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Viernes, 18 marzo 2011
Física

El plutonio, radiactivo y de propiedades insólitas

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La presencia en el reactor 3 de la central nuclear de Fukushima Daiichi de cantidades importantes de plutonio pone de actualidad a ese elemento. Pero sobre el plutonio no suele circular mucha información, y de hecho su existencia se mantuvo en secreto durante algunos años debido a su utilidad estratégica para armamento nuclear. 

Muchos científicos consideran al plutonio el elemento más desconcertante de los que tienen un uso práctico. Es capaz de combinarse con casi cualquier otro elemento existente para formar compuestos, complejos o aleaciones, y establece hasta 12 enlaces químicos con moléculas en una disolución, algo que, hasta donde se sabe, ningún otro elemento puede hacer. 

El plutonio de origen natural es escasísimo, y la práctica totalidad del que hay en la actualidad tiene un origen artificial. Se consiguió sintetizarlo por vez primera en la Segunda Guerra Mundial, mediante un ciclotrón de la Universidad de California en Berkeley, aunque el logro no se dio a conocer hasta después del fin de la guerra, ya que se trataba de un secreto militar estratégico. El plutonio fue usado en la bomba atómica detonada en la ciudad japonesa de Nagasaki. Aún hoy se realizan estudios sobre los efectos a largo plazo del plutonio allí. 

Desde que comenzó a ser sintetizado, en el mundo se han producido nada menos que unas 1.500 toneladas de este raro metal, el elemento 94 de la tabla periódica. Se ha usado mucho para armamento nuclear, aunque también sirve como combustible de central nuclear. Sus radioisótopos conocidos son una veintena. Los isótopos más estables son el plutonio-244, con un periodo de semidesintegración de 80,8 millones de años, el plutonio-242, con un periodo de semidesintegración de 373.300 años, y el plutonio-239 (el isótopo de mayor interés), con un periodo de semidesintegración de 24.110 años. 

El plutonio-239 pasa por seis transformaciones de fase de estado sólido, más que cualquier otro elemento conocido. Registra grandes cambios de volumen y densidad conforme pasa a través de esas seis fases hacia su estado líquido, el cual alcanza a los 640 grados centígrados. Bajo presión, exhibe una séptima fase.

El plutonio es el metal más complejo, y se comporta de un modo distinto al de cualquier otro elemento en la naturaleza. Su estructura cristalina es irregular, y su núcleo es inestable, lo que produce que el metal se vaya desintegrando espontáneamente con el transcurso del tiempo, dañándose la retícula metálica circundante.

Aparte de por su peligrosidad, trabajar con plutonio resultó muy difícil al principio. Los primeros lotes del metal eran demasiado quebradizos para soportar procesos convencionales de maquinado. Para hacer maquinable al metal, era necesario lograr que a temperatura ambiente el plutonio retuviera la estructura cúbica de alta simetría lograda a elevadas temperaturas. Los científicos del Proyecto Manhattan (nombre en clave del programa estadounidense de investigación y desarrollo tendente a fabricar la bomba atómica en la Segunda Guerra Mundial),  consiguieron esto agregando una pequeña cantidad de galio. 

En el plutonio puro, los enlaces entre los átomos de plutonio son muy irregulares, haciendo que el metal tenga una alta propensión a adoptar estructuras de baja simetría. Sin embargo, cuando un átomo de galio se coloca en la red cristalina del plutonio, eso hace que los enlaces sean más uniformes, con el resultado de una estructura cúbica de alta simetría. El galio allana y nivela los enlaces del plutonio. Agregar galio estabiliza la estructura cúbica y hace apto al plutonio para el maquinado a temperatura ambiente.

El plutonio es muy persistente como contaminante del medio ambiente. Es capaz de extenderse en las aguas subterráneas más allá de lo que hasta hace pocos años se creía posible. Según los resultados de una línea de investigación llevada a cabo en años recientes, una razón de que ese aspecto de su conducta haya resultado imprevisible durante medio siglo es que el plutonio puede adoptar una configuración en racimos de dimensiones nanométricas de óxido de plutonio. Cuando el plutonio forma racimos, su química es muy diferente. Los nanorracimos están formados por 38 átomos de plutonio y no tienen apenas carga. A diferencia de los iones comunes de plutonio que tienen una carga positiva, no son atraídos por los electrones de vegetales, minerales y otros cuerpos que detienen la progresión de los iones en las aguas subterráneas. Los racimos también son un problema para las técnicas destinadas a limpiar los lugares que han sido contaminados por el plutonio. Los iones libres son relativamente fáciles de separar de las aguas subterráneas, pero los racimos son difíciles de retirar.

Debido en parte a su radiactividad, el plutonio "envejece" químicamente a un ritmo bastante rápido, hasta el punto de que llegó a temerse que, por sus alteraciones, dejase deteriorados a los misiles nucleares mucho antes de que estos, como máquinas, alcanzasen su "fecha de caducidad" que les hiciera ser retirados del servicio y desmantelados.


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