Plutonium on radioaktiivinen, hopeinen metalli, jota voidaan käyttää luomaan tai tuhoamaan. Vaikka sitä käytettiin tuhoamiseen pian sen valmistamisen jälkeen, nykyään alkuainetta käytetään kaikkialla maailmassa lähinnä energian luomiseen.
Plutoniumia valmistettiin ja eristettiin ensimmäisen kerran vuonna 1940, ja sitä käytettiin ”Fat Man” -atomipommin valmistamiseen, joka pudotettiin Nagasakiin toisen maailmansodan lopussa, vain viisi vuotta sen ensimmäisen valmistuksen jälkeen, sanoi Amanda Simson, kemian tekniikan apulaisprofessori New Havenin yliopistossa.
Vain faktoja
Tässä ovat plutoniumin ominaisuudet Los Alamosin kansallisen laboratorion mukaan:
- Atominumero: 94
- Atomin symboli: Pu
- Atomipaino: 244
- Sulamispiste: 1184 F (640 C)
- Kiehumispiste: 5842 F (3228 C)
Löytötiedot & historia
Plutoniumin löysivät vuonna 1941 tutkijat Joseph W. Kennedy, Glenn T. Seaborg, Edward M. McMillan ja Arthur C. Wohl Kalifornian yliopistossa Berkleyssä. Löytö tehtiin, kun ryhmä pommitti uraani-238:a syklotronilaitteessa kiihdytetyillä deuteroneilla, jolloin syntyi neptunium-238:a ja kaksi vapaata neutronia. Neptunium-238 hajosi sitten beetahajoamisen kautta plutonium-238:ksi.
Tämä koe jaettiin muun tiedeyhteisön kanssa vasta vuonna 1946, toisen maailmansodan jälkeen. Seaborg toimitti artikkelin löydöstään Physical Review -lehteen maaliskuussa 1941, mutta artikkeli poistettiin, kun selvisi, että plutoniumin isotooppia Pu-239 voidaan käyttää atomipommin luomiseen.
Pian Seaborg lähetettiin Los Alamosin kansallisen laboratorion mukaan johtamaan Chicagon yliopiston Plutonium Production Lab -laboratoriota, joka tunnetaan myös nimellä Met Lab. Laboratorion tarkoituksena oli luoda plutoniumia osana Manhattan-projektia. Manhattan-projekti oli toisen maailmansodan aikainen salainen hanke, joka työskenteli yksinomaan atomipommin kehittämiseksi.
18. elokuuta 1942 heillä oli ensimmäinen suuri menestys. He pystyivät luomaan silmin havaittavan määrän plutoniumia. Se vastasi vain noin 1 mikrogrammaa. Pienestä näytteestä tiedemiehet määrittivät plutoniumin atomipainon.
Manhattan-projekti tuotti lopulta tarpeeksi plutoniumia ”Trinity-testiä” varten. Testin aikana Los Alamosin laboratorion johtaja Robert Oppenheimer ja armeijan kenraali Leslie Groves räjäyttivät Los Alamosin laboratorion johtajan Robert Oppenheimerin ja armeijan kenraalin Leslie Grovesin toimesta 16. heinäkuuta 1945 lähellä Socorroa, New Mexicon osavaltiossa, maailman ensimmäisen atomipommin eli ”The Gadgetin”.
Kokeesta Oppenheimer sanoi: ”Tiesimme, että maailma ei olisi entisensä. Muutama ihminen nauroi, muutama ihminen itki. Suurin osa ihmisistä oli hiljaa. Muistin repliikin hindulaisesta Bhagavad-Gitasta. Vishnu yrittää taivutella prinssiä tekemään velvollisuutensa, ja tehdäkseen vaikutuksen hän ottaa monikätisen muotonsa ja sanoo: ’Nyt minusta on tullut Kuolema, maailmojen tuhoaja’. Luulen, että me kaikki ajattelimme sitä tavalla tai toisella”, Royal Society of Chemistryn mukaan.
Räjähdyksen energia vastasi noin 20 000 tonnia TNT:tä. Ensimmäinen sotakäyttöön tarkoitettu atomipommi pudotettiin Japanin Hiroshimaan 6. elokuuta 1945. Tuossa atomipommissa, jota kutsuttiin nimellä ”Little Boy”, oli kuitenkin uraanisydän. Toisessa pommissa, joka pudotettiin Nagasakiin 9. elokuuta 1945, oli plutoniumsydän. ”Paksu mies”, kuten sitä kutsuttiin, nopeutti toisen maailmansodan päättymistä.
Plutoniumin ominaisuudet
Tuoreena valmistetulla plutoniummetallilla on hopeanhohtoinen kirkas väri, mutta se saa tylsän harmaan, keltaisen tai oliivinvihreän värin hapettuessaan ilmassa. Metalli liukenee nopeasti väkeviin mineraalihappoihin. Suuri pala plutoniumia tuntuu lämpimältä kosketettaessa, koska alfahajoamisesta vapautuu energiaa; suuremmat kappaleet voivat tuottaa tarpeeksi lämpöä veden kiehumiseen. Huoneenlämmössä alfa-muotoinen plutonium (yleisin muoto) on yhtä kovaa ja haurasta kuin valurauta. Sitä voidaan seostaa muiden metallien kanssa huoneenlämpötilassa stabiloiduksi delta-muodoksi, joka on pehmeää ja sitkeää. Toisin kuin useimmat metallit, plutonium ei johda hyvin lämpöä tai sähköä. Sillä on alhainen sulamispiste ja epätavallisen korkea kiehumispiste.
Plutonium voi muodostaa seoksia ja väliyhdisteitä useimpien muiden metallien kanssa sekä yhdisteitä monien muiden alkuaineiden kanssa. Joillakin seoksilla on suprajohtavia kykyjä ja toisia käytetään ydinpolttoainepellettien valmistukseen. Sen yhdisteet ovat erivärisiä riippuen hapetusasteesta ja siitä, kuinka monimutkaisia eri ligandit ovat. Vesiliuoksessa on viisi valenssi-ionitilaa.
Plutonium, kuten kaikki muutkin transuraanielementit, on säteilyvaarallinen, ja sitä on käsiteltävä erikoislaitteilla ja -varotoimin. Eläinkokeissa on todettu, että muutama milligramma plutoniumia kudoskiloa kohti on tappava.
Lähteet
Plutoniumia ei yleensä esiinny luonnossa. Plutoniumin hivenaineita esiintyy luonnossa esiintyvissä uraanimalmeissa. Siellä se muodostuu samankaltaisella tavalla kuin neptunium: säteilyttämällä luonnonuraania neutroneilla, jota seuraa beetahajoaminen.
Ensisijaisesti plutonium on kuitenkin ydinvoimateollisuuden sivutuote. Los Alamosin kansallisen laboratorion mukaan vuosittain tuotetaan noin 20 tonnia plutoniumia. Käytettyä ydinpolttoainetta voidaan myös jälleenkäsitellä käyttökelpoisen plutoniumin erottamiseksi muista polttoaineen sisältämistä alkuaineista.
World Nuclear Associationin mukaan 1950- ja 1960-luvuilla tehdyistä ilmakehän asekokeista jäi maapallon ilmakehään tonneittain plutoniumia, joka on siellä vielä tänäkin päivänä.
Käyttökohteet
Plutoniumia ei suurimmaksi osaksi juurikaan käytetä. Itse asiassa viidestä yleisestä isotoopista vain kahta plutoniumin isotooppia, plutonium-238:aa ja plutonium-239:ää, käytetään lainkaan.
Plutonium-238:sta valmistetaan sähköä avaruusluotaimiin radioisotooppisten lämpösähkögeneraattoreiden avulla. Nämä generaattorit kytketään päälle, kun luotaimet eivät saa tarpeeksi aurinkoenergiaa, koska ne ovat matkanneet liian kauas auringosta. Plutonium-238:aa käyttävät luotaimet ovat Cassini ja Galileo.
Kun plutonium-239 konsentroituu tarpeeksi, se käy läpi fissioketjureaktion. Tämän vuoksi sitä käytetään ydinaseissa ja joissakin ydinreaktoreissa.
Yksi suurimmista plutoniumin käyttökohteista onkin energia. World Nuclear Associationin mukaan yli kolmannes useimmissa ydinvoimaloissa tuotetusta energiasta on peräisin plutoniumista. Plutonium on tärkeintä polttoainetta nopeiden neutronien reaktoreissa.
Kuka tiesi?
Kymmeniä vuosia tutkijat ihmettelivät, miksi plutonium ei käyttäydy kuten muut ryhmänsä metallit. Esimerkiksi plutonium johtaa huonosti sähköä eikä se tartu magneetteihin. Nyt tutkijat ovat saaneet selville, missä sen ”puuttuva magnetismi” on piileskellyt, ja se liittyy alkuaineen ulkokuoren elektronien omituiseen käyttäytymiseen. Toisin kuin muilla metalleilla, joiden ulkokuoressa on tietty määrä elektroneja, plutoniumissa voi olla perustilassa neljä, viisi tai kuusi elektronia.
Tämä vaihteleva ulkokuoren elektronien määrä selittää, miksi plutonium ei ole magneettinen: Jotta atomi voisi vuorovaikuttaa magneettien kanssa, sen ulkokuoressa olevien parittomien elektronien on rivistyttävä magneettikentässä.
Plutoniumin vakain isotooppi, plutonium-244, voi säilyä pitkään. Sen puoliintumisaika on noin 82 miljoonaa vuotta, ja se hajoaa Jeffersonin laboratorion mukaan alfahajoamisen kautta uraani-240:ksi.
Plutonium on nimetty Pluto-planeetan mukaan. Tämä johtuu siitä, että se tuli uraanin jälkeen, joka nimettiin Uranus-planeetan mukaan, ja neptuniumin jälkeen, joka nimettiin Neptunus-planeetan mukaan.
Plutonium emittoi neutroneja, beetahiukkasia ja gammasäteitä.