Pluton (Pu) – właściwości, działanie i występowanie plutonu

Pluton (Pu) to przysłowiowy obosieczny miecz. Pierwiastek stworzony przez człowieka, który może być wykorzystany zarówno do budowania, jak i do niszczenia. Sama jego nazwa wywołuje u większości ludzi strach i protesty; niewielu z nas zdaje sobie jednak sprawę, jak wiele plutonowi zawdzięczamy…

1. Historia plutonu
2. Właściwości plutonu – jakie związki tworzy?
3. Pozyskiwanie plutonu
4. Zastosowania plutonu
5. Wpływ plutonu na zdrowie
6. Pluton a środowisko naturalne

Sama nazwa 94-ego pierwiastka w układzie Tablicy Mendelejewa jest dość przypadkowa – 92-gi nazwano uranem, 93-ci neptunem, więc kolejny przejął imię następnej planety w Układzie Słonecznym. Bo w momencie jego odkrycia, Pluton wciąż jeszcze uważany był za planetę…

Historia plutonu

W latach 1940-1941 na Uniwersytecie Berkley w Kalifornii światła grupa fizyków w zestawie Glenn T. Seaborg, Edwin McMillan, Emilio Segrè, Joseph W. Kennedy oraz Arthur Wahl w ramach eksperymentów bombardowała próbkę uranu-238 deuteronami przyspieszonymi dzięki wykorzystaniu akceleratora cyklicznego zwanego cyklotronem. W rezultacie badacze otrzymali neptun-238 o okresie połowiczego rozpadu wynoszącego 2 dni oraz dwa wolne protony. Radioaktywny neptun po dalszym rozpadzie przekształcił się w 94-ty znany ludzkości pierwiastek, czyli właśnie pluton.

Potrzeba było zaledwie kilku miesięcy, aby nowy pierwiastek wyizolować i zidentyfikować. W 1942 r. wyprodukowano 1 mikrogram czystego plutonu, co pozwoliło określić jego masę atomową. Niezwykłe odkrycie miało być od razu opublikowane w prestiżowym wydawnictwie naukowym, ale publikację wstrzymano ze względów bezpieczeństwa aż do zakończenia II Wojny Światowej. Słusznie obawiano się bowiem, że pluton może być wykorzystany do produkcji bomby przez nieprzyjacielską stronę.

W 1943 r. powstały pierwsze metalowe próbki plutonu widoczne gołym okiem, a fizycy zaczęli już rozumieć jego nuklearny potencjał. W ramach rozwoju tajnego Projektu Mahnattan mającego na celu konstrukcję bomby atomowej, w 1945 r. zbudowano w Los Alamos w USA specjalną budowlę mającą zapewnić warunki do przeprowadzenia ryzykowanych reakcji jądrowych. Ukoronowaniem złożonych wysiłków fizycznych i budowlanych było stworzenie słynnej bomby plutonowej, ochrzczonej nazwą „Fat Man”, zrzuconej na Nagasaki 9 sierpnia 1945 r. Zrzucona 3 dni wcześniej na Hiroshimę bomba „Little Boy” wykorzystywała uran do rozszczepienia atomu.

Ciekawostka: Skrót „Pu” został wybrany przez naukowców z Cambridge jako forma żartu, odnosząc się do odrażającego zapachu podczas eksperymentów (w języku angielskim „poo” jest nieformalnym określeniem kału).

Właściwości plutonu – jakie związki tworzy?

Pluton to radioaktywny pierwiastek syntetyczny zaliczany do grupy aktynowców. Posiada liczbę atomową 94 (94 protony w jądrze atomu) i masę atomową 244. Z wyglądu jest srebrzystym metalem, który nabiera żółtej powłoki przy kontakcie z powietrzem. Wszystkie jego izotopy są promieniotwórcze (emitują promieniowanie alfa i gamma, cząstki beta oraz neutrony), ale najbardziej znaczącym z punktu widzenia wykorzystania przez człowieka jest Pu-239 charakteryzujący się relatywnie długim okresem połowicznego rozpadu - 24100 lat - dla porównania dla Pu-241 okres ten wynosi 14.4 lat. W czasie rozpadu dany izotop może transformować się w inne izotopy plutonu, ale także w uran i neptun. Mimo niskiej radioaktywności pluton-239 posiada stosunkowo niewielką masę krytyczną i już nagromadzenie ilości ponad 300 g grozi spontaniczną eksplozją. 

Pod względem chemicznym pluton jest wysoce reaktywny, rozpuszcza się w kwasach, zaś po oksydacji tworzy w roztworach wodnych różnobarwne jony: lawendowy Pu3+, żółto-brązowy Pu4+, różowy PuO2+, różowo-pomarańczowy PuO22+ oraz zielony Pu7+. Dwutlenek plutonu, łatwy do wyizolowania w czystej postaci, jest podstawowym związkiem syntetycznego pierwiastka, który wykorzystywany jest dalej do tworzenia innych związków.

Ciekawostka: W przeciwieństwie do innych metali ze swojej grupy pluton nie jest przewodnikiem energii elektrycznej i nie reaguje na magnes – naukowcy tłumaczą ten fenomen fluktuacją elektronów na zewnętrznej powłoce atomu plutonu.

Pozyskiwanie plutonu

Pluton w śladowych ilościach występuje w naturalnych złożach uranu, będąc efektem jego rozpadu. Nie jest to jednak skala, która pokryłaby światowe zapotrzebowanie. Głównym źródłem plutonu są obecnie… reaktory atomowe. W elektrowniach jądrowych zawsze część paliwa nie ulegnie rozszczepieniu i stanowi odpad. Według danych z USA nawet 1% z niego stanowi pluton – rocznie jest to nawet 70 milionów ton w skali globalnej! W części pluton można jednak z wypalonego paliwa wyizolować za pomocą chemicznych związków do ponownego użycia. Uzyskany tym sposobem tlenek plutonu mieszany jest z tlenkiem uranu, tworząc paliwo zwane MOX (z ang. mixed oxide), wykorzystywane w elektrowniach atomowych w wielu krajach świata. Proces z jednej strony pozwala ograniczyć ilość odpadów radioaktywnych, z drugiej, jest jednak kontrowersyjny, ponieważ w MOX w niepowołanych rękach może być przekształcany w broń, która grozi zagładą całej Ziemi.

Zastosowania plutonu

Jeśli atom Pu-239 zderzyć z neutronem, ulegnie on rozszczepieniu, wskutek czego uwolnione zostaną dalsze neutrony, a przede wszystkim olbrzymie ilości energii. Łatwe do rozszczepienia są również izotopy Pu-238, Pu-240, Pu-241, Pu-242. Stąd też pluton jest cennym paliwem wykorzystywanym w elektrowniach atomowych, które łącznie dostarczają nawet 10% całkowitej energii elektrycznej spożytkowywanej na świecie (ze względów praktycznych częściej niż pluton stosuje się w nich jednak uran).

Poza tym, jak już wyżej wspomniano, pluton był i jest surowcem do produkcji broni atomowej. Wystarczy 10 kg Pu-238, aby stworzyć bombę o mocy większej niż ta użyta w Nagasaki!

Pu-242 i Pu-244 są także wykorzystywane z badaniach naukowych w sferze chemii oraz metalurgii. Pu-238 z kolei stosowany jest jako źródło energii elektrycznej na statkach kosmicznych oraz urządzenia takich jak łazik Curiosity, który w 2012 roku wylądował na Marsie. Ponadto służy do produkcji baterii od niektórych rozruszników serca.

Wpływ plutonu na zdrowie

Pluton jest pierwiastkiem silnie toksycznym i to w dwóch aspektach: jako element radioaktywny oraz metal ciężki. Emitowane przez niego wysokie ilości promieniowania alfa absorbowane są bezpośrednio przez szpik kostny. Efektem w długim okresie może być choroba popromienna, uszkodzenia genetyczne, nowotwory, a nawet śmierć. Poza układem kostnym pluton akumulowany jest również w wątrobie. Co ciekawe, groźniejsza jest inhalacja plutonu niż jego spożycie. Wdychany może uszkodzić płuca, a przede wszystkim powodować raka płuc. Uważa się, że pół kilograma toksycznego pyłu rozprzestrzenionego w atmosferze mogłoby zabić nawet 2 miliony ludzi.  Maksymalną dawkę Pu-239 dla dorosłego człowieka określono na poziomie 0.008 mikrocurie.

Jak dotąd, grupy najbardziej poszkodowane przez pluton w kategoriach zdrowotnych to społeczeństwa żyjące w Newadzie w okresie testowania broni nuklearnej, osoby, które przeżyły atak na Nagasaki oraz pracownicy elektrowni atomowych.

Ciekawostka: Nie wszyscy ludzie, którzy zetknęli się większymi ilościami plutonu odczuli negatywne konsekwencje zdrowotne – niektóre studia naukowe obejmujące ochotników, którzy dali sobie wstrzyknąć pluton, są wręcz zaskakujące pod tym kątem. Pluton jest w każdym razie na pewno mniej niebezpieczny niż rad!

Pluton a środowisko naturalne

Lata, w których eksperymentowano z produkcją plutonu, rozszczepieniem atomu i testami broni nuklearnej same w sobie były poważnym balastem dla naszej planety. Zdaniem naukowców zakłady Hanford w USA i Mayak w Rosji w przeciągu czterech dekad uwolniły do środowiska 200 milionów curie radioaktywnych izotopów, czyli aż dwa razy więcej niż wygenerował wybuch w Czernobylu – większość z nich do dziś pozostaje w atmosferze. Co gorsza, wiele wypadków w placówkach nuklearnych zostało przed opinią publiczną zatajonych, co tłumaczy dzisiejszą nieufność społeczeństwa wobec choćby elektrowni atomowych.

Niestety, pluton dość łatwo przedostaje się do mórz i oceanów dostając się do pożywienia zooplanktonu, który z kolei konsumowany jest przez większe organizmy, m.in. ryby. Po katastrofie w Czernobylu odkryto liczne przypadki poważnych zaburzeń genetycznych i reprodukcyjnych m.in. u okoni, fląder czy śledzi. Dodajmy jeszcze, że pluton stwarza dodatkowe zagrożenie jako materiał łatwopalny, gdyż nawet w pokojowej temperaturze może dojść do samozapłonu.Na dzień dzisiejszy odpady nuklearne oraz testy broni atomowej podlegają bardzo surowym regulacjom mającym na celu minimalizację zagrożenia. Samo przewożenie plutonu odbywa się na specjalnych zasadach – wymaganą postacią jest stały tlenek plutonu szczelnie zamknięty w specjalnym opakowaniu. Bo też pluton stwarza dla ludzkości olbrzymi potencjał, łącznie z opcją podboju kosmosu, ale, z drugiej strony, może okazać się przysłowiowym gwoździem do trumny dla planety Ziemi. Wybór leży (niestety?) w rękach człowieka.

Bibliografia

1. Emma Morris; “Plutonium: History, Manufacturing, and Safety”; data dostępu: 2021-06-29
2. Atomic Heritage Foundation; “Plutonium”; data dostępu: 2021-06-29
3. World Nuclear Association; “Plutonium”; data dostępu: 2021-06-29
4. U.S. NRC; “Backgrounder on Plutonium”; data dostępu: 2021-06-29
5. Alina Bradford; “Facts About Plutonium”; data dostępu: 2021-06-29