Plutonio

El plutonio, como la mayoría de los metales, tiene inicialmente un aspecto plateado brillante, muy parecido al níquel , pero se oxida muy rápidamente a un gris opaco, aunque también se han descrito colores amarillo y verde oliva. ^{[ 7 ] [ 8 ]} A temperatura ambiente, el plutonio se encuentra en su forma α ( alfa ) . ^{[ 9 ]} Este alótropo es tan duro y quebradizo como el hierro fundido gris . Cuando el plutonio se alea con otros metales, el alótropo δ de alta temperatura se estabiliza a temperatura ambiente, ^{[ 10 ] [ 11 ]} lo que lo hace blando y dúctil. A diferencia de la mayoría de los metales, no es un buen conductor de calor ni de electricidad . Tiene un punto de fusión bajo ( 640 °C, 1184 °F ) y un punto de ebullición inusualmente alto ( 3228 °C, 5842 °F ). ^{[ 7 ]} Esto da un amplio rango de temperaturas (de más de 2500 kelvin de ancho) en el que el plutonio es líquido, pero este rango no es el mayor entre todos los actínidos ni entre todos los metales, ^{[ 12 ]} y se teoriza que el neptunio tiene el mayor rango en ambos casos. El bajo punto de fusión, así como la reactividad del metal nativo en comparación con el óxido, hacen que los óxidos de plutonio sean una forma preferida para aplicaciones como el combustible de reactores de fisión nuclear ( combustible MOX ).    

La desintegración alfa , la liberación de un núcleo de helio de alta energía , es la forma más común de desintegración radiactiva del plutonio. ^{[ 13 ]} Una masa de 5 kg de ²³⁹ Pu contiene aproximadamente12,5 × 10²⁴ átomos. Con una vida media de 24.100 años, ^{aproximadamente}11,5 × 10¹² de sus átomos se desintegran cada segundo emitiendo una partícula alfa de 5,157 ^MeV . Esto equivale a 9,68 vatios de potencia. El calor producido por la desaceleración de estas partículas alfa hace que esté caliente al tacto. ^{[ 14 ] [ 15 ] 238} Debido a su vida media mucho más corta, el plutonio se calienta a temperaturas mucho más elevadas y alcanza un rojo intenso por radiación de cuerpo negro si no se le aplica calor ni frío externo. Este calor se ha utilizado en generadores termoeléctricos de radioisótopos (véase más abajo).

La resistividad del plutonio a temperatura ambiente es muy alta para un metal, y aumenta aún más a temperaturas más bajas, lo cual es inusual para los metales. ^{[ 16 ]} Esta tendencia continúa hasta los 100 K , por debajo de los cuales la resistividad disminuye rápidamente para muestras frescas. ^{[ 16 ]} La resistividad comienza entonces a aumentar con el tiempo alrededor de los 20 K debido al daño por radiación, y la velocidad está determinada por la composición isotópica de la muestra. ^{[ 16 ]}  

Debido a la autoirradiación, una muestra de plutonio sufre fatiga en toda su estructura cristalina, lo que significa que la disposición ordenada de sus átomos se ve alterada por la radiación con el tiempo. ^{[ 17 ]} La autoirradiación también puede provocar un recocido que contrarresta algunos de los efectos de la fatiga a medida que la temperatura aumenta por encima de 100  K. ^{[ 18 ]}

A diferencia de la mayoría de los materiales, el plutonio aumenta su densidad al fundirse (un 2,5 %), pero el metal líquido presenta una disminución lineal de la densidad con la temperatura. ^{[ 16 ]} Cerca del punto de fusión, el plutonio líquido tiene una viscosidad y una tensión superficial muy elevadas en comparación con otros metales. ^{[ 17 ]}

El plutonio normalmente tiene seis alótropos y forma un séptimo (zeta, ζ) a alta temperatura dentro de un rango de presión limitado. ^{[ 19 ]} Estos alótropos, que son diferentes modificaciones estructurales o formas de un elemento, tienen energías internas muy similares pero densidades y estructuras cristalinas significativamente diferentes . Esto hace que el plutonio sea muy sensible a los cambios de temperatura, presión o química, y permite cambios de volumen drásticos tras las transiciones de fase de una forma alotrópica a otra. ^{[ 17 ]} Las densidades de los diferentes alótropos varían de 16,00  g/cm³ ^a ​​19,86  g/ ^cm³ . ^{[ 20 ]}

La presencia de tantos alótropos dificulta enormemente el mecanizado del plutonio, ya que cambia de estado con mucha facilidad. Por ejemplo, la forma α existe a temperatura ambiente en el plutonio puro. Presenta características de mecanizado similares a las del hierro fundido , pero se transforma en la forma β ( beta ), plástica y maleable, a temperaturas ligeramente superiores. ^{[ 21 ]} Las razones de este diagrama de fases tan complejo no se comprenden del todo. La forma α posee una estructura monoclínica de baja simetría , lo que explica su fragilidad, resistencia, compresibilidad y baja conductividad térmica. ^{[ 19 ]}

El plutonio en la forma δ ( delta ) normalmente existe en el rango de 310  °C a 452  °C, pero es estable a temperatura ambiente cuando se alea con un pequeño porcentaje de galio , aluminio o cerio , lo que mejora su trabajabilidad y permite soldarlo . [ ^{21 ] La} forma δ tiene un carácter metálico más típico y es aproximadamente tan fuerte y maleable como el aluminio. ^{[ 19 ]} La fase ε, el alótropo sólido de mayor temperatura, exhibe una autodifusión atómica anómalamente alta en comparación con otros elementos. ^{[ 17 ]}

El plutonio es un metal actínido radiactivo cuyo isótopo , el plutonio-239 , es uno de los tres isótopos fisionables primarios ( el uranio-233 y el uranio-235 son los otros dos); el plutonio-241 también es altamente fisionable. Para ser considerado fisionable, el núcleo atómico de un isótopo debe ser capaz de romperse o fisionarse al ser impactado por un neutrón de movimiento lento y liberar suficientes neutrones adicionales para mantener la reacción en cadena nuclear mediante la división de más núcleos. ^{[ 22 ]}

El plutonio-239 puro puede tener un factor de multiplicación (k _eff ) mayor que uno, lo que significa que si el metal está presente en cantidad suficiente y con una geometría apropiada (por ejemplo, una esfera de tamaño suficiente), puede formar una masa crítica . ^{[ 23 ]} Durante la fisión, una fracción de la energía de enlace nuclear , que mantiene unido un núcleo, se libera como una gran cantidad de energía electromagnética y cinética (gran parte de esta última se convierte rápidamente en energía térmica). La fisión de un kilogramo de plutonio-239 puede producir una explosión equivalente a 21 000 toneladas de TNT (88 000 GJ ) . Es esta energía la que hace que el plutonio-239 sea útil en armas y reactores nucleares . ^{[ 14 ]} 

La presencia del isótopo plutonio-240 en una muestra limita su potencial de bomba nuclear, ya que ^{el 240} Pu tiene una tasa de fisión espontánea relativamente alta (~440 fisiones por segundo por gramo; más de 1000 neutrones por segundo por gramo), ^{[ 24 ]} elevando los niveles de neutrones de fondo y, por lo tanto, aumentando el riesgo de predetonación . ^{[ 25 ]} El plutonio se clasifica como de grado armamentístico , de grado combustible o de grado reactor según el porcentaje de ²⁴⁰ Pu que contiene. El plutonio de grado armamentístico contiene menos del 7 % de ²⁴⁰ Pu. El plutonio de grado combustible contiene entre el 7 % y el 19 %, y el de grado reactor de potencia contiene un 19 % o más de ²⁴⁰ Pu. El plutonio de grado superior , con menos del 4 % de ²⁴⁰ Pu, se utiliza en armas de la Armada de los Estados Unidos almacenadas cerca de las tripulaciones de barcos y submarinos, debido a su menor radiactividad. ^{[ 26 ]} El plutonio-238 no es fisionable, pero puede sufrir fisión nuclear fácilmente con neutrones rápidos , así como desintegración alfa. ^{[ 14 ]} Todos los isótopos de plutonio pueden convertirse en material fisionable con una o más absorciones de neutrones , ya sea seguidas de desintegración beta o no. Esto hace que los isótopos no fisionables de plutonio sean un material fértil .

Se han caracterizado veintidós radioisótopos de plutonio, desde ²²⁶ Pu hasta ²⁴⁷ Pu. Los de mayor vida media son ²⁴⁴ Pu, con una vida media de 80,8  millones de años; ²⁴² Pu, con una vida media de 373.300  años; y ²³⁹ Pu, con una vida media de 24.110  años. Todos los demás isótopos tienen vidas medias inferiores a 7.000  años. Este elemento también tiene ocho estados metaestables , aunque todos tienen vidas medias inferiores a un segundo. ^{[ 13 ] 244} Pu se ha encontrado en el espacio interestelar ^{[ 27 ]} y tiene la vida media más larga de cualquier radioisótopo no primordial. Los principales modos de desintegración de los isótopos con números másicos inferiores al isótopo más estable, el ^244Pu , son la fisión espontánea y la emisión alfa , formando principalmente isótopos de uranio (92 protones ) y neptunio (93 protones) como productos de desintegración (sin tener en cuenta la amplia gama de núcleos hijos creados por los procesos de fisión). El principal modo de desintegración para los isótopos más pesados ​​que el ^244Pu , junto con el ^241Pu y el ^243Pu , es la emisión beta , formando isótopos de americio (95 protones). El plutonio-241 es el isótopo padre de la serie del neptunio , que se desintegra en americio-241 mediante emisión beta. ^{[ 13 ] [ 28 ]}

El plutonio-238 y el plutonio-239 son los isótopos más ampliamente sintetizados. ^{[ 14 ] El 239} Pu se sintetiza mediante la siguiente reacción utilizando uranio (U) y neutrones (n) mediante desintegración beta (β ⁻ ) con neptunio (Np) como intermedio: ^{[ 29 ]}

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

Los neutrones de la fisión del uranio-235 son capturados por núcleos de uranio-238 para formar uranio-239; una desintegración beta convierte un neutrón en un protón para formar neptunio-239 (vida media de 2,36  días) y otra desintegración beta forma plutonio-239. ^{[ 30 ]} Egon Bretscher, que trabajaba en el proyecto British Tube Alloys, predijo teóricamente esta reacción en 1940. ^{[ 31 ]}

El plutonio-238 se sintetiza bombardeando uranio-238 con deuterones (D o ² H, los núcleos de hidrógeno pesado ) en la siguiente reacción: ^{[ 32 ]}

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

donde un deuterón que impacta el uranio-238 produce dos neutrones y neptunio-238, que se desintegra emitiendo partículas beta negativas para formar plutonio-238. ^{[ 33 ]} El plutonio-238 también puede producirse por irradiación de neptunio-237 con neutrones . ^{[ 34 ]}

Los isótopos de plutonio sufren desintegración radiactiva, la cual produce calor residual . Cada isótopo genera distinta cantidad de calor por unidad de masa. El calor residual se suele expresar en vatios por kilogramo o milivatios por gramo. En piezas grandes de plutonio (por ejemplo, en el núcleo de un arma nuclear) y con una disipación de calor insuficiente, el auto calentamiento resultante puede ser significativo.

A temperatura ambiente, el plutonio puro es de color plateado, pero se empaña al oxidarse. ^{[ 36 ]} El elemento presenta cuatro estados de oxidación iónicos comunes en solución acuosa y uno raro: ^{[ 20 ]}

• Pu(III), como Pu ³⁺ (azul lavanda)
• Pu(IV), como Pu ⁴⁺ (marrón amarillento)
• Pu(V), como PuO ⁺ ₂ (rosa claro) ^{[ nota 1 ]}
• Pu(VI), como PuO ²⁺ ₂ (naranja rosa)
• Pu(VII), como PuO ³⁻ ₅ (verde): el ion heptavalente es raro.

El color que muestran las soluciones de plutonio depende tanto del estado de oxidación como de la naturaleza del anión ácido . ^{[ 38 ]} Es el anión ácido el que influye en el grado de complejación —cómo se unen los átomos a un átomo central— de las especies de plutonio. Además, se conoce el estado de oxidación formal +2 del plutonio en el complejo [K(2.2.2-criptando)] [Pu ^II Cp″ ₃ ], Cp″ = C ₅ H ₃ (SiMe ₃ ) ₂ . ^{[ 39 ]}

Preparación de compuestos de plutonio(VIII) como el tetróxido volátil PuOTambién se ha afirmado la existencia _{de 4 ,} ^{[ 40 ] [ 41 ]} pero su existencia sigue siendo objeto de controversia. ^{[ 42 ]}

El plutonio metálico se produce por reacción del tetrafluoruro de plutonio con bario , calcio o litio a 1200  °C. ^{[ 43 ]} El plutonio metálico es atacado por ácidos , oxígeno y vapor, pero no por álcalis , y se disuelve fácilmente en ácidos clorhídrico , yodhídrico y perclórico concentrados . ^{[ 44 ]} El metal fundido debe mantenerse al vacío o en una atmósfera inerte para evitar la reacción con el aire. ^{[ 21 ]} A 135  °C, el metal se inflama en el aire y explota si se coloca en tetracloruro de carbono . ^{[ 45 ]}

El plutonio es un metal reactivo. En aire húmedo o argón húmedo , el metal se oxida rápidamente, produciendo una mezcla de óxidos e hidruros . ^{[ 7 ]} Si el metal se expone el tiempo suficiente a una cantidad limitada de vapor de agua, se forma una capa superficial pulverulenta de PuO₂ . ^{[ 7 ]} También se forma hidruro de plutonio _, pero un exceso de vapor de agua solo forma _PuO₂ . ^{[ 44 ]}

El plutonio muestra velocidades de reacción enormes y reversibles con hidrógeno puro, formando hidruro de plutonio . ^{[ 17 ]} También reacciona fácilmente con oxígeno, formando PuO y PuO ₂ así como óxidos intermedios; el óxido de plutonio ocupa un 40% más de volumen que el plutonio metálico. El metal reacciona con los halógenos , dando lugar a compuestos con la fórmula general PuX ₃ donde X puede ser F , Cl , Br o I y también se observa PuF _4. Se observan los siguientes oxihaluros: PuOCl, PuOBr y PuOI. Reaccionará con carbono para formar PuC , nitrógeno para formar PuN y silicio para formar PuSi ₂ . ^{[ 20 ] [ 45 ]}

La química organometálica de los complejos de plutonio es típica de las especies de organoactínidos ; un ejemplo característico de un compuesto de organoplutonio es el plutonoceno . ^{[ 30 ] [ 46 ]} Los métodos de química computacional indican un carácter covalente mejorado en el enlace plutonio-ligando. ^{[ 17 ] [ 46 ]}

Los polvos de plutonio, sus hidruros y ciertos óxidos como el Pu₂O₃ son _pirofóricos , lo que significa que pueden encenderse espontáneamente a temperatura ambiente y, por lo tanto, se manipulan en una atmósfera inerte y seca de nitrógeno o argón. El plutonio a granel solo se enciende cuando se calienta por encima de 400 _{° C} . El Pu₂O₃ _se calienta espontáneamente y se transforma en PuO₂ _, que es estable en aire seco, pero reacciona con el vapor de agua cuando se calienta. ^{[ 47 ]} 

Los crisoles utilizados para contener plutonio deben ser capaces de soportar sus fuertes propiedades reductoras . Los metales refractarios como el tantalio y el tungsteno, junto con los óxidos, boruros , carburos , nitruros y siliciuros más estables, pueden tolerarlo. La fusión en un horno de arco eléctrico puede utilizarse para producir pequeños lingotes del metal sin necesidad de un crisol. ^{[ 21 ]}

El cerio se utiliza como simulante químico del plutonio para el desarrollo de tecnologías de contención, extracción y otras. ^{[ 48 ]}

El plutonio puede formar aleaciones y compuestos intermedios con la mayoría de los demás metales. Las excepciones incluyen el litio, el sodio , el potasio , el rubidio y el cesio de los metales alcalinos ; y el magnesio , el calcio, el estroncio y el bario de los metales alcalinotérreos ; y el europio y el iterbio de los metales de tierras raras . ^{[ 44 ]} Las excepciones parciales incluyen los metales refractarios cromo , molibdeno , niobio , tantalio y tungsteno, que son solubles en plutonio líquido, pero insolubles o solo ligeramente solubles en plutonio sólido. ^{[ 44 ]} El galio, el aluminio, el americio, el escandio y el cerio pueden estabilizar la fase δ del plutonio a temperatura ambiente. El silicio , el indio , el zinc y el circonio permiten la formación del estado δ metaestable cuando se enfría rápidamente. Altas cantidades de hafnio , holmio y talio también permiten cierta retención de la fase δ a temperatura ambiente. El neptunio es el único elemento que puede estabilizar la fase α a temperaturas más altas. ^{[ 17 ]}

Las aleaciones de plutonio se pueden producir añadiendo un metal al plutonio fundido. Si el metal de aleación es suficientemente reductor, el plutonio se puede añadir en forma de óxidos o haluros. La aleación de plutonio-galio (PGA) en fase δ y la aleación de plutonio-aluminio se producen añadiendo fluoruro de Pu(III) al galio o aluminio fundido, lo que tiene la ventaja de evitar el manejo directo del plutonio metálico, que es altamente reactivo. ^{[ 50 ]}

• El PGA se utiliza para estabilizar la fase δ del plutonio, evitando la fase α y los problemas relacionados con α–δ. Su principal uso es en los pozos de las bombas de implosión . ^{[ 51 ]}
• El plutonio-aluminio es una alternativa al PGA. Fue el elemento considerado originalmente para la estabilización de la fase δ, pero su tendencia a reaccionar con las partículas alfa y liberar neutrones reduce su utilidad para armas nucleares. La aleación de plutonio-aluminio también puede utilizarse como componente del combustible nuclear . ^{[ 52 ]}
• La aleación de plutonio-galio-cobalto (PuCoGa ₅ ) es un superconductor no convencional , que muestra superconductividad por debajo de 18,5  K, un orden de magnitud superior a la más alta entre los sistemas de fermiones pesados , y tiene una gran corriente crítica. ^{[ 49 ] [ 53 ]}
• La aleación de plutonio-circonio puede utilizarse como combustible nuclear . ^{[ 54 ]}
• Las aleaciones de plutonio-cerio y plutonio-cerio-cobalto se utilizan como combustibles nucleares. ^{[ 55 ]}
• El plutonio-uranio , con aproximadamente un 15-30  % molar de plutonio, puede utilizarse como combustible nuclear para reactores reproductores rápidos. Su naturaleza pirofórica y su alta susceptibilidad a la corrosión, hasta el punto de autoencenderse o desintegrarse tras la exposición al aire, requieren su aleación con otros componentes. La adición de aluminio, carbono o cobre no mejora significativamente las tasas de desintegración; las aleaciones de circonio y hierro presentan una mayor resistencia a la corrosión, pero también se desintegran en pocos meses al contacto con el aire. La adición de titanio y/o circonio aumenta considerablemente el punto de fusión de la aleación. ^{[ 56 ]}
• Se investigaron las aleaciones de plutonio-uranio-titanio y plutonio-uranio-circonio para su uso como combustibles nucleares. La adición del tercer elemento aumenta la resistencia a la corrosión, reduce la inflamabilidad y mejora la ductilidad, la facilidad de fabricación, la resistencia y la expansión térmica. La aleación de plutonio-uranio-molibdeno presenta la mejor resistencia a la corrosión, formando una película protectora de óxidos, pero el titanio y el circonio son preferibles por razones físicas. ^{[ 56 ]}
• Se investigó el torio-uranio-plutonio como combustible nuclear para reactores reproductores rápidos. ^{[ 56 ]}

Enrico Fermi y un equipo de científicos de la Universidad de Roma informaron haber descubierto el elemento 94 en 1934. ^{[ 71 ]} Fermi lo llamó hesperio y lo mencionó en su discurso de aceptación del Premio Nobel en 1938. ^{[ 72 ]} La muestra contenía en realidad productos de fisión nuclear , principalmente bario y criptón . ^{[ nota 2 ] [ 73 ]} La fisión nuclear, descubierta en Alemania en 1938 por Otto Hahn y Fritz Strassmann , era desconocida en ese momento. ^{[ 74 ]}

El plutonio (específicamente, el plutonio-238) fue producido, aislado e identificado químicamente por primera vez entre diciembre de 1940 y febrero de 1941 por Glenn T. Seaborg , Edwin McMillan , Emilio Segrè , Joseph W. Kennedy y Arthur Wahl mediante bombardeo de uranio con deuterones en el ciclotrón de 60 pulgadas (150 cm) del Laboratorio de Radiación de Berkeley en la Universidad de California, Berkeley . ^{[ 75 ] [ 76 ] [ 77 ]} El neptunio-238 se creó directamente por el bombardeo, pero se desintegró por emisión beta con una vida media de poco más de dos días, lo que indicó la formación del elemento 94. ^{[ 45 ]} El primer bombardeo tuvo lugar el 14 de diciembre de 1940, y el nuevo elemento se identificó por primera vez mediante oxidación en la noche del 23 al 24 de febrero de 1941. ^{[ 76 ]} 

El equipo preparó un artículo que documentaba el descubrimiento y lo envió a la revista Physical Review en marzo de 1941, ^{[ 45 ]} pero su publicación se retrasó hasta un año después del final de la Segunda Guerra Mundial debido a preocupaciones de seguridad. ^{[ 78 ]} En el Laboratorio Cavendish de Cambridge , Egon Bretscher y Norman Feather se dieron cuenta de que un reactor de neutrones lentos alimentado con uranio produciría teóricamente cantidades sustanciales de plutonio-239 como subproducto. Calcularon que el elemento 94 sería fisionable y tenía la ventaja añadida de ser químicamente diferente del uranio, y que podría separarse fácilmente de él. ^{[ 31 ]}

McMillan había nombrado recientemente al primer elemento transuránico neptunio en honor al planeta Neptuno , y sugirió que el elemento 94, al ser el siguiente en la serie, recibiera el nombre del que entonces se consideraba el siguiente planeta, Plutón . ^{[ 14 ] [ nota 3 ]} Nicholas Kemmer, del equipo de Cambridge, propuso independientemente el mismo nombre, basándose en el mismo razonamiento que el equipo de Berkeley. ^{[ 31 ]} Seaborg consideró originalmente el nombre "plutium", pero luego pensó que no sonaba tan bien como "plutonio". ^{[ 80 ]} Eligió las letras "Pu" como una broma, en referencia a la interjección "P U" para indicar un olor especialmente desagradable, que pasó desapercibido en la tabla periódica. ^{[ nota 4 ]} Los nombres alternativos considerados por Seaborg y otros fueron "ultimium" o "extremium" debido a la creencia errónea de que habían encontrado el último elemento posible en la tabla periódica . ^{[ 81 ]}

Hahn y Strassmann, e independientemente Kurt Starke , también trabajaban en Berlín sobre elementos transuránicos en ese momento. Es probable que Hahn y Strassmann supieran que el plutonio-239 debería ser fisionable. Sin embargo, no contaban con una fuente de neutrones potente. El elemento 93 fue reportado por Hahn y Strassmann, así como por Starke, en 1942. El grupo de Hahn no continuó con la investigación del elemento 94, probablemente desanimado por el fracaso de McMillan y Abelson en aislarlo tras el descubrimiento del elemento 93. Sin embargo, dado que el grupo de Hahn tenía acceso al ciclotrón más potente de París en ese momento, probablemente habrían podido detectar plutonio si lo hubieran intentado, aunque en cantidades ínfimas (unos pocos becquerelios ). ^{[ 82 ]}

Se descubrió que la química del plutonio se asemejaba a la del uranio después de unos meses de estudio inicial. ^{[ 45 ]} La investigación inicial continuó en el Laboratorio Metalúrgico secreto de la Universidad de Chicago . El 20 de agosto de 1942, se aisló y midió por primera vez una cantidad traza de este elemento.  Se produjeron alrededor de 50 microgramos de plutonio-239 combinados con uranio y productos de fisión y solo  se aisló alrededor de 1 microgramo. ^{[ 57 ] [ 83 ]} Este procedimiento permitió a los químicos determinar el peso atómico del nuevo elemento. ^{[ 84 ] [ nota 5 ]} El 2 de diciembre de 1942, en una cancha de raqueta bajo la tribuna oeste en el Stagg Field de la Universidad de Chicago, los investigadores dirigidos por Enrico Fermi lograron la primera reacción en cadena autosostenida en una pila de grafito y uranio conocida como CP-1 . Utilizando la información teórica obtenida del funcionamiento del CP-1, DuPont construyó un reactor experimental de producción refrigerado por aire, conocido como X-10 , y una planta piloto de separación química en Oak Ridge. Esta planta, mediante métodos desarrollados por Glenn T. Seaborg y un equipo de investigadores del Laboratorio Met, extrajo el plutonio del uranio irradiado en el reactor X-10. La información del CP-1 también fue útil para los científicos del Laboratorio Met que diseñaban los reactores de producción de plutonio refrigerados por agua para Hanford. La construcción en el sitio comenzó a mediados de 1943. ^{[ 85 ]}

En noviembre de 1943, se redujo trifluoruro de plutonio para crear la primera muestra de plutonio metálico: unos pocos microgramos de perlas metálicas. ^{[ 57 ]} Se produjo suficiente plutonio como para convertirlo en el primer elemento sintético visible a simple vista. ^{[ 86 ]}

También se estudiaron las propiedades nucleares del plutonio-239; los investigadores descubrieron que, al ser impactado por un neutrón, se desintegra (fisión) liberando más neutrones y energía. Estos neutrones pueden impactar otros átomos de plutonio-239, y así sucesivamente, en una reacción en cadena exponencialmente rápida. Esto puede provocar una explosión lo suficientemente grande como para destruir una ciudad si se concentra suficiente cantidad del isótopo para formar una masa crítica . ^{[ 45 ]}

Durante las primeras etapas de la investigación, se utilizaron animales para estudiar los efectos de las sustancias radiactivas en la salud. Estos estudios comenzaron en 1944 en el Laboratorio de Radiación de la Universidad de California en Berkeley y fueron dirigidos por Joseph G. Hamilton. Hamilton buscaba responder preguntas sobre cómo variaría el plutonio en el cuerpo según el modo de exposición (ingestión oral, inhalación, absorción a través de la piel), las tasas de retención y cómo se fijaría el plutonio en los tejidos y se distribuiría entre los distintos órganos. Hamilton comenzó administrando microgramos solubles de compuestos de plutonio-239 a ratas utilizando diferentes estados de valencia y distintos métodos de administración (oral, intravenosa, etc.). Posteriormente, el laboratorio de Chicago también realizó sus propios experimentos de inyección de plutonio con diferentes animales, como ratones, conejos, peces e incluso perros. Los resultados de los estudios en Berkeley y Chicago demostraron que el comportamiento fisiológico del plutonio difería significativamente del del radio. El resultado más alarmante fue la importante deposición de plutonio en el hígado y en la porción ósea que se metaboliza activamente. Además, la tasa de eliminación de plutonio en las excretas variaba entre especies animales hasta en un factor de cinco. Esta variación dificultaba enormemente la estimación de la tasa en los seres humanos. ^{[ 87 ]}

Durante la Segunda Guerra Mundial, el gobierno estadounidense estableció el Proyecto Manhattan para desarrollar una bomba atómica. Los tres principales centros de investigación y producción del proyecto fueron la planta de producción de plutonio en lo que hoy es el Sitio de Hanford , las instalaciones de enriquecimiento de uranio en Oak Ridge, Tennessee , y el laboratorio de investigación y diseño de armas, ahora conocido como Laboratorio Nacional de Los Alamos (LANL). ^{[ 88 ]}

El primer reactor de producción que generó ^239Pu fue el reactor de grafito X-10 . Entró en funcionamiento en 1943 y fue construido en una instalación en Oak Ridge que posteriormente se convirtió en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge . ^{[ 45 ] [ nota 6 ]}

En enero de 1944, los trabajadores colocaron los cimientos del primer edificio de separación química, la Planta T, ubicada en el edificio 200 Oeste. Tanto la Planta T como su instalación hermana en el mismo edificio, la Planta U, se terminaron en octubre. (La Planta U se utilizó únicamente para entrenamiento durante el Proyecto Manhattan). El edificio de separación en el edificio 200 Este, la Planta B, se completó en febrero de 1945. La segunda instalación planificada para el edificio 200 Este fue cancelada. Apodados "Reina María" por los trabajadores que los construyeron, los edificios de separación eran imponentes estructuras con forma de cañón de 244 metros de largo, 20 metros de ancho y 24 metros de alto, que contenían cuarenta piscinas de proceso. El interior tenía una atmósfera inquietante, ya que los operadores, detrás de un blindaje de hormigón de dos metros de espesor, manipulaban equipos de control remoto observando a través de monitores de televisión y periscopios desde una galería superior. Incluso con enormes tapas de hormigón en las piscinas de proceso, las precauciones contra la exposición a la radiación eran necesarias e influyeron en todos los aspectos del diseño de la planta. ^{[ 85 ]}

El 5 de abril de 1944, Emilio Segrè, en Los Alamos, recibió la primera muestra de plutonio producido en reactor procedente de Oak Ridge. ^{[ 90 ]} En diez días, descubrió que el plutonio producido en reactor tenía una mayor concentración de ^240Pu que el plutonio producido en ciclotrón. ^{El 240Pu} tiene una alta tasa de fisión espontánea, lo que eleva el nivel general de neutrones de fondo de la muestra de plutonio. ^{[ 91 ]} Como resultado, el arma de plutonio original de tipo cañón , con nombre en clave " Thin Man ", tuvo que ser abandonada: el aumento del número de neutrones espontáneos significaba que era probable la predetonación nuclear ( fizzle ). ^{[ 92 ]}

Todo el esfuerzo de diseño de armas de plutonio en Los Alamos pronto se cambió al dispositivo de implosión más complejo, con nombre en clave " Fat Man ". En una bomba de implosión, el plutonio se comprime a alta densidad con lentes explosivas , una tarea técnicamente más compleja que la de una bomba simple de tipo cañón, pero necesaria para una bomba de plutonio. El uranio, en cambio, puede utilizarse con cualquiera de los dos métodos. ^{[ 92 ]}

La construcción del reactor B de Hanford , el primer reactor nuclear de tamaño industrial destinado a la producción de material, se completó en marzo de 1945. El reactor B produjo el material fisionable para las armas de plutonio utilizadas durante la Segunda Guerra Mundial. ^{[ nota 7 ]} Los reactores B, D y F fueron los primeros construidos en Hanford, y posteriormente se construyeron seis reactores adicionales para la producción de plutonio en el mismo emplazamiento. ^{[ 95 ]}

A finales de enero de 1945, el plutonio altamente purificado se sometió a una mayor concentración en el edificio de aislamiento químico, ya terminado, donde se eliminaron con éxito las impurezas restantes. Los Alamos recibió su primer plutonio de Hanford el 2 de febrero. Si bien aún no estaba claro que se pudiera producir suficiente plutonio para su uso en bombas antes del final de la guerra, Hanford ya estaba en funcionamiento a principios de 1945. Solo habían transcurrido dos años desde que el coronel Franklin Matthias estableció su cuartel general provisional a orillas del río Columbia. ^{[ 85 ]}

Según Kate Brown , las plantas de producción de plutonio de Hanford y Mayak en Rusia, durante un período de cuatro décadas, "liberaron más de 200 millones de curies de isótopos radiactivos al medio ambiente circundante, el doble de la cantidad expulsada en el desastre de Chernóbil en cada caso". ^{[ 96 ]} La mayor parte de esta contaminación radiactiva a lo largo de los años formó parte de las operaciones normales, pero ocurrieron accidentes imprevistos y la dirección de la planta lo mantuvo en secreto, mientras la contaminación continuaba sin cesar. ^{[ 96 ]}

En 2004, se descubrió una caja fuerte durante las excavaciones de una fosa común en el sitio nuclear de Hanford . Dentro de la caja fuerte se encontraron varios objetos, entre ellos una botella de vidrio grande que contenía una sustancia blanquecina, la cual fue identificada posteriormente como la muestra más antigua conocida de plutonio apto para armas nucleares. El análisis isotópico realizado por el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico indicó que el plutonio de la botella fue fabricado en el reactor de grafito X-10 en Oak Ridge durante 1944. ^{[ 97 ] [ 98 ] [ 99 ]}

La primera prueba de bomba atómica, con nombre en clave " Trinity " y detonada el 16 de julio de 1945 cerca de Alamogordo, Nuevo México , utilizó plutonio como material fisionable. ^{[ 57 ]} El diseño de implosión de " Gadget ", nombre en clave del dispositivo Trinity, utilizó lentes explosivas convencionales para comprimir una esfera de plutonio en una masa supercrítica, que fue simultáneamente bombardeada con neutrones de "Urchin" , un iniciador hecho de polonio y berilio ( fuente de neutrones : reacción (α, n) ). ^{[ 45 ]} En conjunto, esto aseguró una reacción en cadena descontrolada y una explosión. El arma pesaba más de 4 toneladas , aunque solo tenía 6  kg de plutonio. ^{[ 100 ]} Aproximadamente el 20% del plutonio en el arma Trinity se fisionó, liberando una energía equivalente a unas 20 000 toneladas de TNT. ^{[ 101 ] [ nota 8 ]}

Un diseño idéntico se utilizó en "Fat Man", lanzada sobre Nagasaki , Japón, el 9 de agosto de 1945, causando la muerte de entre 35 000 y 40 000 personas y destruyendo entre el 68 % y el 80 % de la producción bélica en Nagasaki. ^{[ 103 ]} Solo después del anuncio de las primeras bombas atómicas se dio a conocer al público la existencia y el nombre del plutonio mediante el Informe Smyth del Proyecto Manhattan . ^{[ 104 ]}

Durante la Guerra Fría , tanto la Unión Soviética como Estados Unidos acumularon grandes reservas de plutonio apto para armas nucleares . Los reactores estadounidenses de Hanford y del emplazamiento de Savannah River en Carolina del Sur produjeron 103 toneladas, ^{[ 105 ]} y se estima que la URSS produjo 170 toneladas de plutonio de grado militar. ^{[ 106 ] [ nota 9 ]} Cada año, se siguen produciendo unas 20 toneladas de este elemento como subproducto de la industria nuclear . ^{[ 20 ]} Se estima que hasta 1000 toneladas de plutonio podrían estar almacenadas, de las cuales más de 200 se encuentran dentro de armas nucleares o se han extraído de ellas. ^{[ 45 ]} El SIPRI estimó que las reservas mundiales de plutonio en 2007 eran de unas 500 toneladas, divididas a partes iguales entre reservas para armas y para uso civil. ^{[ 108 ]}     

La contaminación radiactiva en la planta de Rocky Flats se debió principalmente a dos grandes incendios de plutonio ocurridos en 1957 y 1969. Durante la vida útil de la planta, desde 1952 hasta 1992, se liberaron concentraciones mucho menores de isótopos radiactivos. Los vientos predominantes provenientes de la planta transportaron la contaminación atmosférica hacia el sur y el este, llegando a zonas pobladas al noroeste de Denver. La contaminación del área de Denver por plutonio, tanto de los incendios como de otras fuentes, no se hizo pública hasta la década de 1970. Según un estudio de 1972, del que Edward Martell fue coautor , «en las zonas más densamente pobladas de Denver, el nivel de contaminación por plutonio en los suelos superficiales es varias veces superior al de la lluvia radiactiva», y la contaminación por plutonio «justo al este de la planta de Rocky Flats alcanza niveles cientos de veces superiores a los de las pruebas nucleares». ^{[ 109 ]} Como señaló Carl Johnson en Ambio , "Las exposiciones de una gran población en el área de Denver al plutonio y otros radionúclidos en las columnas de escape de la planta se remontan a 1953". ^{[ 110 ]} La producción de armas en la planta de Rocky Flats se detuvo después de una redada conjunta del FBI y la EPA en 1989 y años de protestas. Desde entonces, la planta ha sido clausurada, sus edificios demolidos y retirados por completo del sitio. ^{[ 111 ]}

En Estados Unidos, parte del plutonio extraído de armas nucleares desmanteladas se funde para formar bloques de vidrio de óxido de plutonio que pesan dos  toneladas. ^{[ 45 ]} El vidrio está hecho de borosilicatos mezclados con cadmio y gadolinio . ^{[ nota 10 ]} Se planea que estos bloques se encapsulen en acero inoxidable y se almacenen a una profundidad de hasta 4 km (2 millas) bajo tierra en pozos que se rellenarán con hormigón . ^{[ 45 ]} Estados Unidos planeaba almacenar plutonio de esta manera en el depósito de residuos nucleares de Yucca Mountain , que se encuentra a unos 160 km (100 millas ) al noreste de Las Vegas , Nevada. ^{[ 112 ]}   

El 5 de marzo de 2009, el secretario de Energía, Steven Chu, declaró en una audiencia del Senado que "el sitio de Yucca Mountain ya no se consideraba una opción para almacenar desechos de reactores". ^{[ 113 ]} Desde 1999, los desechos nucleares generados por el ejército se almacenan en la Planta Piloto de Aislamiento de Residuos en Nuevo México.

En un Memorando Presidencial fechado el 29 de enero de 2010, el Presidente Obama estableció la Comisión de Alto Nivel sobre el Futuro Nuclear de Estados Unidos . ^{[ 114 ]} En su informe final, la Comisión presentó recomendaciones para desarrollar una estrategia integral a seguir, que incluye: ^{[ 115 ]}

"Recomendación n.° 1: Estados Unidos debería emprender un programa integrado de gestión de residuos nucleares que conduzca al desarrollo oportuno de una o más instalaciones geológicas profundas permanentes para la eliminación segura del combustible gastado y los residuos nucleares de alta actividad". ^{[ 115 ]}

Durante y después del final de la Segunda Guerra Mundial, los científicos que trabajaban en el Proyecto Manhattan y otros proyectos de investigación de armas nucleares realizaron estudios sobre los efectos del plutonio en animales de laboratorio y sujetos humanos. ^{[ 116 ]} Los estudios en animales encontraron que unos pocos miligramos de plutonio por kg de tejido es una dosis letal. ^{[ 117 ]}

En el caso de los sujetos humanos, esto implicaba inyectar soluciones que generalmente contenían 5 microgramos (μg) de plutonio a pacientes hospitalizados que se creía que estaban en fase terminal o que tenían una esperanza de vida inferior a diez años debido a la edad o a una enfermedad crónica. ^{[ 116 ]} Esta dosis se redujo a 1 μg en julio de 1945 después de que estudios en animales demostraran que la forma en que el plutonio se distribuye en los huesos es más peligrosa que la del radio . ^{[ 117 ]} La mayoría de los sujetos, según Eileen Welsome , eran pobres, indefensos y estaban enfermos. ^{[ 118 ]}

Entre 1945 y 1947, dieciocho sujetos de prueba humanos fueron inyectados con plutonio sin consentimiento informado . Las pruebas se utilizaron para crear herramientas de diagnóstico para determinar la absorción de plutonio en el cuerpo con el fin de desarrollar estándares de seguridad para trabajar con plutonio. ^{[ 116 ]} Ebb Cade fue un participante involuntario en experimentos médicos que implicaron la inyección de 4,7 μg de plutonio el 10 de abril de 1945 en Oak Ridge, Tennessee . ^{[ 119 ] [ 120 ]} Este experimento estuvo bajo la supervisión de Harold Hodge . ^{[ 121 ]} Otros experimentos dirigidos por la Comisión de Energía Atómica de los Estados Unidos y el Proyecto Manhattan continuaron hasta la década de 1970. Los Archivos del Plutonio narran las vidas de los sujetos del programa secreto nombrando a cada persona involucrada y discutiendo la investigación ética y médica llevada a cabo en secreto por los científicos y médicos. El episodio ahora se considera una violación grave de la ética médica y del Juramento Hipocrático . ^{[ 122 ]}

El gobierno encubrió la mayoría de estas acciones hasta 1993, cuando el presidente Bill Clinton ordenó un cambio de política y las agencias federales pusieron a disposición los registros pertinentes. La investigación resultante fue llevada a cabo por el Comité Asesor del Presidente sobre Experimentos de Radiación en Humanos , y sacó a la luz gran parte del material sobre la investigación con plutonio en seres humanos. El comité emitió un controvertido informe en 1995 que afirmaba que "se habían cometido errores", pero no condenaba a quienes los perpetraron. ^{[ 118 ]}

^{El 239Pu} es un componente fisionable clave en las armas nucleares, debido a su facilidad de fisión y disponibilidad. Recubrir el núcleo de plutonio de la bomba con un tamper (una capa de material denso) disminuye la masa crítica al reflejar los neutrones que escapan de vuelta al núcleo de plutonio. Esto reduce la masa crítica de 16  kg a 10  kg, que es una esfera con un diámetro de aproximadamente 10 centímetros (4 pulgadas) . ^{[ 123 ]} Esta masa crítica es aproximadamente un tercio de la del uranio-235. ^{[ 14 ]} 

Las bombas de plutonio Fat Man utilizaban la compresión explosiva del plutonio para obtener una densidad significativamente mayor de lo normal, combinada con una fuente central de neutrones para iniciar la reacción y aumentar la eficiencia. Así, solo  se necesitaban 6 kg de plutonio para un rendimiento explosivo equivalente a 20 kilotones de TNT. ^{[ 101 ] [ 124 ]} Hipotéticamente, se podrían utilizar tan solo 4  kg de plutonio —e incluso menos— para fabricar una sola bomba atómica mediante diseños de ensamblaje muy sofisticados. ^{[ 124 ]}

El combustible nuclear gastado de los reactores de agua ligera convencionales contiene plutonio, pero es una mezcla de plutonio-242 , 240, 239 y 238. Esta mezcla no está suficientemente enriquecida para la fabricación de armas nucleares eficientes, pero puede utilizarse una vez como combustible MOX . ^{[ 125 ]} La captura accidental de neutrones provoca que la cantidad de plutonio-242 y 240 aumente cada vez que el plutonio se irradia en un reactor con neutrones térmicos de baja velocidad, de modo que, tras el segundo ciclo, el plutonio solo puede consumirse mediante reactores de neutrones rápidos . Si no se dispone de reactores de neutrones rápidos (lo habitual), el exceso de plutonio se suele desechar y constituye uno de los componentes de mayor vida útil de los residuos nucleares. El deseo de consumir este plutonio y otros combustibles transuránicos y reducir la radiotoxicidad de los residuos es la razón habitual que dan los ingenieros nucleares para construir reactores de neutrones rápidos. ^{[ 126 ]}

El proceso químico más común, PUREX ( Extracción de Plutonio y Uranio ) , reprocesa el combustible nuclear gastado para extraer plutonio y uranio, que pueden utilizarse para formar un combustible de óxido mixto (MOX) para su reutilización en reactores nucleares. Se puede añadir plutonio apto para armas a la mezcla de combustible. El combustible MOX se utiliza en reactores de agua ligera y consta de 60 kg de plutonio por tonelada de combustible; después de cuatro años, tres cuartas partes del plutonio se queman (se transforman en otros elementos). ^{[ 45 ]} El combustible MOX se utiliza desde la década de 1980 y es ampliamente utilizado en Europa. ^{[ 125 ]} Los reactores reproductores están diseñados específicamente para crear más material fisionable del que consumen. ^{[ 127 ]} 

El combustible MOX mejora la quema total. Una barra de combustible se reprocesa después de tres años de uso para eliminar los productos de desecho, que para entonces representan el 3 % del peso total de las barras. ^{[ 45 ]} Cualquier isótopo de uranio o plutonio producido durante esos tres años se deja y la barra vuelve a entrar en producción. ^{[ nota 11 ]} La presencia de hasta un 1 % de galio por masa en la aleación de plutonio de grado militar tiene el potencial de interferir con el funcionamiento a largo plazo de un reactor de agua ligera. ^{[ 128 ]}

El plutonio recuperado del combustible gastado de los reactores presenta un bajo riesgo de proliferación, debido a la excesiva contaminación con plutonio-240 y plutonio-242 no fisionables. La separación de los isótopos no es factible. Generalmente se requiere un reactor dedicado que opere con un grado de quemado muy bajo (por lo tanto, una exposición mínima del plutonio-239 recién formado a neutrones adicionales que provocan su transformación en isótopos más pesados ​​de plutonio) para producir material apto para su uso en armas nucleares eficientes . Si bien el plutonio "apto para armas" se define como aquel que contiene al menos un 92 % de plutonio-239 (del plutonio total), Estados Unidos ha logrado detonar un dispositivo de menos de 20 kT utilizando plutonio que se cree que contiene solo alrededor del 85 % de plutonio-239, el llamado plutonio "apto para combustible". ^{[ 129 ]} El plutonio de grado reactor producido por un ciclo de combustión regular de LWR generalmente contiene menos del 60 % de Pu-239, con hasta un 30 % de Pu-240/Pu-242 parásito y entre un 10 y un 15 % de Pu-241 fisionable. ^{[ 129 ]} Se desconoce si un dispositivo que utilice plutonio obtenido de residuos nucleares civiles reprocesados ​​puede detonarse; sin embargo, dicho dispositivo podría hipotéticamente fallar y dispersar materiales radiactivos sobre una gran área urbana. El OIEA clasifica de forma conservadora el plutonio de todos los vectores isotópicos como material de "uso directo", es decir, "material nuclear que puede utilizarse para la fabricación de componentes de explosivos nucleares sin transmutación ni enriquecimiento adicional". ^{[ 129 ]}

El plutonio-238 tiene una vida media de 87,74  años. ^{[ 130 ]} Emite una gran cantidad de energía térmica con bajos niveles de rayos gamma / fotones y neutrones. ^{[ 131 ]} Al ser un emisor alfa, combina radiación de alta energía con baja penetración y, por lo tanto, requiere un blindaje mínimo. Una hoja de papel puede usarse para protegerse de las partículas alfa del ²³⁸ Pu. Un kilogramo del isótopo genera aproximadamente 570 vatios de calor. ^{[ 14 ] [ 131 ]}

Estas características lo hacen muy adecuado para la generación de energía eléctrica para dispositivos que deben funcionar sin mantenimiento directo durante períodos de tiempo que se aproximan a la vida de un ser humano. Por lo tanto, se utiliza en generadores termoeléctricos de radioisótopos y unidades de calentamiento de radioisótopos como las de las sondas espaciales Cassini , ^{[ 132 ]} Voyager , Galileo y New Horizons , ^{[ 133 ]} y los rovers de Marte Curiosity ^{[ 134 ]} y Perseverance ( Mars 2020 ) .

Las naves espaciales gemelas Voyager fueron lanzadas en 1977, cada una con una fuente de energía de plutonio de 500 vatios. Más de 30 años después, cada fuente aún produce alrededor de 300 vatios, lo que permite un funcionamiento limitado de cada nave. ^{[ 135 ]} Una versión anterior de la misma tecnología impulsó cinco paquetes de experimentos de superficie lunar Apolo , comenzando con el Apolo 12 en 1969. ^{[ 45 ]}

^{El 238Pu} también se ha utilizado con éxito para alimentar marcapasos cardíacos artificiales , para reducir el riesgo de cirugías repetidas. ^{[ 136 ] [ 137 ]} Ha sido reemplazado en gran medida por celdas primarias basadas en litio , pero a partir de 2003Había entre 50 y 100 marcapasos alimentados por plutonio todavía implantados y funcionando en pacientes vivos en los Estados Unidos. ^{[ 138 ]} A finales de 2007, se informó que el número de marcapasos alimentados por plutonio se había reducido a solo nueve. ^{[ 139 ] El 238} Pu se estudió como una forma de proporcionar calor suplementario al buceo . ^{[ 140 ] El 238} Pu mezclado con berilio se utiliza para generar neutrones con fines de investigación. ^{[ 45 ]}

Los efectos nocivos del plutonio tienen dos aspectos: la radiactividad y la intoxicación por metales pesados . Los compuestos de plutonio son radiactivos y se acumulan en la médula ósea . La contaminación por óxido de plutonio se ha producido a raíz de desastres nucleares e incidentes radiactivos , incluidos accidentes nucleares militares en los que se han quemado armas nucleares. ^{[ 141 ]} Los estudios sobre los efectos de estas liberaciones menores, así como sobre la enfermedad y la muerte generalizadas por envenenamiento por radiación tras los bombardeos atómicos de Hiroshima y Nagasaki , han proporcionado información considerable sobre los peligros, los síntomas y el pronóstico del envenenamiento por radiación , que en el caso de los supervivientes japoneses no estuvo relacionado en gran medida con la exposición directa al plutonio. ^{[ 142 ]}

La desintegración del plutonio libera tres tipos de radiación ionizante : alfa (α), beta (β) y gamma (γ). Tanto la exposición aguda como la prolongada conllevan el riesgo de graves consecuencias para la salud, como la enfermedad por radiación , daños genéticos , cáncer y la muerte. El riesgo aumenta con la cantidad de exposición. ^{[ 45 ]} La radiación α solo puede viajar una corta distancia y no puede atravesar la capa externa y muerta de la piel humana. La radiación β puede penetrar la piel humana, pero no puede atravesar todo el cuerpo. La radiación γ puede atravesar todo el cuerpo. ^{[ 143 ]} Aunque la radiación α no puede penetrar la piel, el plutonio ingerido o inhalado sí irradia los órganos internos. ^{[ 45 ]} Se ha descubierto que las partículas α generadas por el plutonio inhalado causan cáncer de pulmón en una cohorte de trabajadores nucleares europeos. ^{[ 144 ]} El esqueleto , donde se acumula el plutonio, y el hígado , donde se acumula y se concentra, están en riesgo. ^{[ 44 ]} El plutonio no se absorbe eficientemente en el cuerpo cuando se ingiere; solo el 0,04% del óxido de plutonio se absorbe después de la ingestión. ^{[ 45 ]} El plutonio absorbido por el cuerpo se excreta muy lentamente, con una vida media biológica de 200 años. ^{[ 145 ]} El plutonio pasa lentamente a través de las membranas celulares y los límites intestinales, por lo que la absorción por ingestión y la incorporación a la estructura ósea se producen muy lentamente. ^{[ 146 ] [ 147 ]} Donald Mastick ingirió accidentalmente una pequeña cantidad de cloruro de plutonio(III) , que fue detectable durante los siguientes treinta años de su vida, pero aparentemente no sufrió efectos adversos. ^{[ 148 ]}

El plutonio es más peligroso si se inhala que si se ingiere. El riesgo de cáncer de pulmón aumenta una vez que la dosis total equivalente de radiación del plutonio inhalado supera los 400 mSv . ^{[ 149 ]} El Departamento de Energía de EE. UU. estima que el riesgo de cáncer a lo largo de la vida por inhalar 5000 partículas de plutonio, cada una de aproximadamente 3  μm de ancho, es un 1 % superior al promedio de radiación de fondo en EE. UU. ^{[ 150 ]} La ingestión o inhalación de grandes cantidades puede causar envenenamiento agudo por radiación y posiblemente la muerte. Sin embargo, no se conoce ningún caso de muerte humana por inhalación o ingestión de plutonio, y muchas personas tienen cantidades medibles de plutonio en sus cuerpos. ^{[ 129 ]}

La teoría de la " partícula caliente ", según la cual una partícula de polvo de plutonio irradia un punto localizado del tejido pulmonar, no está respaldada por la investigación convencional: dichas partículas son más móviles de lo que se pensaba inicialmente y la toxicidad no aumenta de forma apreciable debido a su forma particulada. ^{[ 146 ]} Al inhalarse, el plutonio puede pasar al torrente sanguíneo. Una vez en el torrente sanguíneo, el plutonio se desplaza por todo el cuerpo y llega a los huesos, el hígado u otros órganos. El plutonio que llega a los órganos generalmente permanece en el cuerpo durante décadas y continúa exponiendo el tejido circundante a la radiación, pudiendo así causar cáncer. ^{[ 151 ]}

Una cita comúnmente atribuida a Ralph Nader afirma que una libra de polvo de plutonio dispersada en la atmósfera sería suficiente para matar a 8  mil millones de personas. ^{[ 152 ]} Esto fue refutado por Bernard Cohen , un opositor del modelo lineal sin umbral de toxicidad por radiación generalmente aceptado. Cohen estimó que una libra de plutonio podría matar a no más de 2  millones de personas por inhalación, por lo que la toxicidad del plutonio es aproximadamente equivalente a la del gas nervioso . ^{[ 153 ]}

Se ha realizado un seguimiento y análisis exhaustivo de varias poblaciones expuestas al polvo de plutonio (por ejemplo, personas que vivían a sotavento de los sitios de prueba de Nevada, supervivientes de Nagasaki, trabajadores de instalaciones nucleares y pacientes terminales a quienes se les inyectó Pu entre 1945 y 1946 para estudiar su metabolismo). Cohen encontró que estos estudios eran inconsistentes con las altas estimaciones de toxicidad del plutonio, citando casos como el de Albert Stevens , quien sobrevivió hasta la vejez tras ser inyectado con plutonio. ^{[ 146 ]} "Hubo unos 25 trabajadores del Laboratorio Nacional de Los Alamos que inhalaron una cantidad considerable de polvo de plutonio durante la década de 1940; según la teoría de partículas calientes, cada uno de ellos tiene un 99,5 % de probabilidades de haber muerto de cáncer de pulmón, pero no se ha registrado ni un solo caso entre ellos." ^{[ 153 ] [ 154 ]}

Se sabe que el plutonio ingresa al medio marino por vertido de desechos o fugas accidentales de plantas nucleares. Aunque las concentraciones más altas de plutonio en los ambientes marinos se encuentran en los sedimentos, el complejo ciclo biogeoquímico del plutonio implica que también se encuentra en todos los demás compartimentos. ^{[ 155 ]} Por ejemplo, varias especies de zooplancton que ayudan en el ciclo de nutrientes consumen el elemento diariamente. La excreción completa del plutonio ingerido por el zooplancton hace que su defecación sea un mecanismo extremadamente importante en la eliminación de plutonio de las aguas superficiales. ^{[ 156 ]} Sin embargo, aquellos zooplancton que sucumben a la depredación de organismos más grandes pueden convertirse en un vehículo de transmisión de plutonio a los peces.

Además del consumo, los peces también pueden estar expuestos al plutonio debido a su distribución global. Un estudio investigó los efectos de los elementos transuránicos ( plutonio-238 , plutonio-239 , plutonio-240 ) en diversas especies de peces que habitan la Zona de Exclusión de Chernóbil (ZEC). Los resultados mostraron que una proporción de percas hembras en la ZEC presentaba fallos o retrasos en la maduración de las gónadas. ^{[ 157 ]} Estudios similares hallaron grandes acumulaciones de plutonio en los órganos respiratorios y digestivos del bacalao, el lenguado y el arenque. ^{[ 155 ]}

La toxicidad del plutonio es igualmente perjudicial para las larvas de peces en áreas de desechos nucleares. Los huevos no desarrollados tienen un riesgo mayor que los peces adultos desarrollados expuestos al elemento en estas áreas de desechos. El Laboratorio Nacional de Oak Ridge demostró que los embriones de carpa y pececillo criados en soluciones que contenían plutonio no eclosionaron; los huevos que eclosionaron mostraron anomalías significativas en comparación con los embriones desarrollados de control. ^{[ 158 ]} Se reveló que se ha descubierto que concentraciones más altas de plutonio causan problemas en la fauna marina expuesta al elemento.

Debe tenerse cuidado de evitar la acumulación de cantidades de plutonio que se aproximen a la masa crítica, especialmente porque la masa crítica del plutonio es solo un tercio de la del uranio-235. ^{[ 14 ]} Una masa crítica de plutonio emite cantidades letales de neutrones y rayos gamma . ^{[ 159 ]} El plutonio en solución tiene más probabilidades de alcanzar una masa crítica que en estado sólido debido a la moderación del hidrógeno en el agua. ^{[ 20 ]}

Se han producido accidentes de criticidad , algunos de ellos mortales. El manejo negligente de ladrillos de carburo de tungsteno  alrededor de una esfera de plutonio de 6,2 kg provocó una dosis fatal de radiación en Los Alamos el 21 de agosto de 1945, cuando el científico Harry Daghlian recibió una dosis estimada en 5,1  sievert (510 rem ) y murió 25 días después. ^{[ 160 ] [ 161 ]} Nueve meses después, otro científico de Los Alamos, Louis Slotin , murió a causa de un accidente similar que involucró un reflector de berilio y el mismo núcleo de plutonio (el " núcleo demoníaco ") que había matado previamente a Daghlian. ^{[ 162 ]}  

En diciembre de 1958, durante un proceso de purificación de plutonio en Los Álamos, se formó una masa crítica en un recipiente de mezcla, lo que provocó la muerte del operador químico Cecil Kelley . Otros accidentes nucleares han ocurrido en la Unión Soviética, Japón, Estados Unidos y muchos otros países. ^{[ 163 ]}

El plutonio metálico es un peligro de incendio, especialmente si está finamente dividido. En un ambiente húmedo, el plutonio forma hidruros en su superficie, que son pirofóricos y pueden inflamarse en el aire a temperatura ambiente. El plutonio se expande hasta un 70 % en volumen al oxidarse y, por lo tanto, puede romper su contenedor. ^{[ 47 ]} La radiactividad del material en combustión es otro peligro. La arena de óxido de magnesio es probablemente el material más eficaz para extinguir un incendio de plutonio. Enfría el material en combustión, actuando como disipador de calor , y también bloquea el oxígeno. Se requieren precauciones especiales para almacenar o manipular plutonio en cualquier forma; generalmente se requiere una atmósfera de gas inerte seco. ^{[ 47 ] [ nota 12 ]}

El transporte habitual de plutonio se realiza mediante óxido de plutonio, más estable, en un paquete sellado. Un transporte típico consiste en un camión que transporta un contenedor protegido, con varios paquetes cuyo peso total varía entre 80 y 200  kg de óxido de plutonio. Un envío marítimo puede consistir en varios contenedores, cada uno con un paquete sellado. ^{[ 165 ]} La Comisión Reguladora Nuclear de EE. UU. exige que sea sólido en lugar de polvo si el contenido supera los 0,74 TBq (20 curies ) de radiactividad. ^{[ 166 ]} En 2016, los buques Pacific Egret ^{[ 167 ]} y Pacific Heron de Pacific Nuclear Transport Ltd. transportaron 331 kg (730 lbs) de plutonio a una instalación del gobierno de Estados Unidos en Savannah River , Carolina del Sur . ^{[ 168 ] [ 169 ]}    

Las regulaciones de transporte aéreo del gobierno de EE. UU. permiten el transporte de plutonio por vía aérea, sujeto a restricciones sobre otros materiales peligrosos transportados en el mismo vuelo, requisitos de embalaje y estiba en la parte más trasera de la aeronave. ^{[ 170 ]}

En 2012, los medios revelaron que se había transportado plutonio desde Noruega en aviones comerciales de pasajeros —aproximadamente cada dos años— incluyendo una vez en 2011. ^{[ 171 ]} Las regulaciones permiten que un avión transporte 15 gramos de material fisionable. ^{[ 171 ]} Dicho transporte de plutonio no presenta problemas, según un asesor principal ( seniorådgiver ) de Statens strålevern . ^{[ 171 ]}