El plutonio-238 ( 238 Pu o Pu-238 ) es un isótopo radiactivo del plutonio que tiene una vida media de 87,7 años.
El plutonio-238 es un emisor alfa muy potente ; como las partículas alfa se bloquean fácilmente, esto hace que el isótopo plutonio-238 sea adecuado para su uso en generadores termoeléctricos de radioisótopos (RTG) y unidades de calentamiento de radioisótopos . La densidad del plutonio-238 a temperatura ambiente es de aproximadamente 19,8 g/cc. [3] El material generará aproximadamente 0,57 vatios por gramo de 238 Pu. [4]
La masa crítica de la esfera desnuda del plutonio-238 metálico no se conoce con precisión, pero su rango calculado está entre 9,04 y 10,07 kilogramos. [5]
El plutonio-238 fue el primer isótopo del plutonio que se descubrió. Fue sintetizado por Glenn Seaborg y sus colaboradores en diciembre de 1940 bombardeando uranio-238 con deuterones , lo que dio origen al neptunio-238 .
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El isótopo neptunio luego sufre una desintegración β − a plutonio-238, con una vida media de 2,12 días: [6]
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El plutonio-238 se desintegra naturalmente en uranio-234 y luego, a lo largo de la serie del radio , en plomo-206 . Históricamente, la mayor parte del plutonio-238 ha sido producido por Savannah River en su reactor de armas, irradiando neptunio-237 (vida media2,144 Ma ) con neutrones. [7]
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El neptunio-237 es un subproducto de la producción de plutonio-239, material apto para armas, y cuando el sitio fue cerrado en 1988, el 238 Pu estaba mezclado con aproximadamente un 16% de 239 Pu. [8]
El plutonio fue sintetizado por primera vez en 1940 y aislado en 1941 por químicos de la Universidad de California, Berkeley. [9] [10]
El Proyecto Manhattan comenzó poco después del descubrimiento, y la mayor parte de las primeras investigaciones (anteriores a 1944) se llevaron a cabo utilizando pequeñas muestras fabricadas utilizando los grandes ciclotrones del Laboratorio de Rad de Berkeley y la Universidad de Washington en St. Louis . [11]
Gran parte de las dificultades encontradas durante el Proyecto Manhattan se relacionaban con la producción y las pruebas de combustible nuclear. Al final se determinó que tanto el uranio como el plutonio eran fisibles , pero en cada caso hubo que purificarlos para seleccionar los isótopos adecuados para una bomba atómica . [12]
Con la Segunda Guerra Mundial en marcha, los equipos de investigación se encontraban presionados por el tiempo. En 1942 y 1943 se fabricaron microgramos de plutonio mediante ciclotrones. En el otoño de 1943, se cita a Robert Oppenheimer diciendo que "sólo existe una vigésima parte de un miligramo". [11]
A petición suya, el Laboratorio de Rad de Berkeley puso a su disposición 1,2 mg de plutonio a finales de octubre de 1943, la mayor parte del cual se trasladó a Los Álamos para realizar allí trabajos teóricos. [11]
El segundo reactor del mundo, el reactor de grafito X-10 construido en un sitio secreto en Oak Ridge , estaría en pleno funcionamiento en 1944. En noviembre de 1943, poco después de su puesta en marcha inicial, fue capaz de producir unos minúsculos 500 mg. Sin embargo, este plutonio se mezcló con grandes cantidades de combustible de uranio y se destinó a la cercana planta piloto de procesamiento químico para la separación isotópica (enriquecimiento). Las cantidades de plutonio del orden de un gramo no estarían disponibles hasta la primavera de 1944. [13]
La producción a escala industrial de plutonio recién comenzó en marzo de 1945, cuando comenzó a funcionar el reactor B en el sitio de Hanford . [12]
Aunque había muestras de plutonio disponibles en pequeñas cantidades y estaban siendo manipuladas por investigadores, nadie sabía qué efectos esto podría tener sobre la salud. [12]
En 1944 se produjeron accidentes con el manejo de plutonio, lo que alarmó a los líderes del Proyecto Manhattan, ya que la contaminación dentro y fuera de los laboratorios se estaba convirtiendo en un problema. [12] En agosto de 1944, el químico Donald Mastick fue rociado en la cara con cloruro de plutonio líquido , lo que le hizo tragar accidentalmente un poco. [12] [14] Las frotaciones nasales tomadas a los investigadores de plutonio indicaron que se estaba inhalando plutonio. [12] [15] El químico principal del Proyecto Manhattan, Glenn Seaborg , descubridor de muchos elementos transuránicos , incluido el plutonio, instó a que se desarrollara un programa de seguridad para la investigación del plutonio. En un memorando a Robert Stone en el Laboratorio Metropolitano de Chicago , Seaborg escribió "que se inicie un programa para rastrear el curso del plutonio en el cuerpo lo antes posible ... [con] la más alta prioridad". [16] Este memorando estaba fechado el 5 de enero de 1944, antes de muchos de los eventos de contaminación de 1944 en el Edificio D donde trabajaba Mastick. [11] Seaborg afirmó más tarde que no tenía ninguna intención de implicar experimentación humana en este memorándum, ni se enteró de su uso en humanos hasta mucho más tarde debido a la compartimentación de la información clasificada . [11]
El plutonio-239 enriquecido para la fabricación de bombas se destinaba a investigaciones críticas y a la producción de armas atómicas; por lo tanto, se utilizó en los primeros experimentos médicos, ya que no se puede utilizar como combustible para armas atómicas. Sin embargo, el 238Pu es mucho más peligroso que el 239Pu debido a su corta vida media y a que es un potente emisor alfa. Pronto se descubrió que el plutonio se excretaba a un ritmo muy lento y se acumulaba en los sujetos de prueba que participaban en los primeros experimentos con seres humanos . Esto tuvo graves consecuencias para la salud de los pacientes involucrados.
Entre el 10 de abril de 1945 y el 18 de julio de 1947, dieciocho personas recibieron inyecciones de plutonio en el marco del Proyecto Manhattan. Las dosis administradas oscilaron entre 0,095 y 5,9 microcurios (μCi). [12]
Albert Stevens , después de un diagnóstico (erróneo) de cáncer terminal que parecía incluir muchos órganos, fue inyectado en 1945 con plutonio sin su consentimiento informado . Fue referido como paciente CAL-1 y el plutonio consistía en 3,5 μCi 238 Pu y 0,046 μCi 239 Pu, lo que le dio una carga corporal inicial de 3,546 μCi (131 kBq ) de actividad total. [17] [12] El hecho de que tuviera el altamente radiactivo plutonio-238 (producido en el ciclotrón de 60 pulgadas en el Laboratorio Crocker por bombardeo de deuterón de uranio natural) [17] contribuyó en gran medida a su dosis a largo plazo. Si todo el plutonio administrado a Stevens hubiera sido el 239 Pu de larga duración como el utilizado en experimentos similares de la época, la dosis de por vida de Stevens habría sido significativamente menor. La corta vida media de 87,7 años del 238 Pu significa que una gran cantidad del mismo se descompuso durante el tiempo que estuvo dentro de su cuerpo, especialmente en comparación con la vida media de 24.100 años del 239 Pu.
Después de que su primera operación de "cáncer" le extirpara muchos "tumores" no cancerosos, Stevens sobrevivió durante unos 20 años después de su dosis experimental de plutonio antes de sucumbir a una enfermedad cardíaca; había recibido la dosis de radiación acumulada más alta conocida de cualquier paciente humano. [11] Los cálculos modernos de su dosis absorbida durante su vida arrojan un total significativo de 64 Sv (6400 rem). [11]
La primera aplicación del 238 Pu fue su uso en componentes de armas nucleares fabricados en los Laboratorios Mound para el Laboratorio de Radiación Lawrence (ahora Laboratorio Nacional Lawrence Livermore ). Se eligió a Mound para este trabajo debido a su experiencia en la producción del iniciador Urchin alimentado con polonio-210 y su trabajo con varios elementos pesados en un programa de combustibles para reactores. Dos científicos de Mound pasaron 1959 en Lawrence en el desarrollo conjunto mientras se construía el Edificio Metalúrgico Especial en Mound para albergar el proyecto. Mientras tanto, la primera muestra de 238 Pu llegó a Mound en 1959. [18]
El proyecto de armamento requería la producción de aproximadamente 1 kg/año de 238 Pu durante un período de 3 años. Sin embargo, el componente 238 Pu [ aclaración necesaria ] no pudo producirse según las especificaciones a pesar de un esfuerzo de 2 años que comenzó en Mound a mediados de 1961. Se realizó un esfuerzo máximo con 3 turnos al día, 6 días a la semana, y se aumentó la producción de 238 Pu de Savannah River durante los siguientes tres años a aproximadamente 20 kg/año. Una flexibilización de las especificaciones dio como resultado una productividad de aproximadamente el 3%, [ aclaración necesaria ] y la producción finalmente comenzó en 1964. [ cita requerida ]
A partir del 1 de enero de 1957, los inventores del RTG de Mound Laboratories, Jordan y Birden, estaban trabajando en un contrato del Cuerpo de Señales del Ejército (R-65-8-998 11-SC-03-91) para realizar investigaciones sobre materiales radiactivos y termopares adecuados para la conversión directa de calor en energía eléctrica utilizando polonio-210 como fuente de calor.
En 1961, el capitán RT Carpenter había elegido el 238 Pu como combustible para el primer RTG (generador termoeléctrico de radioisótopos) que se lanzaría al espacio como energía auxiliar para el satélite de navegación Transit IV de la Marina. Para el 21 de enero de 1963, todavía no se había tomado la decisión sobre qué isótopo se utilizaría para alimentar los grandes RTG para los programas de la NASA. [19]
A principios de 1964, los científicos de Mound Laboratories desarrollaron un método diferente para fabricar el componente del arma que dio como resultado una eficiencia de producción de alrededor del 98%. [20] Esto hizo que el exceso de producción de 238 Pu de Savannah River estuviera disponible para su uso en Space Electric Power justo a tiempo para satisfacer las necesidades del SNAP-27 RTG en la Luna, la nave espacial Pioneer, los módulos de aterrizaje Viking en Marte , más satélites de navegación Transit Navy (precursores del GPS actual ) y dos naves espaciales Voyager , para las cuales todas las fuentes de calor de 238 Pu se fabricaron en Mound Laboratories. [21]
Las unidades de calentamiento de radioisótopos se utilizaron en la exploración espacial, comenzando con los Calentadores de Radioisótopos Apolo (ALRH) que calentaron el Experimento Sísmico colocado en la Luna por la misión Apolo 11 y en varios exploradores de la Luna y Marte , hasta los 129 LWRHU que calentaron los experimentos en la nave espacial Galileo . [22]
A finales de 1964 se completó una ampliación de la instalación de producción de componentes de armas del edificio metalúrgico especial para la fabricación de combustible de fuente de calor de 238 Pu. En 1969 también se instaló una instalación de producción de combustible temporal en el edificio de investigación para la fabricación de combustible de tránsito . Con la finalización del proyecto de componentes de armas, el edificio metalúrgico especial, apodado "Snake Mountain" debido a las dificultades encontradas en la manipulación de grandes cantidades de 238 Pu, cesó sus operaciones el 30 de junio de 1968, y las operaciones de 238 Pu fueron asumidas por el nuevo edificio de procesamiento de plutonio, [ ¿dónde? ] especialmente diseñado y construido para manipular grandes cantidades de 238 Pu. El plutonio-238 tiene el número de riesgo relativo más alto (152) de los 256 radionucleidos evaluados por Karl Z. Morgan et al. en 1963. [23]
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En los Estados Unidos, cuando el plutonio-238 estuvo disponible para usos no militares, se propusieron y probaron numerosas aplicaciones, incluido el programa de marcapasos cardíacos que comenzó el 1 de junio de 1966, en conjunto con NUMEC. [24] La última de estas unidades se implantó en 1988, ya que los marcapasos alimentados con litio, que tenían una vida útil esperada de 10 o más años sin las desventajas de las preocupaciones por la radiación y los obstáculos regulatorios, hicieron que estas unidades quedaran obsoletas. [25]
En 2007 [actualizar], había nueve personas vivas con marcapasos de energía nuclear en los Estados Unidos, de los 139 receptores originales. [26] Cuando estas personas mueren, se supone que el marcapasos debe ser retirado y enviado a Los Álamos, donde se recuperará el plutonio. [27]
En una carta al New England Journal of Medicine en la que se analiza el caso de una mujer que hace décadas recibió un Numec NU-5 y que sigue funcionando de forma continua, a pesar de un precio original de 5.000 dólares, equivalente a 23.000 dólares en dólares de 2007, los costes posteriores han sido de unos 19.000 dólares, en comparación con los 55.000 dólares de un marcapasos alimentado por batería. [26]
Otro marcapasos de propulsión nuclear fue el “Laurens-Alcatel Modelo 9000” de Medtronics. [28] Se han localizado aproximadamente 1600 marcapasos cardíacos y/o conjuntos de baterías de propulsión nuclear en todo Estados Unidos, y son elegibles para su recuperación por parte del Equipo del Proyecto de Recuperación de Fuentes Externas (OSRP) en el Laboratorio Nacional de Los Álamos (LANL). [29]
El plutonio de grado reactor proveniente del combustible nuclear gastado contiene varios isótopos de plutonio . El 238 Pu constituye solo el uno o dos por ciento, pero puede ser responsable de gran parte del calor de desintegración a corto plazo debido a su corta vida media en relación con otros isótopos de plutonio. El plutonio de grado reactor no es útil para producir 238 Pu para RTG porque se necesitaría una separación isotópica difícil .
El plutonio-238 puro se prepara mediante la irradiación neutrónica del neptunio-237 , [30] uno de los actínidos menores que se pueden recuperar del combustible nuclear gastado durante el reprocesamiento , o mediante la irradiación neutrónica del americio en un reactor. [31] Los objetivos se purifican químicamente, incluida la disolución en ácido nítrico para extraer el plutonio-238. Una muestra de 100 kg de combustible de reactor de agua ligera que ha sido irradiada durante tres años contiene solo unos 700 gramos (0,7% en peso) de neptunio-237, que debe extraerse y purificarse. También se podrían producir cantidades significativas de 238 Pu puro en un ciclo de combustible de torio . [32]
En los EE. UU., la Iniciativa de Sistemas de Energía Espacial y de Defensa de la Oficina de Energía Nuclear del Departamento de Energía procesa 238 Pu, mantiene su almacenamiento y desarrolla, produce, transporta y administra la seguridad de las unidades de energía y calefacción de radioisótopos tanto para la exploración espacial como para las naves espaciales de seguridad nacional . [33] A marzo de 2015, un total de 35 kilogramos (77 libras) de 238 Pu estaban disponibles para usos espaciales civiles. Del inventario, 17 kg (37 lb) permanecieron en una condición que cumple con las especificaciones de la NASA para el suministro de energía. Parte de este grupo de 238 Pu se utilizó en un generador termoeléctrico de radioisótopos multimisión (MMRTG) para la misión Mars Rover 2020 y dos MMRTG adicionales para una misión nocional de la NASA en 2024. 21 kg (46 lb) permanecerían después de eso, incluidos aproximadamente 4 kg (8,8 lb) que apenas cumplen con la especificación de la NASA. Dado que el contenido de isótopos en el material se pierde con el tiempo debido a la desintegración radiactiva durante el almacenamiento, este material podría alcanzar las especificaciones de la NASA mezclándolo con una cantidad menor de 238 Pu recién producido con un mayor contenido de isótopo y, por lo tanto, mayor densidad de energía. [34]
Estados Unidos dejó de producir 238 Pu a granel con el cierre de los reactores de Savannah River Site en 1988. [35] [36] [37] Desde 1993, todo el 238 Pu utilizado en las naves espaciales estadounidenses se ha comprado a Rusia. En total, se han comprado 16,5 kilogramos (36 libras), pero Rusia ya no produce 238 Pu y, según se informa, su propio suministro se está agotando. [38] [39]
En febrero de 2013, el reactor de isótopos de alto flujo de Oak Ridge produjo con éxito una pequeña cantidad de 238 Pu , [40] y el 22 de diciembre de 2015 informaron la producción de 50 gramos (1,8 onzas) de 238 Pu. [41] [42]
En marzo de 2017, Ontario Power Generation (OPG) y su filial de riesgo, Canadian Nuclear Partners, anunciaron sus planes de producir 238 Pu como segunda fuente para la NASA. Las barras que contienen neptunio-237 [43] serán fabricadas por el Laboratorio Nacional del Pacífico Noroeste (PNNL) en el estado de Washington y enviadas a la Central Nuclear de Generación Darlington de OPG en Clarington, Ontario , Canadá, donde serán irradiadas con neutrones dentro del núcleo del reactor para producir 238 Pu. [44] [45]
En enero de 2019, se informó que se implementaron algunos aspectos automatizados de su producción en el Laboratorio Nacional Oak Ridge en Tennessee, que se espera que tripliquen la cantidad de pellets de plutonio producidos cada semana. [46] Ahora se espera que la tasa de producción aumente de 80 pellets por semana a aproximadamente 275 pellets por semana, para una producción total de aproximadamente 400 gramos por año. [46] El objetivo ahora es optimizar y ampliar los procesos para producir un promedio de 1,5 kg (3,3 lb) por año para 2025. [47] [45]
La principal aplicación del 238 Pu es como fuente de calor en generadores termoeléctricos de radioisótopos (RTG). El RTG fue inventado en 1954 por los científicos de Mound Ken Jordan y John Birden, quienes fueron incluidos en el Salón Nacional de la Fama de los Inventores en 2013. [48] Inmediatamente produjeron un prototipo funcional utilizando una fuente de calor de 210 Po y el 1 de enero de 1957, firmaron un contrato del Cuerpo de Señales del Ejército (R-65-8-998 11-SC-03-91) para realizar investigaciones sobre materiales radiactivos y termopares adecuados para la conversión directa de calor en energía eléctrica utilizando polonio-210 como fuente de calor.
En 1966, un estudio publicado por SAE International describió el potencial para el uso de plutonio-238 en subsistemas de energía de radioisótopos para aplicaciones en el espacio. Este estudio se centró en el empleo de conversiones de energía a través del ciclo Rankine , ciclo Brayton , conversión termoeléctrica y conversión termoiónica con plutonio-238 como elemento de calentamiento primario. El calor suministrado por el elemento de calentamiento de plutonio-238 fue constante entre el régimen de 400 °C y 1000 °C, pero la tecnología futura podría alcanzar un límite superior de 2000 °C, aumentando aún más la eficiencia de los sistemas de energía. El estudio del ciclo Rankine informó una eficiencia entre el 15 y el 19% con temperaturas de entrada de la turbina de 1800 R , mientras que el ciclo Brayton ofreció una eficiencia mayor del 20% con una temperatura de entrada de 2000 R. Los convertidores termoeléctricos ofrecieron baja eficiencia (3-5%) pero alta confiabilidad. La conversión termoiónica podría proporcionar eficiencias similares al ciclo Brayton si se alcanzaban las condiciones adecuadas. [49]
La tecnología RTG fue desarrollada por primera vez por el Laboratorio Nacional de Los Álamos durante los años 1960 y 1970 para proporcionar energía termoeléctrica mediante generadores de radioisótopos para marcapasos cardíacos . De los 250 marcapasos alimentados con plutonio que fabricó Medtronic , veintidós seguían en servicio más de veinticinco años después, una hazaña que ningún marcapasos alimentado con batería podría lograr. [50]
Esta misma tecnología de energía RTG se ha utilizado en naves espaciales como Pioneer 10 y 11 , Voyager 1 y 2 , Cassini-Huygens y New Horizons , y en otros dispositivos, como el Laboratorio Científico de Marte y el Rover Perseverance Mars 2020 , para la generación de energía nuclear a largo plazo. [51]