El óxido de plutonio (IV) , o plutonia , es un compuesto químico con la fórmula PuO2 . Este sólido de alto punto de fusión es un compuesto principal del plutonio . Su color puede variar de amarillo a verde oliva, dependiendo del tamaño de partícula, la temperatura y el método de producción. [2]
El PuO 2 cristaliza en el motivo de fluorita , con los centros Pu 4+ organizados en una matriz cúbica centrada en las caras y los iones de óxido ocupando huecos tetraédricos. [3] El PuO 2 debe su utilidad como combustible nuclear al hecho de que las vacantes en los huecos octaédricos dejan espacio para los productos de fisión. En la fisión nuclear, un átomo de plutonio se divide en dos. La vacante de los huecos octaédricos proporciona espacio para el nuevo producto y permite que el monolito de PuO 2 conserve su integridad estructural. [ cita requerida ]
El dióxido de plutonio es un material cerámico estable con una solubilidad extremadamente baja en agua y un punto de fusión elevado (2744 °C). El punto de fusión se revisó al alza en 2011 en varios cientos de grados, basándose en la evidencia de estudios de fusión rápida por láser que evitan la contaminación por cualquier material del recipiente. [4]
Debido a la desintegración alfa radiactiva del plutonio, el PuO 2 es cálido al tacto. [ cita requerida ] Como 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 de 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 sal fundida añadiendo carbonato de sodio a la sal de combustible después de que el uranio restante se haya eliminado 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 de 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 (véase generador termoeléctrico de radioisótopos ). Ha habido preocupaciones de que una reentrada accidental en la atmósfera de la Tierra desde la órbita podría provocar la ruptura y/o quema 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 RTG de PuO 2 han reentrado en la atmósfera de la Tierra y se han quemado ( Nimbus B-1 en mayo de 1968 y el módulo lunar Apollo 13 en abril de 1970), [6] [7] los RTG de ambas naves espaciales sobrevivieron intactos al reingreso y al impacto, y no se observó contaminación ambiental en ninguno de los casos; de hecho, el RTG de Nimbus se recuperó intacto del fondo marino del Océano Pacífico y se lanzó a bordo de 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 reingreso e impacto, después del fracaso del lanzamiento de 1964 de Transit 5-BN-3 (el RTG de plutonio de primera generación a bordo se desintegró al reingresar y dispersó material radiactivo en 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 un arma nuclear de bajo rendimiento (1 kilotón ) podría fabricarse con relativa facilidad 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 a la máxima densidad cristalina; si el dióxido estuviera en forma de polvo, como ocurre a menudo, la masa crítica sería mucho mayor todavía), 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 ingiera. Cuando se ingiere, la mayor parte se elimina del cuerpo con bastante rapidez en los desechos corporales [11] , pero una pequeña parte se disolverá en iones en el jugo gástrico ácido y atravesará la barrera sanguínea, depositándose en otras formas químicas en otros órganos, como en las células fagocíticas de los pulmones, la médula ósea y el 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 unos 13,9 kg (sin reflejar), o 6,1 kg (10 cm U natural) a una densidad de 19,4. Un polvo compacto con una densidad de 8 tendría, por tanto, una masa crítica que es (19,4/8)^2 veces superior: 82 kg (sin reflejar) y 36 kg (reflejado), sin contar el peso del oxígeno (que añade otro 14%). Si se comprime a densidad cristalina, estos valores caen a 40 kg y 17,5 kg.