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]
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 ]
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 .
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.
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]
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]
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.