Plutonio-238

El plutonio-238 fue el primer isótopo de plutonio que se descubrió. Fue sintetizado por Glenn Seaborg y sus colaboradores en diciembre de 1940 bombardeando uranio-238 con deuterones , creando neptunio-238 .

²³⁸ ₉₂ U+ ² ₁ H→ ²³⁸ ₉₃ Np+ 2n

El isótopo de neptunio luego sufre una desintegración β ⁻  a plutonio-238 con una vida media de 2,099 días. ^{[ 7 ]}

El plutonio-238 se desintegra naturalmente en uranio-234 y luego continúa, después de un largo período de tiempo, a lo largo de la serie del radio hasta el plomo-206 . Históricamente, la mayor parte del plutonio-238 ha sido producido por Savannah River en su reactor de armas, mediante la irradiación de neptunio-237 (vida media2,144 Ma  ) con neutrones. ^{[ 8 ]}

²³⁷ ₉₃ Np+n→ ²³⁸ ₉₃ Np

El neptunio-237 es un subproducto de la producción de plutonio-239, material apto para armas, y cuando la planta fue clausurada en 1988, el ^238Pu estaba mezclado con aproximadamente un 16% de ^239Pu . ^{[ 9 ]}

El plutonio fue sintetizado por primera vez en 1940 y aislado en 1941 por químicos de la Universidad de California, Berkeley. ^{[ 10 ] [ 11 ]}

El Proyecto Manhattan comenzó poco después del descubrimiento, y la mayor parte de la investigación inicial (anterior a 1944) se llevó a cabo utilizando pequeñas muestras fabricadas con los grandes ciclotrones del Laboratorio de Radiación de Berkeley y la Universidad de Washington en San Luis . ^{[ 12 ]}

Gran parte de las dificultades encontradas durante el Proyecto Manhattan se relacionaron con la producción y las pruebas del combustible nuclear. Finalmente se determinó que tanto el uranio como el plutonio eran fisionables , pero en ambos casos tuvieron que ser purificados para seleccionar los isótopos adecuados para una bomba atómica . ^{[ 13 ]}

Con la Segunda Guerra Mundial en marcha, los equipos de investigación tenían poco tiempo. Se produjeron microgramos de plutonio mediante ciclotrones en 1942 y 1943. A finales de 1943, se cita a Robert Oppenheimer diciendo: "Solo existe una vigésima parte de un miligramo". ^{[ 12 ]}

A petición suya, el Laboratorio de Radiación de Berkeley puso a disposición 1,2  mg de plutonio a finales de octubre de 1943, la mayor parte del cual fue llevado a Los Álamos para realizar trabajos teóricos allí. ^{[ 12 ]}

El segundo reactor del mundo, el reactor de grafito X-10, construido en un sitio secreto en Oak Ridge , estaría completamente operativo en 1944. En noviembre de 1943, poco después de su puesta en marcha inicial, produjo una cantidad minúscula de 500  mg. Sin embargo, este plutonio se mezcló con grandes cantidades de combustible de uranio y se destinó a la planta piloto de procesamiento químico cercana para su separación isotópica (enriquecimiento). No se dispondría de cantidades de plutonio en gramos hasta principios de 1944. ^{[ 14 ]}

La producción de plutonio a escala industrial comenzó recién en marzo de 1945, cuando el reactor B en el sitio de Hanford comenzó a operar. ^{[ 13 ]}

Aunque se disponía de pequeñas cantidades de muestras de plutonio y los investigadores las manipulaban, nadie sabía qué efectos podría tener esto en la salud. ^{[ 13 ]}

En 1944 se produjeron incidentes en el manejo de plutonio, lo que causó alarma en la dirección del Proyecto Manhattan, ya que la contaminación dentro y fuera de los laboratorios se estaba convirtiendo en un problema. ^{[ 13 ]} En agosto de 1944, el químico Donald Mastick fue rociado en la cara con una solución de cloruro de plutonio , lo que provocó que ingiriera accidentalmente parte de ella. ^{[ 13 ] [ 15 ]} Los frotis nasales tomados a los investigadores de plutonio indicaron que estaban inhalando plutonio. ^{[ 13 ] [ 16 ]} El químico principal del Proyecto Manhattan, Glenn Seaborg , descubridor de muchos elementos transuránicos, incluido el plutonio, instó a que se desarrollara un programa de seguridad para la investigación con plutonio. En un memorando a Robert Stone en el Laboratorio Met de Chicago , Seaborg escribió "que se inicie un programa para rastrear el curso del plutonio en el cuerpo lo antes posible... [con] la máxima prioridad". ^{[ 17 ]} Este memorándum fue fechado el 5 de enero de 1944, antes de muchos de los eventos de contaminación de 1944 en el Edificio D donde trabajaba Mastick. ^{[ 12 ]} Seaborg afirmó más tarde que no tenía ninguna intención de implicar experimentación humana en este memorándum, ni se enteró de su uso en humanos hasta mucho después debido a la compartimentación de la información clasificada . ^{[ 12 ]}

El plutonio-239 enriquecido, apto para la fabricación de armas nucleares, se destinaba a la investigación crítica y a la producción de armas atómicas. El plutonio-238 se utilizó en los primeros experimentos médicos, ya que no es apto como combustible para armas atómicas. Sin embargo, ^{el 238Pu} es mucho más peligroso que el ^239Pu debido a su corta vida media y a su alta emisión de partículas alfa. Pronto se descubrió que el plutonio se excretaba muy lentamente, acumulándose en los sujetos de prueba que participaron en los primeros experimentos con humanos . Esto tuvo graves consecuencias para la salud de los pacientes.

Desde el 10 de abril de 1945 hasta el 18 de julio de 1947, dieciocho personas fueron inyectadas con plutonio como parte del Proyecto Manhattan. Las dosis administradas oscilaron entre 0,095 y 5,9 microcurios (μCi). ^{[ 13 ]}

Albert Stevens , tras un diagnóstico (erróneo) de cáncer terminal que parecía afectar a muchos órganos, fue inyectado en 1945 con plutonio sin su consentimiento informado . Se le denominó paciente CAL-1 y el plutonio consistía en 3,5  μCi ^{de 238} Pu y 0,046  μCi ^{de 239} Pu, lo que le proporcionó una carga corporal inicial de 3,546  μCi (131 kBq ) de actividad total. ^{[ 18 ] [ 13 ]} El hecho de que tuviera plutonio-238 altamente radiactivo (producido en el ciclotrón de 60 pulgadas del Laboratorio Crocker mediante bombardeo de deuterones sobre uranio natural) ^{[ 18 ] contribuyó en gran medida a su dosis a largo plazo. Si todo el plutonio administrado a Stevens hubiera sido 239} Pu de larga vida, como se utilizaba en experimentos similares de la época, la dosis de por vida de Stevens habría sido significativamente menor. La corta vida media de 87,7 años del ^238Pu significa que una gran cantidad de este se desintegró durante el tiempo que permaneció dentro de su cuerpo, especialmente si se compara con la vida media de 24.100 años del ^239Pu .

Tras su cirugía inicial por "cáncer", en la que se extirparon numerosos "tumores" no cancerosos, Stevens sobrevivió unos 20 años después de su dosis experimental de plutonio antes de sucumbir a una enfermedad cardíaca; había recibido la dosis de radiación acumulada más alta conocida en un paciente humano. ^{[ 12 ]} Los cálculos modernos de la dosis absorbida a lo largo de su vida arrojan un total significativo de 64 Sv (6400 rem). ^{[ 12 ]} 

La primera aplicación del ^238Pu fue su uso en componentes de armas nucleares fabricados en los Laboratorios Mound para el Laboratorio de Radiación Lawrence (actualmente Laboratorio Nacional Lawrence Livermore ). Mound fue elegido para este trabajo debido a su experiencia en la producción del iniciador Urchin, alimentado con polonio-210 , y su trabajo con varios elementos pesados ​​en un programa de combustibles para reactores. Dos científicos de Mound pasaron 1959 en Lawrence trabajando en el desarrollo conjunto mientras se construía el Edificio Metalúrgico Especial en Mound para albergar el proyecto. Mientras tanto, la primera muestra de ^238Pu llegó a Mound en 1959. ^{[ 19 ]}

El generador termoeléctrico radioisotópico de milivatios se utiliza para proporcionar energía a los enlaces de acción permisiva (PAL) en las armas nucleares estadounidenses. ^{[ 20 ]}

A partir del 1 de enero de 1957, los inventores del generador termoeléctrico de radioisótopos (RTG) de Mound Laboratories, Jordan y Birden, trabajaban en un contrato con el Cuerpo de Señales del Ejército (R-65-8-99811-SC-03-91) para realizar investigaciones sobre materiales radiactivos y termopares adecuados para la conversión directa de calor en energía eléctrica utilizando polonio-210 como fuente de calor.

En 1961, el capitán RT Carpenter eligió ^{el 238Pu} como combustible para el primer RTG (generador termoeléctrico de radioisótopos) que se lanzaría al espacio como fuente de energía auxiliar para el satélite de navegación Transit IV de la Armada. Para el 21 de enero de 1963, aún no se había decidido qué isótopo se usaría para alimentar los grandes RTG de los programas de la NASA. ^{[ 21 ]}

A principios de 1964, los científicos de Mound Laboratories desarrollaron un método diferente para fabricar el componente del arma que resultó en una eficiencia de producción de alrededor del 98 %. ^{[ 22 ]} Esto puso a disposición el excedente de producción de ²³⁸ Pu de Savannah River para su uso en Space Electric Power justo a tiempo para satisfacer las necesidades del RTG SNAP-27 en la Luna, la nave espacial Pioneer, los módulos de aterrizaje Viking en Marte , más satélites de navegación de la Armada de Tránsito (precursores del GPS actual ) y dos naves espaciales Voyager , para las cuales todas las fuentes de calor de ²³⁸ Pu se fabricaron en Mound Laboratories. ^{[ 23 ]}

Las unidades de calentamiento de radioisótopos se utilizaron en la exploración espacial, comenzando con los Calentadores de Radioisótopos Apolo (ALRH) que calentaban el Experimento Sísmico colocado en la Luna por la misión Apolo 11 y en varios vehículos exploradores de la Luna y Marte , hasta los 129 LWRHU que calentaban los experimentos en la nave espacial Galileo . ^{[ 24 ]}

A finales de 1964 se completó una ampliación del edificio de Metalurgia Especial para la producción de componentes de armas, destinada a la fabricación de combustible de fuente de calor de ^{238Pu . En 1969 también se instaló una planta de producción de combustible temporal en el Edificio de Investigación para la fabricación de combustible} de tránsito . Tras la finalización del proyecto de componentes de armas, el Edificio de Metalurgia Especial, apodado "Montaña Serpiente" debido a las dificultades encontradas en el manejo de grandes cantidades de ^238Pu , cesó sus operaciones el 30 de junio de 1968. Las operaciones con ^238Pu fueron asumidas por el nuevo Edificio de Procesamiento de Plutonio, diseñado y construido específicamente para el manejo de grandes cantidades de ^238Pu . El plutonio-238 tiene el mayor número de riesgo relativo (152) de los 256 radionúclidos evaluados por Karl Z. Morgan et al. en 1963. ^{[ 25 ]}

En Estados Unidos, cuando el plutonio-238 estuvo disponible para usos no militares, se propusieron y probaron numerosas aplicaciones, incluido el programa de marcapasos cardíacos que comenzó el 1 de junio de 1966, en colaboración con NUMEC. ^{[ 26 ]} La última de estas unidades se implantó en 1988, ya que los marcapasos alimentados por litio, que tenían una vida útil prevista de 10 años o más sin las desventajas de las preocupaciones sobre la radiación y los obstáculos regulatorios, hicieron que estas unidades quedaran obsoletas. ^{[ 27 ]}

A partir de 2007En Estados Unidos, de los 139 receptores originales, había nueve personas vivas con marcapasos de energía nuclear. ^{[ 28 ]} Cuando estas personas fallecen, se supone que el marcapasos debe ser extraído y enviado a Los Álamos, donde se recuperará el plutonio. ^{[ 29 ]}

En una carta al New England Journal of Medicine que describe el caso de una mujer que recibió un Numec NU-5 hace décadas y que sigue funcionando, a pesar de un precio original de 5000 dólares, equivalente a 23 000 dólares en 2007 ( 36 263 dólares en 2025 ), los costes de seguimiento han sido de unos 19 000 dólares ( 29 502 dólares en 2025 ) en comparación con los 55 000 dólares ( 85 400 dólares en 2025 ) de un marcapasos alimentado por batería. ^{[ 28 ]}

Otro marcapasos de energía nuclear fue el Medtronic “Laurens-Alcatel Modelo 9000”. ^{[ 30 ]} Aproximadamente 1600 marcapasos cardíacos de energía nuclear y/o conjuntos de baterías se han localizado en todo Estados Unidos y son aptos para su recuperación por el Equipo del Proyecto de Recuperación de Fuentes Externas (OSRP) en el Laboratorio Nacional de Los Alamos (LANL). ^{[ 31 ]}

Estados Unidos dejó de producir ^238Pu a granel con el cierre de los reactores del Sitio de Savannah River en 1988. ^{[ 36 ] [ 37 ] [ 38 ]} Desde 1993, todo el ^{238Pu utilizado en las naves espaciales estadounidenses se ha comprado a Rusia. De 1992 a 1994, el} Departamento de Energía de EE. UU. compró 10 kilogramos a la Asociación de Producción Mayak de Rusia . Mediante un acuerdo con Minatom , EE. UU. debe usar plutonio para misiones no tripuladas de la NASA, y Rusia debe usar la moneda para inversión ambiental y social en la región de Cheliábinsk , afectada por la contaminación radiactiva a largo plazo, como el desastre de Kyshtym . ^{[ 39 ]} En total, se han comprado 16,5 kilogramos (36 lb) , pero Rusia ya no produce ^238Pu , y se informa que sus propias reservas se están agotando. ^{[ 40 ] [ 41 ]} 

En febrero de 2013, el reactor de isótopos de alto flujo de Oak Ridge produjo con éxito una pequeña cantidad de ²³⁸ Pu , ^{[ 42 ]} y el 22 de diciembre de 2015 informaron de la producción de 50 gramos (1,8 onzas) de ²³⁸ Pu. ^{[ 43 ] [ 44 ]}

En marzo de 2017, Ontario Power Generation (OPG) y su filial de capital riesgo, Canadian Nuclear Partners, anunciaron planes para producir ^238Pu como segunda fuente para la NASA. Las barras que contienen neptunio-237 ^{[ 45 ]} serán fabricadas por el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico (PNNL) en el estado de Washington y enviadas a la central nuclear de Darlington de OPG en Clarington, Ontario , Canadá, donde serán irradiadas con neutrones dentro del núcleo del reactor para producir ^238Pu . ^{[ 46 ] [ 47 ]}

En enero de 2019, se informó que se implementaron algunos aspectos automatizados de su producción en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge en Tennessee, que se espera tripliquen la cantidad de pastillas de plutonio producidas cada semana. ^{[ 48 ]} Ahora se espera que la tasa de producción aumente de 80 pastillas por semana a aproximadamente 275 pastillas por semana, para una producción total de aproximadamente 400 gramos por año. ^{[ 48 ]} El objetivo ahora es optimizar y ampliar los procesos para producir un promedio de 1,5 kg (3,3 lb) por año para 2025. ^{[ 49 ] [ 47 ]}  

En 2023, el Departamento de Energía entregó 0,5  kg de Pu-238 para misiones de la NASA y esperaba producir 1,5  kg por año de óxido de plutonio para 2026. ^{[ 50 ]}