Plutônio | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Pelotas de plutônio. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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Posição na tabela periódica | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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Símbolo | Poderia | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Sobrenome | Plutônio | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Número atômico | 94 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Grupo | - | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Período | 7 th período | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Quadra | Bloco f | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Família de elementos | Actinide | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Configuração eletronica | [ Rn ] 5 f 6 7 s 2 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Elétrons por nível de energia | 2, 8, 18, 32, 24, 8, 2 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Propriedades atômicas do elemento | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Massa atômica | 244,06 u | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Raio atômico (calc) | 159 pm | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Raio covalente | 187 ± 13h | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Estado de oxidação | 6, 5, 4, 3 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Eletronegatividade ( Pauling ) | 1,28 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Óxido | Anfotérico | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Energias de ionização | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
1 re : 6.0260 eV | 2 e : 11,2 eV | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Isótopos mais estáveis | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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Propriedades físicas simples do corpo | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Estado normal | sólido | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Massa volumica | 19.816 kg · m -3 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Sistema de cristal | Monoclínico | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Cor | Branco prateado manchando ao ar livre | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Ponto de fusão |
640 ° C 640 ° ± 2 |
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Ponto de ebulição | 3228 ° C | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Energia de fusão | 2,84 kJ · mol -1 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Energia de vaporização | 344 kJ · mol -1 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Volume molar | 12,29 × 10 -6 m 3 · mol -1 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Pressão de vapor |
1 Pa (a 1.483 ° C ) |
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Velocidade do som | 2260 m · s -1 a 20 ° C | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Calor maciço | 35,5 J · kg -1 · K -1 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Condutividade elétrica | 685 x 10 6 S · m -1 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Condutividade térmica | 6,74 W · m -1 · K -1 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Vários | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
N o CAS | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
N o ECHA | 100.028.288 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
N o EC | 231-117-7 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Precauções | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Radioelemento com atividade notável |
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Unidades de SI e STP, salvo indicação em contrário. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
O plutônio é o elemento químico com símbolo Pu e número atômico 94. É um metal radioativo transurânico da família dos actinídeos . Apresenta-se sob a forma de um sólido cristalizado cujas superfícies frescas são cinzentas prateadas mas são cobertas em poucos minutos, na presença de humidade, por uma camada opaca de cor cinzenta, por vezes tendendo ao verde azeitona, constituída por óxidos e hidretos ; o aumento de volume resultante pode chegar a 70% de um bloco de plutônio puro, e a substância assim formada tende a se desintegrar em um pó pirofórico .
O plutônio foi produzido e isolado pela primeira vez em 14 de dezembro de 1940 na Universidade da Califórnia em Berkeley , bombardeando o urânio 238 com deutério . Vindo depois do urânio e do neptúnio na tabela periódica , esse novo elemento químico foi nomeado em referência a Plutão , que vem após os planetas Urano e Netuno no Sistema Solar . É um elemento sintético , produzido artificialmente pelo homem, mas também é relatada a observação de vestígios de plutônio natural em minérios de urânio . É um metal pesado radiotóxico que tende a se acumular nos ossos e, em menor grau, no fígado . Normalmente observamos quatro estados de oxidação do plutônio, de +3 a +6 (o estado +7 é raro), com colorações distintas. A estrutura eletrônica do metal puro é determinada pela banda 5f, que possui a maior densidade de estados no nível de Fermi ; Particularmente estreita, a banda 5f tende a localizar os elétrons nela, de modo que o plutônio puro à temperatura ambiente é semelhante aos materiais férmions pesados , com alta capacidade de calor e resistividade elétrica .
Conhecemos nada menos que seis alótropos de plutônio à pressão atmosférica e um sétimo acima de 60 MPa . Eles têm propriedades bem definidas e freqüentemente incomuns para um metal. Assim, o α plutônio, estável à temperatura ambiente, é um dos metais raros que cristaliza no sistema monoclínico ; suas propriedades físicas e estruturais estão mais relacionadas aos minerais do que aos metais comuns, enquanto suas propriedades mecânicas lembram as do ferro fundido . O δ plutônio, estável em temperaturas superiores ou com baixa fração molar de gálio , cristaliza por outro lado em uma malha cúbica de face centrada , com densidade cerca de 20% inferior à do plutônio α; é mais metálico, com propriedades mecânicas semelhantes às do alumínio , mas com coeficiente de expansão térmica negativo (contrai com o aquecimento). O plutônio também é um dos poucos elementos químicos cujo líquido é mais denso do que o sólido no ponto de fusão . A existência de múltiplos alótropos com energias internas vizinhas torna a modelagem do plutônio particularmente delicada, a ponto de se usar uma liga de plutônio-gálio , que estabiliza a fase δ à temperatura ambiente, o que facilita a usinagem das peças. Em plutônio.
O plutônio-239 e o plutônio-241 são isótopos físseis com nêutrons térmicos , o que significa que podem contribuir para uma reação em cadeia nuclear e podem ser usados no projeto de armas nucleares e reatores nucleares . O plutônio-240 tem uma taxa de fissão espontânea muito alta que requer manter uma taxa abaixo de 7% no plutônio para armas. O plutônio-238 tem meia-vida de 88 anos e emite partículas α ; é uma fonte de calor frequentemente usada por geradores termoelétricos de radioisótopos para fornecer eletricidade a certas sondas espaciais . A separação dos isótopos do plutônio é difícil e geralmente são produzidos especificamente por reatores especializados. A produção de plutônio suficiente foi um dos objetivos do Projeto Manhattan durante a Segunda Guerra Mundial para desenvolver as primeiras bombas nucleares. A primeira explosão atômica, o teste Trinity , usou uma carga de plutônio, assim como Fat Man , a bomba atômica lançada sobre Nagasaki ; a bomba Little Boy lançada três dias antes em Hiroshima tinha um núcleo de urânio enriquecido .
O plutônio deve seu nome ao planeta Plutão , descoberto depois de Urano e Netuno , por analogia com os elementos urânio e neptúnio imediatamente anteriores a ele na tabela periódica.
O plutônio é um metal da família dos actinídeos com, como a maioria dos outros metais, uma aparência prateada brilhante como o níquel . Porém, em contato com o ar, rapidamente fica coberto por uma camada acinzentada opaca, com cores que podem chamar o amarelo ou o verde oliva, este último tom proveniente do dióxido de plutônio PuO 2..
Como o neptúnio e o urânio - e, em menor grau, o protactínio - a estrutura eletrônica do plutônio em condições normais de temperatura e pressão é determinada pelos orbitais 5f, que são os principais contribuintes para as ligações interatômicas. As distâncias entre os átomos são assim reduzidas nesses materiais que têm, portanto, uma densidade particularmente alta: a do plutônio é 19,816 g · cm -3 , mais do que o dobro do einstênio ( 8,84 g · cm -3 ), que, no entanto, tem um maior massa atômica . No entanto, as distâncias interatômicas em um cristal influenciam a largura das faixas eletrônicas : quanto menores essas distâncias, mais estreitas são as faixas. A banda 5f sendo matematicamente mais estreita do que as bandas 6d e 7s, torna-se aqui suficientemente estreita para tender a localizar os elétrons no cristal, cujas propriedades metálicas são conseqüentemente muito degradadas. Disto vem toda a complexidade do plutônio: dada a estrutura de banda muito particular do material, onde as bandas 5f e 6d têm níveis de energia muito semelhantes, os elétrons 5f do plutônio estão no limite entre o estado localizado e o estado. , de modo que uma ligeira variação da energia interna é suficiente para passar de um para o outro, o que resulta em modificações repentinas das propriedades macroscópicas do material.
Como resultado da influência dos elétrons 5f, os cristais dos actinídeos leves são menos simétricos do que os dos metais comuns, porque os orbitais 5f são muito direcionais e restringem a geometria dos cristais. O protactínio cristaliza no sistema quadrático , menos simétrico do que os metais comuns, enquanto o urânio e o neptúnio se cristalizam no sistema ortorrômbico , ainda menos simétrico, e o plutônio no sistema monoclínico , o menos simétrico de todos. Segue-se que o plutônio no estado padrão não é muito dúctil , não muito maleável , não muito plástico e, pelo contrário, bastante duro e quebradiço; suas propriedades mecânicas são freqüentemente comparadas às do ferro fundido cinzento .
Outra consequência da influência dos elétrons 5f, o plutônio no estado padrão tem baixa condutividade elétrica e baixa condutividade térmica , mas alta capacidade térmica , que é semelhante a materiais férmions pesados . Além disso, sua condutividade elétrica tende a diminuir quando o material é resfriado, o que é o oposto do comportamento usual dos metais. A tendência é observada até 100 K , depois invertida para o plutônio fresco; no entanto, a resistividade aumenta com o tempo devido ao dano à rede cristalina devido à radioatividade.
Metal |
Condutividade térmica |
Resistividade elétrica |
Compressibilidade |
Módulo de Young |
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Plutônio α | 4,2 W · m -1 · K -1 | 1,45 μΩ · m | 0,020 GPa -1 | 100 GPa |
Plutônio δ ( Pu-Ga ) | 9,2 W · m -1 · K -1 | 1,00 μΩ · m | 0,033 GPa -1 | 42 GPa |
Aço inoxidável | 15 W · m -1 · K -1 | 0,7 μΩ · m | 0,0007 GPa -1 | 180 GPa |
Alumínio | 222 W · m -1 · K -1 | 0,029 μΩ · m | 0,015 GPa -1 | 70 GPa |
De um modo geral, a radioatividade perturba a estrutura cristalina do plutônio por meio do acúmulo de defeitos no cristal . No entanto, de auto-radiação também pode aquecer o material suficientemente para levar a recozimento , compensando o efeito anterior a temperaturas superiores a 1000 K .
Cerca de vinte isótopos de plutônio são conhecidos . O plutônio-244 tem meia-vida mais longa, com 80,8 milhões de anos atrás, seguido pelo plutônio 242 , com 373.300 anos, e o plutônio-239 , com 24.110 anos. Todos os outros isótopos de plutônio têm meia-vida de menos de 7.000 anos. O plutônio também possui oito isômeros nucleares , cuja meia-vida é sempre inferior a um segundo.
Os isótopos conhecidos de plutônio têm uma massa atômica variando de 228 a 247. O modo preferido de decaimento de isótopos mais leves do que o plutônio 244 é a fissão espontânea e decaimento α , que produz principalmente neptúnio e urânio , bem como 'uma ampla variedade de produtos de fissão . O modo preferido de decaimento de isótopos mais pesados do que o plutônio 244 é o decaimento β , que essencialmente produz amerício . O plutônio-241 é o isótopo pai da série de decaimento do neptúnio, que dá o amerício-241 por decaimento β.
O plutônio-239 é, com o urânio-233 e o urânio-235 , um dos três principais isótopos físseis usados pela indústria nuclear ou para fins militares. O plutônio-241 também é altamente físsil, ou seja, ele pode se dividir sob o impacto de um nêutron térmico liberando mais nêutrons o suficiente para permitir a fissão de outros átomos e, assim, manter uma cadeia de reação ; entretanto, é muito mais radioativo do que o plutônio 239 e produz, por decaimento β , do amerício 241 , um forte emissor de partículas α indesejáveis nas aplicações usuais do plutônio. Quando submetidos a nêutrons térmicos, os isótopos 239 Pu e 241 Pu têm uma probabilidade de cerca de 3 ⁄ 4 para rachar e cerca de 1 ⁄ 4 para dar 240 Pu e 242 Pu respectivamente, de modo que a taxa de 240 Pu no plutônio residual após um a reação nuclear é maior do que a do plutônio inicial.
Substancialmente menos radioativo do que a maioria dos outros isótopos, no entanto, o plutônio 239 puro tem um fator de multiplicação k eff maior do que 1, o que significa que este material pode atingir massa crítica desde que uma quantidade suficiente de material seja coletada no volume apropriado. Durante a fissão de um átomo, uma fração da energia da ligação nuclear , que mantém o núcleo atômico unido , é liberada como energia eletromagnética e energia cinética , sendo esta última rapidamente convertida em energia térmica . A fissão de um quilograma de plutônio-239 pode produzir uma explosão equivalente a 21 kt de TNT ( 88.000 GJ ). É essa energia que é usada por reatores nucleares e armas nucleares .
A presença de plutônio 240 em uma massa de plutônio-239 limita sua importância militar porque este isótopo tem uma taxa de fissão espontânea superior em mais de quatro ordens de magnitude à do plutônio 239 - cerca de 440 fissão · s -1 · G -1 , ou mais de 1000 nêutrons · s -1 · g -1 - o que degrada o desempenho explosivo do material e aumenta o risco de uma explosão descontrolada. Diz-se que o plutônio é de grau militar (grau de arma ) quando contém menos de 7% de plutônio 240 e grau de combustível (grau de combustível ) quando contém menos de 19%. Plutônio de alta qualidade ( supergrade ), contendo menos de 4% de plutônio 240 , é utilizado, devido à sua menor radioatividade, para armas nucleares que devem ser mantidas nas proximidades imediatas das tripulações, em submarinos nucleares, lançadores de equipamentos e vários tipos de navios de guerra para exemplo. O plutônio-238 não é físsil, mas pode ser facilmente fissionado impulsionado por nêutrons rápidos e uma radioatividade α .
Os dois principais isótopos sintetizados são o plutônio 238 e o plutônio 239 . O plutônio-239 é produzido por captura de nêutrons e decaimento de β de urânio-238 :
Os nêutrons da fissão do urânio 235 são absorvidos pelos núcleos do urânio 238 para formar o urânio 239 ; um decaimento β então converte um nêutron em um próton para formar o neptúnio 239 , convertido por um segundo decaimento β em plutônio 239 .
O plutônio-238 é produzido pelo bombardeio de urânio-238 com íons de deutério :
Além do plutônio 240 , que exibe uma alta taxa de fissão espontânea , e do plutônio 241 , que decai por radioatividade β , a decadência espontânea dos principais isótopos de plutônio ocorre principalmente por radioatividade α , ou seja, pela emissão de partículas α ( He 2+ ) que se recombinam com elétrons do metal para formar o hélio , enquanto o plutônio se transmuta em urânio . Assim, um típico 5 kg arma nuclear núcleo contém 12,5 × 10 24 átomos dando uma actividade de 11,5 × 10 12 Bq ( decaimentos por segundo) que emitem partículas a, o que corresponde em geral a uma potência de 9 68 W .
Isótopo | Período
radioativo |
Atividade de massa |
Modo de Decaimento |
Filho de nuclídeo |
Relatório de conexão |
Energia decadente |
---|---|---|---|---|---|---|
238 Pu | 87,76 anos | 6,34 x 10 11 Bq · g-1 | Α radioatividade | 234 U | 71,04% | 5,499 MeV |
28,84% | 5,457 MeV | |||||
239 Pu | 24 130 anos | 2,295 x 10 9 Bq · g-1 | Α radioatividade | 235 U | 73,30% | 5,156 MeV |
15,10% | 5,144 MeV | |||||
11,45% | 5,106 MeV | |||||
240 Pu | 6.567,5 anos | 8,40 x 10 9 Bq · g-1 | Α radioatividade | 236 U | 72,90% | 5,168 MeV |
27,00% | 5,124 MeV | |||||
241 Pu | 14,29 anos | 3,81 × 10 12 Bq g-1 | Β radioatividade | 241 am | 99,99% | 20,81 keV |
Os radioisótopos do plutônio liberam um calor variável de decomposição dependendo dos isótopos considerados. Essa magnitude é geralmente dada em watts por quilograma ou miliwatts por grama . Pode atingir valores significativos em grandes partes de plutônio (por exemplo, em ogivas nucleares ). Todos os isótopos de plutônio também liberam raios γ fracos .
Isótopo | Calor de desintegração | Fissão espontânea ( nêutrons ) | Observações |
---|---|---|---|
238 Pu | 560 W · kg -1 | 2600 g -1 · s -1 | Calor de decaimento muito alto usado em geradores termoelétricos de radioisótopos |
239 Pu | 1,9 W · kg -1 | 0,022 g -1 · s -1 | Isótopo físsil principal do plutônio. |
240 Pu | 6,8 W · kg -1 | 910 g -1 · s -1 | Impureza principal do plutônio 239 . A qualidade de um plutônio é geralmente expressa como uma porcentagem de 240 Pu. Sua taxa de fissão espontânea é desfavorável para aplicações militares. |
241 Pu | 4,2 W · kg -1 | 0,049 g -1 · s -1 | Decai em amerício 241 . Seu acúmulo apresenta risco de irradiação por pedaços antigos de plutônio. |
242 Pu | 0,1 W · kg -1 | 1700 g -1 · s -1 |
Existem seis alótropos de plutônio à pressão atmosférica e um sétimo acima de 60 MPa . Esses alótropos têm uma energia interna que varia pouco, enquanto suas propriedades físicas variam dramaticamente. A densidade do plutônio puro à pressão atmosférica é, portanto, 19,86 g · cm -3 para o plutônio α à temperatura ambiente, mas apenas 15,92 g · cm -3 para o plutônio δ a 125 ° C , uma densidade 20% menor, correspondendo a um alongamento linear de mais de 7,6%. O plutônio pode, portanto, reagir violentamente a mudanças na pressão, temperatura ou ambiente químico, e as transições de fase podem ser acompanhadas por mudanças significativas e abruptas de volume.
Estágio | Sistema de cristal |
Temperatura de transição de fase |
Massa volumica |
---|---|---|---|
α | Clínica única | - | 19,86 g · cm -3 |
β | Monoclínico com bases centradas | 124,5 ° C | 17,70 g · cm -3 |
γ | Rosto centrado ortorrômbico | 214,8 ° C | 17,14 g · cm -3 |
δ | Cúbico centrado no rosto | 320,0 ° C | 15,92 g · cm -3 |
δ ' | Quadrático centrado | 462,9 ° C | 16,00 g · cm -3 |
ε | Cúbico centrado | 482,6 ° C | 16,51 g · cm -3 |
Líquido | ~ 640 ° C | 16,65 g · cm -3 |
Monoclínico (α)
Monoclínico com bases centradas (β)
Ortorrômbico centrado na face (γ)
Tetragonal centrado (δ ')
Centrado cúbico (ε)
A existência de alótropos tão diferentes para energias internas semelhantes torna a modelagem do plutônio puro particularmente delicada. Seu estado padrão , a fase α, é monoclínico , tornando o plutônio puro à temperatura ambiente um material duro e quebradiço como o ferro fundido cinzento , que se presta pouco à usinagem e é suscetível a variações repentinas na geometria sob pressão. Por outro lado, a fase δ é cúbica de face centrada , como muitos metais comuns, como alumínio e níquel , e possui propriedades mecânicas semelhantes às do alumínio . Estável de 320,0 a 462,9 ° C para o plutônio puro, a fase δ pode ser estabilizada até a temperatura ambiente pela adição de uma pequena quantidade de gálio , alumínio, amerício , escândio ou cério , que podem ser usinados e partes soldadas de plutônio. A liga de plutônio-gálio é frequentemente utilizada para essa finalidade, pois permite superar transições de fase indesejadas causando distorções devido ao inchaço ou contrações localizadas na peça. O silício , o índio , o zinco e o zircônio permitem a formação de uma fase δ metaestável por resfriamento rápido. A adição de grandes quantidades de háfnio , hólmio e tálio também possibilita a preservação da fase δ até a temperatura ambiente. O neptúnio é o único elemento que estabiliza a fase α a temperaturas monoclínicas mais elevadas.
A elasticidade da fase δ é anisotrópica , que pode variar por um fator de seis a sete, dependendo da direção.
Nas armas de fissão, a onda de choque que comprime o núcleo (além de algumas dezenas de kilobars) também provoca uma transição da fase delta para a forma alfa, claramente mais densa, o que permite atingir mais facilmente a criticidade .
As ligas de plutônio podem ser obtidas adicionando um metal ao plutônio fundido. Se o metal adicionado for suficientemente redutor , o plutônio pode ser fornecido na forma de óxidos ou halogenetos . A liga de plutônio-gálio e a liga de plutônio-alumínio, que estabilizam a fase δ do plutônio à temperatura ambiente, são obtidas pela adição de trifluoreto de plutônio PuF 3com gálio ou alumínio fundido, que tem a vantagem de evitar o manuseio do plutônio metálico, que é muito reativo.
Plutônio puro em temperatura ambiente tem superfícies prateadas que embaçam em minutos em contato com o ar. Exibe quatro estados de oxidação comuns em solução aquosa , além de um quinto mais raro:
Um complexo com plutônio no estado de oxidação formal +2, [K (2.2.2- cripta )] [Pu II Cp ″ 3 ], onde Cp ″ = C 5 H 3 (SiMe 3 ) 2, também foi publicado.
A cor das soluções de íon plutônio depende do estado de oxidação e da natureza do ânion ácido . É o último que influencia o grau de complexação do plutônio.
O plutônio metálico é obtido pela reação de tetrafluoreto de plutônio PuF 4com bário , de cálcio ou de lítio em 1200 ° C . É atacado por ácidos , oxigênio e vapor d'água , mas não por bases . Dissolve-se facilmente em ácido clorídrico HCl, ácido iodídrico HI e ácido perclórico HClO 4concentrados. O plutônio fundido deve ser mantido sob vácuo ou em uma atmosfera inerte para evitar a reação com o ar. A 135 ° C , o plutônio metálico inflama ao ar livre e explode na presença de CCl 4 tetraclorometano.
O plutônio reage com o carbono para formar carbonetos de plutônio Pu 3 C 2, PuC 1-δ, Pu 2 C 3e PuC 2 ; reage com nitrogênio N 2para formar um pun o nitreto , e com silicone para formar um PUSI 2 silicieto ; reage com halogênios X 2, onde X pode representar flúor , cloro , bromo e iodo , dando os trihaletos PuX 3. Com flúor, além de trifluoreto de plutônio PuF 3, também observamos tetrafluoreto de plutônio PuF 4bem como hexafluoreto de plutônio PuF 6. Além disso, são formados oxialetos PuOCl, PuOBr e PuOI.
Os cadinhos usados com plutônio devem ser capazes de suportar as próprias propriedades redutoras desse metal. Os metais refratários , como tântalo e tungstênio , e os óxidos , boretos , carbonetos , nitretos e silicetos mais estáveis, podem ser adequados. A fusão em um forno elétrico a arco pode possibilitar a produção de pequenos lingotes de plutônio metálico sem a necessidade de cadinho.
O plutônio puro exposto à umidade, seja no ar ou no argônio , fica coberto em poucos minutos com uma camada opaca de uma mistura de óxidos e hidretos , que se desintegra formando um pó fino e volátil cuja inalação pode constituir um sério risco à saúde. Por isso o plutônio é manuseado em porta-luvas que impedem a dispersão atmosférica dessa poeira.
Mais precisamente, o plutônio exposto ao ar seco fica coberto com uma camada de dióxido de plutônio PuO 2que fornece notável passivação do metal, reduzindo o progresso da oxidação no material para tão baixo quanto 20 pm · h -1 . Por outro lado, a presença de umidade introduz hidretos PuH x, Com 1,9 <x <3 , que catalisam a corrosão pelo oxigênio O 2, enquanto a umidade na ausência de oxigênio introduz óxidos intermediários, como o sesquióxido Pu 2 O 3que promovem a corrosão do hidrogênio. Finalmente, a umidade na presença de oxigênio leva à oxidação do dióxido de PuO 2 .para formar um óxido superior PuO 2 + x na camada de dióxido que parece promover a corrosão do metal no ar úmido.
Os pós de plutônio, seus hidretos e certos óxidos, como Pu 2 O 3são pirofóricos , ou seja, podem inflamar-se espontaneamente em contato com o ar à temperatura ambiente e, portanto, são manuseados em uma atmosfera inerte seca de nitrogênio N 2ou árgon Ar. O plutónio sólido inflama apenas a partir de 400 ° C . Pu 2 O 3aquece espontaneamente e se transforma em dióxido de plutônio PuO 2, que é estável no ar seco, mas reage quente com o vapor de água . As reações em jogo seriam as seguintes:
3 PuO 2+ Pu → 2 Pu 2 O 3 2 Pu 2 O 3+ O 2→ 4 PuO 2.O plutônio também reage com hidrogênio H 2para formar hidretos PuH x, com 1,9 <x <3 :
2 Pu + x H 2→ 2 PuH x.O valor de x depende da pressão parcial do hidrogênio e da temperatura da reação. Esses hidretos, que são sólidos cristalizados no sistema cúbico de face centrada, são rapidamente oxidados pelo ar e se dissociam em seus elementos constituintes quando aquecidos sob vácuo dinâmico, isto é, com bombeamento contínuo do hidrogênio liberado.
Diferentes tipos de riscos devem ser considerados no que diz respeito ao manuseio do plutônio, que dependem intimamente dos isótopos envolvidos . Acidentes graves ocorrem durante erros de manuseio que levam à formação de uma massa crítica de plutônio e são suscetíveis a danos . Causam a síndrome da radiação aguda . A radiotoxicidade e a toxicidade reprodutiva ocorrem em decorrência da absorção do plutônio no organismo levando à irradiação do tecido com radiação ionizante podendo causar mutações genéticas e induzir câncer .
Os isótopos mais comuns do plutônio são, acima de tudo , emissores α , irradiando partículas α de 4,9 a 5,5 MeV que são facilmente interrompidas por qualquer substância sólida, em particular a epiderme . O plutônio-241 emite raios β , mais penetrantes que a radiação α, mas apenas 5,2 keV .
Do ponto de vista químico, o plutônio é combustível e pirofórico , portanto apresenta risco de incêndio. Sua toxicidade química, por outro lado, não é particularmente significativa.
O acúmulo de plutônio em um volume próximo à massa crítica provavelmente levará ao início de uma reação nuclear, emitindo uma quantidade letal de nêutrons e raios γ . O risco é ainda maior com o plutônio, pois a massa crítica do plutônio 239 é geralmente apenas um terço da do urânio 235 . Este risco é aumentado em solução devido ao efeito moderador do hidrogênio na água , que termaliza os nêutrons .
Vários acidentes de criticalidade foram relatados envolvendo plutônio para XX th século , alguns levando à morte de pessoas afetadas. Este foi por exemplo o caso do Laboratório Nacional de Los Alamos em 21 de agosto de 1945 , durante um erro na manipulação de carboneto de tungstênio tijolos usados como refletores de nêutrons em torno de uma esfera de plutônio de nível militar, que causaram 25 dias depois da morte de Harry Daghlian Jr. , em seguida, um pesquisador do Projeto Manhattan , como resultado de uma síndrome de radiação aguda após a dose que ele recebeu, estimada em 5,1 Sv . Nove meses depois, Louis Slotin também morreu em Los Alamos de um acidente semelhante enquanto manipulava refletores de berílio em torno da mesma esfera de plutônio, chamada de núcleo demoníaco . Também em Los Alamos, outro acidente ocorreu emDezembro de 1958, custando a vida de um técnico de laboratório chamado Cecil Kelley durante uma operação de purificação de plutônio, como resultado da formação de uma massa crítica em um recipiente de mistura. Outros acidentes desse tipo ocorreram em todo o mundo, seja nos Estados Unidos , na União Soviética , no Japão ou em outros países.
Elemento sintético produzido especificamente por sua radioatividade , o plutônio é mais conhecido por sua radiotoxicidade . Isso resulta de três tipos de radiação ionizante : raios α ( partículas α ), raios β ( elétrons ) e raios γ ( fótons energéticos). A exposição aguda ou prolongada a essa radiação apresenta riscos à saúde, podendo se manifestar no contexto de uma síndrome aguda de radiação , com mutações genéticas e cânceres . Os riscos aumentam com a dose absorvida , medida em cinzas (Gy), e mais precisamente em função da dose equivalente , medida em sieverts (Sv), que pondera o impacto fisiológico dos diferentes tipos de radiação recebidos de acordo com sua capacidade de causar danos ao tecido irradiado. Essa ponderação é introduzida pelo fator de dose, normalmente medido em microsieverts por becquerel (µSv / Bq):
Isótopo | Plutônio 238 | Plutônio 239 | Plutônio 240 | Plutônio 241 | Plutônio 242 |
---|---|---|---|---|---|
Atividade de massa | ~ 630 GBq · g -1 | ~ 2,3 GBq · g -1 | ~ 8,5 GBq · g -1 | ~ 3700 GBq · g -1 | ~ 0,15 GBq · g -1 |
Fator de 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 |
Assim, os raios γ passam por todos os tecidos e afetam todo o organismo, enquanto os raios β são menos penetrantes e os raios α não atravessam a epiderme, mas são muito mais energéticos (alguns megaelétrons volts, contra alguns quiloelétrons volts para os raios β e γ) . Assim, as partículas α são perigosas quando são emitidas mesmo dentro dos tecidos pelo plutônio absorvido. O principal risco é a inalação de partículas contendo plutônio, especialmente na forma de dióxido de plutônio PuO 2, que se forma rapidamente em contato com o ar e que tende a se desintegrar em poeira fina na presença de umidade. Um aumento da incidência de câncer de pulmão, portanto, foi mostrado em funcionários do setor nuclear. O risco de câncer de pulmão aumenta quando a dose equivalente de plutônio inalado atinge 400 mSv . Por outro lado, a ingestão absorve apenas 0,04% de PuO 2ingerido. Os riscos também dizem respeito aos ossos, onde se acumula o plutônio, e também ao fígado, onde se concentra.
Nem todos os isótopos de plutônio exibem o mesmo nível de radiotoxicidade. O plutônio de qualidade militar, constituído por mais de 92% de plutônio 239 , apresenta, portanto, uma radiotoxicidade bastante moderada, devido à sua atividade por massa inferior à do plutônio 240 e principalmente do plutônio 238 . O plutônio-241 tem atividade mil vezes maior, emitindo raios β que são mais penetrantes que a radiação α , embora mil vezes menos energia.
Isótopo | Plutônio 238 | Plutônio 239 | Plutônio 240 | Plutônio 241 | Plutônio 242 |
---|---|---|---|---|---|
Α radiação | 5,5 MeV | 5,1 MeV | 5,2 MeV | < 1 keV | 4,9 MeV |
Β radiação | 11 keV | 6,7 keV | 11 keV | 5,2 keV | 8,7 keV |
Γ radiação | 1,8 keV | < 1 keV | 1,7 keV | < 1 keV | 1,4 keV |
O plutônio-238 possui a maior radiotoxicidade, enquanto o plutônio-241 , cuja concentração no plutônio aumenta com o tempo, rapidamente produto do amerício-241 , que emite energia de raios γ pode expor o ambiente a radiações significativas.
A dose letal da síndrome de irradiação aguda observada em experimentos in vivo é da ordem de 400 a 4000 µg kg −1 em dose única, tendo a contaminação crônica efeitos mais difusos. Portanto, estima-se que uma quantidade da ordem de dez miligramas causa a morte de uma pessoa que inalou óxidos de plutônio de uma vez. De facto, os testes efectuados em babuínos e cães conduzem a uma estimativa para os humanos de uma mortalidade de 50% após 30 dias com 9 mg , após um ano com 0,9 mg e 1000 dias com 0, 4 mg .
O aparecimento de tumores pulmonares foi demonstrado em cães e ratos após a inalação de compostos pouco solúveis, como óxidos de plutônio: a relação dose-efeito demonstrada inclui um limiar para o aparecimento de tumores para uma dose no pulmão em torno de 1 Gy . Este limite para o aparecimento de tumores corresponderia em humanos a um depósito pulmonar de aproximadamente 200 kBq , ou 87 μg ) de 239 PuO 2.
O plutônio apresenta risco de incêndio, especialmente quando está na forma de pó finamente dividido. Na presença de umidade, forma hidretos em sua superfície, que são pirofóricos e podem inflamar-se à temperatura ambiente. O risco é real e se materializou em 1969 por um grande incêndio de plutônio no laboratório nacional de Rocky Flats . O aumento de volume decorrente da oxidação do plutônio pode chegar a 70% e romper os vasos de contenção. A radioatividade desse metal combustível constitui um risco adicional.
O óxido de magnésio MgO é provavelmente a substância mais eficaz para extinguir um incêndio de plutônio: ele resfria o metal servindo como dissipador de calor enquanto corta a combustão do suprimento de oxigênio . Para evitar o risco de incêndio, recomenda-se manusear o plutônio em atmosfera inerte e seca.
O plutônio exibe a toxicidade de um metal pesado da mesma forma que o urânio , por exemplo, mas é menos documentado que o deste último, e os estudos não colocam a toxicidade química como um dos principais riscos associados ao plutônio. Várias populações expostas à poeira de plutônio foram monitoradas de perto para avaliar o impacto na saúde de sua contaminação por plutônio, como pessoas que residiam perto de locais de experimentação nuclear atmosférica quando foram autorizadas, pessoas trabalhando em instalações nucleares, sobreviventes do bombardeio atômico de Nagasaki , mesmo pacientes "em fase terminal" de doenças fatais que foram injetados com plutônio nos anos 1945-1946 para observar seu metabolismo no corpo humano . Esses estudos não mostram toxicidade geralmente particularmente alta para o plutônio, com exemplos famosos de casos como o de Albert Stevens , citado por Bernard Cohen (no) , que viveu até uma idade avançada após receber injeções de plutônio. Várias dezenas de pesquisadores do Laboratório Nacional de Los Alamos também inalaram quantidades significativas de pó de plutônio na década de 1940, sem desenvolver câncer de pulmão.
Alguma retórica antinuclear afirma que "ingerir mesmo um milionésimo de grama é fatal", o que não é corroborado pela literatura existente. Os dados epidemiológicos dos sócios do "clube UPPU ", ou seja, das 26 pessoas que trabalharam no laboratório nacional de plutónio de Los Alamos e que o ingeriram a ponto de ser seguido na urina, dão o exemplo. uma mortalidade e uma taxa de câncer inferior à média.
A afirmação de que "seriam necessárias apenas algumas centenas de gramas de plutônio espalhados uniformemente pela Terra para eliminar toda a vida humana" também não é consistente com os dados disponíveis. Estima-se que a dispersão de uma massa da ordem de um quilograma sobre uma área de algumas centenas de quilômetros quadrados (ou seja, dentro de um raio de cerca de 10 km ) leva à contaminação de menos de um centésimo de micrograma por metro quadrado , então algumas centenas de gramas uniformemente distribuídas pela superfície da Terra estariam bem abaixo de qualquer quantidade detectável.
Também é necessário distinguir a radiotoxicidade do plutônio 238 , que é particularmente alta, daquela do plutônio 239 usado pelo exército e pela indústria nuclear, cuja radioatividade espontânea é consideravelmente menor. Esses dois isótopos são produzidos em quantidades muito diferentes, por circuitos separados e para usos não relacionados: o plutônio 238 é produzido a uma taxa de alguns quilogramas, principalmente como uma fonte de energia a bordo para um gerador termoelétrico de radioisótopo , enquanto o plutônio-239 é produzido a uma taxa de várias toneladas para tirar vantagem de sua natureza de isótopo físsil em reatores nucleares ou armas nucleares.
Em humanos , o plutônio absorvido é transportado pelas transferrinas e armazenado no sangue pela ferritina, eventualmente acumulando-se principalmente nos ossos , também no fígado e, em menor extensão, nos pulmões . Permanece no corpo humano com meia-vida biológica de aproximadamente 50 anos. Uma maneira comum de limitar os efeitos é injetar um complexo de ácido dietilenotriamina penta-acético ( DTPA , às vezes chamado de "ácido pentético") com cálcio ou zinco dentro de 24 horas após a contaminação, o que limita a ligação do plutônio, bem como do amerício e cúrio . Outros quelantes também podem ser usados, como enterobactina e deferoxamina , alguns com eficácia superior ao DTPA, como 3,4,3-LIHOPO ou DFO-HOPO (deferoxamina-hidroxipiridinona).
Estima-se que, em humanos, 10% do plutônio que cruzou a barreira intestinal ou pulmonar deixa o corpo (via urina e fezes). O restante após a passagem pelo sangue é fixado metade no fígado e metade no esqueleto , onde permanece por muito tempo e parte para a vida (O DOE americano estima que a meia-vida no órgão é, respectivamente, 20 e 50 anos para o fígado e osso, de acordo com modelos simplificados que não levam em consideração redistribuições intermediárias (no caso de fratura e / ou menopausa (cf. descalcificação ) e durante a reciclagem óssea normal, etc.) O DOE especifica que o nível acumulado no fígado e no esqueleto também depende da idade do indivíduo (a absorção no fígado aumenta com a idade) e que, de fato, o plutônio é fixado primeiro na superfície cortical e trabecular dos ossos antes de ser redistribuído lentamente ao longo o volume mineral ósseo.
O plutônio-239 é um isótopo físsil chave para a realização de armas nucleares por causa de sua relativa facilidade de implementação e sua disponibilidade relativamente alta. É possível reduzir a massa crítica necessária para a explosão circundando o núcleo de plutônio com refletores de nêutrons que têm a dupla função de aumentar o fluxo de nêutrons térmicos no núcleo e retardar a expansão térmica deste. A fim de prolongar a cadeia reação e aumentar o poder da explosão nuclear .
Uma massa de 10 kg de plutônio 239 sem um refletor é geralmente suficiente para atingir a criticidade; essa massa pode ser reduzida à metade por um design otimizado. Isso é cerca de um terço da massa crítica do urânio 235 .
A bomba Fat Man caiu em Nagasaki pelo Estados Unidos a 09 de agosto de 1945 usando uma carga de 6,4 kg de liga de plutônio-gálio 239 Pu - 240 Pu - Ga 96: 1: 3 em torno de uma fonte de nêutrons de ele Iniciação Seja - 210 Po tudo rodeado por lentes explosivas comprimindo o plutônio para aumentar significativamente sua densidade e, portanto, a potência da explosão, que atingiu o equivalente a 20.000 t de TNT . Em teoria, é possível reduzir a massa de plutônio necessária em uma arma nuclear para atingir a criticidade para menos de 4 kg com um design suficientemente elaborado.
O combustível nuclear usado de reatores de água leve convencionais contém uma mistura de isótopos 238 Pu , 239 Pu , 240 Pu e 242 Pu . Esta mistura não é suficientemente enriquecida em plutônio 239 para permitir a produção de armas nucleares, mas pode ser reciclada em combustível MOX . A captura de nêutrons acidental durante a reação nuclear aumenta a quantidade de plutônio 240 e plutônio 242 quando o plutônio é irradiado em um reator de nêutrons térmicos de modo que, após um primeiro ciclo, o plutônio pode ser usado mais do que por reatores de nêutrons rápidos . Se esses reatores não estiverem disponíveis, o que geralmente é o caso, o excesso de plutônio é geralmente removido, formando resíduos radioativos de longa vida. O desejo de reduzir a quantidade desses resíduos e de recuperá-los levou à construção de reatores de nêutrons mais rápidos.
O processo químico mais comum, conhecido como PUREX , permite o reprocessamento do combustível nuclear usado pela extração do plutônio e do urânio que ele contém para formar uma mistura de óxidos denominada MOX , essencialmente dióxido de urânio UO 2e dióxido de plutônio PuO 2, que pode ser usado novamente em reatores nucleares. O plutônio de grau militar pode ser adicionado a essa mistura para aumentar seu desempenho energético. MOX pode ser usado em reatores de água leve e contém cerca de 60 kg por tonelada de combustível; após quatro anos de uso, três quartos do plutônio são consumidos. Os reatores reprodutores são projetados para otimizar o uso de nêutrons produzidos durante a reação nuclear, usando-os para produzir, a partir de átomos férteis , mais material físsil que consomem.
O MOX é usado desde a década de 1980 , especialmente na Europa . Os Estados Unidos e a Rússia assinaram, emSetembro de 2000, o Acordo de Gerenciamento e Processamento de Plutônio ( PMDA ), pelo qual pretendem eliminar 34 toneladas de plutônio de grau militar; o DOE americano planeja reciclar essa massa de plutônio em MOX antes do final de 2019.
MOX aumenta a eficiência energética total. Uma barra de combustível nuclear é reprocessada após três anos de uso para extrair os resíduos, que passam a representar cerca de 3% da massa total dessas barras. Os isótopos de urânio e plutônio produzidos nesses três anos de operação são deixados na barra de combustível, que retorna a um reator para uso. A presença de gálio até 1% em peso no plutônio de grau militar pode interferir no uso a longo prazo deste material em um reator de água leve.
As maiores instalações de reciclagem de plutônio declaradas são as unidades B205 (en) e THORP (en) em Sellafield , Reino Unido ; a planta de reprocessamento de La Hague , na França ; a usina nuclear Rokkasho no Japão ; e o complexo nuclear Mayak na Rússia ; existem outros sites declarados menores, por exemplo na Índia e no Paquistão .
O plutônio-238 tem meia-vida de 87,74 anos. Ele emite uma grande quantidade de energia térmica acompanhada por fluxos fracos de nêutrons e fótons de energia gama . Um quilograma deste isótopo pode produzir uma energia térmica de aproximadamente 570 W . Ele emite principalmente partículas α de alta energia que são fracamente penetrantes, portanto, requer apenas proteção contra luz. Uma folha de papel é suficiente para impedir os raios α.
Essas características tornam este isótopo de plutônio uma fonte térmica particularmente interessante para aplicações a bordo que devem operar sem a possibilidade de manutenção direta durante a vida humana. Portanto, tem sido usado como fonte de calor em geradores térmicos de radioisótopos ( RTG ) e aquecedores de radioisótopos ( RHU ) como as sondas Cassini , Voyager , Galileo e New Horizons e o rover Curiosity on Mars Science Laboratory .
As sondas gêmeas Voyager foram lançadas em 1977, cada uma com uma fonte de plutônio liberando 500 W de potência . Mais de 30 anos depois, essas fontes de energia ainda liberavam uma potência de 300 W permitindo a operação limitada das pontas de prova. Uma versão mais antiga dessa tecnologia alimentou os cinco pacotes de experimentos da superfície lunar da Apollo, começando com a Apollo 12 em 1969.
O plutônio 238 também foi usado com sucesso para alimentar marcapassos para evitar cirurgias repetidas para substituir a fonte de alimentação. O plutônio-238 desde então foi amplamente substituído neste uso por baterias de lítio , mas ainda permaneceu em 2003 entre 50 e 100 pacientes nos Estados Unidos equipados com marcapassos movidos a plutônio-238 .
Uma vez que o plutônio pode ser usado para fins militares ou terroristas, ele é o assunto de numerosos textos e convenções internacionais destinadas a prevenir sua proliferação . O plutônio reciclado do combustível nuclear usado apresenta um risco de proliferação limitado devido à sua alta contaminação de isótopos não físseis, como o plutônio 240 e o plutônio 242 , cujo descarte não é viável.
Um reator operando com uma queima muito baixa produz poucos desses isótopos indesejados e, portanto, deixa o material nuclear potencialmente utilizável para fins militares. Acredita-se que o plutônio de nível militar seja pelo menos 92% de plutônio 239 , mas é tecnicamente possível detonar uma bomba nuclear de baixa potência a partir de plutônio contendo apenas 85% de plutônio 239 . O plutônio produzido por um reator de água leve com uma taxa de queima normal normalmente contém menos de 60% de plutônio 239 , 10% de plutônio físsil 241 e até 30% de isótopos indesejados de plutônio 240 e 242 . Não se sabe se é possível detonar um dispositivo nuclear feito desse material, no entanto, tal dispositivo provavelmente poderia espalhar material radioativo por uma grande área.
A Agência Internacional de Energia Atômica, portanto, classifica todos os isótopos de plutônio, sejam eles físseis ou não, como material diretamente utilizável para fins nucleares, ou seja, como material nuclear que pode ser usado para a fabricação de explosivos nucleares sem transmutação ou enriquecimento adicional. Na França, o plutônio é um material nuclear cuja detenção é regulamentada pelo Capítulo III do Código de Defesa .
O plutônio é um elemento químico muito raro na natureza e quase exclusivamente produzido pelo homem de 1940 até os dias atuais. No entanto, de 4 a 30 kg de plutônio 239 seriam produzidos a cada ano na Terra pela radioatividade α do urânio em elementos mais leves, bem como sob o efeito de raios cósmicos . É o segundo transurânico a ser descoberto.
O isótopo 238 Pu foi produzido em 1940 pelo bombardeio de um alvo de urânio pelo deutério no ciclotron de Berkeley . Durante o Projeto Manhattan , o plutônio 239 tinha o codinome 49 , sendo o '4' o último dígito de 94 (o número atômico) e o '9' o último dígito de 239, a massa atômica do isótopo usado. , o 239 Pu .
Não há mais plutônio em quantidades detectáveis desde a nucleossíntese primordial. No entanto, publicações mais antigas relatam observações de plutônio natural 244 . Também encontramos vestígios de plutônio-239 em minérios de urânio naturais (assim como neptúnio ), onde resulta da irradiação de urânio pela baixíssima taxa de nêutrons criada pela decomposição espontânea do urânio.
Foi produzido de forma mais massiva (e ainda existe em pequenas quantidades) como 239 Pu em estruturas geológicas particulares, onde o urânio foi naturalmente concentrado por processos geológicos há cerca de 2 bilhões de anos, atingindo uma criticidade suficiente para gerar uma reação nuclear natural. Sua taxa de formação no minério de urânio foi, portanto, acelerada por reações nucleares possibilitadas por um acidente natural de criticidade . É o caso do local do reator nuclear natural em Oklo .
Em usinas nucleares, o plutônio 238 é formado ao lado do plutônio 239 , pela cadeia de transformação começando com o urânio 235 fissionável.
O plutônio 238, com meia-vida de 86,41 anos, é um emissor muito poderoso de radiação α . Devido à sua alta atividade alfa e gama em massa, é utilizado como fonte de nêutrons (por "reação alfa" com elementos leves), como fonte de calor e como fonte de energia elétrica ( pela conversão de calor em eletricidade . ). Os usos de 238 Pu para gerar eletricidade estão limitados a usos espaciais e, no passado, a certos marcapassos.
O plutônio 238 é preparado a partir da irradiação de nêutrons do neptúnio 237, um actinídeo menor recuperado durante o reprocessamento ou da irradiação do amerício, em um reator. Em ambos os casos, para extrair o plutônio 238 dos alvos, eles são submetidos a um tratamento químico, que compreende uma dissolução nítrica.
Há apenas cerca de 700 g / t de neptúnio 237 no combustível do reator de água leve gasto 3 anos e precisa ser extraído seletivamente.
A irradiação de urânio 238 em reatores nucleares gera plutônio 239 por captura de nêutrons . Primeiro, um átomo de urânio 238 captura um nêutron e se transforma transitoriamente em urânio 239 . Esta reação de captura é mais fácil com nêutrons rápidos do que com nêutrons térmicos, mas está presente em ambos os casos.
O urânio 239 formado é altamente instável. Ele se transforma rapidamente (com meia-vida de 23,5 minutos) em neptúnio por radioatividade β:
O neptúnio 239 também é instável e, por sua vez, sofre um decaimento β (com meia-vida de 2,36 dias) que se transforma em plutônio-239 relativamente estável (meia-vida de 24.000 anos).
O plutônio-239 é físsil e, portanto, pode contribuir para a reação em cadeia no reator . Portanto, para o balanço energético de um reator nuclear , o potencial energético do urânio presente no reator inclui não apenas o do urânio 235 inicialmente presente, mas também o do urânio fértil 238 que terá sido transmutado em plutônio.
Quando submetido a um fluxo de nêutrons em um reator, o plutônio 239 também pode capturar um nêutron sem sofrer fissão. À medida que o combustível passa por períodos de irradiação cada vez mais longos, isótopos mais elevados se acumulam dessa forma, devido à absorção de nêutrons pelo plutônio-239 e seus produtos. Isótopos de 240 Pu, 241 Pu, 242 Pu são assim formados , até 243 Pu instável que decai em amerício 243 .
O isótopo de interesse devido à sua natureza físsil é 239 Pu , relativamente estável em uma escala humana (24.000 anos).
A taxa de produção de um isótopo depende da disponibilidade de seu precursor, que deve ter tido tempo para se acumular.
Em um novo combustível, 239 Pu é, portanto, formado linearmente em função do tempo, a proporção de 240 Pu aumenta de acordo com uma lei quadrada do tempo (em t 2 ), a de 241 Pu de acordo com uma lei cúbica do tempo (em t 3 ) e assim por diante.
Assim, quando um reator específico é usado para a fabricação de "plutônio militar", o combustível usado para a produção do plutônio, bem como os alvos e o cobertor, se houver, são extraídos após uma breve estada (algumas semanas). o reator para garantir que o plutônio 239 seja o mais puro possível.
Por outro lado, para uso civil, uma breve irradiação não extrai toda a energia que o combustível pode produzir. O combustível é, portanto, removido dos reatores de geração somente após uma estada muito mais longa (3 ou 4 anos).
Como uma primeira aproximação, um reator normalmente produz 0,8 átomos de 239 Pu para cada fissão de 235 U , ou um grama de plutônio por dia e por M W de energia térmica (reatores de água leve produzem menos do que grafite-gás). Na França, por exemplo, os reatores nucleares produzem cerca de 11 toneladas de plutônio por ano.
O 240 Pu é simplesmente fértil e tem uma radioatividade "apenas" quatro vezes maior que o 239 Pu (com meia-vida de 6500 anos).
O 241 Pu é físsil, mas altamente radioativo (meia-vida de 14,29 anos).
Além disso, decai para produzir amerício-241 que absorve nêutrons , o que, por meio de seu possível acúmulo, reduz a eficácia de dispositivos nucleares militares ou civis.
O 242 Pu tem uma vida muito mais longa que o anterior (373.000 anos). Não é físsil em nêutrons térmicos. Sua seção transversal é muito menor do que a de outros isótopos; a reciclagem sucessiva do plutônio no reator, portanto, tende a acumular o plutônio nesta forma muito infértil.
O 243 Pu é instável (meia-vida de menos de 5 horas) e decai para amerício 243 .
O plutônio-244 , o isótopo mais estável com meia-vida de 80 milhões de anos, não se forma em reatores nucleares. De fato, as sucessivas capturas de nêutrons partindo do urânio 239 levam a 243 Pu, com meia-vida muito baixa (da ordem de cinco horas). Mesmo em reatores de "alto fluxo", 243 Pu muda rapidamente para 243 Am, sem ter tempo para capturar um nêutron adicional para formar 244 Pu.
Por outro lado, maiores fluxos de nêutrons permitem essa formação. É sintetizado durante explosões nucleares ou por nucleossíntese estelar durante a explosão de uma supernova . Assim, em 1952 , a explosão da primeira bomba termonuclear americana (teste de Ivy Mike ) produziu dois radioelementos ainda desconhecidos: plutônio 244 ( 244 Pu) e plutônio 246 ( 246 Pu). Os traços de 244 Pu no meio ambiente são geralmente atribuídos a testes nucleares atmosféricos, bem como a resquícios de 244 Pu essencial.
Após quase 70 anos de produção global cada vez maior, os estoques declarados de plutônio atingiram um total de 500 toneladas no final de 2013, sendo 52% de origem civil e 48% de origem militar. Os estoques declarados são distribuídos principalmente entre 5 países:
" Embora o dióxido de plutônio normalmente seja verde oliva, as amostras podem ser de várias cores. Geralmente, acredita-se que a cor é uma função da pureza química, estequiometria, tamanho de partícula e método de preparação, embora a cor resultante de um determinado método de preparação nem sempre seja reproduzível. "
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | ||||||||||||||||
1 | H | Ei | |||||||||||||||||||||||||||||||
2 | Li | Ser | B | VS | NÃO | O | F | Nascer | |||||||||||||||||||||||||
3 | N / D | Mg | Al | sim | P | S | Cl | Ar | |||||||||||||||||||||||||
4 | K | Isto | Sc | Ti | V | Cr | Mn | Fe | Co | Ou | Cu | Zn | Ga | Ge | Ás | Se | Br | Kr | |||||||||||||||
5 | Rb | Sr | Y | Zr | Nb | Mo | Tc | Ru | Rh | Pd | Ag | CD | Dentro | Sn | Sb | Vocês | eu | Xe | |||||||||||||||
6 | Cs | BA | O | Esta | Pr | WL | PM | Sm | Teve | D'us | Tb | Dy | Ho | Er | Tm | Yb | Leitura | Hf | Sua | C | Ré | Osso | Ir | Pt | No | Hg | Tl | Pb | Bi | Po | No | Rn | |
7 | Fr | Ra | Ac | º | Pa | você | Np | Poderia | Sou | Cm | Bk | Cf | É | Fm | Md | Não | 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 |
Metais Alcalinos |
Alcalino- terroso |
Lantanídeos |
Metais de transição |
Metais pobres |
Metal- loids |
Não metais |
genes halo |
Gases nobres |
Itens não classificados |
Actinides | |||||||||
Superactinides |