El plutonio-239 ( 239 Pu o Pu-239 ) es un isótopo del plutonio . El plutonio-239 es el principal isótopo fisible utilizado para la producción de armas nucleares , aunque el uranio-235 también se utiliza para ese fin. El plutonio-239 es también uno de los tres principales isótopos que se ha demostrado que son utilizables como combustible en reactores nucleares de espectro térmico , junto con el uranio-235 y el uranio-233 . El plutonio-239 tiene una vida media de 24.110 años. [1]
Las propiedades nucleares del plutonio-239, así como la capacidad de producir grandes cantidades de 239 Pu casi puro a un precio más económico que el uranio-235 altamente enriquecido apto para armas , llevaron a su uso en armas nucleares y plantas de energía nuclear . La fisión de un átomo de uranio-235 en el reactor de una central nuclear produce de dos a tres neutrones, y estos neutrones pueden ser absorbidos por el uranio-238 para producir plutonio-239 y otros isótopos . El plutonio-239 también puede absorber neutrones y fisionarse junto con el uranio-235 en un reactor.
De todos los combustibles nucleares comunes, el 239 Pu tiene la masa crítica más pequeña . Una masa crítica esférica sin apisonar tiene aproximadamente 11 kg (24,2 libras), [2] 10,2 cm (4 ") de diámetro. Usando disparadores, reflectores de neutrones, geometría de implosión y manipuladores adecuados , la masa crítica puede ser menos de la mitad de eso.
La fisión de un átomo de 239 Pu genera 207,1 MeV = 3,318 × 10 −11 J, es decir, 19,98 TJ/ mol = 83,61 TJ/kg, [3] o alrededor de 23 gigavatios hora/kg.
El plutonio se produce a partir del uranio-238 . El 239 Pu se crea normalmente en los reactores nucleares mediante la transmutación de átomos individuales de uno de los isótopos de uranio presentes en las barras de combustible. Ocasionalmente, cuando un átomo de 238 U se expone a radiación de neutrones , su núcleo capturará un neutrón , cambiándolo a 239 U. Esto sucede más fácilmente con una energía cinética más baja (ya que la activación de la fisión de 238 U es de 6,6 MeV). Luego, el 239 U sufre rápidamente dos desintegraciones β : una emisión de un electrón y un antineutrino ( ), dejando un protón; la primera desintegración β transforma el 239 U en neptunio-239 , y la segunda desintegración β transforma el 239 Np en 239 Pu:
La actividad de fisión es relativamente rara, por lo que incluso después de una exposición significativa, el 239 Pu todavía está mezclado con una gran cantidad de 238 U (y posiblemente con otros isótopos de uranio), oxígeno, otros componentes del material original y productos de fisión . Sólo si el combustible ha estado expuesto durante unos días en el reactor, se puede separar químicamente el 239 Pu del resto del material para producir metal 239 Pu de alta pureza.
El 239 Pu tiene una mayor probabilidad de fisión que el 235 U y una mayor cantidad de neutrones producidos por evento de fisión, por lo que tiene una masa crítica menor . El 239 Pu puro también tiene una tasa razonablemente baja de emisión de neutrones debido a la fisión espontánea (10 fisiones/s·kg), lo que hace posible ensamblar una masa que sea altamente supercrítica antes de que comience una reacción en cadena de detonación .
En la práctica, sin embargo, el plutonio generado en reactores contendrá invariablemente una cierta cantidad de 240 Pu debido a la tendencia del 239 Pu a absorber un neutrón adicional durante la producción. El 240 Pu tiene una alta tasa de eventos de fisión espontánea (415.000 fisiones/s-kg), lo que lo convierte en un contaminante indeseable. Como resultado, el plutonio que contiene una fracción significativa de 240 Pu no es adecuado para su uso en armas nucleares; emite radiación de neutrones, lo que dificulta su manejo, y su presencia puede provocar un " fracaso " en el que se produce una pequeña explosión que destruye el arma pero no provoca la fisión de una fracción significativa del combustible. Es por esta limitación que las armas basadas en plutonio deben ser del tipo implosión, en lugar de tipo arma. Además, el 239 Pu y el 240 Pu no se pueden distinguir químicamente, por lo que sería necesaria una costosa y difícil separación de isótopos para separarlos. Se define que el plutonio apto para armas no contiene más del 7% de 240 Pu; Esto se logra exponiendo únicamente 238 U a fuentes de neutrones durante cortos períodos de tiempo para minimizar el 240 Pu producido.
El plutonio se clasifica según el porcentaje del contaminante plutonio-240 que contiene:
Por lo tanto, un reactor nuclear que se utiliza para producir plutonio para armas generalmente tiene un medio para exponer el 238 U a la radiación de neutrones y para reemplazar frecuentemente el 238 U irradiado por 238 U nuevo. Un reactor que funciona con uranio no enriquecido o moderadamente enriquecido contiene una gran cantidad de 238 U. Sin embargo, la mayoría de los diseños de reactores nucleares comerciales requieren que todo el reactor se apague, a menudo durante semanas, para cambiar los elementos combustibles. Por tanto, producen plutonio en una mezcla de isótopos que no es adecuada para la construcción de armas. A un reactor de este tipo se le podría agregar maquinaria que permitiría colocar bloques de 238 U cerca del núcleo y cambiarlos con frecuencia, o podría apagarse con frecuencia, por lo que la proliferación es una preocupación; Por esta razón, la Agencia Internacional de Energía Atómica inspecciona con frecuencia los reactores autorizados. Algunos diseños de reactores de energía comerciales, como el reaktor bolshoy moshchnosti kanalniy ( RBMK ) y el reactor de agua pesada a presión ( PHWR ), permiten el reabastecimiento de combustible sin paradas y pueden representar un riesgo de proliferación. (De hecho, el RBMK fue construido por la Unión Soviética durante la Guerra Fría, por lo que a pesar de su propósito aparentemente pacífico, es probable que la producción de plutonio fuera un criterio de diseño.) Por el contrario, el CANDU canadiense alimentado con agua pesada y uranio natural moderado. El reactor también puede repostarse mientras está en funcionamiento , pero normalmente consume la mayor parte del 239 Pu que produce in situ; por lo tanto, no sólo es inherentemente menos proliferativo que la mayoría de los reactores, sino que incluso puede funcionar como un " incinerador de actínidos ". [4] El IFR (Reactor Rápido Integral) estadounidense también puede funcionar en un " modo de incineración ", teniendo algunas ventajas al no acumular el isótopo plutonio-242 ni los actínidos de larga vida , que no pueden quemarse fácilmente excepto en un reactor rápido. . También el combustible IFR tiene una alta proporción de isótopos combustibles, mientras que en CANDU se necesita un material inerte para diluir el combustible; esto significa que el IFR puede quemar una fracción mayor de su combustible antes de necesitar reprocesamiento. La mayor parte del plutonio se produce en reactores de investigación o reactores de producción de plutonio llamados reactores reproductores.porque producen más plutonio del que consumen combustible; En principio, estos reactores hacen un uso extremadamente eficiente del uranio natural. En la práctica, su construcción y funcionamiento son tan difíciles que generalmente sólo se utilizan para producir plutonio. Los reactores reproductores son generalmente (pero no siempre) reactores rápidos , ya que los neutrones rápidos son algo más eficientes en la producción de plutonio.
El plutonio-239 se utiliza con más frecuencia en armas nucleares que el uranio-235, ya que es más fácil de obtener en una cantidad de masa crítica . Tanto el plutonio-239 como el uranio-235 se obtienen a partir de uranio natural , que se compone principalmente de uranio-238 pero contiene trazas de otros isótopos de uranio como el uranio-235 . El proceso de enriquecimiento de uranio , es decir, aumentar la proporción de 235 U a 238 U para la calidad armamentística , es generalmente un proceso más largo y costoso que la producción de plutonio-239 a partir de 238 U y su posterior reprocesamiento .
El combustible de fisión "supergrado", que tiene menos radiactividad, se utiliza en la etapa primaria de las armas nucleares de la Marina de los EE.UU. en lugar del plutonio convencional utilizado en las versiones de la Fuerza Aérea. "Supergrado" es el lenguaje industrial para referirse a una aleación de plutonio que contiene una fracción excepcionalmente alta de 239 Pu (>95%), dejando una cantidad muy baja de 240 Pu, que es un isótopo de alta fisión espontánea (ver arriba). Ese plutonio se produce a partir de barras de combustible que han sido irradiadas durante un período de tiempo muy corto, medido en MW-día/tonelada de quemado . Estos tiempos de irradiación tan bajos limitan la cantidad de captura adicional de neutrones y, por lo tanto, la acumulación de productos isotópicos alternativos, como 240 Pu, en la barra, y también, como consecuencia, su producción es considerablemente más costosa, ya que se necesitan muchas más barras irradiadas y procesadas para una cantidad determinada de plutonio. .
El plutonio-240, además de ser un emisor de neutrones después de la fisión, es un emisor gamma y, por tanto, es responsable de una gran fracción de la radiación de las armas nucleares almacenadas. Ya sea que estén patrullando o en el puerto, los miembros de la tripulación de los submarinos habitualmente viven y trabajan muy cerca de las armas nucleares almacenadas en salas de torpedos y tubos de misiles, a diferencia de los misiles de la Fuerza Aérea , donde las exposiciones son relativamente breves. La necesidad de reducir la exposición a la radiación justifica los costos adicionales de la aleación de primera calidad utilizada en muchas armas nucleares navales. El plutonio supergrado se utiliza en las ojivas nucleares W80 .
En cualquier reactor nuclear en funcionamiento que contenga 238 U, algo de plutonio-239 se acumulará en el combustible nuclear. [5] A diferencia de los reactores utilizados para producir plutonio apto para armas, los reactores de energía nuclear comerciales normalmente funcionan con un alto quemado que permite que una cantidad significativa de plutonio se acumule en el combustible irradiado del reactor. El plutonio-239 estará presente tanto en el núcleo del reactor durante la operación como en el combustible nuclear gastado que se haya retirado del reactor al final de la vida útil del conjunto combustible (normalmente varios años). El combustible nuclear gastado suele contener aproximadamente un 0,8% de plutonio-239.
El plutonio-239 presente en el combustible del reactor puede absorber neutrones y fisionarse al igual que el uranio-235. Dado que el plutonio-239 se crea constantemente en el núcleo del reactor durante el funcionamiento, su uso como combustible nuclear en centrales eléctricas puede realizarse sin reprocesamiento del combustible gastado ; el plutonio-239 se fisiona en las mismas barras de combustible en las que se produce. La fisión del plutonio-239 proporciona más de un tercio de la energía total producida en una central nuclear comercial típica. [6] El combustible del reactor acumularía mucho más del 0,8% de plutonio-239 durante su vida útil si parte del plutonio-239 no se "quemara" constantemente mediante fisión.
Se puede añadir deliberadamente un pequeño porcentaje de plutonio-239 al combustible nuclear nuevo. Este tipo de combustible se denomina combustible MOX (óxidos mixtos) , ya que contiene una mezcla de dióxido de uranio (UO 2 ) y dióxido de plutonio (PuO 2 ). La adición de plutonio-239 reduce la necesidad de enriquecer el uranio del combustible.
El plutonio-239 emite partículas alfa para convertirse en uranio-235 . Como emisor alfa, el plutonio-239 no es especialmente peligroso como fuente de radiación externa, pero si se ingiere o se respira en forma de polvo es muy peligroso y cancerígeno . Se ha estimado que una libra (454 gramos) de plutonio inhalado como polvo de óxido de plutonio podría provocar cáncer a dos millones de personas. [7] Sin embargo, el plutonio ingerido es mucho menos peligroso ya que sólo una pequeña fracción se absorbe en el tracto gastrointestinal; [8] [9] Es poco probable que 800 mg causen un riesgo importante para la salud en lo que respecta a la radiación. [7] Como metal pesado , el plutonio también es químicamente tóxico. Véase también Plutonio#Precauciones .
El plutonio apto para armas (con más del 90% de 239 Pu) se utiliza para fabricar armas nucleares y tiene muchas ventajas sobre otros materiales fisionables para ese propósito. Proporciones más bajas de 239 Pu harían difícil o imposible un diseño de arma confiable; esto se debe a la fisión espontánea (y, por tanto, a la producción de neutrones) del indeseable 240 Pu.
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