El plutonio se presenta en una variedad de alótropos , incluso a presión ambiente. Estos alótropos difieren ampliamente en estructura cristalina y densidad; los alótropos α y δ difieren en densidad en más del 25% a presión constante.
El plutonio normalmente tiene seis alótropos y forma un séptimo (zeta, ζ) bajo alta temperatura y un rango de presión limitado. [1] Estos alótropos tienen niveles de energía muy similares pero densidades y estructuras cristalinas que varían significativamente . Esto hace que el plutonio sea muy sensible a los cambios de temperatura, presión o química, y permite cambios dramáticos de volumen después de las transiciones de fase . [2] A diferencia de la mayoría de los materiales, el plutonio aumenta su densidad cuando se funde, en un 2,5%, pero el metal líquido exhibe una disminución lineal en la densidad con la temperatura. [3] Las densidades de los diferentes alótropos varían de 16,00 g/cm 3 a 19,86 g/cm 3 .
La presencia de estos numerosos alótropos hace que el mecanizado del plutonio sea muy difícil, ya que cambia de estado con mucha facilidad. Por ejemplo, la fase alfa (α) existe a temperatura ambiente en el plutonio sin alear. Tiene características de mecanizado similares al hierro fundido , pero cambia a la fase beta (β) a temperaturas ligeramente más altas.
Las razones de la complejidad del diagrama de fases no se comprenden del todo; las investigaciones recientes se han centrado en la construcción de modelos informáticos precisos de las transiciones de fase. La fase α tiene una estructura monoclínica de baja simetría [4] , de ahí su baja conductividad, fragilidad, resistencia y compresibilidad. [1]
El plutonio en la fase delta (δ) [5] normalmente existe en el rango de 310 °C a 452 °C pero es estable a temperatura ambiente cuando se alea con un pequeño porcentaje de galio , aluminio o cerio , lo que mejora la trabajabilidad y permite soldarlo en aplicaciones de armas. La fase δ tiene un carácter metálico más típico y es aproximadamente tan fuerte y maleable como el aluminio. En las armas de fisión, las ondas de choque explosivas utilizadas para comprimir un núcleo de plutonio también causarán una transición de la fase δ habitual del plutonio a la fase α más densa, lo que ayuda significativamente a lograr la supercriticidad . [6] La aleación de plutonio-galio es la aleación estabilizada en δ más común.
El galio, el aluminio, el americio , el escandio y el cerio pueden estabilizar la fase δ del plutonio a temperatura ambiente. El silicio , el indio , el zinc y el circonio permiten la formación de un estado δ metaestable cuando se enfrían rápidamente. Una gran cantidad de hafnio , holmio y talio también permite retener parte de la fase δ a temperatura ambiente. El neptunio es el único elemento que puede estabilizar la fase α a temperaturas más altas. El titanio , el hafnio y el circonio estabilizan la fase β a temperatura ambiente cuando se enfrían rápidamente. [2]
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