กัมมันตรังสี! รายละเอียดของธาตุพลูโทเนียม

Aug 18 2021

องค์ประกอบที่มนุษย์สร้างขึ้นนี้สามารถให้พลังงานแก่ทุกสิ่งตั้งแต่อาวุธนิวเคลียร์ไปจนถึงภารกิจห้วงอวกาศ พลูโทเนียมน่ากลัวยังไง?

พลูโทเนียมมีสองประเภท: เกรดเครื่องปฏิกรณ์และเกรดอาวุธ rigsbyphoto/Shutterstock

เมื่อวันที่ 25 ส.ค. 2555ซึ่งอยู่ห่างจากดวงอาทิตย์ประมาณ 11 พันล้านไมล์ (18 พันล้านกิโลเมตร) ยานสำรวจโวเอเจอร์ 1 ของ NASA ได้ออกจากเฮลิโอสเฟียร์อย่างกล้าหาญไปยังที่ที่ไม่เคยมีวัตถุมาก่อน เมื่อข้ามพรมแดนดังกล่าว ยานโวเอเจอร์ 1 ได้เดินทางข้ามระบบสุริยะและเข้าสู่อวกาศระหว่างดวงดาวซึ่งถือเป็นครั้งแรกในประวัติศาสตร์

ดูที่แถวล่างสุดของตารางธาตุ (ดั้งเดิม) แล้วคุณจะพบองค์ประกอบที่ทำให้การผจญภัยในจักรวาลนี้เป็นไปได้: พลูโทเนียม

พลูโทเนียมคืออะไร?

พลูโทเนียมถูกระบุครั้งแรกในปี 1940 เพื่อวัตถุประสงค์ในการสร้างสรรค์และการทำลายล้าง นักฟิสิกส์ผู้ล่วงลับ จอห์น กอฟฟ์แมนเคยเรียกพลูโทเนียมว่า "องค์ประกอบของเจ้าแห่งนรก" นักภาษาศาสตร์อาจมีแนวโน้มที่จะเห็นด้วย

แต่ก่อนอื่นอีกเล็กน้อยเกี่ยวกับองค์ประกอบนี้ พลูโทเนียมทุกอะตอมมีโปรตอน 94 ตัว ในทางตรงกันข้าม มีโปรตอนเพียง 92 ตัวต่ออะตอมของยูเรเนียมและ 93 ตัวในแต่ละอะตอมของเนปทูเนียม

เนื่องจากทั้งสององค์ประกอบได้รับการตั้งชื่อตามเทพเจ้าโบราณ และดาวเคราะห์ - ดาวยูเรนัสและเนปจูนพลูโทเนียมจึงได้รับการปฏิบัติเช่นเดียวกัน

"พลูโทเนียมถูกค้นพบโดยเกล็นน์ ซีบอร์กและเพื่อนร่วมงานที่ Berkeley Laboratory (CA) ในปลายปี 1940" Peter C. Burns นักเคมีจากมหาวิทยาลัย Notre Dame กล่าวในอีเมล

เมื่อสิบปีก่อนนักดาราศาสตร์ได้สังเกตเห็นดาวเคราะห์แคระดวงใหม่ใกล้ดาวเนปจูน เพื่อเป็นเกียรติแก่เทพเจ้าโรมันแห่งยมโลก มันถูกขนานนามว่า "พลูโต" และพลูโทเนียมได้ชื่อมาจากสวรรค์นั้น

เดิมซีบอร์กและบริษัทสามารถผลิตพลูโทเนียมโดยใช้เครื่องเร่งอนุภาคไซโคลตรอนที่เบิร์กลีย์ ด้วยอุปกรณ์นี้ อนุภาคที่เรียกว่า "ดิวเทอรอน" ถูกยิงไปที่ตัวอย่างยูเรเนียม การทดลองสร้างจำนวนเล็ก ๆ ของเนปทูเนียมซึ่งก็กลายเป็นพลูโตเนียมผ่านกระบวนการผุ

ตัวอย่างพลูโทเนียม weighable แรกที่ถูกสร้างขึ้นที่มหาวิทยาลัยชิคาโก 20 สิงหาคม 1942 โดยจุดที่บางฝ่ายที่ได้รับการยอมรับศักยภาพทางทหารขององค์ประกอบ

อะตอมของพลูโทเนียมมักมาพร้อมกับโปรตอน 94 ตัว แต่จำนวนนิวตรอนอาจแตกต่างกันไป และนักเคมีเรียกรูปแบบเหล่านี้ว่า " ไอโซโทป " ยูเรเนียมก็มีไอโซโทปเช่นกัน หนึ่งในนั้นเรียกว่ายูเรเนียม-235 (U-235) ในไม่ช้าก็ถูกระบุว่าเป็นแหล่งเชื้อเพลิงที่มีศักยภาพสำหรับระเบิดปรมาณู หลังจากค้นพบได้ไม่นาน พลูโทเนียมก็เข้าสู่การสนทนาเพื่อเป็นอีกวิธีหนึ่งในการขับเคลื่อนอาวุธนิวเคลียร์ ยุคปรมาณูกำลังจะเริ่มต้นขึ้น

ทุกวันนี้ เพื่อวัตถุประสงค์ในทางปฏิบัติทั้งหมด พลูโทเนียมมีสองประเภท: เกรดเครื่องปฏิกรณ์และเกรดอาวุธ พลูโทเนียมเป็นส่วนประกอบสำคัญที่อยู่เบื้องหลัง "แฟตแมน" ซึ่งเป็นระเบิดนิวเคลียร์ที่ทำลายล้างเมืองนางาซากิ ประเทศญี่ปุ่น ในปี 1945 คร่าชีวิตผู้คนนับหมื่นและยุติสงครามโลกครั้งที่สองได้อย่างมีประสิทธิภาพ

การระเบิดของทรินิตี้ ซึ่งเห็นที่นี่หลังจากการระเบิด 16 มิลลิวินาที เป็นการระเบิดนิวเคลียร์ครั้งแรกบนโลก มันมีแกนพลูโทเนียม

พลูโทเนียมและอาวุธ

พลูโทเนียมที่ใช้สำหรับวัตถุประสงค์ทางการทหารจะกู้คืนจากเชื้อเพลิงยูเรเนียมที่ได้รับการฉายรังสีเป็นเวลาสองถึงสามเดือนในเครื่องปฏิกรณ์ที่ผลิตพลูโทเนียม ใช้ไอโซโทปพลูโทเนียม -239 (Pu-239) เกือบบริสุทธิ์ประมาณ 22 ปอนด์ (10 กิโลกรัม) เพื่อสร้างระเบิด ชนิดของระเบิดที่ต้องใช้ 30 เมกะวัตต์ปีของการดำเนินงานของเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ที่มีการเปลี่ยนแปลงอย่างต่อเนื่องและน้ำมันเชื้อเพลิงปรับกระบวนการของเชื้อเพลิง 'ร้อน' ตามที่สมาคมนิวเคลียร์โลกนั่นเป็นเหตุผลว่าทำไมพลูโทเนียม "เกรดอาวุธ" จึงถูกสร้างขึ้นในเครื่องปฏิกรณ์พิเศษที่เพิ่มความเข้มข้นของไอโซโทปของพลูโทเนียมที่สูงขึ้น

ครั้งแรกระเบิดปรมาณูระเบิดบนโลกที่เกิดขึ้นในวันที่ 16 กรกฎาคม 1945 มันอยู่ในนิวเม็กซิโกและมันก็แข็งแกร่งพอที่จะรู้สึก 100 ไมล์ (160 กิโลเมตร) ออก มันเป็นส่วนหนึ่งของความลับสุดยอดของโครงการ " Trinity Nuclear Test " ของโครงการแมนฮัตตัน ที่สนามวางระเบิดอาลาโมกอร์โด อุปกรณ์ดังกล่าวมีแกนพลูโทเนียม ไม่มีการใช้นิวเคลียร์แบบยูเรเนียมสำหรับการทดลอง

ต่อจากนั้น สหรัฐฯ ทิ้งระเบิดนิวเคลียร์ U-235 เหนือเมืองฮิโรชิมาของญี่ปุ่น 6 ส.ค. 2488 สามวันต่อมา สหรัฐฯ ทิ้งระเบิดลูกที่สองชื่อเล่นว่า "ชายอ้วน" ที่นางาซากิ เช่นเดียวกับอาวุธที่ทดสอบในนิวเม็กซิโกในฤดูร้อนนั้น ระเบิดนางาซากิอาศัยพลูโทเนียม

"[มัน] จะไม่เป็นที่ทราบแน่นอนว่าหลายคนเสียชีวิตเป็นผลมาจากการโจมตีของอะตอมในนางาซากิ" รายงานกระทรวงพลังงานสหรัฐเว็บไซต์อย่างเป็นทางการ ตามการประมาณการที่ดีที่สุดของพวกเขา "ในตอนแรกมีผู้เสียชีวิต 40,000 ราย และบาดเจ็บอีก 60,000 ราย" ในช่วงหลายเดือนและหลายปีต่อจากนี้ ยอดผู้เสียชีวิตอาจเพิ่มขึ้นเป็น 140,000 รายหรือมากกว่านั้น นางาซากิสวนสันติภาพเป็นเจ้าภาพจัดพิธีประจำปีเพื่อเป็นเกียรติแก่ความทรงจำของพวกเขาทุกเดือนสิงหาคม

ปัญหาที่ใหญ่ที่สุดในปัจจุบันเกี่ยวกับคลังพลูโทเนียมเกรดอาวุธคือจะทำอย่างไรกับมัน สหรัฐอเมริกาคาดว่าจะมีพลูโทเนียม96.6 ตัน (87.7 เมตริกตัน) และปัญหาการจัดเก็บ ปัจจุบันส่วนใหญ่ถูกเก็บไว้ในอาคารที่ไซต์แม่น้ำสะวันนาในเซาท์แคโรไลนา

ทีมบำรุงรักษาขีปนาวุธของฐานทัพอากาศ Malmstrom ทำการถอดส่วนบนของขีปนาวุธนำวิถีข้ามทวีป (ICBM) ที่ไซต์ขีปนาวุธมอนทานา ส่วนนี้ได้รับการคัดเลือกแบบสุ่มสำหรับการทดสอบที่ฐานทัพอากาศ Vandenberg รัฐแคลิฟอร์เนียในเดือนสิงหาคม

พลูโทเนียมและพลังงาน

วันนี้กว่าหนึ่งในสามของพลังงานที่ผลิตที่โรงไฟฟ้านิวเคลียร์มาจากพลูโตเนียม อย่างไรก็ตาม สหรัฐอเมริกาไม่มีสิ่งอำนวยความสะดวกใดๆ ที่ต้องอาศัยพลูโทเนียมเป็นพลังงาน

ไอโซโทปพลูโทเนียมที่พบบ่อยที่สุดที่เกิดขึ้นในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์คือ Pu-239 ซึ่งถูกสร้างขึ้นโดยการดักจับนิวตรอนจากยูเรเนียมที่หมดพลังงาน (U-238) เมื่อแยกตัวออก Pu-239 สามารถมีพลังงานได้มากเท่ากับยูเรเนียมเสริมสมรรถนะ (U-235) ซึ่งใช้ในอาวุธนิวเคลียร์ด้วยเช่นกัน

ในอดีตอีกไอโซโทปพลูโตเนียม Pu-238 ถูกนำมาใช้ในการใช้พลังงานแบตเตอรี่ในบางเครื่องกระตุ้นหัวใจในเชิงพาณิชย์ อุปกรณ์ทางการแพทย์เหล่านั้นล้าสมัยเนื่องจากทางเลือกที่ใช้พลังงานลิเธียมออกสู่ตลาด

แต่ในพรมแดนสุดท้าย พลูโทเนียมยังคงเป็นสินค้าที่มีค่า

พลูโทเนียมและห้วงอวกาศ

"การใช้พลูโทเนียมที่สำคัญและไม่ค่อยมีใครรู้จักมากที่สุดคือการผลิตพลังงานระหว่างการสำรวจอวกาศ" เบิร์นส์กล่าว "พลูโทเนียม-238 ปล่อยความร้อนออกมามากเมื่อผ่านการสลายตัวของกัมมันตภาพรังสี และความร้อนนี้สามารถนำมาใช้ในเครื่องกำเนิดความร้อนเพื่อผลิตกระแสไฟฟ้าได้"

Pu-238มีคุณสมบัติมากมายที่ทำให้ไอโซโทปน่าสนใจมากสำหรับวิศวกรที่ทำงานให้กับหน่วยงานด้านอวกาศ สำหรับผู้เริ่มต้น คุณไม่จำเป็นต้องมีพลังงานมากเพื่อสร้างความร้อนจำนวนมาก ซึ่งสามารถแปลงเป็นไฟฟ้าได้

จากนั้นมีครึ่งชีวิตซึ่งเป็นตัวชี้วัดที่บอกคุณว่าจะใช้เวลาครึ่งหนึ่งของอะตอมในไอโซโทปกัมมันตภาพรังสีที่กำหนดในการสลายตัวและเปลี่ยนเป็นอย่างอื่นนานแค่ไหน ด้วยครึ่งชีวิตที่น่านับถือถึง 88 ปี Pu-238 สามารถให้โรเวอร์และยานสำรวจอวกาศทำงานได้นานหลายทศวรรษ

ห่างไกลจากดวงอาทิตย์ ในสถานที่ที่รังสีของดาวมีแสงน้อยและสลัวดาวเทียมที่ขับเคลื่อนด้วยพลังงานแสงอาทิตย์จะทำงานได้ไม่ดีนัก ในขณะเดียวกัน รถแลนด์โรเวอร์ของดาวอังคารที่ต้องอาศัยแสงแดด (เช่น Opportunity Rover ที่เลิกใช้แล้วในตอนนี้) ต้องต่อสู้กับฝุ่นจากพายุที่พัดผ่านซึ่งอาจทำให้แผงหน้าปัดปิดมิดและขัดขวางการทำงานของแบตเตอรี่

ด้วยเหตุผลเหล่านี้ Pu-238 จึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการสำรวจทั้งดาวอังคารและห้วงอวกาศ เพื่อให้ห่างไกล Pu-238 ได้ขับเคลื่อนอย่างน้อย 30 ดอลลาร์สหรัฐยานพาหนะพื้นที่ เพียรโรเวอร์ที่สัมผัสลงบนดาวเคราะห์สีแดงในกุมภาพันธ์ 2021 มีเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเชื้อเพลิงโดย Pu-238 เพื่อทำยานอวกาศห่างไกลเช่นรอบโลก 1 รอบโลกและ 2ซึ่งได้รับการเดินทางระบบพลังงานแสงอาทิตย์ ( และเกิน ) ตั้งแต่ปี 1977

ภาพประกอบนี้แสดงตำแหน่งของยานสำรวจโวเอเจอร์ 1 และยานโวเอเจอร์ 2 ของ NASA นอกเฮลิโอสเฟียร์ ซึ่งเป็นฟองป้องกันที่สร้างขึ้นโดยดวงอาทิตย์ซึ่งทอดตัวผ่านวงโคจรของดาวพลูโตได้ดี ทั้งสองใช้พลังงานจากพลูโทเนียม

พลูโทเนียมและความเป็นพิษ

พลูโทเนียมมีกัมมันตภาพรังสี แม้ว่าคุณจะไม่เคยสัมผัสมันเลยก็ตาม Robert M. Hazen จากสถาบัน Carnegie Institution for Science กล่าวว่า "ไม่มีแหล่งธรรมชาติ" ของพลูโทเนียม “ต้องทำผ่านเครื่องปฏิกรณ์แบบผสมพันธุ์ ดังนั้นพลูโทเนียมทั้งหมดที่ใช้บนโลกจึงเป็นสิ่งที่มนุษย์สร้างขึ้น” เขาอธิบายผ่านอีเมล

พลูโทเนียมในอากาศ น้ำ ดิน และอาหารมีระดับต่ำมาก อย่างไรก็ตาม หากคุณสัมผัสสาร เป็นไปได้โดยการหายใจเข้าไปในละอองลอยหรือการสัมผัสทางผิวหนัง และหลายปัจจัยจะเป็นตัวกำหนดว่าการได้รับพลูโทเนียมจะเป็นอันตรายต่อคุณหรือไม่ รวมถึงระยะเวลา นานเท่าใด และคุณสัมผัสกับพลูโทเนียมอย่างไร

เมื่อคุณหายใจเข้าไปพลูโทเนียมบางส่วนจะติดอยู่ในปอดของคุณและจะเคลื่อนไปที่กระดูกและตับของคุณ หากคุณกลืนมันผ่านทางอาหาร ปริมาณเล็กน้อยสามารถแพร่กระจายไปยังกระดูกและตับของคุณได้ หากคุณสัมผัสพลูโทเนียมจะเข้าสู่ร่างกายของคุณน้อยมากหากมี แต่สามารถเผาผลาญผิวหนังที่สัมผัสกับพลูโตเนียมได้ ดังนั้นถึงแม้จะเป็นธาตุกัมมันตภาพรังสี พลูโทเนียมก็ยังห่างไกลจากการเป็น "สารพิษที่มนุษย์รู้จักมากที่สุด" ดังที่ราล์ฟ นาเดอร์ นักเคลื่อนไหวเคยกล่าวไว้