Oplutónio(português europeu) ouplutônio(português brasileiro) (em homenagem ao corpo celestePlutão) é umelemento químico representado pelo símboloPu e denúmero atômico igual a 94 (94protões e 94electrões). À temperatura ambiente, oplutônio encontra-se noestado sólido. Pertencente a família dosactinídeos, é ummetalradioativo, frágil, muito denso e de cor prateada-branca, que embaça em contato com oar, formando um revestimento amorfo quando oxidado. Tem o maiornúmero atômico dentre os elementos primordiais, é encontrado em poucas quantidades junto a minérios de urânio, sendo formado naturalmente por capturas neutrônicas de átomos de urânio. O mais estávelisótopo do plutônio é oplutônio-244, com umameia-vida de cerca de 80 milhões de anos, grande o suficiente para que se encontre traços dele na natureza.[1] Plutônio é principalmente um produto dereações nucleares em reatores onde alguns nêutrons liberados emfissões nucleares são capturados por átomos deUrânio-238, que após uma série de decaimentos, finalmente torna-sePu.[2] O elemento normalmente exibe seisalótropos e quatroestados de oxidação. Ele reage comcarbono,halogênios,nitrogênio,silício ehidrogênio. Quando exposto ao ar úmido, formaóxidos ehidretos que expandem a amostra em até 70% do volume, podendo entrar em ignição espontaneamente como um pó. Como toda substância radioativa, o manuseio do plutônio é uma atividade perigosa.
Ele difere muito em suas características físico-químicas com os elementos do resto do grupo. Possui sete diferentes formas alotrópicas com base na temperatura e pressão aplicadas:α, β, γ, δ, δ', ε e ζ. Levando a níveis deoxidação de +2 a +7. A densidade varia de entre as formas alotrópicas de 19,8 g/cm³ (α-Pu) a 15,9 g / cm³ (δ-Pu).
Ambos oplutônio-239 eplutônio-241 são físseis, significando que eles podem sustentar uma reação em cadeia, levando a aplicações emarmas nucleares ereatores nucleares.Plutônio-240 exibe uma grande taxa defissão espontânea, elevando ofluxo de nêutrons de qualquer amostra que o contém. A presença de plutônio-240 limita usabilidade de uma amostra de plutônio em armas ou a sua qualidade em como um combustível em um reator, e a percentagem de Pu-240 determina o seu grau (grau para armas, combustível ou reator).
Plutônio-238 tem uma meia vida de 88 anos e é um emissor departículas alfa. Ele é uma fonte de calor emgeradores termoelétricos de radioisótopos, que são usados como fonte de energia para algumas sondas. Isótopos de plutônio são caros e inconveniente de se separar, sendo manufaturados em reatores especializados.
Uma equipe liderada porGlenn T. Seaborg eEdwin McMillan naUniversidade da Califórnia, Berkeley, sintetizou plutônio pela primeira vez em 1940 bombardeandourânio-238 comdeutério. Traços de Pu na natureza foram descobertos subsequentemente. Produzindo plutônio em quantidades utilizáveis pela primeira vez foi a maior parte doProjeto Manhattan durante aSegunda Guerra Mundial, que desenvolveu armas nucleares pela primeira vez. O primeiro teste nuclear, aExperiência Trinity (julho de 1945) e a segunda bomba nuclear a ser usada contra humanos, na cidade deNagasaki, em agosto de 1945,Fat Man, eram ambas bombas que tinham um núcleo de plutônio-239.Experimentos de radiação com humanos utilizando plutônio foram conduzidos sem o consentimento informado, e vários acidentes de criticidade, alguns letais, ocorreram durante e depois da guerra. A disposição de resíduos de Pu de usinas nucleares e armas nucleares desmanteladas construídas durante aGuerra Fria são uma preocupação ambiental e a respeito daproliferação nuclear. Outras fontes de Pu no ambiente são o fallout nuclear de numerosos testes nucleares acima do solo (agora banidos portratado).
Glenn T. Seaborg e sua equipe foram os primeiros a sintetizar plutônio.
Enrico Fermi e uma equipe de cientistas daUniversidade de Roma informaram que eles haviam descoberto o elemento 94 em 1934. Fermi chamou o elemento de hesperium e mencionou o nome em sua palestra em 1938. A amostra foi na verdade uma mistura debário,criptônio e outros elementos, mas isso não era conhecido na época, porque afissão nuclear ainda não havia sido descoberta.
Glenn T. Seaborg e sua equipe, em Berkeley, foram os primeiros a produzir plutónio.
Plutónio (especificamente, plutônio-238) foi produzido pela primeira vez e isolado em 14 de dezembro de 1940, e quimicamente identificado em23 de fevereiro de1941 porGlenn T. Seaborg,Edwin McMillan,Joseph William Kennedy, eArthur Wahl. O elemento era originalmente produzido pelo bombardeio de urânio por deutério em umciclotron de 150 centímetros naUniversidade da Califórnia,Berkeley.No experimento de 1940, Neptúnio-238 foi criado diretamente pelo bombardeio, mas deteriorado poremissão beta, dois dias depois, o que indicou a formação do elemento 94.
Um trabalho documentando a descoberta foi preparado pela equipe e enviado à revistaPhysical Review em março de 1941. O artigo foi retirado antes de sua publicação, após a descoberta de que um isótopo desse novo elemento (plutônio-239) poderia sofrer fissão nuclear de maneira que possa ser utilizado na fabricação de umabomba atômica. A publicação foi atrasada até um ano após o final daSegunda Guerra Mundial, devido a preocupações de segurança.
Edwin McMillan havia recentemente aplicado ao primeiroelemento transurânico o nome em homenagem ao planetaNetuno, e sugeriu que o elemento 94, sendo o elemento seguinte na série, deveria ser nomeado para o que era, até então, considerado o próximo planeta,Plutão. Seaborg originalmente considerou o nome "plutium", mas depois pensou que não tinha som tão bom quanto "plutónio." Ele escolheu as letras "Pu" como uma piada, que passou sem aviso prévio para atabela periódica. Outros nomes alternativos considerados por Seaborg e outros foram "ultimium" ou "extremium" devido à crença errônea de que tinham encontrado o último possível elemento na tabela periódica.
Após alguns meses de estudo inicial, concluiu-se que as propriedades químicas do plutónio eram semelhantes à dourânio. As pesquisas iniciais foram mantidas em segredo no Laboratório Metalúrgico daUniversidade de Chicago. Em18 de agosto de1942, uma quantidade deste elemento foi isolado e medida pela primeira vez. Cerca de 50 microgramas de plutónio-239 combinado com produtos da fissão do urânio foram produzidos e apenas cerca de 1 micrograma foi isolado. Esta amostra permitiu aos químicos que determinassem o peso do novo elemento químico.
Em1942 os E.U.A havia acumulado 500 gramas de sais de plutónio, e formou grupos de cientistas para realizar análises mais profundas no elemento, além de vários outros menores, três deles eram os mais importantes:
Grupo para fornecer plutónio puro por métodos químicos (Los Alamos: J. W. Kennedy, C. S. Soares, A. C. Wahl, C. S. Garner, I. B. Johns);
Grupo para estudo do comportamento de plutónio em soluções, incluindo um estudo de seus estados de oxidação, potenciais de ionização e da cinética de reação (Berkeley: W. M. Latimer, E. D. Eastman, R. E. Connik, J. W. Gofman, etc.);
Grupo para estudo da química dos complexos de íons de plutónio (Iowa: F. H. Spedding, W. H. Sullivan, F. A. Voigt, como Newton).
Em novembro de 1943, trifluoreto de plutónio foireduzido para criar a primeira amostra de plutónio metálico, resultando em alguns microgramas de deste composto. Foi o primeiro elemento transurânico sintetizado artificialmente com uma amostra pura visível a olho nu.As propriedades nucleares de plutónio-239 também foram estudadas, os pesquisadores descobriram que quando ele é atingido por um nêutron ele pode sofrer um processo de fissão nuclear, liberando mais nêutrons e energia. Esses nêutrons podem atingir outros átomos de plutónio-239 e assim por diante, e formar uma reação em cadeia. Isso pode resultar em uma explosão grande o suficiente para destruir uma cidade, se o isótopo estiver concentrado o suficiente para formar umamassa crítica.
Na antigaURSS as primeiras experiências para criar Pu-239 ocorreram entre1934 e1944, sob a liderança deIgor Kurchatov e B. Khlopin. Em pouco tempo, a União Soviética realizou amplos estudos sobre as propriedades de plutónio. No início de 1945, o primeiro cíclotron da Europa foi construído em 1937 no Instituto Radium, a primeira amostra de plutónio foi obtida ao irradiar urânio no cíclotron. Na cidade de Ozersk em 1945 foi iniciada a construção do primeiro reator nuclear comercial para produzir plutónio, a planta nuclear Mayak, finalizada em 19 junho de 1948.
A origem doProjeto Manhattan é frequentemente associada àcarta deAlbert Einstein aFranklin Roosevelt, então presidente dos E.U.A. A carta dizia da preocupação de Einstein de que aAlemanha Nazista pudesse vir a desenvolver armas nucleares. O projeto de programa nuclear, dos quais formados no Projeto Manhattan, foi aprovado e estabelecido por decreto presidencial.[3] Sua atividade do Projeto Manhattan começou a 12 de agosto de 1942. Seus três objetivos principais eram:
O primeiro reator que tornou possível a obtenção de Pu foi oChicago-Pile-1, comissionado em2 de dezembro de1942. Ele consistia de 6 toneladas de urânio metálico, 34 toneladas de óxido de urânio e 400 toneladas degrafite em blocos.[5] As únicas coisas que poderiam parar a reação nuclear em cadeia eram as barras de cádmio, que possuíam uma grande capacidade de captura dos nêutrons térmicos necessários para a manutenção da reação em cadeia. Devido à ausência de proteção contra as radiações e resfriamento, a suapotência de operação era limitada em 200Watts, porém, graças ao Chicago-Pile-1, foi possível produzir plutónio em uma quantidade maior do que os ciclotrons. Meses depois, o reator experimental X-10 continuou o trabalho iniciado pelo Chicago-Pile-1 na produção de Pu para o projeto, porém se descobriu que a porcentagem doisótopo Pu-240 no plutónio produzido por esses reatores era grande, sendo necessária sua separação do Pu-239 através de um enriquecimento para que não ocorresse a detonação acidental de armas nucleares.
A forma de detonação de armas nucleares de plutónio (por implosão) era de baixa confiabilidade, por isso testes anteriores eram necessários para comprovar o seu funcionamento. Sendo assim foi criado um artefato pouco antes do uso destas armas em guerra. A Trinity detonou em 16 de Julho de1945, com um poder explosivo equivalente a 20 quilotons de TNT.
Tendo certeza do sucesso destas armas, foi logo feito uma bomba para ser usada em guerra, oFat Man, esta bomba tinha três alvos, o primário eraKokura, o secundárioNagasaki, Kokura estava encoberta por nuvens, e portanto era quase certo de que a bomba erraria o alvo. Então osB-29 Superfortress rumaram para Nagasaki, que apesar de também estar sob nuvens e ventos, dissipou-se logo, então foi ordenado que a cidade deveria ser atacada. A bomba foi lançada, mas se deslocou durante a queda, caindo em um vale ao lado e parte da explosão foi contida, mesmo assim a bomba dizimou a cidade.
Quantidades pequenas, traços, de ao menos três isótopos de plutônio (Pu 238, 239 e 244) podem ser encontrados na natureza. Pequenas quantidades de Pu-239, em algumas partes por milhão, e seus produtos de decaimento são naturalmente encontrados em minérios concentrados de urânio.[6] assim como noreator nuclear natural de fissão emOklo,Gabão.[7] A razão de Pu-239 para o urânio no depósito de urânioCigar Lake Mine varia de 2,6988400000000000000♠4×10−12 para6989440000000000000♠44×10−12.[8] Mesmo pequenas quantidades de nuclídeos primordiais de Plutônio-244 ocorrem naturalmente devido a sua relativa meia-vida longa de cerca de 80 milhões de anos.[9] Esses traços de239Pu originam de três formas diferentes: em raras ocasiões,238U sofre fissão espontânea, e no processo, o núcleo emite 2 ou 3 nêutrons livres com algumas energia cinética. Quando um desses nêutrons atinge o núcleo de outro átomo de238U, ele é absorvido pelo átomo, que torna-se239U. Com uma relativa meia-vida curta,239U decai paranetúnio-239 (239Np), e então em239Np decai em239Pu.
Devido a relativa longa meia-vida do plutônio-240, ele ocorre na cadeia de decaimento do plutônio-244, ele também deve estar presente, embora em 10 000 vezes mais raro. Finalmente, pequenas amostras de Pu-238 foram achadas em amostras de urânio natural, devido ao raro decaimento beta do U-238 em Pu-238.[10]
Pequenos traços de plutônio são usualmente encontrados no corpo humano devido aos mais de 550 testes nucleares atmosféricos e aquáticos que foram feitos, e um número pequeno de acidentes nucleares com reatores civis. A maioria dos testes nucleares aquáticos e atmosféricos foram parados pelo Tratado de banimento parcial dos testes, em 1963, que foi ratificado pelosEstados Unidos,Reino Unido,União Soviética, e outras nações. Testes nucleares atmosféricos ocorreram depois de 1963 por nações que não assinaram o tratado, incluindo aquelas daRepública Popular da China (teste combomba atômica sobre oDeserto de Gobi em 1964,teste combomba de hidrogênio em 1967, e testes seguintes) eFrança (testes tão recentes como da década de 1990). Devido à fabricação deliberada para armas nucleares e reatores nucleares, plutônio-239 é o isótopo mais abundante do plutônio até agora.[11] Também a hipotético a possibilidade de quantidades realmente muito pequenas de plutônio produzido pelo bombardeamento de minério de urânio porraios cósmicos.
Até 2002, 1 200 toneladas de plutônio[12] tinham sido produzidas em reatores nucleares, e peloreprocessamento nuclear. Durante a produção e teste de armas nucleares, uma certa quantidade de plutônio foi liberada no ambiente, uma estimativa de 12,7 toneladas somente para o programa nuclear dos E.U.A. sozinho.[13] Em adição, durante a produção do plutônio em reatores nucleares civis, o plutônio foi liberado por acidentes de design e escapou para a biosfera, e tem sido encontrado em camadas sedimentares e em espécies aquáticas.
De forma artificial, oplutônio-239 é produzido em reatores nucleares por sucessivos decaimentos beta pelo U-239 e Np-239 expressos por essa equação:
O Pu-238, utilizado em geradores termoelétricos de radioisótopos, foi o primeiro a ser sintetizado, ele é criado quando o U-238 é bombardeado por umdeuterio produzindonetunio (intermediário) e depoisPu-238.
Os demais isótopos são produzidos quando o Pu-239 captura umnêutron mas não sofrefissão nuclear
Plutônio, como a maioria dos metais, tem um brilho prateado ao início, sendo muito semelhante aoníquel, mas quando ele seoxida muito rápido, assumindo um revestimento cinza, embora amarelo e verde oliva já tenham sido também reportados.[14][15] A temperatura ambiente o plutônio está em suaforma α (alfa). Essa, é a mais comum forma estrutural do elemento (alótropo), e é duro e quebradiço assim como oferro fundido, a não ser que seja ligado a outros metais para torná-lo mais macio e dúctil. Diferente dos outros metais, ele não é um bom condutor decalor oueletricidade. Ele tem um baixoponto de fusão (640 °C) e um não usual altoponto de ebulição (3 228 °C).[14]
Decaimento alfa, que libera núcleos dehélio de alta energia cinética, é a mais comum forma dedecaimento radioativo para o plutônio.[16] Uma massa de 5 kg de239Pu contêm cerca de 12,5 X 1024 átomos. Com uma meia vida de 24 100 anos, cerca de 11,5 X 1012 de seus átomos decaem a cada segundo, emitindo uma partícula alfa de 5 157MeV deenergia. Isso gera cerca de 9,68 watts de energia. Calor produzido pela desaceleração daquelas partículas alfas, tornando-o morno ao toque.[17][18]
Resistividade é a medida do quão forte um material se opõe ao fluxo decorrente elétrica. A resistividade do plutônio a temperatura ambiente é muito grande para um metal, e torna-se ainda maior a temperaturas menores, o que é uma característica não usual nos metais.[19] e tende a continuar a cair até 100 K, abaixo disso a resistividade rapidamente diminui para as amostras. A resistividade então começa a aumentar com o tempo perto de 20 , devido ao dano da radiação, que com o ritmo ditado pela composição isotrópica da composição da amostra.[19]
Devido a auto-irradiação, uma amostra de Pu fatiga-se através ada sua estrutura cristalina, significando que o arranjo dos seus átomos torna-se desordenado pela radiação com o tempo.[20] Auto-irradiação também pode levar aorecozimento que neutraliza os efeitos da fatiga, causados pela radiação, de acordo com o aumento da temperatura acima de 100 K.[21]
Também diferente dos outros metais, o plutônio aumenta a sua densidade quando derretido, em cerca de 2,5% para ser mais preciso. Mas o metal líquido exibe uma diminuição linear da densidade com a temperatura.[19] Perto do ponto de fusão, o plutônio líquido tem também uma alta viscosidade etensão superficial quando comprado a outros metais.[20]
Plutônio tem seis alótropos àCNTP:alfa (α),beta (β),gama (γ),delta (δ),delta prime (δ'), &epsilon (ε)[22]
Plutônio normalmente tem seisalótropos e forma uma sétima (zeta, ζ) a alta temperatura com uma faixa de pressão limitada.[22] Esses alótropos, que são diferentes modificações estruturais ou formas de um elemento, temenergias internas muito similares, entretanto variando significativamente dedensidade e estrutura de cristal. Isso faz do plutônio sensitivo a mudanças de temperatura, pressão, ou química, e permite mudanças de volume dramáticas durante a transição de uma fase alotrópica à outra.[20] As densidades dos alótropos variam de 16,00 g/cm3 para 19,86 g/cm3.[23]
A presença desses vários alótropos fazem da usinagem do plutônio muito difícil, uma vez que ele muda muito de um estado a outro. Por exemplo, a forma α existe em CNTP no plutônio não ligado. Tendo características de usinagem semelhantes as doferro fundido mas muda para a forma plástica e maleável β (beta) com uma pequena mudança de temperatura.[24] As razões para o complicado diagrama de fase ainda não são inteiramente compreendidas. A forma α tem uma estrutura de cristal monoclínico de baixa simetria, por isso a sua fragilidade, força, compressibilidade e pobre condutividade térmica.[22]
Plutônio na forma δ normalmente existe entre 310 °C à 452 °C mas é estável à temperatura ambiente quando ligado a pequenas porcentagens degálio,alumínio, oucério, melhorando o seu manuseio e permitindo-o a suasoldagem.[24] A forma Delta tem uma característica mais metálica, e é rudemente mais forte e maleável que o alumínio.[22] Em armas de fissão, asondas de choque usadas para comprimir um núcleo de plutônio causarão também uma transição da fase Delta usual para a densa fase Alfa, significativamente ajudando-o a atingir asuper criticidade.[25] A fase ε, o alótropo sólido com a maior temperatura, exibe anormalmente uma alta autodifusão atômica comparado com os outros metais.[20]
Um anel de plutônio com 99,96% de pureza eletrorefinado, suficiente para ser utilizado em um núcleo de arma nuclear. O anel pesa 5.3 kg, diâmetro de 11 cm e o seu formato ajuda com a segurança de criticidade.
Plutônio-239 puro, pode ter umfator de multiplicação (keff) maior que um, o que significa que se o metal está presente em quantidades suficientes e com uma geometria apropriada (exemplo: uma esfera de tamanho suficiente), ele pode formar umamassa crítica.[28] Durante a fissão, uma fração da energia de ligação, que segura o núcleo unido, é liberada como uma grande quantidade de energia eletromagnética e cinética (das quais, uma grande parte é posteriormente convertida em energia térmica). A fissão de um quilograma de plutônio-239 pode produzir uma explosão equivalente a 21 quilotons (21 000 toneladas de TNT).[17] Essa é a energia que faz do Pu-239 utilizável em armas nucleares e reatores nucleares.
A presença do isótopoPlutônio 240 em uma amostra limita o seu potencial como arma nuclear, como o Pu-240 tem uma relativa alta taxa defissão espontânea (~440 fissões por segundo por grama, mais de 1 000 nêutron por segundo por grama),[29] aumentando o nível de nêutrons e portanto, aumentando o risco de pré-detonação ou fiasco.[30] Plutônio classificado quando a sua potencialidade de usos em reatores ou armas nucleares, baseado na porcentagem de plutônio-240 que ela contém. Para ser utilizável em armas nucleares o Pu deve conter menos de 7% de Pu-240. grau combustível contém de 7% a 19% de Pu-240, e grau para uso em reator contém 19% ou mais de plutônio-240.Plutônio-239 supergrade com menos de 4% de Pu-240, é utilizado em armas nucleares daMarinha dos Estados Unidos, devido à proximidade com as tripulações de navios e submarinos, devido a sua radiatividade.[31] O isótopoplutônio-238 não éfíssil, entretanto éfissionável, o que significa que ele pode sofrer fissão nuclear quando bombardeado comnêutrons rápidos, no entanto os nêutron liberados pela sua fissão são lentos e não podem fazer outros átomos sofrerem fissão, assim sendo, ele é incapaz de sustentar umareação em cadeia, um exemplo de outro isótopo com essa capacidade é umisóbaro do Pu-238, ourânio-238.[17]
Vários estados de oxidação do plutônio em amostras.
À temperatura ambiente, plutônio puro é prateado em cor, mas torna-se embaçado quando oxidado.[32] O elemento demonstra quatroestados de oxidação comuns emsolução aquosa e uma rara:[23]
A cor mostrada pelo plutônio em soluções depende do estado de oxidação e da natureza doânion ácido.[33] É o ânion ácido que influencia no grau de complexação, como átomos se conectam ao átomo central da espécie do plutônio.
A piroforicidade do plutônio pode fazê-lo parecer uma brasa crescente sobre certas condições.Vinte microgramas de hidróxido de plutônio puro.[36]
Plutônio é um metal reativo. No ar úmido ou noargônio úmido, o metal oxida-se rapidamente, produzindo uma mistura de óxidos e hidretos.[14] Se o metal é exposto o suficiente para uma quantidade limitada de vapor de água, uma poeirenta superfície dePuO2 é formada. Também formahidreto de plutônio mas um excesso de vapor de água apenas forma PuO2.[35]
Plutônio mostra enormes, e reversíveis, taxas de reação com hidrogênio puro, formandohidreto de plutônio.[20] Ele também reage prontamente com oxigênio, formando PuO e PuO2 também como óxidos intermediários. óxido de Pu preenche 40% mais volume que o plutônio metálico. O metal reage com oshalogênios, dando lugar à componentes químicos com fórmula geral PuX3 onde X pode serF,Cl, Br ou I ePuF4 também são vistos. Os seguintes componentes são observados: PuOCl, PuOBr e PuOI. Ele reagirá com carbono para formar PuC, nitrogênio para formar Pu N esilício para PuSi2.[11][23]
Pós de plutônio, seus hidretos e cetos óxidos como o Pu2O3 são pirofóricos, o que significa que eles podem espontaneamente entrar em ignição à temperatura ambiente e são portanto manuseadas em uma atmosfera inerte, seca e feita de nitrogênio ou argônio. Massas de plutônio somente entrar em ignição quando são aquecidas a mais de 400 °C. Pu2O3 espontaneamente aquece-se e transforma-se em PuO2,, que é estável no ar seco, mas reage com vapor d´água quando aquecido.[37]
Cadinhos usados para conter plutônio precisam ser capazes de resistir ao suas poderosas propriedades redutivas. Metais refratários comotântalo etungstênio juntamente com óxidos mais estáveis,boretos,carbonetos,nitretos e silicietos podem tolera-lo. Derreter em um forno elétrico à arco, podem ser usados para produzir pequenos lingotes de metal sem a necessidade de um cadinho.[24]
Cério é utilizado como um simulador químico do plutônio para o desenvolvimento da contenção, extração e outras tecnologias.[38]
Plutônio é um elemento no qual os seuselétrons 5f estão na fronteira de transição entre localizados edeslocalizados. Portanto ele é considerado um dos elementos mais complexos.[39] O comportamento anômalo do plutônio é causado por sua estrutura eletrônica. A diferença de energia entre ossubníveis 6d e 5f é muito pequena. O tamanho da 5f é o suficiente para permitir a formação de ligações dentro da rede. A proximidade dosníveis de energia leva a multiplicação de configurações de elétrons de baixa energia com níveis de energia parecidos. Isso leva a competição pelas configurações 5fn7s2 ae 5fn−16d17s2, que causa a complexidade do seu comportamento químico. A natureza direcional das orbitais 5f é responsável pela direção dasligações covalentes em moléculas ecomplexos de plutônio.[20]
Plutônio permite ser produzidos ao adicionar um metal par. a fundir o plutônio. Se o metal permitido é suficientemente redutivo, plutônio pode ser adicionado na forma de óxidos ou haletos. A fase δ na forma das ligas plutônio-gálio e plutônio-alumínios são produzidas ao adicionarplutônio(III) fluoreto para fundir o gálio ou alumínio, que tem a vantagem de evitar lidar-nos diretamente com o plutônio metálico altamente reativo.[40]
Liga Plutônio-Alumínio é uma alternativa a liga Pu-Ga. Ela foi o elemento original considerado para a estabilização da fase delta, mas ela a sua tendência em reagir com as partículas alfa e liberar nêutrons reduz a sua usabilidade como fosso em armas nucleares. Plutônio-Alumínio também pode ser um componente docombustível nuclear;[42]
Liga Plutônio-Gálio-Cobalto (PuCoGa5) é umsupercondutor não convencional, mostrando supercondutividade abaixo de 18,5kelvin, uma ordem de magnitude maior que a maior entre os sistema de férmion pesado, e tem uma grande corrente crítica;[39][43]
Liga Plutônio-cério ePlutônio-cério-cobalto são usadas como combustíveis nucleares;[45]
Plutônio-Urânio, como cerca de 15–30 mol.% de plutônio, ele pode ser usado como combustível nuclear para reatores de reprodução rápida. A sua natureza pirofórica e alta susceptibilidade à corrosão ao ponto de pegar fogo sozinha ou desintegrar-se após exposição ao ar requere a ligação com outros componentes. Adição de alumínio, carbono ou cobre não melhoram muito o índice de desintegração, zircônio e ferro quando adicionados têm melhor resistência à corrosão, mas eles se desintegram no ar também. A adição de titânio e/ou zircônio, aumenta significativamente o ponto de fusão da liga;[46]
Liga plutônio-urânio-titânio ePlutônio-urânio-zircônio foram investigados para o uso como combustíveis nucleares. A adição do terceiro elemento aumenta a resistência a corrosão, reduz a inflamabilidade, e melhora a ductibilidade, fabricabilidade, resistência, e expansão térmica;
Plutônio-urânio-molibdênio tem a melhor resistência à corrosão, formando uma película de óxidos protetiva, mas o titânio e zircônio são preferidos por razões físicas;[46]
Liga de tório-urânio-plutônio foi investigada como combustível nuclear para reatores de rápida reprodução.[46]
Existem mais de 20 isótopos de plutônio sintetizados e catalogados até hoje. Todos eles são radioativos (radioisótopos) e possuem meias-vidas que variam bastante. Os isótopos com as maiores meias-vidas são o Pu-244,Pu-242 ePu-239, respectivamente, com os demais apresentando meias-vidas inferiores a 7 000 anos. Os isótopos de plutônio variam emnúmero de massa entre 228 e 247. Os modos de decaimento primários dos isótopos com número de massa inferior ao do isótopo mais estável, plutônio 244, sãofissão espontânea eemissão alfa, formando principalmente isótopos de urânio (92prótons) enetúnio (93 prótons) como produtos de decaimento (negligenciando a vasta gama de núcleos filhos criados pelo processo de fissão). Já para aqueles que possuem massa superior ao do Pu244 éemissão beta, formando principalmente isótopos deamerício (95 prótons) como produto. Plutônio-241 é oisótopo pai da série dedecaimento do netúnio, decaindo para amerício-241 poremissão beta oucaptura eletrônica.[16][47]
Ciclo nuclear do urânio e do plutônio que possibilita a criação de isótopos mais pesados.
Pu-238 é largamente usado emgerador termoelétrico de radioisótopos de sondas espaciais esubmarinos nucleares sendo que esteve nos RTGs das sondasVoyager 1,Voyager 2,Cassini eNew Horizons, por causa de sua baixa radioatividade e por emitir apenas partículas alfa que são as menos perigosas formas de radiação ao contrário do Pu-239 que além de físsil é emissor de outras formas de radiação.
Pu-239 é usado como material físsil em armas nucleares produzindo 20quilotons de TNT por quilo, essas armas têm que ter uma taxa acima de 93% de Pu-239 e menos de 7% de Pu-240 pelo fato desse ter 450 000 fissões por segundo em um quilo, produzindo U-238, impróprio para essas armas.[carece de fontes?]
Em reatores nucleares, sonda espaciais e submarinos movidos a energia nuclear ele é utilizado. Foi importante no final daSegunda Guerra Mundial quando foi utilizado como o material físsil dabomba atômica estadunidenseFat Man, sendo que ainda é o elemento predileto para se fazerfossos para os primários de bombas de hidrogênio pela sua densidade e potência elevada.
W80 a principal ogiva que utiliza o Pu-239 Supergrade.
O Pu-239 supergrade é um composto de uma excepcional porcentagem de Pu-239 (+95%) e pouco dePu-240 (-5%), este composto tem pouca radioatividade, e é utilizado na maioria das ogivas nucleares operadas pelaMarinha dos Estados Unidos em comparação ao plutônio enriquecido utilizado pelas ogivas daForça Aérea dos Estados Unidos, a principal e mais difundida ogiva que usa o supergrade é aW80. Ele é produzido a partir de barras de plutónio em reatores que foram irradiadas fazendo o Pu-240 que é um contaminante do Pu-239, ficar em extremidades das barras tirando grande parte desse contaminante, porém sua produção é mais cara que a produção do Plutônio enriquecido normal.
Pu-240 formado pela captura neutrônica de Pu-239, o Pu-239 sofre fissão em 62-73% das capturas o resto forma átomos de Pu-240. Pu-240 não é físsil, sua taxa de fissão é baixa e quase sempre formaPu-241. Ele tem a peculiaridade de apresentar uma grande porcentagem de fissão espontânea, e por estar quase sempre junto ao Pu-239 é considerado um contaminante em armas nucleares, a taxa de Pu-240 em armas nucleares deve ser inferior a 7% para que a fissão espontânea dele não inicia uma fissão em cadeia que acabará com a detonação prematura da arma, a separação do Pu-240 do Pu-239 requer mais de 90 dias de reprocessamento contínuo.[48]
Pu-241 é produzido quando um átomo dePu-240 absorve umnêutron, também pode ser usado em armas nucleares pois é físsil uma vez que em 73% de suas capturas neutrônicas acabam em fissões nucleares, nas outras 27% das capturas ele acaba formando um átomo de Pu-242. Porém devida a sua curta meia-vida de 14,4 anos (o que diminuiria em muito a vida operacional da arma) e sua maior dificuldade em ser produzido, nunca foi empregado em larga escala para armas nucleares. Decorrido os 14,4anos ele se transforma num átomo de amerício-241 através dedecaimento beta.
Pu-242, produzido pela captura neutrônica de Pu-241 sem resultar em uma fissão (27% dos casos como visto anteriormente). Tem a segunda maior meia-vida dentre os isótopos de plutônio, com 373 300 anos, 15 vezes mais longa que o do Pu-239.[49] Não é físsil, mas como oUrânio-238 ele é fissionável por nêutrons rápidos (nêtrons com energia superior a 1 MeV, ou seja saem a mais de 14 000 km por hora), poderiam ser empregados em armas termonucleares para serem fissionados pelos nêutrons criados pelafusão nuclear dedeutério etrítio que liberam nêutrons de 14,1 MeV(atingindo 52 000 km por hora, 17,3% davelocidade da luz.
Pu-243, produzido pela captura neutrônica de Pu-242. Ele tem uma meia-vida de aproximadamente 4,9 horas. Por isso muitos átomos de Pu-243 não têm tempo suficiente para realizar uma captura neutrônica para criar Pu-244 acabando com a cadeia de sucessivas capturas neutrônicas gerando novos isótopos cada vez mais pesados de plutônio. Decorrido a meia-vida Pu-243 decai para Amerício-243 por decaimento beta.
Pu-244 é isótopo de plutônio de maior meia-vida com 80 milhões de anos, curiosamente é seguinte a um isótopo de meia-vida muito pequena, Pu-243. Ele não é produzido em quantidades consideráveis pelo ciclo de combustível nuclear devido a pouca meia-vida do que seria o seu isótopo pai, o Pu-243. Mas ele aparece muitas vezes em vestígios de detonações nucleares, a onda de nêutrons criada por uma reação em cadeia pode induzir átomos de plutônio a sofreremmúltiplas capturas neutrônicas e também são encontrados em vestígios de supernovas criados pelo mesmo processo. Tem a quarta maior meia-vida entreactinídeos perdendo apenas para otório-232,U-238 eU-235 respectivamente.
Calor gerado pelo decaimento de alguns isótopos de plutônio[50]
Grande quantidade de calor dissipado. Mesmo em pequenas quantidades pode causar significativo auto-aquecimento, muito utilizado emgeradores termoelétricos.
O Demon Core (Núcleo Demoníaco) foi um fosso de plutónio que recebeu esse nome após matar dois cientistas em acidentes decriticidade, ele foi utilizado no testeAble
O plutónio é o elemento químico mais nocivo a saúde, por ser um grande emissor de radioatividade, se ingerido pouco mais 0,04% do material vai ser absorvido pela ingestão, mas essa quantidade vai se acumular nos ossos, e só passará a ser retirada do organismo após 200 anos.
O plutónio é altamentecrítico, e quando fica crítico começa a produzir nêutrons (podendo gerar uma reação em cadeia e detonar) eraios gama (que são altamente letais para seres humanos), um fosso de plutónio ficou famoso após matar cientistas em dois acidentes de criticidade, oDemon Core:
Em21 de agosto de1945, o núcleo foi cercado por tijolos refletores de nêutrons para experiências, esses tijolos refletiram os nêutrons e deixaram o núcleo crítico, o cientista Harry Daghlian retirou rapidamente os tijolos impedindo uma reação em cadeia, porém ele recebeu uma dose fatal de radiação e morreu 25 dias após o incidente.
Em21 de maio de1946 o físicoLouis Slotin e outros sete cientistas cercaram o núcleo novamente com tijolos, para uma experiência visando saber até onde a massa poderia ser considerada subcrítica, quando Slotin foi fazer um teste chamado defazer cócegas na cauda do dragão devido a sua periculosidade, que consistia em retirar o núcleo com uma chave de fenda, ele escorregou a chave de fenda fazendo o núcleo ficar supercrítico e liberar uma explosão de nêutrons e raios gama (que foram descritos como um flash azul por observadores) atingiu Slotin, que rapidamente fechou a duas metades dos refletores de nêutrons, salvando a vida dos outros cientistas, porém Slotin sofreu uma dose letal de radiação e morreu 9 dias depois do incidente.
↑T O íonPuO+ 2 é instável em solução e se transformará em Pu4+ ePuO2+ 2. o Pu4+ oxidará então oPuO+ 2 restante paraPuO2+ 2, sendo reduzido por sua vez para Pu3+. Assim, soluções aquosas dePuO+ 2 tendem com o tempo se tornarem uma mistura de Pu3+ ePuO2+ 2.UO+ 2 é instável pela mesma razão.
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