Plutoni

Plutoni là một nguyên tố hóa học hiếm, có tính phóng xạ cao với ký hiệu hóa học Pu và số nguyên tử 94. Nó là một kim loại thuộc nhóm actini với bề ngoài màu trắng bạc và bị xỉn khi tiếp xúc với không khí, tạo thành một lớp phủ mờ khi bị oxy hóa. Nguyên tố này thông thường biểu hiện (exhibit) 6 dạng thù hình (allotrope) và bốn trạng thái oxy hóa. Nó phản ứng với cacbon, halogen, nitơ và silicon. Khi tiếp xúc với không khí ẩm, nó tạo thành các ôxít và hydride làm thể tích các mẫu giãn nở lên đến 70%, hay nói cách khác là nó bong ra thành dạng bột có thể tự bốc cháy. Nó cũng là một chất độc phóng xạ mà tích tụ trong tủy xương. Những đặc tính này và các tính chất khác khiến cho việc xử lý plutoni trở nên nguy hiểm.

Plutoni là nguyên tố nguyên thủy nặng nhất, đồng vị bền nhất của nó là plutoni-244 có chu kỳ bán rã khoảng 80 triệu năm đủ lâu để nguyên tố này có thể được tìm thấy ở dạng vết trong tự nhiên. Nhưng plutoni là sản phẩm phụ thường xuyên có mặt khi nguyên tử urani bị tách làm đôi trong lò phản ứng hạt nhân. Một số hạt hạ nguyên tử được tăng tốc trong quá trình phân hạch biến đổi urani thành plutoni.

Đồng vị quan trọng nhất của plutoni là plutoni-239, với chu kỳ bán rã 24.100 năm. Plutoni-239 là đồng vị có ích nhất trong các vũ khí hạt nhân. Plutoni-239 và plutoni-241 có khả năng phân hạch, có nghĩa là các nguyên tử của nó có thể tách ra bằng cách bắn phá bởi neutron nhiệt chuyển động chậm giải phóng năng lượng, tia gamma và nhiều neutron hơn. Các neutron này sau đó có thể duy trì phản ứng hạt nhân dây chuyền, được ứng dụng trong các vũ khí hạt nhân và lò phản ứng hạt nhân.

Plutoni-238 có chu kỳ bán rã 88 năm và phát ra các hạt anpha. Nó là một nguồn cung cấp nhiệt trong các máy phát điện hạt nhân, một loại động cơ cung cấp điện cho tàu không gian. Plutoni-240 có tỷ lệ phân hạch tự phát cao, làm tăng thông lượng neutron của bất kỳ mẫu nào. Sự có mặt của plutoni-249 hạn chế khả năng sử dụng của các mẫu trong vũ khí hạt nhân hoặc nhiên liệu hạt nhân, và xác định cấp của nó. Các đồng vị của plutoni đắt và khó tách, vì thế các đồng vị riên biệt thường được sản xuất trong các lò phản ứng chuyên dụng.

Plutoni được một nhóm nghiên cứu đứng đầu là Glenn T. Seaborg và Edwin McMillan tổng hợp đầu tiên năm 1940 tại Đại học California, Berkeley bằng cách bắn phá urani-238 bởi hạt nhân deuteron. McMillan đặt tên nguyên tố mới theo tên Pluto (Sao Diêm Vương), và Seaborg đề nghị ký hiệu nó là Pu. Sau đó, một lượng nhỏ plutoni ở dạng vết cũng được phát hiện trong tự nhiên. Việc tạo ra plutoni được sử dụng với lượng lớn lần đầu tiên trong phần chính của dự án Manhattan suốt chiến tranh thế giới thứ 2, để tạo ra bom nguyên tử đầu tiên. Vụ thử hạt nhân đầu tiên, "Trinity" (tháng 7 năm 1945), và bom nguyên tử lần thứ 2 được sử dụng để phá hủy thành phố (Nagasaki, Nhật Bản tháng 8 năm 1945), "Fat Man", cả hai lõi đều dùng plutoni-239. Các nghiên cứu thí nghiệm ảnh hưởng của plutoni đối với con người đã được tiến hành mà không có sự đồng ý trước, và một số tai nạn ("criticality accident"), gây chết người đã xảy ra trong và sau chiến tranh. Chất thải plutoni từ các nhà máy điện hạt nhân và từ việc giải trừ vũ khí hạt nhân được tạo ra trong suốt thời kỳ chiến tranh lạnh là những mối nguy hiểm cho môi trường. Các nguồn khác của plutoni trong môi trường như bụi phóng xạ từ các vụ thử hạt nhân trên mặt đất (hiện nay đã bị cấm).