Plutonio

1934an, Enrico Fermik eta Erromako Unibertsitateko zientzialari-talde batek esan zuten 94. elementua aurkitu zutela.[2] Plutonioa, plutonio-238 isotopoa hain zuzen, lehen aldiz 1940ko abenduaren 14an ekoitzi eta isolatu zen, eta 1941eko otsailaren 23an identifikatu zen kimikoki.

Hasierako azterketatik hilabete gutxi batzuetara, plutonioaren oinarrizko kimika uranioaren antzekoa zela ikusi zen. 1942ko abuztuaren 18an, oso kantitate txikia isolatu eta lehen aldiz neurtu zen. 50 mg plutonio-239 ekoitzi ziren, uranioarekin eta fisioko produktuekin batera, eta 1 mg baino ez zen isolatu. Prozedura horri esker, kimikariek elementu berriaren masa atomikoa finkatzea lortu zuten.

Plutonio-239-aren propietate nuklearrak ere aztertu ziren; ikertzaileek ikusi zuten atomo bat neutroi batekin talka egiten duenean hautsi egiten dela, eta neutroi eta energia gehiago askatzen dituela. Prozesu horri fisio deritzo. Askatutako neutroiek beste plutonio-239 atomo batzuk jo ditzakete, eta horrela, kate-erreakzio nuklear azkar bat eragin. Erreakzio nuklear horrek hiri bat suntsitzeko adinako leherketa eragin dezake, masa kritikoa lortzeko behar adina plutonio-239 kontzentratzen bada.

Plutonioaren portaera anomaloa haren egitura elektronikoaren ondorio da. 6d eta 5f azpisistemen arteko energia-aldea oso txikia da. 5f geruzaren tamaina nahikoa da elektroiek sarearen barruan loturak eratzeko. Energia-mailak hurbil daudenez, energia baxuko elektroien konfigurazio ugari sortzen dira, energia-maila ia berdinak dituztenak. Hori dela eta, 5fⁿ7s² eta 5f^n–16d¹7^s2 konfigurazioen arteko lehia gertatzen da, eta horrek portaera kimikoaren konplexutasuna eragiten du.

Plutonioak sei alotropo dauzka egoera normalean eta zazpigarren bat (zeta, ζ) presiopean; denek dauzkate energia-maila parekoak, baina dentsitate arras ezberdinak. Plutonioa oso sentikorra da tenperaturaren, presioaren edo egoera kimikoaren aldaketen aurrean, eta fase-trantsizioak gertatzen direnean bolumen-aldaketa dramatikoak jasaten ditu.

Plutonioak bost oxidazio-egoera erakusten ditu ur-disoluzioetan:

• Pu(III), Pu³⁺ (urdin argia)
• Pu(IV), Pu⁴⁺ (marroi horixka)
• Pu(V), PuO₂⁺ (arrosa dela esan ohi da; ioi hau ezegonkorra da disoluzioan eta Pu⁴⁺ eta PuO₂²⁺ ekoizten ditu; ondoren, Pu⁴⁺ ioiak oxidatu egiten du gainerako PuO₂⁺ eta PuO₂²⁺ bihurtzen du, bera Pu³⁺ ioira erreduzitzen delarik. Plutonioaren ur-disoluzioak, denbora igaro ahala, Pu³⁺ eta PuO₂²⁺ elementuez osatutako nahaste bat izateko joera dauka.)
• Pu(VI), PuO₂²⁺ (laranja arrosaxka)
• Pu(VII), PuO₅^2- (gorri iluna); ioi heptabalente hau bakana da eta soilik muturreko baldintza oxidatzaileetan sortzen da.

Plutonioa metal erradioaktibo aktinidoa da, eta haren isotopoa, plutonio-239-a, lehen mailako hiru isotopoetako bat da, uranio-233 eta uranio-235 isotopoekin batera; plutonio-241-a ere oso fisionagarria da.[3] Fisionagarritzat hartzeko, isotopo baten atomoaren nukleoak gai izan behar du apurtzeko edo fisionatzeko mugimendu geldoko neutroi batekin talka egiten duenean, eta beste neutroi batzuk askatzeko, nukleo gehiago banatuz kate nuklearreko erreakzioari eusteko.

Fisioan, nukleoaren lotura-energiaren zati bat energia elektromagnetiko eta zinetiko kantitate handi modura askatzen da. Energia nuklear horren zati handi bat azkar bihurtzen da energia termiko.

Plutonioaren 20 isotopo erradioaktibo karakterizatu dira. Bizitza luzekoenak plutonio-244-a, plutonio-242-a eta plutonio-239-a dira, hurrenez hurren 80,8 milioi urteko, 373.300 urteko eta 24.110 urteko bizitza-erdia dutenak. Gainerako isotopo erradioaktibo guztiek 7.000 urtetik beherako bizitza-erdia dute. Plutonioak zortzi egoera metaegonkor ere baditu, baina guztiek dute segundo batetik beherako bizitza-erdia.

Plutonio-238 eta 239 isotopoak sintetizatzen dira gehien. Plutonio-239 isotopoa erreakzio honen bidez sintetizatzen da, uranioa (U) eta neutroiak (n) erabiliz, beta desintegrazioaren bidez (β-) eta neptunioa (Np) bitarteko substantzia gisa erabiliz:

${\displaystyle {\ce {{^{238}_{92}U}+{^{1}_{0}n}->{^{239}_{92}U}->[\beta ^{-}][23.5\ {\ce {min}}]{^{239}_{93}Np}->[\beta ^{-}][2.3565\ {\ce {d}}]{^{239}_{94}Pu}}}}$

Plutonio-238 isotopoa sintetizatzeko, uranio-238-a bonbardatu egiten da deuteronekin (D, hidrogeno-nukleoa), erreakzio hau eragiteko:

${\displaystyle {\begin{aligned}{\ce {{^{238}_{92}U}+{^{2}_{1}D}->}}&{\ce {{^{238}_{93}Np}+2_{0}^{1}n}}\\&{\ce {^{238}_{93}Np->[\beta ^{-}][2.117\ {\ce {d}}]{^{238}_{94}Pu}}}\end{aligned}}}$

Plutonio-238 isotopoak 87,74 urteko bizitza-erdia du eta energia termiko ugari sortzen du. Alfa igorlea denez, energia handiko erradiazioa eta zeharkatzeko gaitasun txikia du, eta beraz, ez du babes handirik behar. Paperezko orri bat erabil daiteke plutonio 238-ak igorritako alfa partikuletatik babesteko. Isotopoaren kilogramo batek 570 watt bero sor ditzake.[4]

Plutonio-239 isotopoa funtsezko osagaia da arma nuklearretan, erraz fisionatzen delako eta lortzeko erraza delako.

Plutonioaren isotopoak eta konposatuak erradioaktiboak dira, eta hezur-muinean metatzen dira. Plutonio oxidoaren ondoriozko kutsadura gertaera erradioaktiboen eta hondamendi nuklearren ondoren gertatu da, baita arma nuklearrak erre diren istripu nuklear militarretan ere.[5]

Plutonioa indargabetzen denean, hiru motatako erradiazioak askatzen dira: alfa, beta eta gamma. Alfa erradiazioak distantzia laburrak baino ezin ditu egin, eta ezin du giza larruazalaren kanpoko geruza hilean zehar bidaiatu. Beta erradiazioak giza larruazala zeharka dezake, baina ezin du gorputza zeharkatu. Gamma erradiazioa, aldiz, gorputz osoan zehar heda daiteke. Hiru erradiazio motak ionizatzaileak dira. Esposizio akutu edo luzeek osasun-arazo larriak dakartzate, besteak beste, irradiazio akutuaren sindromea, kalte genetikoa, minbizia eta heriotza.

Plutonio metalikoak erraz hartzen du sua, batez ere materiala zati finetan banatuta badago. Giro hezean, plutonioak hidruro piroforikoak eratzen ditu azalean, eta su har dezake giro-tenperaturan. Plutonioak % 70ean hedatzen du bolumena oxidatzen denean, eta edukiontzia hautsi dezake.[6] Erretzen ari den materialaren erradioaktibitatea arrisku gehigarria da. Magnesio oxidozko harea da, seguruenik, plutonio-sua itzaltzeko materialik eraginkorrena. Material erregaia hozten du, disipatzaile gisa jokatzen baitu, eta oxigenoa ere blokeatzen du.