El plutonio se fabrica a partir del uranio-238. El 239Pu se crea normalmente en los reactores nucleares por transmutación de átomos individuales de uno de los isótopos de uranio presentes en las barras de combustible. Ocasionalmente, cuando un átomo de 238U se expone a la radiación de neutrones, su núcleo capturará un neutrón, cambiándolo a 239U. Esto ocurre más fácilmente con una energía cinética menor (ya que la activación de la fisión del 238U es de 6,6MeV). A continuación, el 239U experimenta rápidamente dos desintegraciones β – una emisión de un electrón y un antineutrino ( ν ¯ e {\displaystyle {\bar {\nu }_{e}}
), dejando un protón – la primera desintegración β transforma el 239U en neptunio-239, y la segunda desintegración β transforma el 239Np en 239Pu: U 92 238 + n 0 1 ⟶ U 92 239 → 23,5 min β – Np 93 239 → 2.356 d β – Pu 94 239 {\displaystyle {\ce {{{238}_{92}U + {}^{1}_{0}n -> {}^{239}_{92}U -> {}^{239}_{93}Np -> {}^{239}_94}Pu}}.
La actividad de fisión es relativamente rara, por lo que incluso después de una exposición significativa, el 239Pu sigue mezclado con una gran cantidad de 238U (y posiblemente otros isótopos de uranio), oxígeno, otros componentes del material original y productos de fisión. Sólo si el combustible ha sido expuesto durante unos días en el reactor, el 239Pu puede separarse químicamente del resto del material para producir un metal de 239Pu de gran pureza.
El 239Pu tiene una mayor probabilidad de fisión que el 235U y un mayor número de neutrones producidos por evento de fisión, por lo que tiene una masa crítica menor. El 239Pu puro también tiene una tasa razonablemente baja de emisión de neutrones debido a la fisión espontánea (10 fisiones/kg), lo que hace factible reunir una masa que sea altamente supercrítica antes de que comience una reacción de detonación en cadena.
En la práctica, sin embargo, el plutonio criado en reactores contendrá invariablemente una cierta cantidad de 240Pu debido a la tendencia del 239Pu a absorber un neutrón adicional durante la producción. El 240Pu tiene una alta tasa de eventos de fisión espontánea (415.000 fisiones/kg), lo que lo convierte en un contaminante indeseable. En consecuencia, el plutonio que contiene una fracción significativa de 240Pu no es adecuado para su uso en armas nucleares; emite radiación neutrónica, lo que dificulta su manipulación, y su presencia puede dar lugar a un «fizzle» en el que se produce una pequeña explosión que destruye el arma pero no provoca la fisión de una fracción significativa del combustible. (Sin embargo, en las armas nucleares modernas que utilizan generadores de neutrones para la iniciación y el refuerzo de la fusión para suministrar neutrones adicionales, la efervescencia no es un problema). Debido a esta limitación, las armas basadas en el plutonio deben ser de tipo implosión y no de tipo cañón. Además, el 239Pu y el 240Pu no pueden distinguirse químicamente, por lo que sería necesaria una costosa y difícil separación isotópica para separarlos. El plutonio apto para armas se define como aquel que no contiene más de un 7% de 240Pu; esto se consigue exponiendo sólo el 238U a fuentes de neutrones durante cortos periodos de tiempo para minimizar el 240Pu producido.
El plutonio se clasifica según el porcentaje del contaminante plutonio-240 que contiene:
- Supergrado 2-3%
- Grado de armas 3-7%
- Grado de combustible 7-18%
- Grado de reactor 18% o más
Un reactor nuclear que se utiliza para producir plutonio para armas, por lo tanto, generalmente tiene un medio para exponer 238U a la radiación de neutrones y para reemplazar frecuentemente el 238U irradiado con nuevo 238U. Un reactor que funciona con uranio no enriquecido o moderadamente enriquecido contiene una gran cantidad de 238U. Sin embargo, la mayoría de los diseños de reactores comerciales de energía nuclear requieren la parada de todo el reactor, a menudo durante semanas, para cambiar los elementos de combustible. Por tanto, producen plutonio en una mezcla de isótopos que no es muy adecuada para la construcción de armas. A un reactor de este tipo se le podría añadir una maquinaria que permitiera colocar cartuchos de 238U cerca del núcleo y cambiarlos con frecuencia, o se podría apagar con frecuencia, por lo que la proliferación es una preocupación; por esta razón, el Organismo Internacional de la Energía Atómica inspecciona con frecuencia los reactores con licencia. Unos pocos diseños de reactores de potencia comerciales, como el reaktor bolshoy moshchnosti kanalniy (RBMK) y el reactor de agua pesada presurizada (PHWR), sí permiten la recarga de combustible sin paradas, y pueden suponer un riesgo de proliferación. (De hecho, el RBMK fue construido por la Unión Soviética durante la Guerra Fría, por lo que, a pesar de su finalidad aparentemente pacífica, es probable que la producción de plutonio fuera un criterio de diseño). Por el contrario, el reactor canadiense CANDU de agua pesada moderada con combustible de uranio natural también puede ser repostado durante su funcionamiento, pero normalmente consume la mayor parte del 239Pu que produce in situ; por tanto, no sólo es intrínsecamente menos proliferativo que la mayoría de los reactores, sino que incluso puede funcionar como un «incinerador de actínidos». El IFR (Integral Fast Reactor) estadounidense también puede funcionar en modo «incinerador», lo que tiene algunas ventajas al no acumular el isótopo plutonio-242 ni los actínidos de larga vida, que no pueden quemarse fácilmente salvo en un reactor rápido. Además, el combustible del IFR tiene una alta proporción de isótopos quemables, mientras que en el CANDU se necesita un material inerte para diluir el combustible; esto significa que el IFR puede quemar una mayor fracción de su combustible antes de necesitar su reprocesamiento. La mayor parte del plutonio se produce en reactores de investigación o de producción de plutonio, llamados reactores reproductores, porque producen más plutonio del que consumen en combustible; en principio, estos reactores hacen un uso extremadamente eficiente del uranio natural. En la práctica, su construcción y funcionamiento son lo suficientemente difíciles como para que, en general, sólo se utilicen para producir plutonio. Los reactores reproductores son generalmente (pero no siempre) reactores rápidos, ya que los neutrones rápidos son algo más eficientes en la producción de plutonio.
El plutonio-239 se utiliza con más frecuencia en las armas nucleares que el uranio-235, ya que es más fácil de obtener en una cantidad de masa crítica. Tanto el plutonio-239 como el uranio-235 se obtienen a partir del uranio natural, que se compone principalmente de uranio-238 pero contiene trazas de otros isótopos de uranio, como el uranio-235. El proceso de enriquecimiento del uranio, es decir, el aumento de la proporción de 235U a 238U hasta alcanzar el grado de armamento, es generalmente un proceso más largo y costoso que la producción de plutonio-239 a partir de 238U y su posterior reprocesamiento.
Plutonio supergradoEditar
El combustible de fisión «supergrado», que tiene menos radiactividad, se utiliza en la fase primaria de las armas nucleares de la Marina de los Estados Unidos en lugar del plutonio convencional utilizado en las versiones de la Fuerza Aérea. «Supergrado» es la jerga de la industria para referirse a la aleación de plutonio que lleva una fracción excepcionalmente alta de 239Pu (>95%), dejando una cantidad muy baja de 240Pu, que es un isótopo de alta fisión espontánea (ver arriba). Este plutonio se produce a partir de barras de combustible que han sido irradiadas un tiempo muy corto, medido en MW-día/tonelada de quemado. Estos tiempos de irradiación tan bajos limitan la cantidad de captura adicional de neutrones y, por lo tanto, la acumulación de productos isotópicos alternativos como el 240Pu en la barra, y también, por consiguiente, es considerablemente más caro de producir, necesitando muchas más barras irradiadas y procesadas para una cantidad determinada de plutonio.
El plutonio-240, además de ser un emisor de neutrones tras la fisión, es un emisor de rayos gamma, por lo que es responsable de una gran fracción de la radiación de las armas nucleares almacenadas. Ya sea en patrulla o en puerto, los miembros de la tripulación de los submarinos viven y trabajan habitualmente muy cerca de las armas nucleares almacenadas en las salas de torpedos y los tubos de misiles, a diferencia de los misiles de las Fuerzas Aéreas, donde la exposición es relativamente breve. La necesidad de reducir la exposición a la radiación justifica los costes adicionales de la aleación de calidad superior utilizada en muchas armas nucleares navales. El plutonio de grado superior se utiliza en las ojivas W80.