O (em homenagem ao corpo celeste Plutão) é um elemento químico representado pelo símbolo Pu e de número atômico igual a 94 (94 protões e 94 eletrões). À temperatura ambiente, o plutónio encontra-se no estado sólido.
Pertencente a família dos actinídeos, é um metal radioativo, frágil, muito denso e de cor prateada-branca, que embaça em contato com o ar, formando um revestimento amorfo quando oxidado. Tem o maior número atómico dentre os elementos primordiais, é encontrado em poucas quantidades junto a minérios de urânio, sendo formado naturalmente por capturas neutrônicas de átomos de urânio. O mais estável isótopo do plutónio é o plutónio-244, com uma meia-vida de cerca de 80 milhões de anos, grande o suficiente para que se encontre traços dele na natureza.
Plutônio é principalmente um produto de reações nucleares em reatores onde alguns nêutrons liberados em fissões nucleares são capturados por átomos de Urânio-238, que após uma série de decaimentos, finalmente Pu."Contaminated Water Escaping Nuclear Plant, Japanese Regulator Warns". The New York Times. O elemento normalmente exibe seis alótropos e quatro estados de oxidação. Ele reage com carbono, halogênios, nitrogênio, silício e hidrogênio. Quando exposto ao ar úmido, forma óxidos e hidretos que expandem a amostra em até 70% do volume, podendo entrar em ignição espontaneamente como um pó. Como toda substância radioativa, o manuseio do plutônio é uma atividade perigosa.
Ele difere muito em suas características físico-químicas com os elementos do resto do grupo. Possui sete diferentes formas alotrópicas com base na temperatura e pressão aplicadas:α, β, γ, δ, δ', ε e ζ. Levando a níveis de oxidação de +2 a +7. A densidade varia de entre as formas alotrópicas de 19,8 g/cm³ (α-Pu) a 15,9 g / cm³ (δ-Pu).
Ambos o plutônio-239 e plutônio-241 são físseis, significando que eles podem sustentar uma reação em cadeia, levando a aplicações em armas nucleares e reatores nucleares. Plutônio-240 exibe uma grande taxa de fissão espontânea, elevando o fluxo de nêutrons de qualquer amostra que o contém. A presença de plutônio-240 limita usabilidade de uma amostra de plutônio em armas ou a sua qualidade em como um combustível em um reator, e a percentagem de Pu-240 determina o seu grau (grau para armas, combustível ou reator).
Plutônio-238 tem uma meia vida de 88 anos e é um emissor de partículas alfa. Ele é uma fonte de calor em geradores termoelétricos de radioisótopos, que são usados como fonte de energia para algumas sondas. Isótopos de plutônio são caros e inconveniente de se separar, sendo manufaturados em reatores especializados.
Uma equipe liderada por Glenn T. Seaborg e Edwin McMillan na Universidade da Califórnia, Berkeley sintetizou plutônio pela primeira vez em 1940 bombardeando urânio-238 com deutério. Traços de Pu na natureza foram descobertos subsequentemente.
Produzir plutônio em quantidades utilizáveis pela primeira vez foi a maior parte do Projeto Manhattan durante a Segunda Guerra Mundial, que desenvolveu armas nucleares pela primeira vez. O primeiro teste nuclear, a Experiência Trinity (julho de 1945) e a segunda bomba nuclear a ser usada contra humanos, na cidade de Nagasaki, em agosto de 1945, Fat Man, eram ambas bombas que tinham um núcleo de plutônio-239. Experimentos de radiação com humanos utilizando plutônio foram conduzidos sem o consentimento informado e vários acidentes de criticidade, alguns letais, ocorreram durante e depois da guerra. A disposição de resíduos de Pu de usinas nucleares e armas nucleares desmanteladas construídas durante a Guerra Fria são uma preocupação ambiental e a respeito da proliferação nuclear. Outras fontes de Pu no ambiente são o fallout nuclear de numerosos testes nucleares acima do solo (agora banidos por tratado).
História
Descoberta miniatura|left|Glenn T. Seaborg e sua equipe foram os primeiros a sintetizar plutônio. Enrico Fermi e uma equipe de cientistas da Universidade de Roma informaram que eles haviam descoberto o elemento 94 em 1934. Fermi chamou o elemento de hesperium e mencionou o nome em sua palestra em 1938. A amostra foi na verdade uma mistura de bário, criptônio e outros elementos, mas isso não era conhecido na época, porque a fissão nuclear ainda não havia sido descoberta.
Glenn T. Seaborg e sua equipe, em Berkeley, foram os primeiros a produzir plutónio.
Plutónio (especificamente, plutônio-238) foi produzido pela primeira vez e isolado em 14 de dezembro de 1940, e quimicamente identificado em 23 de fevereiro de 1941 por Glenn T. Seaborg, Edwin McMillan, Joseph William Kennedy, e Arthur Wahl. O elemento era originalmente produzido pelo bombardeio de urânio por deutério em um ciclotron de 150 centímetros na Universidade da Califórnia, Berkeley. No experimento de 1940, Neptúnio-238 foi criado diretamente pelo bombardeio, mas deteriorado por emissão beta, dois dias depois, o que indicou a formação do elemento 94.
Um trabalho documentando a descoberta foi preparado pela equipe e enviado à revista Physical Review em março de 1941. O artigo foi retirado antes de sua publicação, após a descoberta de que um isótopo desse novo elemento (plutônio-239) poderia sofrer fissão nuclear de maneira que possa ser utilizado na fabricação de uma bomba atômica. A publicação foi atrasada até um ano após o final da Segunda Guerra Mundial, devido a preocupações de segurança.
Edwin McMillan havia recentemente aplicado ao primeiro elemento transurânico o nome em homenagem ao planeta Netuno, e sugeriu que o elemento 94, sendo o elemento seguinte na série, deveria ser nomeado para o que era, até então, considerado o próximo planeta, Plutão. Seaborg originalmente considerou o nome "plutium", mas depois pensou que não tinha som tão bom quanto "plutónio." Ele escolheu as letras "Pu" como uma piada, que passou sem aviso prévio para a tabela periódica. Outros nomes alternativos considerados por Seaborg e outros foram "ultimium" ou "extremium" devido à crença errônea de que tinham encontrado o último possível elemento na tabela periódica.
Primeiras pesquisas Após alguns meses de estudo inicial, concluiu-se que as propriedades químicas do plutónio eram semelhantes à do urânio. As pesquisas iniciais foram mantidas em segredo no Laboratório Metalúrgico da Universidade de Chicago. Em 18 de agosto de 1942, uma quantidade deste elemento foi isolado e medida pela primeira vez. Cerca de 50 microgramas de plutónio-239 combinado com produtos da fissão do urânio foram produzidos e apenas cerca de 1 micrograma foi isolado. Esta amostra permitiu aos químicos que determinassem o peso do novo elemento químico.
Em 1942 os E.U.A havia acumulado 500 gramas de sais de plutónio, e formou grupos de cientistas para realizar análises mais profundas no elemento, além de vários outros menores, três deles eram os mais importantes: Grupo para fornecer plutónio puro por métodos químicos (Los Alamos: J. W. Kennedy, C. S. Soares, A. C. Wahl, C. S. Garner, I. B. Johns); Grupo para estudo do comportamento de plutónio em soluções, incluindo um estudo de seus estados de oxidação, potenciais de ionização e da cinética de reação (Berkeley: W. M. Latimer, E. D. Eastman, R. E. Connik, J. W. Gofman, etc.); Grupo para estudo da química dos complexos de íons de plutónio (Iowa: F. H. Spedding, W. H. Sullivan, F. A. Voigt, como Newton).
Em novembro de 1943, trifluoreto de plutónio foi reduzido para criar a primeira amostra de plutónio metálico, resultando em alguns microgramas de deste composto. Foi o primeiro elemento transurânico sintetizado artificialmente com uma amostra pura visível a olho nu. As propriedades nucleares de plutónio-239 também foram estudadas, os pesquisadores descobriram que quando ele é atingido por um nêutron ele pode sofrer um processo de fissão nuclear, liberando mais nêutrons e energia. Esses nêutrons podem atingir outros átomos de plutónio-239 e assim por diante, e formar uma reação em cadeia. Isso pode resultar em uma explosão grande o suficiente para destruir uma cidade, se o isótopo estiver concentrado o suficiente para formar uma massa crítica.
Na antiga URSS as primeiras experiências para criar Pu-239 ocorreram entre 1934 e 1944, sob a liderança de Igor Kurchatov e B. Khlopin. Em pouco tempo, a União Soviética realizou amplos estudos sobre as propriedades de plutónio. No início de 1945, o primeiro cíclotron da Europa foi construído em 1937 no Instituto Radium, a primeira amostra de plutónio foi obtida ao irradiar urânio no cíclotron. Na cidade de Ozersk em 1945 foi iniciada a construção do primeiro reator nuclear comercial para produzir plutónio, a planta nuclear Mayak, finalizada em 19 junho de 1948.
Produção durante o Projeto Manhattan miniatura|direita|300px|Locais de pesquisa do Projeto Manhattan. A origem do Projeto Manhattan é frequentemente associada à carta de Albert Einstein a Franklin Roosevelt, então presidente dos E.U.A. A carta dizia da preocupação de Einstein de que a Alemanha Nazista pudesse vir a desenvolver armas nucleares. O projeto de programa nuclear, dos quais formados no Projeto Manhattan, foi aprovado e estabelecido por decreto presidencial. Sua atividade do Projeto Manhattan começou a 12 de agosto de 1942. Seus três objetivos principais eram: Produção de plutónio no complexo Hanford Site; Enriquecimento de urânio em Oak Ridge, Tennessee; Pesquisa no campo das armas nucleares e construção de uma bomba atômica no Laboratório Nacional de Los Alamos.
O primeiro reator que tornou possível a obtenção de Pu foi o Chicago-Pile-1, comissionado em 2 de dezembro de 1942. Ele consistia de 6 toneladas de urânio metálico, 34 toneladas de óxido de urânio e 400 toneladas de grafite em blocos. As únicas coisas que poderiam parar a reação nuclear em cadeia eram as barras de cádmio, que possuíam uma grande capacidade de captura dos nêutrons térmicos necessários para a manutenção da reação em cadeia. Devido à ausência de proteção contra as radiações e resfriamento, a sua potência de operação era limitada em 200 Watts, porém, graças ao Chicago-Pile-1, foi possível produzir plutónio em uma quantidade maior do que os ciclotrons. Meses depois, o reator experimental X-10 continuou o trabalho iniciado pelo Chicago-Pile-1 na produção de Pu para o projeto, porém se descobriu que a porcentagem do isótopo Pu-240 no plutónio produzido por esses reatores era grande, sendo necessária sua separação do Pu-239 através de um enriquecimento para que não ocorresse a detonação acidental de armas nucleares.
Trinity e Fat Man A forma de detonação de armas nucleares de plutónio (por implosão) era de baixa confiabilidade, por isso testes anteriores eram necessários para comprovar o seu funcionamento. Sendo assim foi criado um artefato pouco antes do uso destas armas em guerra. A Trinity detonou em 16 de Julho de 1945, com um poder explosivo equivalente a 20 quilotons de TNT.
Tendo certeza do sucesso destas armas, foi logo feito uma bomba para ser usada em guerra, o Fat Man, esta bomba tinha três alvos, o primário era Kokura, o secundário Nagasaki, Kokura estava encoberta por nuvens, e portanto era quase certo de que a bomba erraria o alvo. Então os B-29 Superfortress rumaram para Nagasaki, que apesar de também estar sob nuvens e ventos, dissipou-se logo, então foi ordenado que a cidade deveria ser atacada. A bomba foi lançada, mas se deslocou durante a queda, caindo em um vale ao lado e parte da explosão foi contida, mesmo assim a bomba dizimou a cidade.
Disponibilidade e produção