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SUSTANCIAS RADIACTIVAS: EL PLUTONIO

El plutonio es el elemento primordial más pesado en virtud a su isótopo más estable, el plutonio-244, con una semivida aproximada de 80 millones de años es tiempo suficiente para que el elemento se encuentre en pequeñas cantidades en la naturaleza. El plutonio es principalmente un subproducto de la fisión nuclear en los reactores, donde algunos de los neutrones liberados por el proceso de fisión convierten núcleos de uranio-238 en plutonio.

Uno de los isótopos del plutonio utilizados es el plutonio-239, que tiene una semivida de 24 100 años. El plutonio-239, junto con el plutonio-241 son elementos fisibles, esto quiere decir que el núcleo de sus átomos se puede dividir cuando es bombardeado con neutrones térmicos, liberando energía, radiación gamma y más neutrones. Esos neutrones pueden mantener una reacción nuclear en cadena, dando lugar a aplicaciones en armas y reactores nucleares.

El plutonio-238 tiene una semivida de 88 años y emite partículas alfa. Es una fuente de calor en los generadores termoeléctricos de radioisótopos, que son utilizados para proporcionar energía a algunas sondas espaciales. El plutonio-240 tiene una tasa elevada de fisión espontánea, aumentando el flujo de neutrones de cualquier muestra en la que se encuentre. La presencia de plutonio-240 limita el uso de muestras para armas o combustible nuclear y determina su grado. Los isótopos del plutonio son caros y difíciles de separar, por esto suelen fabricarse en reactores especializados.

El plutonio fue sintetizado por primera vez en 1940 por un equipo dirigido por Glenn T. Seaborg y Edwin McMillan en el laboratorio de la Universidad de California, Berkeley bombardeando uranio-238 con deuterio. Posteriormente se encontraron trazas de plutonio en la naturaleza. La producción de plutonio en cantidades útiles por primera vez fue una parte importante del Proyecto Manhattan durante la Segunda Guerra Mundial, que desarrolló las primeras bombas atómicas. La primera prueba nuclear ("Trinity", en julio de 1945), y la segunda bomba atómica usada para destruir una ciudad ("Fat Man" en Nagasaki, Japón en agosto de 1945) tenían núcleos de plutonio-239. Durante y después de la guerra, se realizaron experimentos con humanos sin consentimiento informado que estudiaban la radiación del plutonio y tuvieron lugar varios accidentes críticos, algunos de ellos letales. La eliminación de los residuos de plutonio de las centrales nucleares y el desmantelamiento de las armas nucleares construidas durante la Guerra Fría son preocupaciones sobre la proliferación nuclear y el medio ambiente. Otras fuentes de plutonio en el medio ambiente son consecuencia de las numerosas pruebas nucleares en la superficie (ahora prohibidas)

El plutonio, como la mayoría de los metales, tiene una apariencia plateada brillante al principio, muy parecida a la del níquel, pero se oxida rápidamente a un gris opaco, aunque también se reportan amarillo y verde oliva. A temperatura ambiente, el plutonio esta en su forma α (alfa). Esta, la forma estructural más común del elemento (alótropo), es casi tan dura y quebradiza como el hierro fundido gris, a menos que se alee con otros metales para hacerlo blando y dúctil. A diferencia de la mayoría de los metales, no es un buen conductor de calor o electricidad. Tiene un punto de fusión bajo. (640 °C) y un inusualmente alto punto de ebullición (3,228 °C).

La desintegración alfa, la liberación de un núcleo de helio de alta energía, es la forma más común de desintegración radioactiva para el plutonio. Una masa de 5 kg de 239Pu contiene alrededor de 12.5 × 1024 átomos. Con una vida media de 24.100 años, aproximadamente 11.5 × 1012 de sus átomos se descomponen cada segundo emitiendo una partícula alfa de 5.157 MeV. Esto equivale a 9,68 vatios de potencia. El calor producido por la deceleración de estas partículas alfa las hace calientes al tacto.

La resistividad es una medida de la fuerza con la que un material se opone al flujo de corriente eléctrica. La resistividad del plutonio a temperatura ambiente es muy alta para un metal, y se hace aún más alta con temperaturas más bajas, lo que es inusual para los metales. Esta tendencia continúa hasta 100 K, por debajo de la cual la resistividad disminuye rápidamente para las muestras frescas. La resistividad comienza a aumentar con el tiempo alrededor de los 20 K debido al daño por radiación, con la tasa dictada por la composición isotópica de la muestra.

Debido a la autoirradiación, una muestra de plutonio se fatiga en toda su estructura cristalina, lo que significa que la disposición ordenada de sus átomos se ve interrumpida por la radiación con el tiempo...La autoirradiación también puede conducir a recocido que contrarresta algunos de los efectos de la fatiga a medida que la temperatura aumenta por encima de los 100 K.

A diferencia de la mayoría de los materiales, el plutonio aumenta en densidad cuando se funde, en un 2,5%, pero el metal líquido exhibe una disminución lineal en densidad con la temperatura. Cerca del punto de fusión, el plutonio líquido tiene una viscosidad y tensión superficial muy alta en comparación con otros metales.

Alótropos

El plutonio normalmente tiene seis alótropos y forma un séptimo (zeta, ζ) a alta temperatura dentro de un rango de presión limitado. Estos alótropos, que son diferentes modificaciones estructurales o formas de un elemento, tienen energías internas muy similares pero densidades y estructuras cristalinas significativamente variables. Esto hace que el plutonio sea muy sensible a los cambios de temperatura, presión o química, y permite cambios drásticos de volumen después de transiciones de fase de una forma alotrópica a otra. Las densidades de los diferentes alótropos varían de 16,00 g/cm³ a 19,86 g/cm³.

La presencia de estos muchos alótropos hace muy difícil el mecanizado del plutonio, ya que cambia de estado muy fácilmente. Por ejemplo, la forma α existe a temperatura ambiente en plutonio no aleado. Tiene características de mecanizado similares al hierro fundido pero cambia a la forma plástica y maleable β (beta) a temperaturas ligeramente más altas. Las razones del complicado diagrama de fase no se entienden del todo. La forma α tiene una estructura monoclínica de baja simetría, de ahí su fragilidad, resistencia, compresibilidad y baja conductividad térmica.

El plutonio en la forma δ (delta) normalmente existe en el rango de 310 °C a 452 °C pero es estable a temperatura ambiente cuando se alea con un pequeño porcentaje de galio, aluminio, o cerio, lo que mejora la trabajabilidad y permite su soldadura. La forma δ tiene un carácter metálico más típico, y es más o menos tan fuerte y maleable como el aluminio. En las armas de fisión, las ondas de choque explosivas utilizadas para comprimir un núcleo de plutonio también causarán una transición de la forma habitual de plutonio de fase δ a la forma más densa de α, ayudando significativamente a lograr la supercrítica. La fase ε, el alótropo sólido de más alta temperatura, exhibe una auto difusión atómica anémicamente alta en comparación con otros elementos.