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El plutonio es un elemento químico que pertenece a la familia de los actínidos. Forma parte de los transuránicos, debido a su número atómico 94, superior al del uranio.
Simbolizado como Pu, este elemento es de color gris plateado en su forma sólida. Rápidamente se cubre con una capa opaca gris, a veces verde oliva, cuando se expone a la humedad. Los hidruros y óxidos presentes en la capa provocan un aumento importante de volumen, que puede alcanzar hasta el 70% de la masa inicial de plutonio. Este producto se desintegra con bastante facilidad en un polvo altamente autoinflamable incluso a temperatura ambiente.
En 1940, los investigadores lograron producir y aislar el plutonio bombardeando uranio 238 con deuterio.
El plutonio se sitúa después del uranio y el neptunio en la tabla periódica. Su nombre hace referencia al planeta Plutón, que también se sitúa después de Urano y Neptuno en el sistema solar.
El Pu es principalmente un elemento sintético, pero los minerales de uranio contienen pequeñas cantidades naturales. Como metal pesado radiotóxico, generalmente se concentra en los huesos, y en menor medida en el hígado.
Presenta cuatro estados de oxidación frecuentes, que van del +3 al +6, siendo el estado +7 raro. Cada uno de estos estados se distingue por colores específicos.
En estado puro, este elemento posee una estructura electrónica determinada por la mayor densidad de estados a nivel de Fermi. Como la banda 5f es bastante estrecha, favorece la localización de los electrones. En consecuencia, la forma pura del Pu a temperatura ambiente se comporta de manera similar a los materiales de fermiones pesados. Esto se traduce en una alta capacidad para absorber y almacenar calor (capacidad térmica), así como una gran dificultad para dejar pasar la corriente eléctrica (resistividad).
A presión atmosférica normal, seis alótropos del plutonio han sido identificados, con un séptimo que aparece a una presión superior a 60 MPa. Cada uno presenta propiedades distintas y singulares en comparación con otros metales.
Su forma α estable es uno de los pocos metales que cristalizan en el sistema monoclínico. Sus propiedades estructurales y físicas presentan similitudes con las de los minerales en lugar de las de los metales habituales, y sus propiedades mecánicas con las de la fundición.
Su forma δ cristaliza en una estructura cúbica centrada en las caras. Es menos densa, con una densidad inferior aproximadamente en un 20% a la del plutonio α. Comparte similitudes con el aluminio en términos de propiedades mecánicas. A diferencia de la mayoría de los materiales, que tienden a expandirse al calentarse, la forma δ se contrae a medida que se calienta.
La fase líquida de este metal es más densa que su fase sólida en el punto de fusión.
Su forma pura es difícil de trabajar debido a la presencia de alótropos con energías internas cercanas. Para facilitar la manipulación y el mecanizado de piezas de plutonio, generalmente se utiliza una aleación Pu-Ga, lo que garantiza una mayor estabilidad de la forma δ.
Los isótopos 239Pu y 241Pu presentan propiedades fisibles por neutrones térmicos y se utilizan como combustibles nucleares. El 240Pu, por su parte, se distingue por su alta tasa de fisión espontánea. En general, se busca una tasa inferior al 7% para el plutonio de uso militar. El 238Pu, con una vida media de 88 años, se caracteriza por su emisión de partículas α. Se utiliza como fuente de calor en los generadores termoeléctricos de radioisótopos (RTG) para misiones espaciales de larga duración.
La mayoría de los isótopos del plutonio son producidos por reactores nucleares especializados, debido a la complejidad de su separación. El Proyecto Manhattan contribuyó a la producción a gran escala de este elemento durante la Segunda Guerra Mundial, con fines nucleares. Trinity, la primera prueba de arma nuclear, así como la bomba atómica lanzada sobre Nagasaki (Fat Man), utilizaban plutonio como material fisible. En Hiroshima, el núcleo de la bomba A (Little Boy) estaba compuesto de uranio enriquecido.
Es uno de los elementos más raros en su forma natural. Desde 1940, el Pu ha sido producido sintéticamente por el hombre. Es el segundo elemento transuránico descubierto, después del neptunio. Sin embargo, la radiactividad α del uranio y la radiación cósmica aportan entre 4 y 30 kg de 239Pu cada año.
El 238Pu se obtuvo en 1940 mediante el bombardeo de deuterio sobre un objetivo de uranio en el acelerador de partículas ciclotrón, en la Universidad de Berkeley. El 239Pu, por su parte, fue designado con el nombre en código 49 durante el Proyecto Manhattan. Este código corresponde a las últimas cifras de su número atómico (94) y de su masa atómica (239).
Ninguna traza mensurable de plutonio ha sido generada durante los procesos de nucleosíntesis ocurridos durante la emergencia del universo. Publicaciones anteriores mencionan, sin embargo, la presencia de 244Pu de origen natural.
Los minerales de uranio natural también contienen trazas de 239Pu y neptunio. Estos isótopos provienen de la irradiación del uranio por los neutrones producidos durante su desintegración radiactiva.
Algunas formaciones geológicas que concentran naturalmente uranio produjeron en el pasado cantidades significativas de 239Pu. Esta concentración es suficiente para alcanzar la criticidad, desencadenando así una reacción nuclear natural.
Actualmente, el 239Pu se produce solo en dosis muy pequeñas en estas zonas. Estos accidentes nucleares naturales aumentaron la presencia de este isótopo en el mineral de uranio. Estos fenómenos ocurrieron notablemente en la mina de uranio de Oklo, en Gabón, que así se convirtió en un reactor nuclear natural.
El radio metálico del plutonio, del neptunio, del uranio y del protactinio es generalmente más pequeño que el de otros actínidos como el berilio, el curio, el americio y el torio. Esta particularidad se atribuye a la influencia de los electrones presentes en los orbitales 5f.
El plutonio pertenece a la familia de los actínidos y presenta una apariencia brillante y plateada, similar al níquel. Cuando este metal reacciona con el oxígeno del aire, forma dióxido de plutonio PuO2 que se deposita en su superficie y crea una capa protectora. Esta capa presenta variaciones de color, que van del amarillo al verde oliva.
Al igual que el uranio y el neptunio, y a veces el protactinio, posee una estructura electrónica influenciada por los orbitales 5f, incluso en condiciones normales. Estos últimos juegan un papel determinante en los enlaces entre los átomos. En consecuencia, las distancias interatómicas de estos elementos se reducen, conduciendo a una densidad excepcionalmente elevada. Por ejemplo, la densidad del plutonio es más del doble que la del einstenio, respectivamente 19,816 g/cm³ y 8,84 g/cm³. La del Es ya se considera elevada. Además, en un cristal, las distancias entre los átomos tienen un impacto en el ancho de las bandas electrónicas. Cuanto más se acercan los átomos, más estrechas se vuelven las bandas. En el caso del Pu, la banda 5f más estrecha que las bandas 7s y 6d le permite localizar los electrones en el cristal. Por ello, sus características metálicas se reducen. Esta particularidad de la estructura de bandas del plutonio crea un conjunto de circunstancias y factores complejos.
Al estar los niveles de energía de las bandas 5f y 6d muy próximos, sus electrones 5f no están ni completamente localizados alrededor de un átomo en particular, ni totalmente deslocalizados a través del cristal. Una transición rápida entre estos dos estados se produce ante la menor variación de energía, y lleva a cambios bruscos en las propiedades macroscópicas del elemento.
Debido a la influencia de los electrones 5f, la estructura cristalina de los actínidos ligeros presenta una simetría reducida en comparación con los metales comunes. La naturaleza muy direccional de los orbitales 5f también restringe la geometría de los cristales. La cristalización del protactinio se desarrolla en el sistema tetragonal, la del uranio y neptunio en el sistema ortorrómbico y finalmente la del plutonio en el sistema monoclínico. La estructura cristalina de este último es la más asimétrica de todas.
En su estado natural, las propiedades mecánicas del Pu son las siguientes: su plasticidad, maleabilidad y ductilidad son bajas. Su dureza y fragilidad suelen compararse con las del hierro fundido gris.
Las propiedades eléctricas y térmicas del plutonio también se distinguen, siempre debido a la influencia de los electrones 5f. Su capacidad para conducir la electricidad y el calor es reducida. Sin embargo, su capacidad térmica es elevada. El plutonio comparte esta propiedad con los materiales de fermiones pesados.
A diferencia de otros metales, su conductividad eléctrica disminuye cuando se enfría. Esta tendencia se invierte para el plutonio nuevo a temperaturas inferiores a 100 K. La radiactividad induce daños en su red cristalina y provoca un aumento de su resistividad.
La siguiente tabla compara las propiedades del plutonio con las de otros metales comunes.
| Metal | Conductividad térmica | Resistividad eléctrica | Compresibilidad | Módulo de Young |
| Plutonio α | 4,2 W/m/K | 1,45 µΩ m | 0,020 GPa−1 | 100 GPa |
| Plutonio δ (Pu-Ga) | 9,2 W/m/K | 1,00 µΩ m | 0,033 GPa−1 | 42 GPa |
| Acero inoxidable | 15 W/m/K | 0,7 µΩ m | 0,000 7 GPa−1 | 180 GPa |
| Aluminio | 222 W/m/K | 0,029 µΩ m | 0,015 GPa-1 | 70 GPa |
La radiactividad provoca una desorganización de la estructura cristalina del plutonio y causa una acumulación de defectos cristalinos. La auto-irradiación puede generar suficiente calor en el elemento para provocar un proceso de recocido, que contribuye a reparar parcialmente los daños causados por la irradiación. Así, para temperaturas superiores a 1.000 K, el efecto del recocido puede corregir el estado anterior y permitir una restauración de su estructura.
El plutonio cuenta con ocho isómeros nucleares y 20 isótopos conocidos. Entre estos últimos, el 244Pu posee una vida media de 80,8 millones de años, considerada la más larga. Los isótopos 239Pu y 242Pu presentan respectivamente vidas medias de 24.110 y 373.300 años. Las de los otros isótopos son inferiores a 7.000 años.
Su masa atómica varía entre 228 y 247. Los isótopos menos pesados que el 244Pu tienen principalmente dos modos de desintegración predominantes: la fisión espontánea y la desintegración α. Estos procesos producen uranio y neptunio, junto con otros productos de fisión.
Los isótopos más pesados que el 244Pu se desintegran por radiactividad β, produciendo americio. Del neptunio nace la desintegración del 241Pu, que luego se transforma en americio 241 tras el impacto de la radiactividad beta.
El 239Pu, 233U y 235U son los principales isótopos fisibles utilizados con fines militares y en la industria nuclear. El 241Pu posee una mayor radiactividad que el 239Pu, pero también puede sufrir fisión después del impacto de un neutrón térmico. Los neutrones liberados por esta reacción luego mantienen una reacción en cadena.
Por desintegración β, el 241Pu se transforma en 241Am. Este último emite partículas α que perturban el funcionamiento de los dispositivos que funcionan con plutonio. Bajo el impacto de neutrones térmicos, los isótopos 239Pu y 241Pu tienen aproximadamente un 75% de posibilidades de sufrir fisión, frente a un 25% de transformarse en 240Pu y 242Pu. Tras la reacción nuclear, la cantidad restante de 240Pu es superior a la del plutonio padre.
El 239Pu puro presenta menos radiactividad que los otros isótopos. Sin embargo, su factor de multiplicación keff superior a 1 le permite alcanzar la masa mínima necesaria para desencadenar una reacción en cadena, es la masa crítica. Esta reacción se lleva a cabo cuando un elemento se encuentra en cantidad suficiente en un volumen definido.
Durante la fisión atómica, parte de la energía que mantiene cohesionado el núcleo atómico (enlace nuclear) se libera en forma de energía cinética y electromagnética. La energía cinética se transforma posteriormente en energía térmica. Es esta reacción la que explotan los reactores de las centrales nucleares actuales, así como las armas nucleares.
Cuando el 239Pu sufre fisión, un solo kilogramo puede generar una explosión con una potencia equivalente a 21 kilotones de TNT, es decir, 88.000 gigajulios.
La presencia de 240Pu en el 239Pu reduce su utilidad militar. De hecho, el rendimiento explosivo del isótopo se deteriora y los riesgos de explosión incontrolada aumentan significativamente. La tasa de fisión espontánea del 240Pu es 10.000 veces mayor que la del 239Pu. Se estima en aproximadamente 440 fisiones por segundo por gramo, o el equivalente a 1.000 neutrones por segundo por gramo.
El plutonio se califica como fuel-grade (de calidad combustible) cuando su contenido en 240Pu es inferior al 19%. Se califica como weapon-grade (de calidad militar) cuando este contenido es inferior al 7%.
El plutonio de alta calidad o supergrade, se caracteriza por un contenido en 240Pu inferior al 4%. Esta forma, debido a su reducida radiactividad, se utiliza en armas nucleares que deben almacenarse en las inmediaciones de los miembros de la tripulación, como los submarinos nucleares estratégicos y varias clases de barcos militares.
A diferencia de los otros isótopos, el 238Pu no es fisible. Sin embargo, puede sufrir fisión por radiactividad alfa, o bajo la influencia de neutrones rápidos.
Los isótopos 238 y 239 del plutonio son sintéticos. El 239Pu nace de la captura de neutrones, seguida de una desintegración beta del uranio 238:
10 n + 238 92 U → 239 92 U → β- 23.5min⟶ 239 93 Np ⟶ β- 2.3565 d ⟶ 239 94 Pu
Los neutrones producidos por la fisión del uranio 235 son capturados por los núcleos de uranio 238, formando así el 239U. La desintegración β produce entonces el 239Np, convertido más tarde en 239Pu en respuesta a una segunda desintegración de la misma naturaleza.
El 238Pu se obtiene bombardeando el uranio 238 con iones de deuterio:
21 D + 238 92 U → 238 93 Np + 2 10 n
238 93 Np → β- 2,117 j ⟶ 238 94 Pu
Los isótopos del plutonio sufren desintegración espontánea principalmente por radiactividad α, a excepción del 240Pu y 241Pu. Las partículas α (He2+) emitidas se combinarán con electrones y darán lugar a helio. El plutonio, por su parte, se transmuta en uranio.
En un arma nuclear, si el núcleo pesa 5 kg, contiene 12,5 × 1024 átomos. Estos generan una actividad de 11,5 × 1012 desintegraciones por segundo (Bq) y emiten partículas α. En términos de potencia, esta actividad corresponde aproximadamente a 9,68 W. Los principales modos de desintegración de los isótopos del plutonio se representan en la siguiente tabla.
| Isótopo | Periodo radiactivo | Actividad másica | Modo de desintegración | Nucleido hijo | Relación de ramificación | Energía de desintegración |
| 238Pu | 87,76 años | 6,34 × 1011 Bq/g | Radiactividad α | 234U | 71,04 % | 5,499 MeV |
| 28,84 % | 5,457 MeV | |||||
| 239Pu | 24 130 años | 2,295 × 109 Bq/g | Radiactividad α | 235U | 73,30 % | 5,156 MeV |
| 15,10 % | 5,144 MeV | |||||
| 11,45 % | 5,106 MeV | |||||
| 240Pu | 6 567,5 años | 8,40 × 109 Bq/g | Radiactividad α | 236U | 72,90 % | 5,168 MeV |
| 27,00 % | 5,124 MeV | |||||
| 241Pu | 14,29 años | 3,81 × 1012 Bq/g | Radiactividad β | 241Am | 99,99 % | 20,81 keV |
Los isótopos radiactivos del plutonio generan una cantidad variable de calor durante su desintegración, medida en milivatios por gramo o en vatios por kilogramo. Esta producción de calor puede ser significativa en las estructuras de gran tamaño que contienen plutonio, como las cabezas nucleares. Además, todos sus isótopos emiten débiles rayos γ.
La siguiente tabla presenta el calor de desintegración de los isótopos del plutonio:
| Isótopo | Calor de desintegración | Fisión espontánea (neutrones) | Observaciones |
| 238Pu | 560 W/kg | 2 600 g−1 s−1 | Calor de desintegración muy elevado aprovechado en los generadores termoeléctricos de radioisótopos |
| 239Pu | 1,9 W/kg | 0,022 g−1 s−1 | Principal isótopo fisible del plutonio. |
| 240Pu | 6,8 W/kg | 910 g−1 s−1 | Principal impureza del plutonio 239. La calidad de un plutonio se expresa generalmente en porcentaje de 240Pu. Su tasa de fisión espontánea es desfavorable para aplicaciones militares. |
| 241Pu | 4,2 W/kg | 0,049 g−1 s−1 | Se desintegra en americio 241. Su acumulación presenta un riesgo de irradiación por las piezas de plutonio antiguas. |
| 242Pu | 0,1 W/kg | 1 700 g−1 s−1 |
Cuando un cuerpo simple posee la propiedad de existir bajo varias formas moleculares o cristalinas, se dice que está dotado de alotropía. Sus diferentes formas se denominan entonces alótropos. El plutonio posee un alótropo que solo existe a partir de 60 MPa, y seis alótropos diferentes a presión atmosférica. Estos últimos se denotan como α (alfa), β (beta), γ (gamma), δ (delta), δ’ (delta prima), ε (épsilon) y ζ (zeta).
Sus niveles de variación energética son mínimos, mientras que sus propiedades físicas presentan variaciones significativas. La densidad del plutonio puro a presión atmosférica fluctúa entre 19,86 g/cm3 para el plutonio α a temperatura normal, y 15,92 g/cm3 para el plutonio δ a 125°C. Esto equivale a una disminución de densidad del 20%, que se manifiesta por un aumento de más del 7,6% de la longitud en una dimensión lineal.
Así, los cambios de presión, temperatura o medio químico provocan una reacción violenta del elemento. Por otra parte, su densidad se modifica a medida que pasa de una fase a otra.
Las diferentes fases del plutonio a presión atmosférica se representan en la tabla a continuación.
| Fase | Sistema cristalino | Temperatura de transición de fase | Densidad |
| α | Monoclínico simple | 110 °C | 19,86 g/cm3 |
| β | Monoclínico de bases centradas | 124,5 °C | 17,70 g/cm3 |
| γ | Ortorrómbico de caras centradas | 214,8 °C | 17,14 g/cm3 |
| δ | Cúbico de caras centradas | 320,0 °C | 15,92 g/cm3 |
| δ’ | Tetragonal centrado | 462,9 °C | 16,00 g/cm3 |
| ε | Cúbico centrado | 482,6 °C | 16,51 g/cm3 |
| Líquido | ~640 °C | 16,65 g/cm3 | |
El modelado del plutonio puro es difícil debido a la similitud de las energías internas de sus alótropos. Se estabiliza entre 320,0 y 462,9°C. Su forma más común (α) presenta un estado cristalino monoclínico. Esto le confiere propiedades similares a las del hierro fundido gris, como la dureza y la fragilidad. Cuando el plutonio puro se somete a un ligero aumento de temperatura, sufre cambios geométricos bruscos. Su forma α solo puede estabilizarse a alta temperatura con la ayuda del neptunio.
Su fase δ presenta un sistema cristalino cúbico de caras centradas, cuyas propiedades mecánicas son similares a las del aluminio. Este alótropo puede mantenerse a temperatura normal añadiendo una pequeña dosis de galio, cerio, escandio, americio o aluminio. Esta estabilización permite facilitar el mecanizado y el ensamblaje de piezas de plutonio. Para evitar las transiciones de fase que pueden provocar deformaciones locales en la pieza (contracciones o expansiones), la aleación Pu-Ga se utiliza habitualmente.
La adición de zinc, zirconio, indio y silicio da lugar a una fase δ metaestable, cuando se somete a un proceso de enfriamiento rápido. Este estado puede mantenerse hasta una temperatura normal tras la adición de grandes cantidades de talio, holmio y hafnio. La elasticidad de la fase δ es llamada anisotrópica: sus propiedades elásticas varían, de seis a siete en función de las direcciones en el espacio.
La fase δ se transforma en fase α durante la fisión nuclear, debido a la onda de choque generada para comprimir el núcleo de plutonio. Como la densidad de la forma α obtenida es más elevada, los riesgos de reacción en cadena se evalúan mejor.
El color plateado del plutonio se empaña en solo unos minutos cuando entra en contacto con el aire. En solución acuosa, existen cinco estados de oxidación posibles del Pu, siendo el último poco común:
Se ha identificado un estado de oxidación +2 en el complejo: [K(2.2.2-cryptand)][PuIICp″3], donde Cp″ = C5H3(SiMe3)2.
El tinte de las soluciones de iones de plutonio está determinado tanto por el estado de oxidación como por la naturaleza del anión ácido. Es este anión el que influye en el nivel de complejación del plutonio.
Su forma metálica nace de la reacción entre el tetrafluoruro PuF4 y el bario, el litio o el calcio a una temperatura de 1.200°C. El metal es corroído en presencia de vapor de agua, oxígeno y ácidos, pero resiste a las bases. Se solubiliza en ácidos concentrados (clorhídrico HCl, perclórico HClO4 y yodhídrico HI).
Su forma líquida se mantiene bajo vacío o bajo atmósfera inerte con el fin de conservar su estado puro y reducir los riesgos asociados a su exposición al oxígeno atmosférico. Expuesto a una temperatura de 135°C, el plutonio metálico presenta una propiedad peligrosa: se inflama espontáneamente en contacto con el aire e incluso puede provocar una explosión en presencia de tetraclorometano (CCl4).
El Pu reacciona con diferentes elementos para formar diversos compuestos químicos. Combinado con el carbono, forma carburos como Pu3C2, Pu2C3, PuC1-δ, y PuC2. Cuando entra en contacto con el nitrógeno, da lugar a un nitruro PuN. De la misma manera, mezclado con el silicio, forma el siliciuro de plutonio PuSi2.
También se asocia con los halógenos X2, donde X puede ser cromo, bromo, yodo o flúor. Estos compuestos forman luego trihalogenuros PuX3, como el trifluoruro de plutonio PuF3. El flúor forma también el tetrafluoruro PuF4 así como el hexafluoruro PuF6 con el plutonio. Además, se asocia con el oxígeno para dar oxihalogenuros como PuOCl, PuOBr y PuOI.
Los metales refractarios (tungsteno, tantalio) así como los óxidos, boruros, carburos, nitruros y siliciuros más estables, son los más adaptados para la manipulación del plutonio. En efecto, el recipiente utilizado (crisol) para fundirlo debe ser reforzado con estos materiales para que pueda resistir su carácter reductor. El crisol no es necesario si la fusión se hace en un horno de arco metálico. Pequeños lingotes de plutonio metálico se obtienen gracias a esta técnica.
El plutonio se funde y luego se añade a un metal para formar aleaciones. Puede incorporarse en forma de óxidos o halogenuros si el metal presenta un carácter reductor. Las aleaciones Pu-Ga y Pu-Al resultan de la mezcla de PuF3 (trifluoruro de plutonio) en galio y aluminio en estado líquido. Permiten estabilizar la fase δ a temperatura normal.
Las principales aleaciones del plutonio incluyen:
La forma pura del plutonio desarrolla rápidamente una capa opaca compuesta por una mezcla de óxidos e hidruros cuando se expone a argón (Ar) o a la humedad del aire. Esta capa se desintegra luego en un polvo volátil, cuya inhalación es tóxica para el hombre. Por otra parte, para evitar que las partículas se dispersen en el ambiente, el plutonio se trata en cajas de guantes.
La formación de una capa de dióxido de plutonio (PuO2) tras la exposición al aire seco constituye una pasivación muy eficaz para el metal. Limita la oxidación del elemento, con una progresión de solo 20 pm/h.
En cambio, la humedad favorece la creación de los hidruros PuHx, con 1,9 < x < 3. Estos compuestos aceleran la reacción de corrosión por el oxígeno. Si la humedad carece de O2, se forman óxidos intermedios, como el sesquióxido Pu2O3, y contribuyen a la corrosión por hidrógeno. Si, por el contrario, la humedad tiene O2, se produce una reacción de oxidación, transformando el PuO2 en un óxido superior PuO2+x. Se produce sobre la capa de dióxido existente y contribuye al deterioro del metal en aire húmedo.
Los polvos de sus óxidos (Pu2O3), de sus hidruros así como los del plutonio comparten propiedades pirofóricas. Se inflaman espontáneamente cuando entran en contacto con el aire, incluso a temperatura ambiente. Por consiguiente, se tratan en ambientes inertes, bajo nitrógeno N2 o argón Ar, para mantener una atmósfera seca y segura. En forma sólida, el Pu solo se incendia a partir de 400°C. La inflamación del sesquióxido, por su parte, permite la obtención del dióxido de plutonio (PuO2) inerte al aire seco, pero reactivo en presencia de vapor de agua. Estas reacciones se escriben:
3 PuO2 + Pu ⟶ 2 Pu2O3
2 Pu2O3 + O2 ⟶ 4 PuO2.
En reacción con el hidrógeno, el plutonio produce hidruros PuHx donde 1,9 < x < 3:
2 Pu + x H2 ⟶ 2 PuHx donde el valor de x varía en función de la temperatura de reacción y de la presión parcial de hidrógeno.
La forma cristalina de los hidruros de plutonio en el sistema cúbico de caras centradas está representada por sólidos cristalizados. Estos sufren una oxidación rápida cuando se exponen al aire. Una vez puestos bajo calentamiento y bajo vacío dinámico (evacuación continua del hidrógeno liberado), los elementos que los constituyen se separan.
Los peligros incurridos por exposición a este metal están relacionados con sus isótopos. Por ejemplo, pueden desencadenarse reacciones nucleares en cadena involuntarias e incontroladas si el plutonio no se trata correctamente. Estos accidentes, llamados de criticidad, tienen efectos tóxicos sobre el hombre, entre ellos el síndrome de irradiación aguda, que, en dosis elevada, puede causar la muerte en solo unos minutos.
El plutonio también presenta una toxicidad radiactiva y reprotóxica, perturbando la fertilidad y el desarrollo del feto. Su ingestión provoca una irradiación de los tejidos que puede inducir mutaciones genéticas, susceptibles de contribuir al desarrollo de cánceres.
Los isótopos más conocidos del plutonio emiten radiactividad alfa, cuya energía de las partículas α emitidas está comprendida entre 4,9 y 5,5 MeV. Son fácilmente detenidas por la epidermis y generalmente por todos los materiales sólidos. Los rayos β emitidos por el isótopo 241Pu son un poco más elevados (5,2 keV), y atraviesan mejor que las partículas α.
En química, el plutonio se considera un elemento muy inflamable debido a sus propiedades combustibles y pirofóricas. Sin embargo, su toxicidad se considera menos peligrosa.
En fisión, la masa crítica del 239Pu vale un tercio de la del 235U. La masa crítica de materia fisible corresponde a la cantidad mínima de materia requerida para iniciar una reacción en cadena de fisión nuclear. Al acercarse a esta masa crítica, el 239Pu corre el riesgo de desencadenar una reacción nuclear con una cantidad mortal de neutrones y rayos γ. La probabilidad es mayor si el plutonio está en forma líquida, debido a la capacidad del hidrógeno para ralentizar los neutrones.
En el siglo XX, varias personas encontraron la muerte en accidentes de criticidad relacionados con la utilización del plutonio. El 21 de agosto de 1945, un error de manipulación de materiales radiactivos se produjo en el laboratorio nacional de Los Álamos. Se utilizaban ladrillos de carburo de tungsteno para controlar los neutrones alrededor de una esfera que contenía plutonio, conocida con el nombre de demon core. Harry Daghlian Jr., un investigador del Proyecto Manhattan, fue expuesto a una dosis de irradiación de 5,1 Sv. Veinticinco días después, murió a consecuencia de un síndrome de irradiación aguda sucesiva. Louis Slotin también murió nueve meses después, en Los Álamos, debido al mantenimiento de los reflectores de berilio alrededor del demon core, del cual estaba a cargo.
En la misma ciudad, en diciembre de 1958, el laborante Cecil Kelley encontró la muerte durante un protocolo de purificación de plutonio donde una masa crítica se formó en un recipiente y desencadenó una reacción en cadena. Se han registrado accidentes similares en Japón, la Unión Soviética, Estados Unidos y otros países.
El plutonio es un elemento sintético radiactivo, producido por reacción nuclear. Sus radiaciones ionizantes son conocidas por su radiotoxicidad, incluyendo los rayos α o partículas α, los rayos β o electrones, así como los rayos γ o fotones energéticos.
Exposiciones sucesivas e intensas comportan peligros para la salud, pudiendo traducirse en cánceres, mutaciones genéticas o un síndrome de irradiación aguda.
Los riesgos aumentan según la dosis radiactiva absorbida y según la dosis equivalente, la cual tiene en cuenta los daños causados por las radiaciones. La primera se mide en grays (Gy), y la segunda en sieverts (Sv). La dosis equivalente se expresa por el factor de dosis, que se presenta en microsieverts por becquerel (µSv/Bq):
| Isótopo | Plutonio 238 | Plutonio 239 | Plutonio 240 | Plutonio 241 | Plutonio 242 |
| Actividad másica | ~630 GBq/g | ~2,3 GBq/g | ~8,5 GBq/g | ~3 700 GBq/g | ~0,15 GBq/g |
| Factor de dosis | 0,23 µSv/Bq | 0,25 µSv/Bq | 0,25 µSv/Bq | 0,004 8 µSv/Bq | 0,24 µSv/Bq |
Los rayos α no tienen la capacidad de atravesar la epidermis, pero muestran una energía mucho más elevada (megaelectron-voltios) que la de los otros rayos (kiloelectron-voltios). Los rayos β, por su parte, penetran mejor que las partículas α, pero menos que los rayos γ, que pueden atravesar todos los tejidos y penetrar en el organismo.
La inhalación de polvos que contienen plutonio, principalmente dióxido de plutonio (PuO2), presenta el mayor peligro. En contacto con el aire, el PuO2 se forma rápidamente y puede fragmentarse en partículas finas en un ambiente húmedo. Estudios han revelado un aumento del número de casos de cáncer de pulmón entre los trabajadores del sector nuclear, si la dosis equivalente inhalada llega a 400 mSv. El plutonio tiende a acumularse a nivel del hígado y de los huesos.
Los isótopos presentan propiedades radiotóxicas diferentes. El plutonio utilizado en las armas nucleares (92% de 239Pu) es relativamente menos tóxico debido a su baja actividad radiactiva por unidad de masa. El 240Pu y el 238Pu, en cambio, tienen una actividad radiactiva más elevada. La del 241Pu es mil veces superior a estos últimos debido a los rayos β que emite.
La siguiente tabla presenta las diferentes energías por modo de desintegración del plutonio:
| Isótopo | Plutonio 238 | Plutonio 239 | Plutonio 240 | Plutonio 241 | Plutonio 242 |
| Radiación α | 5,5 MeV | 5,1 MeV | 5,2 MeV | < 1 keV | 4,9 MeV |
| Radiación β | 11 keV | 6,7 keV | 11 keV | 5,2 keV | 8,7 keV |
| Radiación γ | 1,8 keV | < 1 keV | 1,7 keV | < 1 keV | 1,4 keV |
El 238Pu es el más radiotóxico de los isótopos del plutonio. Cuando el 241Pu se desintegra, produce americio 241 cuyos rayos γ energéticos son nocivos para el medio ambiente.
Los ensayos clínicos en organismos vivos han mostrado que la cantidad letal de Pu en dosis única se sitúa entre 400 y 4.000 µg/kg. La muerte es inducida por el síndrome de irradiación aguda. Sin embargo, una exposición prolongada puede provocar daños más progresivos.
Además, se estima que la inhalación de diez miligramos de óxidos de plutonio es mortal. Tras los experimentos realizados en perros y babuinos, los resultados sugieren que en el hombre, una dosis de 9 mg de plutonio provocaría la muerte en 30 días; esta probabilidad es del 50%. Una dosis de 0,9 mg conduciría a una mortalidad en un año con una probabilidad similar, y una dosis de 0,4 mg al cabo de tres años.
Se han constatado tumores de pulmón en los animales evaluados (rata y perro), tras la inhalación de óxidos de plutonio. Los estudios han revelado una relación dosis-efecto, indicando un efecto cancerígeno del Pu si se inhala por encima de aproximadamente 1 Gy. En el hombre, este umbral corresponde a una acumulación de 239PuO2 de aproximadamente 200 kBq (87 µg) en los pulmones.
El plutonio, especialmente en estado de polvo fino, es inflamable. Los hidruros que se forman en su superficie se inflaman rápidamente incluso a temperatura normal, como lo demuestra el incendio del laboratorio nacional de Rocky Flats en 1969. El proceso de oxidación de este elemento puede provocar un aumento de su volumen de hasta un 70%, y así hacer estallar el contenedor en el que está confinado. Su fuerte radiactividad refuerza aún más este riesgo.
Los incendios desencadenados por el plutonio se extinguen generalmente con óxido de magnesio (MgO). Como disipador térmico, enfría el elemento y corta el suministro de oxígeno necesario para la combustión. Por otra parte, el mantenimiento del plutonio se hace a menudo en un medio seco e inerte para limitar al máximo los riesgos de incendio.
Al igual que el uranio, el plutonio es un metal pesado considerado como tóxico. Sus efectos nocivos han sido poco estudiados, especialmente su toxicidad química sugerida como leve. Se realizó un estudio de sus impactos sanitarios, tras la exposición de diferentes poblaciones a polvos de Pu. Los sujetos eran residentes cercanos a sitios de experimentación nuclear, trabajadores en bases nucleares y sobrevivientes del bombardeo atómico de Nagasaki. Entre ellos también figuraban pacientes afectados por enfermedades mortales en fase terminal, a los que se les había inyectado plutonio en los años 1945-1946 con fines experimentales.
Los resultados no revelaron ningún caso grave de intoxicación por plutonio, como lo ilustra el caso de Albert Stevens. A pesar de las inyecciones de Pu a las que fue sometido, tuvo una gran longevidad sin manifestaciones importantes de toxicidad.
En los años cuarenta, ninguno de las decenas de investigadores del laboratorio nacional de Los Álamos desarrolló cáncer de pulmón, a pesar de la inhalación en grandes cantidades de partículas de plutonio. Los resultados de salud de los 26 trabajadores del laboratorio, conocidos como el “club de los UPPU”, revelan tasas de cánceres y mortalidad que no eran superiores a la media. Sin embargo, estos habían respirado suficiente Pu para que fuera detectable hasta en su orina.
Por otra parte, las afirmaciones antinucleares según las cuales “la ingestión de una sola millonésima de gramo sería fatal” o “Bastaría con unos cientos de gramos de plutonio dispersados uniformemente en la tierra para borrar toda forma de vida humana” nunca han sido confirmadas por los datos existentes.
Dispersar aproximadamente un kilogramo de plutonio en una superficie de unos 10 km de radio significa menos de 0,01 μg/m². Así, si unos cientos de gramos fueran dispersados uniformemente en la superficie de la Tierra, esta cantidad de materia sería tan mínima que sería indetectable.
La radiactividad del 239Pu utilizado por la industria nuclear y el ejército es significativamente más baja que la del 238Pu. En efecto, estos dos isótopos son sintetizados a través de procesos distintos y están destinados a contextos de utilización diferentes. Se fabrican varias toneladas de 239Pu para ser utilizadas en los reactores y armas nucleares como isótopos fisibles. El 238Pu, en cambio, se produce en menor cantidad (algunos kilogramos), y encuentra aplicación en los generadores termoeléctricos de radioisótopos como fuente de energía.
Una vez en el interior del organismo humano, el plutonio es vehiculado por proteínas llamadas transferrinas y almacenado en la sangre por la ferritina. Progresivamente, se acumula principalmente en los huesos, pero también en el hígado, y en pequeña cantidad, en los pulmones. Permanece en el organismo durante aproximadamente 50 años.
Para atenuar sus efectos, debe inyectarse DTPA (complejo de ácido dietileno-triamina penta-acético), también conocido como ácido pentético, en las 24 horas siguientes a la contaminación, en combinación con zinc o calcio. Esta técnica limita la fijación del plutonio, así como la del americio y del curio.
La enterobactina y la deferoxamina también pueden aplicarse en el tratamiento de la intoxicación. Otros quelantes, como el 3,4,3-LIHOPO y la DFO-HOPO (deferoxamina-hidroxipiridinona), han mostrado incluso una eficacia superior en comparación con el DTPA.
Cuando el plutonio penetra en el cuerpo humano por vía intestinal o pulmonar, aproximadamente el 10% de la cantidad absorbida es eliminada del cuerpo, principalmente por las heces y la orina. El resto que entra en la sangre se reparte a partes iguales entre el hígado y el esqueleto, donde puede permanecer durante un período considerable, incluso toda la vida.
Según el Departamento de Energía estadounidense (DOE), su vida media es de aproximadamente 20 años en el hígado y 50 años en los huesos. Estas estimaciones se basan en modelos simplificados que no tienen en cuenta las redistribuciones intermedias. Estas últimas se producen durante el reciclaje normal del hueso, procesos de descalcificación, menopausia o fractura ósea.
Según sus datos, la tasa de acumulación del Pu en el hígado y los huesos está influenciada por la edad del individuo, con una absorción aumentada por el hígado con el tiempo. Tiende a concentrarse primero en las superficies externas de los huesos, luego a desplazarse progresivamente a través de los huesos para alcanzar su estructura interna.
El 239Pu es esencial en la producción de armas nucleares donde se utiliza como isótopo fisible. Es más práctico debido a su abundancia y facilidad de manipulación. La masa crítica del plutonio puede reducirse recubriendo el núcleo con materiales reflectores de neutrones. Estos últimos tienen un doble papel: aumentan el flujo de neutrones térmicos en el núcleo y retrasan su expansión térmica. Este proceso permite tener una reacción en cadena más larga y una explosión nuclear más potente.
Diez kilos de 239Pu son suficientes para alcanzar la criticidad, si no se utiliza ningún reflector. Sin embargo, un diseño mejorado puede reducir teóricamente este peso a la mitad para alcanzar la criticidad. Esto sería el equivalente a 1/3 de la masa crítica del uranio 235.
En 1945, Estados Unidos lanzó sobre Nagasaki la bomba Fat Man. Esta presentaba una configuración específica de plutonio que maximizó su potencia explosiva. Contenía una carga de 6,4 kg de aleación plutonio-galio (239Pu-240Pu-Ga en una proporción de 96:1:3), con una fuente de neutrones de iniciación Be-210Po en su centro. El conjunto estaba recubierto de lentes explosivas que comprimían el plutonio, aumentando así su densidad y, en consecuencia, la intensidad de la explosión. Esta última alcanzó el equivalente a aproximadamente 20.000 toneladas de TNT.
Los desechos nucleares procedentes de reactores de agua ligera estándar contienen una mezcla de isótopos de plutonio, especialmente el 238Pu, el 239Pu, el 240Pu y el 242Pu. Este combustible no contiene suficiente 239Pu para ser utilizado directamente en la fabricación de armas nucleares. Sin embargo, se recicla en combustible MOX (Mixed Oxides), que sirve de carburante en los reactores.
Durante la reacción nuclear, el plutonio está expuesto a capturas neutrónicas accidentales que provocan un aumento de la cantidad de 240Pu y de 242Pu. Al final del primer ciclo, el plutonio pierde su eficacia y solo puede explotarse en reactores de neutrones rápidos. En ausencia de estos últimos, el exceso de Pu se elimina a menudo como desechos radiactivos de larga duración. Actualmente, la construcción de reactores de neutrones rápidos está en el centro de las prioridades para minimizar y valorizar los desechos nucleares.
El procedimiento PUREX (Plutonium-Uranium Extraction) es el proceso químico más utilizado para extraer el uranio y el plutonio de los desechos nucleares. El resultado obtenido forma el MOX, compuesto de dióxido de plutonio (PuO2) y dióxido de uranio (UO2), aplicado como combustible en reactores nucleares. Contiene 60 kg de Pu por tonelada y funciona en los reactores de agua ligera.
Al cabo de cuatro años de utilización, el 75% del Pu contenido en el MOX se consume. Los reactores supergeneradores están diseñados para que los neutrones producidos durante la reacción nuclear puedan generar más material fisible del que consumen.
Desde 1980, Europa ha adoptado la mezcla de óxidos MOX en sus necesidades nucleares. En 2000, Rusia y Estados Unidos firmaron el PMDA (Acuerdo de gestión y tratamiento del plutonio), cuyo principal objetivo es deshacerse de las 34 toneladas de plutonio de calidad militar. El reciclaje de toda esta cantidad por el DOE estadounidense debía completarse antes de finales del año 2019.
El MOX tiene la capacidad de aumentar el rendimiento energético total. Las barras de combustible nuclear se reciclan después de tres años y se reintegran en un reactor. Los isótopos de plutonio y uranio generados durante este período de utilización se conservan en ellas. Los desechos extraídos constituyen solo aproximadamente el 3% de su masa total. La durabilidad del Pu de calidad militar en el reactor de agua ligera se ve alterada por el galio, aunque solo esté presente en pequeña cantidad, en torno al 1%.
Los principales centros de reciclaje del plutonio son:
También funcionan otros sitios de menor envergadura, especialmente en Pakistán e India.
El periodo radiactivo del 238Pu es de 87,74 años. Produce una cantidad significativa de energía térmica, así como flujos relativamente bajos de fotones gamma y neutrones. Su potencia térmica es de 570 W/kg. Este isótopo emite partículas alfa de alta energía pero poco penetrantes. Por consiguiente, una protección ligera, como una hoja de papel, es suficiente para detenerlas. Debido a estas propiedades, se considera como fuente de calor potencial en dispositivos que no requieren ningún mantenimiento directo durante toda una existencia humana.
El 238Pu ha sido utilizado para las misiones de exploración espacial New Horizons, Galileo, Voyager y Cassini-Huygens y en el rover Curiosity del Mars Science Laboratory. Ha servido especialmente en los elementos calefactores de radioisótopos (RHU) y los generadores térmicos de radioisótopos (RTG).
Las sondas Voyager, lanzadas en 1977, estaban equipadas cada una con una fuente de plutonio de 500 W. Después de más de 30 años, las sondas pudieron mantener un funcionamiento limitado gracias a la potencia de 300 W aún producida por las fuentes de energía. Los cinco dispositivos científicos ALSEP (Apollo Lunar Surface Experiments Packages) instalados en la Luna en 1969 durante la misión Apollo 12 contenían una versión antigua de este procedimiento.
El isótopo 238Pu encuentra también uso en el ámbito médico, en particular en la alimentación de los marcapasos. Su aplicación permite reducir los procedimientos quirúrgicos recurrentes relativos a la renovación de la fuente de energía. En 2003, fue reemplazado por las pilas de litio, pero entre 50 y 100 pacientes en Estados Unidos aún están equipados con marcapasos que funcionan con 238Pu.
El plutonio se considera un material sensible debido a su potencial de utilización en aplicaciones militares o terroristas. Por consiguiente, se han establecido varios textos y convenciones internacionales con el fin de regular su acceso. El riesgo de proliferación es limitado cuando se recicla a partir de desechos nucleares, debido a la presencia de los isótopos 240Pu y 242Pu. En efecto, estos últimos no son fisibles y son difíciles de eliminar.
Cuando un reactor nuclear funciona con una combustión másica baja, tiende a producir menos isótopos no fisibles. El material nuclear resultante es susceptible de ser utilizado con fines militares. El plutonio de calidad militar contiene generalmente alrededor del 92% de 239Pu, el isótopo fisible más comúnmente utilizado en las armas nucleares. Sin embargo, un 85% de 239Pu es suficiente para construir una bomba nuclear menos potente.
Si la combustión másica del reactor de agua ligera es normal, el plutonio resultante contiene menos 239Pu, alrededor del 60%. También contiene un 30% de isótopos no fisibles así como un 10% de 241Pu. La explosión de las bombas nucleares fabricadas con este material sigue siendo incierta; sin embargo, su utilización puede provocar la liberación de sustancias radiactivas.
Por consiguiente, todos los isótopos del plutonio están clasificados como material de uso nuclear por la Agencia Internacional de Energía Atómica. Esta justifica esta disposición por el hecho de que pueden emplearse directamente en la confección de explosivos nucleares, sin necesitar enriquecimientos adicionales o modificaciones. La posesión de este elemento está regida por el código de la Defensa, capítulo III, en Francia.
Los isótopos 238Pu y 239Pu se forman por la cadena de desintegración del uranio 235 en las centrales nucleares.
La vida media del 238Pu es de 86,41 años. Emite una radiactividad alfa significativa y posee una actividad específica elevada en términos de radiación alfa y gamma. Por eso el 238Pu se elige como fuente de neutrones, de calor y de energía eléctrica en los generadores termoeléctricos de radioisótopos. Sirve únicamente en aplicaciones espaciales como fuente de electricidad y, antiguamente, en marcapasos.
El 238Pu proviene de la emisión de neutrones del 237Np (recuperado durante el reciclaje de desechos nucleares), o del americio en un reactor nuclear. La extracción del 238Pu de estos elementos requiere una disolución nítrica.
Durante un período de tres años, el combustible irradiado de los reactores nucleares de agua contiene solo 700 gramos de neptunio 237 por tonelada de combustible. La extracción de este Np se hace de manera selectiva.
El 239Pu se produce por captura neutrónica, tras la exposición de 238U a radiaciones en los reactores nucleares. El neutrón (rápido o térmico) capturado por el átomo de 238U se transforma temporalmente en 239U: 10 n + 238 92 U → 239 92 U.
El 239U, inestable, viable solo durante 23,5 minutos, sufre luego una radiactividad β– para dar neptunio: 239 92U ⟶ 239 93 Np + e− + νe.
El 239Np, viable aproximadamente 2,36 días, se transforma luego en 239Pu cuya vida media es de 24.000 años por decaimiento β–: 239 93 Np ⟶ 239 94 Pu + e− + νe.
El 239Pu participa en la reacción en cadena del reactor como isótopo fisible. Así, en la evaluación energética de un reactor nuclear, se tienen en cuenta la capacidad energética del 235U inicial y la del 238U fértil transformado en plutonio.
El 239Pu puede proceder a una captura neutrónica sin sufrir división nuclear si está expuesto a un flujo neutrónico. La absorción de neutrones por el 239Pu y sus productos de fisión durante períodos prolongados de irradiación conduce a la acumulación de isótopos más pesados en el combustible nuclear. Este proceso permite la aparición de los isótopos 240Pu, 241Pu, 242Pu, así como 243Am, producto de desintegración de 243Pu.
La cantidad de un isótopo producido depende de la abundancia del isótopo padre, que debe haber tenido tiempo de acumularse. El 239Pu sigue por tanto una evolución lineal en un combustible virgen. La cantidad de 240Pu crece de manera cuadrática (t²) con el tiempo, mientras que la de 241Pu crece de manera cúbica (t3), y esta tendencia continúa así para los isótopos siguientes.
Para garantizar la pureza del plutonio militar, es necesario extraer el combustible, los objetivos y la cobertura utilizados durante su fabricación después de algunas semanas. Para el caso del plutonio de uso civil, una breve exposición a las radiaciones no es suficiente para extraer toda la energía producida por el combustible. Este último no se retira de los reactores hasta después de tres o cuatro años.
Una fisión de 235U equivale a aproximadamente 0,8 átomos de 239Pu, o aproximadamente 1g/MW por día de plutonio en un reactor. En Francia, se producen aproximadamente 11 toneladas de plutonio cada año. Sin embargo, los reactores de agua ligera tienden a generar menos que los de grafito-gas.
El 240Pu no forma parte de los isótopos fisibles del plutonio. Presenta una radiactividad cuatro veces superior a la del 239Pu, y un período radiactivo de 6.500 años.
El 241Pu es un isótopo radiactivo fisible, con una vida media de 14,29 años. Se descompone en americio 241 neutrófago y altera el rendimiento de los dispositivos nucleares.
El 242Pu es un isótopo poco fértil, con una sección eficaz baja. Se forma tras el reciclaje recurrente del plutonio en reactor. Su vida media es de 373.000 años.
El 243Pu es inestable, con una vida media de menos de cinco horas. Su desintegración forma americio 243.
El 244Pu es el isótopo más estable del plutonio, con un periodo radiactivo de 80 millones de años. No es un producto de fisión. En efecto, el 239U se transforma en 243Pu, con una vida media de cinco horas. Este último, no disponiendo de tiempo suficiente para otra captura neutrónica necesaria para la formación del 244Pu, se desintegra rápidamente en 243Am.
El 244Pu se forma durante las explosiones de bombas nucleares o de supernova (nucleosíntesis estelar), gracias a sus potentes flujos neutrónicos. El ensayo Ivy Mike en 1952 permitió así el descubrimiento del 244Pu y del 246Pu. Las concentraciones de 244Pu en la naturaleza provienen de los ensayos nucleares atmosféricos pasados y de los residuos de 244Pu natural.
En 2013, después de 70 años de sintetización, la reserva mundial de plutonio se estima en 500 toneladas, de las cuales el 52% provienen de fuentes civiles, mientras que el 48% son de origen militar. Este stock se reparte entre 5 productores:
El 3% restante representa 13 toneladas, y proviene del resto del mundo.
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