Plutonium
plutonium. Hal ini akan menurunkan jumlah plutonium yang diperlukan dari 16 kg menjadi 10 kg, berupa bola berdiameter 10 cm. Massa kritis ini adalah sekitar sepertiga daripada massa kritis U-235.
Bom plutonium jenis "Fat Man" yang diproduksi semasa Proyek Manhattan menggunakan kompresi eksplosif plutonium untuk mendapatkan tingkat densitas plutonium yang lebih besar daripada biasanya dan menggabungkannya dengan sumber neutron untuk memulai reaksi dan meningkatkan efisiensi. Sehingga, hanya diperlukan 6.2 kg plutonium untuk mendapatkan daya ledak yang setara dengan 20 kiloton TNT. Secara
teoretis, hanya diperlukan sejumlah kecil 4 kg plutonium (atau bahkan lebih kecil dari itu) untuk membuat bom atom dengan desain perakitan yang canggih.
PUREX ("P"lutonium-"UR"anium "EX"traction) memroses ulang bahan bakar nuklir yang telah digunakan untuk mengekstraksi uranium dan plutonium dalam bentuk bahan bakar oksida campuran (MOX) yang dapat digunakan kembali dalam reaktor nuklir. Plutonium tingkat senjata dapat kemudian ditambahkan ke campuran bahan bakar tersebut. Bahan bakar MOX digunakan pada reaktor air ringan dan terdiri
dari 60 kg plutonium per ton bahan bakar. Setelah empat tahun, tiga per empat plutonium tersebut akan telah habis digunakan (berubah menjadi unsur lain). Reaktor pembiak secara spesifik dirancang untuk mendapatkan bahan fisil dengan laju yang lebih cepat daripada laju konsumsi bahan tersebut.
Bahan bakar MOX telah digunakan sejak tahun 1980-an dan secara luas digunakan di Eropa. Pada bulan September 2000, Amerika Serikat dan Rusia menandatangani Perjanjian Pengelolaan dan Disposisi Plutonium ("Plutonium Management and Disposition Agreement") yang mana masing-masing pihak setuju untuk membuang 34 ton plutonium tingkat senjata. Departemen Energi AS berencana membuang 34 ton plutonium tingkat senjata sebelum akhir 2019 dengan mengubahnya menjadi bahan bakar MOX yang dapat digunakan pada reaktor nuklir komersial.
Efisiensi juga bisa didapatkan melalui pemrosesan ulang, yakni batangan bahan bakar diproses untuk menghilangkan produk limbah yang mencapai 3% berat total batangan tersebut setelah tiga tahun penggunaan. Isotop uranium dan plutonoum apapun yang dihasilkan selama tiga tahun tersebut ditinggalkan dan batangan tersebut kembali digunakan. Namun, keberadaan 1% galium per massa plutonium tingkat senjata memiliki potensi membatasi operasi jangka panjang reaktor air ringan.
Am baru-baru ini telah diajukan untuk digunakan sebagai agen detanurasi batangan bahan bakar reaktor dengan membuat bahan bakar tersebut tidak dapat digunakan kembali lagi untuk konversi senjata nuklir.
Isotop plutonium-238 (Pu-238) memiliki umur paruh 87.5 tahun. Ia memancarkan sejumlah besar energi termal dengan tingkat pancaran sinar gama dan partikel neutron spontan yang rendah. Sebagai pemancar partikel alfa, ia memancarkan radiasi berenergi tinggi dengan tingkat penetrasi yang rendah, sehingga hanya diperlukan pemerisaian yang minimal. Selembar kertas dapat digunakan untuk memerisai partikel
alfa yang dipancarkan oleh Pu-238 manakala satu kilogram isotop ini dapat menghasilkan 22 juta kilowat jam energi panas.
Sifat-sifat ini membuat isotop Pu-238 sangat cocok digunakan sebagai sumber listrik peralatan yang harus berfungsi tanpa pemeliharaan secara langsung selama seumur hayat manusia. Oleh karenanya, ia digunakan dalam pembangkit termolistrik radioisotop dan unit pemanas radioisotop yang digunakan pada misi penjelajahan luar angkasa Cassini, Voyager dan New Horizons.
Plutonium-238 juga telah sukses digunakan untuk menenagai pemacu jantung buatan, sehingga mengurangi risiko pembedahan ulang. Ia umumnya telah digantikan dengan sel primer berbasis litium. Namun, sampai dengan tahun 2003, masih terdapat sekitar 50 sampai dengan 100 pemacu jantung yang ditenagai plutonium yang masih ditanam dan berfungsi. Plutonium-238 yang dicampur dengan berilium digunakan untuk menghasilkan neutron untuk tujuan riset.
Isotop dan senyawa plutonium sangat beracun oleh karena radioaktivitasnya. Dari sudut pandang toksisitas kimiawi, arsen dan sianida lebih beracun daripada plutonium, dan plutonium sama beracunnya dengan kafeina.
Plutonium lebih berbahaya ketika terhirup daripada tertelan. Risiko kanker paru-paru meningkat seketika radiasi yang terhirup melebihi 400 mSv. Ia tidak akan diserap ke dalam tubuh secara efisien apabila tertelan; hanya sekitar 0.04% plutonium oksida yang diserap setelah ditelan. Ketika plutonium diserap ke dalam tubuh, ia akan diekskresikan dengan sangat lambat, dengan waktu paruh hayati selama 200 tahun. Plutonium mempunyai rasa seperti logam.
Radiasi alfa yang dipancarkan plutonium tidak dapat menembus kulit, namun dapat mengiradiasi organ-organ dalam ketika plutonium terhirup ataupun tertelan. Orang tubuh yang paling berisiko terkena iradiasi adalah tulang (dimana ia paling berkemungkinan diserap ke permukaan tulang) dan hati (dimana ia dikumpulkan dan menjadi terkonsentrasi).
Plutonium dalam jumlah yang sangat besar dapat menyebabkan keracunan radiasi yang akut dan kematian jika ditelan ataupun dihirup; namun, sampai sekarang tidak ada satupun manusia yang diketahui meninggal oleh karena menghirup ataupun menelan plutonium. Selain itu banyak orang mempunyai sejumlah kecil plutonium yang dapat dideteksi dalam tubuh mereka.
Selain permasalahan pada toksisitas plutonium, akumulasi sejumlah plutonium yang mencapai massa kritis juga harus dihindari, terutama karena massa kritis plutonium hanyalah sepertiga daripada massa kritis uranium-235. Plutonium yang mencapai massa kritis akan memancarkan sejumlah neutron dan sinar gama dalam kadar yang mematikan. Plutonium dalam larutan lebih berkemungkinan membentuk massa kritis daripada plutonium dalam bentuk padatan.
Dalam sejarahnya, telah terjadi beberapa kecelakaan yang melibatkan pembentukan massa kritis ini. Penanganan yang tidak hati-hati pada bata wolfram karbida yang diletakkan di sekitar 6.2 kg bola plutonium menyebabkan radiasi dengan dosis fatal pada tanggal 21 Agustus 1945 di Los Alamos, yang mana ilmuwan Harry K. Daghlian, Jr. menerima dosis yang diperkirakan setara dengan 5.1 Sievert dan meninggal 28
hari sesudahnya. Sembilan bulan kemudian, ilmuwan Los Alamos lainnya, Louis Slotin, juga meninggal dalam kecelakaan yang melibatkan reflektor berilium dan inti plutonium yang sama, yang sebelumnya telah menyebabkan kematian Daghlian (bola plutonium ini kemudian diberi nama panggilan "demon core"). Insiden ini kemudian diangkat ke dalam film tahun 1989 "Fat Man and Little Boy".
Pada bulan Desember 1958, selama proses pemurnian plutonium di Los Alamos, massa kritis terbentuk di dalam tabung pencampuran, menyebabkan kematian operator derek. Selain itu, kecelakaan nuklir lainnya juga pernah terjadi di Uni Soviet, Jepang, dan negara-negara lainnya.
Logam plutonium juga merupakan bahan yang mudah terbakar. Ia akan bereaksi dengan oksigen dan air, yang akan menyebabkan akumulasi plutonium hidrida. Plutonium hidrida merupakan bahan piroforik dan akan menyala ketika terkena udara bebas pada suhu kamar. Plutonium akan mengembang melebihi 70% volume awal ketika ia teroksidasi, sehingga dapat merusak wadah penampung. Pasir magnesium
oksida merupakan bahan yang paling efektif dalam memadamkan api plutonium. Ia mendinginkan bahan yang terbakar, dan bekerja sebagai sungap panas ("heat sink") serta memblok oksigen. Untuk menghindari terjadinya kebakaran, penanganan yang khusus perlu diterapkan. Umumnya diperlukan penanganan dalam atomosfer inert.