Plutonium

Fysikaaliset ominaisuudet

Plutonium on melko poikkeuksellinen alkuaine. Plutoniumilla on seitsemän eri allotrooppista muotoa, joista kuusi esiintyy normaalissa paineessa, mutta eri lämpötiloissa, ja seitsemäs korkeissa paineissa. Allotrooppisten muotojen energiatasot ovat melko samanlaiset, mutta niiden tiheydet poikkeavat suurimmillaan jopa 25 %. Tiheyksien poikkeamat tekevät plutoniumin herkäksi lämpötilan, paineen sekä kemiallisen ympäristön muutoksille. Gallium stabiloi plutoniumin delta-allotropiaan. Puhtaana metallina plutonium on hopeinen, mutta tummenee keltaisemmaksi ja haurastuu hapettuessaan. Plutoniumin alfasäteily tekee sen kuumaksi koskettaa, ja suurella kappaleella plutoniumia voidaan kiehauttaa vettä, jos kappale sisältää riittävästi ²³⁸Pu tai muuta nopeasti hajoavaa isotooppia.
Plutoniumin sulamispiste on matala, noin 640 °C, ja kiehumispiste noin 3 230 °C. Plutoniumin jähmettyessä sen tilavuus kasvaa, mikä on harvinaista. Plutonium reagoi ilman kanssa, jolloin syntyy plutoniumdioksidia, jonka sulamispiste on noin 2 400 °C. Plutonium on paramagneettinen ja voi toimia johtimena. Plutoniumin metallisäde on uraania ja neptuniumia lukuun ottamatta muihin aktinoideihin verrattuna pieni, minkä takia sen metallisidoksissa on vähemmän elektroneja. Plutoniumin viskositeetti ja pintajännitys ovat hyvin korkeita.

Kemialliset ominaisuudet

Plutonium kuuluu sekä aktinoideihin että transuraaneihin. Plutonium on erittäin reaktiivista, ja se on elektropositiivista. Plutoniumilla on useita hapetusasteita: +III, +IV, +V, +VI sekä +VII. Näistä yleisimpiä ovat +IV sekä +III. +VII voidaan saavuttaa vain erittäin hapettavissa olosuhteissa. Plutonium reagoi ilman hapen kanssa hapettuen plutoniumoksidiksi tai plutoniumdioksidiksi. Plutonium liukenee runsaasti väkevään suolahappoon, vetyjodidiin ja perkloorihappoon muodostaen Pu³⁺-ionin. Rikkihappoon se ei sen sijaan liukene, vaan passivoituu. Plutonium reagoi monien epämetallien kanssa, erityisesti kuumennettaessa, mutta ei reagoi emästen kanssa. Plutonium voi syttyä itsestään kuumassa lämpötilassa.
Plutoniumin elektronikonfiguraatio on 5f⁶ 7s². Tämän energia on hyvin lähellä 5f⁵ 7s² 6d¹ konfiguraation energiaa. Kumpikin konfiguraatio on mahdollinen, ja ne vaihtelevat plutoniumatomien välillä. Tämä johtaa plutoniumin kemiallisten ominaisuuksien monimutkaisuuteen, sillä ulkoelektronien sijoittuminen vaikuttaa plutoniumatomien välisiin sidoksiin, plutoniumin komplekseihin sekä plutoniumin sidoksiin muihin alkuaineisiin.

Haitallisuus ja suojautuminen

Plutonium on raskasmetalli ja radioaktiivinen ja siten haitallinen elimistön sisälle joutuessaan. Käytännössä plutoniumia esiintyy kuitenkin niin pieniä määriä, että merkityksellisen annoksen saaminen on äärimmäisen harvinaista. Ydintekniikan historia tuntee eräitä tapauksia tapaturmaisesta plutoniumin nielemisestä tai hengittämisestä, lähinnä plutoniumin käsittelystä laboratoriossa, mutta yhdessäkään tapauksessa elimistöön joutunut annos ei ole lähestynyt hengenvaarallista. Näin ollen pohdinta plutoniumin vaarallisuudesta myrkkynä perustuu lähinnä plutoniumin biokemian teoreettiselle tarkastelulle ja eläinkokeille.
Myrkyllisyyttä mitataan yleensä ns. LD50-annoksella. Tällä tarkoitetaan annosta, joka riittää tappamaan 50 % koe-eläimistä. Plutoniumin myrkyllisyys on samankaltaista kuin muillakin raskasmetalleilla. Rotilla tehdyissä kokeissa saatiin suonensisäisesti annostellun plutoniumin myrkyllisyydeksi LD50 = 1,4 mgPu/kg, eli suurin piirtein sama kuin esimerkiksi nikotiinilla. Voimakkaasti myrkyllisistä aineista kuten dioksiineista se jää selvästi jälkeen.
Kehon ulkoisesti plutonium ei ole vaarallista. Plutoniumin tuottama säteily on alfasäteilyä, joka pysähtyy ihon uloimpaan, kuolleista ihosoluista koostuvaan kerrokseen, eikä vaikuta kehon biologisiin prosesseihin. Plutoniumia käsiteltäessä täytyy käyttää käsineitä ja hengityssuojainta sen varmistamiseksi ettei sitä vahingossa päädy nieluun tai nenään.
Yhdysvaltojen lääketieteellisen fysiikan seuran kanta on, että plutoniumin vaarallisuutta yleisesti ottaen liioitellaan ottaen huomioon että kukaan ei ole koskaan kuollut plutoniummyrkytykseen ja että lievätkin myrkytystapaukset ovat äärimmäisen harvinaisia. Plutoniumin käsittely tapahtuu lähes yksinomaan laboratoriossa tai suljetussa ydinpolttoainekierrossa, joten väestön altistuminen sille on äärimmäisen epätodennäköistä ainakin verrattuna huomattavasti radioaktiivisempiin (kuten luonnossa esiintyvä radon) ja myrkyllisempiin (kuten savukaasuissa esiintyvät dioksiinit) aineisiin.

Historia

Vuonna 1940 kaksi toisistaan riippumatonta ryhmää (Edwin McMillanin ja Philip H. Abelsonin ryhmä sekä Egon Bretscherin ja Norman Featherin ryhmä) ennustivat neptuniumin ja plutoniumin löytymisen. Joulukuussa 1940 Glenn Seaborgin johtama tutkimusryhmä pommitti uraanin isotooppia 238 deuteriumin ioneilla syklotronissa. Tästä syntyi neptuniumin isotooppia 238. He huomasivat, että syntynyt ydin hajosi β⁻-hajoamisen kautta, jolloin syntyi uusi alkuaine, plutonium. Maaliskuussa 1941 tutkijat löysivät plutoniumin isotoopin 239, joka hajosi spontaanin fission kautta. Löytö pidettiin koko toisen maailmansodan ajan salassa. Syyskuussa 1942 plutoniumia eristettiin ja mitattiin ensimmäisen kerran. Manhattan-projektin aikana rakennetuissa Oak Ridgen kansallisessa laboratoriossa ja Hanford Sitessa  valmistettiin plutoniumia. Vuonna 1945 yhdysvaltalaisilla oli useita kiloja radioaktiivista plutoniumia, joista he rakensivat kolme ydinpommia. 16. heinäkuuta 1945 räjäytettiin New Mexicossa ensimmäinen ydinpommi. Toisen maailmansodan aikana, 9. elokuuta Yhdysvallat pudotti Nagasakiin Fat Man -ydinpommin, jonka polttoaineena oli plutoniumia.
Toisen maailmansodan aikana ja sen jälkeen Manhattan-projektiin osallistuneet tutkijat selvittivät Yhdysvalloissa, miten plutonium vaikuttaa ihmisiin ja muihin eläimiin. Potilaisiin pistettiin ainetta tavallisesti 5 mikrogrammaa. Kokeissa käytetyt potilaat olivat joko kuolemansairaita tai heillä oli alle kymmenen vuotta elinaikaa kroonisen sairauden takia. Heitä tutkittiin, jotta voitiin parantaa mittausvälineitä, joita käytettiin ydinaseita valmistavien ihmisten tutkimiseen. Myöhemmin testejä on kritisoitu voimakkaasti eettisten sääntöjen ja Hippokrateen valan rikkomisesta.
Toisen maailmansodan jälkeen sekä Yhdysvallat että Neuvostoliitto valmistivat suuria määriä plutoniumia. Arvioiden mukaan vuoteen 1982 mennessä oli valmistettu 300 tonnia plutoniumia. Kylmän sodan jälkeen plutoniumin loppusijoittamisesta keskusteltiin paljon. Vuonna 2002 Yhdysvaltain energiaministeriö otti vastaan 34 tonnia plutoniumia puolustusministeriöltä. Vuonna 2003 energiaministeriö rikasti polttoaineuraania plutoniumoksidilla, jolloin muodostui MOX-polttoainetta, jota voidaan käyttää ydinvoimaloiden polttoaineena.
Plutonium on saanut nimensä Pluto-nimisen kääpiöplaneetan mukaan, sillä sitä jaksollisessa järjestelmässä edeltävät alkuaineet uraani (Uranus) ja neptunium (Neptunus) on nimetty planeettojen mukaan. Plutoa pidettiin tuohon aikaan vielä planeettana, mutta se menetti asemansa vuonna 2006, sillä sen havaittiin olevan vain yksi Kuiperin vyöhykkeen kappaleista. Myös ensimmäisinä löydettyjä asteroideja oli aluksi pidetty planeettoina ja alkuaineet cerium ja palladium on nimetty kääpiöplaneetta Cereksen (ensinnä löydetty asteroidi) ja toisena löydetyn Pallaksen mukaan.
Seaborg halusi plutoniumin lyhenteeksi Pu eikä Pl, koska Pu lausutaan englanniksi pee-you (viittaa virtsaamiseen) tai pee-yoo (viittaa pieruun). Seaborgin ryhmän jäsenet olisivat toivoneet alkuaineen nimeksi joko ultinium tai extremium, koska he uskoivat löytäneensä jaksollisen järjestelmän viimeisen alkuaineen.

Käyttö

Plutoniumia on käytetty sydämentahdistimien voimanlähteenä ydinparistona, mutta nykyään plutonium on tahdistimissa korvattu muun muassa litiumparistoilla. Vuonna 2003 käytössä oli vielä 50–100 plutoniumilla toimivaa sydämentahdistinta.
Plutoniumia voidaan käyttää myös energialähteenä. ²³⁸Pu, ²⁴⁰Pu ja ²⁴²Pu soveltuvat muun muassa avaruustutkimuksessa energialähteeksi eli radioisotooppiparistoiksi. Plutoniumia käytetään silloin, kun Auringosta ei saada tarpeeksi energiaa. Muun muassa Cassini-Huygens, New Horizons ja Voyager avaruusluotaimet ovat käyttäneet plutoniumia polttoaineenaan.
Plutoniumin seoksia voidaan käyttää suprajohteena. Kun plutoniumia sekoitetaan koboltin ja galliumin (PuCoGa₅) kanssa, seos muuttuu suprajohtavaksi 18,5 kelvinin lämpötilassa. Lämpötila on kohtalaisen korkea, mikä on herättänyt toiveita plutoniumin käytöstä korkean lämpötilan suprajohteissa.

Ydinpolttoaineena

Tavallisessa ²³⁵U-ydinpolttoainetta käyttävässä reaktorissa syntyy kolmen vuoden altistusajassa n. 1 % plutoniumia polttoaineesta. Plutoniumia syntyy kun ²³⁵U-polttoaineessa oleva ²³⁸U (jonka osuus on kuitenkin 95–97 % kaikesta polttoaineessa olevasta uraanista) absorboi neutronin. Polttoaineesta tällöin ²³⁹Pu osuus on n. 0,54 % Pu ²⁴⁰Pu n. 0,23 % ja ²⁴¹Pu n- 0,14 %. Muitakin isotooppeja voi muodostua, mutta osuus on pieni. Syntynyt plutonium on muiden hajoamistuotteiden seassa, käytetyssä polttoaineessa. Jos näin syntynyt plutonium kuitenkin erotetaan kemiallisesti käytetystä polttoaineesta, voidaan sitä käyttää "uudestaan" tavallisen ²³⁵U-polttoaineen seassa siten, että ²³⁹Pu-isotoopin ja ²³⁵U-isotoopin yhteinen osuus muista plutoniumin ja uraanin isotoopeista on noin 3–5 %. Näin tehtäessä voidaan ikään kuin hävittää muuten pitkään radioaktiivisena ongelmajätteenä säilyvä plutonium sekä aseteollisuuteen soveltuva ²³⁹Pu-isotooppi. Sekoitettua polttoainetta kutsutaan nimellä MOX-Fuel (Mixed Oxide Fuel), sillä sekä plutonium että uraani ovat polttoainesauvassa hapetetussa tilassa Pu- ja U-dioksidina. Hapen massan osuus uraanidioksidisauvassa on 16/254 eli n. 6 %. MOX:ia voidaan käyttää tavallisessa kevytvesireaktorissa (ns. tavallinen ²³⁵U-ydinpolttoainetta käyttävä reaktori) ilman erityistä reaktorin modifiointia, mutta käyttö edellyttää yleensä reaktorin uudelleenlisensointia MOX-polttoaineen käyttöön. MOX:ia käytettäessä noin 1/3 energiasta tulee plutoniumista. MOX-polttoaineen käyttö ei vaadi "hyötöreaktoria".
Käytetyn polttoaineen uudelleenkäsittely on ongelmallista. Sen avulla voidaan tosiaan utilisoida, eli käyttää uudestaan hyväksi syntynyt plutonium, sekä erottaa suurin osa ydinreaktioon osallistumattomasta ²³⁸U-sta, jota on kuitenkin polttoaineen kaikesta uraanista n. 95–97 %, ja käyttää sekin uudelleen. Toisaalta kemiallisesti erotettu puhdas plutonium voi päätyä myös muualle kuin uudelleen ydinpolttoaineeseen. Kemiallisesti erotetusta plutoniumista noin puolet on ²³⁹Pu-isotooppia, eli ²³⁹Pu väkevöintiaste on noin 54 %. Tästä plutoniumista on helppo väkevöidä ²³⁹Pu-osuus yli 90 %:iin, vastaavalla menetelmällä kuin ²³⁵U, jolloin kyseessä on ydinasemateriaali.
Tavallisissa eli ns. hitaissa kevytvesireaktoreissa puhdasta plutoniumdioksidi-polttoainetta eli n. 3–5 % väkevöityä ²³⁹Pu-ydinpolttoainetta ei voida tehokkaasti käyttää, sillä hitaat eli termiset neutronit, jotka soveltuvat hyvin ²³⁵U-fissioon, eivät sovellu vastaavasti hyvin ²³⁹Pu-fissioon, koska niiden Vaikutusala (σ) on liian pieni. Puhdasta plutoniumdioksidi-polttoainetta voidaan kuitenkin käyttää erilaisessa ns. nopeassa reaktorissa, jossa fissioon vaadittavien neutronien liike-energia on suurempi. Tällaisessa ns. "nopeassa" reaktorissa jäähdyttimenä käytetään veden sijasta nestemäistä natriumia (LMFBR -reaktori) tai heliumia (GCFBR -reaktori), jolloin neutronit liikkuvat nopeammin. Kilogramma seostamatonta ²³⁹Pu-polttoainetta (3–5 % väkevöinnillä) tuottaa kolmessa vuodessa n. 10 miljoonaa kilowattituntia energiaa.
MOX-polttoainetta voidaan käyttää eurooppalaisissa ydinvoimaloissa 30 % kokonaispolttoainemäärästä, mutta Yhdysvalloissa on kolme voimalaa, joissa voi käyttää pelkästään MOXia. Myös plutoniumin yhdisteitä karbidin, bromidin, silikaatin ja nitriitin kanssa on tutkittu mahdollisina polttoaineina. Polttoaineina voidaan käyttää myös joitakin metalliseoksia kuten plutoniumin, ceriumin ja koboltin; alumiinin ja plutoniumin sekä plutoniumin ja zirkoniumin seosta, kuitenkin niin että fissiilin ²³⁹Pu isotoopin osuus polttoaineesta on n. 3–5 % .

Ydinaseena

²³⁹Pu on paljon kysytympi ydinasemateriaali kuin ²³⁵U, sillä sen kriittinen massa on huomattavasti pienempi kuin ²³⁵U. Yli 90 % väkevöintiasteella ²³⁹Pu kriittinen massa on noin 11 kg, (jos tämä muutetaan palloksi, halkaisijaksi tulisi n. 10 cm) kun vastaavasti ²³⁵U noin 52 kg. ²³⁹Pu kriittistä massaa ydinaseessa voidaan entisestään hieman pudottaa teknisillä ratkaisulla kuten mm. muodolla, tiivistyksellä, neutronilähteillä ja -heijastimilla. Näin rakennetun, teknologisesti kehittyneen, pienen, taktisen ydinaseen jopa räjähdysvoimakkuutta pystytään säätelemään tarpeen mukaan (variable yield detonation). ²³⁵U:sta rakennetun ydinaseen teho verrattuna massaan on pienempi, eikä alle 52 kg kokoista asetta pystytä teoriassa toteuttamaan, jolloin sen soveltuvuus taktisena aseena huononee.
Joissakin ydinaseissa ²³⁵U soveltuu paremmin kuin ²³⁹Pu. ²³⁵U puoliintumisaika 703 milj. vuotta on huomattavasti suurempi kuin ²³⁹Pu n. 24 000 vuotta. ²³⁹Pu verrattaen lyhyt puoliintumisaika, merkitsee sitä, että ydinaseella on vain rajallinen käyttöikä, ellei asetta huolleta. Lisäksi ²³⁹Pu suurempi radioaktiivisuus voi haitata aseen elektroniikkaa. ²³⁹Pu on paras asemateriaali pieneen ydinaseeseen. Kun koolla ei ole niin väliä (esim. ICBM), käytetään usein uraania (puhdas fissio) tai uraania ja tritiumia (fissio-fuusio). Puhtaassa fissiossa käyttöikä on pisin, ja asetta ei ydinasemateriaalin osalta tarvitsee huoltaa. Fissio-fuusio-pommit sekä ²³⁹Pu-aseet vaativat huoltoa, sillä tritium ja ²³⁹Pu hajoavat melko nopeasti.
Nagasakiin pudotetussa Fat Man -pommissa oli 6,2 kg plutoniumia, sillä se oli puristettu kasaan. Plutoniumin (1 kg) räjähdysvoima vastaa 20 kilotonnia TNT:tä. Jos kaikki plutonium halutaan räjäyttää, tarvitaan myös ulkoinen neutronien lähde, joten alkeellisten ydinaseiden tuhovoima jää alle teoreettisen arvon. Esimerkiksi Fat Manin (6,2 kg plutoniumia) tuhovoima oli 21 kt. Ydinkäyttöä varten plutonium stabiloidaan galliumin avulla, jolloin plutonium on delta-allotrooppisessa muodossa.
Plutoniumin ei-fissiilejä isotooppeja voidaan myös käyttää likaisissa pommeissa tai myrkkynä. Muutamissa tapauksissa ydinase on levittänyt ympäristöön plutoniumia, mikä vaatii puhdistusta. Muun muassa Nagasakissa ympäristöön levisi 5 kg plutoniumia, koska fissioreaktio ei edennyt loppuun asti. Plutonium aiheuttaa vastaavat ympäristön saastumisongelmat ja terveysvaarat kuin köyhdytetty uraani. Isotoopeista riippuen saastumisvaara kestää yleensä plutoniumilla kuitenkin vähemmän aikaa kuin uraanilla, mutta radioaktiivisuus voi olla suurempi.