Πλουτώνιο

Πλουτώνιο
Ποσειδώνιο ← Πλουτώνιο → Αμερίκιο Σαμάριο ↑ Pu ↓ Ubh Περιοδικός Πίνακας
Κομμάτι καθαρού πλουτωνίου
Ιστορία
Ανακαλύφθηκε	από τους Γκλενν Θ. Σίμποργκ, Άρθουρ Γουώλ, Ιωσήφ Γ. Κέννεντυ, Έντουϊν ΜακΜίλλαν το 1940 - 1941
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 (αγγλικά: 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 διαχείρισης ραδιενεργών αποβλήτων, η οποία είχε διαχειριστεί την περιοχή βουνών Yucca για 25 έτη.

Ιατρικοί πειραματισμοί

Κατά τη διάρκεια και μετά το τέλος του Δεύτερου Παγκόσμιου Πολέμου, οι επιστήμονες που συμμετείχαν στο Πρόγραμμα Μανχάταν και άλλα ερευνητικά προγράμματα πυρηνικών όπλων, διεξήγαγαν έρευνες για τα αποτελέσματα του πλουτώνιου σε εργαστηριακά ζώα και ανθρώπους. Μελέτες σε ζώα έδειξαν ότι η θανατηφόρος δόση είναι μερικά mg πλουτωνίου ανά χιλιόγραμμο ιστού.

Στην περίπτωση ανθρώπων, τα πειράματα περιλάμβαναν ένεση διαλύματος που περιείχε (συνήθως) 5μg πλουτωνίου σε ασθενείς με ανίατες ασθένειες ή ασθενείς που είχαν προσδόκιμο ζωής μικρότερο των 10 ετών, είτε λόγω ηλικίας, είτε λόγω χρόνιων ασθενειών. Η δόση αυτή μειώθηκε στο 1μg τον Ιούλιο του 1945 μετά τις μελέτες σε ζώα που έδειξαν ότι ο τρόπος που το πλουτώνιο κατανέμεται στα οστά είναι πιο επικίνδυνος του ραδίου.

Σε 18 άτομα έγινε ένεση με πλουτώνιο χωρίς την συναίνεσή τους. Τα πειράματα χρησιμοποιήθηκαν για τον προσδιορισμό των πρότυπων ασφαλείας κατά τον χειρισμό πλουτωνίου.

Τα περιστατικά αυτά πλέον θεωρούνται σοβαρή παραβίαση της ιατρικής δεοντολογίας και του όρκου του Ιπποκράτη. Λιγότερο επικριτικοί σχολιαστές σημείωσαν ότι, παρά την παραβίαση ηθικής και εμπιστοσύνης, "τα αποτελέσματα των ενέσεων πλουτωνίου δεν προκάλεσαν τόση ζημιά στους ασθενείς όση αρχικά υποστήριζαν τα νέα, ούτε ήταν τόσο σημαντικά όσο υποστήριζαν πολλοί επιστήμονες τότε και τώρα."

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 διασπώνται κάθε δευτερόλεπτο εκπέμποντας 5,157 MeV α- σωματιδίων. Η θερμότητα που παράγεται με την επιβράδυνση και την τριβή των α - σωματιδίων, κάνει το Pu ζεστό στην αφή.

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 "βαθμού" όπλων, καυσίμων ή 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 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 στο 239Pu. 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 πλουτωνίου. [καθαρό υδροξείδιο πλουτωνίου.

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 αναφλεγεί αυθόρμητα, έτσι, το μεταλλικό πλουτώνιο μετακινείται μέσα 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 πλουτωνίου για την ανάπτυξη της αναχαίτισης, της εξόρυξης και άλλων τεχνολογιών.

Ηλεκτρονική διαμόρφωση: τα πέντε ηλεκτρόνια της στοιβάδας F

Η ανώμαλη συμπεριφορά του πλουτωνίου προκαλείται από την ηλεκτρονική δομή του. Η διαφορά της ενέργειας μεταξύ των τροχιακών 6d και 5f είναι πολύ μικρή. Το μέγεθος του τροχιακού 5f είναι 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 τις διαμορφώσεις 5fⁿ7s² και 5f^n-16d¹7s², οι οποίες προκαλούν την ιδιαιτερότητα της χημικής συμπεριφοράς του πλουτωνίου. Ο προσανατολισμός των 5f τροχιακών είναι υπεύθυνος για τους χημικούς δεσμούς στα μόρια και στα συγκροτήματα που περιέχουν πλουτώνιο.

Κράματα

Το πλουτώνιο μπορεί να σχηματίσει κράματα και γενικότερα στερεά διαλύματα με πολλά μέταλλα. Εξαιρέσεις περιλαμβάνουν το λίθιο, το νάτριο, το κάλιο και το ρουβίδιο από τα αλκαλιμέταλλα, 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 καθιστούν δυνατή τη συγκρότηση των μετασταθών εμφανίσεων στην δ αλλοτροπική μορφή όταν αυτή ψύχεται γρήγορα. Υψηλά ποσά του αφνίου, ολμίου και θαλλίου μπορούν επίσης να διατηρήσουν ένα μέρος της δ φάσης σε θερμοκρασία δωματίου. Το ποσειδώνιο είναι το μόνο χημικό στοιχείο που μπορεί να σταθεροποιήσει την α αλλοτροπική μορφή σε υψηλές 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. Έτσι, αποφεύγεται η άμεση χρήση του επικίνδυνου πλουτωνίου

• Το κράμα πλουτωνίου-γαλλίου χρησιμοποιείται για τη σταθεροποίηση της δ αλλοτροπικής μορφής του πλουτωνίου, αποφεύγοντας τη α-φάση και τις α-δ συναφείς δημιουργίες. 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 μελετήθηκε διότι 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) είναι ένας αντισυμβατικός υπεραγωγός, που εμφανίζει υπεραγωγιμότητα κάτω από τους 18,5Κ, μία τάξη μεγέθους υψηλότερα από την μεγαλύτερη μεταξύ των συστημάτων των βαρέων φερμιονίων, και έχει μεγάλο κρίσιμο ρεύμα.

• 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 στοιχεία. 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 αυξάνεται σημαντικά το σημείο τήξης του κράματος.

• Τα 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 θερμική διαστολή. Το κράμα πλουτωνίου-ουρανίου-μολυβδαινίου έχει την καλύτερη διαβρωτική αντίσταση, σχηματίζει ένα προστατευτικό φιλμ οξειδίων, αλλά και το τιτάνιο και το ζιρκόνιο προτιμούνται για λόγους φυσικής.

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

Φυσική αφθονία

Ιχνοποσότητες τουλάχιστον τριών ισοτόπων του πλουτωνίου (²³⁸Pu, ²³⁹Pu, ²⁴⁴Pu) υπάρχουν στην φύση. Ίχνη ²³⁹Pu, μερικά ppt, και τα προϊόντα διάσπασής του βρίσκονται σε κάποια ορυκτά του ουρανίου, όπως στον φυσικό πυρηνικό αντιδραστήρα στην περιοχή Oklo της Γκαμπόν. Οι ιχνοποσότητες αυτές του ²³⁹Pu προέρχονται από την εξής διαδικασία: Σε σπάνιες περιπτώσεις το ²³⁸U σχάζεται αυθόρμητα, και εκπέμπονται ένα με δύο νετρόνια. Όταν ένας άλλος πυρήνας ²³⁸U συλλάβει ένα νετρόνιο μετατρέπεται στο βραχύβιο ²³⁹U, το οποίο διασπάται σε ποσειδώνιο-239 (²³⁹Np), και στην συνέχεια το ²³⁹Np διασπάται σε ²³⁹Pu.

Εφόσον το σχετικά μακρόβιο ²⁴⁰Pu υπάρχει στην ραδιενεργό σειρά αποσύνθεσης του θορίου θα έπρεπε να υπάρχει και αυτό, αν και 10,000 φορές σπανιότερο. Τέλος, εξαιρετικά μικρές ποσότητες ²³⁸Pu, που οφείλονται στην σπανιότατη διπλή βήτα διάσπαση του ²³⁸U, έχουν ανιχνευτεί σε φυσικά δείγματα ουρανίου.

Ιχνοποσότητες πλουτωνίου συνήθως ανιχνεύονται στο ανθρώπινο σώμα λόγω των 550 ατμοσφαιρικών και υποβρύχιων πυρηνικών δοκιμών, καθώς και των κύριων πυρηνικών ατυχημάτων. Οι περισσότερες ατμοσφαιρικές και υποβρύχιες πυρηνικές δοκιμές έχουν σταματήσει από την Limited Test Ban Treaty το 1963, η οποία υπογράφτηκε από τις USA, Ηνωμένο Βασίλειο, Σοβιετική Ένωση και άλλες χώρες. Ατμοσφαιρικές πυρηνικές δοκιμές συνεχίστηκαν και μετά το 1963 από χώρες που δεν υπέγραψαν την συνθήκη συμπεριλαμβανομένου της Κίνας (πυρηνική δοκιμή ατομικής βόμβας στην έρημο Gobi το 1964, βόμβας υδρογόνου το 1967, και μετέπειτα δοκιμές), και της Γαλλίας (δοκιμές μέχρι και την δεκαετία του 90). Λόγω του ότι εσκεμμένα παρασκευάζεται για πυρηνικά όπλα και πυρηνικούς αντιδραστήρες, το ²³⁹Pu είναι το πιο άφθονο ισότοπο του πλουτωνίου.

Εφαρμογές

Πυρηνικά όπλα

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

Το ισότοπο Pu-239 είναι βασικό σχάσιμο υλικό στα πυρηνικά όπλα λόγω της ευκολίας σχάσης του και της διαθεσιμότητάς του. Περιβάλλοντας (προαιρετικά) την σφαίρα του πλουτωνίου με ένα στρώμα πυκνού υλικού μειώνεται η κρίσιμη μάζα του πλουτωνίου (λόγω της ανάκλασης μέρους των νετρονίων που θα διέφευγαν από την σφαίρα) από τα 16kg στα 10kg, το οποίο αντιστοιχεί σε σφαίρα με διάμετρο περίπου 10cm. Η κρίσιμη μάζα αυτή είναι περίπου το ένα τρίτο της αντίστοιχης του U-235.

Οι βόμβες πλουτωνίου τύπου-Fat Man που κατασκευάστηκαν κατά την διάρκεια του προγράμματος Μανχάταν έκαναν χρήση εκρηκτικής συμπίεσης του πλουτωνίου, ώστε να πετύχουν σημαντικά υψηλότερες πυκνότητες των κανονικών, συνδιασμένη με κεντρική πηγή νετρονίων για την εκκίνηση της αντίδρασης και την αύξηση της απόδοσης. Επομένως, μόνο 6.2kg πλουτωνίου χρειάστηκαν για πυρηνική έκρηξη ισοδύναμη με 20 κιλοτόνους TNT. Θεωρητικά, 4kg ή και λιγότερα θα ήταν αρκετά για την κατασκευή μιας ατομικής βόμβας με την χρήση πολύ εξελιγμένου σχεδιασμού συναρμολόγησης.

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 σε καύσιμα MOX. Τυχαίες συλλήψεις νετρονίων αυξάνουν τα ποσά των ²⁴²Pu και ²⁴⁰Pu κάθε φορά που το πλουτώνιο ακτινοβολείται σε έναν αντιδραστήρα με θερμικά νετρόνια, έτσι ώστε μετά από το δεύτερο κύκλο, το πλουτώνιο μπορεί να καταναλωθεί μόνο από αντιδραστήρες ταχέων νετρονίων. Αν αντιδραστήρες ταχέων νετρονίων δεν είναι διαθέσιμοι (η συνήθης περίπτωση), το πλουτώνιο που περισσεύει απορρίπτεται συνήθως, και αποτελεί 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 παραθέτουν οι πυρηνικοί μηχανικοί για την κατασκευή αντιδραστήρων ταχέων νετρονίων.

Στην πιο κοινή χημική διαδικασία, PUREX, επανεπεξεργάζονται τα χρησιμοποιημένα πυρηνικά καύσιμα για την εξαγωγή πλουτωνίου και ουρανίου που μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως καύσιμα αναμιγμένου οξειδίου (MOX) σε πυρηνικούς αντιδραστήρες. Πλουτώνιο βαθμού όπλων μπορεί να προστεθεί στο μείγμα καυσίμου. Το καύσιμο ΜΟΧ χρησιμοποιείται σε αντιδραστήρες ελαφρού ύδατος και αποτελείται από 60kg πλουτωνίου ανά τόνο καυσίμου. Μετά από τέσσερα έτη, τρία τέταρτα του πλουτωνίου έχουν καεί (μετατραπεί σε άλλα στοιχεία).

Πηγή ενέργειας και θερμότητας

Ένας λαμπερός κύλινδρος από ²³⁸PuO₂

Το ισότοπο ²³⁸Pu έχει ημιζωή 87.74 ετών. Εκπέμπει μεγάλα ποσά θερμικής ενέργειας με χαμηλά επίπεδα ακτίνων γάμμα/σωματιδίων και αυθόρμητων νετρονίων. Λόγω του ότι είναι εκπομπός ακτίνων άλφα, συνδυάζει την υψηλής ενέργειας ακτινοβολία με τη χαμηλή διείσδυση και γι' αυτό απαιτεί ελάχιστη θωράκιση. Ένα φύλλο χαρτί μπορεί να σταματήσει τα σωματίδια-α που εκπέμπονται από το ²³⁸Pu. Ενα χιλιόγραμμο του ισοτόπου παράγει περίπου 570 Watt θερμική ενέργεια.

Αυτά τα χαρακτηριστικά το καθιστούν κατάλληλο για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας σε συσκευές που πρέπει να λειτουργήσουν χωρίς άμεση συντήρηση για χρονικά διαστήματα που προσεγγίζουν την διάρκεια μιας ανθρώπινης ζωής. Επομένως χρησιμοποιείται σε θερμοηλεκτρικές γεννήτριες ραδιοϊσοτόπου και μονάδες θέρμανσης ραδιοϊσοτόπου όπως εκείνα στις διαστημικές αποστολές Cassini, Voyager και New Horizons.

Τα δύο διαστημικά σκάφη Voyager που εκτοξεύτηκαν το 1977, περιείχαν το καθένα πηγή θέρμανσης πλουτωνίου 500 watt. Περισσότερο από 30 χρόνια αργότερα κάθε πηγή συνεχίζει να παράγει 300 watt περίπου, επιτρέποντας την περιορισμένη λειτουργία του κάθε διαστημικού σκάφους.

Το ²³⁸Pu έχει επίσης χρησιμοποιηθεί επιτυχώς για να τροφοδοτήσει τεχνητούς βηματοδότες, ώστε να μειωθεί ο κίνδυνος επαναλαμβανόμενης χειρουργικής επέμβασης. Έχει αντικατασταθεί κατά ένα μεγάλο μέρος από μη επαναφορτιζόμενες μπαταρίες λιθίου, αλλά από το 2003 εμφυτεύθηκαν περίπου 50 με 100 βηματοδότες τροφοδοτούμενοι με πλουτώνιο, οι οποίοι λειτουργούν ακόμα στους ζωντανούς ασθενείς. Το ²³⁸Pu μελετήθηκε ως συμπληρωματική πηγή θερμότητας στην κατάδυση με σκάφανδρο. ²³⁸Pu αναμιγμένο με βηρύλλιο χρησιμοποιείται για να παράγει νετρόνια για ερευνητικούς λόγους.

Προφυλάξεις

Tοξικότητα

Τα ισότοπα και οι ενώσεις του πλουτώνιου είναι ραδιενεργά και συσσωρεύονται στο μυελό των οστών. Μόλυνση από το οξείδιο του πλουτώνιου έχει προκύψει από διάφορες πυρηνικές καταστροφές και ραδιενεργά ατυχήματα συμπεριλαμβανομένων των στρατιωτικών πυρηνικών ατυχημάτων όπου τα πυρηνικά όπλα είχαν καεί.

Πιθανότητα κρισιμότητας

Προσομοίωση της σφαίρας του πλουτωνίου που περιβάλλεται από τούβλα καρβιδίου του βολφραμίου (ανακλαστές νετρονίων) σε αναπαράσταση του πειράματος του Χάρι Ντάλιαν το 1945.

Εκτός της τοξικότητας, πρέπει να ληφθούν μέτρα για να την αποφυγή συσσώρευσης ποσότητας πλουτωνίου που πλησιάζει την κρίσιμη μάζα, μια και η απαιτούμενη ποσότητα είναι μόνο ένα τρίτο από αυτή του ουρανίου-235. Μια κρίσιμη μάζα του πλουτωνίου εκπέμπει θανατηφόρα ποσά νετρονίων και ακτίνων γάμμα. Το πλουτώνιο σε διάλυμα είναι πιο πιθανό να σχηματίσει κρίσιμη μάζα από ό,τι σε στερεά μορφή, λόγω του ότι το υδρογόνο του νερού δρα ως επιβραδυντής νετρονίων.

Ατυχήματα κρίσιμης μάζας έχουν συμβεί στο παρελθόν, μερικά απ' αυτά με θανατηφόρες συνέπειες. Ο απρόσεκτος χειρισμός των τούβλων καρβιδίου του βολφραμίου γύρω από μια σφαίρα πλουτωνίου 6,2 kg οδήγησε σε μια μοιραία δόση ακτινοβολίας στο Λος Άλαμος στις 21 Αυγούστου 1945, όταν ο επιστήμονας Χάρι Κ. Ντάλιαν (Harry K. Daghlian) ο νεώτερος, έλαβε δόση που υπολογίστηκε να είναι 5,1 Sievert (510 rems) και πέθανε 28 ημέρες αργότερα. Εννέα μήνες αργότερα, ένας άλλος επιστήμονας του Λος Άλαμος, ο Λούις Σλότιν (Louis Slotin), πέθανε από ένα παρόμοιο ατύχημα που περιλάμβανε έναν ανακλαστήρα βηρυλλίου και τον ίδιο πυρήνα πλουτωνίου (τον αποκαλούμενο "πυρήνα του δαίμονα") που στοίχισε τη ζωή στον Ντάλιαν. Αυτά τα γεγονότα παρουσιάστηκαν στη ταινία του "Fat Man" και του "Little Boy" το 1989.

Τον Δεκέμβριο του 1958, κατά τη διάρκεια μιας διαδικασίας με το πλουτώνιο στο Λος Άλαμος, σχηματίστηκε κρίσιμη μάζα σε ένα δοχείο ανάμιξης, η οποία οδήγησε στο θάνατο ενός χημικού χειριστή με το όνομα Cecil Kelley. Άλλα πυρηνικά ατυχήματα έχουν συμβεί στη Σοβιετική Ένωση, την Ιαπωνία, τις Ηνωμένες Πολιτείες και πολλές άλλες χώρες.

Ευφλεκτότητα

Το μεταλλικό πλουτώνιο αποτελεί παράγοντα κινδύνου πυρκαγιάς, ειδικά εάν το υλικό βρίσκεται σε λεπτό διαμερισμό. Σε υγρό περιβάλλον το πλουτώνιο σχηματίζει υδρίδια στην επιφάνειά του, τα οποία είναι αυτοαναφλέξιμα και μπορούν να αναφλεγούν στον αέρα σε θερμοκρασία δωματίου. Το πλουτώνιο αυξάνει μέχρι 70% τον όγκο του καθώς οξειδώνεται και μπορεί έτσι να σπάσει το δοχείο του. Η ραδιενέργεια του καιγόμενου υλικού είναι ένας πρόσθετος κίνδυνος. Άμμος οξειδίων μαγνησίου είναι πιθανώς το αποτελεσματικότερο υλικό για την εξάλειψη μιας πυρκαγιάς πλουτωνίου. Ψύχει το καιγόμενο υλικό και μπλοκάρει το οξυγόνο. Ειδικές προφυλάξεις είναι απαραίτητες για να αποθηκευτεί ή να χειριστεί πλουτώνιο οποιασδήποτε μορφής. Γενικά, απαιτείται ξηρή ατμόσφαιρα αδρανούς αερίου.

Δείτε Επίσης

• 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.