Πλουτώνιο

Ανακάλυψη

Ο Ενρίκο Φέρμι και μία ομάδα επιστημόνων στο Πανεπιστήμιο της Ρώμης ανέφεραν ότι είχαν ανακαλύψει το στοιχείο 94 το 1934. Ο Φέρμι αποκαλούσε το στοιχείο εσπέριο (hesperium) και το ανάφερε στη διάλεξή του κατά την απονομή του βραβείου Νόμπελ το 1938. Το δείγμα ήταν στην πραγματικότητα ένα μείγμα από βάριο, κρυπτό και άλλα στοιχεία, μα αυτό δεν ήταν γνωστό εκείνη την εποχή γιατί η πυρηνική σχάση δεν είχε ανακαλυφθεί ακόμη.
Το πλουτώνιο (ακριβέστερα το ισότοπο ²³⁸Pu) παράχθηκε και απομονώθηκε για πρώτη φορά στις 14 Δεκεμβρίου 1940 και εντοπίστηκε χημικά στις 23 Φεβρουαρίου 1941 από τους Γκλεν Σίμποργκ (Glenn Theodore Seaborg, 1912 – 1999), Έντουιν Μ. ΜακΜίλαν (Edwin Mattison McMillan, 1907 – 1991), Τζώζεφ Κένεντι (Joseph William Kennedy, 1916 – 1957) και Άρθουρ Γουώλ (Arthur C. Wahl, 1917 – 2006), με βομβαρδισμό ουρανίου με πυρήνες δευτερίου σε κύκλοτρο 60 ιντσών (152,4 cm) στο πανεπιστήμιο του Μπέρκλεϋ στην Καλιφόρνια. Στο πείραμα του 1940, το ποσειδώνιο-238 δημιουργήθηκε άμεσα από τον βομβαρδισμό αλλά διασπάσθηκε με εκπομπή β-σωματιδίων δύο μέρες αργότερα, με την οποία σχηματίστηκε και το νέο στοιχείο 94.
Το έγγραφο που τεκμηριώνει την ανακάλυψη συντάχθηκε από την επιστημονική ομάδα και στάλθηκε στο περιοδικό Physical Review τον Μάρτιο του 1941. Το έγγραφο αποσύρθηκε πριν από τη δημοσίευσή του όταν διαπιστώθηκε ότι ένα ισότοπο του νέου στοιχείου (το ²³⁹Pu) θα μπορούσε να υποστεί πυρηνική σχάση με τέτοιο τρόπο που θα μπορούσε να γίνει χρήσιμο στην ατομική βόμβα. Η δημοσίευση καθυστέρησε έως ένα χρόνο μετά τη λήξη του Β΄ Παγκοσμίου Πολέμου για λόγους ασφαλείας.
Ο Έντουιν Μακ Μίλαν είχε πρόσφατα ονομάσει το πρώτο υπερουράνιο στοιχείο με το όνομα του πλανήτη Ποσειδώνα και πρότεινε το εν λόγω στοιχείο 94, που είναι το επόμενο στοιχείο της σειράς, να πάρει το όνομά του από τον επόμενο πλανήτη, τον Πλούτωνα Ο Σίμποργκ αρχικά θεώρησε πως το όνομα του στοιχείου θα ήταν "plutium", "πλούτιο", αλλά στη συνέχεια έκρινε πως δεν ακουγόταν ηχητικά τόσο καλά όσο το "plutonium", "πλουτώνιο". Επέλεξε τα γράμματα "Pu" ως αστείο, τα οποία πέρασαν χωρίς προειδοποίηση στον περιοδικό πίνακα. Εναλλακτικές ονομάσιες δημιουργημένες από τον Σίμποργκ ήταν ουλτίμιο (ultimium) ή εξτρέμιο (extremium) λόγω της λανθασμένης πεποίθησης ότι βρήκαν το τελευταίο δυνατό χημικό στοιχείο στον περιοδικό πίνακα.

Πρώιμη Έρευνα

Η βασική χημεία του πλουτωνίου λίγους μήνες μετά την αρχική μελέτη έμοιαζε να έχει ομοιότητες με αυτήν του ουρανίου. Η πρωταρχική έρευνα συνεχίστηκε μυστικά στο μεταλλουργικό εργαστήριο του Πανεπιστημίου του Σικάγο. Στις 18 Αυγούστου του 1942 απομονώθηκαν και μετρήθηκαν για πρώτη φορά ίχνη πλουτωνίου. Περίπου 50 μg πλουτωνίου-239 παράχθηκαν αναμειγμένα με ουράνιο και άλλα προϊόντα σχάσης με αποτέλεσμα να απομονωθεί μόνο 1 μg καθαρού πλουτωνίου. Η διαδικασία αυτή επέτρεψε στους χημικούς να καθορίσουν τη σχετική ατομική μάζα του νέου στοιχείου.
Τον Νοέμβριο του 1943, δείγμα τριφθοριούχου πλουτωνίου υπέστη αναγωγή με αποτέλεσμα τη δημιουργία του πρώτου δείγματος μεταλλικού πλουτωνίου - μερικά μικρογραμμάρια μεταλλικές χάντρες - αρκετά όμως για να χαρακτηριστεί ως το πρώτο συνθετικό στοιχείο που έγινε ορατό με γυμνό μάτι.
Οι ραδιενεργές ιδιότητες του ²³⁹Pu μελετήθηκαν επίσης. Ερευνητές διαπίστωσαν ότι όταν χτυπηθεί από ένα νετρόνιο υφίσταται σχάση απελευθερώνοντας περισσότερα νετρόνια και ενέργεια. Αυτά τα νετρόνια μπορούν να συγκρουστούν με άλλα άτομα ²³⁹Pu και ούτω καθ' εξής σε μια, εκθετικού ρυθμού, ταχεία αλυσιδωτή αντίδραση. Αυτό μπορεί να οδηγήσει σε έκρηξη αρκετά μεγάλη για να καταστρέψει μια πόλη εάν υπάρχει αρκετό συγκεντρωμένο ισότοπο ούτως ώστε να σχηματίσει μία κρίσιμη μάζα.

Παραγωγή κατά τη διάρκεια του σχεδίου Μανχάταν

Κατά τη διάρκεια του Β΄ Παγκοσμίου Πολέμου η κυβέρνηση των Η.Π.Α. έθεσε σε εφαρμογή το Σχέδιο Μανχάταν, το οποίο είχε στόχο την ανάπτυξη ατομικής βόμβας. Οι τρεις βασικές περιοχές έρευνας και παραγωγής του Σχεδίου ήταν η εγκατάσταση παραγωγής πλουτωνίου εκεί που είναι τώρα η τοποθεσία Χάνφορντ, οι εγκαταστάσεις εμπλουτισμού ουρανίου στο Όακ Ριτζ και το Τενεσί, για τις έρευνες των όπλων σε ένα εργαστήριο σχεδιασμού γνωστό σήμερα ως Εθνικό Εργαστήριο του Λος Άλαμος.
Ο πρώτος αντιδραστήρας παραγωγής πλουτωνίου-239 ήταν ο Αντιδραστήρας γραφίτη X-10. Κατασκευάστηκε το 1943 σε μια εγκατάσταση στην Όακ Ριτζ (Oak Ridge) που αργότερα έγινε το Εθνικό Εργαστήριο Όακ Ριτζ.
Στις 5 Απριλίου 1944, ο Εμίλιο Τζίνο Σεγκρέ (Emilio Gino Segrè) στο Λος Άλαμος (Los Alamos) έλαβε το πρώτο δείγμα από αντιδραστήρα παραγωγής πλουτωνίου στο Όακ Ριτζ. Εντός δέκα ημερών, ο Σεγκρέ ανακάλυψε ότι o τροφοδοτούμενος με πλουτώνιο αντιδραστήρας είχε υψηλότερη συγκέντρωση στο ισότοπο πλουτώνιο-240 από το πλουτώνιο που παραγόταν από το κύκλοτρο. Το πλουτώνιο-240 έχει ρυθμό υψηλής αυθόρμητης σχάσης, αυξάνοντας το συνολικό επίπεδο του υποβάθρου νετρονίων του δείγματος πλουτωνίου. Ως αποτέλεσμα, η αρχική βόμβα πλουτωνίου 'τύπου όπλου' με το κωδικό όνομα "Thin Man" έπρεπε να εγκαταλειφθεί, καθώς ήταν πιθανή πρόωρη πυρηνική έκρηξη λόγω του αυξημένου πλήθους αυθόρμητων νετρονίων.
Η κατασκευή του Αντιδραστήρα Β του Hanford, του πρώτου βιομηχανικού μεγέθους πυρηνικού αντιδραστήρα για παραγωγικούς σκοπούς, ολοκληρώθηκε τον Μάρτιο του 1945. Ο Αντιδραστήρας Β παρήγαγε το σχάσιμο υλικό για τα όπλα πλουτωνίου που χρησιμοποιείτο κατα τη διάρκεια του Β' Παγκοσμίου Πολέμου.
Οι αντιδραστήρες Β, Γ και Δ ήταν οι αρχικοί αντιδραστήρες που ήταν χτισμένοι στο Hanford και έξι επιπλέον αντιδραστήρες παραγωγής πλουτωνίου χτίστηκαν αργότερα σε αυτόν το χώρο.
Το 2004, ένα χρηματοκιβώτιο ανακαλύφθηκε κατά τη διάρκεια των ανασκαφών μιας τάφρου ενταφιασμών στο πυρηνικό εργοστάσιο Hanford. Μέσα στο χρηματοκιβώτιο υπήρχαν διάφορα αντικείμενα, συμπεριλαμβανομένης και μιας μεγάλης γυάλινης φιάλης που περιείχε μέσα έναν υπόλευκο πολτό ο οποίος στη συνέχεια προσδιορίστηκε ως το παλαιότερο γνωστό στρατιωτικό δείγμα πλουτωνίου. Η ισοτοπική ανάλυση από το Νοτιότερο Εργαστήριο του Ειρηνικού ωκεανού ανάφερε ότι το πλουτώνιο στη φιάλη  παρασκευάστηκε από τον Αντιδραστήρα X-10 στο Όακ Ριτζ κατά τη διάρκεια του 1944.

Ατομικές βόμβες τύπου Trinity και «Fat Man»

Η πρώτη δοκιμή ατομικής βόμβας, με το κωδικό όνομα Trinity έγινε στις 16 Ιουλίου του 1945, κοντά στο Αλαμογκόρντο του Νέου Μεξικού και χρησιμοποιήθηκε πλουτώνιο ως σχάσιμο υλικό. Το σχέδιο κατάρρευσης του «Gadget», η κωδική ονομασία που δόθηκε στην Τριάδα, χρησιμοποιούσε συμβατικά εκρηκτικά-φακούς για να συμπιέσει μια σφαίρα πλουτωνίου σε υπερκρίσιμη μάζα, η οποία ταυτόχρονα ακτινοβολήθηκε με νετρόνια από το «Urchin», έναν εσωτερικό εκκινητή νετρονίων από πολώνιο και βηρύλλιο (πηγή νετρονίων: (α, n) αντίδραση). Μαζί, αυτά εξασφάλιζαν μια ανεξέλεγκτη αλυσιδωτή αντίδραση και την έκρηξη. Το όπλο, στο σύνολό του, ζύγιζε περίπου 4 τόνους, αν και χρησιμοποιούσε 6,2 kg πλουτωνίου στον πυρήνα του. Περίπου 20% του πλουτωνίου που χρησιμοποιήθηκε στο όπλο «Τριάδα» είχε σχασθεί με αποτέλεσμα έκρηξη ισοδύναμη με 20.000 τόνους TNT.
Πανομοιότυπος σχεδιασμός χρησιμοποιήθηκε στην ατομική βόμβα "Fat Man", η οποία εξερράγη στο Ναγκασάκι (Ιαπωνία) στις 9 Αυγούστου 1945, σκοτώνοντας 70.000 ανθρώπους και τραυματίζοντας άλλους 100.000. Η βόμβα «Little Boy» εξερράγη στη Χιροσίμα, 3 μέρες νωρίτερα, και εκεί χρησιμοποιήθηκε ουράνιο-235, όχι πλουτώνιο. Η Ιαπωνία παραδόθηκε στις 15 Αυγούστου και μόνο μετά την ανακοίνωση για τις πρώτες ατομικές βόμβες η παρουσία του πλουτωνίου έγινε γνωστή δημοσίως.

Χρήση και απόβλητα ψυχρού πολέμου

Μεγάλα αποθέματα πλουτωνίου δημιουργήθηκαν για στρατιωτική χρήση, τόσο από τη Σοβιετική Ένωση (Ε.Σ.Σ.Δ.) όσο και από τις Ηνωμένες Πολιτίες της Αμερικής κατά τη διάρκεια του Ψυχρού Πολέμου. Οι αντιδραστήρες των Η.Π.Α. στο Hanford και στη Περιοχή Σαβάνα Ρίβερ (Savannah River Site) στη Νότια Καρολίνα παρήγαγαν 103 τόνους, και περίπου 170 τόνοι πλουτωνίου βαθμού-όπλων παρήχθησαν στη Ρωσία. Κάθε χρόνο 20 τόνοι από το στοιχείο εξακολουθούν να παράγονται ως υποπροϊόν της βιομηχανίας πυρηνικής ενέργειας. Τουλάχιστον 1000 τόνοι πλουτώνιου ενδέχεται να υπάρχουν με περισσότερους από 200 από αυτούς, είτε να βρίσκονται μέσα σε πυρηνικά όπλα, είτε να έχουν αφαιρεθεί από αυτά. Η εκτίμηση του ινστιτούτου SIPRI για τα παγκόσμια αποθέματα πλουτωνίου το 2007 ήταν 500 τόνοι, εξίσου κατανεμημένοι μεταξύ στρατιωτικών και μη στρατιωτικών αποθεμάτων.
Από το τέλος του ψυχρού πολέμου, αυτά τα αποθέματα προκαλούν ανησυχία για την εξάπλωση πυρηνικών όπλων. Στις ΗΠΑ, μέρος του  πλουτωνίου από αποσυναρμολογημένα πυρηνικά όπλα τήχθηκε σε κυλινδικούς σχηματισμούς γυαλιού από οξείδιο του πλουτωνίου συνολικά δύο τόνων. Tο γυαλί αποτελείται από τα βοροπυριτικά που αναμιγνύονται με το κάδμιο και το γαδολίνιο. Το γυαλί αυτό προγραμματίστηκε να εγκιβωτιστεί σε ανοξείδωτο χάλυβα και να αποθηκευτεί τουλάχιστον 4 χιλιόμετρα υπογείως μέσα σε οπές που θα καλυφτούν στην συνέχεια με σκυρόδεμα. Από το 2008, το μόνο κέντρο στις Η.Π.Α. που είχε προγραμματιστεί για την αποθήκευση του πλουτωνίου ήταν η αποθήκη πυρηνικών αποβλήτων στα βουνά Yucca, η οποία είναι 160 χλμ βορειοανατολικά του Λας Βέγκας, στη Νεβάδα. Οι τοπικές και κρατικές αντιθέσεις σε αυτό το σχέδιο καθυστέρησαν τις προσπάθειες για την αποθήκευση πυρηνικών αποβλήτων στο βουνό Yucca. Το Μάρτιο του 2010, το Τμήμα Ενέργειας απέσυρε την αίτηση αδειών του για την αποθήκη στα βουνά Yucca και διέκοψε την χρηματοδότηση του Γραφείου Πολιτικής Διαχείρισης Ραδιενεργών Αποβλήτων, το οποίο είχε διαχειριστεί την περιοχή βουνών Yucca για 25 έτη.

Ιατρικοί πειραματισμοί

Κατά τη διάρκεια και μετά το τέλος του Δεύτερου Παγκόσμιου Πολέμου, οι επιστήμονες που συμμετείχαν στο Πρόγραμμα Μανχάταν και άλλα ερευνητικά προγράμματα πυρηνικών όπλων, διεξήγαγαν έρευνες για τα αποτελέσματα του πλουτώνιου σε εργαστηριακά ζώα και ανθρώπους. Μελέτες σε ζώα έδειξαν ότι η θανατηφόρος δόση είναι μερικά mg πλουτωνίου ανά χιλιόγραμμο ιστού.
Στην περίπτωση ανθρώπων, τα πειράματα περιλάμβαναν ένεση διαλύματος που περιείχε (συνήθως) 5μg πλουτωνίου σε ασθενείς με ανίατες ασθένειες ή ασθενείς που είχαν προσδόκιμο ζωής μικρότερο των 10 ετών, είτε λόγω ηλικίας, είτε λόγω χρόνιων ασθενειών. Η δόση αυτή μειώθηκε στο 1μg τον Ιούλιο του 1945 μετά τις μελέτες σε ζώα που έδειξαν ότι ο τρόπος που το πλουτώνιο κατανέμεται στα οστά είναι πιο επικίνδυνος από τον τρόπο που κατανέμεται το ράδιο.
Σε 18 άτομα έγινε ένεση με πλουτώνιο χωρίς την συναίνεσή τους. Τα πειράματα χρησιμοποιήθηκαν για τον προσδιορισμό των πρότυπων ασφαλείας κατά τον χειρισμό πλουτωνίου.
Τα περιστατικά αυτά πλέον θεωρούνται σοβαρή παραβίαση της ιατρικής δεοντολογίας και του όρκου του Ιπποκράτη. Λιγότερο επικριτικοί σχολιαστές σημείωσαν ότι, παρά την παραβίαση ηθικής και εμπιστοσύνης, "τα αποτελέσματα των ενέσεων πλουτωνίου δεν προκάλεσαν τόση ζημιά στους ασθενείς όση αρχικά υποστήριζαν τα νέα, ούτε ήταν τόσο σημαντικά όσο υποστήριζαν πολλοί επιστήμονες τότε και τώρα."

Φυσικά χαρακτηριστικά

Το πλουτώνιο, όπως και άλλα πολλά μέταλλα, έχει ασημένια εμφάνιση σαν το νικέλιο, αλλά οξειδώνεται πολύ γρήγορα, δημιουργώντας γκρίζο, κίτρινο, ή πράσινο στο χρώμα της ελιάς οξείδιο. Σε θερμοκρασία δωματίου το πλουτώνιο είναι στην α-μορφή που είναι και η πιο κοινή δομική μορφή του στοιχείου. Η α-μορφή είναι τόσο εύθρυπτη, όσο και ο γκρίζος χυτοσίδηρος, εκτός κι αν είναι κράμα με άλλα μέταλλα οπότε γίνεται μαλακή και όλκιμη. Σε αντίθεση με άλλα μέταλλα, το πλουτώνιο, δεν είναι καλός αγωγός του ηλεκτρισμού και της θερμότητας. Έχει χαμηλό σημείο τήξης (640 °C), και ασυνήθιστα υψηλό σημείο βρασμού (3327 °C).
Η εκπομπή σωματιδίων α, που είναι υψηλής ενέργειας πυρήνες ηλίου, είναι η πιο γνωστή μορφή ακτινοβολίας που εκπέμπεται από το πλουτώνιο. Ένας τυπικός πυρήνας πυρηνικού όπλου 5 Kg περιέχει 12,5 × 10²⁴ άτομα. Με χρόνο ημιζωής 24.100 χρόνια, περίπου 11,5 × 10¹² από τα άτομά του διασπώνται κάθε δευτερόλεπτο εκπέμποντας σωματίδια-α των 5,157 MeV. Η θερμότητα που παράγεται με την επιβράδυνση α - σωματιδίων, κάνει το Pu ζεστό στην αφή.
Η ειδική ηλεκτρική αντίσταση είναι ένα μέτρο του πόσο έντονα ένα υλικό αντιστέκεται στη ροή του ηλεκτρικού ρεύματος. Η ειδική ηλεκτρική αντίσταση του πλουτωνίου σε θερμοκρασία δωματίου είναι πολύ μεγάλη για ένα μέταλλο, και γίνεται όλο και πιο μεγάλη σε χαμηλότερες θερμοκρασίες, σε αντίθεση με τα άλλα μέταλλα. Η τάση αυτή συνεχίζεται μέχρι τους 100 Κ κάτω από τους οποίους, η αντίσταση μειώνεται γρήγορα για πρόσφατες ποσότητες πλουτωνίου. Μετά, στους 20 K περίπου, η αντίσταση αρχίζει να αυξάνεται με τον χρόνο πράγμα που  οφείλεται στις απώλειες μάζας που δημιουργεί η ακτινοβόληση. Αυτή η αύξηση της αντίστασης,   εξαρτάται από την ισοτοπική σύσταση του μελετούμενου δείγματος.
Λόγω της εκπομπής ακτινοβολίας, καταστρέφεται το κρυσταλλικό πλέγμα του πλουτωνίου, δηλαδή διαταράσσεται η κανονική διάταξη των ατόμων του με το χρόνο. Ωστόσο, η ραδιοεκπομπή μπορεί να οδηγήσει επίσης σε ανόπτηση που εξουδετερώνει κάποιες από τις επιπτώσεις καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται πάνω από τους 100 Κ.
Σε αντίθεση με άλλα υλικά, το πλουτώνιο "αυξάνει" την πυκνότητά του όταν τήκεται, κατά 2,5 %, αλλά το υγρό μέταλλο δείχνει μία γραμμική μείωση της πυκνότητας με την θερμοκρασία. Κοντά στο σημείο τήξης του, το πλουτώνιο έχει επίσης πολύ μεγάλο ιξώδες και επιφανειακή τάση σε σύγκριση με άλλα μέταλλα.

Αλλοτροπικές μορφές

Το πλουτώνιο κανονικά έχει έξι αλλοτροπικές μορφές και διαθέτει άλλη μια έβδομη, τη ζήτα, ζ, σε υψηλή θερμοκρασία και περιορισμένο εύρος πιέσεων. Αυτές οι αλλοτροπικές μορφές έχουν  παρόμοιες εσωτερικές ενέργειες, αλλά διαφέρουν σημαντικά οι πυκνότητες και τα κρυσταλλικά πλέγματά τους. Αυτό κάνει το πλουτώνιο πολύ ευαίσθητο σε μεταβολές θερμοκρασίας, πίεσης και χημικής κατάστασης, και μπορούν να συμβούν μεγάλες αλλαγές στον όγκο του κατά τη μετάβαση από τη μία αλλοτροπική μορφή στην άλλη. Οι διαλυτότητες των διαφόρων αλλοτρόπων κυμαίνονται από 16.00 g/cm³ έως 19.86 g/cm³.
Η παρουσία των αλλοτροπικών μορφών καθιστά τη μηχανική κατεργασία του πλουτωνίου πολύ δύσκολη, δεδομένου ότι αλλάζει κατάσταση πολύ εύκολα. Για παράδειγμα, η α-μορφή υπάρχει σε θερμοκρασία δωματίου από καθαρό πλουτώνιο. Έχει παρόμοια μηχανικά χαρακτηριστικά με το χυτοσίδηρο, όμως αλλάζει στην πλαστική και ελατή β-μορφή  σε ελαφρά υψηλότερες θερμοκρασίες. Οι λόγοι για την πολύπλοκη φάση του διπλανού διαγράμματος δεν είναι πλήρως κατανοητοί. Η α-μορφή έχει μονοκλινή συμμετρία στην οποία οφείλεται και η ευθραυστότητα, ο εφελκυσμός, η συμπιεστότητα και η μικρή αγωγιμότητα.
Η δ-μορφή του πλουτωνίου εμφανίζεται κανονικά από τους 310 °C έως τους 452 °C αλλά είναι σταθερή και σε θερμοκρασία δωματίου όταν είναι σε κράμα με μικρό ποσοστό γαλλίου, αργιλίου ή δημητρίου. Διευκολύνεται έτσι η μηχανική κατεργασία των κραμάτων αυτών και ενισχύονται οι συγκολλητικές τους ιδιότητες. Η δ-μορφή έχει περισσότερο τυπικό μεταλλικό χαρακτήρα, και είναι ανθεκτική και ελατή, όπως το αλουμίνιο. Σε πυρηνικά όπλα σχάσης, το ωστικό κύμα των εκρηκτικών χρησιμοποιείται για τη συμπίεση του πυρήνα πλουτωνίου, που θα προκαλέσει επίσης μετάβαση από τη συνηθισμένη δ-μορφή, στην πυκνότερη α-μορφή, συμβάλλοντας σημαντικά στην επίτευξη κρίσιμης μάζας που είναι απαραίτητη για την έναρξη της σχάσης και την έκρηξη του όπλου. Η ε-μορφή, που είναι στερεή μορφή υψηλής θερμοκρασίας,  παρουσιάζει ανωμαλία υψηλής ατομικής αυτο-διάχισης σε σχέση με άλλα στοιχεία.

Πυρηνική σχάση

Το πλουτώνιο είναι ραδιενεργό μέταλλο των ακτινίδων και το ισότοπο ²³⁹Pu, είναι ένα από τα τρία βασικότερα σχάσιμα ισότοπα  (το ουράνιο-233 και το ουράνιο-235 είναι τα άλλα δύο) Το ²⁴¹Pu είναι κι αυτό εξαιρετικά σχάσιμο. Για να θεωρηθεί σχάσιμο ένα ισότοπο πρέπει ο πυρήνας του να είναι σε θέση να διασπαστεί ή να υποστεί σχάση όταν χτυπηθεί από βραδέως κινούμενο νετρόνιο, απελευθερώνοντας έτσι αρκετά επιπλέον νετρόνια και συντηρώντας την πυρηνική αλυσιδωτή αντίδραση.
Το πλουτώνιο-239 έχει πολλαπλασιαστικό παράγοντα (k) μεγαλύτερο από ένα, πράγμα που σημαίνει ότι αν συγκεντρωθεί επαρκής ποσότητα του μετάλλου και με την κατάλληλη γεωμετρία (π.χ. μία συμπιεσμένη σφαίρα), μπορεί να αποτελέσει κρίσιμη μάζα. Κατά τη διάρκεια της σχάσης, ένα μέρος της ενέργειας σύνδεσης, η οποία συγκρατεί τον πυρήνα συμπαγή, απελευθερώνεται με τη μορφή μεγάλης ποσότητας θερμικής, ηλεκτρομαγνητικής και κινητικής ενέργειας: ένα κιλό πλουτωνίου-239, μπορεί να παράγει έκρηξη ισοδύναμη με 20.000 τόνους TNT. Αυτή είναι η ενέργεια που κάνει το πλουτώνιο-239 χρήσιμο για πυρηνικά όπλα και πυρηνικούς αντιδραστήρες.
Η παρουσία του ισοτόπου ²⁴⁰Pu σε ένα δείγμα, περιορίζει τις δυνατότητες της πυρηνικής βόμβας διότι αυτό έχει ένα σχετικά υψηλό ποσοστό αυθόρμητης σχάσης (~ 440 διασπάσεις ανά δευτερόλεπτο και ανά γραμμάριο, δηλαδή πάνω από 1000 νετρόνια ανά δευτερόλεπτο και ανά γραμμάριο), αυξάνοντας έτσι τον κίνδυνο πρόωρης έκρηξης. Το πλουτώνιο χαρακτηρίζεται ως "βαθμού" όπλων, καυσίμων ή αντιδραστήρα με βάση το ποσοστό πλουτωνίου-240 που περιέχει. Τα όπλα πλουτωνίου περιέχουν λιγότερο από 7 % πλουτώνιο-240. Το πλουτώνιο που προορίζεται για καύσιμο περιέχει από 7 % έως λιγότερο από 19 % πλουτώνιο-240 και το πλουτώνιο των αντιδραστήρων περιέχει 19 % ή περισσότερο πλουτώνιο-240. Το εμπλουτισμένο πλουτώνιο-239 όταν περιέχει λιγότερο από 4 % πλουτώνιο-240, χρησιμοποιείται στα όπλα του αμερικάνικου ναυτικού που προορίζονται για αποθήκευση, στα πλοία και στα υποβρύχια επειδή είναι λιγότερο ραδιενεργό. Το ισότοπο ²³⁸Pu δεν είναι σχάσιμο, αλλά μπορεί να υποστεί πυρηνική σχάση εύκολα με ταχέως κινούμενα νετρόνια, αλλά και α-διάσπαση.

Ηλεκτρονική διαμόρφωση: τα πέντε ηλεκτρόνια της στοιβάδας F

Η ανώμαλη συμπεριφορά του πλουτωνίου προκαλείται από την ηλεκτρονική δομή του. Η διαφορά της ενέργειας μεταξύ των τροχιακών 6d και 5f είναι πολύ μικρή. Η εγγύτητα των επιπέδων ενέργειας οδηγεί σε πολλές διαμορφώσεις ηλεκτρονίων χαμηλής ενέργειας με σχεδόν ίσα επίπεδα ενέργειας. Αυτό οδηγεί σε ανταγωνισμό των διαμορφώσεων 5fⁿ7s² και 5fⁿ⁻¹6d¹7s², στις οποίες οφείλεται η ιδιαιτερότητα της χημικής συμπεριφοράς του πλουτωνίου. Ο προσανατολισμός των 5f τροχιακών είναι υπεύθυνος για τους χημικούς δεσμούς στα μόρια και στα σύμπλοκα που περιέχουν πλουτώνιο.

Φυσική αφθονία

Ιχνοποσότητες τουλάχιστον τριών ισοτόπων του πλουτωνίου (²³⁸Pu, ²³⁹Pu, ²⁴⁴Pu) υπάρχουν στην φύση. Ίχνη ²³⁹Pu, μερικά ppt (μέρη ανά τρισεκατομμύριο), και τα προϊόντα διάσπασής του βρίσκονται σε κάποια ορυκτά του ουρανίου, όπως στον φυσικό πυρηνικό αντιδραστήρα στην περιοχή Oklo της Γκαμπόν. Οι ιχνοποσότητες αυτές του ²³⁹Pu προέρχονται από την εξής διαδικασία: Σε σπάνιες περιπτώσεις το ²³⁸U σχάζεται αυθόρμητα, και εκπέμπονται ένα με δύο νετρόνια. Όταν ένας άλλος πυρήνας ²³⁸U συλλάβει ένα νετρόνιο μετατρέπεται στο βραχύβιο ²³⁹U, το οποίο διασπάται σε ποσειδώνιο-239 (²³⁹Np), και στην συνέχεια το ²³⁹Np διασπάται σε ²³⁹Pu.
Εφόσον το σχετικά μακρόβιο ²⁴⁰Pu υπάρχει στην ραδιενεργό σειρά διάσπασης του πλουτωνίου-244 θα έπρεπε να υπάρχει και αυτό, αν και 10,000 φορές σπανιότερο. Τέλος, εξαιρετικά μικρές ποσότητες ²³⁸Pu, που οφείλονται στην σπανιότατη διπλή βήτα διάσπαση του ²³⁸U, έχουν ανιχνευτεί σε φυσικά δείγματα ουρανίου.
Ιχνοποσότητες πλουτωνίου συνήθως ανιχνεύονται στο ανθρώπινο σώμα λόγω των 550 ατμοσφαιρικών και υποβρύχιων πυρηνικών δοκιμών, καθώς και των κύριων πυρηνικών ατυχημάτων. Οι περισσότερες ατμοσφαιρικές και υποβρύχιες πυρηνικές δοκιμές έχουν σταματήσει από την Limited Test Ban Treaty το 1963, η οποία υπογράφτηκε από τις USA, Ηνωμένο Βασίλειο, Σοβιετική Ένωση και άλλες χώρες. Ατμοσφαιρικές πυρηνικές δοκιμές συνεχίστηκαν και μετά το 1963 από χώρες που δεν υπέγραψαν την συνθήκη συμπεριλαμβανομένου της Κίνας (πυρηνική δοκιμή ατομικής βόμβας στην έρημο Gobi το 1964, βόμβας υδρογόνου το 1967, και μετέπειτα δοκιμές), και της Γαλλίας (δοκιμές μέχρι και την δεκαετία του 90). Λόγω του ότι εσκεμμένα παρασκευάζεται για πυρηνικά όπλα και πυρηνικούς αντιδραστήρες, το ²³⁹Pu είναι το πιο άφθονο ισότοπο του πλουτωνίου.

Πυρηνικά όπλα

Το ισότοπο Pu-239 είναι βασικό σχάσιμο υλικό στα πυρηνικά όπλα λόγω της ευκολίας σχάσης του και της διαθεσιμότητάς του. Περιβάλλοντας (προαιρετικά) την σφαίρα του πλουτωνίου με ένα στρώμα πυκνού υλικού μειώνεται η κρίσιμη μάζα του πλουτωνίου (λόγω της ανάκλασης μέρους των νετρονίων που θα διέφευγαν από την σφαίρα) από τα 16 kg στα 10 kg, το οποίο αντιστοιχεί σε σφαίρα με διάμετρο περίπου 10 cm. Η κρίσιμη μάζα αυτή είναι περίπου το ένα τρίτο της αντίστοιχης του U-235.
Οι βόμβες πλουτωνίου τύπου Fat Man που κατασκευάστηκαν κατά την διάρκεια του προγράμματος Μανχάταν έκαναν χρήση εκρηκτικής συμπίεσης του πλουτωνίου, ώστε να πετύχουν σημαντικά υψηλότερες πυκνότητες των κανονικών, συνδυασμένης με κεντρική πηγή νετρονίων για την εκκίνηση της αντίδρασης και την αύξηση της απόδοσης. Επομένως, μόνο 6,2 kg πλουτωνίου χρειάστηκαν για πυρηνική έκρηξη ισοδύναμη με 20 κιλοτόνους TNT. Θεωρητικά, 4 kg ή και λιγότερα θα ήταν αρκετά για την κατασκευή μιας ατομικής βόμβας με την χρήση πολύ εξελιγμένου  σχεδιασμού συναρμολόγησης.

Μικτά καύσιμα οξειδίων

Τα χρησιμοποιημένα πυρηνικά καύσιμα από τους κανονικούς αντιδραστήρες ελαφρού ύδατος περιέχουν πλουτώνιο, αλλά είναι ένα μίγμα πλουτωνίου-242, 240, 239 και 238. Το μίγμα δεν είναι αρκετά εμπλουτισμένο για αποδοτικά πυρηνικά όπλα, αλλά μπορεί να χρησιμοποιηθεί μια φορά σε καύσιμα MOX (Mixed Oxide Fuel). Τυχαίες συλλήψεις νετρονίων αυξάνουν τα ποσά των ²⁴²Pu και ²⁴⁰Pu κάθε φορά που το πλουτώνιο ακτινοβολείται σε έναν αντιδραστήρα με θερμικά νετρόνια, έτσι ώστε μετά από το δεύτερο κύκλο, το πλουτώνιο μπορεί να καταναλωθεί μόνο από αντιδραστήρες ταχέων νετρονίων. Αν αντιδραστήρες ταχέων νετρονίων δεν είναι διαθέσιμοι (η συνήθης περίπτωση), το πλουτώνιο που περισσεύει απορρίπτεται συνήθως, και αποτελεί το μακροβιότερο συστατικό των πυρηνικών αποβλήτων. Η επιθυμία να καταναλωθεί αυτό το πλουτώνιο, αλλά και άλλα υπερουράνια καύσιμα, και να μειωθεί η ραδιοτοξικότητα των αποβλήτων είναι ο συνηθισμένος λόγος που παραθέτουν οι πυρηνικοί μηχανικοί για την κατασκευή αντιδραστήρων ταχέων νετρονίων.
Στην πιο κοινή χημική διαδικασία, PUREX, επανεπεξεργάζονται τα χρησιμοποιημένα πυρηνικά καύσιμα για την εξαγωγή πλουτωνίου και ουρανίου που μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως καύσιμα αναμιγμένου οξειδίου (MOX) σε πυρηνικούς αντιδραστήρες. Πλουτώνιο βαθμού όπλων μπορεί να προστεθεί στο μείγμα καυσίμου. Το καύσιμο ΜΟΧ χρησιμοποιείται σε αντιδραστήρες ελαφρού ύδατος και αποτελείται από 60 kg πλουτωνίου ανά τόνο καυσίμου. Μετά από τέσσερα έτη, τρία τέταρτα του πλουτωνίου έχουν καεί (μετατραπεί σε άλλα στοιχεία).

Πηγή ενέργειας και θερμότητας

Το ισότοπο ²³⁸Pu έχει ημιζωή 87.74 ετών. Εκπέμπει μεγάλα ποσά θερμικής ενέργειας με χαμηλά επίπεδα ακτίνων γάμμα/σωματιδίων και αυθόρμητων νετρονίων. Λόγω του ότι είναι εκπομπός ακτίνων άλφα, συνδυάζει την υψηλής ενέργειας ακτινοβολία με τη χαμηλή διείσδυση και γι' αυτό απαιτεί ελάχιστη θωράκιση. Ένα φύλλο χαρτί μπορεί να σταματήσει τα σωματίδια-α που εκπέμπονται από το ²³⁸Pu. Ένα χιλιόγραμμο του ισοτόπου παράγει περίπου 570 Watt θερμικής ενέργειας.
Αυτά τα χαρακτηριστικά το καθιστούν κατάλληλο για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας σε συσκευές που πρέπει να λειτουργήσουν χωρίς άμεση συντήρηση για χρονικά διαστήματα που προσεγγίζουν την διάρκεια μιας ανθρώπινης ζωής. Επομένως χρησιμοποιείται σε θερμοηλεκτρικές γεννήτριες ραδιοϊσοτόπου και μονάδες θέρμανσης ραδιοϊσοτόπου όπως εκείνα στις διαστημικές αποστολές Cassini, Voyager και New Horizons.
Τα δύο διαστημικά σκάφη Voyager που εκτοξεύτηκαν το 1977, περιείχαν το καθένα πηγή θέρμανσης πλουτωνίου 500 Watt. Περισσότερο από 30 χρόνια αργότερα κάθε πηγή συνεχίζει να παράγει 300 Watt περίπου, επιτρέποντας την περιορισμένη λειτουργία του κάθε διαστημικού σκάφους.
Το ²³⁸Pu έχει επίσης χρησιμοποιηθεί επιτυχώς για να τροφοδοτήσει τεχνητούς βηματοδότες, ώστε να μειωθεί ο κίνδυνος επαναλαμβανόμενης χειρουργικής επέμβασης. Έχει αντικατασταθεί κατά ένα μεγάλο μέρος από μη επαναφορτιζόμενες μπαταρίες λιθίου, αλλά από το 2003 εμφυτεύθηκαν περίπου 50 με 100 βηματοδότες τροφοδοτούμενοι με πλουτώνιο, οι οποίοι λειτουργούν ακόμα στους ζωντανούς ασθενείς. Το ²³⁸Pu μελετήθηκε ως συμπληρωματική πηγή θερμότητας στην κατάδυση με σκάφανδρο. ²³⁸Pu αναμιγμένο με βηρύλλιο χρησιμοποιείται για να παράγει νετρόνια για ερευνητικούς λόγους.

Tοξικότητα

Τα ισότοπα και οι ενώσεις του πλουτώνιου είναι ραδιενεργά και συσσωρεύονται στον μυελό των οστών. Μόλυνση από το οξείδιο του πλουτωνίου έχει προκύψει από διάφορες πυρηνικές καταστροφές και ραδιενεργά ατυχήματα συμπεριλαμβανομένων των στρατιωτικών πυρηνικών ατυχημάτων όπου τα πυρηνικά όπλα είχαν καεί.
Μελέτες των αποτελεσμάτων από τις ανωτέρω περιορισμένες μολύνσεις, καθώς και των εκτεταμένων θανάτων και δηλητηριάσεων από ακτινοβολία που ακολούθησαν την ρήψη των πυρηνικών βομβών στην Χιροσίμα και στο Ναγκασάκι, έχουν παράσχει σημαντικές πληροφορίες για τους κινδύνους, τα συμπτώματα και την πρόγνωση της δηλητηρίασης από ακτινοβολία (αν και στην περίπτωση των Ιαπώνων επιζώντων σχετίζονται ελάχιστα με την άμεση έκθεση σε πλουτώνιο).
Κατά την διάσπαση του πλουτωνίου, τρεις τύποι ακτινοβολίας εκπέμπονται: α,β και γ. Η ακτινοβολία-α διανύει μικρή απόσταση και δεν διαπερνάει το εξωτερικό μέρος του ανθρώπινου δέρματος, που αποτελείται από νεκρά κύτταρα. Η ακτινοβολία-β μπορεί να διαπεράσει το δέρμα, αλλά δεν μπορεί να διεισδύσει βαθιά στο ανθρώπινο σώμα. Η ακτινοβολία-γ μπορεί να διεισδύσει βαθιά. Και οι τρεις αυτές ακτινοβολίες είναι ιονίζουσες. Είτε οξεία είτε μακροπρόθεσμη έκθεση σε αυτές προκαλεί σοβαρό κίνδυνο για την υγεία συμπεριλαμβανομένου δηλητηρίασης από ακτινοβολία, γενετικών βλαβών, καρκίνου, και θάνατο. Ο κίνδυνος αυξάνει με την αύξηση της έκθεσης.
Αν και η ακτινοβολία-α δεν μπορεί να διαπεράσει το δέρμα, όταν πλουτώνιο εισπνέεται ή καταπίνεται, ακτινοβολούνται τα εσωτερικά όργανα. Ο σκελετός, όπου το πλουτώνιο απορροφάται, και το συκώτι, όπου μαζεύεται και συγκεντρώνεται, κινδυνεύουν. Το πλουτώνιο δεν απορροφάται αποτελεσματικά όταν καταπίνεται, μόνο το 0,04% του οξειδίου του πλουτωνίου απορροφάται κατά την κατάποση. Πλουτώνιο που έχει απορροφηθεί από το σώμα, αποβάλλεται πολύ αργά, με βιολογική ημιζωή 200 ετών.
Το πλουτώνιο διαπερνά ελάχιστα τις κυτταρικές μεμβράνες και τα γαστρεντερικά τοιχώματα, επομένως η απορρόφηση μέσω κατάποσης και η ενσωμάτωσή του στα οστά προχωράει πολύ αργά.
Το πλουτώνιο είναι πιο επικίνδυνο όταν εισπνέεται, παρά όταν καταπίνεται. Ο κίνδυνος για καρκίνο των πνευμόνων αυξάνει μόλις η ισοδύναμη δόση του εισπνεόμενου πλουτωνίου υπερβεί τα 400 mSv. Το Υπουργείο Ενέργειας των ΗΠΑ εκτιμά πως η πιθανότητα καρκίνου των πνευμόνων από την εισπνοή 5.000 σωματιδίων πλουτωνίου, διαμέτρου 3μm το καθένα, είναι κατά 1% πάνω από τον μέσο όρο του υποβάθρου. Η κατάποση ή η εισπνοή μεγάλων ποσοτήτων μπορεί να προκαλέσει δηλητηρίαση από ακτινοβολία και θάνατο. Δεν έχει ωστόσο καταγραφεί περιστατικό θανάτου από κατάποση ή εισπνοή πλουτωνίου, και πολλοί άνθρωποι έχουν μετρήσιμες ποσότητες πλουτωνίου στο αίμα τους.
Αρκετές πληθυσμιακές ομάδες που εκτέθηκαν σε σκόνη πλουτωνίου (πχ. άνθρωποι που εκτέθηκαν σε ανέμους της ερήμου Νεβάδας μετά τις πυρηνικές δοκιμές, οι επιζώντες του Ναγκασάκι, εργάτες σε πυρηνικές εγκαταστάσεις, και ασθενείς στους οποίους έγιναν πειράματα με ενέσεις Pu το 1945-1946) έχουν μελετηθεί προσεκτικά. Αυτές οι μελέτες γενικά δεν δείχνουν εξαιρετικά μεγάλη τοξικότητα του πλουτωνίου ή αυξημένους καρκίνους, πχ. ο Albert Stevens έφτασε σε μεγάλη ηλικία παρά την ένεση Pu.
Υπήρξαν περίπου 25 εργάτες στο εργαστήριο του Los Alamos που εισέπνευσαν σημαντικές ποσότητες σκόνης πλουτωνίου κατά το 1940. Σύμφωνα με την θεωρία του "καυτού σωματιδίου", καθένας από αυτούς είχε 99,5% πιθανότητα να είναι νεκρός μέχρι τώρα από καρκίνο των πνευμόνων, αλλά δεν υπήρξε ούτε μία περίπτωση καρκίνου των πνευμόνων σε αυτούς.
Το πλουτώνιο έχει μεταλλική γεύση.

Πιθανότητα κρισιμότητας

Εκτός της τοξικότητας, πρέπει να ληφθούν μέτρα για να την αποφυγή συσσώρευσης ποσότητας πλουτωνίου που πλησιάζει την κρίσιμη μάζα, μια και η απαιτούμενη ποσότητα είναι μόνο ένα τρίτο από αυτή του ουρανίου-235. Μια κρίσιμη μάζα πλουτωνίου εκπέμπει θανατηφόρα ποσά νετρονίων και ακτίνων γάμμα. Το πλουτώνιο σε διάλυμα είναι πιο πιθανό να σχηματίσει κρίσιμη μάζα από ό,τι σε στερεά μορφή, λόγω του ότι το υδρογόνο του νερού δρα ως επιβραδυντής νετρονίων.
Ατυχήματα κρίσιμης μάζας έχουν συμβεί στο παρελθόν, μερικά απ' αυτά με θανατηφόρες συνέπειες. Ο απρόσεκτος χειρισμός των τούβλων καρβιδίου του βολφραμίου γύρω από μια σφαίρα πλουτωνίου 6,2 kg οδήγησε σε μια μοιραία δόση ακτινοβολίας στο Λος Άλαμος στις 21 Αυγούστου 1945, όταν ο επιστήμονας Χάρι Κ. Ντάλιαν (Harry K. Daghlian) ο νεώτερος, έλαβε δόση που υπολογίστηκε να είναι 5,1 Sievert (510 rems) και πέθανε 28 ημέρες αργότερα. Εννέα μήνες αργότερα, ένας άλλος επιστήμονας του Λος Άλαμος, ο Λούις Σλότιν (Louis Slotin), πέθανε από ένα παρόμοιο ατύχημα που περιλάμβανε έναν ανακλαστήρα βηρυλλίου και τον ίδιο πυρήνα πλουτωνίου (τον αποκαλούμενο "πυρήνα του δαίμονα") που στοίχισε τη ζωή στον Ντάλιαν. Αυτά τα γεγονότα παρουσιάστηκαν στη ταινία του "Fat Man" και του "Little Boy" το 1989.
Τον Δεκέμβριο του 1958, κατά τη διάρκεια μιας διαδικασίας με το πλουτώνιο στο Λος Άλαμος, σχηματίστηκε κρίσιμη μάζα σε ένα δοχείο ανάμιξης, η οποία οδήγησε στο θάνατο ενός χημικού χειριστή με το όνομα Cecil Kelley. Άλλα πυρηνικά ατυχήματα έχουν συμβεί στη Σοβιετική Ένωση, την Ιαπωνία, τις Ηνωμένες Πολιτείες και πολλές άλλες χώρες.

Ευφλεκτότητα

Το μεταλλικό πλουτώνιο αποτελεί παράγοντα κινδύνου πυρκαγιάς, ειδικά εάν το υλικό βρίσκεται σε λεπτό διαμερισμό. Σε υγρό περιβάλλον το πλουτώνιο σχηματίζει υδρίδια στην επιφάνειά του, τα οποία είναι αυτοαναφλέξιμα και μπορούν να αναφλεγούν στον αέρα σε θερμοκρασία δωματίου. Το πλουτώνιο αυξάνει μέχρι 70% τον όγκο του καθώς οξειδώνεται και μπορεί έτσι να σπάσει το δοχείο του. Η ραδιενέργεια του καιόμενου υλικού είναι ένας πρόσθετος κίνδυνος. Άμμος οξειδίων μαγνησίου είναι πιθανώς το αποτελεσματικότερο υλικό για την εξάλειψη μιας πυρκαγιάς πλουτωνίου. Ψύχει το καιόμενο υλικό και μπλοκάρει 
το οξυγόνο. Ειδικές προφυλάξεις είναι απαραίτητες για να αποθηκευτεί ή να χειριστεί πλουτώνιο οποιασδήποτε μορφής. Γενικά, απαιτείται ξηρή ατμόσφαιρα αδρανούς αερίου.