Plutónio - Wikiwand
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Massa atômica 244,0642 u
O plutónio (pt) ou plutônio (pt-BR) (em homenagem ao corpo celeste Plutão) é um elemento químico representado pelo símbolo Pu e de número atômico igual a 94 (94 protões e 94 electrões). À temperatura ambiente, o plutônio encontra-se no estado sólido. Pertencente a família dos actinídeos, é um metal de cor prateada-branca, que embaça em contato com o ar, formando um revestimento amorfo quando oxidado, radioativo, frágil e muito denso. Tem o maior número atômico dentre os elementos primordiais, é encontrado em poucas quantidades junto a minérios de urânio, sendo formado naturalmente por capturas neutrônicas de átomos de urânio. O mais estável isótopo do plutônio é o plutônio-244, com uma meia-vida de cerca de 80 milhões de anos, grande o suficiente para que se encontrar traços dele na natureza.[1] Plutônio é principalmente um produto de reações nucleares em reatores onde alguns nêutrons liberados em fissões nucleares são capturados por átomos de U-238, que após uma série de decaimentos, finalmente torna-se Pu.[2] O elemento normalmente exibe seis alótropos e quatro estados de oxidação. Ele reage com carbono, halogênios, nitrogênio, silício e hidrogênio. Quando exposto ao ar úmido, forma óxidos e hidretos que expandem a amostra em até 70% do volume, que pode entrar em ignição espontaneamente como um pó. Ele é radioativo e pode acumular-se nos ossos. Essas propriedades fazem do manuseio do plutônio uma atividade perigosa.
Ambos o plutônio-239 e plutônio-241 são físseis, significando que eles podem sustentar uma reação em cadeia, levando a aplicações em armas nucleares e reatores nucleares. Plutônio-240 exibe uma grande taxa de fissão espontânea, elevando o fluxo de nêutrons de qualquer amostra que o contem. A presença de plutônio-240 limita usabilidade de uma amostra de plutônio em armas ou a sua qualidade em como um combustível em um reator, e a percentagem de Pu-240 determina o seu grau (grau para armas, combustível ou reator).
Plutônio-238 tem uma meia vida de 88 anos e emite partículas alfa. Ele é uma fonte de calor em geradores termoelétricos de radioisótopos, que são usados como fonte de energia para algumas sondas. Isótopos de plutônio são caros e inconveniente de se separar, então isótopos particulares são manufaturados em reatores especializados.
Enrico Fermi e uma equipe de cientistas da Universidade de Roma informou que eles haviam descoberto o elemento 94 em 1934. Fermi chamou o elemento de hesperium e mencionou o nome em sua palestra em 1938. A amostra foi na verdade uma mistura de bário, criptônio e outros elementos, mas isso não era conhecido na época, porque a fissão nuclear não tinha sido descoberta ainda.
Plutónio (especificamente, plutônio-238) foi produzido pela primeira vez e isolado em 14 de dezembro de 1940, e quimicamente identificado em 23 de fevereiro de 1941 por Glenn T. Seaborg, Edwin McMillan, Joseph William Kennedy, e Arthur Wahl. era produzido pelo bombardeio de urânio por deutério em um ciclotron de 150 centímetros na Universidade da Califórnia, Berkeley. No experimento de 1940, Neptúnio-238 foi criado diretamente pelo bombardeio, mas deteriorado por emissão beta, dois dias depois, o que indicou a formação do elemento 94.
Um trabalho documentando a descoberta foi preparado pela equipe e enviado à revista "Physical Review março 1941. O artigo foi retirado antes da publicação, após a descoberta de que um isótopo do novo elemento (plutônio-239) pode sofrer fissão nuclear em uma maneira que possa ser útil em uma bomba atômica. A publicação foi atrasada até um ano após o final da Segunda Guerra Mundial, devido a preocupações de segurança.
Edwin McMillan tinha nomeado recentemente o primeiro elemento transurânico depois do planeta Netuno, e sugeriu que o elemento 94, sendo o elemento seguinte na série, deveria ser nomeado para o que era, até então, considerado o próximo planeta, Plutão. Seaborg originalmente considerou o nome "plutium", mas depois pensou que não tinha som tão bom quanto "plutónio." Ele escolheu as letras "Pu" como uma piada, que passou sem aviso prévio para a tabela periódica. Outros nomes alternativos considerados por Seaborg e outros foram "ultimium" ou "extremium" devido à crença errônea de que tinham encontrado o último possível elemento na tabela periódica.
A química de base de plutónio foi encontrada e assemelha-se a do urânio, após alguns meses de estudo inicial. As pesquisas iniciais foram mantidas em segredo no Laboratório Metalúrgico da Universidade de Chicago. Em 18 de agosto de 1942, uma quantidade deste elemento foi isolado e medida pela primeira vez. Cerca de 50 microgramas de plutónio-239 combinado e com produtos da fissão do urânio foi produzido e apenas cerca de 1 micrograma foi isolado. Esta amostra permitiu aos químicos que determinassem o peso do novo elemento químico.
Em 1942 os E.U.A havia acumulado 500 gramas de sais de plutónio, e formou três grupos de cientistas para analisar melhor o elemento:
Um grupo de cientistas deveria fornecer plutónio puro por métodos químicos (Los Alamos: JW Kennedy, CS Soares, AC Wahl, CS Garner, IB Johns),
Outro grupo, que estudou o comportamento de plutónio em soluções, incluindo um estudo de seus estados de oxidação, potenciais de ionização e da cinética de reação (Berkeley : WM Latimer, ED Eastman, RE Connik, JW Gofman, etc)
E o grupo, que estudou a química dos complexos de íons de plutónio (Iowa: FH Spedding, WH Sullivan, FA Voigt, como Newton) e vários outros grupos de menor influência e importância.
Em novembro de 1943, trifluoreto de plutónio foi reduzido para criar a primeira amostra de plutónio metálico: alguns microgramas de plutónio metálico. Foi o primeiro elemento transurânico sintetizado artificialmente com uma amostra pura visível a olho nu. As propriedades nucleares de plutónio-239 também foram estudadas, os pesquisadores descobriram que quando ele é atingido por um nêutron se rompe (fissões) liberando mais nêutrons e energia. Esses nêutrons podem atingir outros átomos de plutónio-239 e assim por diante, e formar uma exponencial reação em cadeia. Isso pode resultar em uma explosão grande o suficiente para destruir uma cidade, se o isótopo estiver concentrado o suficiente para formar uma massa crítica.
Na URSS as primeiras experiências para criar Pu-239 ocorreram de 1934-1944, sob a liderança de intelectuais Igor Kurchatov e B. Khlopin. Em pouco tempo, a União Soviética realizou amplos estudos sobre as propriedades de plutónio. No início de 1945, o primeiro cíclotron da Europa foi construído em 1937 no Instituto Radium, a primeira amostra de plutónio foi obtida ao irradiar urânio no cíclotron. Na cidade de Ozersk em 1945 começou a construção do primeiro reator nuclear comercial para produzir plutónio, o primeiro objeto de Mayak, que foi executado 19 junho de 1948.
O Projeto Manhattan começou com uma carta de Albert Einstein a Franklin Roosevelt, então presidente dos E.U.A. A carta dizia da preocupação de Einstein de que a Alemanha Nazista pudesse vir a desenvolver armas nucleares, logo o E.U.A, fez este projeto para a criação de armas nucleares, durante a II Guerra Mundial. O projeto de programa nuclear, dos quais formados no Projeto Manhattan, foi aprovado e estabelecido por decreto presidencial.[3] Sua atividade do Projeto Manhattan começou a 12 de agosto de 1942. Seus três objetivos principais são:
Produção de plutónio no complexo Henfordskogo.
Enriquecimento de urânio em Oak Ridge, Tennessee.
A pesquisa no campo das armas nucleares e construindo uma bomba atômica em Los Alamos National Laboratory.[4]
O primeiro reator de Pu que tornou possível a obtenção foi o Chicago-1, ele foi comissionado em 2 de dezembro de 1942. Ele consistia de 6 toneladas de urânio metálico, 34 toneladas de óxido de urânio e 400 toneladas de "blocos negros" de grafite.[5] A única coisa que poderia parar a reação nuclear em cadeia, foram as barras de cádmio, que capturavam bem nêutrons térmicos e, conseqüentemente, pode prevenir a possível ocorrência de reação em cadeia que pudesse causar a detonação da instalação. Devido à ausência de proteção contra as radiações e resfriamento, a sua capacidade normal era de apenas 200 Watts (muito pouco comparado a potência de reatores atuais), ele permitiu produzir bem mais plutónio que os ciclotons, e meses depois o reator X-10 (experimental) continuou o trabalho iniciado pelo Chicago-1 na produção de Pu para o projeto, porem se descobriu que a porcentagem de Pu-240 no plutónio produzido por esses reatores era grande, e este deveria ser separado do Pu-239 através de um enriquecimento para que não ocorresse a detonação acidental de armas nucleares. (Nota: os reatores eram de urânio, mas as capturas de nêutrons por átomos de U-238 acabava em átomos fisseis de Pu-239).
Trinity e Fat Man
A forma de detonação de armas nucleares de plutónio (por implosão) não tinha muita confiabilidade na detonação, por isso era necessário fazer um teste antes para ver se realmente funcionaria. Então foi criado um artefato pouco antes de uso destas armas em guerra. A Trinity detonou em 16 de Julho de 1945, gerando 20 quilotons.
Quantidades pequenas, traços, de ao menos três isótopos de plutônio (Pu 238, 239 e 244) podem ser encontrados na natureza. Pequenas quantidades de Pu-239, em algumas partes por milhão, e seus produtos de decaimento são naturalmente encontrados em minérios concentrados de urânio.[6] assim como no reator nuclear natural de fissão em Oklo, Gabão.[7] A razão de Pu-239 para o urânio no depósito de urânio Cigar Lake Mine varia de 6988240000000000000♠2.4×10−12 para 6989440000000000000♠44×10−12.[8] Mesmo pequenas quantidades de nuclídeos primordiais de Plutônio-244 ocorrem naturalmente devido a sua relativa meia-vida longa de cerca de 80 milhões de anos.[9] Esses traços de 239Pu originam de três formas diferentes:em raras ocasiões, 238U sofre fissão espontânea, e no processo, o núcleo emite 2 ou 3 nêutrons livres com algumas energia cinética. Quando um desses nêutrons atinge o núcleo de outro átomo de 238U, ele é absorvido pelo átomo, que torna-se 239U.Com uma relativa meia-vida curta,239U decai para netúnio-239 (239Np), e então em 239Np decai em 239Pu.
Até 2002, 1 200 toneladas de plutônio[12] tinham sido produzidas em reatores nucleares, e pelo reprocessamento nuclear.[13] Durante a produção e teste de armas nucleares, uma certa quantidade de plutônio foi liberada no ambiente, uma estimativa de 12,7 toneladas somente para o programa nuclear dos E.U.A sozinho.[14] Em adição, durante a produção do plutônio em reatores nucleares civis, o plutônio foi liberado por acidentes de design e escapou para a biosfera, e tem sido encontrado em camadas sedimentares e em espécies aquáticas.
92 238 U + 0 1 n ⟶ 92 239 U → 23.5 m i n β − 93 239 N p → 2.3565 d β − 94 239 P u {\displaystyle \mathrm {^{238}_{\ 92}U\ +\ _{0}^{1}n\ \longrightarrow \ _{\ 92}^{239}U\ {\xrightarrow[{23.5\ min}]{\beta ^{-))}\ _{\ 93}^{239}Np\ {\xrightarrow[{2.3565\ d}]{\beta ^{-))}\ _{\ 94}^{239}Pu} }
92 238 U + 1 2 D ⟶ 93 238 N p + 2 0 1 n ; 93 238 N p → 2.117 d β − 94 238 P u {\displaystyle \mathrm {^{238}_{\ 92}U\ +\ _{1}^{2}D\ \longrightarrow \ _{\ 93}^{238}Np\ +\ 2\ _{0}^{1}n\quad ;\quad _{\ 93}^{238}Np\ {\xrightarrow[{2.117\ d}]{\beta ^{-))}\ _{\ 94}^{238}Pu} }
Plutônio, como a maioria dos metais, tem um brilho prateado ao início, sendo muito semelhante ao níquel, mas quando ele se oxida muito rápido, assumindo um revestimento cinza, embora amarelo e verde oliva já tenham sido também reportados.[15][16] A temperatura ambiente o plutônio está em sua forma α (alfa). Essa, é a mais comum forma estrutural do elemento (alótropo), e é duro e quebradiço assim como o ferro fundido, a não ser que seja ligado a outros metais para torná-lo mais macio e dúctil. Diferente dos outros metais, ele não é um bom condutor de calor ou eletricidade. Ele tem um baixo ponto de fusão (640 °C) e um não usual alto ponto de ebulição(3,228 °C).[15]
Decaimento alfa, que libera núcleos de hélio de alta energia cinética, é a mais comum forma de decaimento radioativo para o plutônio.[17] Uma massa de 5 kg de 239Pu contem cerca de 12,5 X 1024 átomos. Com uma meia vida de 24 100 anos, cerca de 11,5 X 1012 de seus átomos decaem a cada segundo, emitindo um partícula alfa de 5.157 MeV de energia. Isso gera cerca de 9,68 watts de energia. Calor produzido pela desaceleração daquelas partículas alfas, tornando-o morno ao toque.[18][19]
Também diferente dos outros metais, o plutônio aumenta a sua densidade quando derretido, em cerca de 2,5% para ser mais preciso. Mas o metal líquido exibe uma diminuição linear da densidade com a temperatura..[20] Perto do ponto de fusão, o plutônio líquido tem também uma lata viscosidade e tensão superficial quando comprado a outros metais.[21]
Plutônio normalmente tem seis alótropos e forma uma sétima (zeta, ζ) a alta temperatura com uma faixa de pressão limitada.[23] Esses alótropos, que são diferentes modificações estruturais ou formas de um elemento, tem energias internas muito similares, entretanto variando significativamente de densidade e estrutura de cristal. Isso faz do plutônio sensitivo a mudanças de temperatura, pressão, ou química, e permite mudanças de volume dramáticas durante a transição de uma fase alotrópica à outra.[21] As densidades dos alótropos variam de 16.00 g/cm3 para 19.86 g/cm3.[24]
Plutônio-239 puro, pode ter um fator de multiplicação (keff) maior que um, o que significa que se o metal está presente em quantidades suficientes e com uma geometria apropriada (exemplo: uma esfera de tamanho suficiente), ele pode formar uma massa crítica.[29] Durante a fissão, uma fração da energia de ligação, que segura o núcleo unido, é liberada como uma grande quantidade de energia eletromagnética e cinética (das quais, uma grande parte é posteriormente convertida em energia térmica). A fissão de um quilograma de plutônio-239 pode produzir uma explosão equivalente a 21 quilotons ( 21 000 toneladas de TNT).[18] Essa é a energia que faz do Pu-239 utilizável em armas nucleares e reatores nucleares.
Química e componentes
Pu(III), como Pu3+ (azul lavanda)
Pu(IV), como Pu4+ (amarelo ou castanho)
2 (rosa claro)[nota 1]
2 (rosa alaranjado)
A cor mostrada pelo plutônio em soluções depende doe stado de oxidação e da natureza do ânion ácido.[34] É o ânion ácido que influencia no grau de complexação, como átomos se conectam ao átomo central da espécie do plutônio.
Plutônio metálico é produzido ao reagir tetrafluoreto de plutônio com bário, cálcio ou lítio a 1200 °C.[35] Ele é atacado por ácidos, oxigênio, e vapores mas não por alcalinos e dissolve-se facilmente em ácido clorídrico concentrado, hiodeto de hidrogênio e ácido perclórico.[36] O metal fundido deve ser mantido no vácuo ou numa atmosférica inerte, para evitar reações com o ar.[25] À 135 °C o metal entrará em ignição com o ar e explodirá se colocado com tetracloreto de carbono.[11]
Plutônio é um metal reativo. No ar úmido ou no argônio úmido, o metal oxida-se rapidamente, produzindo uma mistura de óxidos e hidretos.[15] Se o metal é exposto o suficiente para uma quantidade limitada de vapor de água, uma poerenta superfície de PuO2 é formada.ref name = "WISER"/> Também forma hidreto de plutônio mas um excesso de vapor de água apenas forma PuO2.[36]
Plutônio é um elemento no qual os seus elétrons 5f estão na fronteiro de transição entre localizados e deslocalizados. Portanto ele é considerado um dos elementos mais complexos.[40] O comportamento anômalo do plutônio é causado por sua estrutura eletrônica. A diferença de energia entre os subníveis 6d e 5f é muito pequena. O tamanho da 5f é o suficiente para permitir a formação de ligações dentro da rede. A proximidade dos níveis de energia leva a multiplicação de configurações de elétrons de baixa energia com níveis de energia parecidos. Isso leva a competição pelas configurações 5fn7s2 ae 5fn−16d17s2, que causa a complexidade do seu comportamento químico. A natureza direcional das orbitais 5f é responsável pela direção das ligações covalentes em moléculas e complexos de plutônio.[21]
Plutônio-Gálio é usado para estabilizar a fase δ do plutônio, evitando negócios ligados as fases α e α-δ. Seu principal uso é em fossos de armas implosivas.[42]
Liga Plutônio-Alumínio é uma alternativa a liga Pu-Ga. Ela foi o elemento original considerado para a estabilização da fase delta, mas ela a sua tendência em reagir com as partículas alfa e liberar nêutrons reduz a sua usabilidade como fosso em armas nucleares. Plutônio-Alumínio também pode ser um componente do combustível nuclear.[43]
Liga Plutônio-Gálio-Cobalto (PuCoGa5) é um supercondutor não convencional, mostrando supercondutividade abaixo de 18.5 kelvin, uma ordem de magnitude maior que a maior entre os sistema de férmion pesado, e tem uma grande corrente crítica[40][44]
Liga Plutônio-Zircônio pode ser usada como combustível nuclear.[45]
Liga Plutônio-cério e Plutônio-cério-cobalto são usadas como combustíveis nucleares..[46]
Plutônio-Urânio, como cerca de 15–30 mol.% de plutônio, ele pode ser usado como combustível nuclear para reatores de reprodução rápida. A sua natureza pirofórica e alta susceptibilidade à corrosão ao ponto de pegar fogo sozinha ou desintegrar-se após exposição ao ar requere a ligação com outros componentes. Adição de alumínio, carbono ou cobre não melhoram muito o índice de desintegração, zircônio e ferro quando adicionados têm melhor resistência à corrosão mas eles se desintegram no ar também. A adição de titânio e/ou zircônio, aumenta significativamente o ponto de fusão da liga..[47]
Liga plutônio-urânio-titânio e Plutônio-urânio-zircônio foram investigados para o uso como combustíveis nucleares. A adição do terceiro elemento aumenta a resistência a corrosão, reduz a inflamabilidade, e melhora a ductibilidade, fabricabilidade, resistência, e expansão térmica.
Plutônio-urânio-molibdênio tem a melhor resistência à corrosão, formando uma película de óxidos protetiva, mas o titânio e zircônio são preferidos por razões físicas.[47]
Em reatores nucleares, sonda espaciais e submarinos movidos a energia nuclear ele é utilizado. Foi importante no final da Segunda Guerra Mundial quando foi utilizado como o material fissil da bomba atômica estadunidense Fat Man, sendo que ainda é o elemento predileto para se fazer fossos para os primários de bombas de hidrogênio pela sua densidade e potência elevada.
Plutônio-239 Supergrade
Pu-242, produzido pela captura neutrônica de Pu-241 sem resultar em uma fissão(27% dos casos como visto anteriormente). Tem a segunda maior meia-vida dentre os isótopos de plutônio, com 373 300 anos, 15 vezes mais longa que o do Pu-239.[50] Não é físsil, mas como o Urânio-238 ele é fissionável por nêutrons rápidos(nêtrons com energia superior a 1 MeV, ou seja saem a mais de 14 000 km por hora), poderiam ser empregados em armas termonucleares para serem fissionados pelos nêutrons criados pela fusão nuclear de deutério e trítio que liberam nêutrons de 14,1 MeV(atingindo 52 000 km por hora, 17,3% da velocidade da luz.
Pu-243, produzido pela captura neutrônica de Pu-242. Ele tem uma meia-vida de aproximadamente 4,9 horas. Por isso muitos átomos de Pu-243 não tem tempo suficiente para realizar uma captura neutrônica para criar Pu-244 acabando com a cadeia de sucessivas capturas neutrônicas gerando novos isotopos cada vez mais pesados de plutônio. Decorrido a meia-vida Pu-243 decai para Amerício-243 por decaimento beta.
Pu-244 é isótopo de plutônio de maior meia-vida com 80 milhões de anos, curiosamente é seguinte a um isotopo de meia-vida muito pequena, Pu-243. Ele não é produzido em quantidades consideráveis pelo ciclo de combustível nuclear devido a pouca meia-vida do que seria o seu isotopo pai, o Pu-243. Mas ele aparece muitas vezes em vestígios de detonações nucleares, a onda de nêutrons criada por uma reação em cadeia pode induzir átomos de plutônio a sofreremmúltiplas capturas neutrônicas e também são encontrados em vestígios de supernovas criados pelo mesmo processo. Tem a quarta maior meia-vida entre actinídeos perdendo apenas para o tório-232, U-238 e U-235 respectivamente.
alfa / 234U 87.74 560 2600 Grande quantidade de calor dissipado. Mesmo em pequenas quantidades pode causar significativo auto-aquecimento, muito utilizado em geradores termoelétricos.
alfa / 235U 24 100 1.9 0.022 Principal isótopo físsil de plutônio em uso hoje.
alfa / 236U(logo após sofre fissão espontânea) 6 560 6.8 910 Altas taxas de fissões espontâneas. Principal contaminante do 239Pu. Altas porcentagens de 240Pu em armas nucleares favorece detonações prematuras.
beta negativa / 241Am 14.4 4.2 0.049 Físsil mas pouco utilizado. Seu rápido decaimento em 241Am deixa amostras velhas com quantidades grandes de amerício.
alfa / 238U 376 000 0.1 1700
O Demon Core (Núcleo Demoníaco) foi um fosso de plutónio que recebeu esse nome apos matar dois cientistas em acidentes de criticidade, ele foi utilizado no teste Able
Em 21 de agosto de 1945, o núcleo foi cercado por tijolos refletores de nêutrons para experiências, esses tijolos refletiram os nêutrons e deixaram o núcleo crítico, o cientista Harry Daghlian retirou rapidamente os tijolos impedindo uma reação em cadeia, porém ele recebeu uma dose fatal de radiação e morreu 25 dias apos o incidente.
Em 21 de maio de 1946 o físico Louis Slotin e outros sete cientistas cercaram o núcleo novamente com tijolos, para uma experiencia visando saber até onde a massa poderia ser considerada subcrítica, quando Slotin foi fazer um teste chamado de fazer cócegas na cauda do dragão devido a sua periculosidade, que consistia em retirar o núcleo com uma chave de fenda, ele escorregou a chave de fenda fazendo o núcleo ficar supercrítico e liberar uma explosão de nêutrons e raios gama (que foram descritos como um flash azul por observadores) atingiu Slotin, que rapidamente fechou a duas metades dos refletores de nêutrons, salvando a vida dos outros cientistas, porém Slotin sofreu uma dose letal de radiação e morreu 9 dias depois do incidente.
94 239 P u → 24200 a n o s α 5 , 245 M e V 92 235 U {\displaystyle \mathrm {^{239}_{\ 94}Pu\ {\xrightarrow[{24200\ anos}]{\alpha \ 5,245\ MeV))\ _{\ 92}^{235}U} }
O Pu-238 decai em U-234 depois de 84.7,3 anos, quando ele fica instavel e sofre uma emissão alfa para se estabilizar.
94 238 P u → 87 , 74 a n o s α 5 , 593 M e V 92 234 U {\displaystyle \mathrm {^{238}_{\ 94}Pu\ {\xrightarrow[{87,74\ anos}]{\alpha \ 5,593\ MeV))\ _{\ 92}^{234}U} }
O Pu-240 decai através da emissão alfa depois de 6 563 anos, esse decaimento gera 5,255 MeV e um atomo de U-236 que logo apos sofre fissão.
94 240 P u → 6563 a n o s α 5 , 255 M e V 92 236 U {\displaystyle \mathrm {^{240}_{\ 94}Pu\ {\xrightarrow[{6563\ anos}]{\alpha \ 5,255\ MeV))\ _{\ 92}^{236}U} }
A meia-vida do Pu-241 é de 14 anos, o modo de decaimento é o decaimento beta, e então um átomo de amerício-241 sera formado.
94 241 P u → 6563 a n o s β ? M e V 95 241 A m {\displaystyle \mathrm {^{241}_{\ 94}Pu\ {\xrightarrow[{6563\ anos}]{\beta \ ?\ MeV))\ _{\ 95}^{241}Am} }