प्लूटोनियम

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प्लूटोनियम एक रासायनिक तत्व है; इसका रासायनिक प्रतीक Pu और परमाणु क्रमांक 94 है। यह एक चांदी जैसा-धूसर एक्टिनाइड धातु है जो हवा के संपर्क में आने पर धुंधला हो जाता है, और ऑक्सीकृत होने पर एक नीरस परत बनाता है। यह तत्व सामान्यतः छह अपरूप (allotropes) और चार ऑक्सीकरण अवस्था प्रदर्शित करता है। यह कार्बन, हैलोजन, नाइट्रोजन, सिलिकॉन और हाइड्रोजन के साथ अभिक्रिया करता है। जब यह नम हवा के संपर्क में आता है, तो यह ऑक्साइड और हाइड्राइड बनाता है जो नमूने के आयतन को 70% तक बढ़ा सकते हैं, जो बाद में पाउडर के रूप में झड़ जाते हैं और पायरोफोरिक (हवा में स्वतः प्रज्वलित होने वाला) होते हैं। यह रेडियोधर्मी है और हड्डियों में जमा हो सकता है, जो प्लूटोनियम के रख-रखाव को खतरनाक बनाता है।

प्लूटोनियम को पहली बार 1940 के अंत और 1941 की शुरुआत में, कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय, बर्कले के 1.5 m साइक्लोट्रॉन में यूरेनियम-238 पर ड्यूट्रॉन बमबारी करके संश्लेषित और पृथक किया गया था। सबसे पहले, नेप्चूनियम-238 (अर्ध-आयु 2.1 दिन) संश्लेषित किया गया, जो फिर बीटा-क्षय के माध्यम से परमाणु क्रमांक 94 और परमाणु भार 238 (अर्ध-आयु 88 वर्ष) वाले नए तत्व में बदल गया। चूंकि यूरेनियम का नाम ग्रह यूरेनस के नाम पर और नेप्चूनियम का नाम ग्रह नेपच्यून के नाम पर रखा गया था, इसलिए तत्व 94 का नाम प्लूटो के नाम पर रखा गया, जिसे उस समय एक ग्रह माना जाता था। युद्धकालीन गोपनीयता के कारण कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय की टीम 1948 तक अपनी खोज को प्रकाशित नहीं कर सकी।

प्लूटोनियम प्रकृति में पाया जाने वाला उच्चतम परमाणु क्रमांक वाला तत्व है। प्राकृतिक यूरेनियम निक्षेपों में ट्रेस मात्रा तब उत्पन्न होती है जब यूरेनियम-238 अन्य यूरेनियम-238 परमाणुओं के क्षय से उत्सर्जित न्यूट्रॉन को पकड़ लेता है। भारी समस्थानिक प्लूटोनियम-244 की अर्ध-आयु इतनी लंबी है कि अत्यधिक ट्रेस मात्रा को आदिम रूप से (पृथ्वी के निर्माण से) वर्तमान तक जीवित रहना चाहिए था, लेकिन अब तक के प्रयोग इसे पता लगाने के लिए पर्याप्त संवेदनशील नहीं रहे हैं।

प्लूटोनियम-239 और प्लूटोनियम-241 दोनों विखंडनीय (fissile) हैं, जिसका अर्थ है कि वे एक परमाणु श्रृंखला अभिक्रिया को बनाए रख सकते हैं, जिससे परमाणु हथियार और परमाणु रिएक्टर में अनुप्रयोग संभव होते हैं। प्लूटोनियम-240 में स्वतः विखंडन की उच्च दर होती है, जो इसमें मौजूद किसी भी नमूने के न्यूट्रॉन फ्लक्स को बढ़ा देती है। प्लूटोनियम-240 की उपस्थिति हथियारों के लिए प्लूटोनियम नमूने की उपयोगिता या रिएक्टर ईंधन के रूप में इसकी गुणवत्ता को सीमित करती है, और प्लूटोनियम-240 का प्रतिशत इसके ग्रेड (हथियार-ग्रेड, ईंधन-ग्रेड, या रिएक्टर-ग्रेड) को निर्धारित करता है। प्लूटोनियम-238 की अर्ध-आयु 87.7 वर्ष है और यह अल्फा कण उत्सर्जित करता है। यह रेडियोआइसोटोप थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर में एक ऊष्मा स्रोत है, जिसका उपयोग कुछ अंतरिक्ष यान को शक्ति देने के लिए किया जाता है। प्लूटोनियम समस्थानिकों को अलग करना महंगा और असुविधाजनक है, इसलिए विशिष्ट समस्थानिक आमतौर पर विशेष रिएक्टरों में निर्मित किए जाते हैं।

द्वितीय विश्व युद्ध के दौरान मैनहट्टन परियोजना का एक बड़ा हिस्सा पहली बार उपयोगी मात्रा में प्लूटोनियम का उत्पादन करना था, जिसने पहले परमाणु बम विकसित किए। जुलाई 1945 में ट्रिनिटी परमाणु परीक्षण और अगस्त 1945 में नागासाकी पर बमबारी में उपयोग किए गए फैट मैन बमों में प्लूटोनियम कोर थे। प्लूटोनियम का अध्ययन करने वाले मानव विकिरण प्रयोग सूचित सहमति के बिना किए गए थे, और युद्ध के बाद कई क्रिटिकलिटी दुर्घटनाएं हुईं, जिनमें से कुछ घातक थीं। परमाणु ऊर्जा संयंत्रों और शीत युद्ध के दौरान निर्मित विघटित परमाणु हथियारों से प्लूटोनियम कचरे का निपटान एक परमाणु-प्रसार और पर्यावरणीय चिंता है। पर्यावरण में प्लूटोनियम के अन्य स्रोत कई ज़मीनी परमाणु परीक्षणों से निकला परमाणु फॉलआउट है, जिन पर अब प्रतिबंध है।

विशेषताएं

भौतिक गुण

प्लूटोनियम, अधिकांश धातुओं की तरह, शुरुआत में निकेल की तरह चमकदार चांदी जैसा दिखता है, लेकिन यह बहुत जल्दी ऑक्सीकृत होकर एक नीरस धूसर रंग का हो जाता है, हालांकि पीले और जैतून हरे रंग की भी सूचना मिली है।[1][2] कक्ष तापमान पर प्लूटोनियम अपने α (अल्फा) रूप में होता है।[3] यह अपरूप धूसर कच्चे लोहे जितना ही कठोर और भंगुर होता है। जब प्लूटोनियम को अन्य धातुओं के साथ मिश्र धातु बनाया जाता है, तो उच्च-तापमान δ अपरूप कक्ष तापमान पर स्थिर हो जाता है,[4][5] जिससे यह नरम और तन्य हो जाता है। अधिकांश धातुओं के विपरीत, यह ऊष्मा या विद्युत का अच्छा सुचालक नहीं है। इसका गलनांक कम (640 °C) और क्वथनांक असामान्य रूप से उच्च (3228 °C) होता है।[1] यह तापमान की एक बड़ी सीमा (2,500 केल्विन से अधिक चौड़ी) देता है जिस पर प्लूटोनियम तरल होता है, लेकिन यह सीमा सभी एक्टिनाइड्स या सभी धातुओं के बीच सबसे बड़ी नहीं है,[6] नेप्चूनियम के बारे में सिद्धांत है कि दोनों मामलों में इसकी सीमा सबसे बड़ी है। कम गलनांक के साथ-साथ ऑक्साइड की तुलना में मूल धातु की अभिक्रियाशीलता के कारण प्लूटोनियम ऑक्साइड परमाणु विखंडन रिएक्टर ईंधन (MOX-ईंधन) जैसे अनुप्रयोगों के लिए एक पसंदीदा रूप है।

अल्फा क्षय, एक उच्च-ऊर्जा हीलियम नाभिक का विमोचन, प्लूटोनियम के लिए रेडियोधर्मी क्षय का सबसे सामान्य रूप है।[7] 5 किग्रा 239Pu के द्रव्यमान में लगभग 12.5×10^24 परमाणु होते हैं। 24,100 वर्षों की अर्ध-आयु के साथ, इसके लगभग 11.5×10^12 परमाणु प्रति सेकंड 5.157 MeV अल्फा कण उत्सर्जित करके क्षयित होते हैं। यह 9.68 वाट शक्ति के बराबर है। इन अल्फा कणों के मंदन से उत्पन्न ऊष्मा इसे छूने पर गर्म महसूस कराती है।[8][9] 238Pu अपनी बहुत छोटी अर्ध-आयु के कारण बहुत उच्च तापमान तक गर्म हो जाता है और यदि बाहरी हीटिंग या कूलिंग के बिना छोड़ दिया जाए तो ब्लैकबॉडी विकिरण के साथ लाल गर्म चमकता है। इस ऊष्मा का उपयोग रेडियोआइसोटोप थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर में किया गया है (नीचे देखें)।

कक्ष तापमान पर प्लूटोनियम की प्रतिरोधकता एक धातु के लिए बहुत अधिक है, और यह कम तापमान के साथ और भी अधिक हो जाती है, जो धातुओं के लिए असामान्य है।[10] यह प्रवृत्ति 100 K तक जारी रहती है, जिसके नीचे ताज़ा नमूनों के लिए प्रतिरोधकता तेजी से घटती है।[10] विकिरण क्षति के कारण 20 K के आसपास प्रतिरोधकता समय के साथ बढ़ने लगती है, जिसकी दर नमूने की समस्थानिक संरचना द्वारा निर्धारित होती है।[10]

स्व-विकिरण के कारण, प्लूटोनियम का एक नमूना अपनी पूरी क्रिस्टल संरचना में थक जाता है, जिसका अर्थ है कि इसके परमाणुओं की व्यवस्थित व्यवस्था समय के साथ विकिरण द्वारा बाधित हो जाती है।[11] स्व-विकिरण एनीलिंग का कारण भी बन सकता है जो तापमान 100 K से ऊपर बढ़ने पर थकान के कुछ प्रभावों का प्रतिकार करता है।[12]

अधिकांश सामग्रियों के विपरीत, प्लूटोनियम पिघलने पर घनत्व में वृद्धि करता है – 2.5% तक – लेकिन तरल धातु तापमान के साथ घनत्व में रैखिक कमी प्रदर्शित करती है।[10] गलनांक के पास, अन्य धातुओं की तुलना में तरल प्लूटोनियम में बहुत उच्च श्यानता और पृष्ठ तनाव होता है।[11]

अपरूप

मुख्य लेख: Allotropes of plutonium

[13] प्लूटोनियम में सामान्यतः छह अपरूप होते हैं और सीमित दबाव सीमा के भीतर उच्च तापमान पर सातवां (ज़ेटा, ζ) बनाता है।[13] ये अपरूप, जो एक तत्व के विभिन्न संरचनात्मक संशोधन या रूप हैं, की आंतरिक ऊर्जा बहुत समान होती है लेकिन घनत्व और क्रिस्टल संरचना काफी भिन्न होती है। यह प्लूटोनियम को तापमान, दबाव या रसायन विज्ञान में परिवर्तन के प्रति बहुत संवेदनशील बनाता है, और एक अपरूप रूप से दूसरे में फेज ट्रांजिशन के बाद नाटकीय आयतन परिवर्तनों की अनुमति देता है।[11] विभिन्न अपरूपों का घनत्व 16.00 g/cm3 से 19.86 g/cm3 तक भिन्न होता है।[14]

इन कई अपरूपों की उपस्थिति प्लूटोनियम की मशीनिंग को बहुत कठिन बनाती है, क्योंकि यह बहुत आसानी से अवस्था बदल लेता है। उदाहरण के लिए, α रूप मिश्र धातु रहित प्लूटोनियम में कक्ष तापमान पर मौजूद होता है। इसमें कच्चा लोहा के समान मशीनिंग विशेषताएं होती हैं लेकिन थोड़े उच्च तापमान पर प्लास्टिक और निंदनीय β (बीटा) रूप में बदल जाता है।[15] जटिल फेज आरेख के कारण पूरी तरह से समझ में नहीं आए हैं। α रूप में कम-समरूपता वाली मोनोक्लिनिक संरचना होती है, इसलिए इसकी भंगुरता, मजबूती, संपीड्यता और खराब ऊष्मीय चालकता होती है।[13]

δ (डेल्टा) रूप में प्लूटोनियम सामान्यतः 310 °C से 452 °C की सीमा में मौजूद होता है लेकिन गैलियम, एल्युमीनियम, या सीरियम के छोटे प्रतिशत के साथ मिश्र धातु होने पर कक्ष तापमान पर स्थिर होता है, जो कार्यक्षमता को बढ़ाता है और इसे वेल्डिंग करने की अनुमति देता है।[15] δ रूप में अधिक विशिष्ट धात्विक चरित्र होता है, और यह लगभग एल्युमीनियम जितना मजबूत और निंदनीय होता है।[13] ε चरण, उच्चतम तापमान वाला ठोस अपरूप, अन्य तत्वों की तुलना में असामान्य रूप से उच्च परमाणु स्व-प्रसार प्रदर्शित करता है।[11]

परमाणु विखंडन

प्लूटोनियम एक रेडियोधर्मी एक्टिनाइड धातु है जिसका समस्थानिक, प्लूटोनियम-239, तीन प्राथमिक विखंडनीय समस्थानिकों में से एक है (यूरेनियम-233 और यूरेनियम-235 अन्य दो हैं); प्लूटोनियम-241 भी अत्यधिक विखंडनीय है। विखंडनीय माने जाने के लिए, एक समस्थानिक के परमाणु नाभिक को धीमी गति से चलने वाले न्यूट्रॉन द्वारा टकराए जाने पर टूट या विखंडित होने में सक्षम होना चाहिए और परमाणु श्रृंखला अभिक्रिया को बनाए रखने के लिए पर्याप्त अतिरिक्त न्यूट्रॉन जारी करने में सक्षम होना चाहिए।[16]

शुद्ध प्लूटोनियम-239 में एक से अधिक का गुणन कारक (keff) हो सकता है, जिसका अर्थ है कि यदि धातु पर्याप्त मात्रा में और उपयुक्त ज्यामिति (जैसे, पर्याप्त आकार का एक गोला) के साथ मौजूद है, तो यह एक क्रांतिक द्रव्यमान बना सकता है।[17] विखंडन के दौरान, परमाणु बंधन ऊर्जा का एक अंश, जो एक नाभिक को एक साथ रखता है, विद्युत चुम्बकीय और गतिज ऊर्जा की एक बड़ी मात्रा के रूप में जारी होता है (बाद वाली का अधिकांश हिस्सा जल्दी ही ऊष्मीय ऊर्जा में परिवर्तित हो जाता है)। एक किलोग्राम प्लूटोनियम-239 का विखंडन 21000 tonTNT के बराबर विस्फोट उत्पन्न कर सकता है। यह यही ऊर्जा है जो प्लूटोनियम-239 को परमाणु हथियार और रिएक्टरों में उपयोगी बनाती है।[8]

एक नमूने में प्लूटोनियम-240 समस्थानिक की उपस्थिति इसकी परमाणु बम क्षमता को सीमित करती है, क्योंकि 240Pu में अपेक्षाकृत उच्च स्वतः विखंडन दर (~440 विखंडन प्रति सेकंड प्रति ग्राम; 1,000 से अधिक न्यूट्रॉन प्रति सेकंड प्रति ग्राम) होती है,[18] जो पृष्ठभूमि न्यूट्रॉन स्तर को बढ़ाती है और इस प्रकार प्रीडेटोनेशन का जोखिम बढ़ाती है।[19] प्लूटोनियम को इसमें मौजूद 240Pu के प्रतिशत के आधार पर हथियार-ग्रेड, ईंधन-ग्रेड, या रिएक्टर-ग्रेड के रूप में पहचाना जाता है। हथियार-ग्रेड प्लूटोनियम में 7% से कम 240Pu होता है। ईंधन-ग्रेड प्लूटोनियम में 7%–19% होता है, और पावर रिएक्टर-ग्रेड में 19% या अधिक 240Pu होता है। सुपरग्रेड प्लूटोनियम, जिसमें 4% से कम 240Pu होता है, का उपयोग संयुक्त राज्य नौसेना के हथियारों में किया जाता है जो जहाज और पनडुब्बी चालक दल के पास संग्रहीत होते हैं, इसकी कम रेडियोधर्मिता के कारण।[20] प्लूटोनियम-238 विखंडनीय नहीं है लेकिन तेज न्यूट्रॉन के साथ-साथ अल्फा क्षय के साथ आसानी से परमाणु विखंडन से गुजर सकता है।[8] सभी प्लूटोनियम समस्थानिकों को एक या अधिक न्यूट्रॉन अवशोषण के साथ विखंडनीय सामग्री में "ब्रीड" किया जा सकता है, चाहे उसके बाद बीटा क्षय हो या न हो। यह प्लूटोनियम के गैर-विखंडनीय समस्थानिकों को एक उपजाऊ सामग्री बनाता है।

समस्थानिक और न्यूक्लियोसिंथेसिस

मुख्य लेख: Isotopes of plutonium

प्लूटोनियम के बाईस रेडियोआइसोटोप को 226Pu से 247Pu तक पहचाना गया है। सबसे लंबे समय तक जीवित रहने वाले 244Pu हैं, जिनकी अर्ध-आयु 80.8 मिलियन वर्ष है; 242Pu, जिनकी अर्ध-आयु 373,300 वर्ष है; और 239Pu, जिनकी अर्ध-आयु 24,110 वर्ष है। अन्य सभी समस्थानिकों की अर्ध-आयु 7,000 वर्षों से कम है। इस तत्व में आठ मेटास्टेबल अवस्थाएं भी हैं, हालांकि सभी की अर्ध-आयु एक सेकंड से कम है।[7] 244Pu को अंतरतारकीय अंतरिक्ष में पाया गया है[21] और इसमें किसी भी गैर-आदिम रेडियोआइसोटोप की सबसे लंबी अर्ध-आयु है। सबसे स्थिर समस्थानिक, 244Pu से कम द्रव्यमान संख्या वाले समस्थानिकों के मुख्य क्षय मोड स्वतः विखंडन और अल्फा उत्सर्जन हैं, जो ज्यादातर क्षय उत्पाद के रूप में यूरेनियम (92 प्रोटॉन) और नेप्चूनियम (93 प्रोटॉन) समस्थानिक बनाते हैं (विखंडन प्रक्रियाओं द्वारा निर्मित बेटी नाभिकों की विस्तृत श्रृंखला की उपेक्षा करते हुए)। 244Pu से भारी समस्थानिकों के लिए मुख्य क्षय मोड, 241Pu और 243Pu के साथ, बीटा उत्सर्जन है, जो अमेरिसियम समस्थानिक (95 प्रोटॉन) बनाते हैं। प्लूटोनियम-241 नेप्चूनियम श्रृंखला का जनक समस्थानिक है, जो बीटा उत्सर्जन के माध्यम से अमेरिसियम-241 में क्षयित होता है।[7][22]

प्लूटोनियम-238 और 239 सबसे व्यापक रूप से संश्लेषित समस्थानिक हैं।[8] 239Pu को यूरेनियम (U) और न्यूट्रॉन (n) का उपयोग करके बीटा क्षय (β−) के माध्यम से नेप्चूनियम (Np) के साथ मध्यवर्ती के रूप में निम्नलिखित अभिक्रिया द्वारा संश्लेषित किया जाता है:

23892U+10n⟶23992U→βA−[23.5 min]23993Np→βA−[2.3565 d]23994Pu

यूरेनियम-235 के विखंडन से न्यूट्रॉन यूरेनियम-238 नाभिक द्वारा कैप्चर किए जाते हैं ताकि यूरेनियम-239 बन सके; एक बीटा क्षय नेप्चूनियम-239 (अर्ध-आयु 2.36 दिन) बनाने के लिए एक न्यूट्रॉन को प्रोटॉन में परिवर्तित करता है और एक और बीटा क्षय प्लूटोनियम-239 बनाता है।[23] ब्रिटिश ट्यूब अलॉयज परियोजना पर काम कर रहे एगॉन ब्रेटशर ने 1940 में सैद्धांतिक रूप से इस अभिक्रिया की भविष्यवाणी की थी।(Clark, 1961, pp. 124–125)

प्लूटोनियम-238 को यूरेनियम-238 पर ड्यूट्रॉन (D या 2H, भारी हाइड्रोजन के नाभिक) की बमबारी करके निम्नलिखित अभिक्रिया में संश्लेषित किया जाता है:[24][25]

23892U+21H⟶23893Np+2A01nA93238A2932238Np→βA−[2.117 d]23894Pu

जहां यूरेनियम-238 से टकराने वाला एक ड्यूट्रॉन दो न्यूट्रॉन और नेप्चूनियम-238 उत्पन्न करता है, जो प्लूटोनियम-238 बनाने के लिए नकारात्मक बीटा कणों का उत्सर्जन करके क्षयित होता है।(Bernstein, 2007, pp. 76–77) प्लूटोनियम-238 का उत्पादन नेप्चूनियम-237 के न्यूट्रॉन विकिरण द्वारा भी किया जा सकता है।[26]

क्षय ऊष्मा और विखंडन गुण

प्लूटोनियम समस्थानिक रेडियोधर्मी क्षय से गुजरते हैं, जो क्षय ऊष्मा उत्पन्न करता है। विभिन्न समस्थानिक प्रति द्रव्यमान अलग-अलग मात्रा में ऊष्मा उत्पन्न करते हैं। क्षय ऊष्मा को आमतौर पर वाट/किलोग्राम, या मिलीवाट/ग्राम के रूप में सूचीबद्ध किया जाता है। प्लूटोनियम के बड़े टुकड़ों (जैसे हथियार पिट) में और अपर्याप्त ऊष्मा निष्कासन में परिणामी स्व-हीटिंग महत्वपूर्ण हो सकती है।

प्लूटोनियम समस्थानिकों की क्षय ऊष्मा[27]
समस्थानिक क्षय मोड अर्ध-आयु (वर्ष) क्षय ऊष्मा (W/kg) स्वतः विखंडन (SF) न्यूट्रॉन (1/(g·s)) टिप्पणी
238Pu अल्फा (α) से 234U 87.74 560 2600 बहुत उच्च क्षय ऊष्मा। थोड़ी मात्रा भी महत्वपूर्ण स्व-हीटिंग का कारण बन सकती है। रेडियोआइसोटोप थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर में अपने आप उपयोग किया जाता है।
239Pu α से 235U 24100 1.9 0.022 उपयोग में मुख्य विखंडनीय समस्थानिक।
240Pu α से 236U, SF 6560 6.8 910 239Pu के नमूनों में मुख्य अशुद्धि। प्लूटोनियम ग्रेड को आमतौर पर 240Pu के प्रतिशत के रूप में सूचीबद्ध किया जाता है। SF की उच्च दर परमाणु हथियारों में उपयोग में बाधा डालती है।
241Pu बीटा-माइनस, से 241Am 14.4 4.2 0.049 अमेरिसियम-241 में क्षयित होता है; इसका संचय पुराने नमूनों में विकिरण का खतरा पैदा करता है।
242Pu α से 238U 376000 0.1 1700 242Pu α-क्षय होकर 238U बनाता है; SF द्वारा भी क्षयित होता है।

यौगिक और रसायन विज्ञान

मुख्य लेख: Plutonium compounds

कक्ष तापमान पर, शुद्ध प्लूटोनियम रंग में चांदी जैसा होता है लेकिन ऑक्सीकृत होने पर कलंकित हो जाता है।[28] तत्व जलीय विलयन में चार सामान्य आयनिक ऑक्सीकरण अवस्था और एक दुर्लभ अवस्था प्रदर्शित करता है:[14]

  • Pu(III), Pu3+ के रूप में (नीला लैवेंडर)
  • Pu(IV), Pu4+ के रूप में (पीला भूरा)
  • Pu(V), PuO2+ के रूप में (हल्का गुलाबी)[note 1]
  • Pu(VI), PuO22+ के रूप में (गुलाबी नारंगी)
  • Pu(VII), PuO53- के रूप में (हरा)—हेप्टावेलेंट आयन दुर्लभ है।

प्लूटोनियम विलयनों द्वारा दिखाया गया रंग ऑक्सीकरण अवस्था और एसिड ऋणायन की प्रकृति दोनों पर निर्भर करता है।[30] यह एसिड ऋणायन ही है जो प्लूटोनियम प्रजातियों के कॉम्प्लेक्सिंग—परमाणु एक केंद्रीय परमाणु से कैसे जुड़ते हैं—की डिग्री को प्रभावित करता है। इसके अतिरिक्त, प्लूटोनियम की औपचारिक +2 ऑक्सीकरण अवस्था कॉम्प्लेक्स [K(2.2.2-cryptand)] [PuIICp″3], Cp″ = C5H3(SiMe3)2 में ज्ञात है।[31]

वाष्पशील टेट्रॉक्साइड PuO4 जैसे प्लूटोनियम(VIII) यौगिकों की तैयारी का भी दावा किया गया है,[32][33] लेकिन उनका अस्तित्व विवादित बना हुआ है।[34]

धात्विक प्लूटोनियम का उत्पादन प्लूटोनियम टेट्राफ्लोराइड की बेरियम, कैल्शियम या लिथियम के साथ 1200 °C पर अभिक्रिया कराकर किया जाता है।[35] धात्विक प्लूटोनियम पर अम्लों, ऑक्सीजन और भाप द्वारा आक्रमण होता है, लेकिन क्षारों द्वारा नहीं, और यह सांद्र हाइड्रोक्लोरिक, हाइड्रोआयोडिक और परक्लोरिक अम्लों में आसानी से घुल जाता है।[36] पिघली हुई धातु को हवा के साथ अभिक्रिया से बचने के लिए निर्वात या अक्रिय वातावरण में रखा जाना चाहिए।[15] 135 °C पर धातु हवा में प्रज्वलित हो जाएगी और यदि इसे कार्बन टेट्राक्लोराइड में रखा जाए तो यह विस्फोट कर सकती है।[37]

प्लूटोनियम एक अभिक्रियाशील धातु है। नम हवा या नम आर्गन में, धातु तेजी से ऑक्सीकृत हो जाती है, जिससे ऑक्साइड और हाइड्राइड का मिश्रण उत्पन्न होता है।[1] यदि धातु को सीमित मात्रा में जल वाष्प के संपर्क में पर्याप्त समय तक रखा जाए, तो PuO2 की एक चूर्णिल सतह कोटिंग बन जाती है।[1] प्लूटोनियम हाइड्राइड भी बनता है, लेकिन जल वाष्प की अधिकता केवल PuO2 बनाती है।[36]

प्लूटोनियम शुद्ध हाइड्रोजन के साथ अत्यधिक और प्रतिवर्ती अभिक्रिया दर प्रदर्शित करता है, जिससे प्लूटोनियम हाइड्राइड बनता है।[11] यह ऑक्सीजन के साथ भी आसानी से अभिक्रिया करता है, जिससे PuO और PuO2 के साथ-साथ मध्यवर्ती ऑक्साइड बनते हैं; प्लूटोनियम ऑक्साइड, प्लूटोनियम धातु की तुलना में 40% अधिक आयतन घेरता है। धातु हैलोजनों के साथ अभिक्रिया करती है, जिससे सामान्य सूत्र PuX3 वाले यौगिक बनते हैं, जहाँ X, F, Cl, Br या I हो सकता है और PuF4 भी देखा जाता है। निम्नलिखित ऑक्सीहैलोजन देखे जाते हैं: PuOCl, PuOBr और PuOI। यह PuC बनाने के लिए कार्बन के साथ, PuN बनाने के लिए नाइट्रोजन के साथ और PuSi2 बनाने के लिए सिलिकॉन के साथ अभिक्रिया करेगा।[14][37]

प्लूटोनियम परिसरों की ऑर्गनोमेटेलिक रसायन विज्ञान ऑर्गनोएक्टिनाइड प्रजातियों के लिए विशिष्ट है; एक ऑर्गनोप्लूटोनियम यौगिक का एक विशिष्ट उदाहरण प्लूटोनोसीन है।[23][38] कम्प्यूटेशनल रसायन विज्ञान विधियाँ प्लूटोनियम-लिगैंड बंधन में एक उन्नत सहसंयोजक चरित्र का संकेत देती हैं।[11][38]

प्लूटोनियम, इसके हाइड्राइड और Pu2O3 जैसे कुछ ऑक्साइड के चूर्ण पायरोफोरिक (स्व-प्रज्वलनशील) होते हैं, जिसका अर्थ है कि वे परिवेश के तापमान पर स्वतः प्रज्वलित हो सकते हैं और इसलिए उन्हें नाइट्रोजन या आर्गन के अक्रिय, शुष्क वातावरण में संभाला जाता है। थोक प्लूटोनियम केवल 400 °C से ऊपर गर्म होने पर ही प्रज्वलित होता है। Pu2O3 स्वतः गर्म हो जाता है और PuO2 में बदल जाता है, जो शुष्क हवा में स्थिर होता है, लेकिन गर्म होने पर जल वाष्प के साथ अभिक्रिया करता है।[39]

प्लूटोनियम को रखने के लिए उपयोग किए जाने वाले क्रूसिबल (मूषा) को इसके अत्यधिक अपचायक गुणों का सामना करने में सक्षम होना चाहिए। टैंटलम और टंगस्टन जैसी दुर्दम धातुएं (refractory metals) और अधिक स्थिर ऑक्साइड, बोराइड, कार्बाइड, नाइट्राइड और सिलिसाइड इसे सहन कर सकते हैं। इलेक्ट्रिक आर्क फर्नेस में पिघलाने का उपयोग क्रूसिबल की आवश्यकता के बिना धातु के छोटे सिल्लियां (ingots) बनाने के लिए किया जा सकता है।[15]

सीरियम का उपयोग रोकथाम, निष्कर्षण और अन्य प्रौद्योगिकियों के विकास के लिए प्लूटोनियम के रासायनिक सिमुलेंट के रूप में किया जाता है।[40]

इलेक्ट्रॉनिक संरचना

प्लूटोनियम एक ऐसा तत्व है जिसमें 5f इलेक्ट्रॉन विस्थानीकृत (delocalized) और स्थानीयकृत (localized) के बीच संक्रमण सीमा पर होते हैं; इसलिए इसे सबसे जटिल तत्वों में से एक माना जाता है।[41] प्लूटोनियम का असामान्य व्यवहार इसकी इलेक्ट्रॉनिक संरचना के कारण होता है। 6d और 5f उपकोशों के बीच ऊर्जा का अंतर बहुत कम है। 5f शेल का आकार इतना है कि यह इलेक्ट्रॉनों को जाली (lattice) के भीतर बंधन बनाने की अनुमति देता है, जो स्थानीयकृत और बंधन व्यवहार के बिल्कुल सीमा पर है। ऊर्जा स्तरों की निकटता के कारण लगभग समान ऊर्जा स्तरों वाले कई निम्न-ऊर्जा इलेक्ट्रॉन विन्यास बनते हैं। यह प्रतिस्पर्धी 5fn7s2 और 5fn−16d17s2 विन्यासों की ओर ले जाता है, जो इसके रासायनिक व्यवहार की जटिलता का कारण बनता है। 5f कक्षकों की अत्यधिक दिशात्मक प्रकृति प्लूटोनियम के अणुओं और परिसरों में दिशात्मक सहसंयोजक बंधनों के लिए जिम्मेदार है।[11]

मिश्र धातु

प्लूटोनियम अधिकांश अन्य धातुओं के साथ मिश्र धातु और मध्यवर्ती यौगिक बना सकता है। अपवादों में क्षार धातुओं के लिथियम, सोडियम, पोटेशियम, रुबिडियम और सीज़ियम; और क्षारीय मृदा धातुओं के मैग्नीशियम, कैल्शियम, स्ट्रोंटियम और बेरियम; तथा दुर्लभ मृदा धातुओं के यूरोपियम और येटरबियम शामिल हैं।[36] आंशिक अपवादों में दुर्दम धातुएं क्रोमियम, मोलिब्डेनम, नायोबियम, टैंटलम और टंगस्टन शामिल हैं, जो तरल प्लूटोनियम में घुलनशील हैं, लेकिन ठोस प्लूटोनियम में अघुलनशील या केवल थोड़े घुलनशील हैं।[36] गैलियम, एल्युमीनियम, अमेरिसियम, स्कैंडियम और सीरियम कमरे के तापमान के लिए δ-फेज प्लूटोनियम को स्थिर कर सकते हैं। सिलिकॉन, इंडियम, जस्ता और जिरकोनियम तेजी से ठंडा होने पर मेटास्टेबल δ अवस्था के निर्माण की अनुमति देते हैं। हाफनियम, होल्मियम और थैलियम की उच्च मात्रा भी कमरे के तापमान पर δ फेज के कुछ प्रतिधारण की अनुमति देती है। नेप्च्यूनियम एकमात्र ऐसा तत्व है जो उच्च तापमान पर α फेज को स्थिर कर सकता है।[11]

प्लूटोनियम मिश्र धातुओं का उत्पादन पिघले हुए प्लूटोनियम में धातु मिलाकर किया जा सकता है। यदि मिश्र धातु बनाने वाली धातु पर्याप्त रूप से अपचायक है, तो प्लूटोनियम को ऑक्साइड या हैलाइड के रूप में जोड़ा जा सकता है। δ फेज प्लूटोनियम-गैलियम मिश्र धातु (PGA) और प्लूटोनियम-एल्युमीनियम मिश्र धातु को पिघले हुए गैलियम या एल्युमीनियम में Pu(III) फ्लोराइड मिलाकर उत्पादित किया जाता है, जिसका लाभ यह है कि अत्यधिक अभिक्रियाशील प्लूटोनियम धातु के साथ सीधे व्यवहार करने से बचा जा सकता है।[42]

  • PGA का उपयोग प्लूटोनियम के δ फेज को स्थिर करने के लिए किया जाता है, जिससे α-फेज और α–δ संबंधित समस्याओं से बचा जा सके। इसका मुख्य उपयोग परमाणु हथियारों के पिट में होता है।[43]
  • प्लूटोनियम-एल्युमीनियम PGA का एक विकल्प है। यह δ फेज स्थिरीकरण के लिए विचार किया गया मूल तत्व था, लेकिन अल्फा कणों के साथ अभिक्रिया करने और न्यूट्रॉन छोड़ने की इसकी प्रवृत्ति परमाणु हथियारों के लिए इसकी उपयोगिता को कम करती है। प्लूटोनियम-एल्युमीनियम मिश्र धातु का उपयोग परमाणु ईंधन के एक घटक के रूप में भी किया जा सकता है।[44]
  • प्लूटोनियम-गैलियम-कोबाल्ट मिश्र धातु (PuCoGa5) एक अपरंपरागत सुपरकंडक्टर है, जो 18.5 K से नीचे सुपरकंडक्टिविटी प्रदर्शित करता है, जो भारी फर्मियन प्रणालियों के बीच उच्चतम से एक परिमाण अधिक है, और इसमें उच्च क्रांतिक धारा (critical current) होती है।[41][45]
  • प्लूटोनियम-जिरकोनियम मिश्र धातु का उपयोग परमाणु ईंधन के रूप में किया जा सकता है।[46]
  • प्लूटोनियम-सीरियम और प्लूटोनियम-सीरियम-कोबाल्ट मिश्र धातुओं का उपयोग परमाणु ईंधन के रूप में किया जाता है।[47]
  • प्लूटोनियम-यूरेनियम, जिसमें लगभग 15–30 मोल.% प्लूटोनियम होता है, का उपयोग फास्ट ब्रीडर रिएक्टरों के लिए परमाणु ईंधन के रूप में किया जा सकता है। इसकी पायरोफोरिक प्रकृति और हवा के संपर्क में आने के बाद स्वतः प्रज्वलित होने या विघटित होने तक संक्षारण के प्रति उच्च संवेदनशीलता के कारण अन्य घटकों के साथ मिश्र धातु बनाने की आवश्यकता होती है। एल्युमीनियम, कार्बन या तांबे के योग से विघटन दरों में उल्लेखनीय सुधार नहीं होता है, जिरकोनियम और लोहे की मिश्र धातुओं में बेहतर संक्षारण प्रतिरोध होता है लेकिन वे भी हवा में कई महीनों में विघटित हो जाती हैं। टाइटेनियम और/या जिरकोनियम का योग मिश्र धातु के गलनांक को काफी बढ़ा देता है।[48]
  • प्लूटोनियम-यूरेनियम-टाइटेनियम और प्लूटोनियम-यूरेनियम-जिरकोनियम का परमाणु ईंधन के रूप में उपयोग के लिए अध्ययन किया गया था। तीसरे तत्व का योग संक्षारण प्रतिरोध को बढ़ाता है, ज्वलनशीलता को कम करता है, और लचीलापन, निर्माण क्षमता, मजबूती और थर्मल विस्तार में सुधार करता है। प्लूटोनियम-यूरेनियम-मोलिब्डेनम में सबसे अच्छा संक्षारण प्रतिरोध होता है, जो ऑक्साइड की एक सुरक्षात्मक फिल्म बनाता है, लेकिन भौतिकी कारणों से टाइटेनियम और जिरकोनियम को प्राथमिकता दी जाती है।[48]
  • थोरियम-यूरेनियम-प्लूटोनियम का फास्ट ब्रीडर रिएक्टरों के लिए परमाणु ईंधन के रूप में अध्ययन किया गया था।[48]

प्राप्ति

प्लूटोनियम-238, प्लूटोनियम-239, प्लूटोनियम-240 और प्लूटोनियम-244 की सूक्ष्म मात्रा प्रकृति में पाई जा सकती है। प्लूटोनियम-239 के छोटे अंश, कुछ पार्ट्स पर ट्रिलियन, और इसके क्षय उत्पाद प्राकृतिक रूप से यूरेनियम के कुछ सांद्र अयस्कों में पाए जाते हैं,[49] जैसे कि गैबॉन के ओक्लो में प्राकृतिक परमाणु विखंडन रिएक्टर।[50] सिगार लेक माइन यूरेनियम जमा में प्लूटोनियम-239 से यूरेनियम का अनुपात 2.4×10^-12 से 44×10^-12 तक होता है।[51] 239Pu की ये सूक्ष्म मात्राएँ निम्नलिखित तरीके से उत्पन्न होती हैं: दुर्लभ अवसरों पर, 238U स्वतः विखंडन से गुजरता है, और इस प्रक्रिया में, नाभिक कुछ गतिज ऊर्जा के साथ एक या दो मुक्त न्यूट्रॉन उत्सर्जित करता है। जब इनमें से एक न्यूट्रॉन किसी अन्य 238U परमाणु के नाभिक से टकराता है, तो यह परमाणु द्वारा अवशोषित हो जाता है, जो 239U बन जाता है। अपेक्षाकृत कम अर्ध-आयु के साथ, 239U, 239Np में क्षयित होता है, जो 239Pu में क्षयित हो जाता है।(Bernstein, 2007, pp. 75–77)[52] अंत में, प्राकृतिक यूरेनियम नमूनों में यूरेनियम-238 के अत्यंत दुर्लभ डबल बीटा क्षय के कारण प्लूटोनियम-238 की अत्यधिक कम मात्रा पाई गई है।[53]

लगभग 80 मिलियन वर्षों की अपनी अपेक्षाकृत लंबी अर्ध-आयु के कारण, यह सुझाव दिया गया था कि प्लूटोनियम-244 प्राकृतिक रूप से एक आदिम न्यूक्लाइड (primordial nuclide) के रूप में होता है, लेकिन इसके पता चलने की शुरुआती रिपोर्टों की पुष्टि नहीं हो सकी।[54] सौर मंडल में इसकी संभावित प्रारंभिक प्रचुरता के आधार पर, 2022 तक के वर्तमान प्रयोग जीवित आदिम 244Pu का पता लगाने से लगभग एक परिमाण (order of magnitude) दूर हैं।[55] हालाँकि, इसकी लंबी अर्ध-आयु ने इसके विलुप्त होने से पहले पूरे सौर मंडल में इसके प्रसार को सुनिश्चित किया,[56] और वास्तव में, उल्कापिंडों में विलुप्त 244Pu के स्वतः विखंडन के प्रमाण मिले हैं।[57] प्रारंभिक सौर मंडल में 244Pu की पूर्व उपस्थिति की पुष्टि हो गई है, क्योंकि यह आज अपने संतानों, या तो 232Th (अल्फा क्षय मार्ग से) या ज़ेनॉन समस्थानिकों (अपने स्वतः विखंडन से) की अधिकता के रूप में प्रकट होता है। बाद वाले आमतौर पर अधिक उपयोगी होते हैं, क्योंकि थोरियम और प्लूटोनियम का रसायन विज्ञान काफी समान है (दोनों मुख्य रूप से टेट्रावेलेंट हैं) और इसलिए थोरियम की अधिकता इस बात का मजबूत सबूत नहीं होगी कि इसमें से कुछ प्लूटोनियम की संतान के रूप में बना था।[58] 244Pu में सभी ट्रांसयूरेनिक न्यूक्लाइड्स की सबसे लंबी अर्ध-आयु है और यह केवल सुपरनोवा और टकराते हुए न्यूट्रॉन सितारों में r-प्रक्रिया में निर्मित होता है; जब इन घटनाओं से नाभिक उच्च गति पर पृथ्वी तक पहुँचने के लिए उत्सर्जित होते हैं, तो ट्रांसयूरेनिक न्यूक्लाइड्स में से केवल 244Pu की अर्ध-आयु इतनी लंबी होती है कि वह यात्रा से बच सके, और इसलिए गहरे समुद्र के तल में जीवित इंटरस्टेलर 244Pu के छोटे निशान पाए गए हैं। चूँकि 240Pu भी 244Pu की क्षय श्रृंखला में होता है, इसलिए इसे धर्मनिरपेक्ष संतुलन (secular equilibrium) में भी मौजूद होना चाहिए, हालांकि और भी छोटी मात्रा में।[59]

प्लूटोनियम का खगोलीय पता लगाना अत्यंत सीमित है, लेकिन यह अत्यधिक रासायनिक रूप से अजीब प्रज़िबिल्स्की के तारे (Przybylski's Star) के स्पेक्ट्रम में पाया जाता है।[60]

मानव शरीर में प्लूटोनियम के सूक्ष्म निशान आमतौर पर 550 वायुमंडलीय और पानी के नीचे किए गए परमाणु परीक्षणों और कुछ प्रमुख परमाणु दुर्घटनाओं के कारण पाए जाते हैं।[37] अधिकांश वायुमंडलीय और पानी के नीचे परमाणु परीक्षण 1963 की सीमित परीक्षण प्रतिबंध संधि द्वारा रोक दिए गए थे, जिस पर परमाणु शक्तियों में से संयुक्त राज्य अमेरिका, यूनाइटेड किंगडम और सोवियत संघ द्वारा हस्ताक्षर और पुष्टि की गई थी। फ्रांस 1974 तक वायुमंडलीय परमाणु परीक्षण जारी रखेगा और चीन 1980 तक वायुमंडलीय परमाणु परीक्षण जारी रखेगा। इसके बाद के सभी परमाणु परीक्षण भूमिगत किए गए थे।[61]

इतिहास

खोज

एनरिको फर्मी और रोम विश्वविद्यालय के वैज्ञानिकों की एक टीम ने बताया कि उन्होंने 1934 में तत्व 94 की खोज की थी।[62] फर्मी ने इस तत्व को हेस्परियम कहा और 1938 में अपने नोबेल व्याख्यान में इसका उल्लेख किया।[63] नमूने में वास्तव में परमाणु विखंडन के उत्पाद थे, मुख्य रूप से बेरियम और क्रिप्टन।[note 2][64] परमाणु विखंडन, जिसे 1938 में जर्मनी में ओटो हैन और फ्रिट्ज़ स्ट्रैसमैन द्वारा खोजा गया था, उस समय अज्ञात था।(Bernstein, 2007, pp. 44–52)

प्लूटोनियम (विशेष रूप से, प्लूटोनियम-238) का उत्पादन, अलगाव और फिर रासायनिक पहचान पहली बार दिसंबर 1940 और फरवरी 1941 के बीच ग्लेन टी. सीबॉर्ग, एडविन मैकमिलन, एमिलियो सेग्रे, जोसेफ डब्ल्यू. कैनेडी और आर्थर वाह्ल द्वारा कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय, बर्कले की बर्कले रेडिएशन लेबोरेटरी में 60 in साइक्लोट्रॉन में यूरेनियम पर ड्यूटेरॉन बमबारी द्वारा की गई थी।[65][66][67] नेप्च्यूनियम-238 सीधे बमबारी द्वारा बनाया गया था लेकिन दो दिनों से अधिक की अर्ध-आयु के साथ बीटा उत्सर्जन द्वारा क्षयित हो गया, जिसने तत्व 94 के गठन का संकेत दिया।[37] पहली बमबारी 14 दिसंबर, 1940 को हुई थी, और नए तत्व की पहचान पहली बार 23-24 फरवरी, 1941 की रात को ऑक्सीकरण के माध्यम से की गई थी।[66]

खोज का दस्तावेजीकरण करने वाला एक शोध पत्र टीम द्वारा तैयार किया गया था और मार्च 1941 में फिजिकल रिव्यू पत्रिका को भेजा गया था,[37] लेकिन सुरक्षा चिंताओं के कारण द्वितीय विश्व युद्ध के अंत के एक साल बाद तक प्रकाशन में देरी हुई।(Seaborg, Seaborg, 2001, pp. 71–72) कैम्ब्रिज में कैवेंडिश लेबोरेटरी में, एगॉन ब्रेटशर और नॉर्मन फेदर ने महसूस किया कि यूरेनियम द्वारा ईंधन वाला एक धीमा न्यूट्रॉन रिएक्टर सैद्धांतिक रूप से उप-उत्पाद के रूप में प्लूटोनियम-239 की पर्याप्त मात्रा का उत्पादन करेगा। उन्होंने गणना की कि तत्व 94 विखंडनीय होगा, और इसका अतिरिक्त लाभ यह होगा कि यह रासायनिक रूप से यूरेनियम से अलग होगा, और इसे आसानी से इससे अलग किया जा सकेगा।(Clark, 1961, pp. 124–125)

मैकमिलन ने हाल ही में पहले ट्रांसयूरेनिक तत्व का नाम ग्रह नेप्च्यून के नाम पर नेप्च्यूनियम रखा था, और सुझाव दिया कि तत्व 94, श्रृंखला में अगला तत्व होने के कारण, उस समय के अगले ग्रह माने जाने वाले प्लूटो के नाम पर रखा जाए।[8][note 3] कैम्ब्रिज टीम के निकोलस केमर ने स्वतंत्र रूप से उसी तर्क के आधार पर उसी नाम का प्रस्ताव रखा।(Clark, 1961, pp. 124–125) सीबॉर्ग ने मूल रूप से "प्लूटियम" नाम पर विचार किया था, लेकिन बाद में सोचा कि यह "प्लूटोनियम" जितना अच्छा नहीं लगता है।[68] उन्होंने मजाक में "Pu" अक्षरों को चुना, जो "P U" विस्मयादिबोधक के संदर्भ में था, जो विशेष रूप से घृणित गंध को इंगित करने के लिए था, जो बिना किसी सूचना के आवर्त सारणी में चला गया।[note 4] सीबॉर्ग और अन्य लोगों द्वारा विचार किए गए वैकल्पिक नाम "अल्टिमियम" या "एक्सट्रीमियम" थे क्योंकि यह गलत धारणा थी कि उन्होंने आवर्त सारणी पर अंतिम संभावित तत्व पा लिया है।[69]

हैन और स्ट्रैसमैन, और स्वतंत्र रूप से कर्ट स्टार्क, इस बिंदु पर बर्लिन में ट्रांसयूरेनिक तत्वों पर भी काम कर रहे थे। यह संभावना है कि हैन और स्ट्रैसमैन जानते थे कि प्लूटोनियम-239 विखंडनीय होना चाहिए। हालाँकि, उनके पास एक मजबूत न्यूट्रॉन स्रोत नहीं था। तत्व 93 की सूचना हैन और स्ट्रैसमैन के साथ-साथ स्टार्क द्वारा 1942 में दी गई थी। हैन के समूह ने तत्व 94 का पीछा नहीं किया, संभवतः इसलिए क्योंकि वे मैकमिलन और एबेलसन द्वारा इसे अलग करने में विफलता से हतोत्साहित थे जब उन्होंने पहली बार तत्व 93 पाया था। हालाँकि, चूंकि हैन के समूह के पास इस बिंदु पर पेरिस में मजबूत साइक्लोट्रॉन तक पहुंच थी, इसलिए यदि उन्होंने कोशिश की होती तो वे संभवतः प्लूटोनियम का पता लगाने में सक्षम होते, हालांकि बहुत कम मात्रा में (कुछ बेकरेलs)।[70]

प्रारंभिक शोध

प्रारंभिक अध्ययन के कुछ महीनों बाद ही यह पाया गया कि प्लूटोनियम का रसायन विज्ञान यूरेनियम से मिलता-जुलता है।[37] प्रारंभिक शोध शिकागो विश्वविद्यालय की गुप्त मेटालर्जिकल लेबोरेटरी (Metallurgical Laboratory) में जारी रखा गया। 20 अगस्त, 1942 को, इस तत्व की एक सूक्ष्म मात्रा को पहली बार अलग किया गया और मापा गया। यूरेनियम और विखंडन उत्पादों के साथ संयुक्त प्लूटोनियम-239 की लगभग 50 माइक्रोग्राम मात्रा उत्पादित की गई थी और केवल लगभग 1 माइक्रोग्राम को अलग किया जा सका था।[49][71] इस प्रक्रिया ने रसायनज्ञों को नए तत्व का परमाणु भार निर्धारित करने में सक्षम बनाया।[72][note 5] 2 दिसंबर, 1942 को, शिकागो विश्वविद्यालय के स्टैग फील्ड में पश्चिमी ग्रैंडस्टैंड के नीचे एक रैकेट कोर्ट पर, एनरिको फर्मी के नेतृत्व में शोधकर्ताओं ने ग्रेफाइट और यूरेनियम के ढेर में पहली बार स्व-स्थायी श्रृंखला अभिक्रिया (self-sustaining chain reaction) प्राप्त की, जिसे CP-1 के रूप में जाना जाता है। CP-1 के संचालन से प्राप्त सैद्धांतिक जानकारी का उपयोग करते हुए, ड्यूपॉन्ट (DuPont) ने ओक रिज में एक वायु-शीतित प्रायोगिक उत्पादन रिएक्टर, जिसे X-10 के रूप में जाना जाता है, और एक पायलट रासायनिक पृथक्करण सुविधा का निर्माण किया। मेट लैब में ग्लेन टी. सीबॉर्ग और शोधकर्ताओं की एक टीम द्वारा विकसित विधियों का उपयोग करने वाली इस पृथक्करण सुविधा ने X-10 रिएक्टर में विकिरणित यूरेनियम से प्लूटोनियम को हटा दिया। CP-1 से प्राप्त जानकारी हनफोर्ड के लिए जल-शीतित प्लूटोनियम उत्पादन रिएक्टरों को डिजाइन करने वाले मेट लैब के वैज्ञानिकों के लिए भी उपयोगी थी। साइट पर निर्माण कार्य 1943 के मध्य में शुरू हुआ।[73]

नवंबर 1943 में, प्लूटोनियम धातु का पहला नमूना बनाने के लिए कुछ प्लूटोनियम ट्राइफ्लोराइड को अपचयित (reduce) किया गया: धात्विक मोतियों के कुछ माइक्रोग्राम।[49] इतना प्लूटोनियम उत्पादित किया गया कि यह बिना सहायता प्राप्त आँखों से दिखाई देने वाला पहला कृत्रिम रूप से निर्मित तत्व बन गया।[74]

प्लूटोनियम-239 के परमाणु गुणों का भी अध्ययन किया गया; शोधकर्ताओं ने पाया कि जब यह एक न्यूट्रॉन से टकराता है, तो यह अधिक न्यूट्रॉन और ऊर्जा जारी करके टूट जाता है (विखंडन)। ये न्यूट्रॉन प्लूटोनियम-239 के अन्य परमाणुओं से टकरा सकते हैं और इसी तरह एक तेजी से बढ़ती श्रृंखला अभिक्रिया में आगे बढ़ सकते हैं। यदि पर्याप्त मात्रा में समस्थानिक (isotope) को केंद्रित करके क्रांतिक द्रव्यमान (critical mass) बनाया जाए, तो इसके परिणामस्वरूप इतना बड़ा विस्फोट हो सकता है कि एक शहर नष्ट हो जाए।[37]

शोध के शुरुआती चरणों के दौरान, स्वास्थ्य पर रेडियोधर्मी पदार्थों के प्रभावों का अध्ययन करने के लिए जानवरों का उपयोग किया गया था। ये अध्ययन 1944 में कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय, बर्कले की रेडिएशन लेबोरेटरी में शुरू हुए और जोसेफ जी. हैमिल्टन द्वारा संचालित किए गए। हैमिल्टन इस प्रश्न का उत्तर खोजना चाहते थे कि एक्सपोजर के तरीके (मौखिक अंतर्ग्रहण, साँस लेना, त्वचा के माध्यम से अवशोषण), प्रतिधारण दर, और प्लूटोनियम ऊतकों में कैसे स्थिर होगा और विभिन्न अंगों के बीच कैसे वितरित होगा, इसके आधार पर शरीर में प्लूटोनियम कैसे भिन्न होगा। हैमिल्टन ने चूहों को विभिन्न संयोजकता अवस्थाओं (valence states) और प्लूटोनियम को पेश करने के विभिन्न तरीकों (मौखिक, अंतःशिरा, आदि) का उपयोग करके प्लूटोनियम-239 यौगिकों के घुलनशील माइक्रोग्राम हिस्से देना शुरू किया। अंततः, शिकागो की प्रयोगशाला ने भी चूहों, खरगोशों, मछलियों और यहाँ तक कि कुत्तों जैसे विभिन्न जानवरों का उपयोग करके अपने स्वयं के प्लूटोनियम इंजेक्शन प्रयोग किए। बर्कले और शिकागो में किए गए अध्ययनों के परिणामों से पता चला कि प्लूटोनियम का शारीरिक व्यवहार रेडियम से काफी भिन्न था। सबसे चिंताजनक परिणाम यह था कि यकृत और हड्डी के "सक्रिय रूप से चयापचय" वाले हिस्से में प्लूटोनियम का महत्वपूर्ण जमाव था। इसके अलावा, उत्सर्जन में प्लूटोनियम के उन्मूलन की दर जानवरों की प्रजातियों के बीच पांच गुना तक भिन्न थी। इस तरह के बदलाव के कारण यह अनुमान लगाना बेहद मुश्किल हो गया कि मनुष्यों के लिए दर क्या होगी।[75]

मैनहट्टन प्रोजेक्ट के दौरान उत्पादन

द्वितीय विश्व युद्ध के दौरान, अमेरिकी सरकार ने परमाणु बम विकसित करने के लिए मैनहट्टन प्रोजेक्ट की स्थापना की। परियोजना के तीन प्राथमिक अनुसंधान और उत्पादन स्थल थे: वर्तमान हनफोर्ड साइट पर प्लूटोनियम उत्पादन सुविधा, ओक रिज, टेनेसी में यूरेनियम संवर्धन सुविधाएं, और हथियार अनुसंधान और डिजाइन प्रयोगशाला, जिसे अब लॉस एलामोस नेशनल लेबोरेटरी (LANL) के रूप में जाना जाता है।[76]

पहला उत्पादन रिएक्टर जिसने 239Pu बनाया, वह X-10 ग्रेफाइट रिएक्टर था। यह 1943 में चालू हुआ और ओक रिज की एक सुविधा में बनाया गया था जो बाद में ओक रिज नेशनल लेबोरेटरी बन गई।[37][note 6]

जनवरी 1944 में, श्रमिकों ने 200-वेस्ट में स्थित पहली रासायनिक पृथक्करण इमारत, टी प्लांट (T Plant) की नींव रखी। टी प्लांट और 200-वेस्ट में इसकी सहयोगी सुविधा, यू प्लांट (U Plant), दोनों अक्टूबर तक पूरी हो गईं। (यू प्लांट का उपयोग मैनहट्टन प्रोजेक्ट के दौरान केवल प्रशिक्षण के लिए किया गया था।) 200-ईस्ट में पृथक्करण इमारत, बी प्लांट (B Plant), फरवरी 1945 में पूरी हुई। 200-ईस्ट के लिए नियोजित दूसरी सुविधा को रद्द कर दिया गया था। उन्हें बनाने वाले श्रमिकों द्वारा 'क्वीन मैरी' उपनाम दी गई, ये पृथक्करण इमारतें 800 फीट लंबी, 65 फीट चौड़ी और 80 फीट ऊंची अद्भुत घाटी जैसी संरचनाएं थीं जिनमें चालीस प्रक्रिया पूल थे। इंटीरियर में एक अजीब सी गुणवत्ता थी क्योंकि सात फीट कंक्रीट की ढाल के पीछे ऑपरेटर टेलीविजन मॉनिटर और ऊपरी गैलरी से पेरिस्कोप के माध्यम से देखकर रिमोट कंट्रोल उपकरणों को संचालित करते थे। प्रक्रिया पूलों पर भारी कंक्रीट के ढक्कन होने के बावजूद, विकिरण जोखिम के खिलाफ सावधानी बरतना आवश्यक था और इसने संयंत्र डिजाइन के सभी पहलुओं को प्रभावित किया।[73]

5 अप्रैल, 1944 को, लॉस एलामोस में एमिलियो सेग्रे को ओक रिज से रिएक्टर-उत्पादित प्लूटोनियम का पहला नमूना प्राप्त हुआ।[78] दस दिनों के भीतर, उन्होंने पाया कि रिएक्टर-जनित प्लूटोनियम में साइक्लोट्रॉन-उत्पादित प्लूटोनियम की तुलना में 240Pu की सांद्रता अधिक थी। 240Pu की सहज विखंडन दर उच्च होती है, जो प्लूटोनियम नमूने के समग्र पृष्ठभूमि न्यूट्रॉन स्तर को बढ़ा देती है।(Hoddeson, Henriksen, Meade, Westfall, 1993, pp. 235–239) मूल गन-टाइप प्लूटोनियम हथियार, जिसका कोड-नाम "थिन मैन" था, को इसके परिणामस्वरूप छोड़ना पड़ा—सहज न्यूट्रॉन की बढ़ी हुई संख्या का मतलब था कि परमाणु पूर्व-विस्फोट (फिज़ल) की संभावना थी।(Hoddeson, Henriksen, Meade, Westfall, 1993, pp. 240–242)

लॉस एलामोस में पूरे प्लूटोनियम हथियार डिजाइन प्रयास को जल्द ही अधिक जटिल इम्प्लोजन डिवाइस में बदल दिया गया, जिसका कोड-नाम "फैट मैन" था। एक इम्प्लोजन बम में, प्लूटोनियम को विस्फोटक लेंस के साथ उच्च घनत्व तक संकुचित किया जाता है—यह तकनीकी रूप से सरल गन-टाइप बम की तुलना में अधिक कठिन कार्य है, लेकिन प्लूटोनियम बम के लिए आवश्यक है। इसके विपरीत, यूरेनियम का उपयोग दोनों विधियों के साथ किया जा सकता है।(Hoddeson, Henriksen, Meade, Westfall, 1993, pp. 240–242)

हनफोर्ड बी रिएक्टर का निर्माण, जो सामग्री उत्पादन के उद्देश्यों के लिए पहला औद्योगिक-आकार का परमाणु रिएक्टर था, मार्च 1945 में पूरा हुआ। बी रिएक्टर ने द्वितीय विश्व युद्ध के दौरान उपयोग किए गए प्लूटोनियम हथियारों के लिए विखंडनीय सामग्री का उत्पादन किया।[note 7] बी, डी और एफ हनफोर्ड में बनाए गए शुरुआती रिएक्टर थे, और बाद में साइट पर छह अतिरिक्त प्लूटोनियम-उत्पादक रिएक्टर बनाए गए।[80]

जनवरी 1945 के अंत तक, अत्यधिक शुद्ध प्लूटोनियम को पूर्ण रासायनिक अलगाव भवन में और अधिक सांद्रता से गुजारा गया, जहाँ शेष अशुद्धियों को सफलतापूर्वक हटा दिया गया। लॉस एलामोस को 2 फरवरी को हनफोर्ड से अपना पहला प्लूटोनियम प्राप्त हुआ। हालाँकि यह स्पष्ट नहीं था कि युद्ध के अंत तक बमों में उपयोग के लिए पर्याप्त प्लूटोनियम का उत्पादन किया जा सकता है या नहीं, लेकिन 1945 की शुरुआत में हनफोर्ड चालू हो गया था। कर्नल फ्रैंकलिन मैथियास द्वारा कोलंबिया नदी के तट पर अपना अस्थायी मुख्यालय स्थापित किए हुए केवल दो साल बीते थे।[73]

केट ब्राउन के अनुसार, रूस में हनफोर्ड और मायाक में प्लूटोनियम उत्पादन संयंत्रों ने, चार दशकों की अवधि में, "दोनों ने आसपास के वातावरण में 200 मिलियन क्यूरी से अधिक रेडियोधर्मी समस्थानिक जारी किए—प्रत्येक मामले में चेरनोबिल आपदा में निष्कासित मात्रा से दोगुनी"।[81] वर्षों से यह अधिकांश रेडियोधर्मी संदूषण सामान्य संचालन का हिस्सा था, लेकिन अप्रत्याशित दुर्घटनाएं हुईं और संयंत्र प्रबंधन ने इसे गुप्त रखा, क्योंकि प्रदूषण बिना रुके जारी रहा।[81]

2004 में, हनफोर्ड परमाणु स्थल पर एक दफन खाई की खुदाई के दौरान एक तिजोरी खोजी गई। तिजोरी के अंदर विभिन्न वस्तुएं थीं, जिसमें एक बड़ी कांच की बोतल भी शामिल थी जिसमें एक सफेद घोल था जिसे बाद में अस्तित्व में ज्ञात हथियार-ग्रेड प्लूटोनियम का सबसे पुराना नमूना माना गया। पैसिफिक नॉर्थवेस्ट नेशनल लेबोरेटरी द्वारा समस्थानिक विश्लेषण ने संकेत दिया कि बोतल में प्लूटोनियम 1944 के दौरान ओक रिज में X-10 ग्रेफाइट रिएक्टर में निर्मित किया गया था।[82][83][84]

ट्रिनिटी और फैट मैन परमाणु बम

पहला परमाणु बम परीक्षण, जिसका कोड-नाम "ट्रिनिटी" था और जिसे 16 जुलाई, 1945 को अलामोसॉर्डो, न्यू मैक्सिको के पास विस्फोटित किया गया था, ने अपनी विखंडनीय सामग्री के रूप में प्लूटोनियम का उपयोग किया।[49] "गैजेट" का इम्प्लोजन डिजाइन, जैसा कि ट्रिनिटी डिवाइस का कोड-नाम था, ने प्लूटोनियम के एक गोले को सुपरक्रिटिकल द्रव्यमान में संकुचित करने के लिए पारंपरिक विस्फोटक लेंस का उपयोग किया, जिसे साथ ही "अर्किन" से न्यूट्रॉन की बौछार की गई, जो पोलोनियम और बेरिलियम (न्यूट्रॉन स्रोत: (α, n) अभिक्रिया) से बना एक इनिशिएटर था।[37] साथ में, इन्होंने एक अनियंत्रित श्रृंखला अभिक्रिया और विस्फोट सुनिश्चित किया। हथियार का वजन 4 टन से अधिक था, हालांकि इसमें केवल 6 किग्रा प्लूटोनियम था।[85] ट्रिनिटी हथियार में लगभग 20% प्लूटोनियम का विखंडन हुआ; जिससे लगभग 20,000 टन TNT के बराबर ऊर्जा निकली।[86][note 8]

9 अगस्त, 1945 को नागासाकी, जापान पर गिराए गए "फैट मैन" में एक समान डिजाइन का उपयोग किया गया था, जिसमें 35,000–40,000 लोग मारे गए और नागासाकी में 68%–80% युद्ध उत्पादन नष्ट हो गया।(Sklar, 1984, pp. 22–29) पहले परमाणु बमों की घोषणा के बाद ही मैनहट्टन प्रोजेक्ट की स्मिथ रिपोर्ट द्वारा प्लूटोनियम के अस्तित्व और नाम को जनता के लिए सार्वजनिक किया गया था।(Bernstein, 2007, p. 70)

शीत युद्ध का उपयोग और कचरा

शीत युद्ध के दौरान सोवियत संघ और संयुक्त राज्य अमेरिका दोनों द्वारा हथियार-ग्रेड प्लूटोनियम के बड़े भंडार जमा किए गए थे। हनफोर्ड और दक्षिण कैरोलिना में सवाना रिवर साइट पर अमेरिकी रिएक्टरों ने 103 टन का उत्पादन किया,[88] और यूएसएसआर में अनुमानित 170 टन सैन्य-ग्रेड प्लूटोनियम का उत्पादन किया गया था।[89][note 9] हर साल लगभग 20 टन इस तत्व का उत्पादन परमाणु ऊर्जा उद्योग के उप-उत्पाद के रूप में किया जाता है।[14] 1000 टन तक प्लूटोनियम भंडारण में हो सकता है, जिसमें से 200 टन से अधिक या तो परमाणु हथियारों के अंदर है या उनसे निकाला गया है।[37] SIPRI ने 2007 में विश्व प्लूटोनियम भंडार का अनुमान लगभग 500 टन लगाया था, जो हथियार और नागरिक स्टॉक के बीच समान रूप से विभाजित था।(Stockholm International Peace Research Institute, 2007, p. 567)

रॉकी फ्लैट्स प्लांट में रेडियोधर्मी संदूषण मुख्य रूप से 1957 और 1969 में दो बड़ी प्लूटोनियम आग के परिणामस्वरूप हुआ। 1952 से 1992 तक संयंत्र के परिचालन जीवन के दौरान रेडियोधर्मी समस्थानिकों की बहुत कम सांद्रता जारी की गई थी। संयंत्र से चलने वाली हवाएं डेनवर के उत्तर-पश्चिम में बसे आबादी वाले क्षेत्रों में दक्षिण और पूर्व की ओर हवाई संदूषण ले गईं। आग और अन्य स्रोतों से प्लूटोनियम द्वारा डेनवर क्षेत्र के संदूषण की सार्वजनिक रूप से रिपोर्ट 1970 के दशक तक नहीं की गई थी। 1972 के एक अध्ययन के अनुसार, जिसके सह-लेखक एडवर्ड मार्टेल थे, "डेनवर के अधिक घनी आबादी वाले क्षेत्रों में, सतह की मिट्टी में Pu संदूषण का स्तर फॉलआउट से कई गुना अधिक है", और प्लूटोनियम संदूषण "रॉकी फ्लैट्स संयंत्र के ठीक पूर्व में परमाणु परीक्षणों से होने वाले संदूषण से सैकड़ों गुना अधिक है"।[90] जैसा कि अम्बियो (Ambio) में कार्ल जे. जॉनसन द्वारा उल्लेख किया गया है, "संयंत्र से निकास प्लम में प्लूटोनियम और अन्य रेडोन्यूक्लाइड्स के लिए डेनवर क्षेत्र में एक बड़ी आबादी का एक्सपोजर 1953 का है।"[91] रॉकी फ्लैट्स संयंत्र में हथियारों का उत्पादन 1989 में FBI और EPA के संयुक्त छापे और वर्षों के विरोध के बाद रोक दिया गया था। संयंत्र को तब से बंद कर दिया गया है, इसकी इमारतों को ध्वस्त कर दिया गया है और साइट से पूरी तरह हटा दिया गया है।[92]

अमेरिका में, नष्ट किए गए परमाणु हथियारों से निकाले गए कुछ प्लूटोनियम को प्लूटोनियम ऑक्साइड के कांच के लॉग बनाने के लिए पिघलाया जाता है जिनका वजन दो टन होता है।[37] कांच बोरोसिलिकेट से बना होता है जिसे कैडमियम और गैडोलीनियम के साथ मिलाया जाता है।[note 10] इन लॉग्स को स्टेनलेस स्टील में बंद करने और 4 km भूमिगत बोर होल्स में संग्रहीत करने की योजना है जिन्हें कंक्रीट से भरा जाएगा।[37] अमेरिका ने युक्का माउंटेन परमाणु कचरा भंडार में इस तरह से प्लूटोनियम संग्रहीत करने की योजना बनाई थी, जो लास वेगास, नेवादा के उत्तर-पूर्व में लगभग 100 mi दूर है।[93]

5 मार्च, 2009 को, ऊर्जा सचिव स्टीवन चू ने सीनेट की सुनवाई में कहा कि "युक्का माउंटेन साइट को अब रिएक्टर कचरे को संग्रहीत करने के विकल्प के रूप में नहीं देखा जा रहा है"।[94] 1999 से, सैन्य-जनित परमाणु कचरे को न्यू मैक्सिको में वेस्ट आइसोलेशन पायलट प्लांट में दफन किया जा रहा है।

29 जनवरी, 2010 के एक राष्ट्रपति ज्ञापन में, राष्ट्रपति ओबामा ने अमेरिका के परमाणु भविष्य पर ब्लू रिबन आयोग की स्थापना की।[95] अपनी अंतिम रिपोर्ट में आयोग ने एक व्यापक रणनीति विकसित करने के लिए सिफारिशें रखीं, जिसमें शामिल हैं:[96]

"सिफारिश #1: संयुक्त राज्य अमेरिका को एक एकीकृत परमाणु कचरा प्रबंधन कार्यक्रम शुरू करना चाहिए जो खर्च किए गए ईंधन और उच्च-स्तरीय परमाणु कचरे के सुरक्षित निपटान के लिए एक या अधिक स्थायी गहरे भूवैज्ञानिक सुविधाओं के समय पर विकास की ओर ले जाए"।[96]

चिकित्सा प्रयोग

द्वितीय विश्व युद्ध के अंत के दौरान और बाद में, मैनहट्टन प्रोजेक्ट और अन्य परमाणु हथियार अनुसंधान परियोजनाओं पर काम करने वाले वैज्ञानिकों ने प्रयोगशाला जानवरों और मानव विषयों पर प्लूटोनियम के प्रभावों का अध्ययन किया।[97] पशु अध्ययनों में पाया गया कि प्रति किग्रा ऊतक में कुछ मिलीग्राम प्लूटोनियम एक घातक खुराक है।[98]

मानव विषयों के लिए, इसमें आमतौर पर उन अस्पताल के रोगियों में 5 माइक्रोग्राम (μg) प्लूटोनियम युक्त समाधान इंजेक्ट करना शामिल था, जिनके बारे में माना जाता था कि वे या तो मरणासन्न हैं, या उम्र या पुरानी बीमारी के कारण दस साल से कम की जीवन प्रत्याशा है।[97] जुलाई 1945 में इसे घटाकर 1 μg कर दिया गया, जब पशु अध्ययनों में पाया गया कि हड्डियों में प्लूटोनियम के वितरण का तरीका रेडियम से अधिक खतरनाक है।[98] आइलीन वेल्सोम का कहना है कि अधिकांश विषय गरीब, शक्तिहीन और बीमार थे।[99]

1945-47 में, अठारह मानव परीक्षण विषयों को सूचित सहमति (informed consent) के बिना प्लूटोनियम का इंजेक्शन दिया गया था। इन परीक्षणों का उपयोग शरीर में प्लूटोनियम के अवशोषण को निर्धारित करने के लिए नैदानिक उपकरण बनाने हेतु किया गया था, ताकि प्लूटोनियम के साथ काम करने के लिए सुरक्षा मानक विकसित किए जा सकें।[97] एब केड (Ebb Cade) चिकित्सा प्रयोगों में एक अनिच्छुक भागीदार थे, जिसमें 10 अप्रैल, 1945 को ओक रिज, टेनेसी में 4.7 μg प्लूटोनियम का इंजेक्शन शामिल था।[100][101] यह प्रयोग हेरोल्ड हॉज (Harold Hodge) की देखरेख में था।[102] संयुक्त राज्य परमाणु ऊर्जा आयोग (United States Atomic Energy Commission) और मैनहट्टन प्रोजेक्ट द्वारा निर्देशित अन्य प्रयोग 1970 के दशक तक जारी रहे। द प्लूटोनियम फाइल्स (The Plutonium Files) गुप्त कार्यक्रम के विषयों के जीवन का विवरण देती है, जिसमें शामिल प्रत्येक व्यक्ति का नाम लिया गया है और वैज्ञानिकों तथा डॉक्टरों द्वारा गुप्त रूप से किए गए नैतिक और चिकित्सा अनुसंधान पर चर्चा की गई है। इस प्रकरण को अब चिकित्सा नैतिकता (medical ethics) और हिप्पोक्रेटिक शपथ (Hippocratic Oath) का गंभीर उल्लंघन माना जाता है।[103]

सरकार ने 1993 तक इन अधिकांश कार्यों को छिपाए रखा, जब राष्ट्रपति बिल क्लिंटन ने नीति में बदलाव का आदेश दिया और संघीय एजेंसियों ने तब प्रासंगिक रिकॉर्ड उपलब्ध कराए। परिणामी जांच राष्ट्रपति की मानव विकिरण प्रयोगों पर सलाहकार समिति (Advisory Committee on Human Radiation Experiments) द्वारा की गई थी, और इसने मनुष्यों पर प्लूटोनियम अनुसंधान के बारे में अधिकांश सामग्री का खुलासा किया। समिति ने 1995 में एक विवादास्पद रिपोर्ट जारी की जिसमें कहा गया कि "गलतियां की गई थीं" लेकिन इसने उन लोगों की निंदा नहीं की जिन्होंने उन्हें अंजाम दिया था।[99]

अनुप्रयोग

विस्फोटक

239Pu परमाणु हथियारों में एक प्रमुख विखंडनीय घटक है, जो इसके विखंडन में आसानी और उपलब्धता के कारण है। बम के प्लूटोनियम पिट को एक टैम्पर (सघन सामग्री की एक परत) में बंद करने से न्यूट्रॉन रिफ्लेक्टर द्वारा पलायन करने वाले न्यूट्रॉन को वापस प्लूटोनियम कोर में परावर्तित करके क्रांतिक द्रव्यमान (critical mass) कम हो जाता है। यह क्रांतिक द्रव्यमान को 16 किग्रा से घटाकर 10 किग्रा कर देता है, जो लगभग 10 cm व्यास का एक गोला है।(Martin, 2000, p. 532) यह क्रांतिक द्रव्यमान यूरेनियम-235 के लिए लगभग एक तिहाई है।[8]

फैट मैन प्लूटोनियम बमों ने सामान्य से काफी अधिक घनत्व प्राप्त करने के लिए प्लूटोनियम के विस्फोटक संपीड़न का उपयोग किया, जिसे प्रतिक्रिया शुरू करने और दक्षता बढ़ाने के लिए एक केंद्रीय न्यूट्रॉन स्रोत के साथ जोड़ा गया। इस प्रकार 20 किलोटन टीएनटी के बराबर विस्फोटक उपज के लिए केवल 6 किग्रा प्लूटोनियम की आवश्यकता थी।[86][104] काल्पनिक रूप से, बहुत परिष्कृत असेंबली डिजाइनों का उपयोग करके एक परमाणु बम बनाने के लिए 4 किग्रा से कम—और शायद इससे भी कम—प्लूटोनियम का उपयोग किया जा सकता है।[104]

मिश्रित ऑक्साइड ईंधन

सामान्य लाइट वाटर रिएक्टर (light water reactor) से निकलने वाले व्यय परमाणु ईंधन (spent nuclear fuel) में प्लूटोनियम होता है, लेकिन यह प्लूटोनियम-242, 240, 239 और 238 का मिश्रण है। यह मिश्रण कुशल परमाणु हथियारों के लिए पर्याप्त रूप से समृद्ध नहीं है, लेकिन इसे MOX ईंधन के रूप में एक बार उपयोग किया जा सकता है।[105] आकस्मिक न्यूट्रॉन कैप्चर के कारण हर बार जब प्लूटोनियम को कम गति वाले "थर्मल" न्यूट्रॉन वाले रिएक्टर में विकिरणित किया जाता है, तो प्लूटोनियम-242 और 240 की मात्रा बढ़ जाती है, ताकि दूसरे चक्र के बाद, प्लूटोनियम का उपभोग केवल फास्ट न्यूट्रॉन रिएक्टर द्वारा ही किया जा सके। यदि फास्ट न्यूट्रॉन रिएक्टर उपलब्ध नहीं हैं (सामान्य स्थिति), तो अतिरिक्त प्लूटोनियम को आमतौर पर त्याग दिया जाता है, और यह परमाणु कचरे के सबसे लंबे समय तक जीवित रहने वाले घटकों में से एक बनाता है। इस प्लूटोनियम और अन्य ट्रांसयुरानिक ईंधन का उपभोग करने और कचरे की रेडियोटॉक्सिसिटी को कम करने की इच्छा वह सामान्य कारण है जो परमाणु इंजीनियर फास्ट न्यूट्रॉन रिएक्टर बनाने के लिए देते हैं।(Till, Chang, 2011, pp. 254–256)

सबसे आम रासायनिक प्रक्रिया, PUREX (Plutonium–URanium EXtraction), व्यय परमाणु ईंधन को पुनर्संसाधित करती है ताकि प्लूटोनियम और यूरेनियम निकाला जा सके, जिसका उपयोग परमाणु रिएक्टरों में पुन: उपयोग के लिए मिश्रित ऑक्साइड (MOX) ईंधन बनाने के लिए किया जा सकता है। हथियार-ग्रेड प्लूटोनियम को ईंधन मिश्रण में जोड़ा जा सकता है। MOX ईंधन का उपयोग लाइट वाटर रिएक्टरों में किया जाता है और इसमें प्रति टन ईंधन में 60 किग्रा प्लूटोनियम होता है; चार वर्षों के बाद, तीन-चौथाई प्लूटोनियम जल जाता है (अन्य तत्वों में बदल जाता है)।[37] MOX ईंधन 1980 के दशक से उपयोग में है, और यूरोप में व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है।[105] ब्रीडर रिएक्टर विशेष रूप से उपभोग की तुलना में अधिक विखंडनीय सामग्री बनाने के लिए डिज़ाइन किए गए हैं।(Till, Chang, 2011, p. 15)

MOX ईंधन कुल बर्नअप में सुधार करता है। कचरे के उत्पादों को हटाने के लिए तीन साल के उपयोग के बाद एक ईंधन रॉड को पुनर्संसाधित किया जाता है, जो तब तक रॉड के कुल वजन का 3% होता है।[37] उन तीन वर्षों के दौरान उत्पादित कोई भी यूरेनियम या प्लूटोनियम आइसोटोप छोड़ दिया जाता है और रॉड वापस उत्पादन में चली जाती है।[note 11] हथियार-ग्रेड प्लूटोनियम मिश्र धातु में प्रति द्रव्यमान 1% तक गैलियम की उपस्थिति में लाइट वाटर रिएक्टर के दीर्घकालिक संचालन में हस्तक्षेप करने की क्षमता है।[106]

व्यय रिएक्टर ईंधन से प्राप्त प्लूटोनियम बहुत कम प्रसार खतरा पैदा करता है, क्योंकि यह गैर-विखंडनीय प्लूटोनियम-240 और प्लूटोनियम-242 से अत्यधिक दूषित होता है। आइसोटोप का पृथक्करण संभव नहीं है। कुशल परमाणु हथियारों में उपयोग के लिए उपयुक्त सामग्री का उत्पादन करने के लिए आमतौर पर बहुत कम बर्नअप पर काम करने वाले एक समर्पित रिएक्टर (इसलिए नए बने प्लूटोनियम-239 का अतिरिक्त न्यूट्रॉन के संपर्क में न्यूनतम होना, जो इसे प्लूटोनियम के भारी आइसोटोप में बदलने का कारण बनता है) की आवश्यकता होती है। जबकि "हथियार-ग्रेड" प्लूटोनियम को कम से कम 92% प्लूटोनियम-239 (कुल प्लूटोनियम का) युक्त परिभाषित किया गया है, संयुक्त राज्य अमेरिका ने प्लूटोनियम का उपयोग करके एक 20Kt से कम का उपकरण विस्फोट करने में कामयाबी हासिल की है, जिसके बारे में माना जाता है कि इसमें केवल 85% प्लूटोनियम-239 था, जिसे "ईंधन-ग्रेड" प्लूटोनियम कहा जाता है।[107] एक नियमित LWR बर्नअप चक्र द्वारा उत्पादित "रिएक्टर-ग्रेड" प्लूटोनियम में आमतौर पर 60% से कम Pu-239 होता है, जिसमें 30% तक परजीवी Pu-240/Pu-242, और 10-15% विखंडनीय Pu-241 होता है।[107] यह अज्ञात है कि क्या पुनर्संसाधित नागरिक परमाणु कचरे से प्राप्त प्लूटोनियम का उपयोग करने वाले उपकरण को विस्फोटित किया जा सकता है, हालांकि ऐसा उपकरण काल्पनिक रूप से विफल हो सकता है और एक बड़े शहरी क्षेत्र में रेडियोधर्मी सामग्री फैला सकता है। IAEA रूढ़िवादी रूप से सभी आइसोटोपिक वैक्टर के प्लूटोनियम को "प्रत्यक्ष-उपयोग" सामग्री के रूप में वर्गीकृत करता है, अर्थात, "परमाणु सामग्री जिसका उपयोग ट्रांसम्यूटेशन या आगे के संवर्धन के बिना परमाणु विस्फोटक घटकों के निर्माण के लिए किया जा सकता है"।[107]

शक्ति और ताप स्रोत

प्लूटोनियम-238 का आधा जीवन 87.74 वर्ष है।[108] यह गामा किरण/फोटॉन और न्यूट्रॉन दोनों के निम्न स्तर के साथ बड़ी मात्रा में तापीय ऊर्जा उत्सर्जित करता है।[109] अल्फा उत्सर्जक होने के नाते, यह कम पैठ के साथ उच्च ऊर्जा विकिरण को जोड़ता है और इसलिए न्यूनतम परिरक्षण की आवश्यकता होती है। 238Pu से अल्फा कणों के खिलाफ ढाल के लिए कागज की एक शीट का उपयोग किया जा सकता है। आइसोटोप का एक किलोग्राम लगभग 570 वाट गर्मी उत्पन्न करता है।[8][109]

ये विशेषताएं इसे उन उपकरणों के लिए विद्युत शक्ति उत्पादन के लिए उपयुक्त बनाती हैं जिन्हें मानव जीवनकाल के अनुमानित समय के लिए सीधे रखरखाव के बिना कार्य करना चाहिए। इसलिए इसका उपयोग रेडियोआइसोटोप थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर (radioisotope thermoelectric generator) और रेडियोआइसोटोप हीटर यूनिट में किया जाता है, जैसे कि कैसिनी,[110] वॉयजर, गैलीलियो और न्यू होराइजन्स[111] अंतरिक्ष जांच, और क्यूरियोसिटी[112] और पर्सिवरेंस (मार्स 2020) मंगल रोवर में।

जुड़वां वॉयजर अंतरिक्ष यान 1977 में लॉन्च किए गए थे, जिनमें से प्रत्येक में 500 वाट का प्लूटोनियम शक्ति स्रोत था। 30 साल से अधिक समय बाद, प्रत्येक स्रोत अभी भी लगभग 300 वाट उत्पन्न करता है जो प्रत्येक अंतरिक्ष यान के सीमित संचालन की अनुमति देता है।[113] उसी तकनीक के एक पुराने संस्करण ने 1969 में अपोलो 12 से शुरू होकर पांच अपोलो लूनर सरफेस एक्सपेरिमेंट पैकेज को संचालित किया।[37]

238Pu का उपयोग कृत्रिम हृदय पेसमेकर को शक्ति देने के लिए भी सफलतापूर्वक किया गया है, ताकि बार-बार सर्जरी के जोखिम को कम किया जा सके।[114][115] इसे काफी हद तक लिथियम-आधारित प्राथमिक सेल द्वारा प्रतिस्थापित कर दिया गया है, लेकिन 2003 संयुक्त राज्य अमेरिका में जीवित रोगियों में 50 से 100 के बीच प्लूटोनियम-संचालित पेसमेकर अभी भी प्रत्यारोपित और कार्यरत थे।[116] 2007 के अंत तक, प्लूटोनियम-संचालित पेसमेकर की संख्या घटकर केवल नौ रह गई थी।[117] 238Pu का अध्ययन स्कूबा डाइविंग के लिए पूरक गर्मी प्रदान करने के तरीके के रूप में किया गया था।[118] बेरिलियम के साथ मिश्रित 238Pu का उपयोग अनुसंधान उद्देश्यों के लिए न्यूट्रॉन उत्पन्न करने के लिए किया जाता है।[37]

सावधानियां

विषाक्तता

प्लूटोनियम के हानिकारक प्रभावों के दो पहलू हैं: रेडियोधर्मिता और भारी धातु विषाक्तता। प्लूटोनियम यौगिक रेडियोधर्मी होते हैं और अस्थि मज्जा (bone marrow) में जमा हो जाते हैं। प्लूटोनियम ऑक्साइड द्वारा संदूषण परमाणु आपदाओं और रेडियोधर्मी घटनाओं के परिणामस्वरूप हुआ है, जिसमें सैन्य परमाणु दुर्घटनाएं भी शामिल हैं जहां परमाणु हथियार जल गए हैं।[119] इन छोटे रिलीज के प्रभावों के अध्ययन, साथ ही हिरोशिमा और नागासाकी पर परमाणु बमबारी के बाद व्यापक विकिरण विषाक्तता बीमारी और मृत्यु ने विकिरण विषाक्तता के खतरों, लक्षणों और पूर्वानुमान के बारे में काफी जानकारी प्रदान की है, जो जापानी बचे लोगों के मामले में सीधे प्लूटोनियम जोखिम से काफी हद तक असंबंधित था।[120]

प्लूटोनियम का क्षय तीन प्रकार के आयनीकरण विकिरण (ionizing radiation) जारी करता है: अल्फा (α), बीटा (β), और गामा किरण (γ)। तीव्र या दीर्घकालिक जोखिम में विकिरण बीमारी, आनुवंशिक क्षति, कैंसर और मृत्यु सहित गंभीर स्वास्थ्य परिणामों का खतरा होता है। जोखिम की मात्रा के साथ खतरा बढ़ जाता है।[37] α-विकिरण केवल थोड़ी दूरी तय कर सकता है और मानव त्वचा की बाहरी, मृत परत के माध्यम से यात्रा नहीं कर सकता है। β-विकिरण मानव त्वचा में प्रवेश कर सकता है, लेकिन शरीर के माध्यम से पूरी तरह से नहीं जा सकता है। γ-विकिरण शरीर के माध्यम से पूरी तरह से जा सकता है।[121] भले ही α विकिरण त्वचा में प्रवेश नहीं कर सकता है, लेकिन अंतर्ग्रहण या साँस के माध्यम से लिया गया प्लूटोनियम आंतरिक अंगों को विकिरणित करता है।[37] साँस के माध्यम से लिए गए प्लूटोनियम द्वारा उत्पन्न α-कणों को यूरोपीय परमाणु श्रमिकों के एक समूह में फेफड़ों के कैंसर का कारण पाया गया है।[122] कंकाल, जहां प्लूटोनियम जमा होता है, और यकृत, जहां यह इकट्ठा होता है और केंद्रित हो जाता है, जोखिम में हैं।[36] अंतर्ग्रहण होने पर प्लूटोनियम शरीर में कुशलतापूर्वक अवशोषित नहीं होता है; अंतर्ग्रहण के बाद प्लूटोनियम ऑक्साइड का केवल 0.04% अवशोषित होता है।[37] शरीर द्वारा अवशोषित प्लूटोनियम बहुत धीरे-धीरे उत्सर्जित होता है, जिसका जैविक आधा जीवन 200 वर्ष है।[123] प्लूटोनियम कोशिका झिल्ली और आंतों की सीमाओं के माध्यम से केवल धीरे-धीरे गुजरता है, इसलिए अंतर्ग्रहण द्वारा अवशोषण और हड्डी की संरचना में समावेश बहुत धीरे-धीरे आगे बढ़ता है।[124][125] डोनाल्ड मास्टिक ने गलती से थोड़ी मात्रा में प्लूटोनियम(III) क्लोराइड निगल लिया था, जो उनके जीवन के अगले तीस वर्षों तक पता लगाने योग्य था, लेकिन ऐसा प्रतीत हुआ कि उन्हें कोई बुरा प्रभाव नहीं पड़ा।[126]

प्लूटोनियम अंतर्ग्रहण की तुलना में साँस के माध्यम से लिए जाने पर अधिक खतरनाक होता है। फेफड़ों के कैंसर का खतरा तब बढ़ जाता है जब साँस के माध्यम से लिए गए प्लूटोनियम की कुल विकिरण समतुल्य खुराक 400 mSv से अधिक हो जाती है।[127] अमेरिकी ऊर्जा विभाग का अनुमान है कि 5,000 प्लूटोनियम कणों को साँस के माध्यम से लेने से आजीवन कैंसर का खतरा, जिनमें से प्रत्येक लगभग 3 μm चौड़ा है, औसत अमेरिकी पृष्ठभूमि से 1% अधिक है।[128] बड़ी मात्रा में अंतर्ग्रहण या साँस लेने से तीव्र विकिरण विषाक्तता और संभवतः मृत्यु हो सकती है। हालांकि, प्लूटोनियम को साँस के माध्यम से लेने या निगलने के कारण किसी भी इंसान की मृत्यु होने की जानकारी नहीं है, और कई लोगों के शरीर में प्लूटोनियम की मापने योग्य मात्रा होती है।[107]

"हॉट पार्टिकल" सिद्धांत जिसमें प्लूटोनियम धूल का एक कण फेफड़े के ऊतकों के एक स्थानीय स्थान को विकिरणित करता है, मुख्यधारा के शोध द्वारा समर्थित नहीं है—ऐसे कण मूल रूप से सोचे गए से अधिक मोबाइल हैं और कण रूप के कारण विषाक्तता मापने योग्य रूप से नहीं बढ़ती है।[124] जब साँस के माध्यम से लिया जाता है, तो प्लूटोनियम रक्तप्रवाह में जा सकता है। एक बार रक्तप्रवाह में, प्लूटोनियम पूरे शरीर में और हड्डियों, यकृत, या अन्य अंगों में चला जाता है। प्लूटोनियम जो शरीर के अंगों तक पहुंचता है, आमतौर पर दशकों तक शरीर में रहता है और आसपास के ऊतकों को विकिरण के संपर्क में लाना जारी रखता है और इस प्रकार कैंसर का कारण बन सकता है।[129]

राल्फ नादर द्वारा उद्धृत एक सामान्य कथन में कहा गया है कि वायुमंडल में फैली एक पाउंड प्लूटोनियम धूल 8 बिलियन लोगों को मारने के लिए पर्याप्त होगी।[130] इसे बर्नार्ड कोहेन द्वारा विवादित किया गया था, जो विकिरण विषाक्तता के सामान्य रूप से स्वीकृत रैखिक गैर-थ्रेशोल्ड मॉडल (linear no-threshold model) के विरोधी थे। कोहेन ने अनुमान लगाया कि एक पाउंड प्लूटोनियम साँस के माध्यम से 2 मिलियन से अधिक लोगों को नहीं मार सकता है, इसलिए प्लूटोनियम की विषाक्तता लगभग नर्व गैस के बराबर है।[131]

प्लूटोनियम धूल के संपर्क में आए लोगों की कई आबादी (जैसे नेवादा परीक्षण स्थलों के नीचे रहने वाले लोग, नागासाकी के बचे लोग, परमाणु सुविधा कर्मचारी, और प्लूटोनियम चयापचय का अध्ययन करने के लिए 1945-46 में Pu के साथ इंजेक्शन दिए गए "असाध्य रोगी") का सावधानीपूर्वक पालन और विश्लेषण किया गया है। कोहेन ने पाया कि ये अध्ययन प्लूटोनियम विषाक्तता के उच्च अनुमानों के साथ असंगत हैं, उन्होंने अल्बर्ट स्टीवंस जैसे मामलों का हवाला दिया, जिन्हें प्लूटोनियम के इंजेक्शन के बाद बुढ़ापे तक जीवित रहने के लिए जाना जाता है।[124] "लॉस एलामोस नेशनल लेबोरेटरी के लगभग 25 कर्मचारी थे जिन्होंने 1940 के दशक के दौरान काफी मात्रा में प्लूटोनियम धूल में साँस ली थी; हॉट-पार्टिकल सिद्धांत के अनुसार, उनमें से प्रत्येक के अब तक फेफड़ों के कैंसर से मरने की 99.5% संभावना है, लेकिन उनमें से एक को भी फेफड़ों का कैंसर नहीं हुआ है।"[131][132]

समुद्री विषाक्तता

प्लूटोनियम के बारे में ज्ञात है कि यह कचरे को फेंकने या परमाणु संयंत्रों से आकस्मिक रिसाव के माध्यम से समुद्री पर्यावरण में प्रवेश करता है। यद्यपि समुद्री वातावरण में प्लूटोनियम की उच्चतम सांद्रता तलछट (sediments) में पाई जाती है, लेकिन प्लूटोनियम के जटिल जैव-भू-रासायनिक चक्र का अर्थ यह है कि यह अन्य सभी घटकों में भी पाया जाता है।[133] उदाहरण के लिए, विभिन्न ज़ोप्लांकटन (zooplankton) प्रजातियां जो पोषक चक्र (nutrient cycle) में सहायता करती हैं, वे दैनिक आधार पर इस तत्व का सेवन करती हैं। ज़ोप्लांकटन द्वारा अंतर्ग्रहण किए गए प्लूटोनियम का पूर्ण उत्सर्जन उनके मल त्याग को सतही जल से प्लूटोनियम को हटाने (scavenging) में एक अत्यंत महत्वपूर्ण तंत्र बनाता है।[134] हालाँकि, जो ज़ोप्लांकटन बड़े जीवों द्वारा शिकार का शिकार हो जाते हैं, वे मछलियों के लिए प्लूटोनियम के संचरण का माध्यम बन सकते हैं।

उपभोग के अलावा, मछलियाँ दुनिया भर में अपने वितरण के कारण भी प्लूटोनियम के संपर्क में आ सकती हैं। एक अध्ययन ने चेरनोबिल एक्सक्लूजन ज़ोन (CEZ) में रहने वाली विभिन्न मछलियों पर ट्रांसयूरेनियम तत्वों (प्लूटोनियम-238, प्लूटोनियम-239, प्लूटोनियम-240) के प्रभावों की जांच की। परिणामों से पता चला कि CEZ में मादा पर्च (perch) का एक हिस्सा जननांगों (gonads) के परिपक्व होने में विफलता या देरी प्रदर्शित करता है।[135] इसी तरह के अध्ययनों में कॉड, फ्लाउंडर और हेरिंग के श्वसन और पाचन अंगों में प्लूटोनियम का भारी संचय पाया गया।[133]

प्लूटोनियम विषाक्तता परमाणु कचरे वाले क्षेत्रों में मछलियों के लार्वा के लिए भी उतनी ही हानिकारक है। इन कचरा क्षेत्रों में तत्व के संपर्क में आने वाले विकसित वयस्क मछलियों की तुलना में अविकसित अंडों को अधिक खतरा होता है। ओक रिज नेशनल लेबोरेटरी ने प्रदर्शित किया कि प्लूटोनियम युक्त घोल में पाले गए कार्प और मिनो (minnow) भ्रूणों में से कोई भी नहीं निकला; जो अंडे निकले, उनमें विकसित भ्रूणों के नियंत्रण समूह की तुलना में महत्वपूर्ण असामान्यताएं देखी गईं।[136] इससे पता चला कि प्लूटोनियम की उच्च सांद्रता इस तत्व के संपर्क में आने वाले समुद्री जीवों में समस्याओं का कारण बनती है।

क्रांतिकता क्षमता (Criticality potential)

प्लूटोनियम की उन मात्राओं के संचय से बचने के लिए सावधानी बरतनी चाहिए जो क्रांतिक द्रव्यमान (critical mass) के करीब पहुँचती हैं, विशेष रूप से इसलिए क्योंकि प्लूटोनियम का क्रांतिक द्रव्यमान यूरेनियम-235 के क्रांतिक द्रव्यमान का केवल एक तिहाई है।[8] प्लूटोनियम का एक क्रांतिक द्रव्यमान न्यूट्रॉन और गामा किरणों की घातक मात्रा उत्सर्जित करता है।[137] पानी में हाइड्रोजन द्वारा मॉडरेशन के कारण घोल में प्लूटोनियम के ठोस रूप की तुलना में क्रांतिक द्रव्यमान बनाने की संभावना अधिक होती है।[14]

क्रांतिकता दुर्घटनाएं हुई हैं, जिनमें कभी-कभी लोगों की जान भी गई है। 21 अगस्त, 1945 को लॉस एलामोस में 6.2 किलोग्राम प्लूटोनियम गोले के चारों ओर टंगस्टन कार्बाइड ईंटों को लापरवाही से संभालने के कारण विकिरण की घातक खुराक मिली, जब वैज्ञानिक हैरी डगलियन को अनुमानित 5.1 सीवर्ट (510 रेम) की खुराक मिली और 25 दिन बाद उनकी मृत्यु हो गई।[138](Hunner, 2004, p. 85) नौ महीने बाद, एक अन्य लॉस एलामोस वैज्ञानिक, लुई स्लोटिन, की मृत्यु एक समान दुर्घटना में हुई, जिसमें बेरिलियम रिफ्लेक्टर और वही प्लूटोनियम कोर (जिसे "डेमन कोर" कहा जाता है) शामिल था, जिसने पहले डगलियन की जान ली थी।[139]

दिसंबर 1958 में, लॉस एलामोस में प्लूटोनियम को शुद्ध करने की प्रक्रिया के दौरान, एक मिश्रण पात्र में एक क्रांतिक द्रव्यमान बन गया, जिससे रासायनिक ऑपरेटर सेसिल केली की मृत्यु हो गई। अन्य परमाणु दुर्घटनाएं सोवियत संघ, जापान, संयुक्त राज्य अमेरिका और कई अन्य देशों में हुई हैं।(McLaughlin, Monahan, Pruvost, 2000, p. 17)

ज्वलनशीलता

धात्विक प्लूटोनियम आग का खतरा है, विशेष रूप से यदि यह सूक्ष्म रूप में विभाजित हो। नम वातावरण में, प्लूटोनियम अपनी सतह पर हाइड्राइड बनाता है, जो पाइरोफोरिक (pyrophoric) होते हैं और कमरे के तापमान पर हवा में प्रज्वलित हो सकते हैं। प्लूटोनियम ऑक्सीकरण होने पर आयतन में 70% तक फैल जाता है और इस प्रकार यह अपने कंटेनर को तोड़ सकता है।[39] जलती हुई सामग्री की रेडियोधर्मिता एक और खतरा है। मैग्नीशियम ऑक्साइड रेत शायद प्लूटोनियम की आग को बुझाने के लिए सबसे प्रभावी सामग्री है। यह जलती हुई सामग्री को ठंडा करती है, एक हीट सिंक के रूप में कार्य करती है, और ऑक्सीजन को भी रोकती है। प्लूटोनियम को किसी भी रूप में संग्रहीत या संभालने के लिए विशेष सावधानियां आवश्यक हैं; आमतौर पर एक शुष्क अक्रिय गैस वातावरण की आवश्यकता होती है।[39][note 12]

परिवहन

भूमि और समुद्र

प्लूटोनियम का सामान्य परिवहन सीलबंद पैकेज में अधिक स्थिर प्लूटोनियम ऑक्साइड के माध्यम से होता है। एक सामान्य परिवहन में एक ट्रक होता है जो एक संरक्षित शिपिंग कंटेनर ले जाता है, जिसमें कई पैकेज होते हैं जिनका कुल वजन 80 से 200 किलोग्राम प्लूटोनियम ऑक्साइड के बीच होता है। समुद्री शिपमेंट में कई कंटेनर हो सकते हैं, जिनमें से प्रत्येक में एक सीलबंद पैकेज होता है।[141] अमेरिकी परमाणु नियामक आयोग (Nuclear Regulatory Commission) का निर्देश है कि यदि सामग्री 0.74 TBq (20 क्यूरी) रेडियोधर्मिता से अधिक है, तो यह पाउडर के बजाय ठोस होनी चाहिए।[142] 2016 में, पैसिफिक न्यूक्लियर ट्रांसपोर्ट लिमिटेड के जहाजों पैसिफिक एग्रेट[143] और पैसिफिक हेरॉन ने सावनार रिवर, साउथ कैरोलिना में एक संयुक्त राज्य सरकार की सुविधा के लिए 331 किलोग्राम (730 पाउंड) प्लूटोनियम का परिवहन किया।[144][145]

हवाई

अमेरिकी सरकार के हवाई परिवहन नियम प्लूटोनियम को हवाई मार्ग से ले जाने की अनुमति देते हैं, जो उसी उड़ान पर ले जाए जाने वाले अन्य खतरनाक पदार्थों पर प्रतिबंधों, पैकेजिंग आवश्यकताओं और विमान के सबसे पिछले हिस्से में भंडारण के अधीन है।[146]

2012 में, मीडिया ने खुलासा किया कि प्लूटोनियम को नॉर्वे से व्यावसायिक यात्री एयरलाइनों पर उड़ाया गया है—लगभग हर दूसरे वर्ष—जिसमें 2011 में एक बार शामिल है।[147] नियम एक विमान को 15 ग्राम विखंडनीय सामग्री ले जाने की अनुमति देते हैं।[147] स्टेटन्स स्ट्रालवेर्न (Statens strålevern) के एक वरिष्ठ सलाहकार (seniorrådgiver) के अनुसार, ऐसा प्लूटोनियम परिवहन बिना किसी समस्या के है।[147]

नोट्स

फुटनोट्स

  1. ↑ PuO2+ आयन विलयन में अस्थिर है और Pu4+ और PuO22+ में असमानुपाती हो जाएगा; Pu4+ फिर शेष PuO2+ को PuO22+ में ऑक्सीकृत करेगा, बदले में Pu3+ में कम हो जाएगा। इस प्रकार, PuO2+ के जलीय विलयन समय के साथ Pu3+ और PuO22+ के मिश्रण की ओर प्रवृत्त होते हैं। UO2+ उसी कारण से अस्थिर है।[29]
  2. ↑ फर्मी के नमूनों में संभवतः वास्तविक तत्वों 93 और 94 के निशान भी थे, लेकिन मात्रा पता लगाने के लिए बहुत कम रही होगी।
  3. ↑ यह पहली बार नहीं था जब किसी नए तत्व के नाम के रूप में "प्लूटोनियम" का सुझाव दिया गया था। बेरियम की खोज के दस साल बाद, एक कैम्ब्रिज विश्वविद्यालय के प्रोफेसर ने सुझाव दिया कि इसका नाम बदलकर "प्लूटोनियम" कर दिया जाए क्योंकि तत्व भारी नहीं था (जैसा कि ग्रीक मूल, barys, से सुझाव दिया गया था, जिसके नाम पर इसका नाम रखा गया था)। उन्होंने तर्क दिया कि, चूंकि यह इलेक्ट्रोलेसिस की अपेक्षाकृत नई तकनीक द्वारा उत्पादित किया गया था, इसलिए इसका नाम अग्नि को संदर्भित करना चाहिए। इस प्रकार उन्होंने सुझाव दिया कि इसका नाम पाताल के रोमन देवता, प्लूटो के नाम पर रखा जाए।(Heiserman, 1992, p. 338)
  4. ↑ जैसा कि एक लेख में कहा गया है, सीबॉर्ग द्वारा एक वार्ता में दी गई जानकारी का जिक्र करते हुए: "प्रतीक के लिए स्पष्ट विकल्प Pl रहा होगा, लेकिन मजाक में, सीबॉर्ग ने Pu का सुझाव दिया, उन शब्दों की तरह जो एक बच्चा कुछ बुरा सूंघने पर चिल्लाएगा, 'पी-यू!' सीबॉर्ग ने सोचा कि उन्हें उस सुझाव पर बहुत आलोचना मिलेगी, लेकिन नामकरण समिति ने बिना एक शब्द कहे प्रतीक को स्वीकार कर लिया।"[68]
  5. ↑ जॉर्ज हर्बर्ट जोन्स लेबोरेटरी के कक्ष 405 को, जहाँ प्लूटोनियम का पहला पृथक्करण हुआ था, मई 1967 में एक राष्ट्रीय ऐतिहासिक स्थल (National Historic Landmark) घोषित किया गया था।
  6. ↑ मैनहट्टन प्रोजेक्ट के दौरान, प्लूटोनियम को अक्सर केवल "49" के रूप में भी संदर्भित किया जाता था: संख्या 4, 94 (प्लूटोनियम की परमाणु संख्या) के अंतिम अंक के लिए थी, और 9, प्लूटोनियम-239 के अंतिम अंक के लिए थी, जो परमाणु बमों में उपयोग किया जाने वाला हथियार-ग्रेड विखंडनीय समस्थानिक है।[77]
  7. ↑ अमेरिकन सोसाइटी ऑफ मैकेनिकल इंजीनियर्स (ASME) ने सितंबर 1976 में बी रिएक्टर को एक राष्ट्रीय ऐतिहासिक मैकेनिकल इंजीनियरिंग लैंडमार्क के रूप में स्थापित किया।(Wahlen, 1989, p. 1) अगस्त 2008 में, बी रिएक्टर को एक अमेरिकी राष्ट्रीय ऐतिहासिक स्थल (National Historic Landmark) नामित किया गया था।[79]
  8. ↑ दक्षता गणना इस तथ्य पर आधारित है कि 1 किग्रा प्लूटोनियम-239 (या यूरेनियम-235) के विखंडन से लगभग 17 kt ऊर्जा निकलती है, जिससे 20 kt उपज उत्पन्न करने के लिए वास्तव में विखंडित 1.2 किग्रा प्लूटोनियम का अनुमान लगाया जाता है।[87]
  9. ↑ इस प्लूटोनियम का अधिकांश उपयोग टेलर-उलम डिजाइन का उपयोग करने वाले थर्मोन्यूक्लियर हथियार के प्रकार के विखंडनीय कोर बनाने के लिए किया गया था। इन तथाकथित 'हाइड्रोजन बमों' को परमाणु हथियार की एक किस्म माना जाता है जो भारी हाइड्रोजन समस्थानिकों के परमाणु संलयन को ट्रिगर करने के लिए एक विखंडन बम का उपयोग करते हैं। उनकी विनाशकारी उपज आमतौर पर लाखों टन TNT के बराबर होती है, जबकि केवल विखंडन वाले उपकरणों की उपज हजारों टन TNT के बराबर होती है।(Emsley, 2001)
  10. ↑ गैडोलीनियम जिरकोनियम ऑक्साइड (Gd2Zr2O7) का अध्ययन किया गया है क्योंकि यह प्लूटोनियम को 30 मिलियन वर्षों तक रख सकता है।(Emsley, 2001)
  11. ↑ व्यय परमाणु ईंधन रॉड में प्लूटोनियम का टूटना: प्लूटोनियम-239 (~58%), 240 (24%), 241 (11%), 242 (5%), और 238 (2%)।(Emsley, 2001)
  12. ↑ 1969 में बोल्डर, कोलोराडो के पास रॉकी फ्लैट्स प्लांट में प्लूटोनियम द्वारा शुरू की गई एक बड़ी आग लगी थी।[140]

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संदर्भ

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बाहरी कड़ियाँ

Plutonium.ogg

स्रोत: अंग्रेज़ी विकिपीडिया के "Plutonium" लेख पर आधारित। मूल लेख: https://en.wikipedia.org/wiki/Plutonium यह लेख स्वचालित रूप से तैयार किया गया है।

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