Plutônio-238 - Plutonium-238

Plutônio-238,  238 Pu
Pelota de plutônio.jpg
Pelota de óxido de plutônio-238 brilhando com seu calor de decomposição
Em geral
Símbolo 238 Pu
Nomes plutônio-238, Pu-238
Prótons 94
Nêutrons 144
Dados de nuclídeos
Meia-vida 87,7 anos
Isótopos pais 242 Cm  ( α )
238 Np  ( β - )
238 Am  ( β + )
Produtos decadentes 234 U
Massa isotópica 238,049553 u
Rodar 0
Modos de deterioração
Modo de decaimento Energia de decaimento ( MeV )
Decadência alfa 5,593
Isótopos de plutônio
Tabela completa de nuclídeos

Plutônio-238 ( 238 Pu) é um isótopo radioativo de plutônio que tem meia-vida de 87,7 anos.

O plutônio-238 é um emissor alfa muito poderoso ; como as partículas alfa são facilmente bloqueadas, isso torna o isótopo de plutônio-238 adequado para uso em geradores termoelétricos de radioisótopos (RTGs) e unidades de aquecimento de radioisótopos . A densidade do plutônio-238 à temperatura ambiente é de cerca de 19,8 g / cc. O material irá gerar cerca de 0,57 watts / grama de 238 Pu.

História

Produção inicial

Plutônio-238 foi o primeiro isótopo de plutônio a ser descoberto. Foi sintetizado por Glenn Seaborg e associados em dezembro de 1940, bombardeando urânio-238 com deutério , criando o neptúnio-238 . A reação envolve um  decaimento β + de um próton para um nêutron e o escape de outro nêutron.

238
92
você
+ 2
1
H
238
93
Np
+ 2
n

O isótopo neptunium então sofre β -  decaimento de plutônio-238, com uma meia-vida de 2,12 dias:

238
93
Np
238
94
Pu
+
e-
+
ν
e

O plutônio-238 decai naturalmente para o urânio-234 e, posteriormente, ao longo da série do rádio, para o chumbo-206 . Historicamente, a maior parte do plutônio-238 foi produzida por Savannah River em seu reator de armas, por irradiação com neptúnio-237 de nêutrons (meia-vida2,144  Ma ).

237
93
Np
+
n
238
93
Np

O Neptúnio-237 é um subproduto da produção de material para armas de plutônio-239 e, quando o local foi fechado em 1988, 238 Pu foi misturado com cerca de 16% de 239 Pu.

Experimentos de radiação humana

Ciclotron de 60 polegadas de Ernest O. Lawrence no Laboratório de Radiação Lawrence da Universidade da Califórnia , Berkeley, em agosto de 1939, o acelerador mais poderoso do mundo na época. Glenn T. Seaborg e Edwin M. McMillan (à direita) o usaram para descobrir plutônio, neptúnio e muitos outros elementos transurânicos e isótopos, pelos quais receberam o Prêmio Nobel de Química em 1951 .

O plutônio foi sintetizado pela primeira vez em 1940 e isolado em 1941 por químicos da Universidade da Califórnia, Berkeley. O Projeto Manhattan começou logo após a descoberta, com a maioria das pesquisas iniciais (pré-1944) realizadas com pequenas amostras fabricadas com os grandes cíclotrons no Laboratório Berkeley Rad e na Universidade de Washington em St. Louis .

Grande parte das dificuldades encontradas durante o Projeto Manhattan dizia respeito à produção e teste de combustível nuclear. O urânio e o plutônio foram finalmente determinados como físseis , mas em cada caso eles tiveram que ser purificados para selecionar os isótopos adequados para uma bomba atômica . Com a Segunda Guerra Mundial em andamento, as equipes de pesquisa estavam com pressa. Embora as amostras de plutônio estivessem disponíveis em pequenas quantidades e sendo manuseadas por pesquisadores, ninguém sabia quais efeitos isso poderia causar à saúde. Microgramas de plutônio foram produzidos por ciclotrons em 1942 e 1943. No outono de 1943, Robert Oppenheimer teria dito que "existe apenas um vigésimo de miligrama". A seu pedido, o Rad Lab em Berkeley disponibilizou 1,2 mg de plutônio no final de outubro de 1943, a maior parte do qual foi levado para Los Alamos para trabalho teórico lá.

O segundo reator do mundo, o X-10 Graphite Reactor construído em um local secreto em Oak Ridge, estaria totalmente operacional em 1944. Em novembro de 1943, logo após sua partida inicial, ele foi capaz de produzir minúsculos 500 mg. No entanto, este plutônio foi misturado com grandes quantidades de combustível de urânio e destinado à planta piloto de processamento químico próxima para separação isotópica (enriquecimento). Quantidades de plutônio em gramas não estariam disponíveis até a primavera de 1944.

A produção em escala industrial de plutônio só começou em março de 1945, quando o Reator B no local de Hanford começou a operar. No entanto, acidentes de manuseio de plutônio ocorreram em 1944, causando alarme na liderança do Projeto Manhattan, pois a contaminação dentro e fora dos laboratórios estava se tornando um problema. Em agosto de 1944, um químico chamado Don Mastick foi borrifado no rosto com cloreto de plutônio líquido , o que o fez engolir um pouco acidentalmente. Varreduras de nariz feitas em pesquisadores de plutônio indicaram que o plutônio estava sendo inalado. Glenn Seaborg , químico do Lead Manhattan Project , descobridor de muitos elementos de transurânio, incluindo plutônio, pediu que um programa de segurança seja desenvolvido para pesquisas de plutônio. Em um memorando para Robert Stone no Laboratório de Met de Chicago , Seaborg escreveu "que um programa para rastrear o curso do plutônio no corpo seja iniciado o mais rápido possível ... [com] a mais alta prioridade." Este memorando foi datado de 5 de janeiro de 1944, antes de muitos dos eventos de contaminação de 1944 no Edifício D, onde Mastick trabalhou. Seaborg mais tarde afirmou que não pretendia de forma alguma implicar experimentação humana neste memorando, nem soube de seu uso em humanos até muito mais tarde, devido à compartimentação de informações classificadas .

Com plutônio-239 enriquecido para bombas destinadas à pesquisa crítica e à produção de armas atômicas, o Pu-238 foi usado nos primeiros experimentos médicos, pois é inutilizável como combustível para armas atômicas. No entanto, Pu-238 é muito mais perigoso do que Pu-239 devido à sua meia-vida curta e ser um forte emissor alfa. Como logo se descobriu que o Pu estava sendo excretado em uma taxa muito lenta, acumulando-se em cobaias de experimentos humanos iniciais , essa prática teve efeitos devastadores nos pacientes envolvidos.

De 10 de abril de 1945 a 18 de julho de 1947, dezoito pessoas foram injetadas com plutônio como parte do Projeto Manhattan. As doses administradas variaram de 0,095 a 5,9 microcuries (μCi).

Albert Stevens , em experimentos referidos como CAL-1, foi injetado em 1945 com 3,5 μCi 238 Pu e 0,046 μCi 239 Pu, dando-lhe uma carga corporal inicial de 3,546 μCi (131 kBq ) de atividade total sem seu consentimento informado . O fato de ele ter o Pu-238 altamente radioativo (produzido no ciclotron de 60 polegadas no Laboratório Crocker pelo bombardeio de deuteron de urânio natural) contribuiu fortemente para sua dose de longo prazo. Se todo o plutônio dado a Stevens fosse o Pu-239 de longa duração, usado em experimentos semelhantes da época, a dose vitalícia de Stevens teria sido significativamente menor. A meia-vida curta de 87,7 anos do Pu-238 significa que uma grande quantidade dele se deteriorou durante seu tempo dentro de seu corpo, especialmente quando comparada à meia-vida de 24.100 anos do Pu-239.

Como Stevens sobreviveu por cerca de 20 anos após sua dose experimental de plutônio antes de sucumbir a uma doença cardíaca, ele sobreviveu à maior dose de radiação acumulada conhecida em qualquer ser humano. Cálculos modernos da dose absorvida de sua vida dão um total incrível de 64 Sv (6400 rem).

Armas

A primeira aplicação foi seu uso em um componente de armas feito em Mound para o Laboratório Lawrence Livermore da Agência de Design de Armas (LLL). Mound foi escolhido para este trabalho por causa de sua experiência na produção do iniciador Urchin movido a polônio-210 e seu trabalho com vários elementos pesados ​​em um programa de Combustíveis de reator. Dois cientistas da Mound passaram 1959 na LLL em desenvolvimento conjunto, enquanto o Edifício Metalúrgico Especial foi construído em Mound para abrigar o projeto. Enquanto isso, a primeira amostra de plutônio-238 chegou a Mound em 1959.

O projeto de armas foi planejado para cerca de 1 kg / ano de 238 Pu durante um período de 3 anos. No entanto, o componente 238 Pu não pôde ser produzido de acordo com as especificações, apesar de um esforço de 2 anos começando em Mound em meados de 1961. Um esforço máximo foi realizado com 3 turnos por dia, 6 dias por semana e aumento da produção de 238 Pu de Savannah River em um período de 3 anos para cerca de 20 kg / ano. Um afrouxamento das especificações resultou em uma produtividade de cerca de 3%, e a produção finalmente começou em 1964.

Uso em geradores termoelétricos de radioisótopos

Começando em 1º de janeiro de 1957, Jordan & Birden, inventores do RTG da Mound Laboratories, estavam trabalhando em um contrato do Army Signal Corps (R-65-8- 998 11-SC-03-91) para realizar pesquisas em materiais radioativos e termopares adequados para o uso direto conversão de calor em energia elétrica usando polônio-210 como fonte de calor.

Em 1961, o capitão RT Carpenter escolheu 238 Pu como combustível para o primeiro RTG (gerador termoelétrico de radioisótopo) a ser lançado ao espaço como força auxiliar para o satélite de navegação da Marinha Transit IV. Em 21 de janeiro de 1963, ainda não havia decisão sobre qual isótopo seria usado para alimentar os grandes RTGs para os programas da NASA.

No início de 1964, os cientistas da Mound Laboratories desenvolveram um método diferente de fabricação do componente da arma que resultou em uma eficiência de produção de cerca de 98%. Isso disponibilizou o excesso de produção de 238 Pu de Savannah River para uso de energia elétrica espacial bem a tempo de atender às necessidades do SNAP-27 RTG na Lua, a espaçonave Pioneer, as sondas Viking Mars , mais satélites de navegação da Marinha de Trânsito (precursores dos atuais GPS ) e duas espaçonaves Voyager , para as quais todas as fontes de calor de 238 Pu foram fabricadas nos Laboratórios Mound.

As unidades de aquecedor de radioisótopos foram usadas na exploração espacial começando com os Aquecedores de Radioisótopos Apollo (ALRH) aquecendo o Experimento Sísmico colocado na Lua pela missão Apollo 11 e em vários rovers da Lua e de Marte , para os 129 LWRHUs aquecendo os experimentos na espaçonave Galileo .

Uma adição à instalação de produção de componentes de armas de construção metalúrgica especial foi concluída no final de 1964 para a fabricação de combustível de fonte de calor de 238 Pu. Uma instalação temporária de produção de combustível também foi instalada no Edifício de Pesquisa em 1969 para a fabricação de combustível para trânsito . Com a conclusão do projeto do componente de armas, o Edifício Metalúrgico Especial, apelidado de "Montanha da Cobra" devido às dificuldades encontradas no manuseio de grandes quantidades de 238 Pu, encerrou as operações em 30 de junho de 1968, com 238 operações de Pu assumidas pelo novo Processamento de Plutônio Edifício especialmente projetado e construído para o manuseio de grandes quantidades de 238 Pu. Plutônio-238 recebe o maior número de perigo relativo (152) de todos os 256 radionuclídeos avaliados por Karl Z. Morgan et al. em 1963.

Pacemakers movidos a energia nuclear

Marcapasso cardíaco alimentado por radioisótopo desenvolvido pela Comissão de Energia Atômica, a bateria atômica estimula a pulsação de um coração com defeito. Circa 1967.

Quando o plutônio-238 se tornou disponível para usos não militares, várias aplicações foram propostas e testadas, incluindo o programa Cardiac Pacemaker que começou em 1 ° de junho de 1966, em conjunto com o NUMEC. Quando foi reconhecido que a fonte de calor não permaneceria intacta durante a cremação, o programa foi cancelado porque não havia garantia de 100% de que um evento de cremação não ocorreria.

Em 2007, havia nove pessoas vivas com marcapassos movidos a energia nuclear, de 139 recipientes originais. Quando esses indivíduos morrem, o marca-passo deve ser removido e enviado para Los Alamos, onde o plutônio será recuperado.

Em uma carta ao New England Journal of Medicine discutindo uma mulher que recebeu um Numec NU-5 décadas atrás que está operando continuamente, apesar de um preço original de $ 5.000 equivalente a $ 23.000 em dólares de 2007, os custos de acompanhamento foram de cerca de $ 19.000 em comparação com US $ 55.000 para um marca-passo alimentado por bateria.

Um outro marcapasso movido a energia nuclear foi o “Laurens-Alcatel Model 9000” da Medtronics. Aproximadamente 1.600 marcapassos cardíacos movidos a energia nuclear e / ou conjuntos de baterias foram localizados nos Estados Unidos e são elegíveis para recuperação pela Equipe do Projeto de Recuperação de Fonte Externa (OSRP) no Laboratório Nacional de Los Alamos (LANL).

Produção

O plutônio de grau reator proveniente do combustível nuclear usado contém vários isótopos de plutônio . 238 Pu compõe apenas um ou dois por cento, mas pode ser responsável por grande parte do calor de decadência de curto prazo por causa de sua meia-vida curta em relação a outros isótopos de plutônio. O plutônio de grau de reator não é útil para a produção de 238 Pu para RTGs porque seria necessária uma separação isotópica difícil .

O plutônio-238 puro é preparado por irradiação de nêutrons de neptúnio-237 , um dos actinídeos menores que podem ser recuperados do combustível nuclear usado durante o reprocessamento , ou pela irradiação de nêutrons de amerício em um reator. Os alvos são purificados quimicamente, incluindo a dissolução em ácido nítrico para extrair o plutônio-238. Uma amostra de 100 kg de combustível de reator de água leve que foi irradiada por três anos contém apenas cerca de 700 gramas de neptúnio-237, e o neptúnio deve ser extraído seletivamente. Quantidades significativas de 238 Pu puro também podem ser produzidas em um ciclo de combustível de tório .

O inventário de 238 Pu dos Estados Unidos é compatível com a NASA (espaço civil) e outras aplicações de segurança nacional. O Departamento de Energia mantém contas de estoque separadas para as duas categorias. Em março de 2015, um total de 35 kg (77 libras) de 238 Pu estava disponível para uso no espaço civil. Fora do estoque, 17 kg (37 lb) permanecem em condições boas o suficiente para atender às especificações da NASA para fornecimento de energia; é esta piscina de 238 Pu que será usada em um gerador termoelétrico de radioisótopos multi-missão (MMRTG) para a missão Mars Rover 2020 e dois MMRTGs adicionais para uma missão imaginária 2024 da NASA. 21 kg (46 lb) permanecerão depois disso, com aproximadamente 4 kg (8,8 lb) atendendo apenas às especificações da NASA. Esses 21 quilogramas (46 lb) podem ser ajustados às especificações da NASA se forem misturados com uma quantidade menor de 238 Pu recém-produzido com uma densidade de energia mais alta.

A produção dos EUA é interrompida e retomada

Os Estados Unidos pararam de produzir 238 Pu a granel com o fechamento dos reatores do Savannah River Site em 1988. Desde 1993, todos os 238 Pu usados ​​nas espaçonaves americanas foram comprados da Rússia. No total, 16,5 kg (36 lb) foram comprados, mas a Rússia não está mais produzindo 238 Pu, e seu próprio suprimento está diminuindo.

Em fevereiro de 2013, uma pequena quantidade de 238 Pu foi produzida com sucesso pelo High Flux Isotope Reactor de Oak Ridge , e em 22 de dezembro de 2015, eles relataram a produção de 50 gramas (1,8 onças) de 238 Pu.

Em março de 2017, a Ontario Power Generation (OPG) e seu braço de risco, a Canadian Nuclear Partners, anunciaram planos para produzir 238 Pu como uma segunda fonte para a NASA. As hastes contendo neptúnio-237 serão fabricadas pelo Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) no estado de Washington e enviadas para a Darlington Nuclear Generating Station da OPG em Clarington, Ontário , Canadá, onde serão irradiadas com nêutrons dentro do núcleo do reator para produzir 238 Pu.

Em janeiro de 2019, foi relatado que alguns aspectos automatizados de sua produção foram implementados no Laboratório Nacional Oak Ridge, no Tennessee, que devem triplicar o número de pelotas de plutônio produzidas a cada semana. Espera-se agora que a taxa de produção aumente de 80 pellets por semana para cerca de 275 pellets por semana, para uma produção total de cerca de 400 gramas por ano. A meta agora é otimizar e ampliar os processos para produzir uma média de 1,5 kg (3,3 lb) por ano até 2025.

Formulários

A principal aplicação do 238 Pu é como fonte de calor em geradores termoelétricos radioisótopos (RTGs). O RTG foi inventado em 1954 pelos cientistas da Mound Ken Jordan e John Birden, que foram incluídos no National Inventors Hall of Fame em 2013. Eles imediatamente produziram um protótipo funcional usando uma fonte de calor de 210 Po e, em 1º de janeiro de 1957, entraram em um contrato do Army Signal Corps (R-65-8- 998 11-SC-03-91) para conduzir pesquisas sobre materiais radioativos e termopares adequados para a conversão direta de calor em energia elétrica usando polônio-210 como fonte de calor.

A tecnologia RTG foi desenvolvida pela primeira vez pelo Laboratório Nacional de Los Alamos durante as décadas de 1960 e 1970 para fornecer energia de gerador termoelétrico de radioisótopos para marcapassos cardíacos . Dos 250 marcapassos movidos a plutônio fabricados pela Medtronic , vinte e dois ainda estavam em serviço mais de 25 anos depois, um feito que nenhum marcapasso movido a bateria poderia alcançar.

Essa mesma tecnologia de energia RTG foi usada em espaçonaves como Pioneer 10 e 11 , Voyager 1 e 2 , Cassini – Huygens e New Horizons , e em outros dispositivos, como o Mars Science Laboratory e Mars 2020 Perseverance Rover , para longo prazo geração de energia nuclear.

Veja também

Referências

links externos


Isqueiro:
plutônio-237
Plutônio-238 é um
isótopo de plutônio
Mais pesado:
plutônio-239
Produto de
decomposição de: cúrio -242 ( α )
amerício -238 ( β + )
neptúnio -238 ( β- )
urânio-238 ( β-β- )
Cadeia
de decaimento do plutônio-238
Decai em:
urânio-234 (α)