Plutonio-239

Plutonio-239 ( ²³⁹⁾El plutonio-239 (Pu o Pu-239 ) es un isótopo del plutonio . Es el principal isótopo fisionable utilizado para la producción de armas nucleares , aunque el uranio-235 también se emplea con ese fin. El plutonio-239 es, además, uno de los tres isótopos que han demostrado ser utilizables como combustible en reactores nucleares de espectro térmico , junto con el uranio-235 y el uranio-233 . El plutonio-239 tiene una vida media de 24 110 años. ^{[ 4 ]}

La menor masa crítica del plutonio-239, así como la capacidad de producir grandes cantidades de ^239Pu casi puro a un costo menor que el del uranio-235 altamente enriquecido apto para armas nucleares, propiciaron su uso en armas nucleares y centrales nucleares. La fisión de un átomo de uranio-235 (con una abundancia del 0,720 %) en un reactor nuclear produce de dos a tres neutrones, que pueden ser absorbidos por el uranio-238 (con una abundancia del 99,3 %) para producir plutonio-239 y otros isótopos. El plutonio-239 también absorbe neutrones y se fisiona junto con el uranio-235 en un reactor.

De los combustibles nucleares comunes, el ^239Pu tiene la masa crítica más pequeña . Su masa crítica esférica sin alterar es de aproximadamente 11  kg (24,2  libras), ^{[ 5 ]} 10,2  cm (4") de diámetro. Utilizando disparadores, reflectores de neutrones, geometría de implosión y manipuladores adecuados , la masa crítica puede ser menos de la mitad de esa.

La fisión de un átomo de ²³⁹ Pu genera 207,1 MeV = 3,318 × 10 ⁻¹¹ J, es decir 19,98 TJ/ mol = 83,61 TJ/kg, ^{[ 6 ]} o alrededor de 23 gigavatios hora/kg.

El plutonio se obtiene del isótopo de uranio más abundante , el uranio-238 . ^{El 239} Pu se crea normalmente en reactores nucleares mediante la transmutación de átomos individuales de ²³⁸ U presentes en las barras de combustible. Ocasionalmente, cuando un átomo de ²³⁸ U se expone a la radiación de neutrones , su núcleo captura un neutrón , transformándolo en ²³⁹ U. Esto ocurre con mayor frecuencia con menor energía cinética (ya que la activación de fisión ^{del 238} U es de 6,6 MeV). ^{[ 7 ]} El ²³⁹ U luego experimenta rápidamente dos desintegraciones β ⁻ : una emisión de un electrón y un antineutrino (${\displaystyle {\bar {\nu }}_{e}}$), dejando un protón en el núcleo: la primera desintegración β ⁻ transforma el ²³⁹ U en ²³⁹ Np , y la segunda desintegración β ⁻ transforma el ²³⁹ Np en ²³⁹ Pu: ^{[ 8 ] [ 9 ]}

${\displaystyle {\ce {{}^{238}_{92}U + {}^{1}_{0}n -> {}^{239}_{92}U ->[\beta^-][23.5\ {\ce {min}}] {}^{239}_{93}Np ->[\beta^-][2.356\ {\ce {d}}] {}^{239}_{94}Pu}}}$

Esta reacción es relativamente lenta, por lo que incluso después de una exposición significativa, el ^239Pu permanece mezclado con una gran cantidad de ^238U (y posiblemente otros isótopos de uranio), oxígeno, otros componentes del material original y productos de fisión . Solo si el combustible ha estado expuesto durante algunos días en el reactor, el ^239Pu puede separarse químicamente del resto del material para obtener ^239Pu metálico de alta pureza .

^{El 239Pu} tiene una mayor probabilidad de fisión que ^{el 235U} y produce una mayor cantidad de neutrones por evento de fisión, por lo que tiene una masa crítica menor. ^{[ 10 ] El 239Pu} puro también tiene una tasa de emisión de neutrones razonablemente baja debido a la fisión espontánea (10 fisiones/s·kg), lo que hace factible ensamblar una masa que sea altamente supercrítica antes de que comience una reacción en cadena de detonación .

En la práctica, sin embargo, el plutonio producido en reactores nucleares invariablemente contiene cierta cantidad de ^240Pu debido a la tendencia del ^239Pu a absorber un neutrón adicional durante su producción. ^{El 240Pu} tiene una alta tasa de fisión espontánea (415 000 fisiones/s·kg), lo que lo convierte en un contaminante indeseable. En consecuencia, el plutonio que contiene una fracción significativa de ^240Pu no es adecuado para su uso en armas nucleares; emite radiación de neutrones, lo que dificulta su manipulación, y su presencia puede provocar una pequeña explosión que destruye el arma, pero no causa la fisión de una fracción significativa del combustible. Es debido a esta limitación que las armas basadas en plutonio deben ser de implosión, en lugar de cañones. Además, el ^239Pu y el ^240Pu no se pueden distinguir químicamente, por lo que sería necesaria una separación isotópica costosa y compleja para separarlos. El plutonio apto para armas se define como aquel que no contiene más del 7 % de ²⁴⁰ Pu; esto se logra exponiendo ^{el 238} U a fuentes de neutrones solo durante períodos cortos de tiempo para minimizar la producción de ²⁴⁰ Pu (esto también reduce de manera importante los isótopos de vida corta ²³⁸ Pu y ²⁴¹ Pu, y el ²⁴¹ Am proveniente de la desintegración de este último).

El plutonio se clasifica según el porcentaje del contaminante plutonio-240 que contiene:

• Supergrado 2–3%
• Armas de grado 3–7%
• Grado de combustible 7–18%
• Grado del reactor 18% o más

Un reactor nuclear utilizado para producir plutonio para armas generalmente cuenta con un sistema para exponer ^{el 238U} a la radiación de neutrones y para reemplazar frecuentemente el ^{238U irradiado por 238U} nuevo. Un reactor que funciona con uranio no enriquecido o moderadamente enriquecido contiene una gran cantidad de ^238U . Sin embargo, la mayoría de los diseños de reactores nucleares comerciales requieren el apagado completo del reactor, a menudo durante semanas, para cambiar los elementos combustibles. Por lo tanto, producen plutonio con una mezcla de isótopos poco adecuada para la fabricación de armas. Dicho reactor podría incorporar maquinaria que permitiera colocar bloques de ^238U cerca del núcleo y cambiarlos con frecuencia, o bien podría apagarse con frecuencia, lo que genera preocupación por la proliferación; por esta razón, el Organismo Internacional de Energía Atómica inspecciona frecuentemente los reactores autorizados. Algunos diseños de reactores de potencia comerciales, como el reactor de agua pesada de gran caudal ( RBMK ) y el reactor de agua pesada presurizada ( PHWR ), permiten la recarga de combustible sin paradas, y pueden plantear un riesgo de proliferación. Por el contrario, el reactor canadiense CANDU, moderado por agua pesada y alimentado con uranio natural, también puede recargarse mientras está en funcionamiento, pero normalmente consume la mayor parte del ²³⁹ Pu que produce in situ; por lo tanto, no solo es inherentemente menos proliferativo que la mayoría de los reactores, sino que incluso puede funcionar como un " incinerador de actínidos ". ^{[ 11 ]} El IFR (Integral Fast Reactor) estadounidense también puede funcionar en modo de incineración, con algunas ventajas al no acumular el isótopo plutonio-242 o los actínidos de larga vida , que no pueden quemarse fácilmente excepto en un reactor rápido. Además, el combustible del IFR tiene una alta proporción de isótopos quemables, mientras que en el CANDU se necesita un material inerte para diluir el combustible; Esto significa que el IFR puede consumir una mayor fracción de su combustible antes de necesitar reprocesamiento. La mayor parte del plutonio se produce en reactores de investigación o reactores de producción de plutonio llamados reactores reproductores , ya que producen más plutonio del que consumen combustible; en principio, estos reactores hacen un uso extremadamente eficiente del uranio natural. En la práctica, su construcción y operación son tan complejas que generalmente solo se utilizan para producir plutonio. Los reactores reproductores suelen ser (aunque no siempre) reactores rápidos , dado que los neutrones rápidos son algo más eficientes en la producción de plutonio.

El plutonio-239 se utiliza con mayor frecuencia en armas nucleares que el uranio-235, ya que es más fácil obtenerlo en cantidades que permitan alcanzar la criticidad. El proceso de enriquecimiento de uranio , es decir, aumentar la proporción de ^235U respecto a ^238U hasta alcanzar el grado necesario para armas nucleares, suele ser más largo y costoso que la producción de plutonio-239 a partir de ^238U y su posterior separación química.

En cualquier reactor nuclear en funcionamiento que contenga ^238U , se acumulará plutonio-239 en el combustible nuclear. ^{[ 12 ]} A diferencia de los reactores utilizados para producir plutonio apto para armas nucleares, los reactores nucleares comerciales suelen operar con un alto grado de quemado , lo que permite que se acumule una cantidad significativa de plutonio en el combustible irradiado del reactor. El plutonio-239 estará presente tanto en el núcleo del reactor durante su funcionamiento como en el combustible nuclear gastado que se ha retirado del reactor al final de la vida útil del conjunto de combustible (normalmente varios años). El combustible nuclear gastado suele contener alrededor del 0,8 % de plutonio-239.

El plutonio-239 presente en el combustible del reactor puede absorber neutrones y fisionarse al igual que el uranio-235. Dado que el plutonio-239 se crea constantemente en el núcleo del reactor durante su funcionamiento, su uso como combustible nuclear en centrales eléctricas puede realizarse sin reprocesar el combustible gastado; el plutonio-239 se fisiona en las mismas barras de combustible en las que se produce. La fisión del plutonio-239 proporciona más de un tercio de la energía total producida en una central nuclear comercial típica. ^{[ 13 ]} El combustible del reactor acumularía mucho más del 0,8 % de plutonio-239 durante su vida útil si parte de este no se "quemara" constantemente mediante fisión.

Se puede añadir deliberadamente un pequeño porcentaje de plutonio-239 al combustible nuclear nuevo. Este combustible se denomina combustible MOX (óxido mixto) , ya que contiene una mezcla de dióxido de uranio (UO₂ ₎ y dióxido de plutonio (PuO₂ ₎ . La adición de plutonio-239 reduce la necesidad de enriquecer el uranio del combustible.

El plutonio-239 emite partículas alfa para convertirse en uranio-235. Como emisor alfa, el plutonio-239 no es particularmente peligroso como fuente de radiación externa, pero si se inhala en forma de polvo es muy peligroso y cancerígeno . Se ha estimado que una libra (454 gramos) de plutonio inhalada en forma de nanopartículas de óxido de plutonio, cuyo tamaño permite que entren y permanezcan en los pulmones, podría causar cáncer a dos millones de personas. ^{[ 14 ]} Sin embargo, esta estimación se basa en el modelo lineal de dosis sin umbral, que ha sido criticado. ^{[ 15 ]}

El plutonio ingerido por vía oral es mucho menos peligroso, ya que solo una pequeña fracción se absorbe en el tracto gastrointestinal; ^{[ 16 ] [ 17 ]} 800  mg difícilmente causarían un riesgo importante para la salud en lo que respecta a la radiación. ^{[ 14 ]} Como metal pesado , el plutonio también es químicamente tóxico.

• Isótopos de plutonio

• Banco de datos de sustancias peligrosas de la NLM: plutonio radiactivo
• Tabla de nucleidos con datos de ²³⁹ Pu en Kaye y Laby Online
• Vida media del plutonio-239. Archivado el 15 de agosto de 2011 en Wayback Machine.