Plutonium-238

Plutonium-238 (238Pu atau Pu-238) adalah sebuah isotop radioaktif plutonium yang memiliki waktu paruh selama 87,7 tahun.

Plutonium-238 merupakan pemancar alfa; yang sangat kuat; karena partikel alfa mudah diblokir, ini membuat isotop plutonium-238 cocok untuk digunakan dalam generator termoelektrik radioisotop (RTG) dan Unit pemanas radioisotop. Kepadatan plutonium-238 pada suhu kamar adalah sekitar 19,8 g/cc. Bahan akan menghasilkan sekitar 0,57 watt/gram 238Pu.

Sejarah

Produksi awal 
Plutonium-238 merupakan isotop plutonium pertama yang ditemukan. Itu disintesis oleh Glenn T. Seaborg dan rekannya pada bulan Desember 1940 dengan membombardir uranium-238 dengan deuteron, menciptakan neptunium-238. Reaksi tersebut melibatkan peluruhan β+ proton menjadi neutron, dan pelepasan neutron lain.

 +  →  + 2

Isotop neptunium kemudian mengalami peluruhan β− menjadi plutonium-238, dengan waktu paruh selama 2,12 hari:

 →  +  + 

Plutonium-238 secara alami meluruh menjadi uranium-234 dan selanjutnya sepanjang deret radium menjadi timbal-206. Secara historis, sebagian besar plutonium-238 telah diproduksi oleh Situs Sungai Savannah dalam reaktor senjata mereka, dengan penyinaran dengan neutron neptunium-237 (waktu paruh =  2,144 juta tahun).

 +  → 

Neptunium-237 adalah produk sampingan dari produksi bahan plutonium-239 jenis senjata, dan ketika situs tersebut ditutup pada tahun 1988, 238Pu dicampur dengan sekitar 16% 239Pu.

Eksperimen radiasi manusia 

Plutonium pertama kali disintesis pada tahun 1940 dan diisolasi pada tahun 1941 oleh ahli kimia di Universitas California, Berkeley. Proyek Manhattan dimulai tak lama setelah penemuan plutonium, dengan sebagian besar penelitian awal (pra-1944) dilakukan dengan menggunakan sampel kecil yang diproduksi menggunakan siklotron besar di Rad Lab Berkeley dan Universitas Washington di St. Louis.

Sebagian besar kesulitan yang dihadapi selama Proyek Manhattan berkaitan dengan produksi dan pengujian bahan bakar nuklir. Baik uranium maupun plutonium akhirnya ditentukan sebagai fisil, tetapi dalam setiap kasus mereka harus dimurnikan untuk memilih isotop yang cocok untuk bom atom. Dengan Perang Dunia II berlangsung, tim peneliti terdesak oleh waktu. Sementara sampel plutonium tersedia dalam jumlah kecil dan ditangani oleh para peneliti, tidak ada yang tahu efek kesehatan apa yang mungkin ditimbulkannya. Mikrogram plutonium dibuat oleh siklotron pada tahun 1942 dan 1943. Pada musim gugur 1943, Robert Oppenheimer mengatakan "hanya ada dua puluh miligram yang ada." Atas permintaannya, Rad Lab di Berkeley menyediakan 1,2 mg plutonium pada akhir Oktober 1943, sebagian besar dibawa ke Los Alamos untuk pekerjaan teoretis di sana.

Reaktor kedua di dunia, Reaktor Grafit X-10 yang dibangun di sebuah situs rahasia di Oak Ridge akan beroperasi penuh pada tahun 1944. Pada bulan November 1943, tak lama setelah start-up awal, ia mampu menghasilkan 500 mg yang sangat kecil. Namun, plutonium ini dicampur dengan sejumlah besar bahan bakar uranium dan ditujukan untuk pabrik percontohan pemrosesan kimia terdekat untuk pemisahan isotop (pengayaan). Jumlah gram plutonium tidak akan tersedia sampai musim semi 1944.

Produksi plutonium skala industri baru dimulai pada Maret 1945 ketika Reaktor B di Situs Hanford mulai beroperasi. Namun, kecelakaan penanganan plutonium terjadi pada tahun 1944, menyebabkan alarm di pimpinan Proyek Manhattan karena kontaminasi di dalam dan di luar laboratorium menjadi masalah. Pada bulan Agustus 1944, seorang ahli kimia bernama Donald Mastick disemprot plutonium klorida cair di wajahnya, menyebabkannya secara tidak sengaja menelan beberapa plutonium. Usapan hidung yang dilakukan oleh peneliti plutonium menunjukkan bahwa plutonium sedang dihirup. Ahli kimia sekaligus Ketua Proyek Manhattan Glenn T. Seaborg, penemu banyak unsur transuranium termasuk plutonium, mendesak agar program keamanan dikembangkan untuk penelitian plutonium. Dalam memo kepada Robert Stone di Met Lab Chicago, Seaborg menulis "bahwa sebuah program untuk melacak perjalanan plutonium dalam tubuh dimulai sesegera mungkin ... [dengan] prioritas tertinggi." Memo ini tertanggal 5 Januari 1944, sebelum banyak peristiwa kontaminasi tahun 1944 di Gedung D tempat Mastick bekerja. Seaborg kemudian mengklaim bahwa dia sama sekali tidak bermaksud untuk menyiratkan eksperimen manusia dalam memo ini, dia juga tidak mempelajari penggunaannya pada manusia sampai jauh karena kompartementalisasi informasi rahasia.

Dengan plutonium-239 jenis bom yang diperkaya yang ditujukan untuk penelitian kritis dan untuk produksi senjata atom, plutonium-238 digunakan dalam eksperimen medis awal karena tidak dapat digunakan sebagai bahan bakar senjata atom. Namun, 238Pu jauh lebih berbahaya daripada 239Pu karena waktu paruhnya yang pendek dan merupakan pemancar alfa yang kuat. Karena segera ditemukan bahwa Pu diekskresikan pada tingkat yang sangat lambat, terakumulasi dalam subjek uji eksperimen manusia awal, praktik ini memiliki efek yang menghancurkan pada pasien yang terlibat.

Dari 10 April 1945 hingga 18 Juli 1947, delapan belas orang disuntik dengan plutonium sebagai bagian dari Proyek Manhattan. Dosis yang diberikan berkisar antara 0,095 hingga 5,9 mikrocurie (μCi).

Albert Stevens, dalam eksperimen yang disebut sebagai CAL-1, disuntikkan pada tahun 1945 dengan 3,5 μCi 238Pu, dan 0,046 μCi 239Pu, memberinya beban tubuh awal sebesar 3,546 μCi (131 kBq) total aktivitas tanpa persetujuannya. Fakta bahwa ia memiliki plutonium-238 yang sangat radioaktif (diproduksi dalam siklotron 60-inci di Laboratorium Crocker dengan bombardir deuteron uranium alam) berkontribusi besar terhadap dosis jangka panjangnya. Seandainya semua plutonium yang diberikan kepada Stevens adalah 239Pu yang berumur panjang seperti yang digunakan dalam eksperimen serupa pada waktu itu, dosis seumur hidup Stevens akan jauh lebih kecil. Waktu paruh yang singkat yaitu 87,7 tahun dari 238Pu berarti bahwa sebagian besar darinya meluruh selama waktunya di dalam tubuhnya, terutama jika dibandingkan dengan 239Pu yang memiliki waktu paruh 24.100 tahun.

Karena Stevens bertahan selama sekitar 20 tahun setelah dosis percobaan plutoniumnya sebelum meninggal karena penyakit jantung, ia selamat dari dosis radiasi akumulasi tertinggi yang diketahui pada manusia mana pun. Perhitungan modern dari dosis serap seumur hidupnya memberikan total 64 Sv (6400 rem) yang luar biasa.

Senjata 
Aplikasi pertama 238Pu adalah penggunaannya dalam komponen senjata nuklir yang dibuat di Laboratorium Mound untuk Laboratorium Radiasi Lawrence (sekarang Laboratorium Nasional Lawrence Livermore). Mound dipilih untuk pekerjaan ini karena pengalamannya dalam memproduksi inisiator Urchin berbahan bakar polonium-210 dan pekerjaannya dengan beberapa elemen berat dalam program Bahan Bakar Reaktor. Dua ilmuwan Mound menghabiskan tahun 1959 di Lawrence dalam pengembangan bersama sementara Gedung Metalurgi Khusus dibangun di Mound untuk menampung proyek tersebut. Sementara itu, sampel pertama 238Pu datang ke Mound pada tahun 1959.

Proyek senjata menyerukan produksi sekitar 1 kg 238Pu per tahun selama periode 3 tahun. Namun, komponen 238Pu component tidak dapat diproduksi sesuai spesifikasi meskipun upaya 2 tahun dimulai di Mound pada pertengahan 1961. Upaya maksimal dilakukan dengan 3 shift sehari, 6 hari seminggu, dan peningkatan produksi 238Pu Situs Sungai Savannah selama tiga tahun ke depan menjadi sekitar 20 kg/tahun. Pelonggaran spesifikasi ini menghasilkan produktivitas sekitar 3%, dan produksi akhirnya dimulai pada tahun 1964.

Kegunaan dalam generator termoelektrik radioisotop 
Dimulai pada 1 Januari 1957, penemu RTG Laboratorium Mound, Jordan & Birden, sedang mengerjakan kontrak Korps Sinyal Angkatan Darat (R-65-8- 998 11-SC-03-91) untuk melakukan penelitian tentang bahan radioaktif dan termokopel yang cocok untuk penggunaan langsung dari konversi panas menjadi energi listrik menggunakan polonium-210 sebagai sumber panas.

Pada tahun 1961, Kapten R. T. Carpenter telah memilih 238Pu sebagai bahan bakar untuk RTG (radioisotope thermoelectric generator, generator termoelektrik radioisotop) pertama yang diluncurkan ke luar angkasa sebagai tenaga tambahan untuk satelit navigasi Angkatan Laut Transit IV. Pada 21 Januari 1963, keputusan belum dibuat mengenai isotop apa yang akan digunakan untuk bahan bakar RTG besar untuk program NASA.

Awal tahun 1964, ilmuwan Laboratorium Mound mengembangkan metode berbeda untuk membuat komponen senjata yang menghasilkan efisiensi produksi sekitar 98%.  Ini menyediakan produksi 238Pu Situs Sungai Savannah untuk penggunaan Tenaga Listrik Luar Angkasa tepat pada waktunya untuk memenuhi kebutuhan RTG SNAP-27 di Bulan, pesawat ruang angkasa Pioneer, pendarat Viking Mars, lebih banyak satelit navigasi Angkatan Laut Transit (pendahulu GPS) dan dua pesawat ruang angkasa Voyager, di mana semua sumber panas 238Pu dibuat di Laboratorium Mound.

Unit pemanas radioisotop digunakan dalam eksplorasi ruang angkasa dimulai dengan Pemanas Radioisotop Apollo (Apollo Radioisotope Heaters, ALRH) yang menghangatkan Eksperimen Seismik yang ditempatkan di Bulan oleh misi Apollo 11 dan pada beberapa penjelajah Bulan dan Mars, hingga 129 LWRHU yang menghangatkan eksperimen di pesawat ruang angkasa Galileo.

Penambahan fasilitas produksi komponen senjata bangunan Metalurgi Khusus diselesaikan pada akhir tahun 1964 untuk fabrikasi bahan bakar sumber panas 238Pu. Sebuah fasilitas produksi bahan bakar sementara juga dipasang di Gedung Penelitian pada tahun 1969 untuk fabrikasi bahan bakar Transit. Dengan selesainya proyek komponen senjata, Gedung Metalurgi Khusus, yang dijuluki "Gunung Ular" karena kesulitan yang dihadapi dalam menangani 238Pu dalam jumlah besar, menghentikan operasinya pada tanggal 30 Juni 1968, dengan operasi 238Pu diambil alih oleh Gedung Pemrosesan Plutonium yang baru, dirancang dan dibuat khusus untuk menangani 238Pu dalam jumlah besar. Plutonium-238 diberi nomor bahaya relatif tertinggi (152) dari semua 256 radionuklida yang dievaluasi oleh Karl Z. Morgan et al. pada tahun 1963.

Alat pacu jantung bertenaga nuklir 

Ketika plutonium-238 tersedia untuk penggunaan non-militer, banyak aplikasi diusulkan dan diuji, termasuk program Alat Pacu Jantung yang dimulai pada 1 Juni 1966, dalam hubungannya dengan NUMEC. Ketika diketahui bahwa sumber panas tidak akan tetap utuh melalui kremasi, program tersebut dibatalkan karena jaminan 100% tidak dapat dijamin bahwa peristiwa kremasi tidak akan terjadi.

Pada 2007, ada sembilan orang yang hidup dengan alat pacu jantung bertenaga nuklir, dari 139 penerima asli.  Ketika orang-orang ini meninggal, alat pacu jantung seharusnya dilepas dan dikirim ke Los Alamos di mana plutonium akan dipulihkan.

Dalam sebuah surat kepada New England Journal of Medicine yang membahas seorang wanita yang menerima Numec NU-5 pada dekade lalu yang terus beroperasi, meskipun label harga asli $5.000 setara dengan $23.000 pada kurs dolar 2007, biaya tindak lanjut menjadi sekitar $19.000 dibandingkan dengan $55.000 untuk alat pacu jantung bertenaga baterai.

Alat pacu jantung bertenaga nuklir lainnya adalah Medtronics “Laurens-Alcatel Model 9000”. Sekitar 1600 alat pacu jantung bertenaga nuklir dan/atau rakitan baterai telah ditempatkan di seluruh Amerika Serikat yang memenuhi syarat untuk pemulihan oleh Tim Proyek Pemulihan Sumber Luar Lokasi (Off-Site Source Recovery Project, OSRP) di Laboratorium Nasional Los Alamos (Los Alamos National Laboratory, LANL).

Produksi 
Plutonium jenis reaktor dari bahan bakar nuklir bekas mengandung berbagai isotop plutonium. 238Pu hanya satu atau dua persen, tetapi mungkin bertanggung jawab atas sebagian besar panas peluruhan jangka pendek karena waktu paruhnya yang relatif pendek dibandingkan dengan isotop plutonium lainnya. Plutonium jenis reaktor tidak berguna untuk memproduksi 238Pu untuk RTG karena pemisahan isotop yang sulit akan diperlukan.

Plutonium-238 murni dibuat dengan penyinaran neutron dari neptunium-237, salah satu aktinida minor yang dapat diperoleh kembali dari bahan bakar nuklir bekas selama pemrosesan ulang, atau dengan penyinaran neutron amerisium dalam reaktor. Target dimurnikan secara kimia, termasuk pelarutan dalam asam nitrat untuk mengekstrak plutonium-238. Sampel 100 kg bahan bakar reaktor air ringan yang telah diiradiasi selama tiga tahun hanya mengandung sekitar 700 grams (0,7% berat) neptunium-237, yang harus diekstraksi dan dimurnikan. Sejumlah besar 238Pu murni juga dapat diproduksi dalam siklus bahan bakar torium.

Di AS, Inisiatif Sistem Tenaga Luar Angkasa dan Pertahanan Departemen Energi dari Kantor Energi Nuklir memproses 238Pu, memelihara penyimpanannya, dan mengembangkan, memproduksi, mengangkut, dan mengelola keselamatan unit daya radioisotop dan pemanas untuk penjelajahan antariksa dan pesawat ruang angkasa keamanan nasional.
Pada Maret 2015, total  238Pu tersedia untuk penggunaan ruang sipil. Dari persediaan,  tetap dalam kondisi memenuhi spesifikasi NASA untuk pengiriman daya; kumpulan 238Pu inilah yang akan digunakan dalam generator termoelektrik radioisotop multi-misi (multi-mission radioisotope thermoelectric generator, MMRTG) untuk misi Mars Rover 2020 dan dua MMRTG tambahan untuk misi NASA 2024.  akan tersisa setelah itu, termasuk sekitar  yang hampir tidak memenuhi spesifikasi NASA. Karena kandungan isotop di dalam bahan hilang dari waktu ke waktu karena peluruhan radioaktif saat disimpan, stok ini dapat disesuaikan dengan spesifikasi NASA dengan mencampurnya dengan jumlah yang lebih kecil dari 238Pu yang baru diproduksi dengan kandungan isotop yang lebih tinggi, dan juga kepadatan energi.

Produksi AS yang berhenti dan dilanjutkan 
Amerika Serikat berhenti memproduksi massal 238Pu dengan penutupan reaktor Situs Sungai Savannah pada tahun 1988. Sejak 1993, semua 238Pu yang digunakan di pesawat luar angkasa Amerika telah dibeli dari Rusia. Secara total,  telah dibeli, tetapi Rusia tidak lagi memproduksi 238Pu, dan pasokan mereka sendiri dilaporkan hampir habis.

Pada Februari 2013, sejumlah kecil 238Pu berhasil diproduksi oleh Reaktor Isotop Fluks Tinggi Oak Ridge, dan pada 22 Desember 2015, mereka melaporkan produksi  238Pu.

Pada bulan Maret 2017, Ontario Power Generation (OPG) dan cabang venturanya, Canadian Nuclear Partners, mengumumkan rencana untuk memproduksi 238Pu sebagai sumber kedua untuk NASA. Batang yang mengandung neptunium-237 akan dibuat oleh Laboratorium Nasional Pacific Northwest (Pacific Northwest National Laboratory, PNNL) di Negara Bagian Washington dan dikirim ke Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir Darlington OPG di Clarington, Ontario, Kanada di mana mereka akan diiradiasi dengan neutron di dalam inti reaktor untuk menghasilkan 238Pu.

Pada Januari 2019, dilaporkan bahwa beberapa aspek otomatis dari produksinya diimplementasikan di Laboratorium Nasional Oak Ridge di Tennessee, yang diharapkan tiga kali lipat jumlah pelet plutonium yang diproduksi setiap minggu. Tingkat produksi sekarang diharapkan meningkat dari 80 pelet per minggu menjadi sekitar 275 pelet per minggu, dengan total produksi sekitar 400 gram per tahun.  Tujuannya sekarang adalah untuk mengoptimalkan dan meningkatkan proses untuk menghasilkan rata-rata  per tahun pada tahun 2025.

Aplikasi 
Aplikasi utama 238Pu adalah sebagai sumber panas pada generator termoelektrik radioisotop (radioisotope thermoelectric generator, RTG). RTG ditemukan pada tahun 1954 oleh ilmuwan Laboratorium Mound, Ken Jordan dan John Birden, yang dilantik ke dalam National Inventors Hall of Fame pada tahun 2013.  Mereka segera menghasilkan prototipe kerja menggunakan sumber panas 210Po, dan pada 1 Januari 1957, menandatangani kontrak Army Signal Corps (R-65-8- 998 11-SC-03-91) untuk melakukan penelitian tentang bahan radioaktif dan termokopel yang cocok untuk konversi langsung panas menjadi energi listrik menggunakan polonium-210 sebagai sumber panas.

Pada tahun 1966, sebuah penelitian yang dilaporkan oleh SAE International menjelaskan potensi penggunaan plutonium-238 dalam subsistem daya radioisotop untuk aplikasi di luar angkasa. Studi ini berfokus pada penggunaan konversi daya melalui siklus Rankine, siklus Brayton, konversi termoelektrik, dan konversi termionik dengan plutonium-238 sebagai elemen pemanas utama. Panas yang disuplai oleh elemen pemanas plutonium-238 konsisten antara 400 °C dan 1000 °C tetapi teknologi masa depan dapat mencapai batas atas 2000 °C, yang selanjutnya meningkatkan efisiensi sistem tenaga. Studi siklus Rankine melaporkan efisiensi antara 15-19% dengan suhu turbin masuk 1800 R, sedangkan siklus Brayton memberikan efisiensi lebih besar dari 20% dengan suhu masuk 2000 R. Konverter termoelektrik memberikan efisiensi rendah (3-5%) tetapi keandalan yang tinggi. Konversi termionik dapat memberikan efisiensi yang serupa dengan siklus Brayton jika kondisi yang tepat dapat tercapai.

Teknologi RTG pertama kali dikembangkan oleh Laboratorium Nasional Los Alamos selama tahun 1960-an dan 1970-an untuk menyediakan daya generator termoelektrik radioisotop untuk alat pacu jantung. Dari 250 alat pacu jantung bertenaga plutonium yang diproduksi Medtronic, dua puluh dua masih beroperasi lebih dari dua puluh lima tahun kemudian, suatu prestasi yang tidak dapat dicapai oleh alat pacu jantung bertenaga baterai.

Teknologi daya RTG yang sama ini telah digunakan di beberapa pesawat ruang angkasa seperti Pioneer 10 dan 11, Voyager 1 dan 2, Cassini–Huygens dan New Horizons, dan di beberapa perangkat lain, seperti Mars Science Laboratory dan Rover Perseverance Mars 2020, sebagai pembangkit listrik tenaga nuklir jangka panjang.

Lihat pula 
 Baterai atom
 Plutonium-239
 Polonium-210

Referensi

Pranala luar 
 Kisah penemuan Seaborg atas Pu-238, khususnya halaman 34-35. 
 Bank Data Zat Berbahaya NLM – Plutonium, Radioaktif

Bahan nuklir
Isotop
Plutonium
Aktinida
Bahan bakar radioisotop