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Óxido de plutonio (IV)

El óxido de plutonio (IV) , o plutonia , es un compuesto químico con la fórmula Pu O 2 . Este sólido de alto punto de fusión es un compuesto principal del plutonio . Puede variar de color desde amarillo hasta verde oliva, dependiendo del tamaño de partícula, temperatura y método de producción. [2]

Estructura

PuO 2 cristaliza en el motivo de fluorita , con los centros de Pu 4+ organizados en una matriz cúbica centrada en las caras y los iones de óxido ocupando agujeros tetraédricos. [3] El PuO 2 debe su utilidad como combustible nuclear al hecho de que los huecos en los agujeros octaédricos dejan espacio para los productos de fisión. En la fisión nuclear, un átomo de plutonio se divide en dos. La vacancia de los agujeros octaédricos proporciona espacio para el nuevo producto y permite que el monolito de PuO 2 conserve su integridad estructural. [ cita necesaria ]

Propiedades

El dióxido de plutonio es un material cerámico estable con una solubilidad extremadamente baja en agua y un punto de fusión alto (2.744 °C). El punto de fusión fue revisado al alza en 2011 en varios cientos de grados, basándose en la evidencia de estudios rápidos de fusión con láser que evitan la contaminación por cualquier material del recipiente. [4]

Debido a la desintegración alfa radiactiva del plutonio, el PuO 2 está caliente al tacto. [ cita necesaria ] Como ocurre con todos los compuestos de plutonio , está sujeto a control en virtud del Tratado de No Proliferación Nuclear .

Síntesis

El plutonio se oxida espontáneamente a PuO 2 en una atmósfera de oxígeno. El dióxido de plutonio se produce principalmente por calcinación de oxalato de plutonio(IV), Pu(C 2 O 4 ) 2 ·6H 2 O, a 300 °C. El oxalato de plutonio se obtiene durante el reprocesamiento del combustible nuclear cuando el plutonio se disuelve en una solución de ácido nítrico y fluorhídrico . [5] El dióxido de plutonio también se puede recuperar de los reactores reproductores de sales fundidas agregando carbonato de sodio a la sal combustible después de eliminar el uranio restante de la sal como su hexafluoruro.

Aplicaciones

Una pastilla de dióxido de plutonio-238 muestra incandescencia después de un tiempo prolongado de aislamiento térmico bajo amianto .

El PuO 2 , junto con el UO 2 , se utiliza en combustibles MOX para reactores nucleares . El dióxido de plutonio-238 se utiliza como combustible para varias naves espaciales del espacio profundo, como las sondas Cassini , Voyager , Galileo y New Horizons , así como en los rovers Curiosity y Perseverance en Marte . El isótopo se desintegra emitiendo partículas α, que luego generan calor (ver generador termoeléctrico de radioisótopos ). Ha habido preocupación de que un reingreso accidental a la atmósfera de la Tierra desde la órbita pudiera provocar la fragmentación y/o el incendio de una nave espacial, lo que resultaría en la dispersión del plutonio, ya sea sobre una gran extensión de la superficie planetaria o dentro de la atmósfera superior. Sin embargo, aunque al menos dos naves espaciales que transportaban PuO 2 RTG volvieron a entrar en la atmósfera terrestre y se quemaron ( Nimbus B-1 en mayo de 1968 y el módulo lunar Apolo 13 en abril de 1970), [6] [7] los RTG de ambas naves espaciales sobrevivieron. el reingreso y el impacto intactos, y no se observó contaminación ambiental en ninguno de los casos; de hecho, el Nimbus RTG fue recuperado intacto del fondo marino del Océano Pacífico y lanzado a bordo del Nimbus 3 un año después. En cualquier caso, los RTG desde mediados de la década de 1960 han sido diseñados para permanecer intactos en caso de reentrada e impacto, tras el fracaso del lanzamiento en 1964 de la Transit 5-BN-3 (el RTG de plutonio de primera generación a bordo se desintegró al reingresar y se dispersó). material radiactivo a la atmósfera al norte de Madagascar , lo que provocó un rediseño de todos los RTG estadounidenses entonces en uso o en desarrollo). [8]

El físico Peter Zimmerman, siguiendo una sugerencia de Ted Taylor , demostró que se podía fabricar con relativa facilidad un arma nuclear de bajo rendimiento (1 kilotón ) a partir de dióxido de plutonio. [9] Tal bomba requeriría una masa crítica considerablemente mayor que una hecha de plutonio elemental (casi tres veces mayor, incluso con el dióxido en su máxima densidad cristalina; si el dióxido estuviera en forma de polvo, como ocurre a menudo, la masa crítica sería ser mucho mayor aún), debido tanto a la menor densidad del plutonio en dióxido en comparación con el plutonio elemental como a la masa inerte añadida del aire contenido. [10]

Toxicología

El comportamiento del dióxido de plutonio en el organismo varía según la forma en que se ingiere. Cuando se ingiere, la mayor parte se elimina del cuerpo con bastante rapidez a través de los desechos corporales, [11] pero una pequeña parte se disuelve en iones en el jugo gástrico ácido y cruza la barrera sanguínea, depositándose en otras formas químicas en otros órganos como en células fagocíticas de pulmón, médula ósea e hígado. [12]

En forma de partículas, el dióxido de plutonio con un tamaño de partícula inferior a 10 µm [13] es radiotóxico si se inhala debido a su fuerte emisión alfa . [14]

Ver también

Referencias

  1. ^ Christine Guéneau; Alain Chartier; Pablo Fossati; Laurent Van Brutzel; Philippe Martín (2020). "Propiedades termodinámicas y termofísicas de los óxidos de actínidos". Materiales Nucleares Integrales 2ª Ed . 7 : 111-154. doi :10.1016/B978-0-12-803581-8.11786-2. ISBN 9780081028667.
  2. ^ "Procesamiento de ácido nítrico". Laboratorio de Los Álamos.
  3. ^ Greenwood, Norman N .; Earnshaw, Alan (1984). Química de los elementos. Oxford: Prensa de Pérgamo . pag. 1471.ISBN 978-0-08-022057-4.
  4. ^ De Bruycker, F.; Boboridis, K.; Poml, P.; Eloirdi, R.; Konings, RJM; Manara, D. (2011). "El comportamiento de fusión del dióxido de plutonio: un estudio de calentamiento por láser". Revista de materiales nucleares . 416 (1–2): 166–172. Código Bib : 2011JNuM..416..166D. doi :10.1016/j.jnucmat.2010.11.030.
  5. ^ Jeffrey A. Katalenich Michael R. Hartman Robert C. O'Brien Steven D. Howe (febrero de 2013). "Fabricación de microesferas de óxido de cerio y óxido de uranio para aplicaciones de energía nuclear espacial" (PDF) . Actas de tecnologías nucleares y emergentes para el espacio 2013 : 2. Archivado desde el original (PDF) el 7 de octubre de 2016 . Consultado el 27 de julio de 2016 .
  6. ^ A. Angelo Jr. y D. Buden (1985). Energía nuclear espacial . Compañía editorial Krieger. ISBN 0-89464-000-3.
  7. ^ "Consideraciones generales de seguridad" (PDF) . Instituto de Tecnología Fusion, Universidad de Wisconsin-Madison . Primavera de 2000. Archivado desde el original (notas de la conferencia en PDF) el 15 de septiembre de 2018 . Consultado el 20 de octubre de 2017 .
  8. ^ "Tránsito". Enciclopedia Astronáutica. Archivado desde el original el 24 de junio de 2002 . Consultado el 7 de mayo de 2013 .
  9. ^ Michael cantante; David Weir y Barbara Newman Canfield (26 de noviembre de 1979). "Pesadilla nuclear: el peor miedo de Estados Unidos hecho realidad". Revista de Nueva York.
  10. ^ Sublette, Carey. "4.1 Elementos del diseño de armas de fisión". El archivo de armas nucleares . 4.1.7.1.2.1 Óxido de plutonio . Consultado el 20 de octubre de 2017 . La masa crítica del plutonio apto para reactores es de aproximadamente 13,9 kg (no reflejado), o 6,1 kg (10 cm U natural) a una densidad de 19,4. Un compacto de polvo con una densidad de 8 tendría así una masa crítica (19,4/8)^2 veces mayor: 82 kg (no reflejado) y 36 kg (reflejado), sin contar el peso del oxígeno (que suma otros 14 kg). %). Si se comprimen a la densidad del cristal, estos valores caen a 40 kg y 17,5 kg.
  11. ^ Comisión Reguladora Nuclear de los Estados Unidos, hoja informativa sobre el plutonio (consultado el 29 de noviembre de 2013)
  12. ^ Gwaltney-Brant, Sharon M. (1 de enero de 2013), Haschek, Wanda M.; Rousseaux, Colin G.; Wallig, Matthew A. (eds.), "Capítulo 41 - Metales pesados", Manual de patología toxicológica de Haschek y Rousseaux (tercera edición) , Boston: Academic Press, págs. 1315-1347, ISBN 978-0-12-415759-0, consultado el 10 de abril de 2022
  13. ^ Sociedad Nuclear Mundial, Plutonio Archivado el 18 de agosto de 2015 en Wayback Machine (consultado el 29 de noviembre de 2013).
  14. ^ "Perfil toxicológico del plutonio" (PDF) . Departamento de Salud y Servicios Humanos de EE. UU. 2007-09-27 . Consultado el 23 de abril de 2009 .

enlaces externos