----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

พลูโตเนียม

----------------------------------------------------------------------------------------------------------------
พลูโตเนียมเป็นธาตุโลหะที่มีกัมมันตภาพรังสี มีสัญลักษณ์ Pu มีเลขอะตอม 94 พลูโตเนียมเป็นวัสดุฟิชไซล์ที่ผลิตขึ้นจากยูเรเนียมธรรมชาติ เป็นธาตุที่ใช้ในการทำอาวุธนิวเคลียร์ ไอโซโทปที่สำคัญที่สุดคือ 239Pu ซึ่งมีครึ่งชีวิต 24,110 ปี ส่วนไอโซโทปที่เสถียรที่สุด คือ 244Pu ซึ่งมีครึ่งชีวิต 80 ล้านปี ยาวนานพอที่จะพบได้ปริมาณเล็กน้อยในธรรมชาติ บางครั้งผู้ที่ทำงานทางด้านวัสดุนิวเคลียร์จะเรียกพลูโตเนียมว่า plute
 
โลหะพลูโตเนียม
 
สารละลายพลูโตเนียมมีสีต่างกัน เมื่อมีออกซิเดชันสเตทต่างกัน

คุณสมบัติ Notable characteristics

พลูโตเนียมเคยถูกเรียกว่า โลหะที่ซับซ้อนที่สุด (the most complex metal) และ สิ่งที่นักฟิสิกส์ฝันถึงแต่เป็นฝันร้ายของวิศวกร (a physicist's dream but an engineer's nightmare) เนื่องจากมีคุณสมบัติพิเศษทางฟิสิกส์และทางเคมี โดยปกติจะมีรูปแบบที่แตกต่างกัน (allotropes) 6 ชนิดและอีก 7 ชนิดเมื่ออยู่ภายใต้ความดัน แต่ละชนิดมีระดับพลังงานที่ใกล้เคียงกันแต่มีความหนาแน่นต่างกัน ทำให้มีความไวต่อการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ ความดัน หรือสภาวะทางเคมี และมีการเปลี่ยนแปลงของปริมาตรสูงเมื่อเปลี่ยนสถานะ การนำมาใช้ทางนิวเคลียร์จึงทำให้อยู่ในรูปอัลลอยด์โดยผสมกับแกลเลียม (gallium) เล็กน้อยเพื่อเพิ่มความเสถียร พลูโตเนียมบริสุทธิ์เป็นโลหะสีขาวเงิน เมื่อถูกออกซิไดซ์จะเปลี่ยนเป็นสีเหลืองคล้ำ พลูโตเนียมมีโครงสร้างที่ไม่สมมาตร เมื่อเวลาผ่านไปจึงเปราะ แตกหักง่าย

พลูโตเนียมมีกัมมันตภาพรังสี จึงมีความร้อนจากการปลดปล่อยรังสีอัลฟา เมื่อสัมผัสก้อนพลูโตเนียมจึงรู้สึกอุ่น ถ้าเป้นก้อนขนาดใหญ่อาจให้ความร้อนออกมาจนต้มน้ำให้เดือดได้ ไอออนของสารละลายพลูโตเนียมมี 5 oxidation states ได้แก่

  • PuIII, as Pu3+ (สีม่วงน้ำเงิน)
  • PuIV, as Pu4+ (สีน้ำตาลเหลือง)
  • PuVI, as PuO22+ (สีชมพูส้ม)
  • PuV, as PuO2+ (สีชมพู) ไอออนนี้ไม่เสถียรจะเปลี่ยนไปเป็น Pu4+ และ PuO22+; และ Pu4+ จะออกซิไดซ์ PuO2+ ไปเป็น PuO22+, ซึ่งจะถูกรีดิวซ์ไปเป็น to Pu3+ ดังนั้นสารละลายพลูโตเนียมที่เก็บไว้ระยะหนึ่งจึงมีส่วนผสมของ Pu3+ กับ PuO22+
  • PuVII, as PuO52- (สีแดงเข้ม) ไอออนนี้พบได้น้อยจะเตรียมขึ้นได้ภายใต้สภาวะที่มีoxidizing สูงมากเท่านั้น

หมายเหตุ: สีของสารละลายพลูโตเนียม ขึ้นกับทั้ง oxidation state และความเป็นกรดของ anion

การนำไปใช้ประโยชน์

239Pu เป็นไอโซโทปที่สำคัญในการทำอาวุธนิวเคลียร์ เนื่องจากเกิดปฏิกิริยาฟิชชันได้ง่าย ถ้าไม่ใช้วัสดุสะท้อนนิวตรอน พลูโตเนียมทรงกลมมีมวลวิกฤต (critical mass) 16 กิโลกรัม แต่ถ้ามีวัสดุสะท้อนนิวตรอน (neutron-reflecting) ลูกระเบิดแบบฟิชชันจะใช้พลูโตเนียมลดลงเหลือ 10 กิโลกรัม ซึ่งจะเท่ากับลูกทรงกลมส้นผ่าศูนย์กลาง 10 เซนติเมตร โครงการแมนฮัตตัน ทำระเบิดพลูโตเนียมชื่อ Fat Man ใช้การอัดพลูโตเนียมให้มีความหนาแน่นสูงกว่าปกติ ทำให้ใช้พลูโตเนียมเพียง 6.2 กิโลกรัม ถ้าสามารถทำให้พลูโตเนียมระเบิดได้หมดทั้งก้อน จะทำให้มีแรงระเบิดเท่ากับ TNT (trinitrotoluene) 20 กิโลตันต่อกิโลกรัม

พลูโตเนียมสามารถใช้ทำอาวุธกัมมันตรังสี (radiological weapons) โดยทำให้กระจายออกปกคลุมพื้นที่ชุมชนแบบเดียวกับ dirty bomb ซึ่งไม่เป็นอันตรายถึงชีวิต แต่จะทำให้ต้องทำความสะอาด (cleanup) สารรังสีประชาชนจึงจะกลับมาอยู่อาศัยได้

พลูโตเนียม-238 (238Pu) เป็นไอโซโทปที่ให้รังสีอัลฟาโดยมีครึ่งชีวิต 87 ปี จึงเหมาะสำหรับใช้ในการผลิตพลังงานไฟฟ้า ให้กับอุปกรณ์ที่ไม่ต้องมีการบำรุงรักษาในช่วงเวลานาน ประมาณช่วงชีวิตของคน มีการนำไปใช้เป็น radioisotope thermoelectric generators เพื่อผลิตไฟฟ้าให้กับยานอวกาศ Galileo และ Cassini และก่อนหน้านั้นก็มีการใช้ในอุปกรณ์ตรวจแผ่นดินให้กับยานอพอลโลที่ส่งไปดวงจันทร์

238Pu สามารถใช้งานได้ดีในการผลิตไฟฟ้าให้กับเครื่องกระตุ้นหัวใจ (pacemakers) ทำให้ลดความเสี่ยงที่จะต้องผ่าตัดซ้ำ ปัจจุบันได้หันมาใช้แบตเตอรีแบบลิเทียม (lithium-based batteries) ที่สามารถประจุไฟใหม่ได้โดยการเหนี่ยวนำ แต่ในปี 2003 ก็ยังมีผู้ที่ฝังเครื่องกระตุ้นหัวใจที่ใช้ไฟฟ้าจากพลูโตเนียม 50-100 ราย

 
ผงพลูโตเนียมออกไซด์
  เจ้าหน้าที่ Los Alamos กำลังหยิบก้อนพลูโตเนียม

ความเป็นมา

การผลิตพลูโตเนียม (plutonium) และเนปจูเนียม (neptunium) โดยการยิงยูเรเนียม-238 (238U) ด้วยนิวตรอน เริ่มขึ้นในปี 1940 โดยทีมงาน 2 กลุ่มที่ไม่เกี่ยวข้องกัน ได้แก่ Edwin M. McMillan และ Philip Abelson จากห้องปฏิบัติการรังสีของเบอร์กเลย์ (Berkeley Radiation Laboratory) แห่งมหาวิทยาลัยเบอร์กเลย์แคลิฟอร์เนีย (University of California, Berkeley) กับ Norman Feather และ Egon Bretscher จากห้องปฏิบัติการคาร์เวนดิช (Cavendish Laboratory) แห่ง มหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ (University of Cambridge) ด้วยความบังเอิญที่ทั้งสองทีมได้เสนอชื่อธาตุที่เกิดขึ้นใหม่จากยูเรเนียมด้วยชื่อเดียวกัน โดยใช้ชื่อของดาวเคราะห์วงนอกที่ต่อจากยูเรนัส

การผลิตและสกัดแยกพลูโตเนียม มีการทำครั้งแรก เมื่อ 23 กุมภาพันธ์ 1941 โดย Dr. Glenn T. Seaborg, Edwin M. McMillan, J. W. Kennedy, และ A. C. Wahl ด้วยการยิง (bombardment) ยูเรเนียม ด้วยดิวทีรอน (deuteron) โดยใช้เครื่องเร่งอนุภาค cyclotron ขนาด 60 นิ้วของ Berkeley การค้นพบนี้ถูกเก็บไว้เป็นความลับ เนื่องจากอยู่ในภาวะสงคราม ธาตุที่เกิดขึ้นใหม่ ให้ชื่อตามดาวเคราะห์พลูโต (Pluto) ซึ่งอยู่ถัดจาก neptunium และมีเลขอะตอมมากกว่ายูเรเนียม แต่ถ้าตั้งชื่อตามดาวพลูโต ควรจะเรียกว่า plutium ซึ่ง Seaborg เห็นว่า plutonium น่าจะฟังดูดีกว่า นอกจากนั้น Seaborg ได้เลือกใช้สัญลักษณ์เป็น Pu ในระหว่างที่มีโครงการแมนฮัตตัน ได้มีการสร้างเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์เครื่องแรกที่ Oak Ridge ซึ่งต่อมาได้มีการสร้างเครื่องใหม่ที่มีขนาดใหญ่ขึ้นที่ Hanford รัฐ Washington เพื่อใช้ในการผลิตพลูโตเนียม สำหรับสร้างระเบิดปรมาณูลูกแรกที่นำไปใช้ในการทดลอง "Trinity" test ที่ White Sands รัฐ New Mexico เมื่อเดือนกรกฎาคม 1945 พลูโตเนียมถูกนำไปใช้ทำระเบิดนิวเคลียร์ชื่อ Fat Man ซึ่งถูกนำไปทิ้งที่นางาซากิ ประเทศญี่ปุ่น ในเดือนสิงหาคม 1945 ส่วนระเบิดที่ชื่อ Little Boy ที่ถูกนำไปทิ้งที่ฮิโรชิมานั้นทำด้วย ยูเรเนียม-235 ไม่ใช่พลูโตเนียม

พลูโตเนียมเกรดสำหรับทำอาวุธ (weapons-grade) รูปวงแหวน มีความบริสุทธิ์ 99.96% มีน้ำหนัก 5.3 กิโลกรัม มีปริมาณพลูโตเนียมมากพอที่จะใช้ทำอาวุธนิวเคลียร์สมัยใหม่ได้
พลูโตเนียมถูกผลิตขึ้นและสะสมไว้จำนวนมากโดยสหรัฐและสหภาพโซเวียตในช่วงสงครามเย็น โดยคาดว่าในปี 1982 มีพลูโตเนียมรวม ประมาณ 300,000 กิโลกรัม เมื่อสิ้นสุดสงครามเย็นพลูโตเนียมเหล่านี้จึงถูกเพ่งเล็งด้วยสนธิสัญญาไม่แพร่ขยายาอาวุธนิวเคลียร์ ในปี 2002 กระทรวงพลังงานของสหรัฐ (United States Department of Energy) ได้นำพลูโตเนียมชนิด weapons-grade มาจากกระทรวงกลาโหม (United States Department of Defense) จำนวน 34 เมตริกตัน และตอนต้นปี 2003 ได้พิจารณาที่จะปรับเปลี่ยนโรงไฟฟ้านิวเคลียร์หลายแห่งในสหรัฐจากการใช้ยูเรเนียมเสริมสมรรถนะ (enriched uranium) มาใช้เชื้อเพลิงในรูป MOX fuel (mixed oxide UO2+PuO2) เพื่อลดปริมาณพ,โตเนียมที่สะสมไว้

ในปีแรกๆ ที่ค้นพบพลูโตเนียมนั้น ยังไม่มีความเข้าใจเกี่ยวกับคุณสมบัติและผลกระทบทางด้านชีววิทยา รัฐบาลสหรัฐจึงได้ให้หน่วยงานเอกชนทำการทดลองถึงผลของรังสีต่อร่างกายคน ระหว่างสงครามโลกครั้งที่ 2 และในเวลาต่อมา นักวิทยาศาสตร์ที่ทำงานอยู่ในโครงการแมนฮัตตันและโครงการวิจัยอาวุธนิวเคลียร์กลุ่มอื่น ได้ศึกษาผลของพลูโตเนียมต่อสัตว์ทดลองและต่อมนุษย์ ในกรณีที่ศึกษาในมนุษย์นั้น ได้มีการฉีดสารละลายพลูโตเนียม 5 ไมโครกรัมเข้าไปในร่างกายผู้ป่วยในโรงพยาบาล ที่เจ็บป่วยในระยะสุดท้ายจากสาเหตุอื่น หรือผู้ที่เจ็บป่วยเรื้อรังและคาดว่าจะมีชีวิตอยู่ได้อีกไม่เกิน 10 ปี ในการทดลองกับผู้ป่วย 18 ราย ที่ไม่ได้แจ้งให้เจ้าตัวทราบ เพื่อใช้ในการพัฒนาเครื่องมือในการวินิจฉัย สำหรับหาปริมาณพลูโตเนียมที่เข้าสู่ร่างกาย

และใช้ในการพัฒนามาตรฐานความปลอดภัยสำหรับคนที่ทำงานกับพลูโตเนียมในช่วงที่ทำการพัฒนาอาวุธนิวเคลียร์
การกระทำครั้งนั้น ในปัจจุบัน ถือว่าเป็นทำลายจริยธรรมทางการแพทย์อย่างร้ายแรง และถูกตำหนิในอย่างรุนแรงถึงความตกต่ำทั้งคุณค่าของประเทศและความเป็นมนุษย์ แต่ก็มีผู้ที่ให้ข้อคิดเห็นบางส่วนว่า แม้การกระทำนั้นจะถือว่าเป็นการทำลายต่อความเชื่อถือและจริยธรรม แต่ผลของพลูโตเนียมที่ฉีดเข้าไปในร่างกายผู้ป่วย ไม่ได้ทำให้เกิดความเสียหายหรือเจ็บป่วยอย่างที่ถูกเสริมแต่งกันในข่าวตอนแรก จึงไม่มีนักวิทยาศาสตร์เชื่อเรื่องนี้มากนัก

 
พลูโตเนียมเกรดสำหรับทำอาวุธ (weapons-grade) รูปวงแหวน มีความบริสุทธิ์ 99.96% มีน้ำหนัก 5.3 กิโลกรัม มีปริมาณพลูโตเนียมมากพอ ที่จะใช้ทำอาวุธนิวเคลียร์สมัยใหม่ได้   การเรืองแสงด้วยตัวเองเม็ดพลูโตเนียม-238 (plutonium-238) ซึ่งใช้ในเครื่องผลิตไฟฟ้าด้วยความร้อนจากไอโซโทปรังสี (radioisotope thermoelectric generators)

การเกิดของพลูโตเนียม

ขณะที่พลูโตเนียมเกือบทั้งหมดถูกสังเคราะห์ขึ้นมา ก็มีพลูโตเนียมบางส่วนที่มีอยู่ในธรรมชาติในปริมาณที่น้อยมาก โดยมีอยู่ในแร่ยูเรเนียม พลูโตเนียมเหล่านี้เกิดขึ้นจากนิวเคลียสยูเรเนียม (238U) จับนิวตรอนทำให้กลายเป็น 239U ซึ่งจะกลายเป็น 239Np เมื่อให้รังสีบีตาและกลายเป็น 239Pu เมื่อให้รังสีบีตาอีกครั้ง โดยมีครึ่งชีวิต 24,110 ปี กระบวนการใช้ในการผลิต 239Pu ในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์เช่นกัน 244Pu บางส่วนยังคงมีเหลืออยู่หลังจากการเกิดของระบบสุริยะและจาก supernovae เนื่องจากมีครึ่งชีวิตที่ค่อนข้างยาว (80 ปี)

พลูโตเนียมที่มีความเข้มข้นสูงกว่าปกติ พบได้ที่เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ฟิชชันธรรมชาติ (Natural nuclear fission reactor) ที่ Oklo ประเทศกาบอง (Gabon) ซึ่งค้นพบในปี 1972 นับตั้งแต่ปี 1945 มีพลูโตเนียมประมาณ 10 ตัน (เท่ากับโลหะพลูโตเนียมลูกบาศก์ที่มีความยาวด้านละ 0.77 เมตร) ถูกปล่อยออกสู่พื้นโลกจากระเบิดนิวเคลียร์

การผลิต Manufacture

พลูโตเนียม-239 เป็นวัสดุฟิชไซล์หนึ่งในสองชนิดที่ใช้ทำอาวุธนิวเคลียร์ และใช้เป็นต้นกำเนิดพลังงานในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์บางประเภท ซึ่งวัสดุฟิชไซล์อีกชนิดหนึ่ง ได้แก่ ยูเรเนียม-235 ความจริงแล้วพลูโตเนียม-239 ไม่มีในธรรมชาติ แต่ผลิตขึ้นจากการยิงยูเรเนียม-238 ด้วยนิวตรอนในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ เนื่องจากยูเรเนียม-238 เป็นไอโซโทปที่มีมากที่สุดในเชื้อเพลิงของเครื่องปฏิกรณ์ฯ เมื่อเดินเครื่องด้วยเวลามากขึ้น พลูโตเนียม-239 ก็จะมีปริมาณมากขึ้นอย่างต่อเนื่อง พลูโตเนียม-239 เมื่อได้รับนิวตรอนจะเกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชัน จึงเป็นส่วนหนึ่งในเครื่องปฏิกรณ์ฯ ที่ให้พลังงานออกมา

พลูโตเนียมที่เกิดขึ้นในเครื่องปฏิกรณ์ มีบางส่วนที่เป็น พลูโตเนียม-238 แต่การแยกไอโซโทปนี้ออกมามีค่าใช้จ่ายที่สูงมาก เมื่อยูเรเนียม-235 จับนิวตรอนกลายเป็นยูเรเนียม-236 ที่อยู่ในสถานะ excited state และจะเกิดปฏิกิริยาฟิชชัน ทำให้แตกออกเป็น 2 นิวเคลียส แต่มีบางส่วนที่สลายตัวไปที่ ground state ของยูเรเนียม-236 โดย ให้รังสีแกมมาออกมา และมีอีกบางส่วนที่จับนิวตรอนเพิ่มและกลายเป็นยูเรเนียม-237 ซึ่งสลายตัวเป็นเนปจูเนียม-237 (Np-237) โดยมีครึ่งชีวิต 7 วัน เนปจูเนียมส่วนใหญ่ผลิตขึ้นด้วยวิธีนี้ ซึ่ง Np-237 สามารถสกัดออกมาให้บริสุทธิ์ด้วยวิธีการทางเคมี และเมื่อนำไปอาบรังสีนิวตรอนจากเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์อีก Np-237 จะกลายเป็น Np-238 ซึ่งไม่เสถียรและจะสลายตัวไปเป็น Pu-238 ที่มีครึ่งชีวิต 2 วัน

สารประกอบพลูโตเนียม

พลูโตเนียมทำปฏิกิริยากับออกซิเจนกลายเป็นสารประกอบ PuO และ PuO2 และเกิดปฏิกิริยากับแฮไลด์ ทำให้ได้สารประกอบในรูป PuX3 เมื่อ X เป็นธาตุในกลุ่มแฮไลด์ เช่น F, Cl, Br หรือ I และอาจพบในรูป PuF4 and PuF6 ได้เช่นกัน สารประกอบพลูโตเนียมในรูป oxyhalides ที่พบได้แก่ PuOCl, PuOBr และ PuOI และเกิดปฏิกิริยากับคาร์บอนทำให้ได้สารประกอบ PuC ทำปฏิกิริยากับไนโตรเจนได้ PuN และทำปฏิกิริยากับซิลิกอนได้ PuSi2
พลูโตเนียมมีคุณสมบัติคล้ายกับธาตุอื่นในกลุ่ม actinides โดยทำให้อยู่ในรูป dioxide plutonyl core (PuO2) ซึ่ง plutonyl core ในสิ่งแวดล้อมจะอยู่ในรูป carbonate ที่มีประจุซับซ้อน ซึ่งสามารถเคลื่อนที่ไปในดินได้

  • PuO2(CO3)1-2
  • PuO2(CO3)2-4
  • PuO2(CO3)3-6

PuO2 เกิดจากสารละลายในกรดไนตริก และสามารถเปลี่ยนประจุเป็น +3, +4, +5 และ +6 ซึ่งพบได้ในสารละลายพลูโตเนียมที่อยู่ในสถานะ equilibrium

Allotropes

ที่ความดันบรรยากาศ พลูโตเนียมมีรูปแบบที่แตกต่างกันได้หลายชนิด (allotropes) ซึ่งมีความแตกต่างกันทั้งโครงสร้างผลึกและความหนาแน่น เช่น allotrope แบบ ? และ ? ที่มีปริมาตรเท่ากัน มีความหนาแน่นต่างกันมากกว่า 25%
การที่พลูโตเนียมมีหลาย allotropes ทำให้เปลี่ยนสถานะได้ง่ายจึงทำให้ขึ้นรูปได้ยาก ซึ่งความซับซ้อนในการเปลี่ยนแปลงสถานะตาม phase diagram ของพลูโตเนียม มีงานวิจัยบางชิ้นที่ศึกษาโครงสร้างขณะที่มีการเปลี่ยนสถานะโดยใช้โปรแกรมคอมพิวเตอร์ แต่ก็ยังไม่สามารถเข้าใจได้ชัดเจนนัก

ในการนำมาใช้ทำอาวุธนั้นมักจะทำให้พลูโตเนียมอยู่ในรูปอัลลอยด์โดยผสมกับโลหะอื่น เช่น ใช้พลูโตเนียมที่อยู่ใน delta phase ผสมกับแกลเลียม (gallium) เล็กน้อย เพื่อเพิ่มความเสถียรของสถานะและนำมาใช้งานได้สะดวกมากขึ้น ในการทำอาวุธนิวเคลียร์แบบฟิชชันนั้น จะใช้ระเบิดเพื่อทำให้เกิดคลื่นกระแทก (shock waves) อัดแกนพลูโตเนียมเพื่อให้เปลี่ยนสถานะจาก delta phase ไปเป็น alpha phase ซึ่งมีความหนาแน่นสูงขึ้น และช่วยให้เกิดสภาวะเหนือวิกฤต (supercriticality) ในการเกิดปฏิกิริยาฟิชันต่อเนื่อง

ไอโซโทป (isotopes)

ไฮโซโทปรังสีของพลูโตเนียมจำแนกได้ 21 ไอโซโทป โดย Pu-244 มีความเสถียรที่สุด โดยมีครึ่งชีวิต 80.8 ล้านปี Pu-242 มีครึ่งชีวิต 373,300 ปี Pu-239 มีครึ่งชีวิต 24,110 ปี ส่วนไอโซโทปที่เหลือมีครึ่งชีวิตสั้นกว่า 7,000 ปี พลูโตเนียมมี 8 meta states ที่ไม่เสถียรโดยมีครึ่งชีวิตน้อยกว่า 1 วินาที

ไอโซโทปของพลูโตเนียมมีน้ำหนักอะตอมตั้งแต่ 228.0387 u (Pu-228) ถึง 247.074 u (Pu-247) ไอโซโทปที่เสถียรที่สุด คือ Pu-244 มีการสลายตัวโดยเกิดฟิชชันขึ้นเอง (spontaneous fission) และให้รังสีบีตากับรังสีอัลฟา ทำให้กลายเป็นยูเรเนียม เนปจูเนียม (neptunium) หรืออเมริเซียม (americium) รวมทั้งผลิตผลฟิชชันที่เกิดจากปฏิกิริยาฟิชชัน

ไอโซโทปหลักของพลูโตเนียมที่นำมาใช้คือ Pu-239 ซึ่งเหมาะสำหรับการใช้ทำอาวุธนิวเคลียร์และใช้เป็นเชื้อเพลิงในเครืองปฏิกรณ์นิวเคลียร์ และ Pu-238 ซึ่งเหมาะสำหรับการนำมาใช้ในเครื่องผลิตไฟฟ้าด้วยความร้อนจากไอโซโทปรังสี (radioisotope thermoelectric generators) ส่วน Pu-240 ซึ่งผลิตจาก Pu-239 ที่ได้รับนิวตรอนนั้น เกิดปฏิกิริยาฟิชชันได้เอง (spontaneous fission) การที่มี Pu-240 ปะปนอยู่ในเชื้อเพลิงของระเบิดด้วยนั้น จะทำให้ออกแบบเพื่อควบคุมการเกิดปฏิกิริยาต่อเนื่องทำได้ยาก เนื่องจาก Pu-240 ที่เกิดฟิชชันจะให้นิวตรอนออกมาแบบสุ่ม พลูโเนียมที่มี Pu-239 ประมาณ 90% เรียกว่า พลูโตเนียมชั้นอาวุธ (weapon-grade plutonium) ส่วนพลูโตเนียมที่ใช้ในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์จะมี Pu-239 อย่างน้อย 20% ซึ่งเรียกว่า พลูโตเนียมชั้นเครื่องปฏิกรณ์ (reactor-grade plutonium)

ไอโซโทป Pu-240 มีความสำคัญน้อยมาก โดยมีบทบาทเมื่อปนเปื้อนอยู่ในพลูโตเนียมที่ใช้ทำอาวุธนิวเคลียร์ การที่ Pu-240 เกิดปฏิกิริยาฟิชชันได้เอง จึงไม่สามารถทำให้ปะปนอยู่ใน Pu-239 ได้ ถ้ามี Pu-240 เพียง 1% อาจจะทำให้เกิดฟิชชันต่อเนื่องในอาวุธนิวเคลียร์แบบจุดระเบิด (gun-type atomic weapons) ซึ่งต้องวางก้อนเชื้อเพลิงแยกจากกันก่อนที่จะทำให้เกิดฟิชชัน การปนเปื้อนของ Pu-240 จึเป็นเหตุผลสำคัญที่ทำให้อาวุธนิวเคลียร์ที่ใช้พลูโตเนียม ต้องออกแบบด้วยระเบิดจากภายใน (implosion)

โดยทางทฤษฎีแล้ว Pu-239 บริสุทธิ์ 100% สามารถทำอาวุธนิวเคลียร์แบบจุดระเบิด (gun type) ได้ แต่การทำให้ความบริสุทธิ์สูงระดับนี้ทำได้ยาก การปนเปื้อนของ Pu-240 จึงเป็นสิ่งที่ใช้ในการพิสูจน์ฝีมือของผู้ออกแบบอาวุธนิวเคลียร์ ซึ่งทำให้เกิดความล่าช้าและสร้างความปวดหัวมาแล้วในระหว่างที่มีโครงการแมนฮัตตัน เนื่องจากต้องทำการพัฒนาเทคโนโลยีการจุดระเบิดแบบภายใน(implosion) ขึ้นมา อาวุธนิวเคลียร์ชนิดระเบิดภายในนี้ให้ประสิทธิภาพสูงกว่าแต่ก็มีแนวโน้มที่จะเกิดการระเบิดด้วยอุบัติเหตุมากกว่าอาวุธแบบ gun-type weapons

 
     
แผนภาพแสดงให้เห็นว่าพลูโตเนียมมีหลายรูปแบบ (allotropes) ที่ความดันบรรยากาศแตกต่างกัน

ข้อควรระวัง

สารประกอบพลูโตเนียมทุกไอโซโทปนั้นเป็นสารพิษและมีกัมมันตภาพรังสี โดยในรายงานของสื่อบางครั้งบรรยายว่าพลูโตเนียมเป็นสารที่มีพิษสูงที่สุดที่เรารู้จัก (the most toxic substance known to man) ซึ่งผู้เชี่ยวชาญด้านนี้ได้มีความเห็นร่วมกันแล้วเป็นข้อมูลที่ไม่ถูกต้อง เพราะจนถึงปี 2006 ยังไม่มีใครเสียชีวิตจากการได้รับพลูโตเนียมโดยตรง ยกเว้นอุบัติเหตุที่เกิดจากการใช้พลูโตเนียม เรเดียมที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติมีอันตรายจากรังสีสูงเป็น 200 เท่าของพลูโตเนียม สารอินทรีย์ที่เป็นพิษ เช่น Botulin toxin ก็มีความเป็นพิษมากกว่า การได้รับ Botulin toxin ปริมาณ300pg/kg ก็ทำให้เสียชีวิตได้ ซึ่งเป็นปริมาณที่น้อยกว่าพลูโตเนียมที่จะทำให้เกิดความเสียงต่อการเป็นมะเร็งมาก นอกจากนั้น ต้นกำเนิดที่ให้รังสีบีตาและรังสีแกมมา เช่น C-14 กับ K-40 ที่มีอยู่ในอาหารทุกชนิด ก็สามารถทำให้เกิดมะเร็งได้โดยการสัมผัสเท่านั้น ขณะที่รังสีอัลฟาจากพลูโตเนียมจะไม่เป็นอันตรายถ้าอยู่ภายนอกร่างกาย

เมื่อรับประทานเข้าไปในร่างกาย นอกจากความเสี่ยงที่อาจทำให้เกิดมะเร็งแล้ว พลูโตเนียมจะมีความเป็นพิษน้อยกว่าสารปกติที่เรารู้จักกันดี เช่น คาเฟอีน acetaminophen วิตามินบางชนิด pseudoephedrine รวมทั้งพืชหรือเห็ดบางชนิด พลูโตเนียมอาจมีความเป็นพิษมากกว่าสุรา (ethanol ) แต่มีความพิษน้อยกว่าบุหรี่ และยาหลายชนิด ถ้าอยู่ในรูปโลหะบริสุทธิ์พลูโตเนียมจะมีความพิษใกล้เคียงกับตะกั่วและโลหะหนักชนิดอื่นๆ จึงไม่น่าแปลกที่พลูโตเนียมจะมีรสชาติแบบเดียวกับโลหะ

บางคนกล่าวว่า ถ้าไม่ดูแลอย่างดีพลูโตเนียมอาจเป็นอันตรายได้ รังสีอัลฟาที่ให้ออกมาไม่สามารถผ่านผิวหนังของคนเราได้ แต่อาจส่งผลต่ออวัยวะภายในของเราได้ ถ้าหายใจหรือรับประมานเข้าไป อวัยวะที่มีความเสี่ยงที่จะเกิดอันตราย คือ กระดูก ซึ่งสามารถดูดซึมพลูโตเนียม และตับที่สามารถสะสมพลูโตเนียมจนอาจมีความเข้มข้นสูง ปริมาณรังสีสูงสุดที่ไขกระดูกจะรับได้ ประมาณ 0.008 ไมโครคูรี (microcurie) ถ้าสูงกว่านี้ก็ถือว่าอยู่ในระดับที่จะก่ออันตรายได้ พลูโตเนียมที่เป็นผงละเอียดอาจจะทำให้เกิดมะเร็งปอดได้ถ้าสูดหายใจเข้าไป

การได้รับสารพิษบางชนิด เช่น ricin, tetrodotoxin, botulinum toxin และ tetanus toxin ต่ำกว่า 1 มิลลิกรัมก็อาจทำให้เสียชีวิตได้ ส่วนสารพิษต่อระบบประสาท เช่น amanita toxin อจทำให้เสียชีวิตถ้าได้รับไม่กี่มิลลิกรัม พลูโตเนียมไม่ได้อยู่ในรูปสารพิษ ถ้าไม่ได้สูดหายใจเข้าไป สารพิษโดยทั่วไปจะทำให้เสียชีวิตในเวลาเป็นชั่วโมงหรือเป็นวัน ส่วนพลูโตเนียมและสารกัมมันตรังสีชนิดอื่น จะทำให้ความเสี่ยงในการเจ็บป่วยในเวลาเป็นสิบปีข้างหน้า

พลูโตเนียมแตกต่างจากไอโซโทปรังสีที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติ เช่น เรเดียมหรือคาร์บอน-14 เนื่องจากพลูโตเนียมถูกผลิตขึ้นมา ทำให้เข้มข้นแล้วจึงสกัดออกมา โดยมีการสะสมไว้หลายร้อยเมตริกตันสำหรับผลิตอาวุธในช่วงสงครามเย็น พลูโตเนียมที่สะสมไว้นี้แตกต่างสารทางเคมีหรือทางชีววิทยา และทำให้เกิดปัญหาขึ้น เนื่องจากไม่สามารถทำลายด้วยกระบวนการทางเคมี มีผู้เสนอให้กำจัดพลูโตเนียมชั้นอาวุธ (weapons-grade plutonium) ที่เกินมานี้ โดยผสมกับไอโซโทปกัมมันตรังสี เช่นเชื้อเพลิงใช้แล้วจากเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ เพื่อป้องกันไม่ให้ถูกขโมยไปโดยผู้ก่อการร้าย บางคนเสนอให้ผสมกับยูเรเนียมและใช้เป็นเชื้อเพลิงในโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ โดยทำให้อยู่ในรูปออกไซด์ผสม (mixed oxide) หรือ MOX ซึ่งนอกจากจะทำให้เกิดปฏิกิริยาฟิชชันแล้ว การที่มี Pu-239 ปริมาณมากจะทำให้กลายเป็น Pu-240 หรือไอโซโทปอื่นที่หนักมากขึ้นและจะส่งผลให้ส่วนผสมนี้นำไปใช้ทำอาวุธนิวเคลียร์ไม่ได้

สิ่งที่ต้องะวังอีกอย่างหนึ่งคือ การมีพลูโตเนียมปริมาณมากอาจจะทำให้สะสมไปจนถึงค่าของมวลวิกฤต (critical mass) เนื่องจากมวลวิกฤตของพลูโตเนียมมีค่า 1/3 ของยูเนียม-235 เท่านั้น แม้ว่าจะไม่มีแรงกดดันจากภายนอกดังเช่นที่เกิดขึ้นในอาวุธนิวเคลียร์ แต่พลูโตเนียมมีความร้อนเกิดขึ้นภายในและจะทำให้สิ่งห่อหุ้มอยู่แตกออก นอกจากนั้นรูปร่างของก้อนพลูโตเนียมก็มีส่วนสำคัญ ควรระมัดระวังการทำให้เป็นก้อนเดียวขนาดเล็ก พลูโตเนียมในสารละลายสามารถมีมวลถึงระดับของมวลวิกฤตได้ง่ายกว่าของแข็ง ระเบิดนิวเคลียร์ในแบบที่เป็นอาวุธนั้น ไม่สามารถระบิดได้โดยอุบัติเหตุ เนื่องจากต้องทำให้มวลมีค่าถึงระดับ supercritical mass เพื่อให้ระเบิดก่อนที่จะละลายหรือแตกออก แต่ก้อนพลูโตเนียมที่ยังไม่ถึงมวลวิกฤตนี้ ก็มีปริมาณรังสีสูงจนถึงระดับที่ทำให้เสียชีวิตได้

ในอดีตพลูโตเนียมเคยมีมวลถึงระดับวิกฤตโดยอุบัติเหตุมาแล้ว โดยบางครั้งทำให้เกิดอันตรายจนถึงแก่ชีวิต อย่างเช่นเมื่อวันที่ 21 สิงหาคม 1945 Harry K. Daghlian, Jr. นักวิทยาศาสตร์ที่ Los Alamos ซึ่งไม่ระมัดระวังกับก้อนทังสเตนคาร์ไบด์ที่ติดตั้งไว้รอบก้อนพลูโตเนียมทรงกลมน้ำหนัก 6.2 kg ทำให้ได้รับรังสีสูงจนถึงระดับอันตราย (lethal dose) โดยได้รับรังสีประมาณ510 rems (5.1 Sv) และเสียชีวิตใน 4 สัปดาห์ต่อมา 9 เดือนถัดมา Louis Slotin นักวิทยาศาสตร์อีกคนหนึ่งของ Los Alamos ก็เสียชีวิตในลักษณะเดียวกัน โดยเกิดอุบัติเหตุกับ beryllium reflector ที่อยู่รอบแกนพลูโตเนียมชุดกับที่ทำให้ Daghlian เสียชีวิต ในปี 1958 ที่ Los Alamos ระหว่างที่พลูโตเนียมอยู่กระบวนการทำให้บริสุทธิ์นั้นมวลในถังผสมได้เพิ่มขึ้นจนถึงระดับวิกฤต ทำให้ผู้ควบคุมเครนเสียชีวิต อุบัติเหตุในลักษณะเดียวกันนี้ได้เกิดขึ้นอีกในสหภาพโซเวียตญี่ปุ่นและอีกหลายประเทศ รวมทั้งการเกิดอุบัติเหตุที่เชอร์โนบิลเมื่อปี 1986 ทำให้พลูโตเนียมปริมาณมากรั่วไหลออกมา

พลูโตเนียมที่เปลี่ยนเป็นออกไซด์จะขยายตัวและอาจจะทำให้ภาชนะบรรจุแตกออกได้ ส่วนโลหะพลูโตเนียมนั้นติดไฟได้ง่าย โดยเฉพาะถ้าอยู่ในรูปของชิ้นเล็กๆ พลูโตเนียมจะเกิดปฏิกิริยาเคมีกับออกซิเจนและน้ำทำให้กลายเป็น plutonium hydride ซึ่งเป็นสาร pyrophoric สามารถติดไฟได้ในอากาศที่อุณหภูมิห้อง กัมมันตภาพรังสีของวัสดุที่ติดไฟแล้วจะทำให้มีอันตรายมากขึ้น ในปี 1962 ได้เกิดไฟไหม้ครั้งใหญ่จากการติดไฟของพลูโตเนียม ที่โรงงงาน Rocky Flats Plant ใกล้กับ Boulder รัฐ Colorado ทรายของแมกนีเซียมออกไซด์เป็นวัสดุที่ใช้ดับไฟชองพลูโตเนียมได้ดีที่สุด โดยจะทำหน้าที่กันความร้อนและออกซิเจน น้ำก็สามารถใช้ได้เช่นกัน การป้องกันปัญหาเหล่านี้ทำได้โดยการใช้ความระมัดระวังเป็นพิเศษในการเก็บรักษาและการดูแลพลูโตเนียม โดยทั่วไปจะเก็บไว้ในที่แห้งและมีแก๊สเฉื่อย

ถอดความจาก Plutonium
เวบไซต์ www.wikipedia.com