Plutonio

iso = isotopo
NA = abbondanza in natura
TD = tempo di dimezzamento
DM = modalità di decadimento
DE = energia di decadimento in MeV
DP = prodotto del decadimento

Il plutonio è l'elemento chimico di numero atomico 94. Il suo simbolo è Pu. È l'elemento oggi più usato nelle bombe nucleari a fissione. Il suo isotopo più importante è ²³⁹Pu, che ha un'emivita di 24200 anni.

[modifica] Caratteristiche

Il plutonio puro è un metallo argenteo, ma ingiallisce quando si ossida. Curiosamente, il plutonio subisce una contrazione di volume all'aumentare della temperatura.

Il calore prodotto dal decadimento alfa rende il plutonio sensibilmente caldo al tatto; grandi quantità possono far bollire l'acqua.

Nei suoi composti il plutonio presenta quattro numeri di ossidazione, da +3 a +6; in soluzione acquosa forma preferenzialmente quattro specie ioniche

Pu³⁺ (color blu lavanda)
Pu⁴⁺ (color giallo bruno)
PuO²⁺ (color rosa-arancio)
PuO⁺ (instabile; disproproziona in Pu⁴⁺ e PuO²⁺; successivamente Pu⁴⁺ ossida il rimanenente PuO⁺ a PuO²⁺, riducendosi a Pu³⁺. Le soluzioni acquose di plutonio tendono nel tempo a diventare una miscela di ioni Pu³⁺ e PuO²⁺.)

[modifica] Applicazioni

Per via della sua facile fissione e per la sua disponibilità, il ²³⁹Pu è un componente fissile fondamentale delle moderne armi nucleari. La massa critica per una sfera di plutonio è di 16 chilogrammi, che può essere ridotta a 10 chilogrammi attraverso l'uso di una schermatura che le rifletta contro i neutroni da essa emessi. Una tale quantità corrisponde circa ad una sfera di 10 centimetri di diametro che per completa detonazione libera un'energia di 200 chilotoni.

L'isotopo ²³⁸Pu emette particelle alfa ed ha un'emivita di 87 anni. Questa sua caratteristica lo rende adatto per produrre generatori di corrente per dispositivi destinati a lavorare senza manutenzione diretta per un tempo paragonabile a quello di una vita umana; viene per questo usato nei generatori termoelettrici a radioisotopi (RTG) come quelli che alimentano le sonde Galileo e Cassini. Versioni precedenti della stessa tecnologia hanno fornito energia a dispositivi per condurre esperimenti sismologici sulla superficie della Luna durante le missioni del Programma Apollo.

Il ²³⁸Pu è stato usato anche per alimentare alcuni modelli di cuore artificiale, in modo da ridurre i rischi dovuti a ripetute operazioni chirurgiche. È stato ampiamente rimpiazzato da batterie al litio ricaricabili per induzione, ma si calcola che nel 2003 tra 50 e 100 pace-maker al plutonio fossero impiantati in pazienti ancora in vita.

[modifica] Storia

Il plutonio fu preparato per la prima volta nel 1940 da Glenn T. Seaborg, Edwin M. McMillan, J. W. Kennedy e A. C. Wahl per bombardamento con deuteroni dell'uranio nel ciclotrone del Berkeley Radiation Laboratory, presso l'Università di Berkeley, in California, ma la scoperta fu tenuta segreta. Prese il nome dal pianeta Plutone perché seguendo il nettunio e l'uranio si volle mantenere l'analogia con i nomi dei pianeti del Sistema Solare.

Durante il Progetto Manhattan furono realizzati grandi reattori nucleari a Hanford, nello stato di Washington, per produrre il plutonio con cui sarebbero poi state costruite due bombe. La prima fu collaudata al Trinity site, la seconda venne sganciata sulla città giapponese di Nagasaki (si veda Bombardamento atomico di Hiroshima e Nagasaki).

Sia gli Stati Uniti che l'Unione Sovietica accumularono grandi scorte di plutonio durante gli anni della guerra fredda; si stima che le scorte ammontassero nel 1982 a 300 tonnellate. Dalla fine della guerra fredda queste scorte sono oggetto di preoccupazione per un'eventuale incontrollata proliferazione di armi nucleari nel mondo. Negli Stati Uniti è allo studio dal 2003 la conversione di svariati impianti elettronucleari al fine di poterli alimentare con il plutonio (MOX) al posto dell'uranio arricchito, in modo da smaltire parzialmente queste scorte.

Nei primi anni successivi alla scoperta del plutonio, quando i suoi effetti biologici e fisiologici erano ancora poco conosciuti, fu condotta dal governo statunitense e da alcune agenzie private per conto di esso una serie di sperimentazioni su esseri umani. Dall'aprile 1945 al luglio 1947, a 18 soggetti, tra uomini, donne e bambini, furono deliberatamente iniettate soluzioni variamente concentrate di plutonio da medici collaboratori al Progetto Manhattan. Benché le iniezioni avrebbero dovuto essere fatte a soggetti malati allo stadio terminale, è appurato che questo non avvenne in almeno un caso e che nessuno dei soggetti fu informato dell'esperimento. L'episodio è visto oggi come una pagina oscura della storia medica statunitense del XX secolo, nonché come una violazione dei diritti umani e del giuramento di Ippocrate [1].

[modifica] Disponibilità

Benché la quasi totalità del plutonio sia di origine sintetica, tracce molto tenui si trovano in natura nei minerali dell'uranio. Queste tracce provengono da un processo di cattura neutronica da parte di ²³⁸U che si converte dapprima in ²³⁹U, il quale subisce due decadimenti beta convertendosi in ²³⁹Np e quindi in ²³⁹Pu. Lo stesso processo è usato per produrre ²³⁹Pu nei reattori nucleari.

Per via della loro lunga emivita (80 milioni di anni) alcune tracce di ²⁴⁴Pu risalgono alla nascita del Sistema Solare, prodottesi dalle esplosioni di supernova

Dal 1945 si calcola che le esplosioni nucleari abbiano rilasciato in atmosfera circa 10 tonnellate di plutonio.

[modifica] Produzione

L'isotopo ²³⁹Pu è il prodotto fissile fondamentale per la maggior parte delle armi nucleari: la sua produzione è quindi importante per le nazioni in possesso di un arsenale nucleare e per quelle aventi programmi di sviluppo del nucleare militare.

²³⁹Pu viene normalmente prodotto nei reattori nucleari esponendo ²³⁸U a un flusso di neutroni. Questo si trasforma in ²³⁹U che subisce due rapidi decadimenti beta, trasformandosi prima in ²³⁹Np e successivamente in ²³⁹Pu. Al termine dell'esposizione il ²³⁹Pu formatosi risulta mescolato ad una ingente residua quantità di ²³⁸U e a tracce di altri isotopi dell'uranio, nonché di eventuali prodotti di fissione; viene purificato quindi per via chimica.

Se ²³⁹Pu cattura a sua volta un neutrone, si trasforma però in ²⁴⁰Pu, un isotopo che subisce facilmente fissione; per questo motivo un plutonio ricco del suo isotopo 240 risulta poco utile nelle armi nucleari perché emette radiazione di neutroni, rendendone problematica la manipolazione, e potrebbe produrre una parziale piccola esplosione che distrugge l'arma senza che questa possa detonare efficacemente. Inoltre è impossibile distinguere chimicamente ²³⁹Pu da ²⁴⁰Pu, sarebbe quindi necessario separarli per via fisica, un processo difficile e costoso (simile a quello impiegato per l'arricchimento dell'uranio). Per questa ragione l'irraggiamento di ²³⁸U non si protrae mai per tempi troppo lunghi, ma si tende a separare da esso il ²³⁹Pu prima che questi possa raggiungere concentrazioni sufficienti per poter regire in maniera significativa con i neutroni incidenti.

Un reattore nucleare che venga usato per produrre plutonio deve perciò avere i mezzi per esporre ²³⁸U a irradiazione con neutroni, e per sostituire rapidamente l'uranio irraggiato. Un reattore che usi uranio non arricchito o moderatamente arricchito contiene una gran quantità di ²³⁸U, però il ricambio di materiale fissile nei reattori commerciali richiede il fermo completo del reattore per giorni o anche per settimane, durante il cambio degli elementi di combustibile: perciò il plutonio prodotto in questi reattori è ricco di isotopi instabili che lo rendono inadatto alla fabbricazione di armi nucleari. Un reattore per la fabbricazione di plutonio richiede dei macchinari che permettano di esporre le barre di uranio ai neutroni emessi dal nucleo, e che consentano di cambiarle spesso, o almeno di poterlo fare fermando il reattore per il minor tempo possibile. Per questo motivo, cioè per evitare la proliferazione nucleare, la IAEA ispeziona periodicamente tutti i reattori nucleari in attività nel mondo. Alcuni tipi di reattori commerciali, come gli RBMK e i CANDU, permettono il cambio di combustibile "al volo" senza dover fermare il reattore, ponendo così un rischio di proliferazione. (Infatti i reattori RBMK furono ideati, progettati e costruiti in Unione Sovietica durante la guerra fredda, perciò a dispetto degli ostentati propositi pacifici è probabile che la produzione di plutonio fosse uno degli obiettivi del loro progetto. I requisiti per il caricamento di combustibile di questi reattori rendono impossibile racchiuderli in una adeguata struttura di contenimento, cosa che ha drasticamente aggravato il disastro di Chernobyl).

La maggior parte del plutonio prodotto nel mondo proviene da reattori per la ricerca scientifica o da reattori appositi per la produzione di questo elemento, quasi tutti militari. Una parte dei reattori per la produzione di plutonio sono reattori autofertilizzanti, che producono più combustibile di quanto non ne consumino: in linea di principio questi reattori fanno un uso estremamente efficiente dell'uranio naturale, ma in pratica la loro costruzione è difficoltosa e il rischio di proliferazione che pongono è molto elevato, per cui vengono usati solamente per produrre plutonio. I reattori che producono plutonio sono in genere (ma non sempre) reattori veloci, perché i neutroni veloci sono un po' più efficienti nella produzione di questo elemento.

[modifica] Composti

Il plutonio reagisce rapidamente con l'ossigeno, formando PuO, PuO₂ e altri ossidi intermedi. Reagisce con gli alogeni producendo composti del tipo PuX₃, dove X è fluoro, cloro, bromo o iodio. Tra i fluoruri, è noto anche PuF₄: sono inoltre noti gli ossialogenuri PuOCl, PuOBr e PuOI.

Il plutonio forma inoltre il carburo PuC, il nitruro PuN e, reagendo con il silicio, il composto PuSi₂.

[modifica] Allotropi

Anche a pressione atmosferica il plutonio si presenta in diverse forme allotropiche. Queste hanno strutture cristalline e densità molto diverse: la differenza tra le densità delle forme α e δ è superiore al 25%. La presenza di questi numerosi allotropi rende il plutonio difficile da lavorare. Le ragioni che spiegano il suo complicato diagramma di fase non sono completamente note; alcune ricerche recenti sono state focalizzate sul realizzare accurati modelli matematici a computer delle transizioni di fase.

[modifica] Isotopi

Sono noti 21 radioisotopi del plutonio. I più stabili sono ²⁴⁴Pu, con emivita di 80,8 milioni di anni, ²⁴²Pu con emivita di 373.300 anni e ²³⁹Pu, con emivita di 24.100 anni. Tutti gli altri isotopi sono molto radioattivi e hanno emivite minori di 7.000 anni. Questo elemento ha anche otto stati metastabili, nessuno dei quali è stabile (hanno tutti emivite di meno di un secondo).

Gli isotopi di plutonio hanno peso atomico che va da 228,0387 amu (²²⁸Pu) a 247,074 amu (²⁴⁷Pu). Il principale modo di decadimento prima dell'isotopo più stabile (²⁴⁴Pu) sono fissione spontanea ed emissione alfa, mentre il modo principale dopo l'isotopo più stabile è l'emissione beta. I prodotti di decadimento prima di ²⁴⁴Pu (trascurando la pletora di nuclei figli generati dalla fissione) sono isotopi di uranio e nettunio, mentre quelli dopo sono isotopi di americio.

Gli isotopi principali per applicazioni pratiche sono ²³⁹Pu, che è adatto per l'uso in armi e reattori nucleari, e ²³⁸Pu, adatto per l'uso in generatori termoelettrici a radioisotopi (vedi sopra per ulteriori dettagli). L'isotopo ²⁴⁰Pu è soggetto facilmente a fissione spontanea e si produce quando ²³⁹Pu è esposto a neutroni. Il plutonio composto da più del 90% di²³⁹Pu è detto plutonio da armi nucleari; il plutonio ottenuto da reattori commerciali contiene di solito almeno il 20% di ²⁴⁰Pu ed è chiamato plutonio da reattore.

[modifica] Precauzioni

Tutti gli isotopi e i composti del plutonio sono tossici e radioattivi. Il plutonio è spesso descritto come "la sostanza più tossica nota all'uomo", ma è opinione diffusa tra gli esperti del settore che questa affermazione non sia esatta. A tutt'oggi (2003) non è stato ancora registrato un solo decesso ufficialmente attribuito all'esposizione al plutonio. Il radio che si trova in natura è circa 200 volte più radiotossico del plutonio ed alcune tossine di origine biologica lo sono ancora di più. La tossina botulinica, ad esempio, ha una dose letale di 0,3 µg/Kg, di gran lunga inferiore alla quantità di plutonio responsabile di un significativo rischio di cancro.

Escludendo gli effetti cancerogeni, il plutonio assunto è meno tossico di altre sostanze comuni. Da un punto di vista strettamente chimico, la sua tossicità è paragonabile a quella del piombo e degli altri metalli pesanti e si manifesta su tempi ben più lunghi di quelli di un'esposizione o un avvelenamento da altre sostanze, anche di origine naturale.

È comunque fuor di dubbio che il plutonio sia estremamente pericoloso se non manipolato adeguatamente. Le particelle alfa che emette non penetrano la pelle, ma possono danneggiare seriamente gli organi interni se il plutonio viene inalato o ingerito. Particolarmente a rischio sono lo scheletro, sulla cui superficie il plutonio è assorbito, ed il fegato, dove viene raccolto e concentrato. Particelle finissime di plutonio (dell'ordine dei microgrammi) causano il cancro ai polmoni per inalazione.

Le tossicità chimica e radiologica del plutonio andrebbero distinte l'una dall'altra e dal potenziale pericolo di fissione incontrollata. È possibile che sia la confusione tra questi due pericoli che abbia portato ad un certo sensazionalismo nel descrivere la tossicità del plutonio. In un articolo del 1989 Bernard L. Cohen dice:

i pericoli posti dal plutonio sono di gran lunga più conosciuti di quelli dovuti agli insetticidi e agli additivi alimentari e l'unica vittima in 300 anni che questi possono provocare è veramente trascurabile in confronto. Nonostante i fatti qui citati, ben conosciuti nella comunità scientifica, il mito della tossicità del plutonio resiste ([2]).

Va comunque sottolineato che, a differenza di altri radioisotopi naturali quali il radio o il carbonio-14, il plutonio è stato prodotto, concentrato e isolato in grandi quantità (centinaia di tonnellate) durante gli anni della guerra fredda per la produzione di armi. Questi depositi, siano o meno in forma di armi, rappresentano un rischio tossicologico significativo principalmente perché non esistono vie facilmente praticabili per il loro smaltimento.

Oltre ai problemi connessi alla tossicità, vanno presi accorgimenti per evitare l'accumulazione di plutonio in quantità vicine alla massa critica, ovvero alla quantità capace di innescare e auto-propagare una reazione di fissione nucleare. In queste condizioni, anche se non confinata, la massa di plutonio si surriscalda e, rompendosi, danneggia ciò che le sta attorno. La forma è rilevante; vanno evitate forme compatte come la sferica. Un'esplosione nucleare dell'ordine di una bomba atomica non può avvenire accidentalmente, dato che richiede una grande massa supercritica, tuttavia una massa critica può produrre dosi letali di radiazioni, come è accaduto in alcuni incidenti in passato.

Sono avvenuti diversi incidenti del genere sia negli Stati Uniti che in Unione Sovietica, in alcuni casi con conseguenze letali. La manipolazione incauta di una sfera di plutonio di 6,2 Kg ha procurato un'esposizione letale allo scienziato Harry Daghlian a Los Alamos il 21 agosto 1945, causandone la morte quattro settimane dopo. La dose assorbita da Daghlian fu di 510 rem (5,1 Sv). Nove mesi dopo un altro incidente simile sempre a Los Alamos causò la morte di Louis Slotin. Ancora a Los Alamos nel 1958, durante un processo di purificazione del plutonio, si formò una massa critica in un reattore, causando la morte di un operatore alla gru. Incidenti simili sono avvenuti anche in Unione Sovietica, in Giappone e in altre nazioni.

Il plutonio metallico rappresenta un pericolo di incendio, specie se il materiale è finemente suddiviso. Reagisce chimicamente con l'ossigeno e con l'acqua, con la quale può formare idruro di plutonio, una sostanza che si infiamma spontaneamente all'aria. Il plutonio si espande considerevolmente in seguito all'ossidazione e può arrivare a rompere il contenitore in cui si trova. Il materiale più efficace per spegnere un incendio da plutonio è la polvere di ossido di magnesio, che raffredda la massa incendiata e blocca l'apporto di ossigeno.

Per evitare questo rischio, il plutonio viene generalmente conservato in atmosfera inerte e rigorosamente anidra.