσης και της διαδεδομένης ασθένειας και του θανάτου από δηλητηριώδης ακτινοβολίας μετά από τους ατομικούς βομβαρδισμούς της Χιροσίμα και του Ναγκασάκι, έχουν παράσχει τις ιδιαίτερες πληροφορίες σχετικά με τους κινδύνους, τα συμπτώματα και την πρόγνωση της δηλητηριώδης ακτινοβολίας.

Κατά τη διάρκεια της αποσύνθεσης του πλουτώνιου, τρεις τύποι ακτινοβολιών απελευθερώνονται: οι άλφα, βήτα, και γάμμα. Η άλφα ακτινοβολία μπορεί να ταξιδεψει μόνο μια σύντομη απόσταση και δεν μπορεί να ταξιδέψει μέσω του εξωτερικού, νεκρού στρώματος του ανθρώπινου δέρματος. Η βήτα ακτινοβολία μπορεί να διαπεράσει το ανθρώπινο δέρμα, αλλά δεν μπορεί να διαπεράσει όλόκληρο το σώμα. Η ακτινοβολία γάμμα μπορεί να διαπεράσει ολόκληρο το σώμα. Η άλφα, βήτα, και γάμμα ακτινοβολία είναι όλες οι μορφές ακτινοβολίας ιονισμού. Είτε η οξεία είτε πιο μακροπρόθεσμη έκθεση φέρνει έναν κίνδυνο των δυσμενών εκβάσεων υγείας συμπεριλαμβανομένης της ασθένειας, του καρκίνου, και του θανάτου ακτινοβολίας. Ο κίνδυνος αυξάνεται με το ποσό έκθεσης.

Ακόμα κι αν η άλφα ακτινοβολία δεν μπορεί να διαπεράσει το δέρμα, λήπτεται ή το εισπνεόμενο πλουτώνιο ακτινοβολεί τα εσωτερικά όργανα. Ο σκελετός, από τον οποίο το πλουτώνιο απορροφάται, και το συκώτι, όπου τα συλλέγει και γίνεται πηγή συγκέντρωσης, είναι σε κίνδυνο. Το πλουτώνιο δεν απορροφάται από το σώμα, λαμβάνεται αποτελεσματικά όταν μόνο 0.04% του οξειδίου πλουτώνιου απορροφάται μετά από την κατάποση. Το πλουτώνιο που απορροφάται από το σώμα εκκρίνεται πολύ αργά, με μια βιολογική ημιζωή 200 ετών. Περνά μόνο αργά μέσω των μεμβρανών κυττάρων και των εντερικών ορίων, έτσι η απορρόφηση από την κατάποση και την ενσωμάτωση στη δομή των οστών προχωρά πολύ αργά.

Το πλουτώνιο είναι πιο επικίνδυνο όταν εισπνέεται απ' ότι όταν λαμβάνεται. Ο κίνδυνος καρκίνου του πνεύμονα αυξάνεται μόλις υπερβεί η συνολική δόση ακτινοβολίας ισοδύναμη με 400 mSv του εισπνεόμενου πλουτώνιου. Το Αμερικανικό Τμήμα Ενέργειας υπολογίζει ότι ο κίνδυνος εμφάνισης καρκίνου στη διάρκεια της ζωής από την εισπνοή 5.000 μορίων πλουτώνιου,είναι κάθε περίπου 3 μικρά ευρύ, για να είναι 1% πέρα από το υπόβαθρο που οι Η.Π.Α. υπολογίζουν κατά μέσο όρο. Η κατάποση ή η εισπνοή των μεγάλων ποσοτήτων μπορεί να προκαλέσει οξεία δηλητηρίαση και θάνατο ακτινοβολίας. Κανένας άνθρωπος δεν είναι γνωστός να πεθαίνει λόγω της εισπνοής ή λήψης του πλουτώνιου, και πολλοί άνθρωποι έχουν τα μετρήσιμα ποσά πλουτώνιου στους οργανισμούς τους.

Η θεωρία του "καυτού σωματιδίου" στην οποία ένα μόριο σκόνης πλουτώνιου ακτινοβολεί ένα εντοπισμένο σημείο του ιστού των πνευμόνων έχει εξετάσει και βρήκε ότι ψευδείς τέτοια μόρια είναι πιο κινητά από το αρχικά αναμενόμενο και η τοξικότητα δεν είναι μετρημένα αυξανόμενη λόγω της μοριακής μορφής.

Εντούτοις, όταν εισπνέεται, το πλουτώνιο μπορεί να περάσει στην κυκλοφορία του αίματος. Με την πρώτη φορά που κυκλοφορά μέσα στο αίμα, κινείται σε όλο το σώμα και στα κόκκαλα, το συκώτι, ή άλλα όργανα του σώματος. Το πλουτώνιο που φθάνει στα όργανα μένει γενικά στο σώμα για δεκαετίες και συνεχίζει να εκθέτει τον περιβάλλοντα ιστό στην ακτινοβολία και μπορεί έτσι να προκαλέσει τον καρκίνο.

Ένα συνήθως αναφερόμενο απόσπασμα από τον Ράλφ Νέιντερ, δηλώνει ότι μια λίβρα της σκόνης πλουτώνιου που διαδίδεται στην ατμόσφαιρα θα ήταν αρκετή να σκοτώσει 8 δισεκατομμύρια άνθρωπους. Εντούτοις, το math δείχνει ότι μια λίβρα του πλουτώνιου δεν θα μπορούσε να σκοτώσει όχι άλλο από 2 εκατομμύρια άνθρωπους από την εισπνοή. Αυτό καθιστά την τοξικότητα του πλουτωνίου κατά προσέγγιση ισοδύναμη με αυτήν του αερίου νεύρων.

Διάφοροι πληθυσμοί ανθρώπων που έχουν εκτεθεί στη σκόνη πλουτωνίου (π.χ. άνθρωποι που ζουν κάτω από τις περιοχές δοκιμής της Νεβάδας, των επιζόντων της Χιροσίμα, των εργαζομένων πυρηνικών εγκαταστάσεων, και "κατά το τέλος άρρωστοι" ασθενείς που εγχέονται με το Pu το 1945-46 στο μεταβολισμό μελέτης πλουτωνίου) έχουν ακολουθηθεί προσεκτικά και έχουν αναλυθεί. Αυτές οι μελέτες γενικά δεν παρουσιάζουν ειδικά την υψηλή τοξικότητα πλουτωνίου ή του πλουτωνίου - προκληθέντα αποτελέσματα καρκίνου. "Υπήρξαν περίπου 25 εργαζόμενοι από το εθνικό εργαστήριο του Los Alamos που εισέπνευσε ένα μη αμελητέο ποσό σκόνης πλουτωνίου κατά τη διάρκεια του 1940, και σύμφωνα με τη θεωρία του καυτού σωματιδίου, ο καθένας από τους είχει μια πιθανότητα να είναι 99.5% νεκρός από το καρκίνο του πνεύμονα ήδη, αλλά ποτέ δεν είχε υπάρξει ένας ενιαίος καρκίνος του πνεύμονα μεταξύ αυτών."

Το πλουτώνιο έχει μια μεταλλική γεύση.

Δυνατότητα κρίσιμης διάθεσης

Μια σφαίρα του μιμούμενου πλουτώνιου που περιβάλλεται με την απεικόνιση νετρονίου των φραγμών καρβιδίου βολφραμίου σε ένα πιστικό πείραμα του Χάρι Ντάλιαν το 1945.

Τα θέματα τοξικότητας κατά μέρος, πρέπει να ληφθούν για να αποφευχθεί η συσσώρευση των ποσών πλουτώνιου που πλησιάζουν μια κρίσιμη μάζα, ιδιαίτερα επειδή η το πλουτώνιο που χρειάζεται για να δημιουργηθεί μια κρίσιμη μάζα, είναι μόνο ένα τρίτο από αυτό του ουρανίου-235. Μια κρίσιμη μάζα του πλουτώνιου εκπέμπει θανατηφόρα ποσά νετρονίων και ακτίνων γάμμα. Το πλουτώνιο σε διάλυμα είναι πιο πιθανό να σχηματίσει κρίσιμη μάζα από ό,τι η στερεά μορφή, λόγω της μεσολάβησης του υδρογόνου του νερού.

Τα ατυχήματα κρίσιμης μάζας έχουν εμφανιστεί στο παρελθόν, μερικά απ' αυτά με θανατηφόρες συνέπειες. Ο απρόσεκτος χειρισμός των τούβλων καρβιδίου του βολφραμίου γύρω από μια σφαίρα πλουτώνιου 6.2 kg οδήγησε σε μια μοιραία δόση της ακτινοβολίας στο Los Alamos στις 21 Αυγούστου 1945, όταν έλαβε ο επιστήμονας Harry K. Daghlian (Χάρι Κ. Ντάλιαν), ο νεώτερος, μια δόση που υπολογίστηκε να είναι 5.1 Sievert (510 rems) και πέθανε 28 ημέρες αργότερα. Εννέα μήνες αργότερα, ένας άλλος επιστήμονας του Los Alamos, ο Louis Slotin (Λούις Σλότιν), πέθανε από ένα παρόμοιο ατύχημα που περιλαμβάνει έναν ανακλαστήρα βηρυλλίου και τον ίδιο πυρήνα πλουτώνιου (τον αποκαλούμενο "πυρήνα του δαίμονα") με την ίδια ποσότητα που είχε απαιτηθεί προηγουμένως για τη ζωή του Daghlian. Αυτά τα γεγονότα παρουσιάστηκαν στη ταινία του " Fat Man " και του " Little Boy " το 1989.

Το Δεκέμβριο του 1958, κατά τη διάρκεια μιας διαδικασίας με το πλουτώνιο στο Los Alamos, μια κρίσιμη μάζα διαμορφώθηκε σε ένα σκάφος μίξης, η οποία οδήγησε στο θάνατο ενός χημικού χειριστή με το όνομα Cecil Kelley. Άλλα πυρηνικά ατυχήματα εμφανίστηκαν στη Σοβιετική Ένωση, την Ιαπωνία, τις Ηνωμένες Πολιτείες και πολλές άλλες χώρες.

Ευφλεκτότητα

Το μεταλλικό πλουτώνιο είναι ένας κίνδυνος πυρκαγιάς, ειδικά εάν το υλικό είναι διαιρεμένο λεπτά. Σε ένα υγρό περιβάλλον, το πλουτώνιο διαμορφώνει τα υδρίδια στην επιφάνειά του, τα οποία είναι αυτοαναφλέξιμα και μπορούν να αναφλεχθούν στον αέρα σε θερμοκρασία δωματίου. Το πλουτώνιο επεκτείνει μέχρι 70% τον όγκο του δεδομένου ότι έτσι οξειδώνεται και μπορεί έτσι να σπάσει το εμπορευματοκιβώτιό του. Η ραδιενέργεια του καίγοντος υλικού είναι ένας πρόσθετος κίνδυνος. Η άμμος οξειδίων μαγνήσιου είναι πιθανώς το αποτελεσματικότερο υλικό για την εξάλειψη μιας πυρκαγιάς πλουτωνίου. Δροσίζει το καιγόμενο υλικό, ενεργώντας ως ψύκτρα, και μπλοκάρει επίσης το οξυγόνο. Οι πρόσθετες προφυλάξεις είναι απαραίτητες για να αποθηκεύσουν ή να χειριστούν το πλουτώνιο σε οποιαδήποτε μορφή γενικά μια ξηρή αδρανής ατμόσφαιρα αερίου που απαιτείται.

Δείτε Επίσης

.....................................................................................................................................................................

Χημεία Πυρηνική τεχνολογία Φυσική

• Πυρηνική τεχνολογία

• Κύκλος πυρηνικού καυσίμου

• Πυρηνική φυσική

Βιβλιογραφία

• CRC contributors (2006). David R. Lide. επιμ. Handbook of Chemistry and Physics (87th έκδοση). Boca Raton (FL): CRC Press, Taylor & Francis Group. ISBN 0849304873. 
• Emsley, John (2001). "Plutonium". Nature's Building Blocks: An A-Z Guide to the Elements. Oxford (UK): Oxford University Press. σελ. 324–329. ISBN 0198503407. 
• Greenwood, N. N.; Earnshaw, A. (1997). Chemistry of the Elements (2nd έκδοση). Oxford (UK): Butterworth-Heinemann. ISBN 0-7506-3365-4. 
• Heiserman, David L. (1992). "Element 94: Plutonium". Exploring Chemical Elements and their Compounds. New York (NY): TAB Books. σελ. 337–340. ISBN 0-8306-3018-X. 
• Miner, William N.; Schonfeld, Fred W. (1968). "Plutonium". Clifford A. Hampel (editor). The Encyclopedia of the Chemical Elements. New York (NY): Reinhold Book Corporation. σελ. 540–546. LCCN 68-29938. 
• Stwertka, Albert (1998). "Plutonium". Guide to the Elements (Revised έκδοση). Oxford (UK): Oxford University Press. ISBN 0-19-508083-1. 

Εξωτερικοί συνδέσμοι

• Miner, William N.; Schonfeld, Fred W. (1968). "Plutonium". Clifford A. Hampel (editor). The Encyclopedia of the Chemical Elements. New York (NY): Reinhold Book Corporation. σελ. 540–546. LCCN 68-29938.