Plutonio Pu

Il plutonio fu osservato per la prima volta quando venne sintetizzato nel 1940 da Glenn T. Seaborg, Edwin M. McMillan, J. W. Kennedy e A. C. Wahl per bombardamento con deutoni dell'uranio nel ciclotrone del Berkeley Radiation Laboratory, presso l'Università di Berkeley, in California, ma la scoperta fu tenuta segreta. Fu considerato il primo elemento sintetizzato artificialmente e non presente sulla Terra, finché negli anni 1970 lo stesso Seaborg e Perlman lo ritrovarono in alcune pechblende del Canada e in Zaire, Colorado, Russia, Brasile, dove accompagna l'uranio. Prese il nome dal pianeta nano Plutone, all'epoca classificato come pianeta, perché si volle mantenere l'analogia con i nomi dei pianeti del Sistema Solare. Durante il Progetto Manhattan furono realizzati grandi reattori nucleari a Hanford, nello stato di Washington, per produrre il plutonio con cui sarebbero poi state costruite due bombe: The Gadget (fu collaudata al Trinity site) e Fat Man (venne sganciata sulla città giapponese di Nagasaki). Sia gli Stati Uniti che l'Unione Sovietica accumularono grandi scorte di plutonio durante gli anni della guerra fredda; si stima che le scorte ammontassero nel 1982 a 300 tonnellate. Dalla fine della guerra fredda, queste scorte sono oggetto di preoccupazione per un'eventuale incontrollata proliferazione di armi nucleari nel mondo. Negli Stati Uniti è allo studio dal 2003 la conversione di svariati impianti elettronucleari al fine di poterli alimentare con il plutonio (MOX) al posto dell'uranio arricchito, in modo da smaltire parzialmente queste scorte.

Edwin Mattison McMillan
Nato il 18 settembre 1907 e morto il 7 settembre 1991, è stato un fisico statunitense, premio Nobel per la chimica nel 1951 insieme a Glenn T. Seaborg per le loro scoperte nella chimica degli elementi transuranici. Nato a Redondo Beach, in California, la sua famiglia si spostò molto presto a Pasadena. Fu qui che iniziò gli studi presso il California Institute of Technology nel 1927. L'anno successivo conseguì anche un master in scienze.
Nel 1932, frequentando l'Università di Princeton, ottenne il PhD con una tesi sulla "Deflessione di un fascio di molecole di HCl in un campo elettrico non omogeneo" effettuata sotto la supervisione di Edward Condon. Quindi si unì al gruppo di Ernest Lawrence all'Università della California spostandosi al Lawrence Radiation Laboratory nel 1934. Nel 1946 divenne full professor a Berkeley e nel 1954 venne nominato direttore associato del Lawrence Radiation Laboratory, divenendo successivamente direttore nel 1958, carica che ricoprì fino al suo ritiro nel 1973. Fu eletto nella National Academy of Science nel 1947. Sposò Elsie Walford Blumer e insieme ebbero tre figli. Le sue capacità sperimentali gli permisero di scoprire l'isotopo dell'ossigeno 15O, insieme con Stanley Livingston, e quello del berillio 10Be, insieme con Samuel Ruben. Nel 1940, a Berkeley, McMillan e Philip Hauge Abelson crearono il nettunio durante un esperimento sulla fissione di 239U tramite utilizzo di neutroni e di un ciclotrone. McMillan comprese il principio fondamentale della reazione e iniziò a bombardare l'isotopo dell'uranio col deuterio allo scopo di produrre il plutonio. Lo scienziato si trasferì al Massachusetts Institute of Technology e fu Glenn Theodore Seaborg a portare a termine il lavoro. Durante la seconda guerra mondiale lavorò in ricerche riguardanti il radar (Massachusetts Institute of Technology), il sonar (San Diego) e le armi nucleari (Los Alamos National Laboratory). Dopo questo frenetico periodo, tornò al Berkeley Radiation Laboratory, dove divenne anche direttore dell'Istituto (dopo la morte di Ernest Lawrence nel 1958). Nel 1945 sviluppò delle idee per migliorare il ciclotrone, portando allo sviluppo del sincrotrone. Il sincrotrone venne utilizzato per creare nuovi elementi chimici al Berkeley Radiation Laboratory, estendendo la tavola periodica oltre i 92 elementi conosciuti prima del 1940.

Glenn Theodore Seaborg
Chimico statunitense, ha scoperto, con i suoi collaboratori, dieci nuovi elementi chimici ottenuti artificialmente mediante radiazioni nucleari e detti elementi transuranici, perché aventi numeri atomici superiori a quello dell'uranio. Nel 1940, con il fisico Edwin McMillan, sintetizzò ed isolò il plutonio. Continuando le ricerche, Seaborg sintetizzò ed isolò con metodi radiochimici:

• nel 1944 l'americio (n. 95) ed il curio (n. 96),
• nel 1949 il berkelio (n. 97) ed il californio (n. 98),
• nel 1953 l'einstenio (n. 99) ed il fermio (n. 100).

Nel 1951 divise con il suo collaboratore McMillan il premio Nobel per la Chimica per la scoperta dei primi 5 elementi transuranici e fu poi nominato Presidente della Commissione per l'energia atomica. È da molti considerato il fondatore della moderna chimica nucleare. A lui è stato dedicato l'elemento sintetico seaborgio (n. 106), noto precedentemente come unnilhexium.

Il 239Pu allo stato elementare è particolarmente adatto come materiale fissile per armi nucleari. Maggiori problemi presenta il suo impiego per scopi pacifici sia nella produzione di energia (per cui lo si adopera in lega con uranio o sotto forma di ossido o miscela di ossidi o altri composti), sia nel campo della ricerca e della produzione di isotopi radioattivi per applicazioni mediche. Infatti, il plutonio è un elemento estremamente tossico: un solo grammo disperso nell'ambiente provoca una contaminazione letale su di un'area di 500 m2 e contaminazione grave su 50.000 m2 circa. L'inalazione di pochi decimi di microgrammo può causare il cancro ai polmoni, di pochi milligrammi è causa di sicura morte. L'isotopo 238Pu, che emette solo radiazioni α poco penetranti, è stato sperimentato quale sorgente di energia per stimolatori cardiaci. Il plutonio è anche un componente fissile chiave nelle moderne armi nucleari; devono essere prese cautele per evitare accumulo di quantità di plutonio che si avvicinano alla dimensione critica, quantità che genererebbe una reazione nucleare. Anche se non è confinata dalla pressione esterna come è richiesto per un'arma nucleare, si riscalderà e si romperà qualunque sia l'ambiente confinante in cui si trova; figure compatte quali le sfere devono essere evitate.
Il plutonio può anche essere usato per fabbricare armi radiologiche. L'isotopo 238Pu del plutonio è un emettitore alfa con un periodo radioattivo di 87 anni. Queste caratteristiche lo rendono adattato alla generazione di corrente elettrica per i dispositivi che devono funzionare senza manutenzione diretta per le scale cronologiche che si approssimano ad una vita umana. Quindi è usato in RTGs come quelli che alimentano le sonde spaziali Cassini e Galileo. Il plutonio-238 fu usato nel volo lunare dell'Apollo 14 del 1971 per alimentare apparecchi sismici ed altro equipaggiamento lasciato sulla luna, e fu anche la fonte energetica delle due navicelle Voyager, lanciate nel 1977. Il plutonio-239 può anche essere usato come combustibile nelle armi nucleari di nuova generazione, che bruciano un carburante ad ossidi misti di uranio e plutonio (MOX).

239Pu viene normalmente prodotto nei reattori nucleari esponendo 238U a un flusso di neutroni. Questo si trasforma in 239U, che subisce due rapidi decadimenti beta, trasformandosi prima in 239Np e successivamente in 239Pu. Al termine dell'esposizione il 239Pu formatosi risulta mescolato ad una ingente residua quantità di 238U e a tracce di altri isotopi dell'uranio, nonché di eventuali prodotti di fissione; viene purificato per via chimica. Se 239Pu cattura a sua volta un neutrone, si trasforma, però, in 240Pu, un isotopo che subisce facilmente fissione; per questo motivo un plutonio ricco del suo isotopo 240 risulta poco utile nelle armi nucleari perché emette radiazione di neutroni, rendendone problematica la manipolazione, e potrebbe produrre una parziale piccola esplosione che distrugge l'arma senza che questa possa detonare efficacemente. Inoltre è impossibile distinguere chimicamente 239Pu da 240Pu, sarebbe quindi necessario separarli per via fisica, un processo difficile e costoso (simile a quello impiegato per l'arricchimento dell'uranio). Per questa ragione l'irraggiamento di 238U non si protrae mai per tempi troppo lunghi, ma si tende a separare da esso il 239Pu prima che questi possa raggiungere concentrazioni sufficienti per poter reagire in maniera significativa con i neutroni incidenti.

Il plutonio è descritto nei rapporti dei Media come la sostanza più tossica nota dall'uomo, anche se gli esperti in materia concordano nell'affermare che ciò è errato. Fino al 2003, non c'è ancora stata una singola morte umana attribuita ufficialmente all'esposizione a plutonio. Il radio naturale è circa 200 volte più radiotossico del plutonio ed alcune tossine organiche, come la tossina del botulismo, sono miliardi di volte più tossiche del plutonio. La radiazione alfa che emette non penetra la pelle, ma può irradiare gli organi interni quando il plutonio è inalato o ingerito. Le particelle estremamente piccole di plutonio dell'ordine di microgrammi possono causare il cancro polmonare se inalate. Quantità considerevolmente più elevate, se ingerite o inalate, possono causare avvelenamento acuto da radiazioni e morte; tuttavia, finora, nessun essere umano è noto essere morto a causa dell'inalazione o l'ingestione di plutonio e molte persone hanno importi misurabili di plutonio nei loro corpi. Il plutonio è una sostanza pericolosa che è stata usata a lungo negli esplosivi. È scaricato nell'atmosfera soprattutto test atmosferici delle armi nucleari e da incidenti nei luoghi di produzione delle armi. Quando il plutonio è scaricato nell'atmosfera ricade sulla terra e finisce nel suolo. Dal momento che il plutonio non emette radiazioni gamma, gli effetti sulla salute non possono avvenire quando si lavora con il plutonio, a meno che sia inspirato o ingoiato in qualche modo. Quando le persone lo respirano, il plutonio può rimanere nei polmoni o muoversi verso le ossa o gli organi. Rimane generalmente a lungo nel corpo e espone continuamente i tessuti del corpo a radiazione. Dopo alcuni anni, questo può provocare lo sviluppo di cancro. Inoltre, il plutonio può interessare la capacità di resistere alla malattia e la radioattività da plutonio può causare difetti riproduttivi.

Il plutonio può entrare nell'acqua di superficie da emissioni accidentali e dalla deposizione di effluenti radioattivi. Il terreno può essere contaminato con plutonio attraverso precipitazione radioattiva durante il collaudo delle armi nucleari. Il plutonio migra lentamente verso il basso nel terreno, verso l'acqua freatica. Le piante assorbono i bassi livelli di plutonio, ma tali livelli non sono abbastanza alti da causare il bio- ingrandimento del plutonio sul ciclo alimentare o l'accumulo nel corpo degli animali.

Spettro atomico di assorbimento del plutonio:



Spettro atomico di emissione del plutonio: