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Il mwbwplutonio (inizialmente scoperto da mwcaEnrico Fermi e chiamato "mwcqesperio") è l'mwcgelemento chimico di mwcwnumero atomico 94 e il suo simbolo è mwdaPu. È l'elemento oggi più usato nelle mwdqbombe nucleari a mwdgfissione ed è quello caratterizzato dalla maggior radioattività. Il suo mwdwisotopo più importante è mwea239Pu, che ha un'mweqemivita di mweg24200 anni.

• Caratteristiche

• Applicazioni

• Plutonio per bombe atomiche

• Plutonio da reattori nucleari

• Altri usi

• Storia

• Disponibilità

• Produzione

• Composti

• Allotropi

• Isotopi

• Pericolosità

• Riferimenti letterari

• Note

• Bibliografia

• Voci correlate

• Altri progetti

• Collegamenti esterni

Il plutonio puro è un metallo argenteo, ma imbrunisce quando si mwgwossida. Il plutonio subisce una contrazione di volume all'aumentare della temperatura.

Il calore prodotto dal mwhqdecadimento alfa rende il plutonio sensibilmente caldo al tatto; grandi quantità possono far bollire l'mwhgacqua.

Nei suoi composti il plutonio presenta sei mwianumeri di ossidazione, da +2 a +7; in mwiqsoluzione acquosa forma preferenzialmente quattro mwigspecie ioniche

• Pu(II), come ione Pumwjq2+ (viola intenso)

• Pu(III), come ione Pumwjw3+ (blu Lavanda)

• Pu(IV), come ione Pumwkq4+ (giallo bruno)

• Pu(V), come ione PuOmwkw+2 (si pensa essere rosa). Questo ione è instabile in soluzione e mwladisproporziona in Pumwlq4+ e PuOmwlg2+2; Pumwlw4+ ossida poi il rimanente PuOmwma+2 a PuOmwmq2+2, riducendosi a Pumwmg3+. Le soluzioni acquose di plutonio tendono nel tempo a divenire una mistura di Pumwmw3+ e PuOmwna2+2.

• Pu(VI), come ione PuOmwng2+2 (rosa-arancio)

• Pu(VII), come ione PuOmwoa3−5 (rosso scuro). Lo ione eptavalente è raro e preparato solo in condizioni di estrema ossidazione.

Il plutonio in forma metallica mostra alcune proprietà particolari: a differenza degli altri metalli conduce male il calore, mostra forti variazioni di volume per modeste variazioni di temperatura o pressione e non è magnetico. Queste proprietà sono state spiegate nel 2007 tramite un modello che ipotizza che gli elettroni di valenza fluttuino tra gli orbitali, in contrasto con i precedenti modelli che ipotizzavano un numero fisso di elettroni di valenza negli orbitali.cite-ref-1[1]

Il plutonio per mwqqbombe atomiche (detto anche in mwqginglese mwqwweapons-grade plutonium) ha una composizione isotopica molto precisa. Date le proprietà di mwrafissione nucleare e di mwrqfissione spontanea di alcuni isotopi, si deve mantenere la composizione di mwrg239Pu >93%, così da rendere l'ordigno stabile e sicuro per il funzionamento, per far ciò si mantiene il mwrwburnup del combustibile inferiore ai MWd per massimizzare la produzione di mwsq239Pu.cite-ref-wna-2-0[2]

Per via della sua facile mwtwfissione il mwua239Pu è un componente fissile fondamentale delle moderne mwuqarmi nucleari. La mwugmassa critica per una sfera di plutonio è di 16 chilogrammi, che può essere ridotta a 10 chilogrammi attraverso l'uso di una schermatura che respinge verso l'interno della massa i neutroni da essa emessi. Questa quantità corrisponde circa ad una sfera di 10 centimetri di diametro che per completa detonazione libera un'mwuwenergia di 200 mwvachilotoni. Il mwvq239Pu ha tempo di dimezzamento (emivita) di 24mwvg 200 anni.

Il plutonio da reattori nucleari (in mwwqinglese mwwgreactor-grade plutonium) dato il mwwwburnup maggiore, ha composizioni attorno al 60% di mwxa239Pu, 25% mwxq240Pu ed il restante degli altri isotopi, con queste percentuali che variano in funzione del burnup e della tipologia di mwxgreattore usato.cite-ref-wna-2-1[2]

Ma anche il Plutonio da reattori può essere utilizzato per le bombe. Nel 1977 il governo statunitense ammise di aver condotto nel 1962 un test nucleare sotterraneo, nel deserto del Nevada, di una bomba nucleare a partire da plutonio da reattori nuclearicite-ref-3[3]. Un'analisi di come sia possibile produrre bombe atomiche utilizzando plutonio da reattori nucleari fu pubblicata su Nature nel 1980 da Amory Lovinscite-ref-4[4]

L'isotopo mwbw238Pu emette particelle alfa ed ha un'emivita di 87 anni. Questa sua caratteristica lo rende adatto per produrre generatori di corrente per dispositivi destinati a lavorare senza manutenzione diretta per un tempo paragonabile a quello di una vita umana; viene per questo usato nei mwcageneratori termoelettrici a radioisotopi (RTG) come quelli che alimentavano le mwcqsonde mwcgGalileo e mwcwCassini. Versioni precedenti della stessa tecnologia hanno fornito energia a dispositivi per condurre esperimenti mwdasismologici sulla superficie della mwdqLuna durante le missioni del mwdgProgramma Apollo.

Il mwea238Pu è stato usato anche per alimentare alcuni modelli di mweqcuore artificiale, in modo da ridurre i rischi dovuti a ripetute operazioni chirurgiche. È stato ampiamente rimpiazzato da mwegbatterie al mwewlitio ricaricabili per mwfainduzione, ma si calcola che negli Stati Uniti, nel mwfq2003, tra 50 e 100 mwfgpace-maker al plutonio fossero impiantati in pazienti ancora in vita.

Enrico Fermi e collaboratori dell'Università di Roma dichiararono di aver sintetizzato l'elemento 94 nel 1934 (che fu da loro denominato mwgqesperio, un antico nome dell'mwggItaliacite-ref-5[5]). In realtà poi si ritenne che la reazione osservata non fosse la sintesi di un nuovo elemento, bensì un esempio di fissione nucleare, che al tempo era sconosciuta e che fu scoperta nel 1938 in Germania da Otto Hahn e Fritz Strassman.

Venne poi sintetizzato nel mwia1940 da mwiqGlenn Seaborg, mwigEdwin McMillan, mwiwJoseph W. Kennedy e A. C. Wahl per bombardamento con mwjqdeutoni dell'mwjguranio nel mwjwciclotrone del mwkamwkqLawrence Berkeley National Laboratory, presso l'mwkgUniversità di Berkeley, in mwkwCalifornia, ma la scoperta fu tenuta segreta. Fu considerato il primo elemento sintetizzato artificialmente e non presente sulla Terra, finché negli mwlaanni settanta lo stesso Seaborg e Perlman lo ritrovarono in alcune mwlqpechblende del mwlgCanadacite-ref-6[6] e in seguito fu rinvenuto soprattutto mwmw239Pu in tracce minerali in mwnaZaire, mwnqColorado, mwngRussia, mwnwBrasile, dove accompagna l'mwoauraniocite-ref-7[7]. Prese il nome dal mwpqpianeta nano mwpgPlutone, all'epoca classificato come mwpwpianeta, perché seguendo l'uranio e il mwqanettunio si volle mantenere l'analogia con i nomi dei pianeti del mwqqsistema solare. Curiosamente, Seaborg scelse come simbolo da sottoporre allo mwqgIUPAC per la registrazione del nuovo elemento, non il logico "Pl", bensì "Pu", corrispondente al verso fatto da un bambino al cospetto di un oggetto maleodorante. Gli piaceva infatti immaginare che tale nuovo elemento avesse un cattivo odore, ma nonostante pensasse che tale burla sarebbe stata bocciata in fase di registrazione, con suo stupore la commissione approvò il simbolocite-ref-8[8].

Durante il mwsaProgetto Manhattan furono realizzati grandi mwsqreattori nucleari a mwsgHanford, nello mwswstato di Washington, per produrre il plutonio con cui sarebbero poi state costruite due bombe: mwtaThe Gadget fu collaudata al mwtqmwtgTrinity site, mwtwFat Man venne sganciata sulla città mwuagiapponese di mwuqNagasaki durante i mwugbombardamenti atomici di Hiroshima e Nagasaki.

Sia gli mwvaStati Uniti d'America sia l'mwvqUnione Sovietica accumularono grandi scorte di plutonio durante gli anni della mwvgguerra fredda; si stima che nel 1982 le scorte ammontassero a 300 tonnellate. Dalla fine della mwvwguerra fredda queste scorte sono oggetto di preoccupazione per un'eventuale incontrollata proliferazione di armi nucleari nel mondo. Negli Stati Uniti d'America è allo studio dal 2003 la conversione di svariati impianti elettronucleari al fine di poterli alimentare con il plutonio (mwwaMOX) al posto dell'uranio arricchito, in modo da smaltire parzialmente queste scorte.

Benché la quasi totalità del plutonio sia di origine sintetica, tracce molto tenui si trovano in natura nei minerali dell'uranio. Queste tracce provengono da un processo di mwwwcattura neutronica da parte di mwxa238U che si converte dapprima in mwxq239U che subisce due mwxgdecadimenti beta convertendosi in mwxw239mwyaNp e quindi in mwyq239Pu. Lo stesso processo è usato per produrre mwyg239Pu nei reattori nucleari. Una concentrazione significativa di plutonio naturale si trova al mwywreattore naturale sul fiume Oklo nel mwzaGabon.

Per via della loro lunga emivita (80 milioni di anni) alcune tracce di mwzg244Pu risalgono alla nascita del mwzwsistema solare, prodottesi dalle esplosioni di mw0asupernova.

L'isotopo mw1w239Pu è il prodotto fissile fondamentale per la maggior parte delle armi nucleari: la sua produzione è quindi importante per le nazioni con programmi di sviluppo del nucleare militare.

mw2q239Pu viene normalmente prodotto nei reattori nucleari esponendo mw2g238mw2wU a un flusso di neutroni: la reazione nucleare è detta mw3afertilizzazione. Questo si trasforma in mw3q239U che subisce due rapidi mw3gdecadimenti beta, trasformandosi prima in mw3w239Np e successivamente in mw4a239Pu. Al termine dell'esposizione il mw4q239Pu formatosi risulta mescolato ad una ingente residua quantità di mw4g238U e a tracce di altri isotopi dell'uranio, nonché di eventuali prodotti di fissione; viene purificato quindi per via chimica.

Se mw5a239Pu cattura a sua volta un neutrone, si trasforma però in mw5q240Pu, un isotopo che ha rispetto al precedente una probabilità mw5g10000 volte maggiore di mw5wfissione spontanea, aumentando corrispondentemente il rischio di detonazione non innescata; per questo motivo un plutonio ricco del suo isotopo 240 risulta inutilizzabile nelle armi nucleari perché emette costantemente neutroni, rendendone problematica la manipolazione e rischiando di far detonare parte dell'arma prima dell'innesco. Inoltre è impossibile distinguere chimicamente mw6a239Pu da mw6q240Pu, sarebbe quindi necessario separarli per via fisica, un processo difficile e costoso simile a quello impiegato per l'arricchimento dell'uranio. Per questa ragione nel caso si voglia ricavare il plutonio-239 l'irraggiamento di mw6g238U non va mai protratto oltre una certa soglia oltre la quale la concentrazione di plutonio-240 diventa inaccettabilmente alta.

Un mw7areattore commerciale ad acqua richiede per la sostituzione del combustibile il fermo completo per giorni o anche per settimane, durante il cambio degli elementi di mw7qcombustibile: perciò è scoraggiata una programmazione del ciclo per la produzione plutonio; rimane comunque possibile anche se molto meno conveniente economicamente separare i minori quantitativi nel combustibile esausto. Per questo motivo, cioè per evitare la mw7gproliferazione nucleare, la mw7wIAEA ispeziona periodicamente tutti i reattori nucleari in attività nel mondo.

Un reattore appositamente concepito per la produzione di plutonio richiede invece dei macchinari di ricambio continuo del combustibile come il mw8qreattore RBMK e i mw8gCANDU, o un reattore più flessibile soprattutto in arresto e avviamento. In particolare i requisiti di flessibilità nel caricamento degli RBMK rendevano impossibile nel progetto una adeguata struttura di contenimento, fatto che ha drasticamente aggravato il mw8wdisastro di Černobyl'. La maggior parte del plutonio prodotto nel mondo proviene da reattori di ricerca o da reattori militari come il reattore a gas inglese dell'incidente di mw9aWindscale. La produzione di plutonio è stata anche condotta con mw9qreattori autofertilizzanti al sodio attraverso l'impiego del mantello radiale nel nocciolo.

Il plutonio reagisce rapidamente con l'mw-aossigeno, formando PuO, mw-qPuO2 e altri ossidi intermedi. Reagisce con gli mw-walogeni producendo composti del tipo PuXmwaqa3, dove X è mwaqefluoro, mwaqicloro, mwaqmbromo o mwaqqiodio. Tra i fluoruri, è noto anche PuFmwaqu4: sono inoltre noti gli ossialogenuri PuOCl, PuOBr e PuOI.

Il plutonio forma inoltre il mwaqccarburo PuC, il mwaqgnitruro PuN e, reagendo con il mwaqksilicio, il composto PuSimwaqo2.

Anche a pressione atmosferica il plutonio si presenta in diverse mwaq0forme allotropiche. Queste hanno strutture cristalline e densità molto diverse: la differenza tra le densità delle forme α e δ è superiore al 25%. La presenza di questi numerosi allotropi rende il plutonio difficile da lavorare. Le ragioni che spiegano il suo complicato diagramma di fase non sono completamente note; alcune ricerche recenti sono state focalizzate sul realizzare accurati modelli matematici a computer delle transizioni di fase.

Sono noti 21 mwararadioisotopi del plutonio. I più stabili sono mware244Pu, con mwariemivita di 80,8 milioni di anni, mwarm242Pu con emivita di mwarq373300 anni e mwaru239Pu, con emivita di mwary24100 anni. Tutti gli altri isotopi sono molto mwarcradioattivi e hanno emivite minori di mwarg7000 anni. Questo elemento ha anche otto mwarkstati metastabili, nessuno dei quali è stabile (hanno tutti emivite di meno di un secondo).

Gli isotopi di plutonio hanno mwarspeso atomico che va da 228,0387 (mwarw228Pu) a 247,074 (mwar0247Pu). Il principale modo di decadimento prima dell'isotopo più stabile (mwar4244Pu) sono mwar8fissione spontanea ed mwasaemissione alfa, mentre il modo principale dopo l'isotopo più stabile è l'mwaseemissione beta. I prodotti di decadimento prima di mwasm244Pu (trascurando la pletora di nuclei figli generati dalla fissione) sono isotopi di uranio e mwasqnettunio, mentre quelli dopo sono isotopi di mwasuamericio.

Gli isotopi principali per applicazioni pratiche sono mwasc239Pu, che è adatto per l'uso in armi e reattori nucleari, e mwasg238Pu, adatto per l'uso in generatori termoelettrici a radioisotopi (vedi sopra per ulteriori dettagli). L'isotopo mwask240Pu è soggetto facilmente a fissione spontanea e si produce quando mwaso239Pu è esposto a neutroni. Il plutonio composto da più del 90% di mwass239Pu è detto mwaswplutonio da armi nucleari; il plutonio ottenuto da reattori commerciali contiene di solito almeno il 20% di mwas0240Pu ed è chiamato mwas4plutonio da reattore.

Tutti gli mwateisotopi e i composti del plutonio sono tossici e radioattivi.

Il plutonio è dunque estremamente pericoloso se non manipolato adeguatamente. Le particelle alfa che emette non penetrano la mwatmpelle, ma possono danneggiare gravemente gli organi interni se il plutonio viene inalato o ingerito. Particolarmente a rischio sono lo mwatqscheletro, sulla cui superficie il plutonio è assorbito, e il mwatufegato, dove viene raccolto e concentrato. Particelle finissime di plutonio (dell'ordine dei microgrammi) causano il cancro ai mwatypolmoni per inalazione.

A differenza di altri radioisotopi naturali quali il radio o il carbonio-14, il plutonio è stato prodotto, concentrato e isolato in grandi quantità (centinaia di tonnellate) durante gli anni della mwatgguerra fredda per la produzione di armi. Questi depositi, siano o meno in forma di armi, rappresentano un rischio tossicologico significativo principalmente perché non esistono vie facilmente praticabili per il loro smaltimento.

Oltre ai problemi connessi alla tossicità, vanno presi accorgimenti per evitare l'accumulo di plutonio in quantità vicine alla mwatomassa critica, ovvero alla quantità capace di innescare e auto-propagare una mwatsreazione a catena di mwatwfissione nucleare. In queste condizioni, anche se non confinata, la massa di plutonio si surriscalda e, rompendosi, danneggia ciò che le sta attorno. La forma è rilevante; vanno evitate forme compatte come quella sferica. Un'esplosione nucleare dell'ordine di una bomba atomica non può avvenire accidentalmente, dato che richiede una grande massa supercritica, tuttavia una massa critica può produrre dosi letali di radiazioni, come è accaduto in alcuni incidenti in passato.

Sono avvenuti diversi incidenti del genere sia negli Stati Uniti sia in Unione Sovietica, in alcuni casi con conseguenze letali. La manipolazione incauta di una sfera di plutonio di 6,2mwat4 kg ha procurato un'esposizione letale allo scienziato mwat8Harry Daghlian a mwauaLos Alamos il 21 agosto mwaue1945, causandone la morte quattro settimane dopo. La dose assorbita da Daghlian fu di 510 mwauirem (5,1 mwaumSv). Nove mesi dopo un altro incidente simile sempre a Los Alamos causò la morte di mwauqLouis Slotin. Ancora a Los Alamos nel mwauu1958, durante un processo di purificazione del plutonio, si formò una massa critica in un reattore, causando la morte di un operatore alla gru. Incidenti simili sono avvenuti anche in Unione Sovietica, in Giappone e in altre nazioni.

Il plutonio metallico rappresenta un pericolo di incendio, specie se il materiale è finemente suddiviso. Reagisce chimicamente con l'ossigeno e con l'acqua, con la quale può formare mwaucidruro di plutonio, una sostanza che si infiamma spontaneamente all'aria. Il plutonio si espande considerevolmente in seguito all'ossidazione e può arrivare a rompere il contenitore in cui si trova. Il materiale più efficace per spegnere un incendio da plutonio è la polvere di mwaugossido di magnesio, che raffredda la massa incendiata e blocca qualsiasi legame con l'ossigeno.

Per evitare questo pericolo, il plutonio viene generalmente conservato in atmosfera inerte e rigorosamente anidra.

Un elemento di nome "plutonio" viene citato da mwauwIppolito Nievocite-ref-9[9], nella sua mwavemwaviStoria filosofica dei secoli futuri del 1860, 80 anni prima della sua sintesi:

«Presi mezz'oncia di

fosforo

e una dramma di plutonio, i due elementi di cui si compone l'intima semenza umana; li mescolai ben bene e tolsi dalla dose quella particella infinitesima che forma probabilmente lo strumento passivo dell'intelligenza.»

(Storia filosofica dei secoli futuri, Introduzione)

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• citereftavola-periodica-e-propriet-degli-elementiR. Barbucci, A. Sabatini e P. Dapporto, Tavola periodica e proprietà degli elementi, Firenze, Edizioni V. Morelli, 1998 (archiviato dall'url originale il 22 ottobre 2010).

• mwaaoAccordo sulla Gestione e Distribuzione del Plutonio

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