Plütonyum

Plütonyum (Pu) ⓘ
H Periyodik tablo He Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Cs Ba   Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn Fr Ra   Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Nh Fl Mc Lv Ts Og     La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu   Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr
Temel özellikleri
Atom numarası	94
Element serisi	Aktinitler
Grup, periyot, blok	n/a, 7, f
Görünüş	gümüşî
Kütle numarası	239 g/mol
Elektron dizilimi	[[[Radon|Rn]]] 5f6 7s2
Enerji seviyesi başına Elektronlar	2, 8, 18, 32, 24, 8, 2
CAS kayıt numarası	{{{CAS_kayıt_numarası}}}
Fiziksel Özellikleri
Maddenin hâli	katı
Yoğunluk	19,816 g/cm³
Sıvı hâldeki yoğunluğu	16,63 g/cm³
Ergime noktası	912,5   °K 639,4 °C
Kaynama noktası	3505 °K 3228 °C
Ergime ısısı	2,82 kJ/mol
Buharlaşma ısısı	333,5 kJ/mol
Isı kapasitesi	35,5 J/(mol·K)
Atom özellikleri
Kristal yapısı	Monoklinik (Tekeğrilikli)
Yükseltgenme seviyeleri	6, 5, 4, 3
Elektronegatifliği	1,28 Pauling ölçeği
İyonlaşma enerjisi	1st: 584,7 kJ/mol
Atom yarıçapı	175 pm
Atom yarıçapı (hes.)	pm
Kovalent yarıçapı	pm
Van der Waals yarıçapı	pm
Diğer özellikleri
Elektrik direnci	(0 °C) 1,460 nΩ·m (20°C'de)
Isıl iletkenlik	(300 K) 6,74 W/(m·K)
Isıl genleşme	46,7 µm/(m·K) (25°C'de)
Ses hızı	(20 °C) 2260 m/s ('de)
Mohs sertliği
Vickers sertliği	MPa
Brinell sertliği	MPa

Plütonyum, 1940 yılında Glenn T. Seaborg, Edwin M. McMillan, J. W. Kennedy ve A. C. Wahlby tarafından 152 cm'lik siklotron (atom hızlandırıcısı) içerisindeki uranyumun döteryum ile bombardımanı sonucunda elde edilmiştir. ⓘ

Bütün izotopları radyoaktif ve toksiktir. Yapay olarak elde edilen plütonyum, Dünya'da bilinen en toksik elementtir. ²³⁸U çekirdeğinin nötron yakalaması ile ²³⁹U elde edilir. ²³⁹U beta bozunması ile nükleer reaktör içerisinde ²³⁹Pu (²³⁹Np ile birlikte) elde edilir. ⓘ

Transuranyum serisi elementlerinin ikincisi, sun’i olarak yapılabilen radyoaktif bir element. Sembolü Pu, atom ağırlığı 244 ve atom numarası 94’tür. Plutonyum-238 izotopu; uranyum-235 izotopunun nötron bombardımanı ile, 1940 yılında, Kaliforniya Üniversitesinde Glenn T. Seaborg ve çalışma arkadaşları tarafından elde edildi. Bu tarihten sonra plutonyum, nükleer reaktör ve silahlarda kullanılmaya başlanmıştır ⓘ

Plütonyum ⓘ

Plutonyum gümüş görünümünde metal olup, 639,85 °C’de erir ve 3230 °C’de kaynar. Özgül ağırlığı 19,8 g/cm 3 tür. Plutonyum aktinitler serisine dahil olup, diğer aktinitler gibi toprakta nadir bulunur. Plutonyum; gümüş, alüminyum, berilyum, kobalt, demir, mangan ve nikelle alaşım meydana getirebilir. Birçok plutonyum bileşikleri yapılmıştır. ⓘ

İzotopları: Plutonyuma uranyum cevherleri içerisinde eser miktarda rastlanır. Bu bakımdan reaktör ve laboratuvarlarda kullanılabilmesi için sun’i olarak üretilmesi gerekir. Kütle numaraları 232’den 246’ya kadar değişen en az 15 izotopu yapılabilmektedir. Bunların içinde en önemlisi Pu-239 izotopudur. Nükleer reaktörlerde tabii uranyum-238 izotopu nötron bombardımanına tabi tutulursa uranyum-239 elde edilir. Bu izotopun iki defa ß ışıması yapması sonucu plutonyum-239 elde edilir. Pu-239 izotopunun yarılanma süresi 24.360 senedir ve alfa ışını yayarak uranyum 235 izotopu haline dönüşür. Diğer mühim izotoplarından Pu-238 yarılanma süresi 86,4 sene, Pu-244 ise 76 milyon sene olup, Alfa ışıması yaparak yarılanırlar. ⓘ

Kullanılışı: Pu-239’un fisyon (bölünme) özelliğine sahip olması ve nükleer reaktörlerde yan ürün olarak elde edilebilmesi, bunun atom ve hidrojen bombaları için nükleer patlayıcı olarak kullanılmasına imkân sağlamaktadır. 1945 senesindeNagazaki’de patlatılan atom bombası Pu-239 izotopundan yapılmıştı. ⓘ

Hafif su soğutmalı nükleer reaktörlerde senede 225 Kg Pu-239 yan ürün olarak elde edilir. Bu yan ürün normal olarak tekrar işleme sokularak plutonyum oksit ve uranyum oksit ihtiva eden yakıt çubukları olarak reaktörlerde kullanılabilir. Pu-239’un sıvı-metal soğutmalı nükleer reaktörlerde kullanılması programlanmaktadır. Pu-238’in alfa ışını yayarken çıkardığı ısı, Apollo uzay araçlarında elektrik üretimi maksadı ile kullanılmıştır. Pu-238 sun’i kalp yapım çalışmalarında da kullanılmaktadır. Pu-242 ve Pu-244’ün tıp ve metalurjide kullanma sahaları vardır. ⓘ

Yapılışı: Plutonyumu, reaktördeki radyasyon veren diğer maddelerden ayırmak ve saflaştırmak için çeşitli kimyasal işlemlere başvurulur. Uranyum ve plutonyum ihtiva eden reaktörden plutonyumu ayırmak için karışım, nitrat asidi içinde çözülür. Burada plutonyum 6+ oksidasyon basamağına kadar yükseltgenir. Sonra hekzon (metil n-butil keton) ile karışımdan çekilip alınır. Bu işlemi alüminyum nitrat çözeltisiyle muamele takip eder. Alüminyum nitrat çözeltisi plutonyumu (3+) oksidasyon kademesine indirir. Saf plutonyum elde edilmesi için oksitleme işlemi birkaç defa tekrarlanır. ⓘ

İnsan üzerindeki etkisi: Plutonyum çok zehirlidir. Deri üzerindeki bir yaraya mikrogram miktarı temas ederse kansere sebep olur. Plutonyum zerrecikleri havada kolayca askıda kalabildiği için, teneffüs yolu ile ciğerlere alınabilir. Plutonyum ciğer kanserine sebep olur. Vücut içerisine girer girmez, kemik maddesine hücum ederek kemik kanserine de sebebiyet verebilir. ⓘ

Çevreye etkisi: Nükleer santral reaktörlerinin artıkları bol miktarda plutonyum ihtiva ettiği için çok iyi muhafaza edilmelidir. Nükleer bomba denemeleriyle çevreye plutonyum artıkları yayılmış durumdadır. Her patlayacak atom bombası insanlığın felaketine ortam hazırlamaktadır. ⓘ

Plütonyum, Pu sembolüne ve 94 atom numarasına sahip radyoaktif bir kimyasal elementtir. Havaya maruz kaldığında kararan ve oksitlendiğinde donuk bir kaplama oluşturan gümüşi-gri görünümlü bir aktinit metalidir. Element normalde altı allotrop ve dört oksidasyon durumu sergiler. Karbon, halojenler, nitrojen, silikon ve hidrojen ile reaksiyona girer. Nemli havaya maruz kaldığında, numuneyi hacim olarak %70'e kadar genişletebilen oksitler ve hidritler oluşturur ve bunlar da piroforik bir toz olarak pul pul dökülür. Radyoaktiftir ve kemiklerde birikebilir, bu da plütonyumun taşınmasını tehlikeli hale getirir. ⓘ

Plütonyum ilk olarak 1940'ın sonlarında ve 1941'in başlarında Berkeley'deki Kaliforniya Üniversitesi'nde bulunan 1,5 metrelik (60 inç) siklotronda uranyum-238'in döteron bombardımanına tutulmasıyla sentetik olarak üretilmiş ve izole edilmiştir. İlk olarak neptünyum-238 (yarı ömrü 2,1 gün) sentezlendi ve daha sonra beta bozunmasına uğrayarak atom numarası 94 ve atom ağırlığı 238 (yarı ömrü 88 yıl) olan yeni elementi oluşturdu. Uranyum Uranüs gezegeninin, neptünyum da Neptün gezegeninin adını taşıdığından, 94 numaralı elemente de o zamanlar bir gezegen olarak kabul edilen Plüton'un adı verildi. Savaş zamanı gizliliği, Kaliforniya Üniversitesi ekibinin keşfini 1948 yılına kadar yayınlamasını engelledi. ⓘ

Plütonyum doğada bulunan en yüksek atom numarasına sahip elementtir. Eser miktarda doğal uranyum-238 yataklarında, uranyum-238'in diğer uranyum-238 atomlarının bozunmasıyla yayılan nötronları yakalamasıyla ortaya çıkar. ⓘ

İlk kez yararlı miktarlarda plütonyum üretmek, İkinci Dünya Savaşı sırasında ilk atom bombalarını geliştiren Manhattan Projesi'nin önemli bir parçasıydı. Temmuz 1945'te Trinity nükleer testinde ve Ağustos 1945'te Nagazaki'nin bombalanmasında kullanılan Fat Man bombaları plütonyum çekirdeğe sahipti. Plütonyum üzerinde çalışan insan radyasyon deneyleri bilgilendirilmiş rıza olmaksızın gerçekleştirilmiş ve savaştan sonra bazıları ölümcül olmak üzere birçok kritiklik kazası meydana gelmiştir. Soğuk Savaş sırasında inşa edilen nükleer enerji santrallerinden ve sökülen nükleer silahlardan kaynaklanan plütonyum atıklarının bertaraf edilmesi nükleer silahların yayılması ve çevre açısından bir endişe kaynağıdır. Çevredeki diğer plütonyum kaynakları, artık yasaklanmış olan çok sayıda yer üstü nükleer denemeden kaynaklanan serpintilerdir. ⓘ

Özellikleri

Fiziksel özellikler

Plütonyum, çoğu metal gibi, ilk başta nikel gibi parlak gümüşi bir görünüme sahiptir, ancak çok hızlı bir şekilde donuk bir griye oksitlenir, ancak sarı ve zeytin yeşili de rapor edilmiştir. Oda sıcaklığında plütonyum α (alfa) formundadır. Elementin (allotrop) en yaygın yapısal formu olan bu, yumuşak ve sünek hale getirmek için diğer metallerle alaşım yapılmadığı sürece gri dökme demir kadar sert ve kırılgandır. Çoğu metalin aksine, iyi bir ısı veya elektrik iletkeni değildir. Düşük bir erime noktasına (640 °C, 1,184 °F) ve alışılmadık derecede yüksek bir kaynama noktasına (3,228 °C, 5,842 °F) sahiptir. Bu, plütonyumun sıvı olduğu geniş bir sıcaklık aralığı (2.500 kelvin genişliğinde) verir, ancak bu aralık ne tüm aktinitler arasında ne de tüm metaller arasında en büyüktür. Düşük erime noktası ve oksitle karşılaştırıldığında doğal metalin reaktivitesi, plütonyum oksitlerin nükleer fisyon reaktör yakıtı (MOX-yakıt) gibi uygulamalar için tercih edilen bir form olmasına yol açar. ⓘ

Yüksek enerjili bir helyum çekirdeğinin salınımı olan alfa bozunumu, plütonyum için en yaygın radyoaktif bozunma şeklidir. 5 kg'lık bir 239Pu kütlesi yaklaşık 12.5×10²⁴ atom içerir. Yarılanma ömrü 24.100 yıl olan 239Pu'nun atomlarının yaklaşık 11,5×10¹²'si her saniye 5,157 MeV'lik bir alfa parçacığı yayarak bozunur. Bu da 9,68 watt güce denk gelir. Bu alfa parçacıklarının yavaşlamasıyla ortaya çıkan ısı, dokunulduğunda sıcak olmasını sağlar. ²³⁸
Pu çok daha kısa yarı ömrü nedeniyle çok daha yüksek sıcaklıklara kadar ısınır ve harici ısıtma veya soğutma olmadan bırakılırsa kara cisim radyasyonuyla kırmızı sıcakta parlar. Bu ısı radyoizotop termoelektrik jeneratörlerinde kullanılmıştır (aşağıya bakınız). ⓘ

Özdirenç, bir malzemenin elektrik akımının akışına ne kadar güçlü bir şekilde karşı koyduğunun bir ölçüsüdür. Plütonyumun oda sıcaklığındaki direnci bir metal için çok yüksektir ve düşük sıcaklıklarda daha da yükselir ki bu metaller için alışılmadık bir durumdur. Bu eğilim 100 K'ye kadar devam eder ve bunun altında taze numuneler için özdirenç hızla azalır. Özdirenç daha sonra, numunenin izotopik bileşimi tarafından belirlenen oranla, radyasyon hasarı nedeniyle yaklaşık 20 K'de zamanla artmaya başlar. ⓘ

Kendi kendine ışınlama nedeniyle, bir plütonyum örneği kristal yapısı boyunca yorulur, yani atomlarının düzenli düzeni zamanla radyasyonla bozulur. Kendi kendine ışınlama, sıcaklık 100 K'nin üzerine çıktıkça yorulma etkilerinin bazılarına karşı koyan tavlamaya da yol açabilir. ⓘ

Çoğu malzemenin aksine, plütonyum eridiğinde yoğunluğu %2,5 oranında artar, ancak sıvı metal sıcaklıkla birlikte yoğunlukta doğrusal bir düşüş sergiler. Erime noktasının yakınında, sıvı plütonyum diğer metallere kıyasla çok yüksek viskozite ve yüzey gerilimine sahiptir. ⓘ

Allotroplar

Plütonyumun ortam basıncında altı allotropu vardır: alfa (α), beta (β), gama (γ), delta (δ), delta prime (δ') ve epsilon (ε) ⓘ

Plütonyum normalde altı allotropa sahiptir ve sınırlı bir basınç aralığında yüksek sıcaklıkta yedincisini (zeta, ζ) oluşturur. Bir elementin farklı yapısal modifikasyonları veya formları olan bu allotroplar çok benzer iç enerjilere sahiptir, ancak önemli ölçüde değişen yoğunluklara ve kristal yapılara sahiptir. Bu durum plütonyumu sıcaklık, basınç veya kimyadaki değişikliklere karşı çok hassas hale getirir ve bir allotropik formdan diğerine faz geçişlerini takiben dramatik hacim değişikliklerine izin verir. Farklı allotropların yoğunlukları 16,00 g/cm³ ile 19,86 g/cm³ arasında değişmektedir. ⓘ

Bu çok sayıda allotropun varlığı, çok kolay hal değiştirdiği için plütonyumun işlenmesini çok zorlaştırır. Örneğin, α formu alaşımsız plütonyumda oda sıcaklığında bulunur. Dökme demire benzer işleme özelliklerine sahiptir ancak biraz daha yüksek sıcaklıklarda plastik ve dövülebilir β (beta) formuna dönüşür. Karmaşık faz diyagramının nedenleri tam olarak anlaşılamamıştır. α formu düşük simetrili monoklinik bir yapıya sahiptir, dolayısıyla kırılganlığı, mukavemeti, sıkıştırılabilirliği ve zayıf termal iletkenliği vardır. ⓘ

δ (delta) formundaki plütonyum normalde 310 °C ila 452 °C aralığında bulunur, ancak küçük bir galyum, alüminyum veya seryum yüzdesi ile alaşımlandığında oda sıcaklığında kararlıdır, işlenebilirliği artırır ve kaynak yapılmasına izin verir. δ formu daha tipik metalik karaktere sahiptir ve kabaca alüminyum kadar güçlü ve dövülebilirdir. Fisyon silahlarında, bir plütonyum çekirdeğini sıkıştırmak için kullanılan patlayıcı şok dalgaları da normal δ fazlı plütonyumdan daha yoğun α formuna geçişe neden olarak süperkritikliğe ulaşmaya önemli ölçüde yardımcı olur. En yüksek sıcaklıktaki katı allotrop olan ε fazı, diğer elementlere kıyasla anormal derecede yüksek atomik öz difüzyon sergiler. ⓘ

Nükleer fisyon

Bir bomba çekirdeği için yeterli olan, silah sınıfı %99,96 saflıkta elektro-rafine plütonyum halkası. Halka 5,3 kg ağırlığında, yaklaşık 11 cm çapındadır ve şekli kritiklik güvenliğine yardımcı olur. ⓘ

Plütonyum, izotopu plütonyum-239 olan radyoaktif bir aktinit metaldir ve üç temel bölünebilir izotoptan biridir (uranyum-233 ve uranyum-235 diğer ikisi); plütonyum-241 de yüksek oranda bölünebilirdir. Bir izotopun bölünebilir olarak kabul edilebilmesi için atom çekirdeğinin yavaş hareket eden bir nötron tarafından vurulduğunda parçalanabilmesi veya bölünebilmesi ve daha fazla çekirdeği bölerek nükleer zincir reaksiyonunu sürdürmeye yetecek kadar ilave nötron salabilmesi gerekir. ⓘ

Saf plütonyum-239 birden büyük bir çarpma faktörüne (k_eff) sahip olabilir; bu da metalin yeterli miktarda ve uygun bir geometride (örneğin yeterli büyüklükte bir küre) bulunması halinde kritik bir kütle oluşturabileceği anlamına gelir. Fisyon sırasında, bir çekirdeği bir arada tutan nükleer bağlanma enerjisinin bir kısmı büyük miktarda elektromanyetik ve kinetik enerji olarak açığa çıkar (ikincisinin çoğu hızla termal enerjiye dönüştürülür). Bir kilogram plütonyum-239'un parçalanması 21.000 ton TNT'ye (88.000 GJ) eşdeğer bir patlama üretebilir. Plütonyum-239'u nükleer silahlarda ve reaktörlerde kullanışlı kılan işte bu enerjidir. ⓘ

Bir numunede plütonyum-240 izotopunun bulunması nükleer bomba potansiyelini sınırlar, çünkü plütonyum-240 nispeten yüksek bir kendiliğinden fisyon oranına sahiptir (gram başına saniyede ~440 fisyon- gram başına saniyede 1.000 nötrondan fazla), arka plan nötron seviyelerini yükseltir ve böylece ön patlama riskini artırır. Plütonyum, içerdiği plütonyum-240 yüzdesine göre silah sınıfı, yakıt sınıfı ya da reaktör sınıfı olarak tanımlanır. Silah sınıfı plütonyum %7'den az plütonyum-240 içerir. Yakıt sınıfı plütonyum %7 ila %19'dan az, güç reaktörü sınıfı ise %19 veya daha fazla plütonyum-240 içerir. Plütonyum-240 oranı %4'ten az olan süper dereceli plütonyum, daha düşük radyoaktivitesi nedeniyle gemi ve denizaltı mürettebatının yakınında depolanan ABD Donanması silahlarında kullanılır. Plütonyum-238 izotopu bölünebilir değildir ancak alfa bozunmasının yanı sıra hızlı nötronlarla kolayca nükleer fisyona uğrayabilir. Tüm plütonyum izotopları, bir ya da daha fazla nötron emilimi ile, beta bozunumu takip etsin ya da etmesin, bölünebilir malzemeye "dönüştürülebilir". Bu da Plütonyumun bölünebilir olmayan izotoplarını verimli bir malzeme haline getirir. ⓘ

İzotoplar ve nükleosentez

Uranyum-plütonyum ve toryum-uranyum zincirleri ⓘ

Plütonyumun yirmi radyoaktif izotopu karakterize edilmiştir. En uzun ömürlü olanlar 80,8 milyon yıllık yarı ömre sahip plütonyum-244, 373.300 yıllık yarı ömre sahip plütonyum-242 ve 24.110 yıllık yarı ömre sahip plütonyum-239'dur. Geri kalan tüm radyoaktif izotopların yarı ömürleri 7.000 yıldan daha azdır. Bu element ayrıca sekiz metastabil duruma sahiptir, ancak hepsinin yarı ömrü bir saniyeden azdır. ⓘ

Plütonyumun bilinen izotoplarının kütle numarası 228 ile 247 arasında değişmektedir. En kararlı izotop olan plütonyum-244'ten daha düşük kütle sayısına sahip izotopların birincil bozunma modları, çoğunlukla bozunma ürünleri olarak uranyum (92 proton) ve neptünyum (93 proton) izotoplarını oluşturan spontane fisyon ve alfa emisyonudur (fisyon süreçleri tarafından oluşturulan çok çeşitli yavru çekirdekleri ihmal ederek). Kütle numarası plütonyum-244'ten yüksek olan izotoplar için birincil bozunma modu beta emisyonudur ve bozunma ürünleri olarak çoğunlukla amerikyum (95 proton) izotoplarını oluşturur. Plütonyum-241, neptünyum bozunma serisinin ana izotopudur ve beta emisyonu yoluyla amerikyum-241'e bozunur. ⓘ

Plütonyum-238 ve 239 en yaygın olarak sentezlenen izotoplardır. Plütonyum-239, ara ürün olarak neptünyum (Np) ile beta bozunumu (β-) yoluyla uranyum (U) ve nötronlar (n) kullanılarak aşağıdaki reaksiyon yoluyla sentezlenir:

Ayrıştırılamadı (sözdizim hatası): {\displaystyle \ce{ {^{238}_{92}U} + {^{1}_{0}n} -> {^{239}_{92}U} ->[\beta^-] [23,5 \ \ce{min}] {^{239}_{93}Np} ->[\beta^-] [2.3565 \ \ce d] {^{239}_{94}Pu} <span title="Kaynak: İngilizce Vikipedi, Bölüm &quot;Isotopes and nucleosynthesis&quot;" class="plainlinks">[https://en.wikipedia.org/wiki/Plutonium#Isotopes_and_nucleosynthesis <span style="color:#dddddd">ⓘ</span>]</span> }}

Uranyum-235'in fisyonundan kaynaklanan nötronlar uranyum-238 çekirdekleri tarafından yakalanarak uranyum-239'u oluşturur; bir beta bozunumu bir nötronu protona dönüştürerek neptünyum-239'u (yarı ömrü 2,36 gün) ve bir başka beta bozunumu da plütonyum-239'u oluşturur. İngiliz Tüp Alaşımları projesinde çalışan Egon Bretscher bu reaksiyonu 1940 yılında teorik olarak öngörmüştür. ⓘ

Plütonyum-238, aşağıdaki reaksiyonda uranyum-238'in döteronlarla (D, ağır hidrojen çekirdekleri) bombardıman edilmesiyle sentezlenir:

${\begin{aligned}{\ce {{^{238}_{92}U}+{^{2}_{1}D}->}}&{\ce {{^{238}_{93}Np}+2_{0}^{1}n}}\\&{\ce {^{238}_{93}Np->[\beta ^{-}][2.117\ {\ce {d}}]{^{238}_{94}Pu}}}\end{aligned}}$ ⓘ

Bu süreçte uranyum-238'e çarpan bir döteron iki nötron ve neptünyum-238 üretir, bu da negatif beta parçacıkları yayarak kendiliğinden bozunur ve plütonyum-238'i oluşturur. Plütonyum-238, neptünyum-237'nin nötron ışınlamasıyla da üretilebilir. ⓘ

Bozunma ısısı ve fisyon özellikleri

Plütonyum izotopları radyoaktif bozunmaya uğrar ve bu da bozunma ısısı üretir. Farklı izotoplar kütle başına farklı miktarlarda ısı üretir. Bozunma ısısı genellikle watt/kilogram veya miliwatt/gram olarak listelenir. Daha büyük plütonyum parçalarında (örneğin bir silah çukuru) ve yetersiz ısı gideriminde ortaya çıkan kendi kendine ısınma önemli olabilir. ⓘ

Plütonyum izotoplarının bozunma ısısı

İzotop	Çürüme modu	Yarılanma ömrü (yıl)	Bozunma ısısı (W/kg)	Spontane fisyon nötronları (1/(g-s))	Yorum ⓘ
238Pu	alfa ila 234U	87.74	560	2600	Çok yüksek bozunma ısısı. Küçük miktarlarda bile önemli ölçüde kendi kendine ısınmaya neden olabilir. Radyoizotop termoelektrik jeneratörlerinde tek başına kullanılır.
239Pu	alfadan 235U'ya	24100	1.9	0.022	Kullanımdaki başlıca bölünebilir izotop.
240Pu	236U'ya kadar alfa, kendiliğinden fisyon	6560	6.8	910	239Pu izotopu numunelerindeki temel safsızlık. Plütonyum derecesi genellikle 240Pu yüzdesi olarak listelenir. Yüksek spontane fisyon nükleer silahlarda kullanımını engeller.
241Pu	beta-eksi, 241Am'ye	14.4	4.2	0.049	Amerikyum-241'e bozunur; birikmesi eski örneklerde radyasyon tehlikesi oluşturur.
242Pu	238U'ya alfa	376000	0.1	1700	242Pu alfa bozunumu yoluyla 238U'ya bozunur; ayrıca kendiliğinden fisyon yoluyla da bozunur.

Bileşikleri ve kimyası

Çözeltideki plütonyumun çeşitli oksidasyon durumları ⓘ

Oda sıcaklığında, saf plütonyum gümüşi renktedir ancak oksitlendiğinde kararır. Element sulu çözeltide dört yaygın iyonik oksidasyon durumu ve bir nadir durum gösterir:

• Pu(III), Pu³⁺ olarak (mavi lavanta)
• Pu(IV), Pu⁴⁺ olarak (sarı kahverengi)
• Pu(V), PuO⁺ olarak
  ₂ (açık pembe)
• Pu(VI), PuO²⁺ olarak
  ₂ (pembe turuncu)
• Pu(VII), PuO3- olarak
  ₅ (yeşil)- heptavalent iyon nadirdir. ⓘ

Plütonyum çözeltilerinin gösterdiği renk hem oksidasyon durumuna hem de asit anyonunun doğasına bağlıdır. Plütonyum türlerinin kompleksleşme derecesini (atomların merkezi bir atoma nasıl bağlandığını) etkileyen asit anyonudur. Ek olarak, plütonyumun resmi +2 oksidasyon durumu [K(2.2.2-cryptand)] [Pu^IICp″₃] kompleksinde bilinmektedir, Cp″ = C₅H₃(SiMe₃)₂. ⓘ

Uçucu tetroksit PuO'da da +8 oksidasyon durumu mümkündür.
₄. FeO'ya benzer bir indirgeme mekanizması yoluyla kolayca ayrışmasına rağmen
₄, PuO
₄ alkali çözeltilerde ve kloroformda stabilize edilebilir. ⓘ

Metalik plütonyum, plütonyum tetraflorürün 1200 °C'de baryum, kalsiyum veya lityum ile reaksiyona sokulmasıyla üretilir. Metalik plütonyum asitler, oksijen ve buhar tarafından saldırıya uğrar ancak alkaliler tarafından saldırıya uğramaz ve konsantre hidroklorik, hidroiyodik ve perklorik asitlerde kolayca çözünür. Erimiş metal, hava ile reaksiyona girmesini önlemek için vakumda veya inert bir atmosferde tutulmalıdır. Metal 135 °C'de havada tutuşur ve karbon tetraklorür içine konulursa patlar. ⓘ

Plütonyumun piroforik özelliği, belirli koşullar altında parlayan bir kor gibi görünmesine neden olabilir. ⓘ

Yirmi mikrogram saf plütonyum hidroksit ⓘ

Plütonyum reaktif bir metaldir. Nemli havada veya nemli argonda metal hızla oksitlenerek oksit ve hidrit karışımı üretir. Metal sınırlı miktarda su buharına yeterince uzun süre maruz kalırsa, PuO₂'nin toz halinde bir yüzey kaplaması oluşur. Ayrıca plütonyum hidrür de oluşur, ancak fazla su buharı sadece PuO₂ oluşturur. ⓘ

Plütonyum saf hidrojenle muazzam ve tersine çevrilebilir reaksiyon hızları göstererek plütonyum hidrür oluşturur. Aynı zamanda oksijenle de kolayca reaksiyona girerek PuO ve PuO₂ ile ara oksitler oluşturur; plütonyum oksit, plütonyum metalden %40 daha fazla hacim doldurur. Metal halojenlerle reaksiyona girerek X'in F, Cl, Br veya I olabileceği PuX₃ genel formülüne sahip bileşiklere yol açar ve PuF₄ de görülür. Aşağıdaki oksihalidler gözlenir: PuOCl, PuOBr ve PuOI. PuC oluşturmak için karbonla, PuN oluşturmak için nitrojenle ve PuSi₂ oluşturmak için silikonla reaksiyona girecektir. ⓘ

Plütonyum komplekslerinin organometalik kimyası organoaktinid türleri için tipiktir; organoplütonyum bileşiğinin karakteristik bir örneği plütonosendir. Hesaplamalı kimya yöntemleri, plütonyum-ligand bağında gelişmiş bir kovalent karaktere işaret etmektedir. ⓘ

Plütonyum, hidrürleri ve Pu₂O₃ gibi bazı oksitlerin tozları piroforiktirler, yani ortam sıcaklığında kendiliğinden tutuşabilirler ve bu nedenle azot veya argondan oluşan inert, kuru bir atmosferde işlenirler. Dökme plütonyum yalnızca 400 °C'nin üzerinde ısıtıldığında tutuşur. Pu₂O₃ kendiliğinden ısınır ve kuru havada stabil olan PuO₂'ye dönüşür, ancak ısıtıldığında su buharı ile reaksiyona girer. ⓘ

Plütonyum içeren potaların plütonyumun güçlü indirgeyici özelliklerine dayanabilmesi gerekir. Tantal ve tungsten gibi refrakter metaller ile daha kararlı oksitler, borürler, karbürler, nitrürler ve silikitler bunu tolere edebilir. Bir elektrik ark ocağında eritme, potaya ihtiyaç duymadan metalin küçük külçelerini üretmek için kullanılabilir. ⓘ

Seryum, muhafaza, çıkarma ve diğer teknolojilerin geliştirilmesi için plütonyumun kimyasal bir simülatörü olarak kullanılır. ⓘ

Elektronik yapısı

Plütonyum, 5f elektronlarının delokalize ve lokalize arasında geçiş sınırı olduğu bir elementtir; bu nedenle en karmaşık elementlerden biri olarak kabul edilir. Plütonyumun anormal davranışı elektronik yapısından kaynaklanır. 6d ve 5f alt kabukları arasındaki enerji farkı çok düşüktür. 5f kabuğunun boyutu, elektronların kafes içinde, lokalize ve bağlanma davranışı arasındaki sınırda bağlar oluşturmasına izin vermek için yeterlidir. Enerji seviyelerinin yakınlığı, neredeyse eşit enerji seviyelerine sahip çok sayıda düşük enerjili elektron konfigürasyonuna yol açar. Bu da kimyasal davranışının karmaşıklığına neden olan 5fn7s² ve 5fn-16d¹7s² konfigürasyonlarının rekabet etmesine yol açar. 5f orbitallerinin oldukça yönlü doğası, moleküllerdeki ve plütonyum komplekslerindeki yönlü kovalent bağlardan sorumludur. ⓘ

Alaşımlar

Plütonyum diğer metallerin çoğuyla alaşımlar ve ara bileşikler oluşturabilir. İstisnalar arasında alkali metallerden lityum, sodyum, potasyum, rubidyum ve sezyum; toprak alkali metallerden magnezyum, kalsiyum, stronsiyum ve baryum; nadir toprak metallerinden europium ve ytterbium yer alır. Kısmi istisnalar arasında sıvı plütonyumda çözünebilen ancak katı plütonyumda çözünmeyen veya çok az çözünen refrakter metaller krom, molibden, niyobyum, tantal ve tungsten yer alır. Galyum, alüminyum, amerikyum, skandiyum ve seryum oda sıcaklığı için plütonyumun δ fazını stabilize edebilir. Silikon, indiyum, çinko ve zirkonyum hızla soğutulduğunda metastabil δ halinin oluşumuna izin verir. Yüksek miktarda hafniyum, holmiyum ve talyum da oda sıcaklığında δ fazının bir miktar korunmasına izin verir. Neptünyum, α fazını daha yüksek sıcaklıklarda stabilize edebilen tek elementtir. ⓘ

Plütonyum alaşımları, erimiş plütonyuma bir metal eklenerek üretilebilir. Alaşım metali yeterince indirgeyici ise, plütonyum oksit veya halojenür şeklinde eklenebilir. δ fazı plütonyum-galyum ve plütonyum-alüminyum alaşımları, erimiş galyum veya alüminyuma plütonyum (III) florür eklenerek üretilir, bu da yüksek derecede reaktif plütonyum metaliyle doğrudan uğraşmaktan kaçınma avantajına sahiptir.

• Plütonyum-galyum, α-fazı ve α-δ ile ilgili sorunlardan kaçınarak plütonyumun δ fazını stabilize etmek için kullanılır. Ana kullanım alanı patlamalı nükleer silahların çukurlarıdır.
• Plütonyum-alüminyum, Pu-Ga alaşımına bir alternatiftir. δ faz stabilizasyonu için düşünülen orijinal elementti, ancak alfa parçacıklarıyla reaksiyona girme ve nötronları serbest bırakma eğilimi nükleer silah çukurları için kullanılabilirliğini azaltır. Plütonyum-alüminyum alaşımı nükleer yakıtın bir bileşeni olarak da kullanılabilir.
• Plütonyum-galyum-kobalt alaşımı (PuCoGa₅) geleneksel olmayan bir süper iletkendir, 18.5 K'nin altında süper iletkenlik gösterir, ağır fermiyon sistemleri arasındaki en yüksek değerden bir büyüklük sırası daha yüksektir ve büyük kritik akıma sahiptir.
• Plütonyum-zirkonyum alaşımı nükleer yakıt olarak kullanılabilir.
• Plütonyum-seryum ve plütonyum-seryum-kobalt alaşımları nükleer yakıt olarak kullanılır.
• Yaklaşık %15-30 mol plütonyum içeren plütonyum-uranyum, hızlı üreme reaktörleri için nükleer yakıt olarak kullanılabilir. Piroforik yapısı ve havaya maruz kaldıktan sonra kendi kendine tutuşma veya parçalanma noktasına kadar korozyona karşı yüksek duyarlılığı, diğer bileşenlerle alaşım yapılmasını gerektirir. Alüminyum, karbon veya bakır ilavesi parçalanma oranlarını belirgin şekilde iyileştirmez, zirkonyum ve demir alaşımları daha iyi korozyon direncine sahiptir ancak bunlar da havada birkaç ay içinde parçalanır. Titanyum ve/veya zirkonyum ilavesi alaşımın erime noktasını önemli ölçüde artırır.
• Plütonyum-uranyum-titanyum ve plütonyum-uranyum-zirkonyum nükleer yakıt olarak kullanılmak üzere araştırılmıştır. Üçüncü elementin eklenmesi korozyon direncini artırır, yanıcılığı azaltır ve sünekliği, üretilebilirliği, mukavemeti ve termal genleşmeyi iyileştirir. Plütonyum-uranyum-molibden, oksitlerden koruyucu bir film oluşturarak en iyi korozyon direncine sahiptir, ancak titanyum ve zirkonyum fiziksel nedenlerden dolayı tercih edilmektedir.
• Toryum-uranyum-plutonyum hızlı üreme reaktörleri için nükleer yakıt olarak araştırılmıştır. ⓘ

Oluşum

Questacon müzesinde sergilenen plütonyum metal örneği ⓘ

Eser miktarda plütonyum-238, plütonyum-239, plütonyum-240 ve plütonyum-244 doğada bulunabilir. Oklo, Gabon'daki doğal nükleer fisyon reaktörü gibi bazı konsantre uranyum cevherlerinde trilyonda birkaç parça olmak üzere küçük miktarlarda plütonyum-239 ve bozunma ürünleri doğal olarak bulunur. Cigar Lake Mine uranyum yatağındaki plütonyum-239'un uranyuma oranı 2,4×10-12 ila 44×10-12 arasında değişmektedir. Bu eser miktardaki ²³⁹Pu şu şekilde ortaya çıkar: Nadir durumlarda ²³⁸U kendiliğinden fisyona uğrar ve bu süreçte çekirdek bir miktar kinetik enerjiye sahip bir veya iki serbest nötron yayar. Bu nötronlardan biri başka bir ²³⁸U atomunun çekirdeğine çarptığında, atom tarafından emilir ve ²³⁹U haline gelir. Nispeten kısa bir yarı ömürle ²³⁹U, ²³⁹Np'ye, o da ²³⁹Pu'ya bozunur. Son olarak, doğal uranyum örneklerinde uranyum-238'in son derece nadir görülen çift beta bozunmasına atfedilen son derece küçük miktarlarda plütonyum-238 bulunmuştur. ⓘ

Yaklaşık 80 milyon yıllık nispeten uzun yarı ömrü nedeniyle, plütonyum-244'ün doğal olarak ilkel bir nüklit olarak ortaya çıktığı öne sürülmüş, ancak tespit edildiğine dair ilk raporlar doğrulanamamıştır. Bununla birlikte, uzun yarı ömrü, yok olmadan önce güneş sistemi boyunca dolaşımını sağlamıştır ve gerçekten de meteoritlerde soyu tükenmiş ²⁴⁴Pu'nun kendiliğinden parçalandığına dair kanıtlar bulunmuştur. ²⁴⁴Pu'nun erken Güneş Sistemi'ndeki eski varlığı doğrulanmıştır, çünkü bugün kendisini kızları olan ²³²Th (alfa bozunma yolundan) veya ksenon izotoplarının (kendiliğinden parçalanmasından) fazlalığı olarak göstermektedir. İkincisi genellikle daha kullanışlıdır, çünkü toryum ve plütonyumun kimyaları oldukça benzerdir (her ikisi de ağırlıklı olarak tetravalenttir) ve dolayısıyla fazla toryum, bir kısmının plütonyum kızı olarak oluştuğuna dair güçlü bir kanıt olmayacaktır. ²⁴⁴Pu tüm transuranik nüklitler arasında en uzun yarı ömre sahiptir ve yalnızca süpernovalardaki ve çarpışan nötron yıldızlarındaki r-sürecinde üretilir; çekirdekler bu olaylardan Dünya'ya ulaşmak için yüksek hızda fırlatıldığında, transuranik nüklitler arasında yalnızca ²⁴⁴Pu yolculuktan sağ çıkabilecek kadar uzun bir yarı ömre sahiptir ve bu nedenle derin deniz tabanında canlı yıldızlararası ²⁴⁴Pu'nun küçük izleri bulunmuştur. ²⁴⁰Pu da ²⁴⁴Pu'nun bozunma zincirinde yer aldığından, daha küçük miktarlarda da olsa, seküler dengede de mevcut olmalıdır. ⓘ

Gerçekleştirilen 550 atmosferik ve sualtı nükleer test ve az sayıda büyük nükleer kaza nedeniyle insan vücudunda genellikle çok küçük miktarlarda plütonyum bulunur. Atmosferik ve sualtı nükleer testlerinin çoğu, 1963 yılında nükleer güçlerden Amerika Birleşik Devletleri, Birleşik Krallık ve Sovyetler Birliği tarafından imzalanan ve onaylanan Sınırlı Test Yasağı Anlaşması ile durdurulmuştur. Fransa 1974 yılına kadar, Çin ise 1980 yılına kadar atmosferik nükleer testlere devam etmiştir. Sonraki tüm nükleer testler yeraltında gerçekleştirilmiştir. ⓘ

Tarih

Keşif

Enrico Fermi ve Roma Üniversitesi'ndeki bir grup bilim insanı 1934 yılında 94 numaralı elementi keşfettiklerini bildirdi. Fermi bu elemente hesperium adını verdi ve 1938'deki Nobel Konuşmasında bundan bahsetti. Numune aslında başta baryum ve kripton olmak üzere nükleer fisyon ürünleri içeriyordu. Almanya'da 1938 yılında Otto Hahn ve Fritz Strassmann tarafından keşfedilen nükleer fisyon o zamanlar bilinmiyordu. ⓘ

Glenn T. Seaborg ve Berkeley'deki ekibi plütonyumu üreten ilk kişilerdi. ⓘ

Plütonyum (özellikle plütonyum-238) ilk olarak Aralık 1940 ile Şubat 1941 arasında Glenn T. Seaborg, Edwin McMillan, Emilio Segrè, Joseph W. Kennedy ve Arthur Wahl tarafından Kaliforniya Üniversitesi Berkeley Radyasyon Laboratuvarı'ndaki 60 inçlik (150 cm) siklotronda uranyumun döteron bombardımanına tutulmasıyla üretildi, izole edildi ve ardından kimyasal olarak tanımlandı. Neptünyum-238 doğrudan bombardımanla oluşturuldu, ancak iki günden biraz fazla bir yarı ömürle beta emisyonu ile bozundu ve bu da 94 elementinin oluşumunu gösterdi. İlk bombardıman 14 Aralık 1940'ta gerçekleşti ve yeni element ilk kez 23-24 Şubat 1941 gecesi oksidasyon yoluyla tanımlandı. ⓘ

Keşfi belgeleyen bir makale ekip tarafından hazırlandı ve Mart 1941'de Physical Review dergisine gönderildi, ancak güvenlik endişeleri nedeniyle yayınlanması İkinci Dünya Savaşı'nın bitiminden bir yıl sonraya ertelendi. Cambridge'deki Cavendish Laboratuvarı'nda Egon Bretscher ve Norman Feather, uranyumla beslenen bir yavaş nötron reaktörünün teorik olarak yan ürün olarak önemli miktarda plütonyum-239 üreteceğini fark etti. Element 94'ün bölünebilir olacağını ve uranyumdan kimyasal olarak farklı olma avantajına sahip olduğunu ve ondan kolayca ayrılabileceğini hesapladılar. ⓘ

McMillan kısa bir süre önce ilk transuranik elemente Neptün gezegeninden esinlenerek neptünyum adını vermişti ve serideki bir sonraki element olan 94'e de o zamanlar bir sonraki gezegen olarak kabul edilen Plüton'un adının verilmesini önerdi. Cambridge ekibinden Nicholas Kemmer, Berkeley ekibiyle aynı gerekçeye dayanarak bağımsız olarak aynı ismi önermiştir. Seaborg başlangıçta "plutium" ismini düşünmüş, ancak daha sonra bunun kulağa "plutonium" kadar hoş gelmediğini düşünmüştür. "Pu" harflerini, periyodik tabloya fark edilmeden geçen özellikle iğrenç bir kokuyu belirtmek için "P U" ünlemine atıfta bulunarak bir şaka olarak seçti. Seaborg ve diğerleri tarafından düşünülen alternatif isimler, periyodik tabloda mümkün olan son elementi bulduklarına dair hatalı inanç nedeniyle "ultimium" veya "extremium" idi. ⓘ

Hahn ve Strassmann ve bağımsız olarak Kurt Starke, bu noktada Berlin'de transuranik elementler üzerinde de çalışıyorlardı. Hahn ve Strassmann'ın plütonyum-239'un bölünebilir olması gerektiğinin farkında olmaları muhtemeldir. Ancak ellerinde güçlü bir nötron kaynağı yoktu. Element 93, 1942 yılında Hahn ve Strassmann'ın yanı sıra Starke tarafından da rapor edilmiştir. Hahn'ın grubu, muhtemelen McMillan ve Abelson'un 93 elementini ilk bulduklarında izole etmede başarılı olamamaları nedeniyle cesaretleri kırıldığı için 94 elementinin peşine düşmedi. Ancak Hahn'ın grubu bu noktada Paris'teki daha güçlü siklotrona erişebildiğinden, küçük miktarlarda da olsa (birkaç becquerel) denemiş olsalardı muhtemelen plütonyumu tespit edebileceklerdi. ⓘ

Erken dönem araştırmaları

Plütonyumun adını aldığı cüce gezegen Plüton ⓘ

Birkaç aylık ilk çalışmanın ardından plütonyumun kimyasının uranyuma benzediği anlaşıldı. İlk araştırmalar Chicago Üniversitesi'nin gizli Metalürji Laboratuarı'nda sürdürüldü. 20 Ağustos 1942'de bu elementten eser miktarda izole edildi ve ilk kez ölçüldü. Uranyum ve fisyon ürünleriyle birleştirilmiş yaklaşık 50 mikrogram plütonyum-239 üretildi ve sadece yaklaşık 1 mikrogramı izole edildi. Bu prosedür kimyagerlerin yeni elementin atom ağırlığını belirlemelerini sağladı. 2 Aralık 1942'de Chicago Üniversitesi Stagg Sahası'nın batı tribününün altındaki raket sahasında Enrico Fermi başkanlığındaki araştırmacılar CP-1 olarak bilinen bir grafit ve uranyum yığınında kendi kendine devam eden ilk zincirleme reaksiyonu gerçekleştirdiler. CP-1'in çalıştırılmasından elde edilen teorik bilgileri kullanan DuPont, X-10 olarak bilinen hava soğutmalı deneysel bir üretim reaktörü ve Oak Ridge'de bir pilot kimyasal ayırma tesisi inşa etti. Ayırma tesisi, Glenn T. Seaborg ve Met Lab'daki bir grup araştırmacı tarafından geliştirilen yöntemleri kullanarak X-10 reaktöründe ışınlanan uranyumdan plütonyumu ayırdı. CP-1'den elde edilen bilgiler, Hanford için su soğutmalı plütonyum üretim reaktörlerini tasarlayan Met Lab bilim adamları için de yararlı oldu. Bölgedeki inşaat 1943 ortalarında başladı. ⓘ

Kasım 1943'te bir miktar plütonyum triflorür indirgenerek ilk plütonyum metali örneği oluşturuldu: birkaç mikrogram metalik boncuk. Sentetik olarak üretilen ve çıplak gözle görülebilen ilk element olmasına yetecek kadar plütonyum üretildi. ⓘ

Plütonyum-239'un nükleer özellikleri de incelendi; araştırmacılar bir nötron tarafından vurulduğunda daha fazla nötron ve enerji açığa çıkararak parçalandığını (fisyon) buldular. Bu nötronlar diğer plütonyum-239 atomlarına çarpabilir ve böylece üstel olarak hızlı bir zincirleme reaksiyonda devam edebilir. Bu, izotopun kritik bir kütle oluşturacak kadar yoğunlaşması halinde bir şehri yok edecek kadar büyük bir patlamaya neden olabilir. ⓘ

Araştırmaların ilk aşamalarında, radyoaktif maddelerin sağlık üzerindeki etkilerini incelemek için hayvanlar kullanıldı. Bu çalışmalar 1944 yılında Berkeley'deki Kaliforniya Üniversitesi Radyasyon Laboratuvarı'nda başladı ve Joseph G. Hamilton tarafından yürütüldü. Hamilton, plütonyumun maruz kalma moduna (ağızdan alma, soluma, deriden emilim) bağlı olarak vücutta nasıl değişeceği, tutulma oranları ve plütonyumun dokularda nasıl sabitleneceği ve çeşitli organlar arasında nasıl dağılacağı ile ilgili sorulara cevap arıyordu. Hamilton, farklı değerlik durumları ve farklı plütonyum verme yöntemleri (oral, intravenöz vb.) kullanarak sıçanlara çözünür mikrogram plütonyum-239 bileşikleri vermeye başladı. Sonunda Chicago'daki laboratuvar da fareler, tavşanlar, balıklar ve hatta köpekler gibi farklı hayvanlar kullanarak kendi plütonyum enjeksiyon deneylerini gerçekleştirdi. Berkeley ve Chicago'daki çalışmaların sonuçları, plütonyumun fizyolojik davranışının radyumunkinden önemli ölçüde farklı olduğunu gösterdi. En endişe verici sonuç, karaciğerde ve kemiğin "aktif olarak metabolize olan" kısmında önemli miktarda plütonyum birikiminin olmasıydı. Ayrıca, dışkıdaki plütonyum eliminasyon oranı hayvan türleri arasında beş kata kadar farklılık göstermiştir. Bu tür farklılıklar, insanlar için bu oranın ne olacağını tahmin etmeyi son derece zorlaştırmıştır. ⓘ

Manhattan Projesi sırasında üretim

İkinci Dünya Savaşı sırasında ABD hükümeti, atom bombası geliştirmekle görevli Manhattan Projesini kurdu. Projenin üç ana araştırma ve üretim tesisi, şu anda Hanford Sahası olarak bilinen yerdeki plütonyum üretim tesisi, Oak Ridge, Tennessee'deki uranyum zenginleştirme tesisleri ve şu anda Los Alamos Ulusal Laboratuvarı olarak bilinen silah araştırma ve tasarım laboratuvarıydı. ⓘ

Hanford B Reaktörü yapım aşamasındadır - ilk plütonyum üretim reaktörü ⓘ

Hanford sahası, hacim olarak ülkedeki yüksek seviyeli radyoaktif atıkların üçte ikisini temsil etmektedir. Nükleer reaktörler Ocak 1960'ta Columbia Nehri boyunca Hanford Sahasında nehir kıyısında sıralanmıştır. ⓘ

Plütonyum-239 üreten ilk üretim reaktörü X-10 Grafit Reaktörüydü. Reaktör 1943 yılında faaliyete geçti ve Oak Ridge'de daha sonra Oak Ridge Ulusal Laboratuarı olacak olan bir tesiste inşa edildi. ⓘ

Ocak 1944'te işçiler 200-West'te bulunan ilk kimyasal ayrıştırma binası olan T Tesisinin temellerini attılar. Hem T Tesisi hem de 200-Batı'daki kardeş tesisi U Tesisi Ekim ayına kadar tamamlandı. (U Tesisi Manhattan Projesi sırasında sadece eğitim için kullanıldı.) 200-Doğu'daki ayrıştırma binası, B Tesisi, Şubat 1945'te tamamlandı. 200-Doğu için planlanan ikinci tesis iptal edildi. İnşa eden işçiler tarafından Queen Marys olarak adlandırılan ayrıştırma binaları 800 feet uzunluğunda, 65 feet genişliğinde ve 80 feet yüksekliğinde kırk işlem havuzu içeren kanyon benzeri müthiş yapılardı. Yedi fitlik beton kalkanın arkasındaki operatörler üst galeriden televizyon monitörleri ve periskoplarla bakarak uzaktan kumanda ekipmanını manipüle ederken iç mekanın ürkütücü bir niteliği vardı. Proses havuzlarının üzerinde devasa beton kapaklar olsa bile radyasyona maruz kalmaya karşı önlemler alınması gerekliydi ve tesis tasarımının tüm yönlerini etkiledi. ⓘ

5 Nisan 1944'te Los Alamos'taki Emilio Segrè, Oak Ridge'den reaktörde üretilen ilk plütonyum örneğini aldı. On gün içinde, reaktörde üretilen plütonyumun siklotronda üretilen plütonyumdan daha yüksek konsantrasyonda plütonyum-240 izotopuna sahip olduğunu keşfetti. Plütonyum-240 yüksek bir kendiliğinden fisyon oranına sahiptir ve plütonyum örneğinin genel arka plan nötron seviyesini yükseltir. "İnce Adam" kod adlı orijinal tabanca tipi plütonyum silahı, sonuç olarak terk edilmek zorunda kalmıştır - artan spontane nötron sayısı, nükleer ön patlamanın (fizzle) muhtemel olduğu anlamına geliyordu. ⓘ

Los Alamos'taki tüm plütonyum silahı tasarım çalışmaları kısa süre sonra "Şişman Adam" kod adlı daha karmaşık patlama cihazına dönüştürüldü. Patlama silahında plütonyum patlayıcı merceklerle yüksek bir yoğunluğa sıkıştırılır; bu teknik olarak basit tabanca tipi tasarımdan daha göz korkutucu bir görevdir, ancak plütonyumun silah amaçlı kullanılması için gereklidir. Buna karşın zenginleştirilmiş uranyum her iki yöntemle de kullanılabilir. ⓘ

Malzeme üretimi amaçlı ilk endüstriyel ölçekli nükleer reaktör olan Hanford B Reaktörü'nün inşası Mart 1945'te tamamlandı. B Reaktörü, İkinci Dünya Savaşı sırasında kullanılan plütonyum silahları için bölünebilir malzeme üretmiştir. B, D ve F Hanford'da inşa edilen ilk reaktörlerdi ve daha sonra sahada altı adet daha plütonyum üreten reaktör inşa edildi. ⓘ

Ocak 1945'in sonunda, yüksek oranda saflaştırılmış plütonyum, tamamlanan kimyasal izolasyon binasında daha fazla konsantrasyona tabi tutuldu ve burada kalan safsızlıklar başarıyla giderildi. Los Alamos Hanford'dan ilk plütonyumu 2 Şubat'ta teslim aldı. Savaşın sonuna kadar bombalarda kullanılmak üzere yeterli miktarda plütonyum üretilebileceği henüz kesin olmasa da Hanford 1945'in başlarında faaliyete geçmişti. Albay Franklin Matthias'ın Columbia Nehri kıyısında geçici karargâhını kurmasının üzerinden sadece iki yıl geçmişti. ⓘ

Kate Brown'a göre, Hanford ve Rusya'daki Mayak plütonyum üretim tesisleri, kırk yıllık bir süre zarfında, "her ikisi de çevreye 200 milyon küreden fazla radyoaktif izotop yaymıştır - her bir örnekte Çernobil felaketinde yayılan miktarın iki katı". Yıllar boyunca bu radyoaktif kirlenmenin çoğu normal operasyonların bir parçasıydı, ancak öngörülemeyen kazalar meydana geldi ve kirlilik azalmadan devam ettiği için tesis yönetimi bunu gizli tuttu. ⓘ

2004 yılında Hanford nükleer sahasındaki bir gömü çukurunda yapılan kazılar sırasında bir kasa bulunmuştur. Kasanın içinde, daha sonra bilinen en eski silah sınıfı plütonyum örneği olarak tanımlanan beyazımsı bir bulamaç içeren büyük bir cam şişe de dahil olmak üzere çeşitli eşyalar vardı. Pacific Northwest Ulusal Laboratuarı tarafından yapılan izotop analizi, şişedeki plütonyumun 1944 yılında Oak Ridge'deki X-10 Grafit Reaktöründe üretildiğini gösterdi. ⓘ

Trinity ve Fat Man atom bombaları

Reaktörde üretilen plütonyumda plütonyum-240 bulunması nedeniyle, "Fat Man" ve "Trinity" silahları için patlama tasarımı geliştirilmiştir ⓘ

Kod adı "Trinity" olan ve 16 Temmuz 1945'te Alamogordo, New Mexico yakınlarında patlatılan ilk atom bombası testinde fisil madde olarak plütonyum kullanıldı. Trinity aygıtının kod adı olan "aygıt "ın patlama tasarımı, bir plütonyum küresini süperkritik bir kütleye sıkıştırmak için geleneksel patlayıcı mercekler kullandı ve bu küre aynı anda polonyum ve berilyumdan yapılmış bir başlatıcı olan "Urchin "den nötron yağmuruna tutuldu (nötron kaynağı: (α, n) reaksiyonu). Bunlar birlikte kaçak bir zincirleme reaksiyon ve patlama sağlıyordu. Çekirdeğinde sadece 6,2 kg plütonyum kullanılmasına rağmen silahın toplam ağırlığı 4 tonun üzerindeydi. Trinity silahında kullanılan plütonyumun yaklaşık %20'si fisyona uğrayarak yaklaşık 20.000 ton TNT'ye eşdeğer enerjide bir patlamaya yol açmıştır. ⓘ

Aynı tasarım 9 Ağustos 1945'te Japonya'nın Nagasaki kentine atılan ve 35.000-40.000 kişinin ölümüne ve Nagasaki'deki savaş üretiminin %68-%80'inin yok olmasına neden olan "Şişman Adam" atom bombasında da kullanılmıştır. Plütonyumun varlığı ve adı ancak ilk atom bombasının atılmasından sonra Manhattan Projesi'nin Smyth Raporu ile kamuoyuna duyurulmuştur. ⓘ

Soğuk Savaş kullanımı ve atıkları

Soğuk Savaş sırasında hem Sovyetler Birliği hem de Amerika Birleşik Devletleri tarafından büyük miktarda silah sınıfı plütonyum stokları oluşturulmuştur. Hanford'daki ABD reaktörleri ve Güney Carolina'daki Savannah River Sahası'nda 103 ton, SSCB'de ise tahmini 170 ton askeri sınıf plütonyum üretilmiştir. Her yıl yaklaşık 20 ton element nükleer enerji endüstrisinin bir yan ürünü olarak üretilmeye devam etmektedir. Depolarda 1000 ton kadar plütonyum olabilir ve bunun 200 tondan fazlası nükleer silahların içinde ya da nükleer silahlardan çıkarılmış olabilir. SIPRI 2007 yılında dünya plütonyum stokunun yaklaşık 500 ton olduğunu ve bunun silah ve sivil stoklar arasında eşit olarak bölündüğünü tahmin etmektedir. ⓘ

Rocky Flats Tesisi'ndeki radyoaktif kirlenme esas olarak 1957 ve 1969 yıllarında meydana gelen iki büyük plütonyum yangınından kaynaklanmıştır. Çok daha düşük konsantrasyonlarda radyoaktif izotoplar tesisin 1952'den 1992'ye kadar olan operasyonel ömrü boyunca salınmıştır. Tesisten gelen hakim rüzgarlar havadaki kirliliği güneye ve doğuya, Denver'ın kuzeybatısındaki yerleşim bölgelerine taşımıştır. Denver bölgesinin yangınlardan ve diğer kaynaklardan kaynaklanan plütonyumla kirlenmesi 1970'lere kadar kamuoyuna bildirilmemiştir. Edward Martell tarafından 1972 yılında yapılan bir çalışmaya göre, "Denver'ın daha yoğun nüfuslu bölgelerinde, yüzey topraklarındaki Pu kirlilik seviyesi serpintinin birkaç katıdır" ve plütonyum kirliliği "Rocky Flats tesisinin hemen doğusunda nükleer testlerden kaynaklanan kirliliğin yüzlerce katına kadar çıkmaktadır". Carl Johnson'ın Ambio'da belirttiği gibi, "Denver bölgesindeki büyük bir nüfusun tesisten çıkan egzoz gazlarındaki plütonyum ve diğer radyonüklidlere maruz kalması 1953 yılına kadar uzanmaktadır." Rocky Flats tesisindeki silah üretimi, 1989 yılında FBI ve EPA'nın birlikte gerçekleştirdiği bir baskın ve yıllar süren protestoların ardından durduruldu. Tesis o tarihten bu yana kapatılmış, binaları yıkılmış ve sahadan tamamen kaldırılmıştır. ⓘ

ABD'de sökülen nükleer silahlardan elde edilen plütonyumun bir kısmı eritilerek iki ton ağırlığında cam plütonyum oksit kütükleri haline getirilmektedir. Cam, kadmiyum ve gadolinyum ile karıştırılmış borosilikatlardan yapılmıştır. Bu kütüklerin paslanmaz çelikle kaplanması ve betonla doldurulacak sondaj deliklerinde yerin 4 km (2 mil) kadar altında depolanması planlanmaktadır. ABD plütonyumu bu şekilde Las Vegas, Nevada'nın yaklaşık 100 mil (160 km) kuzey doğusundaki Yucca Mountain nükleer atık deposunda depolamayı planlıyordu. ⓘ

5 Mart 2009'da Enerji Bakanı Steven Chu Senato'daki bir oturumda "Yucca Mountain sahasının artık reaktör atıklarının depolanması için bir seçenek olarak görülmediğini" söyledi. 1999 yılından itibaren askeri amaçlı nükleer atıklar New Mexico'daki Atık İzolasyon Pilot Tesisinde gömülmeye başlanmıştır. ⓘ

Başkan Obama, 29 Ocak 2010 tarihli bir Başkanlık Memorandumu ile Amerika'nın Nükleer Geleceğine ilişkin Mavi Kurdele Komisyonu'nu kurmuştur. Komisyon nihai raporunda, kapsamlı bir strateji geliştirilmesine yönelik olarak aşağıdaki tavsiyeleri ortaya koymuştur:

"Tavsiye #1: Amerika Birleşik Devletleri, kullanılmış yakıt ve yüksek seviyeli nükleer atıkların güvenli bir şekilde bertaraf edilmesi için bir veya daha fazla kalıcı derin jeolojik tesisin zamanında geliştirilmesine yol açacak entegre bir nükleer atık yönetimi programı üstlenmelidir". ⓘ

Tıbbi deneyler

Dünya Savaşı sırasında ve sonrasında Manhattan Projesi ve diğer nükleer silah araştırma projelerinde çalışan bilim insanları, plütonyumun laboratuvar hayvanları ve insanlar üzerindeki etkileri üzerine çalışmalar yürütmüştür. Hayvanlar üzerinde yapılan çalışmalar, bir kilogram doku başına birkaç miligram plütonyumun öldürücü bir doz olduğunu ortaya koymuştur. ⓘ

İnsan denekler söz konusu olduğunda bu, ölümcül hasta olduğu ya da yaş veya kronik hastalık durumu nedeniyle on yıldan daha az yaşam beklentisi olduğu düşünülen hastane hastalarına (tipik olarak) beş mikrogram plütonyum içeren solüsyonların enjekte edilmesini içeriyordu. Hayvanlar üzerinde yapılan çalışmalarda plütonyumun kemiklere dağılma şeklinin radyumdan daha tehlikeli olduğunun ortaya çıkmasının ardından bu oran Temmuz 1945'te bir mikrograma düşürülmüştür. Eileen Welsome, deneklerin çoğunun yoksul, güçsüz ve hasta olduğunu söylüyor. ⓘ

1945'ten 1947'ye kadar on sekiz insan deneğe bilgilendirilmiş onamları alınmadan plütonyum enjekte edildi. Testler, plütonyumla çalışmaya yönelik güvenlik standartları geliştirmek amacıyla plütonyumun vücuttaki alımını belirlemeye yönelik teşhis araçları oluşturmak için kullanıldı. Ebb Cade, 10 Nisan 1945'te Oak Ridge, Tennessee'de 4.7 mikrogram Plütonyum enjekte edilmesini içeren tıbbi deneylerin isteksiz bir katılımcısıydı. Bu deney Harold Hodge'un gözetimi altındaydı. Amerika Birleşik Devletleri Atom Enerjisi Komisyonu ve Manhattan Projesi tarafından yönetilen diğer deneyler 1970'lere kadar devam etti. Plütonyum Dosyaları, gizli programa dahil olan kişilerin isimlerini vererek ve bilim adamları ve doktorlar tarafından gizlice yürütülen etik ve tıbbi araştırmaları tartışarak bu kişilerin hayatlarını anlatıyor. Bu olay artık tıp etiğinin ve Hipokrat Yemini'nin ciddi bir ihlali olarak kabul edilmektedir. ⓘ

Hükümet, Başkan Bill Clinton'ın politika değişikliği talimatı verdiği ve federal kurumların ilgili kayıtları erişime açtığı 1993 yılına kadar bu radyasyon kazalarının çoğunu örtbas etti. Bunun sonucunda ortaya çıkan soruşturma, Başkan'ın İnsan Radyasyon Deneyleri Danışma Komitesi tarafından yürütüldü ve insanlar üzerinde yapılan plütonyum araştırmalarıyla ilgili materyallerin çoğunu ortaya çıkardı. Komite 1995 yılında tartışmalı bir rapor yayınlayarak "yanlışlar yapıldığını" belirtmiş ancak bu yanlışları yapanları kınamamıştır. ⓘ

Uygulamalar

Patlayıcılar

1945'te Japonya'nın Nagasaki kentine atılan atom bombasının çekirdeği plütonyumdu. ⓘ

Plütonyum-239 izotopu, fisyon kolaylığı ve bulunabilirliği nedeniyle nükleer silahlarda kilit bir bölünebilir bileşendir. Bombanın plütonyum çukurunun bir tamperle (isteğe bağlı yoğun bir malzeme tabakası) kaplanması, kaçan nötronları plütonyum çekirdeğine geri yansıtarak kritik kütleye ulaşmak için gereken plütonyum miktarını azaltır. Bu da kritik kütleye ulaşmak için gereken plütonyum miktarını 16 kg'dan 10 kg'a, yani yaklaşık 10 santimetre (4 inç) çapında bir küreye düşürür. Bu kritik kütle uranyum-235 için olanın yaklaşık üçte biri kadardır. ⓘ

Fat Man plütonyum bombaları, reaksiyonu başlatmak ve verimliliği artırmak için merkezi bir nötron kaynağı ile birlikte normalden önemli ölçüde daha yüksek yoğunluklar elde etmek için plütonyumun patlayıcı sıkıştırmasını kullandı. Böylece 20 kiloton TNT'ye eşdeğer bir patlayıcı verim için sadece 6,2 kg plütonyum gerekmiştir. Varsayımsal olarak, çok sofistike montaj tasarımları kullanılarak tek bir atom bombası yapmak için 4 kg kadar az plütonyum -belki daha da azı- kullanılabilir. ⓘ

Karışık oksit yakıt

Normal hafif su reaktörlerinden çıkan kullanılmış nükleer yakıt plütonyum içerir, ancak bu plütonyum-242, 240, 239 ve 238'in bir karışımıdır. Bu karışım etkili nükleer silahlar için yeterince zenginleştirilmemiştir, ancak bir kez MOX yakıtı olarak kullanılabilir. Kazara nötron yakalanması, plütonyumun bir reaktörde düşük hızlı "termal" nötronlarla ışınlandığı her seferinde plütonyum-242 ve 240 miktarının artmasına neden olur, böylece ikinci döngüden sonra plütonyum yalnızca hızlı nötron reaktörleri tarafından tüketilebilir. Hızlı nötron reaktörleri mevcut değilse (normal durum), fazla plütonyum genellikle atılır ve nükleer atığın en uzun ömürlü bileşenlerinden birini oluşturur. Bu plütonyumu ve diğer transuranik yakıtları tüketme ve atığın radyotoksisitesini azaltma arzusu, nükleer mühendislerin hızlı nötron reaktörleri yapmak için gösterdikleri olağan nedendir. ⓘ

En yaygın kimyasal işlem olan PUREX (Plutonium-URanium EXtraction), nükleer reaktörlerde yeniden kullanılmak üzere karışık oksit (MOX) yakıt oluşturmak için kullanılabilecek plütonyum ve uranyumu çıkarmak üzere kullanılmış nükleer yakıtı yeniden işler. Yakıt karışımına silah sınıfı plütonyum eklenebilir. MOX yakıtı hafif su reaktörlerinde kullanılır ve bir ton yakıt başına 60 kg plütonyumdan oluşur; dört yıl sonra plütonyumun dörtte üçü yanar (diğer elementlere dönüşür). Islah reaktörleri, tükettiklerinden daha fazla fisyona uğrayabilir malzeme yaratmak üzere özel olarak tasarlanmıştır. ⓘ

MOX yakıtı 1980'lerden beri kullanılmaktadır ve Avrupa'da yaygın olarak kullanılmaktadır. Eylül 2000'de Amerika Birleşik Devletleri ve Rusya Federasyonu 34 ton silah sınıfı plütonyumu imha etmeyi kabul eden bir Plütonyum Yönetimi ve İmha Anlaşması imzaladı. ABD Enerji Bakanlığı, plütonyumu ticari nükleer güç reaktörlerinde kullanılmak üzere MOX yakıtına dönüştürerek 2019 yılı sonuna kadar ABD'deki 34 ton silah sınıfı plütonyumu imha etmeyi planlamaktadır. ⓘ

MOX yakıtı toplam yanmayı iyileştirir. Bir yakıt çubuğu üç yıl kullanıldıktan sonra, o zamana kadar çubukların toplam ağırlığının %3'ünü oluşturan atık ürünleri çıkarmak için yeniden işlenir. Bu üç yıl boyunca üretilen uranyum veya plütonyum izotopları kalır ve çubuk tekrar üretime geçer. Silah sınıfı plütonyum alaşımında kütle başına %1'e kadar galyum bulunması, bir hafif su reaktörünün uzun süreli çalışmasını engelleme potansiyeline sahiptir. ⓘ

Kullanılmış reaktör yakıtından geri kazanılan plütonyum, fisil olmayan plütonyum-240 ve plütonyum-242 ile aşırı kirlenme nedeniyle çok az yayılma tehlikesi oluşturmaktadır. Bu izotopların ayrıştırılması mümkün değildir. Etkili nükleer silahlarda kullanılmaya uygun malzeme üretmek için genellikle çok düşük yanma oranıyla çalışan özel bir reaktör gereklidir (dolayısıyla yeni oluşan plütonyum-239'un daha ağır plütonyum izotoplarına dönüşmesine neden olan ek nötronlara minimum düzeyde maruz kalması). "Silah sınıfı" plütonyum en az %92 plütonyum-239 (toplam plütonyumun) içerecek şekilde tanımlanırken, ABD sadece yaklaşık %85 plütonyum-239 içerdiğine inanılan ve "yakıt sınıfı" plütonyum olarak adlandırılan plütonyum kullanarak 20Kt'ın altında bir cihazı patlatmayı başarmıştır. Düzenli bir LWR yakma döngüsü ile üretilen "reaktör sınıfı" plütonyum tipik olarak %60'tan az Pu-239, %30'a kadar parazitik Pu-240/Pu-242 ve %10-15 bölünebilir Pu-241 içerir. Yeniden işlenmiş sivil nükleer atıklardan elde edilen plütonyumun kullanıldığı bir cihazın patlatılıp patlatılamayacağı bilinmemektedir, ancak böyle bir cihaz varsayımsal olarak patlayabilir ve radyoaktif maddeleri geniş bir kentsel alana yayabilir. IAEA, tüm izotopik vektörlerdeki plütonyumu ihtiyatlı bir şekilde "doğrudan kullanım" malzemesi, yani "dönüştürme veya daha fazla zenginleştirme olmaksızın nükleer patlayıcı bileşenlerinin üretimi için kullanılabilecek nükleer malzeme" olarak sınıflandırmaktadır. ⓘ

Güç ve ısı kaynağı

²³⁸PuO₂'nin parlayan bir silindiri ⓘ

Curiosity keşif aracının ²³⁸PuO₂ radyoizotop termoelektrik jeneratörü ⓘ

Plütonyum-238 izotopunun yarı ömrü 87,74 yıldır. Düşük seviyelerde hem gama ışınları/fotonları hem de spontane nötron ışınları/parçacıkları ile büyük miktarda termal enerji yayar. Bir alfa yayıcı olarak, yüksek enerjili radyasyonu düşük penetrasyonla birleştirir ve bu nedenle minimum koruma gerektirir. Plütonyum-238 tarafından yayılan alfa parçacıklarına karşı kalkan olarak bir kağıt kullanılabilir. İzotopun bir kilogramı yaklaşık 570 watt ısı üretebilir. ⓘ

Bu özellikleri onu insan ömrüne yakın süreler boyunca doğrudan bakım gerektirmeden çalışması gereken cihazlarda elektrik enerjisi üretimi için çok uygun hale getirir. Bu nedenle Cassini, Voyager, Galileo ve New Horizons uzay sondaları ile Curiosity ve Perseverance (Mars 2020) Mars keşif araçlarında olduğu gibi radyoizotop termoelektrik jeneratörlerinde ve radyoizotop ısıtıcı ünitelerinde kullanılmaktadır. ⓘ

İkiz Voyager uzay araçları 1977'de her biri 500 watt plütonyum güç kaynağı içerecek şekilde fırlatıldı. Aradan 30 yıldan fazla bir süre geçmesine rağmen her bir kaynak halen 300 watt civarında güç üretmekte ve bu da her bir uzay aracının sınırlı bir şekilde çalışmasına olanak sağlamaktadır. Aynı teknolojinin daha önceki bir versiyonu 1969'da Apollo 12 ile başlayan beş Apollo Ay Yüzeyi Deney Paketine güç sağlamıştır. ⓘ

Plütonyum-238 ayrıca tekrarlanan ameliyat riskini azaltmak amacıyla yapay kalp pillerine güç sağlamak için başarıyla kullanılmıştır. Büyük ölçüde yerini lityum bazlı birincil hücrelere bırakmıştır, ancak 2003 yılı itibariyle Amerika Birleşik Devletleri'nde 50 ila 100 arasında plütonyumla çalışan kalp pili hala yaşayan hastalara implante edilmiş ve çalışmaktadır. 2007 yılı sonunda, plütonyumla çalışan kalp pillerinin sayısının sadece dokuza düştüğü bildirilmiştir. Plütonyum-238, tüplü dalışa ek ısı sağlamanın bir yolu olarak incelenmiştir. Berilyum ile karıştırılmış plütonyum-238 araştırma amaçlı nötron üretmek için kullanılmaktadır. ⓘ

Önlemler

Toksisite

Plütonyumun zararlı etkilerinin iki yönü vardır: radyoaktivite ve ağır metal zehri etkileri. Plütonyumun izotopları ve bileşikleri radyoaktiftir ve kemik iliğinde birikir. Plütonyum oksitten kaynaklanan kontaminasyon, nükleer silahların yandığı askeri nükleer kazalar da dahil olmak üzere nükleer felaketler ve radyoaktif olaylardan kaynaklanmıştır. Bu küçük salınımların etkilerinin yanı sıra Hiroşima ve Nagazaki'ye atılan atom bombalarının ardından yaşanan yaygın radyasyon zehirlenmesi hastalığı ve ölümleri üzerine yapılan çalışmalar, radyasyon zehirlenmesinin tehlikeleri, belirtileri ve prognozu hakkında önemli bilgiler sağlamıştır. ⓘ

Plütonyumun bozunması sırasında alfa, beta ve gama olmak üzere üç tür iyonlaştırıcı radyasyon açığa çıkar. Akut ya da uzun süreli maruziyet, radyasyon hastalığı, genetik hasar, kanser ve ölüm gibi ciddi sağlık sonuçları tehlikesi taşır. Tehlike, maruz kalınan miktarla birlikte artar. Alfa radyasyonu sadece kısa bir mesafe kat edebilir ve insan derisinin dış, ölü tabakasından geçemez. Beta radyasyonu insan derisine nüfuz edebilir, ancak vücudun tamamını geçemez. Gama radyasyonu ise vücuda tamamen nüfuz edebilir. Alfa radyasyonu deriye nüfuz edemese de, yutulan veya solunan plütonyum iç organları ışınlar. Solunan plütonyum tarafından üretilen alfa parçacıklarının Avrupalı nükleer işçilerden oluşan bir grupta akciğer kanserine neden olduğu bulunmuştur. Plütonyumun biriktiği iskelet ve toplandığı ve yoğunlaştığı karaciğer risk altındadır. Plütonyum yutulduğunda vücuda verimli bir şekilde emilmez; plütonyum oksitin sadece %0,04'ü yutulduktan sonra emilir. Vücut tarafından emilen plütonyum çok yavaş bir şekilde atılır ve biyolojik yarı ömrü 200 yıldır. Plütonyum hücre zarlarından ve bağırsak sınırlarından sadece yavaş geçer, bu nedenle sindirim yoluyla emilim ve kemik yapısına dahil olma çok yavaş ilerler. Donald Mastick kazara az miktarda Plütonyum(III) klorür yutmuş ve bu durum hayatının sonraki otuz yılı boyunca tespit edilebilmiş, ancak herhangi bir kötü etki görülmemiştir. ⓘ

Plütonyumun solunması yutulmasından daha tehlikelidir. Solunan plütonyumun toplam radyasyon dozu eşdeğeri 400 mSv'yi aştığında akciğer kanseri riski artar. ABD Enerji Bakanlığı, her biri yaklaşık 3 µm genişliğinde olan 5.000 plütonyum partikülünün solunmasından kaynaklanan yaşam boyu kanser riskinin, arka plandaki ABD ortalamasının %1 üzerinde olduğunu tahmin etmektedir. Büyük miktarların yutulması veya solunması akut radyasyon zehirlenmesine ve muhtemelen ölüme neden olabilir. Ancak, plütonyum soluduğu ya da yuttuğu için ölen bir insan bilinmemektedir ve birçok insanın vücudunda ölçülebilir miktarda plütonyum bulunmaktadır. ⓘ

Bir plütonyum tozu partikülünün akciğer dokusunun lokalize bir noktasını ışınladığı "sıcak partikül" teorisi ana akım araştırmalar tarafından desteklenmemektedir - bu tür partiküller başlangıçta düşünülenden daha hareketlidir ve partikül formuna bağlı olarak toksisite ölçülebilir şekilde artmaz. Plütonyum solunduğunda kan dolaşımına geçebilir. Plütonyum kan dolaşımına girdikten sonra vücuda ve kemiklere, karaciğere veya diğer vücut organlarına doğru hareket eder. Vücut organlarına ulaşan plütonyum genellikle on yıllarca vücutta kalır ve çevre dokuyu radyasyona maruz bırakmaya devam eder ve böylece kansere neden olabilir. ⓘ

Ralph Nader tarafından sıkça alıntılanan bir alıntıda, atmosfere yayılan yarım kilo plütonyum tozunun 8 milyar insanı öldürmeye yeteceği belirtilmektedir. Bu görüşe, radyasyon toksisitesinin genel kabul gören doğrusal eşiksiz modeline karşı çıkan Bernard Cohen tarafından itiraz edilmiştir. Cohen, bir pound plütonyumun solunum yoluyla en fazla 2 milyon insanı öldürebileceğini, dolayısıyla plütonyumun toksisitesinin kabaca sinir gazınınkine eşdeğer olduğunu tahmin etmiştir. ⓘ

Plütonyum tozuna maruz kalan çeşitli insan popülasyonları (örneğin Nevada test alanlarının rüzgar altında yaşayan insanlar, Nagasaki'den kurtulanlar, nükleer tesis çalışanları ve Pu metabolizmasını incelemek için 1945-46'da Pu enjekte edilen "ölümcül hastalar") dikkatle takip edilmiş ve analiz edilmiştir. Cohen, bu çalışmaları plütonyum toksisitesine ilişkin yüksek tahminlerle tutarsız bulmuş ve plütonyum enjekte edildikten sonra yaşlılığa kadar hayatta kalan Albert Stevens gibi vakalara atıfta bulunmuştur. "1940'larda Los Alamos Ulusal Laboratuarı'nda önemli miktarda plütonyum tozu soluyan yaklaşık 25 işçi vardı; sıcak parçacık teorisine göre, her birinin şimdiye kadar akciğer kanserinden ölme şansı %99,5'ti, ancak aralarında tek bir akciğer kanseri bile görülmedi." ⓘ

Deniz toksisitesi

Plütonyumun insanlardaki toksisitesinin araştırılması, deniz sistemlerindeki faunadaki etkilerinin incelenmesi kadar önemlidir. Plütonyumun deniz ortamına atık boşaltımı veya nükleer santrallerden kazara sızıntı yoluyla girdiği bilinmektedir. Deniz ortamlarında en yüksek plütonyum konsantrasyonları sedimanlarda bulunsa da, plütonyumun karmaşık biyojeokimyasal döngüsü, diğer tüm kompartmanlarda da bulunduğu anlamına gelir. Örneğin, besin döngüsüne yardımcı olan çeşitli zooplankton türleri elementi günlük olarak tüketecektir. Yutulan plütonyumun zooplanktonlar tarafından tamamen atılması, dışkılamalarını plütonyumun yüzey sularından temizlenmesinde son derece önemli bir mekanizma haline getirmektedir. Bununla birlikte, daha büyük organizmalar tarafından avlanmaya yenik düşen zooplanktonlar, plütonyumun balıklara geçiş aracı haline gelebilir. ⓘ

Tüketimin yanı sıra, balıklar dünya üzerindeki coğrafi dağılımları nedeniyle de plütonyuma maruz kalabilirler. Bir çalışmada transuranyum elementlerinin (plütonyum-238, plütonyum-239, plütonyum-240) Çernobil Dışlama Bölgesi'nde (CEZ) yaşayan çeşitli balıklar üzerindeki etkileri araştırılmıştır. Sonuçlar, CEZ'deki dişi levreklerin bir kısmının gonadlarının olgunlaşmasında ya başarısızlık ya da gecikme gösterdiğini ortaya koymuştur. Benzer çalışmalarda morina, pisi balığı ve ringa balıklarının solunum ve sindirim organlarında büyük miktarda plütonyum birikimi tespit edilmiştir. ⓘ

Plütonyum toksisitesi, nükleer atık alanlarındaki balık larvaları için de aynı derecede zararlıdır. Gelişmemiş yumurtalar, bu atık alanlarında elemente maruz kalan gelişmiş yetişkin balıklardan daha yüksek riske sahiptir. Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı, plütonyum izotopları içeren çözeltilerde büyütülen sazan ve minnow embriyolarının yumurtadan çıkmadığını; yumurtadan çıkan yumurtaların ise kontrolle geliştirilen embriyolarla karşılaştırıldığında önemli anormallikler gösterdiğini ortaya koymuştur. Daha yüksek plütonyum konsantrasyonlarının, elemente maruz kalan deniz faunasında sorunlara neden olduğu ortaya çıkmıştır. ⓘ

Kritiklik potansiyeli

Harry Daghlian'ın 1945'te yaptığı deneyin yeniden canlandırılmasında nötron yansıtan tungsten karbür bloklarla çevrili bir plütonyum küresi ⓘ

Özellikle plütonyumun kritik kütlesi uranyum-235'in sadece üçte biri kadar olduğundan, kritik kütleye yaklaşan plütonyum miktarlarının birikmesini önlemek için dikkatli olunmalıdır. Kritik kütlede bir plütonyum ölümcül miktarda nötron ve gama ışını yayar. Çözeltideki plütonyumun, sudaki hidrojen tarafından ılımlaştırılması nedeniyle katı formdan daha kritik bir kütle oluşturma olasılığı daha yüksektir. ⓘ

Geçmişte bazıları ölümcül sonuçlar doğuran kritiklik kazaları meydana gelmiştir. Tungsten karbür tuğlaların 6,2 kg'lık bir plütonyum küresinin etrafında dikkatsizce taşınması, 21 Ağustos 1945'te Los Alamos'ta bilim adamı Harry Daghlian'ın 5,1 sievert (510 rems) olduğu tahmin edilen bir doz alması ve 25 gün sonra ölmesiyle ölümcül bir radyasyon dozuyla sonuçlandı. Dokuz ay sonra, bir başka Los Alamos bilim adamı Louis Slotin, berilyum reflektör ve daha önce Daghlian'ın hayatına mal olan aynı plütonyum çekirdeğin ("şeytan çekirdeği" olarak adlandırılan) karıştığı benzer bir kaza sonucu öldü. ⓘ

Aralık 1958'de Los Alamos'ta plütonyumun saflaştırılması işlemi sırasında bir karıştırma kabında kritik bir kütle oluşmuş ve bu da Cecil Kelley adlı bir kimya operatörünün ölümüyle sonuçlanmıştır. Sovyetler Birliği, Japonya, Amerika Birleşik Devletleri ve diğer birçok ülkede başka nükleer kazalar da meydana gelmiştir. ⓘ

Yanıcılık

Metalik plütonyum, özellikle malzeme ince bir şekilde bölünmüşse yangın tehlikesi oluşturur. Nemli bir ortamda, plütonyum yüzeyinde piroforik olan ve oda sıcaklığında havada tutuşabilen hidritler oluşturur. Plütonyum oksitlenirken hacim olarak %70'e kadar genişler ve böylece kabını kırabilir. Yanan malzemenin radyoaktivitesi ek bir tehlikedir. Magnezyum oksit kumu muhtemelen bir plütonyum yangınını söndürmek için en etkili malzemedir. Yanan malzemeyi soğutarak bir ısı emici görevi görür ve ayrıca oksijeni engeller. Plütonyumu herhangi bir biçimde depolamak veya işlemek için özel önlemler gereklidir; genellikle kuru bir inert gaz atmosferi gereklidir. ⓘ

Nakliye

Kara ve deniz

Plütonyumun olağan nakliyesi, mühürlü bir paket içindeki daha kararlı plütonyum oksit yoluyla yapılır. Tipik bir nakliye, toplam ağırlığı 80 ila 200 kg arasında değişen bir dizi paket içeren korumalı bir nakliye konteyneri taşıyan bir kamyondan oluşur. Bir deniz nakliyesi, her biri mühürlü bir paket içeren birkaç konteynerden oluşabilir. Amerika Birleşik Devletleri Nükleer Düzenleme Komisyonu, içeriğinin 0.74 TBq (20 Curies) radyoaktif aktiviteyi aşması halinde toz yerine katı olması gerektiğini belirtmektedir. 2016 yılında Pacific Nuclear Transport Ltd. şirketine ait Pacific Egret ve Pacific Heron gemileri 331 kg (730 lbs) plütonyumu Savannah River, Güney Carolina'daki bir Birleşik Devletler hükümet tesisine taşımıştır. ⓘ

Hava

ABD Hükümeti hava taşımacılığı yönetmelikleri, aynı uçuşta taşınan diğer tehlikeli maddeler, paketleme gereklilikleri ve uçağın en arka kısmında istifleme ile ilgili kısıtlamalara tabi olarak plütonyumun hava yoluyla taşınmasına izin vermektedir. ⓘ

2012 yılında medya, plütonyumun Norveç'ten ticari yolcu havayollarıyla - 2011'de bir kez olmak üzere yaklaşık her iki yılda bir - uçurulduğunu ortaya çıkardı. Yönetmelikler bir uçağın 15 gram bölünebilir madde taşımasına izin vermektedir. Statens strålevern'deki kıdemli bir danışmana (seniorrådgiver) göre bu tür plütonyum taşımacılığı sorunsuzdur. ⓘ