Plutonio-239 (239
Pu
El plutonio-239 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 propósito. El plutonio-239 es también uno de los tres principales isótopos que se ha demostrado que pueden utilizarse 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 239Pu casi puro a un menor costo 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 planta de energía 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 es de aproximadamente 11 kg (24,2 lbs), [2] 10,2 cm (4") de diámetro. Usando disparadores apropiados, reflectores de neutrones, geometría de implosión y apisonadores , 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 aproximadamente 23 gigavatios hora/kg.
El plutonio se obtiene a partir del uranio-238 . El 239 Pu se crea normalmente en 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 la radiación de neutrones , su núcleo capturará un neutrón , transformándolo en 239 U. Esto sucede más a menudo con una energía cinética menor (ya que la activación de la fisión del 238 U es de 6,6 MeV). El 239 U luego sufre rápidamente dos desintegraciones β − : una emisión de un electrón y un antineutrino ( ), dejando un protón en el núcleo: 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 otros isótopos de uranio), oxígeno, otros componentes del material original y productos de fisión . Solo si el combustible ha estado expuesto durante unos días en el reactor, el 239 Pu se puede separar químicamente del resto del material para producir 239 Pu metálico de alta pureza.
El 239 Pu tiene una mayor probabilidad de fisión que el 235 U y produce una mayor cantidad de neutrones 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 fisión/s·kg), lo que hace posible reunir 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 manipulación, y su presencia puede provocar una " fisura " en la que se produce una pequeña explosión que destruye el arma pero no causa la fisión de una fracción significativa del combustible. Es debido a esta limitación que las armas basadas en plutonio deben ser de tipo implosión, en lugar de tipo cañón. 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. El plutonio apto para armas se define como aquel que no contiene más del 7% de 240 Pu; esto se logra exponiendo el 238 U a fuentes de neutrones solo durante períodos cortos 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 con 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 se apague todo el reactor, a menudo durante semanas, para cambiar los elementos combustibles. Por lo 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 permitiera colocar lingotes 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, el Organismo Internacional de Energía Atómica inspecciona a menudo los reactores autorizados. Algunos diseños de reactores de potencia comerciales, como el reaktor bolshoy moshchnosti kanalniy ( RBMK ) y el reactor de agua pesada presurizada ( PHWR ), permiten la recarga de combustible sin paradas, y pueden plantear un riesgo de proliferación. Por el contrario, el reactor canadiense CANDU moderado con agua pesada y alimentado con uranio natural también puede ser reabastecido mientras está en funcionamiento, pero normalmente consume la mayor parte del 239 Pu que produce in situ; por lo tanto, no solo es inherentemente menos proliferativo que la mayoría de los reactores, sino que incluso puede funcionar como un " incinerador de actínidos ". [4] El IFR (Integral Fast Reactor) estadounidense también puede funcionar en modo de incineración, teniendo algunas ventajas al no acumular el isótopo plutonio-242 o los actínidos de larga vida , que no se pueden quemar fácilmente excepto en un reactor rápido. Además, el combustible IFR tiene una alta proporción de isótopos quemables, 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 operación es lo suficientemente difícil como para que generalmente solo se utilicen 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 del uranio natural , que consiste principalmente en 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 obtener el grado de armamento, 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 la jerga 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 fisión espontánea alta (véase más arriba). Este plutonio se produce a partir de barras de combustible que han sido irradiadas durante un tiempo muy corto, medido en MW-día/tonelada de combustión . Estos tiempos de irradiación tan bajos limitan la cantidad de captura de neutrones adicionales y, por lo tanto, la acumulación de productos isotópicos alternativos, como el 240 Pu, en la barra, y también, en consecuencia, es considerablemente más caro de producir, ya que se necesitan muchas más barras irradiadas y procesadas para una cantidad dada de plutonio.
El plutonio-240, además de ser un emisor de neutrones después de la fisión, es un emisor de rayos gamma , por lo que es responsable de una gran parte 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 viven y trabajan rutinariamente muy cerca de 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 grado superior que se usa en muchas armas nucleares navales. El plutonio de grado superior se usa en las ojivas W80 .
En cualquier reactor nuclear en funcionamiento que contenga 238 U, se acumulará algo de plutonio-239 en el combustible nuclear. [5] A diferencia de los reactores utilizados para producir plutonio apto para armas, los reactores nucleares comerciales suelen funcionar a un alto grado de quemado que permite que se acumule una cantidad significativa de plutonio en el combustible irradiado del reactor. El plutonio-239 estará presente tanto en el núcleo del reactor durante el funcionamiento como en el combustible nuclear gastado que se haya extraído del reactor al final de la vida útil del conjunto de combustible (normalmente varios años). El combustible nuclear gastado suele contener alrededor de un 0,8% de plutonio-239.
El plutonio-239 presente en el combustible de los reactores 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 su funcionamiento, su uso como combustible nuclear en las centrales eléctricas puede realizarse sin reprocesar el 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 de los reactores acumularía mucho más del 0,8% de plutonio-239 durante su vida útil si no se "quemara" constantemente una parte del plutonio-239 mediante fisión.
Se puede añadir deliberadamente un pequeño porcentaje de plutonio-239 al combustible nuclear nuevo. Este combustible se denomina combustible MOX (óxido mixto) , ya que contiene una mezcla de dióxido de uranio (UO2 ) y dióxido de plutonio (PuO2 ) . La adición de plutonio-239 reduce la necesidad de enriquecer el uranio en el combustible.
El plutonio-239 emite partículas alfa que se convierten en uranio-235. Como emisor alfa, el plutonio-239 no es particularmente peligroso como fuente de radiación externa, pero si se ingiere o se inhala 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 solo una pequeña fracción se absorbe en el tracto gastrointestinal; [8] [9] Es poco probable que 800 mg provoquen 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 fin. Unas proporciones más bajas de 239 Pu dificultarían o imposibilitarían el diseño fiable de un arma; esto se debe a la fisión espontánea (y, por lo tanto, a la producción de neutrones) del indeseable 240 Pu.
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