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Plutonio-238,  238 Pu
Pellet de plutonio.jpg
Pellet de óxido de plutonio-238 brillando por su autocalentamiento
General
Símbolo238 Pu
Nombresplutonio-238, Pu-238
Protones94
Neutrones144
Datos de nucleidos
Media vida87,7 años [1] [2]
Isótopos parentales242 Cm  ( α )
238 Np  ( β - )
238 Am  ( β + )
Productos de descomposición234 U
Masa de isótopos238.049553 u
Girar0
Modos de decaimiento
Modo de decaimientoEnergía de desintegración ( MeV )
Decaimiento alfa5.593
Isótopos de plutonio
Tabla completa de nucleidos

El plutonio-238 ( 238 Pu) es un isótopo radiactivo del plutonio que tiene una vida media de 87,7 años.

El plutonio-238 es un emisor alfa muy poderoso ; como las partículas alfa se bloquean fácilmente, esto hace que el isótopo de plutonio-238 sea adecuado para su uso en generadores termoeléctricos de radioisótopos (RTG) y unidades calefactoras de radioisótopos . La densidad del plutonio-238 a temperatura ambiente es de aproximadamente 19,8 g / cc. [3] El material generará aproximadamente 0,57 vatios / gramo de 238 Pu. [4]

Historia [ editar ]

Producción inicial [ editar ]

El plutonio-238 fue el primer isótopo de plutonio que se descubrió. Fue sintetizado por Glenn Seaborg y sus asociados en diciembre de 1940 bombardeando uranio-238 con deuterones , creando neptunio-238 . La reacción implica una  desintegración β + de un protón en un neutrón y el escape de otro neutrón. [5]

238
92U
 + 2
1H
 → 238
93Notario público
 + 2
norte
 +
mi+
 +
ν
mi

El isótopo neptunio sufre entonces β -  decaimiento de plutonio-238, con una vida media de 2,12 días:

238
93Notario público
 → 238
94Pu
 +
mi-
 +
ν
mi

El plutonio-238 se desintegra naturalmente en uranio-234 y luego a lo largo de la serie del radio en plomo-206 . Históricamente, la mayor parte del plutonio-238 ha sido producido por Savannah River en su reactor de armas, irradiando con neutrones neptunio-237 (vida media2.144  Ma ). [6]

237
93Notario público
 +
norte
 → 238
93Notario público

El neptunio-237 es un subproducto de la producción de plutonio-239 material apto para armas, y cuando el sitio se cerró en 1988, 238 Pu se mezcló con aproximadamente un 16% de 239 Pu. [7]

Experimentos de radiación humana [ editar ]

Artículo principal: Experimentos de radiación humana
Ciclotrón de 60 pulgadas de Ernest O. Lawrence en el Laboratorio de Radiación Lawrence de la Universidad de California , Berkeley, en agosto de 1939, el acelerador más poderoso del mundo en ese momento. Glenn T. Seaborg y Edwin M. McMillan (derecha) lo utilizaron para descubrir plutonio, neptunio y muchos otros elementos e isótopos transuránicos, por los que recibieron el Premio Nobel de Química de 1951 .

El plutonio fue sintetizado por primera vez en 1940 y aislado en 1941 por químicos de la Universidad de California, Berkeley. [8] [9] El Proyecto Manhattan comenzó poco después del descubrimiento, y la mayoría de las primeras investigaciones (anteriores a 1944) se llevaron a cabo utilizando pequeñas muestras fabricadas con ciclotrones grandes en el Berkeley Rad Lab y la Universidad de Washington en St. Louis . [10]

Gran parte de las dificultades encontradas durante el Proyecto Manhattan tuvieron que ver con la producción y prueba de combustible nuclear. Finalmente se determinó que tanto el uranio como el plutonio eran fisionables , pero en cada caso tuvieron que purificarse para seleccionar los isótopos adecuados para una bomba atómica . Con la Segunda Guerra Mundial en marcha, los equipos de investigación tenían poco tiempo. Si bien las muestras de plutonio estaban disponibles en pequeñas cantidades y eran manipuladas por investigadores, nadie sabía qué efectos en la salud podría tener. [11] Los ciclotrones produjeron microgramos de plutonio en 1942 y 1943. En el otoño de 1943, se cita a Robert Oppenheimer diciendo que "sólo existe una vigésima parte de un miligramo".[10] A petición suya, el Rad Lab de Berkeley puso a disposición 1,2 mg de plutonio a finales de octubre de 1943, la mayor parte del cual se llevó a Los Alamos para realizar trabajos teóricos allí. [10]

El segundo reactor del mundo, el reactor de grafito X-10 construido en un sitio secreto en Oak Ridge , estaría en pleno funcionamiento en 1944. En noviembre de 1943, poco después de su puesta en marcha inicial, fue capaz de producir unos minúsculos 500 mg. Sin embargo, este plutonio se mezcló con grandes cantidades de combustible de uranio y se destinó a la planta piloto de procesamiento químico cercana para la separación isotópica (enriquecimiento). Cantidades de gramo de plutonio no estarían disponibles hasta la primavera de 1944. [12]

La producción de plutonio a escala industrial recién comenzó en marzo de 1945 cuando comenzó a funcionar el reactor B en el sitio de Hanford . Sin embargo, en 1944 se produjeron contratiempos en el manejo del plutonio, lo que provocó alarma en la dirección del Proyecto Manhattan, ya que la contaminación dentro y fuera de los laboratorios se estaba convirtiendo en un problema. [11] En agosto de 1944, un químico llamado Don Mastick fue rociado en la cara con cloruro de plutonio líquido , lo que provocó que ingiriera accidentalmente un poco. [11] Los investigadores de plutonio tomaron muestras de plutonio indicaron que se estaba inhalando plutonio. [11] [13] El químico principal del Proyecto Manhattan, Glenn Seaborg , descubridor de muchos elementos transuránicosincluido el plutonio, instó a que se desarrolle un programa de seguridad para la investigación del plutonio. En un memorando a Robert Stone en el Chicago Met Lab , Seaborg escribió "que se inicie un programa para rastrear el curso del plutonio en el cuerpo tan pronto como sea posible ... [con] la máxima prioridad". [14] Este memorando fue fechado el 5 de enero de 1944, antes de muchos de los eventos de contaminación de 1944 en el Edificio D donde trabajaba Mastick. [10] Seaborg afirmó más tarde que no tenía la intención de implicar la experimentación humana en este memo, ni se enteró de su uso en humanos hasta mucho más tarde debido a la compartimentación de información clasificada . [10]

Con plutonio-239 enriquecido para bombas destinado a la investigación crítica y a la producción de armas atómicas, era difícil de obtener para cualquier otro uso. El plutonio-238 altamente radiactivo no se podía utilizar como combustible para armas atómicas y, en cambio, se utilizó en la experimentación humana más que el Pu-239. Sin embargo, Pu-238 es mucho más peligroso debido a su corta vida media, lo que resulta en emisiones más dañinas. También se descubrió que se excreta en cantidades casi insignificantes, lo que significa que prácticamente todo el plutonio ingerido permanece en el cuerpo. Esto tendría efectos devastadores debido a la escasez de Pu-239 para experimentos médicos.

Desde el 10 de abril de 1945 hasta el 18 de julio de 1947, se inyectó plutonio a dieciocho personas como parte del Proyecto Manhattan. Las dosis administradas variaron de 0,095 a 5,9 microcurios (μCi). [11]

Albert Stevens , en experimentos denominados CAL-1, fue inyectado en 1945 con 3.5 μCi 238 Pu y 0.046 μCi 239 Pu, lo que le dio una carga corporal inicial de 3.546 μCi (131 kBq ) de actividad total [15] sin su consentimiento informado . [11] El hecho de que tenía el Pu-238 altamente radiactivo (producido en el ciclotrón de 60 pulgadas en el Laboratorio Crocker por bombardeo de deuterón de uranio natural) [15]contribuyó en gran medida a su dosis a largo plazo. Si todo el plutonio que se le dio a Stevens hubiera sido el Pu-239 de larga duración utilizado en experimentos similares de la época, la dosis de por vida de Stevens habría sido significativamente menor. La corta vida media de 87,7 años de Pu-238 significa que una gran cantidad se descompuso durante su tiempo dentro de su cuerpo, especialmente en comparación con la vida media de 24.100 años de Pu-239.

Debido a que Stevens sobrevivió durante unos 20 años después de su dosis experimental de plutonio antes de sucumbir a una enfermedad cardíaca, sobrevivió a la dosis de radiación acumulada más alta conocida en cualquier ser humano. [10] Los cálculos modernos de su dosis absorbida de por vida dan un increíble total de 64 Sv (6400 rem). [10]

Armas [ editar ]

La primera aplicación fue su uso en un componente de armas fabricado en Mound para el Laboratorio Lawrence Livermore de la Agencia de Diseño de Armas (LLL). Mound fue elegido para este trabajo debido a su experiencia en la producción del iniciador Urchin alimentado con polonio 210 y su trabajo con varios elementos pesados ​​en un programa Reactor Fuels. Dos científicos de Mound pasaron 1959 en LLL en desarrollo conjunto mientras se construía el Edificio Metalúrgico Especial en Mound para albergar el proyecto. Mientras tanto, la primera muestra de plutonio-238 llegó a Mound en 1959. [16]

El proyecto de armas se planeó para aproximadamente 1 kg / año de 238 Pu durante un período de 3 años. Sin embargo, el componente 238 Pu no se pudo producir según las especificaciones a pesar de un esfuerzo de 2 años que comenzó en Mound a mediados de 1961. Se realizó un esfuerzo máximo con 3 turnos al día, 6 días a la semana, y el aumento de la producción de 238 Pu de Savannah River durante un período de 3 años a aproximadamente 20 kg / año. Una flexibilización de las especificaciones dio como resultado una productividad de alrededor del 3%, y la producción finalmente comenzó en 1964.

Uso en generadores termoeléctricos de radioisótopos [ editar ]

A partir del 1 de enero de 1957, los inventores de RTG de Mound Laboratories Jordan & Birden estaban trabajando en un contrato del Cuerpo de Señales del Ejército (R-65-8-998 11-SC-03-91) para llevar a cabo una investigación sobre materiales radiactivos y termopares adecuados para el uso directo. conversión de calor en energía eléctrica utilizando polonio-210 como fuente de calor.

En 1961, el capitán RT Carpenter había elegido 238 Pu como combustible para el primer RTG (generador termoeléctrico de radioisótopos) que se lanzaría al espacio como energía auxiliar para el satélite de navegación Transit IV Navy. Para el 21 de enero de 1963, aún no se había tomado la decisión sobre qué isótopo se usaría para alimentar los grandes RTG para los programas de la NASA. [17]

A principios de 1964, los científicos de Mound Laboratories desarrollaron un método diferente para fabricar el componente del arma que resultó en una eficiencia de producción de alrededor del 98%. [18] Esto puso a disposición el exceso de producción de Savannah River 238 Pu para el uso de energía eléctrica espacial justo a tiempo para satisfacer las necesidades del SNAP-27 RTG en la Luna, la nave espacial Pioneer, los módulos de aterrizaje Viking Mars , más satélites de navegación Transit Navy ( precursor del GPS actual ) y dos naves espaciales Voyager , para las cuales las 238 fuentes de calor de Pu fueron fabricadas en Mound Laboratories. [19]

Los calentadores de radioisótopos se utilizaron en la exploración espacial comenzando con los calentadores de radioisótopos de Apolo (ALRH) que calentaron el experimento sísmico colocado en la Luna por la misión Apolo 11 y en varios rovers de la Luna y Marte , hasta que los 129 LWRHU calentaron los experimentos en la nave espacial Galileo . [20]

Una adición a la instalación de producción de componentes de armas de construcción metalúrgica especial se completó a fines de 1964 para la fabricación de combustible de fuente de calor de 238 Pu. También se instaló una instalación de producción de combustible temporal en el Edificio de Investigación en 1969 para la fabricación de combustible de tránsito . Con la finalización del proyecto del componente de armas, el Edificio Metalúrgico Especial, apodado "Montaña de la Serpiente" debido a las dificultades encontradas para manejar grandes cantidades de 238 Pu, cesó sus operaciones el 30 de junio de 1968, con 238 operaciones de Pu asumidas por el nuevo Plutonium Processing Edificio, [ ¿dónde? ] especialmente diseñado y construido para manipular grandes cantidades de 238Pu. El plutonio-238 tiene el número de riesgo relativo más alto (152) de los 256 radionucleidos evaluados por Karl Z. Morgan et al. en 1963. [21]

Marcapasos de propulsión nuclear [ editar ]

Marcapasos cardíaco impulsado por radioisótopos desarrollado por la Comisión de Energía Atómica, la batería atómica estimula la acción pulsante de un corazón que funciona mal. Circa 1967.

Cuando el plutonio-238 estuvo disponible para usos no militares, se propusieron y probaron numerosas aplicaciones, incluido el programa de marcapasos cardíaco que comenzó el 1 de junio de 1966, junto con NUMEC. [22] Cuando se reconoció que la fuente de calor no permanecería intacta durante la cremación, el programa se canceló porque no se podía garantizar el 100% de seguridad de que no ocurriría un evento de cremación. [ cita requerida ]

En 2007, había nueve personas vivas con marcapasos de propulsión nuclear, de los 139 receptores originales. [23] Cuando estas personas mueren, se supone que el marcapasos debe retirarse y enviarse a Los Alamos, donde se recuperará el plutonio. [24]

En una carta al New England Journal of Medicine en la que se habla de una mujer que recibió un Numec NU-5 hace décadas que está en funcionamiento continuo, a pesar de un precio original de $ 5,000 equivalente a $ 23,000 en dólares de 2007, los costos de seguimiento han sido de aproximadamente $ 19,000 en comparación. con $ 55,000 por un marcapasos a batería. [23]

Producción [ editar ]

El plutonio apto para reactores procedente de combustible nuclear gastado contiene varios isótopos de plutonio . 238 Pu constituye sólo el uno o el dos por ciento, pero puede ser responsable de gran parte del calor de desintegración a corto plazo debido a su corta vida media en relación con otros isótopos de plutonio. El plutonio de grado reactor no es útil para producir 238 Pu para RTG porque se necesitaría una separación isotópica difícil .

El plutonio-238 puro se prepara mediante irradiación con neutrones de neptunio-237 , [25] uno de los actínidos menores que se pueden recuperar del combustible nuclear gastado durante el reprocesamiento , o mediante la irradiación con neutrones de americio en un reactor. [26] Los objetivos se purifican químicamente, incluida la disolución en ácido nítrico para extraer el plutonio-238. Una muestra de 100 kg de combustible de reactor de agua ligera que ha sido irradiada durante tres años contiene sólo unos 700 gramos de neptunio-237, y el neptunio debe extraerse de forma selectiva. Cantidades significativas de 238 puroPu también podría producirse en un ciclo de combustible de torio . [27]

El inventario de 238 Pu de Estados Unidos es compatible tanto con la NASA (espacio civil) como con otras aplicaciones de seguridad nacional. [28] El Departamento de Energía mantiene cuentas de inventario separadas para las dos categorías. En marzo de 2015, un total de 35 kilogramos (77 libras) de 238 Pu estaban disponibles para usos espaciales civiles. [28] Fuera del inventario, 1 kilogramo (2,2 libras) permanece en condiciones suficientemente buenas para cumplir con las especificaciones de la NASA para la entrega de energía; Este grupo de 238 Pu se utilizará en un generador termoeléctrico de radioisótopos de múltiples misiones (MMRTG) para la misión Mars Rover 2020 y dos MMRTG adicionales para una misión teórica 2024 de la NASA. [28] Después de eso, quedarán 21 kilogramos (46 libras), con aproximadamente 4 kilogramos (8,8 libras) que apenas cumplen con las especificaciones de la NASA. [28] Estos 21 kilogramos (46 lb) pueden ajustarse a las especificaciones de la NASA si se combinan con una cantidad menor de 238 Pu recién producido que tenga una densidad de energía más alta. [28]

La producción estadounidense cesa y se reanuda [ editar ]

Estados Unidos dejó de producir 238 Pu a granel con el cierre de los reactores de Savannah River Site en 1988. [29] [30] [31] Desde 1993, todos los 238 Pu utilizados en naves espaciales estadounidenses se han comprado a Rusia. En total, se han comprado 16,5 kilogramos (36 libras), pero Rusia ya no produce 238 Pu y, según los informes, su propio suministro se está agotando. [32] [33]

En febrero de 2013, el reactor de isótopos de alto flujo de Oak Ridge produjo con éxito una pequeña cantidad de 238 Pu , [34] y el 22 de diciembre de 2015, informaron la producción de 50 gramos (1,8 onzas) de 238 Pu. [35] [36]

En marzo de 2017, Ontario Power Generation (OPG) y su rama de riesgo, Canadian Nuclear Partners, anunciaron planes para producir 238 Pu como segunda fuente para la NASA. Las varillas que contienen neptunio-237 [37] serán fabricadas por el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico (PNNL) en el estado de Washington y enviadas a la Estación de Generación Nuclear Darlington de OPG en Clarington, Ontario , Canadá, donde serán irradiadas con neutrones dentro del núcleo del reactor para producir 238 Pu. [38] [39]

En enero de 2019, se informó que algunos aspectos automatizados de su producción se implementaron en el Laboratorio Nacional Oak Ridge en Tennessee, que se espera tripliquen la cantidad de gránulos de plutonio producidos cada semana. [40] Se espera ahora que la tasa de producción aumente de 80 gránulos por semana a aproximadamente 275 gránulos por semana, para una producción total de aproximadamente 400 gramos por año. [40] El objetivo ahora es optimizar y ampliar los procesos para producir un promedio de 1,5 kg (3,3 libras) por año para 2025. [41] [39]

Aplicaciones [ editar ]

La principal aplicación del 238 Pu es como fuente de calor en generadores termoeléctricos de radioisótopos (RTG). El RTG fue inventado en 1954 por los científicos de Mound Ken Jordan y John Birden, quienes fueron incluidos en el Salón de la Fama de Inventores Nacionales en 2013. [42] Inmediatamente produjeron un prototipo funcional usando una fuente de calor de 210 Po, y el 1 de enero de 1957 , celebró un contrato del Cuerpo de Señales del Ejército (R-65-8-998 11-SC-03-91) para realizar investigaciones sobre materiales radiactivos y termopares adecuados para la conversión directa de calor en energía eléctrica utilizando polonio-210 como fuente de calor. .

La tecnología RTG fue desarrollada por primera vez por el Laboratorio Nacional de Los Alamos durante las décadas de 1960 y 1970 para proporcionar energía generadora termoeléctrica de radioisótopos para marcapasos cardíacos . De los 250 marcapasos de plutonio fabricados por Medtronic , veintidós seguían en servicio más de veinticinco años después, una hazaña que ningún marcapasos de batería podría lograr. [43]

Esta misma tecnología de energía RTG se ha utilizado en naves espaciales como Pioneer 10 y 11 , Voyager 1 y 2 , Cassini-Huygens y New Horizons , y en otros dispositivos, como el Laboratorio Científico de Marte y el Rover Perseverancia de Marte 2020 , a largo plazo. generación de energía nuclear. [44]

Ver también [ editar ]

  • Batería atómica
  • Plutonio-239
  • Polonio-210

Referencias [ editar ]

  1. ^ Reconstrucción del suministro de Pu-238 . Universidad Estatal de Oregon .
  2. ^ EE. UU. Reinicia la producción de plutonio-238 para impulsar misiones espaciales . David Szondy, Nuevo Atlas . 23 de diciembre de 2015.
  3. ^ Calculado a partir del peso atómico y el volumen atómico. La celda unitaria, que contiene 16 átomos, tiene un volumen de 319,96 Å cúbicos, según Siegfried S. Hecker (2000). "Plutonio y sus aleaciones: de los átomos a la microestructura" (PDF) . Ciencia de Los Alamos . 26 : 331.. Esto da una densidad para 238 Pu de (1.66053906660 × 10 −24 g / dalton × 238.0495599 daltons / átomo × 16 átomos / celda unitaria) / (319.96 Å 3 / celda unitaria × 10 −24 cc / Å 3 ) o 19.8 g / cc.
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Enlaces externos [ editar ]

  • Historia del descubrimiento de Pu-238 por Seaborg, especialmente las páginas 34-35.
  • Banco de datos de sustancias peligrosas de la NLM: plutonio, radiactivo


Mechero:
plutonio-237		El plutonio-238 es un
isótopo del plutonio		Más pesado:
plutonio-239
Producto de
desintegración de: curio -242 ( α )
americio -238 ( β + )
neptunio -238 ( β- )
uranio-238 ( β-β- )		Cadena
de desintegración del plutonio-238		Decae a:
uranio-234 (α)