El plutoni és un element químic que s'utilitza com a combustible nuclear en la fabricació d'armes nuclears. Tot i que es poden trobar traces a la natura, tots els isòtops de plutoni són d'origen artificial.
La primera vegada que es van produir quantitats significatives de plutoni va ser durant la Segona Guerra Mundial dins del Projecte Manhattan. El propòsit del projecte era fabricar una quantitat de material suficient per utilitzar l'energia nuclear per desenvolupar una bomba nuclear.
Com és el plutoni?
El plutoni és un metall radioactiu de color platejat-grisenc en el seu estat pur, encara que s'oxida ràpidament al contacte amb l'aire, adquirint tons grocs o marrons. És un element molt dens i pesat, amb una densitat propera als 19.8 g/cm³, semblant a la de l'urani.
A més, presenta una estructura cristal·lina complexa i pot existir en diverses formes al·lotròpiques, cosa que fa que el seu comportament mecànic i tèrmic sigui inusual.
Des del punt de vista químic, el plutoni és altament reactiu, podent formar diversos òxids i hidrurs. Es dissol en àcids forts i pot generar calor a causa de la seva desintegració radioactiva, cosa que el converteix en un material perillós.
El seu isòtop més conegut, el plutoni-239, és utilitzat en armes nuclears i reactors com a combustible, ja que pot patir fissió nuclear amb facilitat. A causa de la seva radioactivitat i toxicitat, el seu maneig requereix mesures de seguretat estrictes.
Com s'obté el plutoni?
El plutoni s'obté principalment com un subproducte de la fissió nuclear als reactors nuclears convencionals.
Durant el funcionament d'un reactor, l'urani-238 absorbeix neutrons i es converteix en urani-239, que alhora es desintegra en neptuni-239 i finalment en plutoni-239, un isòtop fisible clau en la producció d'energia i armament nuclear.
El combustible irradiat procedent dels reactors nuclears està compost principalment per urani (aproximadament un 96%) i una petita fracció de plutoni (menys de l'1%), a més d'altres productes de fissió i elements transurànics. Depenent de l'estratègia de gestió adoptada, aquest combustible gastat pot ser considerat un residu o pot ser reciclat per reutilitzar-lo.
Gestió del combustible gastat
Hi ha dos enfocaments principals per a la gestió del plutoni i altres materials presents al combustible nuclear usat:
-
Cicle obert (emmagatzematge definitiu)
En aquest enfocament, el combustible gastat es considera un residu altament radioactiu i s'emmagatzema en instal·lacions de seguretat a llarg termini, com ara piscines de refredament o dipòsits geològics profunds. No s'intenta recuperar el plutoni ni l'urani presents al material irradiat. -
Cicle tancat (reprocessament i reutilització)
Al cicle tancat, el combustible gastat se sotmet a un procés de reprocessament mecànic-químic, que permet separar el plutoni i l'urani dels productes de fissió i altres elements radioactius. El plutoni recuperat es pot utilitzar per fabricar nou combustible nuclear, com el MOX (barreja d'òxids d'urani i plutoni), optimitzant així l'ús dels recursos nuclears i reduint la quantitat de residus d'alta activitat.
Aquest enfocament permet prolongar la vida útil del combustible nuclear i reduir la necessitat d'extracció de nou urani, encara que planteja desafiaments en termes de costos, seguretat i no proliferació nuclear.
On és a la natura?
El plutoni és un element extremadament rar a la natura a causa de la curta vida mitjana dels seus isòtops en comparació amb l'edat de la Terra. Tot i això, s'han trobat traces en minerals d'urani, com la uraninita, on l'urani-238 pot capturar neutrons i transformar-se en plutoni-239 a través de reaccions nuclears naturals.
Un exemple notable de producció natural de plutoni va passar al reactor d'Oklo, al Gabon, on fa 2.000 milions d'anys es van donar condicions perquè passessin reaccions de fissió espontànies en dipòsits d'urani.
A més, petites quantitats de plutoni poden formar-se per la interacció de raigs còsmics amb elements pesants a l'atmosfera o l'escorça terrestre.
No obstant això, gran part del plutoni detectat en el medi ambient avui dia prové de proves nuclears realitzades al segle XX, que van alliberar isòtops com el plutoni-239 i plutoni-240 a la biosfera.
Actualment, el plutoni s'obté principalment de reactors nuclears, ja que la seva presència a la natura és insignificant.
L'àtom de plutoni a la taula periòdica
El plutoni (amb símbol Pu) és l'element 93 de la taula periòdica, és a dir, el nombre atòmic és el 94.
És un element químic que pertany a la sèrie dels elements actínids. El plutoni té 16 isòtops, tots ells radioactius. Físicament, el plutoni és un metall platejat i presenta 5 estructures cristal·lines diferents.
Químicament és un material molt actiu que pot formar compostos amb tots els elements no metàl·lics, excepte els gasos nobles. El metall es dissol en àcids i reacciona amb aigua, encara que moderadament en comparació dels àcids.
|
Massa atòmica |
244 polzades |
|
Estat ordinari |
Sòlid |
|
Densitat |
19816 kg/m3 |
|
Punt de fusió |
912,5 K (639 °C) |
|
Punt d'ebullició |
3505 K (3232 °C) |
Plutoni-239 i altres isòtops
El plutoni-239 és un isòtop fisible del plutoni que està compost per 145 protons i 54 neutrons. És l'isòtop que s'utilitza principalment per a la fabricació d'armes nuclears però també s'utilitza com a combustible nuclear als reactors de potència i en projectes de recerca.
Un altre isòtop important és el plutoni-238 que s'utilitza en fonts de calor per a aplicacions espacials, generadors de calor termoelèctrics i s'ha emprat en marcapassos cardíacs.
Usos i aplicacions del plutoni
Els principals usos del plutoni són els següents:
-
Combustible nuclear per a les centrals nuclears de potència.
-
Generadors termoelèctrics de radiosòtops . Un generador termoelèctric és un dispositiu que converteix la calor en electricitat. Aquesta tecnologia a gran escala no és pràctica però és útil en determinades aplicacions com per exemple, en marcapassos artificials, sondes espacials i vehicles espacials. En aquesta aplicació es fa servir el plutoni-238 perquè la radiació que emet no representa una amenaça per a la salut de les persones.
-
Fabricació de bombes atòmiques. L'isòtop utilitzat per a aquest propòsit és el plutoni-239. S'utilitza perquè patirà fissió nuclear. Molt pocs isòtops patiran fissió nuclear.
Gestió del plutoni recuperat als reactors nuclears
A mesura que es va generat plutoni a l'interior del combustible dels reactors nuclears, també es fisiona, col·laborant amb l'urani en la producció d'energia.
Al combustible gastat queden entre 7 i 8 quilograms per tona de plutoni sense cremar. Aquest plutoni, recuperat en el reprocés, es pot utilitzar per substituir l'urani-235 al combustible nuclear, fabricant pastilles d'òxid d'urani i òxid de plutoni barrejats (combustible MOX).
El combustible MOX pot substituir el combustible d'urani enriquit als reactors nuclears d'aigua lleugera.
Efectes del plutoni sobre la salut
El plutoni és un element químic tòxic i radioactiu. El principal tipus de radiació que emet és la radiació alfa que no pot travessar la pell.
La perillositat del plutoni ve donada per la seva radiotoxicitat. Les partícules alfa ingerides o inhalades poden ser la causa de càncer de pulmó o altres tipus de càncer. En grans quantitats, poden ser la causa d'un enverinament agut per radiació o fins i tot provocar la mort.
Quan el plutoni ha entrat al cos roman durant molt de temps.
La provabilitat que les persones estiguin exposades al plutoni és molt baixa. Si això passa, normalment és degut a la seva manipulació.