Plutonio | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
![]() Pellet di plutonio. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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Posizione nella tavola periodica | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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Simbolo | Poteva | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Nome | Plutonio | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Numero atomico | 94 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Gruppo | - | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Periodo | 7 ° periodo | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Bloccare | Blocco f | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Famiglia di elementi | attinidi | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Configurazione elettronica | [ Rn ] 5 f 6 7 s 2 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Elettroni per livello di energia | 2, 8, 18, 32, 24, 8, 2 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Proprietà atomiche dell'elemento | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Massa atomica | 244.06 u | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Raggio atomico (calc) | 159 pm | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
raggio covalente | 187 ± 13:00 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Stato di ossidazione | 6, 5, 4, 3 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Elettronegatività ( Pauling ) | 1.28 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Ossido | anfotero | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Energie di ionizzazione | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
1 re : 6.0260 eV | 2 e : 11,2 eV | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Isotopi più stabili | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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Proprietà fisiche semplici del corpo | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Stato ordinario | solido | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Massa volumica | 19,816 kg · m -3 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Sistema di cristallo | Monoclinico | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Colore | Appannamento bianco argenteo all'aperto | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Punto di fusione |
640 ° C 640 ° ± 2 |
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Punto di ebollizione | 3228 °C | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Energia di fusione | 2,84 kJ · mol -1 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Energia di vaporizzazione | 344 kJ · mol -1 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Volume molare | 12,29 × 10 -6 m 3 · mol -1 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Pressione del vapore |
1 Pa (a 1.483 °C ) |
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Velocità del suono | 2260 m · s da -1 a 20 ° C | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Calore massiccio | 35,5 J · kg -1 · K -1 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Conduttività elettrica | 685 x 10 6 S · m -1 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Conduttività termica | 6,74 W · m -1 · K -1 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Varie | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
N o CAS | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
N o ECHA | 100.028.288 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
N o EC | 231-117-7 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Precauzioni | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
![]() Radioelemento con notevole attività |
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Unità di SI e STP se non diversamente indicato. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Il plutonio è l' elemento chimico con simbolo Pu e numero atomico 94. È un metallo radioattivo transuranico della famiglia degli attinidi . Si presenta sotto forma di un solido cristallizzato le cui superfici fresche sono di colore grigio argenteo ma si ricoprono in pochi minuti, in presenza di umidità, di uno strato opaco di colore grigio, talvolta tendente al verde oliva, costituito da ossidi e idruri ; il conseguente aumento di volume può raggiungere il 70% di un blocco di plutonio puro, e la sostanza così formata tende a disintegrarsi in polvere piroforica .
Il plutonio fu prodotto e isolato per la prima volta il 14 dicembre 1940 presso l' Università della California a Berkeley bombardando l' uranio 238 con deuterio . Dopo l' uranio e il nettunio nella tavola periodica , questo nuovo elemento chimico è stato chiamato in riferimento a Plutone , che deriva dai pianeti Urano e Nettuno nel Sistema Solare . È un elemento sintetico , prodotto artificialmente dall'uomo, ma è segnalata anche l'osservazione di tracce di plutonio naturale nei minerali di uranio . È un metallo pesante radiotossico che tende ad accumularsi nelle ossa e, in misura minore, nel fegato . Osserviamo comunemente quattro stati di ossidazione del plutonio, da +3 a +6 (lo stato +7 è raro), con colorazioni distinte. La struttura elettronica del metallo puro è determinata dalla banda 5f, che ha la maggiore densità di stati a livello di Fermi ; Particolarmente stretta, la banda 5f tende a localizzare in essa gli elettroni, per cui il plutonio puro a temperatura ambiente è simile ai materiali fermionici pesanti , con elevata capacità termica e resistività elettrica .
Conosciamo non meno di sei allotropi di plutonio a pressione atmosferica e un settimo sopra i 60 MPa . Hanno proprietà ben definite e spesso insolite per un metallo. Pertanto, l'α plutonio, stabile a temperatura ambiente, è uno dei metalli molto rari a cristallizzare nel sistema monoclino ; le sue proprietà fisiche e strutturali riguardano più i minerali che i metalli comuni, mentre le sue proprietà meccaniche ricordano quelle della ghisa . Il plutonio δ, stabile a temperatura superiore o con una bassa frazione molare di gallio , cristallizza invece in una maglia cubica a facce centrate , con una densità inferiore di quasi il 20% a quella del plutonio α; è più metallico, con proprietà meccaniche simili all'alluminio , ma un coefficiente di dilatazione termica negativo (si contrae con il riscaldamento). Il plutonio è anche uno dei pochi elementi chimici il cui liquido è più denso del solido al punto di fusione . L'esistenza di più allotropi con energie interne vicine rende la sagomatura del plutonio particolarmente delicata, al punto che viene invece utilizzata una lega plutonio-gallio , che stabilizza la fase a temperatura ambiente, che facilita la lavorazione dei pezzi in plutonio.
Il plutonio-239 e il plutonio-241 sono isotopi fissili con neutroni termici , il che significa che possono contribuire a una reazione nucleare a catena e possono essere utilizzati nella progettazione di armi nucleari e reattori nucleari . Il plutonio-240 ha un tasso di fissione spontanea molto alto che richiede di mantenere un tasso inferiore al 7% nel plutonio per armi. Il plutonio-238 ha un'emivita di 88 anni ed emette particelle α ; è una fonte di calore spesso utilizzata dai generatori di radioisotopi termoelettrici per fornire elettricità a determinate sonde spaziali . La separazione degli isotopi dal plutonio è difficile e di solito sono prodotti appositamente da reattori specializzati. La produzione di plutonio sufficiente era uno degli obiettivi del Progetto Manhattan durante la seconda guerra mondiale per sviluppare le prime bombe nucleari. La prima esplosione atomica, il Trinity test , utilizzò una carica di plutonio, così come Fat Man , la bomba atomica sganciata su Nagasaki ; la bomba Little Boy sganciata tre giorni prima su Hiroshima aveva un nucleo di uranio arricchito .
Il plutonio deve il suo nome al pianeta Plutone , scoperto dopo Urano e Nettuno , per analogia con gli elementi uranio e nettunio immediatamente precedenti nella tavola periodica.
Il plutonio è un metallo della famiglia degli attinidi con, come la maggior parte degli altri metalli, un aspetto argenteo brillante come il nichel . Tuttavia, a contatto con l'aria, si ricopre rapidamente di uno strato grigiastro opaco, con colori che possono richiamare il giallo o il verde oliva, quest'ultima tonalità proveniente dal biossido di plutonio PuO 2..
Come il nettunio e l' uranio - e, in misura minore, il protattinio - la struttura elettronica del plutonio in condizioni normali di temperatura e pressione è determinata dagli orbitali 5f, che contribuiscono maggiormente ai legami interatomici. Le distanze tra gli atomi sono ridotte in questi materiali, che hanno quindi una particolarmente elevata densità : quella del plutonio è 19,816 g · cm -3 , più che doppio rispetto einsteinium ( 8,84 g · cm -3 ), che ha tuttavia un atomico superiore massa . Tuttavia, le distanze interatomiche in un cristallo influenzano la larghezza delle bande elettroniche : più piccole sono queste distanze, più strette sono le bande. La banda 5f essendo matematicamente più stretta delle bande 6d e 7s, diventa qui sufficientemente stretta da tendere a localizzare gli elettroni nel cristallo, le cui proprietà metalliche sono di conseguenza fortemente degradate. Da qui deriva tutta la complessità del plutonio: data la particolarissima struttura a bande del materiale, dove le bande 5f e 6d hanno livelli energetici molto simili, gli elettroni 5f del plutonio sono al limite tra stato localizzato e stato delocalizzato nel cristallo , cosicché è sufficiente una leggera variazione di energia interna per passare dall'una all'altra, il che si traduce in improvvise modificazioni delle proprietà macroscopiche del materiale.
A causa dell'influenza degli elettroni 5f, i cristalli degli attinidi leggeri sono meno simmetrici di quelli dei metalli comuni, perché gli orbitali 5f sono molto direzionali e vincolano la geometria dei cristalli. Il protattinio cristallizza nel sistema quadratico , meno simmetrico di quelli dei metalli comuni, mentre l'uranio e il nettunio cristallizzano nel sistema ortorombico , ancora meno simmetrico, e il plutonio cristallizza nel sistema monoclino , il meno simmetrico di tutti. Ne consegue che il plutonio allo stato standard è poco duttile , poco malleabile , poco plastico , ed è invece piuttosto duro e fragile; le sue proprietà meccaniche sono spesso paragonate a quelle della ghisa grigia .
Un'altra conseguenza dell'influenza degli elettroni 5f, il plutonio allo stato standard ha una bassa conduttività elettrica e una bassa conduttività termica , ma un'elevata capacità termica , che è simile ai materiali fermionici pesanti . Inoltre, la sua conduttività elettrica tende a diminuire quando il materiale viene raffreddato, il che è l'opposto del normale comportamento dei metalli. Il trend si osserva fino a 100 K , poi invertito per il plutonio fresco; tuttavia, la resistività aumenta con il tempo a causa del danneggiamento del reticolo cristallino dovuto alla radioattività.
Metallo |
Conducibilità termica |
Resistività elettrica |
Comprimibilità |
modulo di Young |
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plutonio alfa | 4,2 W · m -1 · K -1 | 1,45 μΩ · m | 0,020 GPa -1 | 100 GPa |
Plutonio ( Pu-Ga ) | 9,2 W · m -1 · K -1 | 1,00 μΩ · m | 0,033 GPa -1 | 42 GPa |
Acciaio inossidabile | 15 W · m -1 · K -1 | 0,7 μΩ · m | 0,0007 GPa -1 | 180 GPa |
Alluminio | 222 W · m -1 · K -1 | 0,029 μΩ · m | 0,015 GPa -1 | 70 GPa |
In generale, la radioattività distrugge la struttura cristallina del plutonio accumulando difetti cristallini . Tuttavia, auto-radiazione può anche riscaldare il materiale sufficiente a portare a ricottura , compensando l'effetto precedente a temperature superiori 1000 K .
Si conoscono una ventina di isotopi del plutonio . Il plutonio-244 ha un'emivita più lunga, con 80,8 milioni di anni fa, seguito dal plutonio 242 , con 373 300 anni, e dal plutonio-239 , con 24 110 anni. Tutti gli altri isotopi di plutonio hanno un'emivita inferiore a 7.000 anni. Il plutonio ha anche otto isomeri nucleari , la cui emivita è sempre inferiore a un secondo.
Gli isotopi conosciuti del plutonio hanno una massa atomica che va da 228 a 247. La modalità di decadimento preferita degli isotopi più leggeri del plutonio 244 è la fissione spontanea e il decadimento α , che produce principalmente nettunio e uranio , nonche' un'ampia varieta' di prodotti di fissione . Il modo preferito di decadimento degli isotopi più pesanti del plutonio 244 è il decadimento , che essenzialmente produce americio . Il plutonio-241 è l'isotopo genitore della serie di decadimento del nettunio, che dà l' americio-241 per decadimento .
Il plutonio-239 è, con l' uranio-233 e l' uranio-235 , uno dei tre principali isotopi fissili utilizzati dall'industria nucleare o per scopi militari. Il plutonio-241 è anche altamente fissile, cioè può scindersi sotto l'impatto di un neutrone termico rilasciando più neutroni sufficienti per permettere la fissione di altri atomi e mantenere così una catena di reazione ; è tuttavia molto più radioattivo del plutonio 239 e produce, per decadimento , dell'americio 241 , un forte emettitore di particelle α indesiderabili nelle normali applicazioni del plutonio. Quando sottoposti a neutroni termici, gli isotopi 239 Pu e 241 Pu hanno una probabilità di circa 3 ⁄ 4 di rompersi e di circa 1 ⁄ 4 di dare rispettivamente 240 Pu e 242 Pu, così che il tasso di 240 Pu nel plutonio residuo dopo un la reazione nucleare è maggiore di quella del plutonio iniziale.
Sostanzialmente meno radioattivo della maggior parte degli altri isotopi, tuttavia, il plutonio puro 239 ha un fattore di moltiplicazione k eff maggiore di 1, il che significa che questo materiale può raggiungere la massa critica purché venga raccolta una quantità sufficiente di materiale nel volume appropriato. Durante la fissione di un atomo, una frazione dell'energia del legame nucleare , che tiene insieme il nucleo atomico , viene rilasciata sotto forma di energia elettromagnetica ed energia cinetica , quest'ultima convertita rapidamente in energia termica . La fissione di un chilogrammo di plutonio-239 può produrre un'esplosione equivalente a 21 kt di TNT ( 88.000 GJ ). È questa energia che viene utilizzata dai reattori nucleari e dalle armi nucleari .
La presenza di plutonio 240 in una massa di plutonio-239 ne limita l'importanza militare perché questo isotopo ha un tasso di fissione spontanea superiore di oltre quattro ordini di grandezza a quello del plutonio 239 - circa 440 fissione · s -1 · G -1 , o più di 1000 neutroni · s -1 · g -1 - che degrada le prestazioni esplosive del materiale e aumenta il rischio di un'esplosione incontrollata. Il plutonio è detto di essere di grado militare ( weapon-grade ) quando contiene meno del 7% di plutonio 240 , e il grado di combustibile ( fuel-grade ) quando contiene meno del 19%. Il plutonio di alta qualità ( supergrado ), contenente meno del 4% di plutonio 240 , viene utilizzato, a causa della sua minore radioattività, per armi nucleari che devono essere tenute nelle immediate vicinanze degli equipaggi, nei lanciatori di attrezzature per sottomarini nucleari e vari tipi di navi da guerra per esempio. Il plutonio-238 non è fissile ma può essere facilmente fissione guidato da neutroni veloci e da una radioattività α .
I due principali isotopi sintetizzati sono il plutonio 238 e il plutonio 239 . Il plutonio-239 è prodotto dalla cattura e dal decadimento di neutroni da di uranio-238 :
I neutroni della fissione di uranio 235 sono assorbiti dai nuclei di uranio 238 per formare l' uranio 239 ; un decadimento converte quindi un neutrone in un protone per formare nettunio 239 , convertito da un secondo decadimento in plutonio 239 .
Il plutonio-238 è prodotto dal bombardamento dell'uranio-238 con ioni di deuterio :
A parte il plutonio 240 , che ha un alto tasso di fissione spontanea , e il plutonio 241 , che decade per radioattività , il decadimento spontaneo dei principali isotopi del plutonio avviene principalmente per radioattività α , cioè per emissione di particelle α ( He 2+ ) che si ricombinano con gli elettroni del metallo per formare l' elio , mentre il plutonio viene trasmutato in uranio . Così, una tipica 5 kg nucleo un'arma nucleare contiene 12,5 × 10 24 atomi dando un'attività di 11,5 × 10 12 Bq ( decadimenti al secondo) che emettono particelle alfa, che corrisponde globale per una potenza di 9 68 W .
Isotopo | Periodo
radioattivo |
Mass attività |
Modalità di decadimento |
figlio del nuclide |
Rapporto di connessione |
Energia di decadimento |
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238 Pu | 87,76 anni | 6,34 x 10 11 Bq · g-1 | radioattività | 234 U | 71,04% | 5.499 MeV |
28,84% | 5.457 MeV | |||||
239 Pu | 24 130 anni | 2.295 x 10 9 Bq · g-1 | radioattività | 235 U | 73,30% | 5.156 MeV |
15,10% | 5.144 MeV | |||||
11,45% | 5.106 MeV | |||||
240 Pu | 6,567,5 anni | 8,40 x 10 9 Bq · g-1 | radioattività | 236 U | 72,90% | 5.168 MeV |
27,00% | 5.124 MeV | |||||
241 Pu | 14,29 anni | 3,81 × 10 12 Bq g-1 | radioattività | 241 Am | 99,99% | 20.81 keV |
I radioisotopi del plutonio rilasciano un calore di decadimento variabile a seconda degli isotopi considerati. Questa quantità è generalmente indicata in watt per chilogrammo o in milliwatt per grammo . Può raggiungere valori significativi in grandi parti di plutonio (ad esempio, nelle testate nucleari ). Tutti gli isotopi del plutonio rilasciano anche deboli raggi .
Isotopo | Calore di disintegrazione | Fissione spontanea ( neutroni ) | Osservazioni |
---|---|---|---|
238 Pu | 560 W · kg -1 | 2600 g -1 · s -1 | Calore di decadimento molto elevato utilizzato nei generatori termoelettrici a radioisotopi |
239 Pu | 1,9 W · kg -1 | 0,022 g -1 · s -1 | Principale isotopo fissile del plutonio. |
240 Pu | 6,8 W · kg -1 | 910 g -1 · s -1 | Principale impurità del plutonio 239 . La qualità di un plutonio è generalmente espressa come percentuale di 240 Pu. Il suo tasso di fissione spontanea è sfavorevole per le applicazioni militari. |
241 Pu | 4,2 W · kg -1 | 0,049 g -1 · s -1 | Decadimenti ad americio 241 . Il suo accumulo presenta un rischio di irradiazione da vecchi pezzi di plutonio. |
242 Pu | 0,1 W · kg -1 | 1700 g -1 · s -1 |
Ci sono sei allotropi di plutonio a pressione atmosferica e un settimo sopra i 60 MPa . Questi allotropi hanno un'energia interna che varia poco mentre le loro proprietà fisiche variano notevolmente. La densità del plutonio puro a pressione atmosferica è quindi 19,86 g · cm -3 per il plutonio α a temperatura ambiente, ma solo 15,92 g · cm -3 per il plutonio δ a 125 ° C , una densità inferiore del 20%, corrispondente ad un allungamento lineare superiore al 7,6%. Il plutonio può quindi reagire violentemente ai cambiamenti di pressione, temperatura o ambiente chimico e le transizioni di fase possono essere accompagnate da cambiamenti significativi e improvvisi di volume.
Fase | Sistema di cristallo |
Temperatura di transizione di fase |
Massa volumica |
---|---|---|---|
α | Clinica singola | - | 19,86 g · cm -3 |
β | Monoclinico con basi centrate | 124,5 °C | 17,70 g · cm -3 |
γ | Facce centrate ortorombico | 214,8 °C | 17,14 g · cm -3 |
δ | Cubo a facce centrate | 320.0 °C | 15,92 g · cm -3 |
' | Centrato quadratico | 462,9 °C | 16,00 g · cm -3 |
ε | centrato cubico | 482.6 °C | 16,51 g · cm -3 |
Liquido | ~ 640 °C | 16,65 g · cm -3 |
Monoclinico (α)
Monoclinico Basato Centrato (β)
Ortorombica a facce centrate (γ)
Centrato tetragonale (δ ')
L'esistenza di allotropi così diversi per energie interne così simili rende particolarmente delicata la modellatura del plutonio puro. Il suo stato standard , la fase α, è monoclino , rendendo il plutonio puro a temperatura ambiente un materiale duro e fragile come la ghisa grigia , che si presta poco alle lavorazioni meccaniche ed è suscettibile di improvvise variazioni di geometria sotto pressione. D'altra parte, la fase è cubica a facce centrate , come molti metalli comuni come alluminio e nichel , e ha proprietà meccaniche simili a quelle dell'alluminio . Stabile da 320,0 a 462,9 °C per plutonio puro, la fase può essere stabilizzata fino a temperatura ambiente aggiungendo una piccola quantità di gallio , alluminio, americio , scandio o di cerio , che possono essere lavorati e saldati parti di plutonio. La lega plutonio-gallio è frequentemente utilizzata per questo scopo, perché permette di superare transizioni di fase indesiderate che portano a distorsioni dovute a rigonfiamenti o contrazioni localizzate nel pezzo. Il silicio , l' indio , lo zinco e lo zirconio consentono la formazione di una fase metastabile mediante rapido raffreddamento. L'aggiunta di grandi quantità di afnio , olmio e tallio permette inoltre di preservare la fase fino a temperatura ambiente. Il nettunio è l'unico elemento che stabilizza la fase α a temperature più elevate monocline.
L' elasticità della fase è anisotropa , che può variare di un fattore da sei a sette a seconda della direzione.
Nelle armi a fissione, l' onda d'urto che comprime il nucleo (oltre qualche decina di kilobar) provoca anche un passaggio dalla fase delta alla forma alfa, nettamente più densa, che permette di raggiungere più facilmente la criticità .
Le leghe di plutonio possono essere ottenute aggiungendo un metallo al plutonio fuso. Se il metallo aggiunto è sufficientemente riducente , il plutonio può essere fornito sotto forma di ossidi o alogenuri . La lega plutonio-gallio e la lega plutonio-alluminio, che stabilizzano la fase del plutonio a temperatura ambiente, si ottengono aggiungendo trifluoruro di plutonio PuF 3con gallio o alluminio fuso, che ha il vantaggio di evitare di manipolare il plutonio metallico, che è molto reattivo.
Il plutonio puro a temperatura ambiente ha superfici argentate che si appannano in pochi minuti a contatto con l'aria. Presenta quattro comuni stati di ossidazione in soluzione acquosa , più un quinto più raro:
Un complesso con plutonio nello stato di ossidazione formale +2, [K (2.2.2- cryptand )] [Pu II Cp ″ 3 ], dove Cp ″ = C 5 H 3 (SiMe 3 ) 2, è stato anche pubblicato.
Il colore delle soluzioni di ioni di plutonio dipende sia dallo stato di ossidazione che dalla natura dell'anione acido . È quest'ultimo che influenza il grado di complessazione del plutonio.
Il plutonio metallico si ottiene facendo reagire il tetrafluoruro di plutonio PuF 4con bario , di calcio o di litio a 1200 °C . Viene attaccato da acidi , ossigeno e vapore acqueo , ma non dalle basi . Si dissolve facilmente in acido cloridrico HCl, acido iodidrico HI e acido perclorico HClO 4concentrati. Il plutonio fuso deve essere mantenuto sotto vuoto o in atmosfera inerte per evitare la reazione con l'aria. A 135 ° C , il plutonio metallico si accende all'aria aperta ed esplode in presenza di CCl 4 tetraclorometano.
Il plutonio reagisce con il carbonio per formare Pu 3 C 2 carburi di plutonio, PuC 1-δ, Pu 2 C 3e PuC 2 ; reagisce con azoto N 2per formare un Pun nitruro , e con il silicio per formare un Pusi 2 siliciuro ; reagisce con alogeni X 2, dove X può rappresentare fluoro , cloro , bromo e iodio , dando i trialogenuri PuX 3. Con fluoro, oltre al trifluoruro di plutonio PuF 3, osserviamo anche il tetrafluoruro di plutonio PuF 4così come esafluoruro di plutonio PuF 6. Inoltre, si formano ossialogenuri PuOCl, PuOBr e PuOI.
I crogioli utilizzati con il plutonio devono essere in grado di resistere alle stesse proprietà di riduzione di questo metallo. I metalli refrattari quali tantalio e tungsteno , e gli ossidi , boruri , carburi , nitruri e siliciuri più stabili, possono essere adatti. La fusione in un forno elettrico ad arco può consentire di produrre piccoli lingotti di plutonio metallico senza la necessità di un crogiolo.
Il plutonio puro esposto all'umidità, sia nell'aria che nell'argon , si ricopre in pochi minuti di uno strato opaco costituito da una miscela di ossidi e idruri , che si disintegra formando una fine polvere volatile la cui inalazione può costituire un grave rischio per la salute . Questo è il motivo per cui il plutonio viene gestito in scatole a guanti che impediscono la dispersione atmosferica di questa polvere.
Più precisamente, il plutonio esposto all'aria secca viene ricoperto da uno strato di biossido di plutonio PuO 2che fornisce una notevole passivazione del metallo, riducendo il progresso dell'ossidazione nel materiale fino a 20 pm · h -1 . La presenza di umidità introduce invece idruri PuH x, Con 1.9 <x <3 , che catalizzano la corrosione da parte dell'ossigeno O 2, mentre l'umidità in assenza di ossigeno introduce ossidi intermedi come il sesquiossido Pu 2 O 3che favoriscono la corrosione da idrogeno. Infine, l'umidità in presenza di ossigeno porta alla ossidazione del puo 2 diossido.per formare un ossido superiore PuO 2 + x sullo strato di biossido che sembra favorire la corrosione del metallo in aria umida.
Le polveri di plutonio, i suoi idruri e alcuni ossidi come Pu 2 O 3sono piroforiche , cioè possono accendersi spontaneamente a contatto con l'aria a temperatura ambiente, e vengono quindi maneggiate in atmosfera secca e inerte di azoto N 2o argon Ar. Il plutonio solido si accende solo sopra i 400 °C . Pu 2 O 3si riscalda spontaneamente e si trasforma in biossido di plutonio PuO 2, che è stabile all'aria secca, ma reagisce a caldo con il vapore acqueo . Le reazioni in gioco sarebbero le seguenti:
3 puo 2+ Pu → 2 Pu 2 O 3 2 Pu 2 O 3+ O 2→ 4 puo 2.Il plutonio reagisce anche con l' idrogeno H 2per formare idruri PuH x, con 1,9 <x <3 :
2 Pu + x H 2→ 2 PuH x.Il valore di x dipende dalla pressione parziale dell'idrogeno e dalla temperatura di reazione. Questi idruri, che sono solidi cristallizzati nel sistema cubico a facce centrate, vengono rapidamente ossidati dall'aria e si dissociano nei loro elementi costitutivi quando riscaldati sotto vuoto dinamico, cioè con pompaggio continuo dell'idrogeno rilasciato.
Per quanto riguarda la manipolazione del plutonio, devono essere considerati diversi tipi di rischi, che dipendono strettamente dagli isotopi coinvolti .. Gli incidenti critici si verificano durante gli errori di manipolazione che portano alla formazione di una massa critica di plutonio e sono suscettibili di danni . causare sindrome acuta da radiazioni . La radiotossicità e la tossicità riproduttiva si verificano a seguito dell'assorbimento del plutonio nell'organismo che porta all'irradiazione dei tessuti con radiazioni ionizzanti che possono causare mutazioni genetiche e indurre il cancro .
Gli isotopi più comuni del plutonio sono soprattutto α emettitori , che irradiano particelle α da 4,9 a 5,5 MeV che vengono facilmente fermate da qualsiasi sostanza solida, in particolare l' epidermide . Il plutonio-241 emette raggi , più penetranti della radiazione α, ma solo 5,2 keV .
Da un punto di vista chimico, il plutonio è combustibile e piroforico , quindi presenta un pericolo di incendio. La sua tossicità chimica, invece, non è particolarmente significativa.
L'accumulo di plutonio in un volume prossimo alla massa critica può portare all'inizio di una reazione nucleare che emette una quantità letale di neutroni e raggi . Il rischio è tanto maggiore con il plutonio in quanto la massa critica del plutonio 239 è generalmente solo un terzo di quella dell'uranio 235 . Questo rischio è aumentato in soluzione a causa della moderare effetto della idrogeno in acqua , che thermalises i neutroni .
Diversi incidenti di criticità che coinvolgono plutonio sono stati segnalati al XX ° secolo , alcuni portano alla morte delle persone colpite. Questo è stato il caso, ad esempio, al Los Alamos National Laboratory il 21 agosto 1945 durante un errore nella manipolazione di mattoni di carburo di tungsteno usati come riflettori di neutroni attorno a una sfera di plutonio di tipo militare, che ha causato 25 giorni dopo la morte di Harry Daghlian Jr. . , poi un ricercatore del Progetto Manhattan , a causa della sindrome acuta da radiazioni in seguito alla dose che ha ricevuto, stimata in 5,1 Sv . Nove mesi dopo, anche Louis Slotin morì a Los Alamos per un incidente simile mentre manipolava i riflettori di berillio attorno alla stessa sfera di plutonio, chiamata nucleo del demone . Anche a Los Alamos si è verificato un altro incidente neldicembre 1958, costando la vita a un tecnico di laboratorio di nome Cecil Kelley durante un'operazione di purificazione del plutonio, a causa della formazione di una massa critica in un recipiente di miscelazione. Altri incidenti di questo tipo si sono verificati in tutto il mondo, negli Stati Uniti , nell'Unione Sovietica , in Giappone o in altri paesi.
Un elemento sintetico prodotto specificamente per la sua radioattività , il plutonio è meglio conosciuto per la sua radiotossicità . Ciò risulta da tre tipi di radiazioni ionizzanti : raggi α ( particelle α ), raggi ( elettroni ) e raggi ( fotoni energetici). L'esposizione acuta o prolungata a queste radiazioni presenta rischi per la salute, che possono manifestarsi nel contesto di una sindrome acuta da radiazioni , con mutazioni genetiche e tumori . I rischi aumentano con la dose assorbita , misurata in grays (Gy), e più precisamente in funzione della dose equivalente , misurata in sievert (Sv), che pesa l'impatto fisiologico dei diversi tipi di radiazioni ricevute in base alla loro capacità di causare danni ai tessuti irradiati. Questa ponderazione è introdotta dal fattore di dose, tipicamente misurato in microsievert per becquerel (µSv / Bq):
Isotopo | Plutonio 238 | Plutonio 239 | Plutonio 240 | Plutonio 241 | Plutonio 242 |
---|---|---|---|---|---|
Attività di massa | ~ 630 GBq · g -1 | ~ 2,3 GBq · g -1 | ~ 8,5 GBq · g -1 | ~ 3700 GBq · g -1 | ~ 0,15 GBq · g -1 |
Fattore di dose | 0.23 Sv · Bq -1 | 0.25 Sv · Bq -1 | 0.25 Sv · Bq -1 | 0.0048 Sv · Bq -1 | 0.24 Sv · Bq -1 |
Così i raggi γ attraversano tutti i tessuti e colpiscono tutto l'organismo, mentre i raggi sono meno penetranti e i raggi α non attraversano l' epidermide ma sono molto più energetici (pochi megaelettronvolt, contro pochi kiloelettronvolt per i raggi β e γ) . Pertanto, le particelle α sono pericolose quando vengono emesse anche all'interno dei tessuti dal plutonio assorbito. Il rischio principale è l'inalazione di particelle contenenti plutonio, soprattutto sotto forma di biossido di plutonio PuO 2, che si forma rapidamente a contatto con l'aria e che tende a disintegrarsi in polvere fine in presenza di umidità. È stata quindi dimostrata un'aumentata incidenza di cancro ai polmoni nei dipendenti del settore nucleare. Il rischio di cancro ai polmoni aumenta quando la dose equivalente di plutonio inalato raggiunge i 400 mSv . D'altra parte, l'ingestione assorbe solo lo 0,04% di PuO 2ingerito. I rischi riguardano anche le ossa, dove si accumula il plutonio, così come il fegato, dove si concentra.
Non tutti gli isotopi di plutonio presentano lo stesso livello di radiotossicità. Il plutonio di qualità militare, costituito per oltre il 92% da plutonio 239 , ha quindi una radiotossicità piuttosto moderata, a causa della sua attività in massa inferiore a quella del plutonio 240 e soprattutto del plutonio 238 . Il plutonio-241 ha un'attività mille volte superiore, emettendo raggi più penetranti della radiazione α , anche se mille volte meno energetica.
Isotopo | Plutonio 238 | Plutonio 239 | Plutonio 240 | Plutonio 241 | Plutonio 242 |
---|---|---|---|---|---|
radiazione | 5,5 MeV | 5.1 MeV | 5.2 MeV | < 1 keV | 4.9 MeV |
radiazione | 11 keV | 6,7 keV | 11 keV | 5,2 keV | 8,7 keV |
radiazione | 1,8 keV | < 1 keV | 1,7 keV | < 1 keV | 1.4 keV |
Il plutonio-238 ha la più alta radiotossicità, mentre il plutonio-241 , la cui concentrazione in plutonio aumenta con il tempo, prodotto rapidamente di americio-241 , che emette energia a raggi può esporre l'ambiente a radiazioni significative.
La dose letale da sindrome da irradiazione acuta osservata negli esperimenti in vivo è dell'ordine di 400-4000 µg kg -1 in una singola dose, la contaminazione cronica ha effetti più diffusi. Si stima quindi che una quantità dell'ordine dei dieci milligrammi provochi la morte di una persona che abbia inalato ossidi di plutonio in una volta. Infatti, i test effettuati su babbuini e cani portano ad una stima per l'uomo di una mortalità del 50% dopo 30 giorni con 9 mg , dopo un anno con 0,9 mg e 1000 giorni con 0,4 mg .
La comparsa di tumori polmonari è stata dimostrata in cani e ratti dopo inalazione di composti poco solubili come gli ossidi di plutonio: il rapporto dose-effetto dimostrato prevede una soglia per la comparsa di tumori per una dose al polmone intorno a 1 Gy . Questa soglia per la comparsa dei tumori corrisponderebbe nell'uomo ad un deposito polmonare di circa 200 kBq , o 87 μg ) di 239 PuO 2.
Il plutonio presenta un rischio di incendio, specialmente quando è sotto forma di polvere finemente suddivisa. In presenza di umidità, forma idruri sulla sua superficie che sono piroforico e che sono suscettibili di prendere fuoco a temperatura ambiente. Il rischio è reale e si è materializzato nel 1969 da un grande incendio di plutonio al laboratorio nazionale di Rocky Flats . L'aumento di volume derivante dall'ossidazione del plutonio può raggiungere il 70% e rompere i vasi di contenimento. La radioattività di questo metallo combustibile costituisce un rischio aggiuntivo.
L' ossido di magnesio MgO è probabilmente la sostanza più efficace per spegnere un incendio di plutonio: raffredda il metallo che funge da dissipatore di calore mentre taglia la combustione dell'apporto di ossigeno . Per prevenire il rischio di incendio, si consiglia di maneggiare il plutonio in un'atmosfera secca e inerte.
Il plutonio esibisce la tossicità di un metallo pesante allo stesso modo dell'uranio , ad esempio, ma è meno documentata di quella di quest'ultimo, e gli studi non pongono la tossicità chimica come un rischio maggiore associato al plutonio. Diverse popolazioni esposte alla polvere di plutonio sono state attentamente monitorate per valutare l'impatto sulla loro salute della loro contaminazione da plutonio, come le persone che risiedono vicino ai siti di sperimentazione nucleare atmosferici quando sono stati autorizzati, le persone che lavorano negli impianti nucleari, i sopravvissuti al bombardamento atomico Nagasaki , anche pazienti "in fase terminale" di malattie mortali a cui fu iniettato plutonio negli anni 1945-1946 per osservarne il metabolismo nel corpo umano . Questi studi non mostrano una tossicità solitamente particolarmente elevata per il plutonio, con esempi famosi di casi come quello di Albert Stevens , citato da Bernard Cohen (in) , che visse fino a un'età avanzata dopo aver subito iniezioni di plutonio. Diverse dozzine di ricercatori del Los Alamos National Laboratory hanno anche inalato quantità significative di polvere di plutonio negli anni '40 senza sviluppare il cancro ai polmoni.
Una certa retorica antinucleare afferma che "ingerire anche un milionesimo di grammo è fatale", cosa non supportata dalla letteratura esistente. I dati epidemiologici dei membri del "club UPPU ", vale a dire delle 26 persone che hanno lavorato al laboratorio nazionale di Los Alamos sul plutonio e che lo avevano ingerito al punto da essere seguito nelle urine, mostrano per esempio una mortalità e un tasso di cancro inferiori alla media.
Anche l'affermazione secondo cui "basterebbero poche centinaia di grammi di plutonio distribuiti uniformemente sulla terra per spazzare via tutta la vita umana" non è coerente con i dati disponibili. Si stima che la dispersione di una massa dell'ordine di un chilogrammo su un'area di poche centinaia di chilometri quadrati (cioè entro un raggio di circa 10 km ) porti a contaminazioni inferiori al centesimo di microgrammo per metro quadrato , quindi poche centinaia di grammi distribuiti uniformemente sulla superficie terrestre sarebbero ben al di sotto di qualsiasi quantità rilevabile.
Occorre inoltre distinguere la radiotossicità del plutonio 238 , che è particolarmente elevata, da quella del plutonio 239 utilizzato dall'esercito e dall'industria nucleare, la cui radioattività spontanea è sensibilmente inferiore. Questi due isotopi sono prodotti in quantità molto diverse, da circuiti separati e per usi non correlati: il plutonio 238 viene prodotto al ritmo di pochi chilogrammi principalmente come fonte di energia di bordo per un generatore termoelettrico a radioisotopi , mentre il plutonio-239 viene prodotto ad una velocità di diverse tonnellate per sfruttare la sua natura di isotopo fissile nei reattori nucleari o nelle armi nucleari.
In esseri umani , il plutonio assorbita viene trasportato dalla transferrina e viene memorizzato nel sangue da ferritina, eventualmente accumulando principalmente nelle ossa , anche nel fegato , e, in misura minore, nei polmoni . Rimane nel corpo umano con un'emivita biologica di circa 50 anni. Un modo comune per limitare gli effetti è iniettare un complesso di acido dietilen triammina penta-acetico ( DTPA , talvolta chiamato "acido pentetico") con calcio o zinco entro 24 ore dalla contaminazione, che limita il legame del plutonio, così come dell'americio e curio . Possono essere utilizzati anche altri chelanti , come l' enterobactina e la deferoxamina , alcuni con maggiore efficacia rispetto al DTPA, come il 3,4,3-LIHOPO o il DFO-HOPO (deferoxamina-idrossipiridinone).
Si stima che nell'uomo il 10% del plutonio che ha attraversato la barriera intestinale o polmonare lasci il corpo (attraverso l'urina e le feci). Il resto dopo il passaggio attraverso il sangue viene fissato metà nel fegato e metà nello scheletro , dove rimane per molto tempo e in parte per tutta la vita (Il DOE americano stima che l' emivita nell'organo sia rispettivamente di 20 e 50 anni per il fegato e l'osso, secondo modelli semplificati che non tengono conto delle ridistribuzioni intermedie (in caso di frattura e/o menopausa (cfr. decalcificazione ) e durante il normale riciclo osseo, ecc.) Il DOE specifica che il livello accumulato nel fegato e nello scheletro dipende anche dall'età dell'individuo (l'assorbimento nel fegato aumenta con l'età), e che infatti il plutonio si fissa prima sulla superficie corticale e trabecolare delle ossa prima di essere ridistribuito lentamente in tutto il volume minerale osseo.
Il plutonio-239 è un isotopo fissile chiave per la realizzazione di armi nucleari a causa della sua relativa facilità di implementazione e della sua disponibilità relativamente elevata. È possibile ridurre la massa critica necessaria per l'esplosione circondando il nucleo di plutonio con riflettori di neutroni che hanno il duplice ruolo di aumentare il flusso di neutroni termici nel nucleo e ritardare l'espansione termica di quest'ultimo, al fine di prolungare la catena reazione e aumentare la potenza dell'esplosione nucleare .
Una massa di 10 kg di plutonio 239 senza riflettore è generalmente sufficiente per raggiungere la criticità; questa massa può essere dimezzata con un design ottimizzato. Si tratta di circa un terzo della massa critica dell'uranio 235 .
La bomba Fat Man sganciata su Nagasaki dagli Stati Uniti il 9 agosto 1945 utilizzando un carico di 6,4 kg di lega plutonio-gallio 239 Pu - 240 Pu - Ga 96: 1: 3 attorno ad una sorgente di neutroni di iniziazione Be - 210 Po all circondato da lenti esplosive che comprimono il plutonio per aumentarne notevolmente la densità e quindi la potenza dell'esplosione, che raggiunse l'equivalente di 20.000 t di tritolo . In teoria, è possibile ridurre la massa di plutonio necessaria in un'arma nucleare per raggiungere la criticità a meno di 4 kg con un design sufficientemente elaborato.
Il combustibile nucleare esaurito proveniente dai reattori ad acqua leggera convenzionali contiene una miscela di isotopi 238 Pu , 239 Pu , 240 Pu e 242 Pu . Questa miscela non è sufficientemente arricchita in plutonio 239 per consentire la produzione di armi nucleari ma può essere riciclata in combustibile MOX . Il neutrone cattura accidentalmente durante la reazione nucleare aumenta la quantità di plutonio 240 e plutonio 242 quando il plutonio viene irradiato in un reattore di neutroni termici cosicché, dopo un primo ciclo, il plutonio può essere utilizzato più che dai reattori a neutroni veloci . Se tali reattori non sono disponibili, come accade di solito, il plutonio in eccesso viene solitamente rimosso formando scorie radioattive a vita lunga. Il desiderio di ridurre la quantità di tali rifiuti e di recuperarli ha portato alla creazione di reattori a neutroni più veloci.
Il processo chimico più comune, noto come PUREX , consente il ritrattamento del combustibile nucleare esaurito estraendo il plutonio e l'uranio in esso contenuti per formare una miscela di ossidi denominata MOX , essenzialmente biossido di uranio UO 2e biossido di plutonio PuO 2, che può essere riutilizzato nei reattori nucleari. Il plutonio di grado militare può essere aggiunto a questa miscela per aumentarne le prestazioni energetiche. MOX può essere utilizzato in reattori ad acqua leggera e contiene circa 60 kg per tonnellata di combustibile; dopo quattro anni di utilizzo si consumano tre quarti del plutonio. I reattori autofertilizzanti sono progettati per ottimizzare l'utilizzo dei neutroni prodotti durante la reazione nucleare utilizzandoli per produrre, dall'atomo fertile , più materiale fissile che consumano.
MOX è stato utilizzato dagli anni '80 , soprattutto in Europa . Gli Stati Uniti e la Russia hanno firmato, insettembre 2000, il Plutonium Management and Processing Agreement ( PMDA ) con il quale intendono eliminare gradualmente 34 tonnellate di plutonio di grado militare; il DOE americano prevede di riciclare questa massa di plutonio in MOX prima della fine del 2019.
MOX aumenta l'efficienza energetica totale. Una barra di combustibile nucleare viene ritrattata dopo tre anni di utilizzo per estrarre i rifiuti, che rappresentano quindi circa il 3% della massa totale di tali barre. Gli isotopi di uranio e plutonio prodotti durante questi tre anni di attività vengono lasciati nella barra di combustibile, che ritorna in un reattore per l'uso. La presenza di gallio fino all'1% in peso nel plutonio di grado militare può interferire con l'uso a lungo termine di questo materiale in un reattore ad acqua leggera.
I più grandi impianti di riciclaggio del plutonio dichiarati sono le unità B205 (en) e THORP (en) a Sellafield , Regno Unito ; l' impianto di ritrattamento di La Hague , in Francia ; la centrale nucleare di Rokkasho in Giappone ; e il complesso nucleare di Mayak in Russia ; ci sono altri siti dichiarati più piccoli, ad esempio in India e Pakistan .
Il plutonio-238 ha un'emivita di 87,74 anni. Emette una grande quantità di energia termica accompagnata da deboli flussi di neutroni e fotoni di energia gamma . Un chilogrammo di questo isotopo può produrre una potenza termica di circa 570 W . Emette principalmente particelle α ad alta energia che sono debolmente penetranti, quindi richiede solo una schermatura dalla luce. Basta un foglio di carta per fermare i raggi α.
Queste caratteristiche rendono questo isotopo del plutonio una sorgente termica particolarmente interessante per applicazioni di bordo che devono operare senza possibilità di manutenzione diretta per tutta la durata di una vita umana. È stato quindi utilizzato come fonte di calore in generatori termici di radioisotopi ( RTG ) e riscaldatori di radioisotopi ( RHU ) come quelle sonde Cassini , Voyager , Galileo e New Horizons e il rover Curiosity su Mars Science Laboratory .
Le sonde gemelle Voyager furono lanciate nel 1977, ognuna con una sorgente di plutonio che rilasciava 500 W di potenza . A distanza di oltre 30 anni, queste fonti di energia sprigionavano ancora una potenza di 300 W consentendo un funzionamento limitato delle sonde. Una versione precedente di questa tecnologia ha alimentato i cinque pacchetti di esperimenti sulla superficie lunare Apollo a partire dall'Apollo 12 nel 1969.
Il plutonio 238 è stato anche utilizzato con successo per alimentare i pacemaker per evitare ripetuti interventi chirurgici per sostituire la fonte di alimentazione. Il plutonio-238 da allora è stato ampiamente sostituito in questo uso da batterie al litio , ma nel 2003 sono rimaste ancora tra i 50 ei 100 pazienti negli Stati Uniti dotati di pacemaker alimentati al plutonio-238 .
Poiché il plutonio è suscettibile di essere utilizzato per scopi militari o terroristici, è oggetto di numerosi testi e convenzioni internazionali volti a prevenirne la proliferazione . Il plutonio riciclato dal combustibile nucleare esaurito presenta un rischio di proliferazione limitato a causa della sua elevata contaminazione di isotopi non fissili come il plutonio 240 e il plutonio 242 , il cui smaltimento non è fattibile.
Un reattore che funziona con un burnup molto basso produce pochi di questi isotopi indesiderati e quindi lascia materiale nucleare potenzialmente utilizzabile per scopi militari. Si ritiene che il plutonio di grado militare sia almeno il 92% di plutonio 239 , ma è tecnicamente possibile far esplodere una bomba nucleare a bassa potenza da plutonio contenente solo l'85% di plutonio 239 . Il plutonio prodotto da un reattore ad acqua leggera con una normale velocità di combustione contiene tipicamente meno del 60% di plutonio 239 , il 10% di plutonio fissile 241 e fino al 30% di isotopi indesiderati plutonio 240 e 242 . Non è noto se sia possibile far esplodere un ordigno nucleare realizzato con tale materiale, tuttavia un tale ordigno potrebbe probabilmente diffondere materiale radioattivo su una vasta area.
L' Agenzia internazionale per l'energia atomica classifica quindi tutti gli isotopi del plutonio, fissili o meno, come materiale direttamente utilizzabile per scopi nucleari, vale a dire come materiale nucleare che può essere utilizzato per la fabbricazione di esplosivi nucleari senza trasmutazione o arricchimento aggiuntivo. In Francia, il plutonio è un materiale nucleare la cui detenzione è regolata dal capitolo III del Codice di difesa .
Il plutonio è un elemento chimico molto raro in natura e prodotto quasi esclusivamente dall'uomo dal 1940 ad oggi. Tuttavia, da 4 a 30 kg di plutonio 239 sarebbero prodotte ogni anno in Terra da radioattività α di uranio su elementi leggeri così come sotto l'effetto dei raggi cosmici . È il secondo dei transuranici ad essere stato scoperto.
L' isotopo 238 Pu è stato prodotto nel 1940 bombardando un bersaglio di uranio da parte del deuterio nel ciclotrone di Berkeley . Durante il Progetto Manhattan , il plutonio 239 aveva il nome in codice 49 , il '4' era l'ultima cifra di 94 (il numero atomico) e il '9' l'ultima cifra di 239, la massa atomica dell'isotopo utilizzato per la bomba. , il 239 Pu .
Non c'è più plutonio in quantità rilevabili risalenti alla nucleosintesi primordiale. Tuttavia, pubblicazioni più vecchie riportano osservazioni di plutonio naturale 244 . Troviamo anche tracce di plutonio-239 nei minerali naturali di uranio (così come nel nettunio ), dove risulta dall'irradiazione dell'uranio da parte del bassissimo tasso di neutroni creato dal decadimento spontaneo dell'uranio.
Fu prodotto in maniera più massiccia (ed esiste ancora in tracce) come 239 Pu in particolari strutture geologiche , dove l'uranio fu naturalmente concentrato da processi geologici circa 2 miliardi di anni fa, raggiungendo una criticità sufficiente a generare una reazione nucleare naturale. Il suo tasso di formazione nel minerale di uranio è stato così accelerato da reazioni nucleari rese possibili da un incidente di criticità naturale. È il caso del sito del reattore nucleare naturale di Oklo .
Nelle centrali nucleari, il plutonio 238 si forma insieme al plutonio 239 , dalla catena di trasformazione che inizia con l' uranio fissile 235 .
Il plutonio 238, con un'emivita di 86,41 anni, è un potentissimo emettitore di radiazioni α . Per la sua elevata attività alfa e gamma in massa, viene utilizzato come fonte di neutroni (per "reazione alfa" con elementi leggeri), come fonte di calore e come fonte di energia elettrica ( per conversione del calore in elettricità . ). Gli usi del 238 Pu per generare elettricità sono limitati agli usi spaziali e in passato a determinati pacemaker.
Il plutonio 238 viene preparato dall'irradiazione di neutroni di nettunio 237, un attinide minore recuperato durante il ritrattamento o dall'irradiazione di americio, in un reattore. In entrambi i casi, per estrarre il plutonio 238 dai bersagli, questi vengono sottoposti a un trattamento chimico, comprendente una dissoluzione nitrica.
C'è solo circa 700 g / t di nettunio 237 nel combustibile del reattore ad acqua leggera trascorso 3 anni e deve essere estratto selettivamente.
L'irradiazione dell'uranio 238 nei reattori nucleari genera plutonio 239 per cattura di neutroni . In primo luogo, un atomo di uranio 238 cattura un neutrone e si trasforma transitoriamente in uranio 239 . Questa reazione di cattura è più facile con i neutroni veloci che con i neutroni termici, ma è presente in entrambi i casi.
L' uranio 239 formato è altamente instabile. Si trasforma rapidamente (con un'emivita di 23,5 minuti) in nettunio per radioattività :
Anche il nettunio 239 è instabile, e a sua volta subisce un decadimento (con un'emivita di 2,36 giorni) che si trasforma in plutonio-239 relativamente stabile (emivita di 24.000 anni).
Il plutonio-239 è fissile , e può quindi contribuire alla reazione a catena nel reattore . Pertanto, per il bilancio energetico di un reattore nucleare , il potenziale energetico dell'uranio presente nel reattore comprende non solo quello dell'uranio 235 inizialmente presente, ma anche quello dell'uranio fertile 238 che sarà stato trasmutato in plutonio.
Se sottoposto a un flusso di neutroni in un reattore, il plutonio 239 può anche catturare un neutrone senza subire fissione. Poiché il combustibile subisce periodi di irraggiamento sempre più lunghi, gli isotopi più elevati si accumulano in questo modo, a causa dell'assorbimento dei neutroni da parte del plutonio-239 e dei suoi prodotti. 240 Pu, 241 Pu, 242 Pu si formano così gli isotopi , fino all'instabile 243 Pu che decade in americio 243 .
L'isotopo di interesse per la sua natura fissile è il 239 Pu , relativamente stabile su scala umana (24.000 anni).
La velocità di produzione di un isotopo dipende dalla disponibilità del suo precursore, che deve aver avuto il tempo di accumularsi.
In un nuovo combustibile, quindi , 239 Pu si forma linearmente in funzione del tempo, la proporzione di 240 Pu cresce secondo una legge del quadrato del tempo (in t 2 ), quella di 241 Pu secondo una legge cubica del tempo (in t 3 ), e così via.
Pertanto, quando viene utilizzato un reattore specifico per la produzione di "plutonio militare", il combustibile utilizzato per la produzione del plutonio, nonché i bersagli e l'eventuale copertura, vengono estratti dopo un breve soggiorno (alcune settimane). il reattore per garantire che il plutonio 239 sia il più puro possibile.
Per gli usi civili, invece, un breve irraggiamento non estrae tutta l'energia che il combustibile può produrre. Il combustibile viene quindi rimosso dai reattori di generazione solo dopo un soggiorno molto più lungo (3 o 4 anni).
In prima approssimazione, un reattore produce tipicamente 0,8 atomi di 239 Pu per ciascuna fissione di 235 U , o un grammo di plutonio al giorno e per M W di potenza termica (reattori ad acqua leggera producono meno di grafite-gas). In Francia, ad esempio, i reattori nucleari producono circa 11 tonnellate di plutonio ogni anno.
Il 240 Pu è semplicemente fertile ed ha una radioattività "solo" quattro volte superiore al 239 Pu (con un'emivita di 6500 anni).
Il 241 Pu è fissile ma altamente radioattivo (emivita di 14,29 anni).
Inoltre, decade per produrre americio-241 che assorbe neutroni , che, attraverso il suo possibile accumulo, riduce l'efficacia dei dispositivi nucleari militari o civili.
Il 242 Pu ha una vita molto più lunga della precedente (373.000 anni). Non è fissile nei neutroni termici. La sua sezione trasversale è molto più piccola di quella di altri isotopi; il successivo riciclo del plutonio nel reattore tende quindi ad accumulare il plutonio in questa forma molto sterile.
Il 243 Pu è instabile (emivita inferiore a 5 ore) e decade ad americio 243 .
Il plutonio-244 , l'isotopo più stabile con un'emivita di 80 milioni di anni, non si forma nei reattori nucleari. Infatti, le successive catture di neutroni a partire dall'uranio 239 portano a 243 Pu, con un'emivita molto bassa (dell'ordine delle cinque ore). Anche nei reattori ad "alto flusso", 243 Pu cambia rapidamente a 243 Am, senza avere il tempo di catturare un neutrone aggiuntivo per formare 244 Pu.
D'altra parte, maggiori flussi di neutroni consentono questa formazione. Viene sintetizzato durante esplosioni nucleari o per nucleosintesi stellare durante l'esplosione di una supernova . Così, nel 1952 , l'esplosione della prima bomba termonucleare americana ( Ivy Mike test ) produsse due radioelementi allora ancora sconosciuti: il plutonio 244 ( 244 Pu) e il plutonio 246 ( 246 Pu). Le tracce di 244 Pu nell'ambiente sono generalmente attribuite a test nucleari atmosferici così come i resti di 244 Pu essenziali.
Dopo quasi 70 anni di produzione mondiale in continua crescita, le scorte dichiarate di plutonio hanno raggiunto a fine 2013 un totale di 500 tonnellate, di cui il 52% di origine civile e il 48% di origine militare. Gli stock dichiarati sono distribuiti principalmente tra 5 paesi:
" Mentre il biossido di plutonio è normalmente verde oliva, i campioni possono essere di vari colori. Si ritiene generalmente che il colore sia una funzione della purezza chimica, della stechiometria, della dimensione delle particelle e del metodo di preparazione, sebbene il colore risultante da un dato metodo di preparazione non sia sempre riproducibile. "
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | ||||||||||||||||
1 | H | Hey | |||||||||||||||||||||||||||||||
2 | Li | Essere | B | VS | NON | oh | F | Nato | |||||||||||||||||||||||||
3 | N / A | Mg | Al | sì | P | S | Cl | Ar | |||||||||||||||||||||||||
4 | K | è | Sc | Ti | V | Cr | mn | Fe | Co | O | Cu | Zn | Ga | Ge | Asso | Vedi | Br | Kr | |||||||||||||||
5 | Rb | Sr | sì | Zr | Nb | Mo | Tc | Ru | Rh | Pd | Ag | CD | Nel | Sn | Sb | voi | io | Xe | |||||||||||||||
6 | Cs | Ba | Il | Questo | prima | Nd | Pm | Sm | Aveva | Gd | Tb | Dy | come | Er | Tm | Yb | Leggere | HF | Il tuo | W | Ri | osso | Ir | Pt | A | Hg | Tl | Pb | Bi | po | A | Rn | |
7 | Fr | RA | AC | questo | papà | tu | Np | Poteva | Am | Cm | Bk | Cf | È | Fm | Md | No | Lr | Rf | Db | Sg | bh | Hs | Mt | Ds | Rg | Cn | Nh | fl | Mc | Lv | Ts | Og | |
8 | 119 | 120 | * | ||||||||||||||||||||||||||||||
* | 121 | 122 | 123 | 124 | 125 | 126 | 127 | 128 | 129 | 130 | 131 | 132 | 133 | 134 | 135 | 136 | 137 | 138 | 139 | 140 | 141 | 142 |
Metalli Alcalini |
Terra alcalina |
lantanidi |
Metalli di transizione |
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