94. Plutonio

 

Vamos a estudiar hoy el que quizás sea el último elemento conocido por el público en general: El plutonio. Los que vengan a partir de ahora serán elementos muy raros y desconocidos y lo normal es que muy poca gente haya oído si quiera hablar de ellos. El plutonio es conocido, sí, pero no precisamente por su buena fama. Como cualquiera te diría, se utiliza para fabricar bombas... Y es cierto, pero también se utiliza para otras cosas buenas. Vamos poco a poco.  

Lo primero, su estructura: Es el elemento número 94 de nuestra querida Tabla Periódica. Eso quiere decir que en su núcleo tiene 94 protones. Además de eso, se mantiene más o menos estable gracias a la inestimable ayuda de entre 144 y 150 neutrones (Pu238-Pu244). Rodeando al núcleo tiene una espesa capa de 94 electrones ordenados por niveles de la siguiente manera: 2, 8, 18, 32, 24, 8 y 2. Es un gran átomo y un denso metal (una pelota de golf de plutonio pesaría como un kilo, bueno, parecido al oro o el wolframio).

El plutonio es un actínido, como lo son todos los elementos entre el actinio y el lawrencio. Son metales poco comunes, radiactivos y tienen una química parecida todos ellos debido a una especial ordenación de sus electrones. Todo el plutonio que existía naturalmente en nuestro planeta se transformó en uranio hace millones de años. Y ahora encontramos muy poquita cantidad en las minas de uranio. El plutonio, además, es muy tóxico. De absorberlo, tu cuerpo lo depositaría en los huesos, lo cual sería una malísima noticia ¿Cómo no va a serlo con un elemento para el que la evolución no nos ha preparado?. Podrías llegar a ingerirlo si trabajases con plutonio y éste se oxidara (se oxida fácilmente al aire) creando una capa de óxido que se desprendería en forma de polvillo oscuro, que podrías llegar a respirar. Pero todos sabemos que eso no va a pasar, ¿verdad? No hay porqué preocuparse. 

Sobre su descubrimiento: Ya he hablado de los protagonistas en entradas anteriores. En la entrada del neptunio hablé de Edwin M. McMillan, director del laboratorio de radiación de Berkeley. También he hablado del que por aquella época trabajaba allí como profesor de química: Un todavía desconocido Glenn Seaborg, testigo del descubrimiento de McMillan y Abelson, los primeros en obtener neptunio. McMillan le comentó a Glenn su teoría: Sostenía que el neptunio, al ser radiactivo, podría emitir una partícula beta (conversión de un neutrón en un protón) y transformarse en el elemento 94, todavía por descubrir. En eso estaban a principios de los 40 cuando el Gobierno de Estados Unidos los llamó para colaborar en el Proyecto Manhattan. Por aquella época, Seaborg no era muy conocido, con lo que no lo reclutaron. Así que pudo quedarse en Berkeley confirmando las teorías de su mentor. Y vaya si lo hizo. En cuanto tuvo vía libre, Seaborg y algún colaborador, como Joseph W. Kennedy y Arthur C. Wahl, se pusieron a bombardear átomos de uranio como si no hubiera un mañana, utilizando el ciclotrón de McMillan. Cuando tuvieron suficiente neptunio, dejaron que actuara durante un tiempo, purificaron la muestra et voilá, ahí estaba el elemento 94. Era febrero de 1941. 

Estaban convencidos de que este sería el último elemento de la Tabla, con lo que le llamaron plutonio (Ya sabes, el último planeta entonces era Plutón). (Digo “era” porque ahora no se le considera un planeta, si no un planeta enano. Si te pica la curiosidad, esto lo explico en mi blog: Astronomía para tontos). Añadir que, a la hora de nombrarlo, se plantearon otros nombres como ultimio o exterminio. La verdad es que hubiera sido un error no completar la serie uranio, neptunio y plutonio. 

Oppenheimer con Seaborg y McMillan en 1951, año en el que recibirían el Premio Nobel.

En seguida tuvieron claro que ese nuevo elemento era especial: Se parecía químicamente al uranio y al neptunio y además era fisionable. Una vez anunciado el descubrimiento del plutonio, a Seaborg (Ya conocido mundialmente) también lo llamaron para el Proyecto Manhattan. Allí se unió a un montón de grandes científicos y juntos desarrollaron la primera bomba nuclear de plutonio de la historia. Se llamaba Trinity. 

Trinity fue detonada en una remota zona desértica cerca de Albuquerque (Nuevo México, USA) el 16 de julio de 1945. No fue fácil llegar hasta allí. Bueno, ya sabes, el Proyecto Manhattan fue uno de los proyectos más grandes en la historia de la humanidad (Llegaron a tener contradas a más de 130.000 personas). Una de las líneas de investigación era la del plutonio. En 1943 solo se habían obtenido 2 mg de este metal, utilizando el ciclotrón de Lawrence y McMillan. Necesitaban más. Lo primero: Nombrar a Robert Oppenheimer director de laboratorio. Robert era americano y se le conoce como el padre de la bomba atómica. Era un genio. Sin él, muy probablemente no lo hubieran conseguido. Lo segundo: Darle mayor prioridad al proyecto y después: Construir un reactor para producir plutonio. El reactor X-10, de grafito refrigerado con aire (el grafito frena los neutrones, consiguiendo la velocidad adecuada de éstos para producir la fisión), consiguió su primera criticidad el 4 de noviembre de 1943. Estaba localizado en Oak Ridge, en Tennessee. Un segundo reactor (3 unidades, en realidad), más potente, se construiría en Hanford. En menos de un año, en 1944, ya lo habían construido. Tenía una potencia de 250 MW y estaba refrigerado por agua. 

En los reactores, el U238 absorbe un neutrón, pasando a ser U239, que decae transformándose en neptunio 239 que vuelve a decaer convirtiéndose, por fin, en Pu239. Luego hay que separar el plutonio del uranio, cosa que hacían en unos centros aparte.  

Monumento en el lugar donde se lanzó Trinity. 

Cuando el plutonio llegó a los laboratorios se encontraron con un problema: Había demasiado plutonio 240, mucho más inestable y que hacía que la fisión empezara demasiado pronto. No podían hacerla funcionar como la de uranio, que simplemente son dos partes de metal que al unirse suman la masa crítica necesaria para provocar la explosión. Tuvieron que buscar otra solución, y la hallaron gracias a Seth Neddermeyer, el descubridor del muon (una partícula que está entre el protón y el electrón). Seth había sugerido implosionar la muestra de plutonio, es decir, hacer explotar una bomba convencional para juntar todavía más los átomos de plutonio y que se alcanzase la masa crítica antes. El diseño final fue de John Von Neumann un brillante matemático húngaro, y la forma de los explosivos fue diseñado por Luis Walter Álvarez, un californiano de origen español, ganador del Nobel de física de 1968 (Hablé de él por su teoría sobre la extinción de los dinosaurios en la entrada del iridio). Construyeron una esfera de plutonio y galio (solo con plutonio no eran capaces), y la revistieron de níquel para evitar la corrosión del plutonio. La detonación rodearía la esfera haciéndola explotar “hacia adentro”. Los explosivos se situaron en piezas como el cuero que rodea una pelota de fútbol, pero algo más complicado. Toda una obra de ingeniería para construir Trinity, una bomba con una equivalencia de 21 kilotones de TNT. Llegó a notarse a 160 km de distancia.  

La segunda bomba de plutonio, llamada Fat Man, fue lanzada sobre Nagasaki el 9 de agosto de 1945 y mató a más de 35000 personas. En un principio iba a ser lanzada sobre la ciudad de Kokura, pero las nubes impidieron al bombardero B-29 Bockstar lanzar la bomba, así que se dirigieron a Nagasaki, que era la segunda opción. Unos días antes ya habían lanzado la bomba de uranio sobre Hiroshima. Japón, obviamente, acabó rindiéndose. 

Se fabricaron más bombas (Tanto americanos como Soviéticos) y mientras que Fat Man era de la tecnología Mark III, el siguiente modelo, Mark IV, se desarrolló en 1949. Se fabricaron nada menos que 500 bombas en 4 años. EL modelo Mark IV se podía fabricar en serie, ya que su montaje no era tan complicado como el anterior. Le siguió la Mark 6. Se fabricaron unas 1100 bombas de este modelo y estuvieron en servicio hasta 1962. Siguieron la Mark 13, Mark 18 (La más potente, de 500 kilotones), Mark 20… y después vinieron las bombas termonucleares o bombas de hidrógeno, que combinan la fisión del uranio o el plutonio con la fusión del hidrógeno. Hoy en día, según tengo entendido, siguen en operación la llamada B61 o la B83, desarrolladas en 1966 y 1983 respectivamente, más pequeñas y manejables y capaces de variar su potencia, pudiendo alcanzar (la B83) los 1´2 Megatones. También están las cabezas nucleares, para acoplar en diferentes tipos de misiles. Una locura. Los rusos crearon (y probaron en 1961) la bomba más potente de la historia (La bomba Tsar o bomba del Zar). Tenía una potencia de 57 Megatones (¡57000 kilotones!). La onda expansiva dio 3 vueltas a la Tierra. De locos. En fin, que no me quiero extender demasiado con este desagradable, aunque a la vez interesante tema.  

Así que hablemos de cosas buenas. El isótopo “bueno” del plutonio es el Pu238, que tiene una vida media de 87-88 años (Frente a los 24000 años del Pu239 y 6300 del Pu240). El isótopo “bueno” es un emisor de partículas alfa, las cuales se utilizan para dar energía a, generalmente, diferentes sondas espaciales (Los rusos también lo han instalado en faros, por ejemplo). Por cada gramo de plutonio, se suministra aproximadamente medio vatio de potencia. Se produce en los reactores nucleares instalando unas muestras bien purificadas de neptunio-237 e irradiándolas con neutrones. Para construir estas pilas, se fabrican normalmente unas esferas de óxido de plutonio-238 de unos 150 gramos y se recubren de iridio. Esas esferas se meten en unos módulos llamados GPHS (General Purpose Heat Source) y con estos módulos se construye el RTG (Radioisotope Thermoelectric Generator) que genera electricidad gracias al calor que desprenden. Sondas tan conocidas como las Voyager, la Cassini o los rovers MERs de Marte los llevan encima.   

Pellet de plutonio-238 que va a usarse en un RTG. 

Los RTG (en pequeñito, claro) también se han usado para marcapasos. Al final es una pila que dura muchos años y que no tienes que cambiar. Ahora se está estudiando con otros radioisótopos (hay empresas que dicen tener casi preparadas baterías que duran 28000 años) y, quién sabe, quizás nos sorprendan en un futuro cercano. Habrá que estar al tanto. Añadir que el primer RTG funcionaba con polonio-210 (lo explique en la entrada del polonio). Fue la demostración de lo que se podía hacer con los radioisótopos. El desarrollo tuvo lugar en Ohio (USA) en 1955 y los genios fueron Ken Jordan y John Birden.  

El plutonio-238 también se utiliza en algunas centrales nucleares como combustible. Son las llamadas centrales de neutrones rápidos. No hace falta frenar los neutrones con grafito o con agua para que produzcan fisiones. 

Otra aplicación, no sé si con mucho recorrido, es la de superconductor (Hay tantos elementos que tienen aplicaciones en este campo que yo ya no sé). Una aleación con galio se vuelve superconductora a -254´6 grados. En realidad, el plutonio, con sus 5 estados de oxidación, forma numerosos compuestos. Alguno de ellos, seguro, con aplicaciones todavía desconocidas… y es que no es un elemento fácil con el que trabajar. Bueno, eso les pasa a todos los elementos de esta zona de la tabla. 

En el mundo existen entre 250 y 550 toneladas (Varía según la fuente) de plutonio purificado (Tienen Rusia, USA, Francia, Inglaterra, Japón, La India…). Se produjeron una enorme cantidad durante la Guerra Fría. Se fueron gastando las reservas para ir fabricando RTGs para diferentes sondas espaciales y los americanos empezaron a producir de nuevo en diciembre del 2015. Sale caro, pero las posibilidades son enormes.