El plutonio en el medio ambiente

Desde mediados del siglo XX, el plutonio presente en el medio ambiente se ha producido principalmente por la actividad humana. Las primeras plantas que produjeron plutonio para su uso en bombas atómicas de la Guerra Fría fueron la planta nuclear de Hanford en Washington y la planta nuclear de Mayak , en el óblast de Cheliábinsk , Rusia . En un período de cuatro décadas, ^[1] "ambas liberaron más de 200 millones de curios de isótopos radiactivos al medio ambiente circundante, el doble de la cantidad expulsada en el desastre de Chernóbil en cada caso". ^[2]

La mayoría de los isótopos de plutonio no tienen una vida corta en una escala de tiempo geológica , ^[3] aunque se ha argumentado que aún existen rastros del isótopo ²⁴⁴ Pu de larga duración en la naturaleza. ^[4] Este isótopo se ha encontrado en el suelo lunar , ^[5] meteoritos , ^[6] y en el reactor natural Oklo . ^[7] Sin embargo, un estudio sobre plutonio en sedimentos marinos indica que la lluvia radiactiva de la bomba atómica representa el 66% del ²³⁹ Pu y el 59% del ²⁴⁰ Pu en el Canal de la Mancha . En contraste, el reprocesamiento nuclear contribuye con la mayoría del ²³⁸ Pu y el ²⁴¹ Pu en los océanos de la Tierra, mientras que las pruebas de armas nucleares son responsables de solo el 6,5% y el 16,5% de estos isótopos, respectivamente. ^[8]

Richland, Washington, fue la primera ciudad establecida para apoyar la producción de plutonio en la cercana planta nuclear de Hanford , para alimentar los arsenales de armas nucleares estadounidenses. Ozersk, Rusia, apoyó la producción de plutonio para alimentar los arsenales nucleares soviéticos en la planta nuclear de Mayak . Estas fueron las dos primeras ciudades del mundo en producir plutonio para su uso en bombas atómicas de la Guerra Fría . ^[2]

En el libro de 2013, Plutopia: Nuclear Families, Atomic Cities, and the Great Soviet and American Plutonium Disasters , Kate Brown explora la salud de los ciudadanos afectados tanto en Estados Unidos como en Rusia, y los "desastres en cámara lenta" que aún amenazan los entornos donde se ubican las plantas. ^[1] Según Brown, las plantas de Hanford y Mayak liberaron más de 200 millones de curios de isótopos radiactivos al medio ambiente circundante durante cuatro décadas, lo que es el doble de la cantidad expulsada en el desastre de Chernóbil en cada caso. ^[2]

La mayor parte de la contaminación radiactiva que se produjo a lo largo de los años en Hanford y Mayak formaba parte de operaciones normales. Se produjeron accidentes imprevistos, pero la dirección de la planta los mantuvo en secreto y la contaminación continuó sin cesar. Incluso hoy, mientras persisten las amenazas de contaminación para la salud y el medio ambiente, el gobierno oculta al público información sobre los riesgos asociados. ^[2]

Las pruebas de bombas atómicas han liberado al medio ambiente unas 3,5 toneladas de plutonio. Aunque esto puede parecer significativo, sólo ha dado lugar a una dosis muy pequeña para la mayoría de los seres humanos de la Tierra. En general, los efectos sobre la salud de los productos de fisión son mucho mayores que los efectos de los actínidos liberados por la detonación de una bomba nuclear. El plutonio del combustible de la bomba se convierte en un óxido de alta temperatura que se eleva por el aire. Cae lentamente a la Tierra como lluvia radiactiva global y no es soluble , por lo que es difícil que este plutonio se incorpore a un organismo si se ingiere. Gran parte de este plutonio se absorbe en sedimentos de lagos, ríos y océanos. Sin embargo, alrededor del 66% del plutonio de la explosión de una bomba se forma por la captura de neutrones de ²³⁸ U ; este plutonio no se convierte por la bomba en un óxido de alta temperatura , ya que se forma más lentamente. Este plutonio formado es más soluble y más dañino como lluvia radiactiva . ^[9]

Algunos plutonios pueden depositarse cerca del punto de detonación. La trinitita vítrea formada por la bomba Trinity ha sido examinada para determinar qué actínidos y otros radioisótopos contenía. Un artículo de 2006 ^[10] informa sobre los niveles de radioisótopos de larga duración en la trinitita. ¹⁵² Eu y ¹⁵⁴ Eu se formaron principalmente por la activación neutrónica del europio en el suelo, y el nivel de radiactividad de estos isótopos es más alto donde la dosis de neutrones al suelo fue mayor. Parte del ⁶⁰ Co se generó por la activación del cobalto en el suelo, pero algo también se generó por la activación del cobalto en la torre de acero (100 pies) en la que se encontraba la bomba. Este ⁶⁰ Co de la torre se habría esparcido por el sitio, reduciendo la diferencia en los niveles del suelo. ¹³³ Ba y ²⁴¹ Am se crearon por la activación neutrónica del bario y el plutonio dentro de la bomba. El bario estaba presente en forma de nitrato en los explosivos químicos utilizados, mientras que el plutonio era el combustible fisible utilizado.

Como la relación ²³⁹ Pu / ²⁴⁰ Pu solo cambió ligeramente durante la detonación de Trinity, se ha comentado ^[11] que esta relación isotópica para la mayoría de las bombas atómicas (en Japón la relación ²³⁹ Pu/ ²⁴⁰ Pu en el suelo normalmente está en el rango de 0,17 a 0,19 ^[12] ) es muy diferente a la de la bomba lanzada sobre Nagasaki .

El plutonio también se ha liberado al medio ambiente en ensayos de seguridad . En estos experimentos, las bombas nucleares se han sometido a accidentes simulados o se han detonado con una iniciación anormal de sus explosivos químicos. Una implosión anormal dará como resultado una compresión del foso de plutonio , que es menos uniforme y menor que la compresión diseñada en el dispositivo. En estos experimentos en los que no se produce fisión nuclear o se produce muy poca , se ha esparcido plutonio metálico por los lugares de prueba. Si bien algunas de estas pruebas se han realizado bajo tierra, otras se han realizado al aire libre. El Organismo Internacional de Energía Atómica ha publicado un documento sobre los radioisótopos que quedaron en una isla tras las pruebas de bombas nucleares francesas del siglo XX y una sección de este informe trata de la contaminación por plutonio resultante de dichas pruebas. ^[13]

En Maralinga (Australia del Sur) se llevaron a cabo otros ensayos relacionados, en los que se realizaron detonaciones de bombas normales y "ensayos de seguridad". Si bien la actividad de los productos de fisión se ha desintegrado casi por completo (a fecha de 2006), el plutonio sigue activo. ^{[14] [15]}

El plutonio también puede introducirse en el medio ambiente a través de la reentrada de satélites artificiales que contienen baterías atómicas . Ha habido varios incidentes de este tipo, el más destacado fue la misión Apolo 13. El Paquete de Experimentos de Superficie Lunar Apolo transportado en el Módulo Lunar reingresó a la atmósfera sobre el Pacífico Sur. Muchas baterías atómicas han sido del tipo generador termoeléctrico de radioisótopos (RTG). El plutonio-238 utilizado en RTG tiene una vida media de 88 años, a diferencia del plutonio-239 utilizado en armas nucleares y reactores , que tiene una vida media de 24.100 años. ^{[ cita completa requerida ]} En abril de 1964, un SNAP-9A no logró alcanzar la órbita y se desintegró, dispersando aproximadamente 1 kilogramo (2,2 lb) de plutonio-238 en todos los continentes. La mayor parte del plutonio cayó en el hemisferio sur. Se estima que  se liberaron 6300 GBq o 2100 Sv-hombre de radiación ^{[16] [17] [18] [19]} , lo que condujo al desarrollo de la tecnología de energía solar fotovoltaica por parte de la NASA. ^{[20] [ se necesita una mejor fuente ]}

En el interior de los RTG no se producen reacciones en cadena, por lo que es imposible que se produzca una fusión nuclear . De hecho, algunos RTG están diseñados para que no se produzca ninguna fisión, sino que se utilizan formas de desintegración radiactiva que no pueden desencadenar otras desintegraciones radiactivas. Como resultado, el combustible de un RTG se consume mucho más lentamente y se produce mucha menos energía. Los RTG siguen siendo una fuente potencial de contaminación radiactiva : si el contenedor que contiene el combustible tiene fugas, el material radiactivo contaminará el medio ambiente. La principal preocupación es que si se produjera un accidente durante el lanzamiento o un paso posterior de una nave espacial cerca de la Tierra, se podría liberar material nocivo a la atmósfera. Sin embargo, este suceso es extremadamente improbable con los diseños actuales de contenedores de RTG. ^{[ cita completa requerida ]}

Para disminuir el riesgo de que se libere material radiactivo, el combustible se almacena normalmente en unidades modulares individuales con su propio blindaje térmico. Están rodeadas por una capa de metal de iridio y revestidas de bloques de grafito de alta resistencia . Estos dos materiales son resistentes a la corrosión y al calor. Alrededor de los bloques de grafito hay una cubierta aerodinámica, diseñada para proteger todo el conjunto contra el calor que se produce al reingresar a la atmósfera terrestre. El combustible de plutonio también se almacena en una forma de cerámica que es resistente al calor, lo que disminuye el riesgo de vaporización y aerosolización. La cerámica también es altamente insoluble . ^{[ cita completa requerida ]}

El Departamento de Energía de Estados Unidos ha realizado pruebas en agua de mar y ha determinado que la carcasa de grafito, que fue diseñada para resistir la reentrada, es estable y no debería producirse ninguna liberación de plutonio. Investigaciones posteriores no han encontrado ningún aumento de la radiación de fondo natural en la zona. El accidente del Apolo 13 representa un escenario extremo debido a las altas velocidades de reentrada de la nave que regresaba del espacio cislunar. Este accidente ha servido para validar el diseño de las RTG de última generación como altamente seguras.

El plutonio se ha liberado al medio ambiente en solución acuosa procedente de plantas de reprocesamiento nuclear y de enriquecimiento de uranio . La composición química de este plutonio es diferente a la de los óxidos metálicos que se forman a partir de las detonaciones de bombas nucleares .

Un ejemplo de un sitio donde el plutonio entró al suelo es Rocky Flats , donde en el pasado reciente se ha utilizado XANES ( espectroscopia de rayos X ) para determinar la naturaleza química del plutonio en el suelo . ^[21] El XANES se utilizó para determinar el estado de oxidación del plutonio, mientras que EXAFS se utilizó para investigar la estructura del compuesto de plutonio presente en el suelo y el hormigón . ^[22]

Como el óxido de plutonio es involátil, la mayor parte del plutonio del reactor no se liberó durante el incendio. Sin embargo, lo que se liberó se puede medir. VI Yoschenko et al. informaron que los incendios de pastizales y bosques pueden hacer que el cesio , el estroncio y el plutonio vuelvan a ser móviles en el aire. ^[23]

La crisis actual en este sitio incluye piscinas de combustible gastado en los pisos superiores, expuestas a los elementos con productos complejos de MOX y plutonio. El grupo de trabajo del gobierno japonés ha solicitado presentaciones al Instituto Internacional de Investigación para el Desmantelamiento Nuclear ^[24] en relación con los problemas actuales de agua contaminada. ^[25]

El OIEA ha confirmado 18 incidentes relacionados con robo o pérdida de uranio altamente enriquecido (UME) y plutonio . ^[26]

Existe un caso de un hombre alemán que intentó envenenar a su ex esposa con plutonio robado de WAK ( Wiederaufbereitungsanlage Karlsruhe ), una planta de reprocesamiento a pequeña escala donde trabajaba. No robó una gran cantidad de plutonio, solo trapos utilizados para limpiar superficies y una pequeña cantidad de desechos líquidos. El hombre fue enviado a prisión por su crimen. ^[27] Al menos otras dos personas fueron contaminadas por el plutonio. ^{[ cita requerida ]} Dos pisos en Renania-Palatinado también fueron contaminados. ^[28] Estos fueron limpiados posteriormente a un costo de dos millones de euros .

El plutonio, al igual que otros actínidos, forma fácilmente un núcleo de dióxido de plutonilo (PuO ₂ ). En el medio ambiente, este núcleo de plutonilo forma complejos fácilmente con carbonato y otras fracciones de oxígeno (OH ⁻ , NO ₂ ⁻ , NO ₃ ⁻ y SO ₄ ²⁻ ) para formar complejos cargados que pueden moverse fácilmente y tienen baja afinidad con el suelo. ^{[ cita requerida ]}

• PuO2 ( _CO3 ) _12−​^​
• PuO2 ( _CO3 ) _24−​^​
• PuO2 ( _CO3 ) _36−​^​

_El PuO2 formado a partir de la neutralización de soluciones de ácido nítrico altamente ácidas tiende a formar PuO2 polimérico _, que es resistente a la formación de complejos. El plutonio también cambia fácilmente de valencia entre los estados +3, +4, +5 y +6. Es común que una fracción de plutonio en solución exista en todos estos estados en equilibrio. ^{[ cita requerida ]}

Se sabe que el plutonio se une a las partículas del suelo muy fuertemente (ver arriba un estudio espectroscópico de rayos X del plutonio en el suelo y el hormigón ). Si bien el cesio tiene una química muy diferente a la de los actínidos, es bien sabido que tanto el cesio como muchos de los actínidos se unen fuertemente a los minerales del suelo. Por lo tanto, ha sido posible utilizar suelo marcado con ¹³⁴ Cs para estudiar la migración de Pu y Cs en suelos. Se ha demostrado que los procesos de transporte coloidal controlan la migración de Cs (y controlarán la migración de Pu) en el suelo en la Planta Piloto de Aislamiento de Residuos según RD Whicker y SA Ibrahim. ^[29] JD Chaplin et al. informaron recientemente avances en la técnica de gradientes difusivos en películas delgadas , que han proporcionado un método para medir el plutonio biodisponible lábil en suelos, así como en agua dulce y salada. ^[30]

Mary Neu (en Los Álamos , EE.UU.) ha realizado algunos trabajos que sugieren que las bacterias pueden acumular plutonio porque los sistemas de transporte de hierro utilizados por las bacterias también funcionan como sistemas de transporte de plutonio. ^{[31] [32] [33]}

El plutonio ingerido o inyectado en humanos se transporta en el sistema de transporte de hierro (III) basado en transferrina y luego se almacena en el hígado en el depósito de hierro ( ferritina ); después de una exposición al plutonio, es importante inyectar rápidamente al sujeto un agente quelante como el complejo de calcio ^[34] de DTPA . ^{[35] [36]} Este antídoto es útil para una única exposición como la que ocurriría si un trabajador de una caja de guantes se cortara la mano con un objeto contaminado con plutonio. El complejo de calcio tiene una cinética de unión de metales más rápida que el complejo de zinc , pero si el complejo de calcio se usa durante mucho tiempo tiende a eliminar minerales importantes de la persona. El complejo de zinc es menos capaz de causar estos efectos.

El plutonio que inhalan los seres humanos se aloja en los pulmones y se traslada lentamente a los ganglios linfáticos . Se ha demostrado que el plutonio inhalado provoca cáncer de pulmón en animales de experimentación. ^[37]

• Actínidos en el medio ambiente