Els empèdocles moderns – Glenn T. Seaborg (1940) i l’element 94 (Pu) – plutoni (nilenniquadi, Neq)

Hi ha cap planeta més enllà de Neptú? Ja abans de la descoberta de Neptú, en el 1834, Peter Andreas Hansen (1795-1874) havia postulat que el moviment d’Urà suggeria l’existència de dos o més planetes transuranians. Després, en 1848, Jacques Babinet (1794-1872) postulà matemàticament l’existència d’Hiperió, un planeta transneptunià 12 vegades més massiu que la Terra. En el 1850, James Ferguson (1797-1867), en no observar un estel prèviament registrat, ho comunicà al seu superior del United States Naval Observatory, Matthew Maury, el qual sospità que podia tractar-se d’un planeta transneptunià, proposta que no va poder ser rebatuda fins el 1878, per C. H. F. Peters. En el 1879, Camille Flammarion (1842-1925) suggerí, en base a les òrbites dels cometes 1862 III i 1889 III l’existència d’un planeta transneptunià a 48 unitats astronòmiques, mentre que d’altres dades cometàries feren a Georges Forbes i a David Peck Todd, de manera independent, a proposar dos planetes transneptunians. Hans Emil Lau (1879-1918), arreplegant dades de l’òrbita d’Urà basades en observacions entre 1690 i 1895, concloïa també que hi devia haver dos planetes transuranians. Però ni William Henry Pickering (1858-1938) ni Gabriel Dallet foren capaços de trobar-los en les zones calculades. En el 1909, Thomas Jefferson Jackson See (1866-1962) postulà tres planetes transneptunians a 42, 56 i 72 UA, i denominà al primer “Oceanus”. En el 1911, Ventakesh P. Ketakar calculà les òrbites de dos hipotètics planetes transneptunians, als que denominà Brahma i Vishnu. El projecte més ambiciós per a trobar el planeta transneptunià (el planeta X, per la X d’incògnita) fou el de Percival Lowell (1855-1916) qui, en 1894, havia construït un observator a Flagstaff (Arizona). En el 1906 va fer i examinar 200 astrofotografies ampliades del Zodíac, sense cap resultat positiu. En el 1914 començà una segona recerca, també infructuosa. Lowell postulà en el 1915 que el Planeta X devia tindre una massa del 50% de la de Neptú i una òrbita de 43 UA, de manera que calia esperar un diàmetre aparent d’1 segon d’arc i una magnitud de +12-13. Això contrastava amb el “planeta O” (O després de N, Neptú), postulat en 1908 per Pickering, a una distància orbital de 51,9 UA, encara que més tard hi va afegir més planetes hipotètics (P, Q, R, S, T i U). Després de la mort de Lowell, l’Observatori de Flagstaff patí dificultats, però en 1929, sota la direcció de Vesto Melvin Slipher (1875-1969), s’encomanà a un jove de 22 anys, Clyde Tombaugh, una recerca astrofotogràfia. Tombaugh comparà visualment imatges del cel fetes amb dues setmanes de diferència. El 18 de febrer del 1930 trobà un possible planeta en fotografies fetes el 23 i 29 de gener, confirmat en una fotografia del 21 de gener. L’objecte a 6º d’una de les posicions predites per Lowell. Hom calculà l’òrbita, i es constatà la seva presència en imatges preses en diferents observatoris des del 1915. Per denominar el planeta, l’Observatori Lowell rebé 1000 suggeriments, però finalment el mes de març es trià el nom proposat per la jove Venetia Burney, que el denominà Plutó per completar, amb Júpiter i Neptú, les tres divinitats que s’havien repartit el món després d’haver enderrocat son pare, Saturn. Una raó en favor de Plutó fou les dues primeres lletres del mot, PL, que són les inicials de Percival Lowell i, de fet, com a símbol planetari són utilitzades en detriment de la imatgeria pròpia del déu. De totes formes, Plutó no era pas un planeta gegant, i el 1931, Nicholson & Mayall li calculaven una massa similar a la de la Terra. En el 1948, Kuiper rebaixava aquesta estimació a 0,1 masses terrestres, i en 1978, Christy & Harrington les reduïen a 0,002 masses terrestres (és a dir, sis vegades inferior a la de la nostra Lluna). També en 1978, observant fotografies fetes a Flagstaff, Cristy descobrí un satèl•lit de Plutó, al que denominà Caront (per seguir les referències infernals). Amb un Plutó tan petit, calia pensar en si el Planeta X no era un altre, i Robert Harrington les cercà fins a la mort, el 1993. Val a dir que E. Myles Standish, en 1992, amb dades obtingudes per la Voyager 2, refutà l’existència de discrepàncies notables en l’òrbita d’Urà i, per tant, de la raó de ser del Planeta X. No obstant, en aquella època David C. Jewitt i Jane X. Luu descobriren 1992 QB1. Hi seguiren les descobertes de diversos altres “asteroids transneptunians”. Un d’ells, 2003 UB313 fou estimat, en el 2005, com tant massiu com el mateix Plutó. Això obrí un debat. Calia conèixer aquest objecte, eventualment denominat Eris, com un planeta? En respondre-hi negativament, Plutó perdé la consideració de planeta i se li donà el nombre d’asteroid 134340. Hi ha, però, més enllà de Neptú un planeta que sigui d’una massa similar a la de Mercuri o superior? No ho sabem, ja que la potència dels telescopis actuals no és prou elevada com per descartar-ho. Nosaltres, en tot cas, arribem al nombre 94 de la nostra sèrie.

El juliol del 2015, la sonda New Horizons prenia imatges que servien per fer aquesta fotocomposició. La visita de New Horizons renovà l’interès pel planeta Plutó i els seus satèl•lits. Sí, he dit planeta. Formalment, Plutó és comptat entre els planetes nans, com ho són altres objectes transneptunians: Haumea, Makemake i Eris-Disnomia. També el planeta cisjovià, Ceres, és comptat en aquesta categoria. Plutó no sempre és transneptunià i, periòdicament (la darrera vegada entre 1979 i 1999), és més a prop del Sol que no pas ho és Neptú.

Glenn T. Seaborg i la descoberta del plutoni

Glenn Seaborg, fotografiat en 1964

Glen Theodore Seaborg va nàixer a Ishpeming (Michingan) el 19 d’abril del 1912, fill del matrimoni format per Selma Olivia Erickson i Herman Theodore Seaborg, del qual naixeria dos anys després una filla, Jeanette. La llengua familiar era el suec, d’altra banda ben present a la localitat: Ishpeming havia rebut immigrants suecs procedents particularment d’Åtvidaberg, a mesura que s’esgotaven a final del segle XIX les mines de coure d’aquella lotalitat de Gotlàndia, molts dels quals anaren a treballar a les mines de ferro de la contrada. Ted Hermann, però, s’endugué la família cap a Califòrnia. S’establiren a Home Gardens, en el comtat de Los Angeles. És en aquesta època, que el jove Glen passà a escriure el seu nom com a Glenn.

Glenn Seaborg era apassionat dels esports i del cinema. El seu interès per la literatura es manifesta en els seus diaris, que comencen en el 1927. La mare l’encaminà a estudiar comptabilitat. No obstant, en començar els estudis de secundària a la David Starr Jordan High School, de Watts, amb Dwight Logan Reid de professor de física i química, s’interessà progressivament per les ciències. Es graduà a l’escola superior el 1929, com el primer de la classe, i començà a estudiar química a la University of California, a Los Angeles. Si abans havia compaginat els estudis amb fer d’estibador els estius, ara ho combinava amb una feina d’ajudant de laboratori a Firestone. El 1933 es llicencià en química, i inicià els estudis de doctorat a Berkeley.

La tesi doctoral duria per títol “Interacció de neutrons ràpida amb el plom”. En aquesta tesi encunyà l’expressió espal•lació nuclear (“nuclear spallation”). Si l’espal•lació mecànica o astellament (de “spall”, astella) consisteix en l’ejecció de fragments de material d’un cos a conseqüència d’un impacte o estrès, l’espal•lació nuclear es produeix quan un nucli pesant (el nucli de plom, en la tesi de Seaborg) emet neutrons en rebre l’impacte d’una partícula d’alta energia. La tesi fou defensada reeixidament en el 1937.

Els seus directors de tesi havien estat George Ernest Gibson (1884-1959) i Gilbert Newton Lewis (1875-1946). La col•laboració entre Lewis i Seaborg conduí a una nova definició d’àcids i bases primàries i secundàries en el 1939.

Una altra línia de recerca que emprengué Seaborg tenia a veure amb el ciclotró del Laboratori de Radiació que dirigia Ernest Lawrence (1901-1958). En el 1937, juntament amb John Livingood i Fred Fairbrother aconseguí la síntesi d’un nou isòtop de ferro, el ferro-59. En el 1939, Livingood i Seaborg sintetitzaven per primera vegada el iode-131. En total, al llarg de la seva carrera Seaborg descobrí o sintetitzà per primera vegada més de cents isòtops diferents. Alguns d’ells tingueren rellevància pràctica, per exemple en medicina diagnòstica o terapèutica.

Edwin Mattison McMillan, en el 1951

En el 1939, Seaborg esdevingué instructor de química a Berkeley. En el 1940 participà en el perfeccionament de la tècnica d’oxidació-reducció per a la purificació de neptuni, element que tot just havia sintetitzat Edwin McMillan uns mesos a partir de l’urani. El neptuni era el primer dels elements transurànids (element 93). Quan McMillan deixà Berkeley, Seaborg liderà els esforços per a la síntesi i detecció de l’element 94.

Arthur C. Wahl (1917-2006), en la carta d’identificació de Los Alamos, durant el Projecte Manhattan

L’opinió majoritària era que l’element 94 no havia sintetitzat mai i hi havia qui dubtava fins i tot que fos realment possible. No obstant, en els anys anterior alguns n’havien reportat la possible descoberta. L’element 94 era identificat generalment amb l’eka-osmi, l’element del període 7 amb propietats similars a les d’aquest platinoid, i això ja ho suggereix la taula periòdica de Mendeleev del 1871. En el 1934, a Roma, el grup d’Enric Fermi, interpretaren alguns productes del bombardament neutrònic de dianes d’urani com als elements 93 i 94, denominats respectivament ausoni i hesperi (Es), en honor d’Itàlia. Otto Hahn, Lise Meitner i Fritz Strassmann també pensaven haver-se trobat amb traces d’elements transurànids. El desembre del 1938, setmanes després que Fermi hagués recollit el Nobel sota aquesta suposició, Hahn & Strassmann consideraren que aquests productes no eren pas elements transurànids sinó productes de la fissió d’urani, molt més lleugers.

Joseph W. Kennedy (1916-1957) en la carta d’identificació del Projecte Manhattan. La seva mort prematura, de càncer d’estómac, ha estat atribuïda a l’exposició a radiacions

El 14 de desembre del 1940, el grup de Seaborg sotmeté dianes d’urani a bombardament amb nuclis de deuteri en el ciclotró de 60 polsades. Després les dianes foren sotmeses a processos d’extracció. El 23 de febrer del 1941, Glenn T. Seaborg, Edwin Mc Millan, Joseph W. Kennedy i Arthur Wahl identificaven la presència de l’isòtop 238 de l’element 94, com a isòtop inestable fill del neptuni-238 generat amb el bombardament. El mes de març enllestiren una comunicació que trameteren a “Physical Review”, però raons de seguretat militar feren que la publicació fos postposada sine die.

En el Cavendish Laboratory, de Cambridge, Egon Bretscher i Norman Feather (1904-1978) calcularen teòricament que en un reactor nuclear d’urani, el bombardament amb neutrons lents podia conduir a la formació de l’isòtop 239 de l’element 94. Aquest isòtop teòricament seria un isòtop físsil, amb una massa crítica inferior a la de l’urani, i per tant interessant per a l’aprofitament d’una energia nuclear de fissió alternativa a l’urani.

En qualsevol cas, la descoberta del nou element romangué en secret. Seaborg tenia en ment, per denominar l’element 94, el mateix criteri de McMillan. Si McMillan havia denominat “neptuni” al primer element transurànid, era lògic que el segon element fos denominat en honor del següent planeta, Plutó, descobert deu anys abans. Seaborg pensà doncs en denominar-lo “pluti” (plutium). McMillan hi era d’acord. De manera independent, des del Cavendish Laboratory, Nicholas Kemmer (1911-1998) defensà el mateix criteri. Per raons d’eufonia, Seaborg optà per la forma “plutoni” (plutonium). Pel que fa al símbol, la tria més lògica era “Pl”, encara que aquest símbol també era utilitzat de vegades per al pal•ladi (el símbol estàndard del qual era Pd). En una facècia, però, Seaborg proposà el símbol Pu, que llegit en anglès, “pee-yoo!”, equival al nostre “puah!”. A banda del nom de “plutoni” també Seaborg et al. havien considerat noms relacionats amb la hipòtesi que l’element 94 era el darrer element químic físicament possible: ultimi (ultimium), extremi (extremium), etc. Però no tothom podia estar segur ni que Plutó fos el darrer planeta Sistema Solar, ni que el plutoni fos el darrer element de la taula periòdica.

La Sala 405 de l’actual George Herbert Jones Laboratory de Chicago, en el 1942, fou la primera en la qual s’aconseguiren quantitats visibles d’un element sintètic i el primer isolament d’una mostra pesable d’un isòtop produït artificialment

Des del punt de mira químic, Seaborg et al. remarcaren que el plutoni no s’assemblava gaire a l’osmi sinó més aviat a l’urani. El Metallurgical Laboratory, de Chicago, en secret, emprengué la recerca sobre la producció i característiques de plutoni, amb la participació dels grups de Seaborg i de Fermi. El 20 d’agost del 1942, es dugué a terme una reacció de transmutació d’urani, en la qual es produïren uns 50 micrograms. D’aquesta mostra s’aïllà el 10 de setembre del 1942, un microgram de plutoni-239.

El trasllat de Seaborg a Chicago l’havia allunyat de la seva promesa, Helen Griggs, secretària d’Ernest Lawrence. En una visita de Seaborg, es casaren. El matrimoni tindria sis fills: Peter Glenn, Lynee, David, Steve, Eric i Dianne.

El 2 de desembre del 1942, sempre en secret, en instal•lacions de la Universitat de Chicago, un grup de recerca encapçalat per Enric Fermi aconseguien la primera reacció nuclear en cadena autosostinguda en una pila de grafit i urani, el reactor CP-1. Aquest reactor serviria de base a DuPont per a la construcció d’X-10, un reactor experimental refrigerat per aire per a la producció de plutoni. Alhora, a Oak Ridge, es construïa a mitjan 1943 una planta pilot per a l’aïllament del plutoni sintetitzat a X-10, basada en les recerques de Seaborg. La producció a gran escala de plutoni s’inicià a la Hanford Engineer Works, en Richland (Washington).

El reactor B de Hanford, el primer reactor destinat a la producció de plutoni

El novembre del 1943, s’aconseguí la primera mostra de plutoni metàl•lics, uns pocs mil•ligrams, a partir de la reducció de PuF3.

En el 1944, Joseph G. Hamilton, al Radiation Laboratory de Berkeley, realitzà experiments en rates sobre la toxicologia del plutoni. Utilitzà diferents compostos de plutoni-239, administrats per via oral, inhalatòria, cutània i intravenosa, amb estimacions sobre la toxocinètica. Hi seguiren experiments en ratolins, conills, peixos i gossos, uns fets a Berkeley i d’altres a Chicago. Els experiments indicaven una acumulació en el fetge i en els ossos, però amb disparitat de taxes de retenció en les diferents espècies.

El desenvolupament d’una bomba nuclear de fissió de plutoni-239 era un dels objectius del Projecte Manhattan, amb el qual els Estats Units s’afanyaven d’ençà de l’entrada en la guerra mundial el desembre del 1941. El 5 d’abril del 1944 arribava al grup d’Emilio Segrè la primera mostra de plutoni procedent de reactor d’Oak Ridge. El 15 d’abril, anàlisis mostraven que aquest plutoni tenia un contingut de plutoni-240 superior al plutoni obtingut en ciclotrons, la qual cosa el feia inadequat per al disseny “Thin Man” per a una arma de plutoni de tipus balístic. Això traslladava els esforços a una arma de plutoni de tipus implosiu, “Fat Man”.

El març del 1945, es completava la construcció del reactor B de Hanford, que havia de fornir el plutoni necessari per al Projecte Manhattan. El 16 de juliol del 1945 tenia lloc la primera explosió d’una bomba nuclear, Trinity, en un test a Alamogord (New Mexico). L’artefacte tenia una massa total de 4 tones, amb un nucli de 6,2 kg de plutoni. Per a garantir la compressió del plutoni s’empraren lents explosives convencionals, alhora que un iniciador de poloni i beril•li fornia una radiació de neutrons. Dels 6,2 kg de plutoni, entraren en fissió un 20%, generant una explosió equivalent a 20.000 tones de TNT.

La bomba nuclear de Nagasaki fou llençada el 9 d’agost del 1945, tres dies després de la d’Hiroshima. Si la d’Hiroshima havia utilitzat com a material fissil urani-235, la de Nagasaki emprava plutoni-239. La bomba havia estat transportada pel B-52 Bockscar, i tenia com a objectiu primari la ciutat de Kokura. Després de sobrevolar Kokura, Bockscar optà per l’objectiu secundari, Nagasaki per raons meteorològiques. La bomba fou llençada a les 11.01, i explotà 47 segons després a 500 metres de la superfície. L’explosió fou equivalent a 21.000 tones de TNT, generant vents de 1005 km/h. El nombre de víctimes s’ha estimat de manera diversa, entre 39.000 i 80.000 morts. Aquestes massacres les havia volgut impedir, el juny del 1945, James Franck, amb un report que signaren, entre d’altres Glenn T. Seaborg, i que demanaven que es fes una demostració de les bombes nuclears de les quals fossin testimonis les autoritats japoneses, i que això servís per comminar-les a rendir-se. Després de les bombes d’Hiroshima i Nagasaki, la rendició japonesa es produí el 15 d’agost.

El 12 d’agost del 1945, s’emetia l’Smyth Report que explicava el desenvolupament de la bomba atòmica. Es feia pública per primera vegada la síntesi i aplicació de l’element 94, i del seu nom, el plutoni. El nom de “plutonium” fou adaptat a totes les llengües (inclosa, la grega, que empra πλουτώνιο, ja que interpreta el nom planetari com a referit a Ploutos, déu de les riqueses subterrànies).També es feia públic que en el 1944, el grup de Seaborg, a Chicago, havia aconseguit la síntesi dels elements 95 i 96.

La recerca sobre els elements transurànids va dur a Seaborg a reformular la taula periòdica (Seaborg, 1946). L’actini i els elements següents, els actínids, foren classificats en un bloc a banda, un per un per sota dels lantànids. Així doncs, l’element 95, situat per sota de l’europi, rebé el nom d’americi. Pel que fa a l’element 96, va rebre el nom de curi, en homenatge al matrimoni Curie. Seaborg aconseguí patents per a l’americi i el curi.

Entre 1945 i 1947, es dugueren a terme divuit experiments d’administració de plutoni en humans. Els subjectes no foren informats, i foren seleccionats entre pacients hospitalaris terminals o crònics. Ebb Cade (1890-1953), un treballador negre de la construcció va rebre la dosi més alta, de 4,7 micrograms de plutoni, en Oak Ridge el 10 d’abril del 1945.

Els riscos de l’operació del plutoni queden exemplificat en l’anomenat “nucli del dimoni”, una esfera sòlida de 6,2 kg, que consistia en dos hemisferis de plutoni-gal•li i un anell. El 21 d’agost del 1945, Harry K. Daghlian, Jr., va provocar involuntàriament, en manipular maons de carbur de tungstè, la criticalitat d’aquest nucli de plutoni, rebent una dosi de 5,1 Sv, a conseqüència de la qual patí greus ferides morint-hi 25 dies més tard. Nou mesos després, Louis Slotin va morir a conseqüència d’un segon accident de criticalitat d’aquest mateix nucli.

Seaborg tornà al Lawrence Radiation Laboratory. Era professor de la facultat i alhora dirigia la recerca en química nuclear de part de la Comissió d’Energia Atòmica dels Estats Units. En el 1948, era elegit membre de l’Acadèmia Nacional de Ciències. En el 1954, esdevenia director associat del Radiation Laboratory. També fou membre, fins el 1960, del Comitè Assessor General de la Comissió d’Energia Atòmica.

Entre 1958 i 1961, Seaborg fou canceller de la University of California, Berkeley. S’aixecaren les restriccions a l’activitat política dels estudiants que s’havien aplicat en els anys del maccarthisme. També va haver de front a la situació generada per l’escàndol pay-for-play que havia tacat la imatge de l’esport universitari, impulsant l’Athletic Association of Western Universities.

Entre 1961 i 1971, Seaborg presidí la Comissió d’Energia Atòmica, per la qual cosa es traslladà a Germantown (Maryland). Políticament, Seaborg era demòcrata i fou particularment proper a Lyndon B. Johnson. Seaborg defensà els acords que limitaven la proliferació d’armes nuclears. Participà en les negociacions del Limited Test Ban Treaty (LBTT) que prohibia les detonacions aèries d’armes nuclears, així com en el Nuclear Non-Proliferation Treaty.

De manera més o menys directa, Seaborg participà en la síntesi de nous elements: el berkeli (1949), el californi (1950), l’einsteni (1952), el fermi (1952), el mendelevi (1955), el nobeli (1958) i el laurenci (1961). Seaborg anomenà transactínids als elements hipotètics 104-118 i ultraactínids als elements encara més pesants. Certament, la majoria d’aquests elements serien transitoris, però també hipotetitzava l’existència d’una “illa d’estabilitat” que afectés els isòtops d’alguns ultractínids.

En els anys 1960, a Los Alamos es desenvolupà la tecnologia dels generadors termoelèctrics de radioisòtops. El plutoni-238 fou el radioisòtop preferit, i aquests generadors s’utilitzaren en marcapassos per a pacients cardíacs. Aquests generadors realment tenen una llarga vida, i hom els ha emprat en missions interplanetàries de llarga durada (les Voyager, la Cassini-Huygens, la New Horizons, etc.).

Hoffmann et al. (1971) detectaren la presència de plutoni-244 en la natura mitjançant l’anàlisi de bastnasita precambriana. Ja abans, hom havia deduïa la presència d’una dotació primordial de plutoni-244 en el Sistema Solar, que explicaria, entre d’altres, les freqüències isotòpiques de xenó en meteorits. La presència de plutoni-244 primordial en la Terra, però, ha estat contestada per mesures ulteriors (Lachner et al., 2012).

En el 1971 Seaborg tornava a Berkeley. A les tasques de professor universari, sumà les de president del Lawrence Hall of Science i de president de l’Associació Americana per a l’Avançament de Ciència (1972). En el 1976 esdevingué president de la American Chemical Society.

En el 1980, Seaborg dirigí la transmutació de diversos milers d’atoms de bismut en àtoms d’or, mitjançant la remoció de protons i neutrons. Certament, és una tècnica més cara que extreure or de les mines, però la fita fou reconeguda a la premsa popular com la conquesta de la pedra filosofal.

En el 1983, fou nomenat membre de la Comissió Nacional sobre l’Excel•lència en l’Educació.

El 24 d’agost del 1998, a Boston, a on havia arribat per assistir a una reunió de l’American Chemical Society va patir un atac de feridura. Això va interrompre el diari personal que havia menat des de feia més de setanta anys. El 25 de febrer del 1999 es va morir a la seva casa de Lafayette (Califòrnia) a l’edat de 86 anys.

El plutoni: isòtops i abundància

La massa atòmica estàndard del plutoni és de 244 uma, corresponent a les de l’isòtop de més llarga semivida. El llistat complet d’isòtops coneguts fa:
– plutoni-228 (228Pu; 228,03874 uma). Nucli format per 94 protons i 134 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 1,1 s. Decau normalment (99,9%) a urani-224 (amb emissió d’un nucli d’heli-4) o, alternativament (0,1%), a neptuni-228 (amb emissió d’un positró).
– plutoni-229 (229Pu; 229,04015 uma). Nucli format per 94 protons i 135 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 120 s. Decau a urani-225, amb emissió d’un nucli d’heli-4.
– plutoni-230 (230Pu; 230,039650 uma). Nucli format per 94 protons i 136 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 100 s. Decau normalment a urani-226 (amb emissió d’un nucli d’heli-4) o rarament a neptuni-230 (amb emissió d’un positró).
– plutoni-231 (231Pu; 231,041101 uma). Nucli format per 94 protons i 137 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 520 s (9 minuts). Decau normalment a neptuni-231 (amb emissió d’un positró) o, rarament, a urani-227 (amb emissió d’un nucli d’heli-4).
– plutoni-232 (232Pu; 232,041187 uma). Nucli format per 94 protons i 138 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 2020 s (34 minuts). Decau majoritàriament (89%) a neptuni-232 (per captura electrònica) o, alternativament (11%), a urani-228 (amb emissió d’un nucli d’heli-4).
– plutoni-233 (233Pu; 233,04300 uma). Nucli format per 94 protons i 139 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 1250 s (21 minuts). Decau a normalment (99,88%) a neptuni-233 (amb emissió d’un positró) o, alternativament (0,12%), a urani-229 (amb emissió d’un nucli d’heli-4).
– plutoni-234 (234Pu; 234,043317 uma). Nucli format per 94 protons i 140 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 3,2•104 s (9 hores). Decau majoritàriament (94%) a neptuni-234 (per captura electrònica) o, alternativament (6%) a urani-230 (amb emissió d’un nucli d’heli-4).
– plutoni-235 (235Pu; 235,045286 uma). Nucli format per 94 protons i 141 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 1520 s (25 minuts). Decau normalment (99,99%) a neptuni-235 (amb emissió d’un positró) o, alternativament (0,0027%), a urani-231 (amb emissió d’un nucli d’heli-4).
– plutoni-236 (236Pu; 236,0460580 uma). Nucli format per 94 protons i 142 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 9,019•107 s (3 anys). Decau normalment a urani-232 (amb emissió d’un nucli d’heli-4) o, alternativament, a plom-208 (0,000000000002%; amb emissió d’un nucli de magnesi-28), a urani-236 (rarament; amb emissió de dos positrons) o entra en fissió espontània (0,000000137%; amb emissió de diversos productes).
– plutoni-237 (237Pu; 237,0484097 uma). Nucli format per 94 protons i 143 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 3,91•106 s (45 dies). Decau normalment a neptuni-237 (per captura electrònica) o, alternativament (0,0042%), a urani-233 (amb emissió d’un nucli d’heli-4). Posseeix dos estats metastables, un a 145,544 keV (237m1Pu; que té una semivida de 0,18 s, i que decau a l’estat basal) i un altre a 2900 keV (237m2Pu; que té una semivida de 1,1•10-6 s).
– plutoni-238 (238Pu; 238,0495599 uma). Nucli format per 94 protons i 144 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 2,77•109 s (88 anys). Decau normalment a urani-234 (amb emissió d’un nucli d’heli-4) o, alternativament, a mercuri-206 (0,000000000000014%; amb emissió d’un nucli de silici-32), a iterbi-180 (0,000000000000006%; amb emissió d’un nucli de magnesi-30 i un altre de magnesi-28) o entra en fissió espontània (0,00000019%; amb emissió de diversos productes). El plutoni-238 és emprat, per la seva potència (0,5 W/g) i especificitat com a alfa-emissor, en generadors termoelèctrics i unitats calorífiques. El plutoni procedent del combustible de reactors nuclears conté 1-2% de plutoni-238. Aquest és un valor massa baix per extreure’l econòmicament, de manera que hom l’obté a través del reprocessament d’aquest combustible, a partir de la irradiació de neutrons de neptuni-237. Una altra via de síntesi és la irradiació d’americi amb neutrons en un reactor.

Pellet d’òxid de plutoni-238, que lluu degut a l’escalfor que genera la seva radioactivitat. El plutoni-238 decau a urani-234, iniciant una cascada (sèrie del radi) que conclou en el plom-206

– plutoni-239 (239Pu; 239,0521634 uma). Nucli format per 94 protons i 145 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 7,609•1011 s (24000 anys). Decau normalment a urani-235 (amb emissió d’un nucli d’heli-4) o, alternativament, entra en fissió espontània (0,00000000031%; amb emissió de diversos productes). Posseeix dos estats metastables, un a 391,584 keV (239m1Pu; que té una semivida de 1,93•10-7 s) i un altre a 3100 keV (239m2Pu; que té una semivida de 7,5•10-6 s). Nucli físsil, és l’isòtop més utilitzat en bombes nuclears de fissió. El plutoni-239 és sintetitzat a partir de la transmutació d’urani-238, en un procés que també genera plutoni-240.

Anell de plutoni-239 electrorefinat (99,96%) de puresa, amb una massa de 5,3 kg i 11 cm de diàmetre. Cada anell d’aquests, refinats a Los Alamos i tramesos a Rocky Flats, és suficient per fer el nucli d’una bomba de plutoni. La forma d’anell impedeix que entri en criticalitat. En un anell com aquest hi ha devers 1,25•1025 àtoms, dels quals cada segon decauen 1,15•1013, alliberant una energia de 9,68 w.

– plutoni-240 (240Pu; 240,0538135 uma). Nucli format per 94 protons i 146 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 2,070•108 s (7 anys). Decau normalment a urani-236 (amb emissió d’un nucli d’heli-4) o, alternativament, a mercuri-206 (0,00000000000013%; amb emissió d’un nucli de silici-34) o entra en fissió espontània (0,0000057%; amb emissió de diversos productes). En reactors de producció de plutoni-239, el plutoni-240 apareix com un subproducte la freqüència augmenta en el temps. Per a aplicacions militars, el contingut de plutoni-240 no hauria d’arribar al 7%, mentre que per a aplicacions en centrals nuclears de plutoni seria acceptable fins a un 19%. En reactors, la composició isotòpica del plutoni generat és del 70% de 239Pu i 26% de 240Pu.
– plutoni-241 (241Pu; 241,0568515 uma). Nucli format per 94 protons i 147 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 4,5096•108 s (14 anys). Decau normalment (99,99%) a americi-241 (amb emissió d’un electró) o, alternativament, a urani-237 (0,00245%; amb emissió d’un nucli d’heli-4) o entra en fissió espontània (0,000000000000024%; amb emissió de diversos productes). Posseeix dos estats metastables, un a 161,6 keV (241m1Pu, que té una semivida de 8,8•10-7 s) i un altre a 2200 keV (241m2Pu, que té una semivida de 2,1•10-5 s). És un isòtop físsil. És generat en petites quantitats en reactors nuclears.
– plutoni-242 (242Pu; 242,0587426 uma). Nucli format per 94 protons i 148 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 1,18•1013 s (375.000 anys). Decau normalment a urani-238 (amb emissió d’un nucli d’heli-4) o, alternativament (0,00055%), entra en fissió espontània (amb emissió de diversos productes). És generat en petites quantitats en reactors nuclears. No és un isòtop físsil.
– plutoni-243 (243Pu; 243,062003 uma). Nucli format per 94 protons i 149 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 1,784•104 s (5 hores). Decau normalment a americi-243, amb emissió d’un electró. Posseeix un estat metastable a 383,6 keV (243mPu; que té una semivida de 3,3•10-7 s). El 243Pu és un isòtop físsil.
– plutoni-244 (244Pu; 244,064204 uma). Nucli format per 94 protons i 150 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 2,52•1015 s (80 milions d’anys). Decau normalment (99,88%) a urani-240 (amb emissió d’un nucli d’heli-4) o, alternativament, a curi-244 (0,0000000073%; amb emissió de dos electrons) o entra en fissió espontània (0,123%; amb emissió de diversos productes). És present a la natura en forma de traça. Es conserva a la Terra una petita fracció de la dotació primordial.
– plutoni-245 (245Pu; 245,067747 uma). Nucli format per 94 protons i 151 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 3,78•104 s (11 hores). Decau a americi-245, amb emissió d’un electró.
– plutoni-246 (246Pu; 246,070205 uma). Nucli format per 94 protons i 152 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 9,366•105 s (11 dies). Decau a 246mAm, amb emissió d’un electró.
– plutoni-247 (247Pu; 247,07407 uma). Nucli format per 94 protons i 153 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 1,96•105 s (2 dies). Decau a americi-247, amb emissió d’un electró.

L’àtom neutre de plutoni conté 94 electrons, amb una configuració basal d’escorça de 1s22s22p63s23p63d104s24p64d104f145s25p65d105f66s26p67s2. És un dels actínids, és a dir un dels elements del període 7 del bloc f. Se’l pot considerar dins del grup f6, el lantànid del qual seria el samari. És comptat entre els metalls radioactius sintètics. L’estat d’oxidació més habitual és +4, si bé també el podem trobar amb +8, +7, +6, +5, +3, +2, +1 i 0. El radi atòmic és de 1,59•10-10 m.

Peces de plutoni sintetitzades en el marc del Projecte Manhattan

En condicions estàndards de pressió i temperatura, el plutoni elemental apareix com un sòlid metàl•lic de color blanc argentí, amb un aspecte similar al del níquel. L’estructura cristal•lina del metall pateix amb el temps fatiga degut a l’efecte de la radiació. Se n’han descrit els següents al•lòtrops:
– alfa-plutoni (α-Pu): és l’al•lòtrop estable en condicions estàndards. És un material dur i fràgil, amb una densitat de 19816 kg•m-3. És poc conductor tèrmic i elèctric (resistivitat de 1,46 μΩ•m).
– beta-plutoni (β-Pu): és l’al•lòtrop estable, a pressió estàndard, a temperatures de 400 K. Segueix una estructura monoclínica centrada en el cos, amb una densitat de 17700 kg•m-3. És relativament plàstic i mal•leable.
– gamma-plutoni (γ-Pu): és l’al•lòtrop estable, a pressió estàndard, a temperatures de 500 K. Segueix una estructura ortoròmbica centrada en les cares, amb una densitat de 17140 kg•m-3.
– delta-plutoni (δ-Pu): és l’al•lòtrop estable, a pressió estàndard, a temperatures de 583-725 K. Segueix una estructura cúbica centrada en les cares, amb una densitat de 15920 kg•m-3. És l’al•lòtrop més metàl•lic, fort i mal•leable.
– deltaprima-plutoni (δ’-Pu): és l’al•lòtrop estable a temperatures de 700 K. Segueix una estructura cristal•lina tetragonal centrada en el cos, amb una densitat de 16000 kg•m-3.
– èpsilon-plutoni (ε-Pu): és l’al•lòtrop estable a temperatures de 800 K. Segueix una estructura cristal•lina cúbica centrada en el cos, amb una densitat de 16510 kg•m-3.
– zeta-plutoni (ζ-Pu).

En condicions estàndards de pressió, el plutoni fon a 912,5 K. La densitat del plutoni líquid és de 16630 kg•m-3. És un líquid d’elevada viscositat i tensió superficial.

En condicions estàndards de pressió, el plutoni bull a 3505 K.

El plutoni pot aliar-se amb un bon nombre de metalls: gal•li, alumini, cobalt, zirconi, ceri, urani, titani, tori, molibdè, etc.

Exposat a l’aire, el plutoni s’oxida ràpidament, adquirint una pàtina grisa fosca, amb certes tonalitats grogues o olivades. El plutoni és atacable amb àcids, oxigen i vapor d’aigua, però no amb àlcalis. És soluble en àcids concentrats com el clorhídric, iodhídric i perclòric. El plutoni metàl•lic és pirofòric i un altament reductor.

Solucions de compostos de plutoni amb diferent nombre d’oxidació, d’esquerra a dreta: Pu3+, Pu4+, PuO2+, PuO22+ i PuO53-

Entre els compostos de plutoni podem esmentar:
– òxids: PuO, PuO2, Pu2O3.
– hidrurs: PuH2+x, PuH3).
– halurs: PuF3 (sòlid de color violat), PuF4, PuCl3 (sòlid de color verd, 5710 kg•m-3), PuBr3, PuI3.
– oxihalurs: PuOCl, PuOBr, PuOI.
– carburs: PuC.
– nitrurs: PuN.
silicurs: PuSi2.

L’abundància atòmica del plutoni és condicionada pels processos de nucleosíntesi en supernoves i per l’estabilitat dels seus isòtops. És pràcticament l’element més pesant que es genera en supernoves. Supera en abundància el neptuni i també tots els elements que el segueixen en la taula periòdica.

En la nebulosa que va donar lloc al nostre Sistema Solar, el plutoni-244 era present. Per cada unitat de massa d’urani-238, n’hi devia haver 0,008 unitats de plutoni-244. Però aquesta proporció ha decaigut a pura traça després de 4570 milions d’anys (equivalents a 57 semivides del plutoni-244). Hom ha detectat plutoni-244 en mostres lunars i de meteorits.

La qüestió de si és detectable encara a la Terra la presència de plutoni-244 primordial és matèria de debat. Mesures en bastnasita, estimen el plutoni-244 en menys de 0,15 ppt, la qual cosa donaria uns valors màxims en l’escorça terrestre de menys de 10-26 g/g (menys d’1 gram de plutoni-244 primordial en tota l’escorça). D’altres isòtops de plutoni (238Pu, 239Pu, 240Pu) són presents de manera natural com a subproducte de l’urani, per exemple com a conseqüències de reactors nuclears naturals. Així, per exemple, hom troba traces de plutoni-239 en dipòsits d’urani (amb una ratio respecte de l’urani de 2,4-44•10-12), mentre que el plutoni-238 és producte d’algunes desintegracions poc freqüents de l’urani-238.

Però no hi ha pas dubte que la major aportació ambiental de plutoni ha estat antropogènica, lligada als tests d’armament nuclear (un total de 550) i, en menor mesura, a accidents en centrals nuclears. La major part d’aquesta aportació es produí entre 1945 i 1967, i ha fornit sobretot plutoni-239 i plutoni-240. Les plantes de producció de plutoni per a armament nuclear de Hanford (EUA) i Mayak (URSS) alliberaren a l’entorn durant quatre dècades de funcionament un total de 200 milions de curies.

S’ha estimat que en sediments marins del Canal de la Mànega, els residus d’armament nuclear són responsables de la presència d’un 66% del plutoni-239 i d’un 59% de la presència de plutoni-240, mentre que tan sols ho serien del 6,5% del plutoni-238 i del 16,5% del plutoni-241. L’altra font principal seria el reprocessament de combustible nuclear retirat.

El plutoni present a la biosfera és, doncs, bàsicament degut a fonts antropogèniques, i així el trobem en forma de traça en el cos humà. Mary P. Neu estudià en el 2000 la possibilitat de la captació de plutoni per microorganismes.

En cas d’ingesta o injecció, el plutoni és transportat per la transferrina i acumulat en la ferritina hepàtica. D’ací que en casos d’exposició, s’administrin agents quelants. La toxicitat del plutoni es deu d’una banda al factor radioactiu i de l’altra al factor químic de metall pesant. L’absorció per la via oral és limitada (0,04% en el cas de l’òxid de plutoni), però una vegada absorbit és de molt difícil excreció (semivida biològica de 200 anys). La inhalació és encara més perillosa, pel risc que suposa de càncer de pulmó.

El plutoni metàl•lic és pirofòric, especialment en pols. Per a apagar focs de plutoni es recomana l’ús de sorra d’òxid de magnesi.

Aplicacions del plutoni

Poques coses exemplifiquen millor la guerra freda que els estocs de plutoni acumulats com a conseqüències dels programes militar del període. De plutoni-239 de grau militar (amb baix contingut de plutoni-240), els Estats Units produïren a Hanford i a Savannah River Site un total de 103 tones mentre que la Unió Soviètica en produí 170. A aquestes xifres cal sumar el plutoni generat com a subproducte de les centrals nuclears (més ric en plutoni-240), amb una taxa anual de 20 tones.

Així doncs, ara podrien haver-hi acumulades 1000 tones de plutoni de programes civils i unes 200 tones extretes d’armes nuclears desmantellades.

Una part de l’arsenal nuclear desmantellat dels Estats Units ha donat lloc a desenes de barres de vidre d’òxid de plutoni de 2 tones cadascuna. El vidre emprat consisteix en borosilicats suplementats amb cadmi i gadolini. Aquestes barres haurien de ser encapsulades en acer inoxidable i guardades en reservoris geològics a fondàries de fins a 4 km. Un dels projectes d’aquests repositoris, al Yucca Mountain (Nevada), fou cancel•lat per l’oposició local.

El plutoni, essencialment, és un subproducte indesitjat per a finalitats civils però les seves aplicacions militars fan que les potències nuclears i l’Organització per l’Energia Atòmica vetllin quant a la seva fabricació i transport. Pel que fa al transport:
– per terra, se sol transportar en forma d’òxid de plutoni. Cada camió pot transportar diverses unitats, amb un pes total de 80-200 kg d’oxid de plutoni. La normativa nord-americana demana que el transport sigui en forma de peça sòlida i no en pols per a quantitats superiors a 0,74 TBq.
– per mar, es vetlla pel segellament de cada peça.
– per aire, es recomana que el carregament vagi en la part més posterior possible de la nau, i que no depassi els 15 grams de material fissible. La premsa noruega es va fer ressò en el 2012 que hom fa servir periòdicament vols comercials de passatgers per a l’exportació de plutoni.

El combustible nuclear gastat de centrals nuclears conté una barreja de 242Pu, 240Pu, 239Pu i 238Pu. Això fa que no es pugui utilitzar directament per a la confecció d’armes nuclears de plutoni. No obstant, pot reprocessar-se per generar combustible MOX (mixed oxide), destinat a reactors termals i a reactors de neutrons energètics.

Per a la generació de plutoni per a armament, cal garantir uns nivells limitats de plutoni-240 (menys del 7%). En algunes dissenys, hom demana una major grau de puresa isòtopica (>95% de plutoni-239). Aquest plutoni s’ha de produir en reactors nuclear de disseny i operacions especials, on sigui possible un recanvi freqüent de l’urani-238 emprat com a material fèrtil.

El reprocessament nuclear genera neptuni-237 (700 grams per cada 100 kg de combustible reprocessat), que també pot produir-se a partir de la irradiació amb neutrons d’americi. Aquest neptuni-237, al seu torn, irradiat, dóna lloc a plutoni-238. El 238PuO2 és utilitzat en generadors termoelèctrics. Encara avui, hom calcula que hi ha 50-100 pacients que tenen marcapassos alimentats de plutoni-238, encara que ja fa dècades que s’utilitzen altres fonts per a marcapassos (com cèl•lules primàries basades en liti).

Generador termoelèctric de radioisòtop 238Pu de la sonda Cassini, abans d’ésser instal•lat, en el 1997. Encara avui la Cassini és operativa. El generador fou carregat amb 33 kg de plutoni-238, en forma de PuO2. La missió Cassini, una vegada llençada, va fer una reaproximació a la Terra en 1999. En aquesta reaproximació el risc d’un impacte amb la Terra era inferior a 1 entre 1 milió, però si hagués passat, hom calcula que l’impacte del plutoni-238 alliberat a l’atmosfera s’hauria traduït en 5000 morts addicionals per càncer.

Diversos aliatges de plutoni tenen interès com a combustibles nuclears: plutoni-zirconi, plutoni-ceri, plutoni-ceri-cobalt, plutoni-urani, plutoni-urani-zirconi, plutoni-urani-molibdè, tori-urani-plutoni.

L’aliatge plutoni-gal•li-cobalt (PuCoGa5) és un material superconductor no-convencional, que podria tindre interès en el futur. És superconductor a temperatures de fins a 18,5 K, per que el corrent crític és elevat.

Arxivat a Ciència i Tecnologia
%d bloggers like this: