Pluton (Pu)

Pluton (z łac. plutonium) jest pierwiastkiem chemicznym o masie atomowej 244,064 u i liczbie atomowej 94. Jest to pierwiastek radioaktywny z grupy transuranowców. Jest to ciało stałe (metal).

Występowanie
Pluton jest otrzymywany sztucznie, ale naukowcy stwierdzili, że występuje również w minimalnych ilościach w rudach uranu. Występuje w postaci izotopu 239Pu w naturalnych reakcji jądrowych jako produkt oraz
w izotopie 244Pu. Izotop 244 Pu jest najcięższym z pierwotnych występujących na Ziemii.

Właściwości i dane
Pluton nawet w niewielkich ilościach jest zabójczy. Gęstość plutonu wynosi 19816 kg/m2. Temperatura topnienia to 641 oC, a wrzenia 3232 oC. Ogrzewany do temperatury trzysta dwadzieścia do czterysta osiemdziesiąt zmniejsza objętość. Pluton nie posiada elektroujemności według skali Paulinga. Posiada w swoim jądrze dziewięćdziesiąt cztery protony i sto czterdzieści cztery neutrony. Leży w bloku f na tablicy Mendelejewa oraz jest w 7 okresie po jego prawej stronie, znajduje się ameryk (Am) po lewej stronie neptun (Np), a nad nim jest samar (Sm). Pluton ma kolor srebrzystobiały, ale pod wpływem powietrza powoli pokrywa się warstwa żółtych tlenków powstającą w wyniku reakcji pierwiastka z tlenem. Wszystkie jego izotopy są promieniotwórcze oraz nietrwałe emitują promieniowanie alfa, gamma, cząstki beta i neutrony. Najdłużej żyjącym izotopem jest 244Pu z czasem połowicznego rozpadu 80,8 miliona lat. Kolejny to 242Pu wynoszący 373,3 tysiąca lat, a następny to 239Pu, którego czas połowicznego rozpadu wynosi 24,11 tysiąca lat. Pozostałe mają czas połowicznego rozpadu mniejszy niż 7000 lat. Jednak 16 z nich ma czas połowicznego rozpadu większy niż 20 minut. Kolor plutonu jest zależny od stopnia utlenienia (III, IV, V, VI). Pu(III) ma kolor lawendowy lub fioletowy. Pu(IV) jest koloru złotobrązowego. Pu(V) ma kolor bladoróżowy,
a Pu(VI) jest pomarańczowo-różowy. Dla Pu(IV) znany jest tylko jeden związek, jest to heksafluorek plutonu (PuF). Z powietrzem reaguje w temperaturze pokojowej. W wysokiej temperaturze reagujez azotem PuN, wodorem PuH3, tlenem i parą wodną PuO2 Rzpuszcza się w kwasach. Występuje w sześciu odmianach krystalicznych: alfa, beta, gamma, sigma, delta i epsilon. Forma alfa jest twarda oraz krucha, natomiast forma delta jest miękka i plastyczna. Jest bardzo słabym przewodnikiem elektrycznym oraz przewodnikiem ciepła. Nie jest on magnetyczny, ponieważ może mieć różną liczbę elektronów w swojej powłoce walencyjnej, co utrudnia niesparowanym elektronom ustawienie się na polu magnetycznym. Pluton to nieliczny z pierwiastków radioaktywnych które „świecą w ciemności”, chociaż blask pochodzi od ciepła (238Pu podczas rozpadu promieniotwórczego z emisją cząstek alfa powoduje wydzielenie ciepła wynoszące 0,567 W/g). Jego atomy łatwo ulegają rozszczepieniu. Z powodu jego promieniotwórczości jest bardzo niebezpieczny dla człowieka. Jego kontakt z nim może wywołać chorobe popromienną. Wszystkie związki chemiczne plutonu są trujące.

Historia plutonu
W latach 1940-1941 na Uniwersytecie Berkley w Kalifornii. Grupa fizyków, a dokładnie Glenn T. Seaborg, Edwin McMillan, Emilio Segrè, Joseph W. Kennedy oraz Arthur Wahl w ramach eksperymentu bombardowała próbkę uranu238 cyklotronem. W rezultacie otrzymali neptun238 o okresie połowicznego rozpadu wynoszącego 2 dni oraz dwa wolne protony. Radioaktywny neptun po dalszym rozpadzie przekształcił się w 94-ty znany ludzkości pierwiastek, czyli pluton. Sama nazwa pluton pochodzi od planety w Układzie Słonecznym. W momencie odkrycia Pluton był uważany za planetę. Po paru miesiącach nowy pierwiastek wyizolowali i zidentyfikowali. W 1942 wyprodukowano 1 mikrogram (0,000001 g) czystego plutonu, co dało możliwość do zbadania jego masy atomowej. Niezwykłe odkrycie miało być opublikowane w wydawnictwie szkolnym, ale publikacje wstrzymano, aż do zakończenia II Wojny Światowej. Ponieważ obawiano się, że pluton może zostać wykorzystany do produkcji bomby przez nieprzyjacielską stronę. W 1943 r. powstały pierwsze metalowe próbki plutonu widoczne gołym okiem wtedy jednak fizycy zrozumieli jego nuklearny potencjał. W 1945 roku zbudowano w mieście Los Alamos w USA specjalną budowlę do prowadzenia reakcji jądrowych w ramach tajnego projektu Mahnattan mającego na celu budowę bomby atomowej o nazwie „Fat Man”, która została zrzucona 9 sierpnia 1945 roku w mieście Nagasaki. Do rozszczepienia atomu był wykorzystany uran w bombie zrzuconej 3 dni wcześniej na miasto Hiroshima o nazwie „Little Boy”. Prace na temat tego pierwiastka opublikowano dopiero w 1946 roku. Skrót „Pu” został wybrany przez naukowców jako forma żartu, odnosząc się do zapachu podczas eksperymentów( tłumaczenie „poo” na język polski oznacza nieformalne określenie kału).

Wydobywanie
Pluton w nie wielkich ilościach znajduje się w naturalnych złożach uranu, będąc efektem jego rozpadu. Izotop 238Pu uzyskuje się głównie przez bombardowanie uranu238 jądrami deuteru:

Izotop 239Pu powstaje przez bombardowanie izotopu 238Pu.

Nie jest to jednak skala na światowe zapotrzebowanie. Głównym źródłem plutonu są reaktory atomowe.
W elektrowniach jądrowych zawsze cześć paliwa nie ulegnie rozczepieniu, stanowiąc odpad. Według danych z USA nawet 1% z odpadów to pluton co na skalę globalną stanowi 70 milionów odpadów. Jednak w części pluton można wyizolować za pomocą różnych chemicznych związków ponownego użycia. W ten sposób tlenek plutonu jest mieszany z tlenkiem uranu, tworząc paliwo MOX, które jest wykorzystywane
w elektrowniach atomowych w całym świecie. Jednak to paliwo w niepowołanych rękach może być przekształcany w broń, która grozi zagładą całej Ziemii.

Transport plutonu
Pluton jest pierwiastkiem promieniotwórczym, dlatego należy go specjalnie przygotować do transportu. Może być transportowany samolotami, statkami, pociągami, a nawet ciężarówkami. Międzynarodowa Agencja Energii Atomowej (MAEA) pracuje na rzecz bezpiecznego i pokojowego wykorzystania energii jądrowej. Opracowała standardy i przepisy dotyczące bezpiecznego przewozu materiałów radioaktywnych. Pierwiastki oraz związki promieniotwórcze są przewożone w małych ilościach, oraz w specjalnych opakowaniach zapewniając nienaruszalność przesyłki. Każda paczka różni się w zależności od stopnia promieniowania danego pierwiastka lub związku promieniotwórczego. Opakowania do przewozu dzielą się na opakowania typu A, typu B, przemysłowe i wyłączone.

Cena i możliwość kupna plutonu
Orientacyjna cena 1 grama dwutlenku plutonu wynosi 5800 dolarów. Czysty pluton może osiągnąć cenę dwa razy wyższą. By stworzyć bombę jądrową, wystarczy około 5,3 kg plutonu. Pluton można produkować poprzez napromieniowanie wiązką neutronów pierwiastka neptun237, który z kolei powstaje w reaktorach badawczych. W ten sposób otrzymujemy nietrwały izotop Neptun238, który natychmiast rozpada się w pluton238. Jest on stosunkowo trwały. Masowa produkcja plutonu238 w Stanach Zjednoczonych została wstrzymana w 1988 roku i po wyczerpaniu całych zapasów w 2010 roku były uzupełniane zakupami Rosji. Jednak przez popsucie się relacji ograniczyli się do własnej produkcji i nie negocjowali z Rosjanami. Jeden gram plutonu238, kosztowało od Rosjan 1600 dolarów, co oznacza, że do zasilenia jednego kosmicznego próbnika trzeba było około 8 milionów dolarów. Dziś koszty byłyby kilkukrotnie wyższe. Do 2015 uzyskano 50 gramów izotopu jednak planowana produkcja, miała wynieść około 400 gram rocznie, w przyszłości jeszcze więcej, ale nadal to było za mało by zapewnić samowystarczalność. W dzisiejszych czasach by starczyło NASA na co najwyżej 4 misje potrzeba by, było mieć około 30-35 kg plutonu238. Przed długie lata cena plutonu nie była zaskakująco duża, lecz teraz przy wzroście cen wielu odkrytych rud starych lub nowy cen cieszy się niemałym zainteresowaniem. Zwiększyła się także ilość potrzebnego plutonu oraz intensywność wydobycia. Wielkość rud, które opłaca się wydobywać cały czas, rośnie.

Wykorzystanie plutonu
Pluton jest cennym paliwem wykorzystywanym w elektrowniach atomowych oraz jest wykorzystywany do zasilania energią elektryczną urządzeń kosmicznych. Łącznie dostarczają nawet 10% całkowitej energii na świecie. Poza tym jest również wykorzystywany do produkcji broni atomowej. Pu-242 i Pu-244 są wykorzystywane w badaniach naukowych w sferze chemii. Pu238 jest stosowany jako źródło energii elektrycznej na statkach kosmicznych oraz urządzeń takich jak łazik Curiosity, który wylądował na Marsie lub jest dobrym źródłem energii dla radioizotopowych generatorach termoelektrycznych. Ponadto służy do produkcji baterii od niektórych rozruszników serca. Pu239 jest używany do reaktorów jądrowych oraz bomb jądrowych.

Wpływ plutonu na zdrowie człowieka
Pluton jest silnie toksycznym pierwiastkiem i to w dwóch aspektach jako metal ciężki i element radioaktywny. Emitowane przez niego promieniowanie alfa jest pochłaniane bezpośrednio przez szpik kostny. W długim okresie efektem może być choroba promienna, której jedną z oznak jest krwawienie z przewodu pokarmowego. Efektem tego może być uszkodzenie genetyczne, nowotwór, a nawet śmierć. Poza układem kostnym jest też akumulowany w wątrobie. Groźniejsza od tego jest wdychanie plutonu lub jego spożycie. Wdychany przez człowieka może uszkodzić płuca, a przede wszystkim powodować raka płuc. Pół kilograma toksycznego pyłu rozprzestrzenionego w atmosferze mogłoby zabić nawet dwa miliony ludzi. Maksymalną dawkę Pu239 dla osoby dorosłej to około 0,008 mikrogramów = 8*10-9g. Najbardziej poszkodowane grypy przez pluton to społeczeństwa mieszkające w Newadzie w okresie testowania broni nuklearnej osoby, które przeżyły atak na Nagasaki oraz pracownicy elektrowni atomowych. Nie wszyscy ludzie, którzy zetknęli się z większymi ilościami plutonu odczuli negatywne konsekwencje zdrowotne. Niektóre studia naukowe przyjmowali ochotników, którzy dawali sobie wstrzyknąć pluton. Pluton jest mniej niebezpieczny niż rad.

Wpływ plutonu na środowisko naturalne
W wyniku atmosferycznych lub podwodnych prób jądrowych prowadzonych intensywnie w latach 60 XX wieku i mniej intensywnie do lat 80 do środowiska zostały wprowadzone wielkie ilości plutonu. Naukowcy stwierdzili, że w ciągu czterech dekad uwolniono 200 milionów radioaktywnych izotopów. Czyli dwa razy więcej niż katastrofa w Czarnobylu. Wprowadzone do atmosfery cząstki plutonu systematycznie opadały na powierzchnie Ziemii, tworząc globalny opad promieniotwórczy. W obecnej chwili cały rozproszony pluton w atmosferze znajduje się na powierzchni Ziemii, w powierzchniowej warstwie gleby, gdzie podlega procesom migracji i resuspensji.
W porównaniu z opadem globalnym niewielkie ilości plutonu wprowadziła do środowiska katastrofa w Czarnobylu w 1986 roku. Opad czarnobylski w rozróżnieniu do opadu globalnego, miał charakter bardzo niejednorodny. Na pewnych obszarach, na przykład Polska północno-wschodnia występowały nieduże powierzchniowo tereny o wielkiej zawartości plutonu. Związane to było z opadaniem cząstek zawierających w sobie pluton. Co gorsza, wiele wypadków w placówkach nuklearnych zostały zatajone, co tłumaczy nieufność społeczeństwa do elektrowni atomowych. Pluton dość łatwo przedostaje się do mórz i oceanów dostając się do spożywienia zooplanktonu, który jest konsumowany przez większe stworzenia na przykład ryby. Po katastrofie w Czarnobylu odkryto wiele stworzeń wodnych z poważnymi zaburzeniami genetycznymi oraz reproduktywnych między innymi u okoni, fląder i śledzi. Dodatkowo pluton stwarza jeszcze większe zagrożenie, ponieważ jest to materiał łatwopalny i nawet w pokojowej temperaturze może dojść do samozapłonu. Aktualnie odpady nuklearne lub testy broni atomowej podlegają bardzo surowym regulacjom mającym na celu jak największe zmniejszenie zagrożenia. Pluton stwarza dla ludzkości gigantyczny potencjał, łącznie z opcją podboju kosmosu lub – co gorsza – może okazać się przysłowiowym gwoździem do trumny planety Ziemii. Wybór należy w rękach człowieka.