Plutônio

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Plutônio,  94 Pu
Two shiny pellets of plutonium of about 3 cm in diameter
Plutônio
Pronúncia/ P l u t n i ə m / ( ploo- TOH -nee-əm )
Aparênciabranco prateado, manchado de cinza escuro no ar
Número de massa[244]
Plutônio na tabela periódica
Hidrogênio Hélio
Lítio Berílio Boro Carbono Azoto Oxigênio Flúor Néon
Sódio Magnésio Alumínio Silício Fósforo Enxofre Cloro Argônio
Potássio Cálcio Escândio Titânio Vanádio Cromo Manganês Ferro Cobalto Níquel Cobre Zinco Gálio Germânio Arsênico Selênio Bromo Krypton
Rubídio Estrôncio Ítrio Zircônio Nióbio Molibdênio Tecnécio Rutênio Ródio Paládio Prata Cádmio Índio Lata Antimônio Telúrio Iodo Xenon
Césio Bário Lantânio Cério Praseodímio Neodímio Promécio Samário Europium Gadolínio Térbio Disprósio Holmium Erbium Túlio Itérbio Lutécio Háfnio Tântalo Tungstênio Rênio Ósmio Iridium Platina Ouro Mercúrio (elemento) Tálio Liderar Bismuto Polônio Astatine Radon
Francium Rádio Actínio Tório Protactínio Urânio Neptúnio Plutônio Americium Curium Berquélio Californium Einsteinium Fermium Mendelévio Nobelium Lawrencium Rutherfordium Dubnium Seabórgio Bohrium Hassium Meitnerium Darmstádio Roentgenium Copernicium Nihonium Flerovium Moscovium Livermorium Tennessine Oganesson
Sm

Pu

(Uqo)
neptúnioplutônioamerício
Número atômico ( Z )94
Grupogrupo n / a
Períodoperíodo 7
Bloquear  bloco f
Configuração de elétron[ Rn ] 5f 6 7s 2
Elétrons por camada2, 8, 18, 32, 24, 8, 2
Propriedades físicas
Fase em  STPsólido
Ponto de fusão912,5  K (639,4 ° C, 1182,9 ° F)
Ponto de ebulição3505 K (3228 ° C, 5842 ° F)
Densidade (próximo à  rt )19,85 ( 239 Pu) [1]  g / cm 3
quando líquido (em  mp )16,63 g / cm 3
Calor de fusão2,82  kJ / mol
Calor da vaporização333,5 kJ / mol
Capacidade de calor molar35,5 J / (mol · K)
Pressão de vapor
P  (Pa) 1 10 100 1 mil 10 k 100 k
em  T  (K) 1756 1953 2198 2511 2926 3499
Propriedades atômicas
Estados de oxidação+2, +3, +4 , +5, +6, +7, +8 (um  óxido anfotérico )
Eletro-negatividadeEscala de Pauling: 1,28
Energias de ionização
  • 1o: 584,7 kJ / mol
Raio atômicoempírico: 159  pm
Raio covalente187 ± 13h
Color lines in a spectral range
Linhas espectrais de plutônio
Outras propriedades
Ocorrência naturalda decadência
Estrutura de cristalmonoclinic
Monoclinic crystal structure for plutonium
Velocidade do som2260 m / s
Expansão térmica46,7 µm / (m⋅K) (a 25 ° C)
Condutividade térmica6,74 W / (m⋅K)
Resistividade elétrica1,460 µΩ⋅m (a 0 ° C)
Ordenação magnéticaparamagnético
Módulo de Young96 GPa
Módulo de cisalhamento43 GPa
Coeficiente de Poisson0,21
Número CAS7440-07-5
História
Nomeaçãoem homenagem ao planeta anão Plutão , também nomeado em homenagem ao deus clássico do submundo Plutão
DescobertaGlenn T. Seaborg , Arthur Wahl , Joseph W. Kennedy , Edwin McMillan (1940-1941)
Isótopos principais de plutônio
Isótopo Abundância Meia-vida ( t 1/2 ) Modo de decaimento produtos
238 Pu vestígio 87,74 y SF -
α 234 U
239 Pu vestígio 2,41 × 10 4  y SF -
α 235 U
240 Pu vestígio 6500 y SF -
α 236 U
241 Pu syn 14 anos β - 241 am
SF -
242 Pu syn 3,73 × 10 5  y SF -
α 238 U
244 Pu vestígio 8,08 × 10 7  anos α 240 U
SF -
Category Categoria: Plutônio
| referências

O plutônio é um elemento químico radioativo com o símbolo Pu e número atômico 94. É um metal actinídeo de aparência cinza-prateada que mancha quando exposto ao ar e forma uma cobertura opaca quando oxidado . O elemento normalmente exibe seis alótropos e quatro estados de oxidação . Ele reage com carbono , halogênios , nitrogênio , silício e hidrogênio . Quando exposto ao ar úmido, forma óxidos e hidretos que pode expandir a amostra em até 70% em volume, que por sua vez descama como um pó pirofórico . É radioativo e pode se acumular nos ossos , o que torna perigoso o manuseio do plutônio.

O plutônio foi produzido sinteticamente e isolado pela primeira vez no final de 1940 e início de 1941, por um bombardeio de deuteron de urânio-238 no ciclotron de 1,5 metros (60 polegadas ) na Universidade da Califórnia, Berkeley . Primeiro, o neptúnio-238 ( meia-vida 2,1 dias) foi sintetizado, que posteriormente decaiu beta para formar o novo elemento com número atômico 94 e peso atômico 238 (meia-vida 88 anos). Uma vez que o urânio recebeu o nome do planeta Urano e o neptúnio do planeta Netuno , o elemento 94 recebeu o nome de Plutão, que na época também era considerado um planeta. O sigilo do tempo de guerra impediu a equipe da Universidade da Califórnia de publicar sua descoberta até 1948.

O plutônio é o elemento com o maior número atômico ocorrendo na natureza. Quantidades vestigiais surgem em depósitos de urânio-238 natural quando o urânio-238 captura nêutrons emitidos pela decomposição de outros átomos de urânio-238.

Tanto o plutônio-239 quanto o plutônio-241 são físseis , o que significa que podem sustentar uma reação em cadeia nuclear , levando a aplicações em armas nucleares e reatores nucleares . O plutônio-240 exibe uma alta taxa de fissão espontânea , aumentando o fluxo de nêutrons de qualquer amostra que o contenha. A presença de plutônio-240 limita a usabilidade de uma amostra de plutônio para armas ou sua qualidade como combustível de reator, e a porcentagem de plutônio-240 determina seu grau ( grau de arma, grau de combustível ou grau de reator). Plutônio-238tem meia-vida de 87,7 anos e emite partículas alfa . É uma fonte de calor em geradores termoelétricos de radioisótopos , que são usados ​​para alimentar algumas espaçonaves . Isótopos de plutônio são caros e inconvenientes para separar, então isótopos particulares são geralmente fabricados em reatores especializados.

Produzir plutônio em quantidades úteis pela primeira vez foi uma parte importante do Projeto Manhattan durante a Segunda Guerra Mundial, que desenvolveu as primeiras bombas atômicas. As bombas Fat Man usadas no teste nuclear Trinity em julho de 1945 e no bombardeio de Nagasaki em agosto de 1945 tinham núcleos de plutônio . Experimentos de radiação humana estudando plutônio foram conduzidos sem consentimento informado , e vários acidentes de gravidade , alguns letais, ocorreram após a guerra. Eliminação de resíduos de plutônio de usinas nucleares eas armas nucleares desmanteladas construídas durante a Guerra Fria são uma proliferação nuclear e uma preocupação ambiental. Outras fontes de plutônio no meio ambiente são as partículas radioativas de vários testes nucleares acima do solo, agora proibidos .

Características

Propriedades físicas

O plutônio, como a maioria dos metais, tem uma aparência prateada brilhante no início, muito parecido com o níquel , mas oxida muito rapidamente para um cinza fosco, embora amarelo e verde oliva também sejam relatados. [2] [3] Em temperatura ambiente, o plutônio está em sua forma α ( alfa ) . Esta, a forma estrutural mais comum do elemento ( alótropo ), é quase tão dura e frágil quanto o ferro fundido cinzento, a menos que seja ligado a outros metais para torná-lo macio e dúctil. Ao contrário da maioria dos metais, não é um bom condutor de calor ou eletricidade . Tem um baixo ponto de fusão(640 ° C) e um ponto de ebulição excepcionalmente alto (3.228 ° C). [2]

O decaimento alfa , a liberação de um núcleo de hélio de alta energia , é a forma mais comum de decaimento radioativo do plutônio. [4] Uma massa de 5 kg de 239 Pu contém cerca de12,5 × 10 24 átomos. Com meia-vida de 24.100 anos, cerca de11,5 × 10 12 de seus átomos decaem a cada segundo, emitindo uma partícula alfa de 5,157  MeV . Isso equivale a 9,68 watts de potência. O calor produzido pela desaceleração dessas partículas alfa torna-o quente ao toque. [5] [6]

A resistividade é uma medida de quão fortemente um material se opõe ao fluxo de corrente elétrica . A resistividade do plutônio à temperatura ambiente é muito alta para um metal e fica ainda mais alta com temperaturas mais baixas, o que é incomum para metais. [7] Esta tendência continua até 100  K , abaixo do qual a resistividade diminui rapidamente para amostras frescas. [7] A resistividade então começa a aumentar com o tempo em torno de 20 K devido ao dano da radiação, com a taxa ditada pela composição isotópica da amostra. [7]

Por causa da auto-irradiação, uma amostra de plutônio cansa por toda a sua estrutura cristalina, o que significa que o arranjo ordenado de seus átomos é interrompido pela radiação com o tempo. [8] A auto-irradiação também pode levar ao recozimento, que neutraliza alguns dos efeitos da fadiga conforme a temperatura aumenta acima de 100 K. [9]

Ao contrário da maioria dos materiais, o plutônio aumenta em densidade quando funde, em 2,5%, mas o metal líquido exibe uma diminuição linear na densidade com a temperatura. [7] Perto do ponto de fusão, o plutônio líquido tem viscosidade e tensão superficial muito altas em comparação com outros metais. [8]

Alótropos

A graph showing change in density with increasing temperature upon sequential phase transitions between alpha, beta, gamma, delta, delta' and epsilon phases
O plutônio tem seis alótropos à pressão ambiente: alfa  (α), beta  (β), gama  (γ), delta  (δ), delta prime  (δ ') e épsilon  (ε) [10]

O plutônio normalmente tem seis alótropos e forma um sétimo (zeta, ζ) em alta temperatura dentro de uma faixa de pressão limitada. [10] Esses alótropos, que são diferentes modificações estruturais ou formas de um elemento, têm energias internas muito semelhantes, mas densidades e estruturas cristalinas significativamente variáveis . Isso torna o plutônio muito sensível a mudanças de temperatura, pressão ou química e permite mudanças dramáticas de volume após as transições de fase de uma forma alotrópica para outra. [8] As densidades dos diferentes alótropos variam de 16,00 g / cm 3 a 19,86 g / cm 3 . [11]

A presença desses muitos alótropos torna a usinagem do plutônio muito difícil, pois ele muda de estado muito rapidamente. Por exemplo, a forma α existe à temperatura ambiente em plutônio não ligado. Possui características de usinagem semelhantes às do ferro fundido, mas muda para a forma plástica e maleável β ( beta ) em temperaturas ligeiramente mais altas. [12] As razões para o diagrama de fases complicado não são totalmente compreendidas. A forma α tem uma estrutura monoclínica de baixa simetria , daí sua fragilidade, resistência, compressibilidade e baixa condutividade térmica. [10]

O plutônio na forma δ ( delta ) normalmente existe na faixa de 310 ° C a 452 ° C, mas é estável à temperatura ambiente quando ligado com uma pequena porcentagem de gálio , alumínio ou cério , aumentando a trabalhabilidade e permitindo que seja soldado . [12] A forma δ tem um caráter metálico mais típico e é quase tão forte e maleável quanto o alumínio. [10] Em armas de fissão, as ondas de choque explosivas usadas para comprimir um núcleo de plutônio também causarão uma transição do plutônio da fase δ usual para a forma α mais densa, ajudando significativamente a atingir a supercriticalidade . [13]A fase ε, o alótropo sólido de temperatura mais alta, exibe autodifusão atômica anormalmente alta em comparação com outros elementos. [8]

Ficão nuclear

cylinder of Pu metal
Um anel de armas de grau 99,96% plutônio electrorefined pura, o suficiente para um núcleo de bomba . O anel pesa 5,3 kg, tem ca. 11 cm de diâmetro e seu formato auxilia na segurança da criticidade .

O plutônio é um metal actinídeo radioativo cujo isótopo , plutônio-239 , é um dos três isótopos físseis primários ( urânio-233 e urânio-235 são os outros dois); o plutônio-241 também é altamente físsil. Para ser considerado físsil, o núcleo atômico de um isótopo deve ser capaz de se separar ou fissão quando atingido por um nêutron lento e liberar nêutrons adicionais suficientes para sustentar a reação em cadeia nuclear, dividindo outros núcleos. [14]

O plutônio-239 puro pode ter um fator de multiplicação (k eff ) maior que um, o que significa que se o metal estiver presente em quantidade suficiente e com uma geometria apropriada (por exemplo, uma esfera de tamanho suficiente), ele pode formar uma massa crítica . [15] Durante a fissão, uma fração da energia de ligação nuclear , que mantém um núcleo unido, é liberada como uma grande quantidade de energia eletromagnética e cinética (grande parte da última sendo rapidamente convertida em energia térmica). A fissão de um quilograma de plutônio-239 pode produzir uma explosão equivalente a 21.000 toneladas de TNT (88.000  GJ ). É essa energia que torna o plutônio-239 útil em armas nuclearese reatores . [5]

A presença do isótopo plutônio-240 em uma amostra limita seu potencial de bomba nuclear, já que o plutônio-240 tem uma taxa de fissão espontânea relativamente alta (~ 440 fissões por segundo por grama - mais de 1.000 nêutrons por segundo por grama), [16] aumentando níveis de neutrões de fundo, aumentando assim o risco de pré-detonação . [17] O plutônio é identificado como nível de arma , combustível ou reator com base na porcentagem de plutônio-240 que ele contém. O plutônio para armas contém menos de 7% de plutônio-240. O plutônio para combustível contém de 7% a menos de 19%, e o para reator de potência contém 19% ou mais de plutônio-240.Plutônio supergrado , com menos de 4% de plutônio-240, é usado em armas da Marinha dos EUA armazenadas nas proximidades de tripulações de navios e submarinos, devido à sua baixa radioatividade. [18] O isótopo plutônio-238 não é físsil, mas pode sofrer fissão nuclear facilmente com nêutrons rápidos , bem como decaimento alfa. [5]

Isótopos e nucleossíntese

A diagram illustrating the interconversions between various isotopes of uranium, thorium, protactinium and plutonium
Cadeias de urânio-plutônio e tório-urânio

Vinte isótopos radioativos de plutônio foram caracterizados. Os mais longevos são o plutônio-244, com meia-vida de 80,8 milhões de anos, o plutônio-242, com meia-vida de 373.300 anos, e o plutônio-239, com meia-vida de 24.110 anos. Todos os demais isótopos radioativos têm meia-vida inferior a 7.000 anos. Este elemento também tem oito estados metaestáveis , embora todos tenham meia-vida inferior a um segundo. [4]

Os isótopos conhecidos de plutônio variam em número de massa de 228 a 247. Os modos primários de decaimento de isótopos com números de massa menores do que o isótopo mais estável, plutônio-244, são fissão espontânea e emissão alfa , formando principalmente urânio (92 prótons ) e neptúnio (93 prótons) isótopos como produtos de decaimento (negligenciando a ampla gama de núcleos filhos criados por processos de fissão). O modo de decaimento primário para isótopos com números de massa maiores que plutônio-244 é a emissão beta , formando principalmente isótopos de amerício (95 prótons) como produtos de decaimento. Plutônio-241 é o isótopo pai da série de decaimento do neptúnio, decaindo para amerício-241 via emissão beta. [4] [19]

Plutônio-238 e 239 são os isótopos mais amplamente sintetizados. [5] O plutônio-239 é sintetizado por meio da seguinte reação usando urânio (U) e nêutrons (n) via decaimento beta (β - ) com neptúnio (Np) como intermediário: [20]

Os nêutrons da fissão do urânio-235 são capturados pelos núcleos do urânio-238 para formar o urânio-239; um decaimento beta converte um nêutron em um próton para formar neptúnio-239 (meia-vida de 2,36 dias) e outro decaimento beta forma plutônio-239. [21] Egon Bretscher trabalhando no projeto British Tube Alloys previu esta reação teoricamente em 1940. [22]

O plutônio-238 é sintetizado pelo bombardeio de urânio-238 com deutérios (D, os núcleos do hidrogênio pesado ) na seguinte reação: [23]

Nesse processo, um deutério que atinge o urânio-238 produz dois nêutrons e o neptúnio-238, que se decompõe espontaneamente, emitindo partículas beta negativas para formar o plutônio-238. [24]

Calor de decomposição e propriedades de fissão

Os isótopos de plutônio sofrem decaimento radioativo, que produz calor de decaimento . Diferentes isótopos produzem diferentes quantidades de calor por massa. O calor de decaimento é geralmente listado como watt / quilograma ou miliwatt / grama. Em pedaços maiores de plutônio (por exemplo, um fosso para armas) e remoção inadequada de calor, o autoaquecimento resultante pode ser significativo.

Calor de decomposição de isótopos de plutônio [25]
Isótopo Modo de decaimento Meia-vida (anos) Calor de decomposição (W / kg) Nêutrons de fissão espontânea (1 / (g · s)) Comente
238 Pu alfa a 234 U 87,74 560 2600 Calor de decomposição muito alto. Mesmo em pequenas quantidades, pode causar um autoaquecimento significativo. Usado isoladamente em geradores termoelétricos com radioisótopos .
239 Pu alfa a 235 U 24100 1,9 0,022 O principal isótopo físsil em uso.
240 Pu alfa a 236 U , fissão espontânea 6560 6,8 910 A principal impureza em amostras do isótopo 239 Pu. O grau de plutônio é geralmente listado como porcentagem de 240 Pu. A alta fissão espontânea dificulta o uso em armas nucleares.
241 Pu beta-menos, para 241 am 14,4 4,2 0,049 Decai em amerício-241; seu acúmulo representa um perigo de radiação em amostras mais antigas.
242 Pu alfa a 238 U 376000 0,1 1700 242 Pu decai para 238 U por meio de decaimento alfa; também decairá por fissão espontânea.

Compostos e química

Five fluids in glass test tubes: violet, Pu(III); dark brown, Pu(IV)HClO4; light purple, Pu(V); light brown, Pu(VI); dark green, Pu(VII)
Vários estados de oxidação do plutônio em solução

À temperatura ambiente, o plutônio puro tem cor prateada, mas fica manchado quando oxidado. [26] O elemento exibe quatro estados de oxidação iônica comuns em solução aquosa e um raro: [11]

  • Pu (III), como Pu 3+ (azul lavanda)
  • Pu (IV), como Pu 4+ (amarelo marrom)
  • Pu (V), como PuO+
    2
    (rosa claro) [nota 1]
  • Pu (VI), como PuO2+
    2
    (rosa laranja)
  • Pu (VII), como PuO3−
    5
    (verde) - o íon heptavalente é raro.

A cor mostrada pelas soluções de plutônio depende do estado de oxidação e da natureza do ânion ácido . [28] É o ânion ácido que influencia o grau de complexação - como os átomos se conectam a um átomo central - das espécies de plutônio. Além disso, o estado de oxidação formal +2 do plutônio é conhecido no complexo [K (2.2.2-cripta)] [Pu II Cp ″ 3 ], Cp ″ = C 5 H 3 (SiMe 3 ) 2 . [29]

Um estado de oxidação +8 também é possível no tetróxido volátil PuO
4
. [30] Embora se decomponha prontamente por meio de um mecanismo de redução semelhante ao FeO
4
, PuO
4
pode ser estabilizado em soluções alcalinas e clorofórmio . [31] [30]

O plutônio metálico é produzido pela reação de tetrafluoreto de plutônio com bário , cálcio ou lítio a 1200 ° C. [32] O plutônio metálico é atacado por ácidos , oxigênio e vapor, mas não por álcalis, e se dissolve facilmente em ácidos clorídrico , iodídrico e perclórico concentrados . [33] O metal fundido deve ser mantido em vácuo ou em uma atmosfera inerte para evitar a reação com o ar. [12] A 135 ° C, o metal irá inflamar no ar e explodirá se colocado emtetracloreto de carbono . [34]

Black block of Pu with red spots on top and yellow powder around it
A piroforicidade do plutônio pode fazer com que pareça uma brasa brilhante sob certas condições.
Glass vial of brownish-white snow-like precipitation of plutonium hydroxide
Vinte microgramas de hidróxido de plutônio puro

O plutônio é um metal reativo. No ar úmido ou argônio úmido , o metal se oxida rapidamente, produzindo uma mistura de óxidos e hidretos . [2] Se o metal for exposto por tempo suficiente a uma quantidade limitada de vapor de água, um revestimento superficial pulverulento de PuO 2 é formado. [2] Também é formado o hidreto de plutônio, mas um excesso de vapor de água forma apenas PuO 2 . [33]

O plutônio apresenta taxas de reação enormes e reversíveis com o hidrogênio puro, formando o hidreto de plutônio . [8] Ele também reage prontamente com o oxigênio, formando PuO e PuO 2 , bem como óxidos intermediários; o óxido de plutônio preenche 40% mais volume do que o plutônio metálico. O metal reage com os halogênios , dando origem a compostos com a fórmula geral PuX 3 onde X pode ser F , Cl , Br ou I e PuF 4 também é visto. Os seguintes oxihaletos são observados: PuOCl, PuOBr e PuOI. Ele vai reagir com carbono para formar PuC, nitrogênio para formar PuN e silício para formar PuSi 2 .[11] [34]

A química organometálica dos complexos de plutônio é típica das espécies organoactinidas ; um exemplo característico de um composto organoplutônio é o plutonoceno . [21] [35] Os métodos de química computacional indicam um caráter covalente aprimorado na ligação plutônio-ligante. [8] [35]

Pós de plutônio, seus hidretos e certos óxidos como Pu 2 O 3 são pirofóricos , o que significa que podem inflamar espontaneamente à temperatura ambiente e, portanto, são manuseados em uma atmosfera seca e inerte de nitrogênio ou argônio. O plutônio a granel inflama somente quando aquecido acima de 400 ° C. O Pu 2 O 3 se aquece espontaneamente e se transforma em PuO 2 , que é estável ao ar seco, mas reage com o vapor d'água quando aquecido. [36]

Cadinhos usados ​​para conter plutônio precisam ser capazes de suportar suas propriedades fortemente redutoras . Metais refratários como tântalo e tungstênio, juntamente com óxidos, boretos , carbonetos , nitretos e silicidas mais estáveis, podem tolerar isso. A fusão em um forno elétrico a arco pode ser usada para produzir pequenos lingotes de metal sem a necessidade de um cadinho. [12]

O cério é usado como um simulador químico de plutônio para o desenvolvimento de contenção, extração e outras tecnologias. [37]

Estrutura eletronica

O plutônio é um elemento em que os elétrons 5f são a fronteira de transição entre deslocado e localizado; portanto, é considerado um dos elementos mais complexos. [38] O comportamento anômalo do plutônio é causado por sua estrutura eletrônica. A diferença de energia entre as subcamadas 6d e 5f é muito baixa. O tamanho da camada 5f é apenas o suficiente para permitir que os elétrons formem ligações dentro da rede, na própria fronteira entre o comportamento localizado e o de ligação. A proximidade dos níveis de energia leva a várias configurações de elétrons de baixa energia com níveis de energia quase iguais. Isso leva a competir 5f n 7s 2 e 5f n − 1 6d 1 7s 2configurações, o que causa a complexidade de seu comportamento químico. A natureza altamente direcional dos orbitais 5f é responsável pelas ligações covalentes direcionais em moléculas e complexos de plutônio. [8]

Ligas

O plutônio pode formar ligas e compostos intermediários com a maioria dos outros metais. As exceções incluem lítio, sódio , potássio , rubídio e césio dos metais alcalinos ; e magnésio , cálcio, estrôncio e bário dos metais alcalino-terrosos ; e európio e itérbio dos metais de terras raras . [33] As exceções parciais incluem os metais refratários cromo , molibdênio , nióbio, tântalo e tungstênio, que são solúveis em plutônio líquido, mas insolúveis ou apenas ligeiramente solúveis em plutônio sólido. [33] Gálio, alumínio, amerício, escândio e cério podem estabilizar a fase δ do plutônio à temperatura ambiente. O silício , o índio , o zinco e o zircônio permitem a formação do estado δ metaestável quando resfriados rapidamente. Grandes quantidades de háfnio , hólmio e tálio também permitem alguma retenção da fase δ à temperatura ambiente. Neptúnio é o único elemento que pode estabilizar a fase α em altas temperaturas. [8]

As ligas de plutônio podem ser produzidas adicionando um metal ao plutônio fundido. Se o metal de liga for suficientemente redutor, o plutônio pode ser adicionado na forma de óxidos ou halogenetos. As ligas de plutônio-gálio e plutônio-alumínio da fase δ são produzidas pela adição de fluoreto de plutônio (III) ao gálio ou alumínio fundido, o que tem a vantagem de evitar lidar diretamente com o metal plutônio altamente reativo. [39]

  • Plutônio-gálio é usado para estabilizar a fase δ do plutônio, evitando a fase α e problemas relacionados a α – δ. Seu principal uso é em poços de armas nucleares de implosão . [40]
  • Plutônio-alumínio é uma alternativa à liga Pu-Ga. Foi o elemento original considerado para a estabilização da fase δ, mas sua tendência de reagir com as partículas alfa e liberar nêutrons reduz sua usabilidade para poços de armas nucleares. A liga de plutônio-alumínio também pode ser usada como componente de combustível nuclear . [41]
  • A liga de plutônio-gálio-cobalto (PuCoGa 5 ) é um supercondutor não convencional , apresentando supercondutividade abaixo de 18,5 K, uma ordem de magnitude maior do que a mais alta entre sistemas de férmions pesados e tem grande corrente crítica. [38] [42]
  • A liga de plutônio-zircônio pode ser usada como combustível nuclear . [43]
  • As ligas de plutônio-cério e plutônio-cério-cobalto são usadas como combustíveis nucleares. [44]
  • Plutônio-urânio , com cerca de 15-30% molar de plutônio, pode ser usado como combustível nuclear para reatores reprodutores rápidos. Sua natureza pirofórica e alta suscetibilidade à corrosão ao ponto de autoinflamação ou desintegração após exposição ao ar requerem liga com outros componentes. A adição de alumínio, carbono ou cobre não melhora significativamente as taxas de desintegração, o zircônio e as ligas de ferro têm melhor resistência à corrosão, mas também se desintegram em vários meses no ar. A adição de titânio e / ou zircônio aumenta significativamente o ponto de fusão da liga. [45]
  • Plutônio-urânio-titânio e plutônio-urânio-zircônio foram investigados para uso como combustíveis nucleares. A adição do terceiro elemento aumenta a resistência à corrosão, reduz a inflamabilidade e melhora a ductilidade, capacidade de fabricação, resistência e expansão térmica. Plutônio-urânio-molibdênio tem a melhor resistência à corrosão, formando uma película protetora de óxidos, mas titânio e zircônio são preferidos por razões físicas. [45]
  • Thorium – uranium – plutonium foi investigado como um combustível nuclear para reatores reprodutores rápidos. [45]

Ocorrência

Amostra de plutônio metálico exibida no museu Questacon

Traços de plutônio-238, plutônio-239, plutônio-240 e plutônio-244 podem ser encontrados na natureza. Pequenos traços de plutônio-239, algumas partes por trilhão , e seus produtos de decomposição são encontrados naturalmente em alguns minérios concentrados de urânio, [46] como o reator de fissão nuclear natural em Oklo , Gabão . [47] A proporção de plutônio-239 para urânio no depósito de urânio da mina Cigar Lake varia de2.4 × 10 -12 para44 × 10 −12 . [48] Essas quantidades residuais de 239 Pu se originam da seguinte maneira: em raras ocasiões, 238 U sofre fissão espontânea e, no processo, o núcleo emite um ou dois nêutrons livres com alguma energia cinética. Quando um desses nêutrons atinge o núcleo de outro átomo de 238 U, ele é absorvido pelo átomo, que se torna 239 U. Com uma meia-vida relativamente curta, 239 U decai para 239 Np, que decai para 239 Pu. [49] [50] Finalmente, quantidades excessivamente pequenas de plutônio-238, atribuídas ao decaimento beta duplo extremamente rarode urânio-238, foram encontrados em amostras de urânio natural. [51]

Devido à sua meia-vida relativamente longa de cerca de 80 milhões de anos, foi sugerido que o plutônio-244 ocorre naturalmente como um nuclídeo primordial , mas os primeiros relatos de sua detecção não puderam ser confirmados. [52] No entanto, sua longa meia-vida garantiu sua circulação por todo o sistema solar antes de sua extinção , [53] e, de fato, evidências da fissão espontânea do extinto 244 Pu foram encontradas em meteoritos. [54] A presença anterior de 244 Pu no início do Sistema Solar foi confirmada, uma vez que se manifesta hoje como um excesso de suas filhas, seja 232 Th (da via de decaimento alfa) ouisótopos de xenônio (de sua fissão espontânea ). Os últimos são geralmente mais úteis, porque as químicas do tório e do plutônio são bastante semelhantes (ambos são predominantemente tetravalentes) e, portanto, um excesso de tório não seria uma forte evidência de que parte dele foi formado como uma filha do plutônio. [55] 244 Pu tem a meia-vida mais longa de todos os nuclídeos transurânicos e é produzido apenas no processo r em supernovas e estrelas de nêutrons em colisão ; quando os núcleos são ejetados desses eventos em alta velocidade para chegar à Terra, 244 Pu sozinho entre os nuclídeos transurânicos tem uma meia-vida longa o suficiente para sobreviver à jornada e, portanto, pequenos traços de interestelar vivo244 Pu foram encontrados no fundo do mar. Como 240 Pu também ocorre na cadeia de decomposição de 244 Pu, ele também deve estar presente em equilíbrio secular , embora em quantidades ainda menores. [56]

Vestígios minúsculos de plutônio são normalmente encontrados no corpo humano devido aos 550 testes nucleares atmosféricos e subaquáticos que foram realizados, e a um pequeno número de acidentes nucleares graves . A maioria dos testes nucleares atmosféricos e subaquáticos foi interrompida pelo Tratado de Proibição de Testes Limitados em 1963, que foi assinado e ratificado pelos Estados Unidos, Reino Unido, União Soviética e outras nações. Testes de armas nucleares atmosféricas continuados desde 1963 por países que não fazem parte do tratado, incluindo os da China ( teste de bomba atômica acima do deserto de Gobi em 1964, bomba de hidrogênioteste em 1967 e testes de acompanhamento) e na França (testes até a década de 1990). Por ser deliberadamente fabricado para armas nucleares e reatores nucleares, o plutônio-239 é, de longe, o isótopo de plutônio mais abundante. [34]

História

Descoberta

Enrico Fermi e uma equipe de cientistas da Universidade de Roma relataram que haviam descoberto o elemento 94 em 1934. [57] Fermi chamou o elemento hesperium e o mencionou em sua palestra no Nobel em 1938. [58] A amostra na verdade continha produtos nucleares fissão , principalmente bário e criptônio . [59] A fissão nuclear, descoberta na Alemanha em 1938 por Otto Hahn e Fritz Strassmann , era desconhecida na época. [60]

Elderly Seaborg in a suit
Glenn T. Seaborg e sua equipe em Berkeley foram os primeiros a produzir plutônio.

O plutônio (especificamente, o plutônio-238) foi produzido pela primeira vez, isolado e, em seguida, quimicamente identificado entre dezembro de 1940 e fevereiro de 1941 por Glenn T. Seaborg , Edwin McMillan , Emilio Segrè , Joseph W. Kennedy e Arthur Wahl pelo bombardeio de deuteron de urânio no de 60 polegadas (150 cm) ciclotrão no Radiation Laboratory em Berkeley na Universidade da Califórnia, Berkeley . [61] [62] [63] O Neptúnio-238 foi criado diretamente pelo bombardeio, mas decaiu pela emissão beta com meia-vida de pouco mais de dois dias, o que indicou a formação do elemento 94. [34]O primeiro bombardeio ocorreu em 14 de dezembro de 1940, e o novo elemento foi identificado pela primeira vez por oxidação na noite de 23-24 de fevereiro de 1941. [62]

Um documento documentando a descoberta foi preparado pela equipe e enviado ao jornal Physical Review em março de 1941, [34] mas a publicação foi adiada até um ano após o fim da Segunda Guerra Mundial devido a questões de segurança. [64] No Laboratório Cavendish em Cambridge , Egon Bretscher e Norman Feather perceberam que um reator de nêutrons lento alimentado com urânio teoricamente produziria quantidades substanciais de plutônio-239 como subproduto. Eles calcularam que o elemento 94 seria físsil e tinha a vantagem adicional de ser quimicamente diferente do urânio e poderia ser facilmente separado dele. [22]

McMillan havia recentemente nomeado o primeiro elemento transurânico de neptúnio em homenagem ao planeta Netuno , e sugeriu que o elemento 94, sendo o próximo elemento da série, recebesse o nome do que era então considerado o próximo planeta, Plutão . [5] [nota 2] Nicholas Kemmer da equipe de Cambridge propôs independentemente o mesmo nome, com base no mesmo raciocínio da equipe de Berkeley. [22] Seaborg originalmente considerou o nome "plutônio", mas depois pensou que não soava tão bem quanto "plutônio". [66] Ele escolheu as letras "Pu" como uma piada, em referência à interjeição "P U" para indicar um cheiro especialmente nojento, que passava sem aviso prévio para a tabela periódica.[nota 3]Os nomes alternativos considerados por Seaborg e outros eram "ultimium" ou "extremium" por causa da crença errônea de que eles haviam encontrado o último elemento possível na tabela periódica . [68]

Hahn e Strassmann, e independentemente Kurt Starke , também estavam trabalhando em elementos transurânicos em Berlim. É provável que Hahn e Strassmann estivessem cientes de que o plutônio-239 deveria ser físsil. No entanto, eles não tinham uma fonte de nêutrons forte. O elemento 93 foi relatado por Hahn e Strassmann, bem como por Starke, em 1942. O grupo de Hahn não buscou o elemento 94, provavelmente porque eles foram desencorajados pela falta de sucesso de McMillan e Abelson em isolá-lo quando encontraram o elemento 93. No entanto, uma vez que o grupo de Hahn teve acesso ao ciclotron mais forte em Paris neste ponto, eles provavelmente teriam sido capazes de detectar plutônio se tivessem tentado, embora em pequenas quantidades (alguns becquerels ). [69]

Pesquisa inicial

O planeta anão Plutão , após o qual o plutônio é nomeado

Descobriu-se que a química do plutônio se assemelha ao urânio após alguns meses de estudo inicial. [34] As primeiras pesquisas continuaram no secreto Laboratório Metalúrgico da Universidade de Chicago . Em 20 de agosto de 1942, uma quantidade vestigial deste elemento foi isolada e medida pela primeira vez. Cerca de 50 microgramas de plutônio-239 combinado com urânio e produtos da fissão foram produzidos e apenas cerca de 1 micrograma foi isolado. [46] [70] Este procedimento permitiu aos químicos determinar o peso atômico do novo elemento. [71] [nota 4] Em 2 de dezembro de 1942, em uma quadra de raquete sob a arquibancada oeste no Stagg Field da Universidade de Chicago, pesquisadores chefiados por Enrico Fermialcançou a primeira reação em cadeia autossustentável em uma pilha de grafite e urânio conhecida como CP-1 . Usando informações teóricas obtidas com a operação do CP-1, a DuPont construiu um reator de produção experimental resfriado a ar, conhecido como X-10 , e uma instalação piloto de separação química em Oak Ridge. A instalação de separação, usando métodos desenvolvidos por Glenn T. Seaborg e uma equipe de pesquisadores do Met Lab, removeu o plutônio do urânio irradiado no reator X-10. As informações do CP-1 também foram úteis para os cientistas do Met Lab que projetaram os reatores de produção de plutônio resfriados a água para Hanford. A construção do local começou em meados de 1943. [72]

Em novembro de 1943, algum trifluoreto de plutônio foi reduzido para criar a primeira amostra de plutônio metálico: alguns microgramas de contas metálicas. [46] Plutônio suficiente foi produzido para torná-lo o primeiro elemento feito sinteticamente a ser visível a olho nu. [73]

As propriedades nucleares do plutônio-239 também foram estudadas; os pesquisadores descobriram que, quando é atingido por um nêutron, ele se separa (fissões), liberando mais nêutrons e energia. Esses nêutrons podem atingir outros átomos de plutônio-239 e assim por diante em uma reação em cadeia exponencialmente rápida. Isso pode resultar em uma explosão grande o suficiente para destruir uma cidade se uma quantidade suficiente do isótopo for concentrada para formar uma massa crítica . [34]

Durante os primeiros estágios da pesquisa, os animais foram usados ​​para estudar os efeitos das substâncias radioativas na saúde. Esses estudos começaram em 1944 na Universidade da Califórnia no Laboratório de Radiação de Berkeley e foram conduzidos por Joseph G. Hamilton. Hamilton estava procurando responder a perguntas sobre como o plutônio poderia variar no corpo dependendo do modo de exposição (ingestão oral, inalação, absorção pela pele), taxas de retenção e como o plutônio seria fixado nos tecidos e distribuído entre os vários órgãos. Hamilton começou a administrar porções de microgramas solúveis de compostos de plutônio-239 a ratos usando diferentes estados de valência e diferentes métodos de introdução do plutônio (oral, intravenosa, etc.). Eventualmente, o laboratório de Chicago também conduziu seus próprios experimentos de injeção de plutônio usando diferentes animais, como camundongos, coelhos,peixes e até cachorros. Os resultados dos estudos em Berkeley e Chicago mostraram que o comportamento fisiológico do plutônio diferia significativamente do rádio. O resultado mais alarmante foi que havia deposição significativa de plutônio no fígado e na porção do osso que "metaboliza ativamente". Além disso, a taxa de eliminação de plutônio nas excretas diferia entre as espécies de animais em até cinco vezes. Essa variação tornava extremamente difícil estimar qual seria a taxa para os seres humanos.porção de osso. Além disso, a taxa de eliminação de plutônio nas excretas diferia entre as espécies de animais em até cinco vezes. Essa variação tornava extremamente difícil estimar qual seria a taxa para os seres humanos.porção de osso. Além disso, a taxa de eliminação de plutônio nas excretas diferia entre as espécies de animais em até cinco vezes. Essa variação tornava extremamente difícil estimar qual seria a taxa para os seres humanos.[74]

Produção durante o Projeto Manhattan

Durante a Segunda Guerra Mundial, o governo dos Estados Unidos criou o Projeto Manhattan , que tinha a tarefa de desenvolver uma bomba atômica. Os três principais locais de pesquisa e produção do projeto foram a instalação de produção de plutônio no que agora é Hanford Site , as instalações de enriquecimento de urânio em Oak Ridge, Tennessee , e o laboratório de design e pesquisa de armas, agora conhecido como Laboratório Nacional de Los Alamos . [75]

Tall square industrial room seen from above. Its cement walls have metal ladders and meshes, and a dozen people work on the floor.
A face do reator Hanford B em construção - o primeiro reator de produção de plutônio
Aerial shot of Hanford
O local de Hanford representa dois terços dos resíduos radioativos de alto nível do país em volume. Reatores nucleares se alinham na margem do rio em Hanford Site, ao longo do rio Columbia, em janeiro de 1960.

O primeiro reator de produção que produziu plutônio-239 foi o reator X-10 Graphite . Ele entrou no ar em 1943 e foi construído em uma instalação em Oak Ridge que mais tarde se tornou o Oak Ridge National Laboratory . [34] [nota 5]

Em janeiro de 1944, os trabalhadores lançaram as bases para o primeiro prédio de separação química, a fábrica T localizada em 200-West. Tanto a planta T quanto sua planta irmã em 200-West, a planta U, foram concluídas em outubro. (A planta U foi usada apenas para treinamento durante o Projeto Manhattan.) O edifício de separação na planta 200-East, B, foi concluído em fevereiro de 1945. A segunda instalação planejada para 200-East foi cancelada. Apelidados de Rainha Marias pelos trabalhadores que os construíram, os edifícios de separação eram impressionantes estruturas semelhantes a um cânion, com 250 metros de comprimento, 20 metros de largura e 24 metros de altura, contendo quarenta piscinas de processo. O interior tinha uma qualidade assustadora, pois os operadores atrás de dois metros de blindagem de concreto manipulavam o equipamento de controle remoto olhando através de monitores de televisão e periscópios de uma galeria superior. Mesmo com enormes tampas de concreto nas piscinas de processo,precauções contra a exposição à radiação foram necessárias e influenciaram todos os aspectos do projeto da planta.[72]

Em 5 de abril de 1944, Emilio Segrè em Los Alamos recebeu a primeira amostra de plutônio produzido em reator de Oak Ridge. [77] Dentro de dez dias, ele descobriu que o plutônio gerado no reator tinha uma concentração mais alta do isótopo plutônio-240 do que o plutônio produzido pelo ciclotron. O plutônio-240 tem uma alta taxa de fissão espontânea, aumentando o nível geral de nêutrons de fundo da amostra de plutônio. [78] A arma de plutônio do tipo canhão original , de codinome " Thin Man ", teve que ser abandonada como resultado - o aumento do número de nêutrons espontâneos significava que a pré-detonação nuclear ( efervescência ) era provável. [79]

Todo o esforço de design de arma de plutônio em Los Alamos foi logo alterado para o dispositivo de implosão mais complicado, de codinome " Fat Man ". Com uma arma de implosão, o plutônio é comprimido a uma alta densidade com lentes explosivas - uma tarefa tecnicamente mais desanimadora do que o design do tipo de arma simples, mas necessário para usar o plutônio para fins de armas. O urânio enriquecido , ao contrário, pode ser usado com qualquer um dos métodos. [79]

A construção do Hanford B Reactor , o primeiro reator nuclear de tamanho industrial para fins de produção de material, foi concluída em março de 1945. O B Reactor produziu o material físsil para as armas de plutônio usadas durante a Segunda Guerra Mundial. [nota 6] B, D e F foram os reatores iniciais construídos em Hanford, e seis reatores adicionais de produção de plutônio foram construídos posteriormente no local. [82]

No final de janeiro de 1945, o plutônio altamente purificado passou por uma concentração adicional no edifício de isolamento químico concluído, onde as impurezas remanescentes foram removidas com sucesso. Los Alamos recebeu seu primeiro plutônio de Hanford em 2 de fevereiro. Embora ainda não estivesse claro que plutônio suficiente poderia ser produzido para uso em bombas no final da guerra, Hanford estava em operação no início de 1945. Apenas dois anos se passaram desde que o coronel Franklin Matthias instalou pela primeira vez seu quartel-general temporário nas margens do rio Columbia. [72]

De acordo com Kate Brown , as fábricas de produção de plutônio em Hanford e Mayak na Rússia, durante um período de quatro décadas, "ambas liberaram mais de 200 milhões de curies de isótopos radioativos no ambiente circundante - o dobro da quantidade expelida no desastre de Chernobyl em cada instância " [83] A maior parte dessa contaminação radioativa ao longo dos anos fazia parte das operações normais, mas acidentes imprevistos ocorreram e a administração da planta manteve esse segredo, pois a poluição continuou inabalável. [83]

Em 2004, um cofre foi descoberto durante as escavações de uma vala funerária no local nuclear de Hanford . Dentro do cofre havia vários itens, incluindo uma grande garrafa de vidro contendo uma pasta esbranquiçada que foi posteriormente identificada como a amostra mais antiga de plutônio para armas que existe. A análise de isótopos pelo Pacific Northwest National Laboratory indicou que o plutônio na garrafa foi fabricado no X-10 Graphite Reactor em Oak Ridge durante 1944. [84] [85] [86]

Bombas atômicas Trinity e Fat Man

Two diagrams of weapon assembly. Top: "gun-type assembly method" — an elliptical shell encloses conventional chemical explosives on the left, whose detonation pushes sub-critical pieces of uranium-235 together on the right. Bottom: "implosion assembly method" — a spherical shell encloses eight high-explosive charges which upon detonation compress a plutonium charge in the core.
Devido à presença de plutônio-240 no plutônio gerado em reator, o projeto de implosão foi desenvolvido para as armas " Fat Man " e " Trinity "

O primeiro teste de bomba atômica, de codinome "Trinity" e detonado em 16 de julho de 1945, perto de Alamogordo, Novo México , usou plutônio como seu material físsil. [46] O projeto de implosão do " gadget ", como o dispositivo Trinity era codinome, usava lentes explosivas convencionais para comprimir uma esfera de plutônio em uma massa supercrítica, que foi simultaneamente banhada com nêutrons do "Urchin" , um iniciador feito de polônio e berílio ( fonte de nêutrons : reação (α, n) ). [34] Juntos, eles garantiram uma explosão e uma reação em cadeia descontrolada. A arma geral pesava mais de 4toneladas , embora usasse apenas 6,2 kg de plutônio em seu núcleo. [87] Cerca de 20% do plutônio usado na arma Trinity sofreu fissão, resultando em uma explosão com uma energia equivalente a aproximadamente 20.000 toneladas de TNT. [88] [nota 7]

Um projeto idêntico foi usado na bomba atômica "Fat Man" lançada em Nagasaki , Japão , em 9 de agosto de 1945, matando 35.000–40.000 pessoas e destruindo 68% -80% da produção de guerra em Nagasaki. [90] Somente após o anúncio das primeiras bombas atômicas, a existência e o nome do plutônio foram divulgados ao público pelo Relatório Smyth do Projeto Manhattan . [91]

Uso e desperdício da Guerra Fria

Grandes estoques de plutônio para armas foram acumulados tanto pela União Soviética quanto pelos Estados Unidos durante a Guerra Fria . Os reatores americanos em Hanford e Savannah River Site na Carolina do Sul produziram 103 toneladas, [92] e cerca de 170 toneladas de plutônio de nível militar foram produzidas na URSS. [93] [nota 8] A cada ano, cerca de 20 toneladas do elemento ainda são produzidas como um subproduto da indústria de energia nuclear . [11] Até 1000 toneladas de plutônio podem estar armazenadas com mais de 200 toneladas dentro ou extraídas de armas nucleares. [34] SIPRI estimou o plutônio mundialo estoque em 2007 era de cerca de 500 toneladas, dividido igualmente entre armas e estoques civis. [95]

A contaminação radioativa na planta Rocky Flats resultou principalmente de dois grandes incêndios de plutônio em 1957 e 1969. Concentrações muito mais baixas de isótopos radioativos foram liberadas ao longo da vida operacional da planta de 1952 a 1992. Os ventos predominantes da planta carregaram a contaminação aerotransportada ao sul e ao leste , em áreas povoadas a noroeste de Denver. A contaminação da área de Denver pelo plutônio dos incêndios e outras fontes não foi relatada publicamente até a década de 1970. De acordo com um estudo de 1972 com coautoria de Edward Martell , "Nas áreas mais densamente povoadas de Denver, o nível de contaminação de Pu nos solos superficiais é várias vezes radioativo", e a contaminação por plutônio "logo a leste da fábrica de Rocky Flats varia centenas de vezes mais que os testes nucleares ".[96] Conforme observado por Carl Johnson em Ambio , "As exposições de uma grande população na área de Denver ao plutônio e outros radionuclídeos nas plumas de exaustão da planta datam de 1953." [97] A produção de armas na fábrica de Rocky Flats foi interrompida após umataquecombinado do FBI e da EPA em 1989 e anos de protestos. A fábrica já foi fechada, com seus prédios demolidos e totalmente removidos do local. [98]

Nos Estados Unidos, parte do plutônio extraído de armas nucleares desmontadas é derretido para formar toras de vidro de óxido de plutônio que pesam duas toneladas. [34] O vidro é feito de borossilicatos misturados com cádmio e gadolínio . [nota 9] Essas toras são planejadas para serem envoltas em aço inoxidável e armazenadas até 4 km (2 mi) no subsolo em furos que serão preenchidos com concreto . [34] Os EUA planejaram armazenar plutônio desta forma no repositório de lixo nuclear da Montanha Yucca , que fica a cerca de 100 milhas (160 km) a nordeste de Las Vegas, Nevada .[99]

Em 5 de março de 2009, o secretário de Energia Steven Chu disse em uma audiência no Senado que "o local da montanha Yucca não era mais visto como uma opção para armazenar resíduos do reator". [100] A partir de 1999, o lixo nuclear gerado pelos militares está sendo sepultado na Usina Piloto de Isolamento de Resíduos no Novo México.

Em um memorando presidencial datado de 29 de janeiro de 2010, o presidente Obama estabeleceu a Comissão da Fita Azul sobre o Futuro Nuclear da América . [101] Em seu relatório final, a Comissão apresentou recomendações para o desenvolvimento de uma estratégia abrangente a ser seguida, incluindo: [102]

“Recomendação nº 1: Os Estados Unidos devem empreender um programa integrado de gestão de resíduos nucleares que leve ao desenvolvimento oportuno de uma ou mais instalações geológicas profundas permanentes para o descarte seguro de combustível irradiado e resíduos nucleares de alto nível”. [102]

Experimentação médica

Durante e após o fim da Segunda Guerra Mundial, os cientistas que trabalharam no Projeto Manhattan e em outros projetos de pesquisa de armas nucleares conduziram estudos sobre os efeitos do plutônio em animais de laboratório e seres humanos. [103] Estudos em animais descobriram que alguns miligramas de plutônio por quilograma de tecido é uma dose letal. [104]

No caso de seres humanos, isso envolveu a injeção de soluções contendo (tipicamente) cinco microgramas de plutônio em pacientes hospitalares considerados como estando em estado terminal ou com expectativa de vida de menos de dez anos devido à idade ou condição de doença crônica. [103] Isso foi reduzido para um micrograma em julho de 1945, depois que estudos em animais descobriram que a maneira como o plutônio se distribuía nos ossos era mais perigosa do que o rádio . [104] A maioria dos sujeitos, Eileen Welsome diz, eram pobres, impotentes e doentes. [105]

De 1945 a 1947, dezoito cobaias humanas foram injetadas com plutônio sem consentimento informado . Os testes foram usados ​​para criar ferramentas de diagnóstico para determinar a absorção de plutônio no corpo, a fim de desenvolver padrões de segurança para trabalhar com plutônio. [103] Ebb Cade foi um participante involuntário de experimentos médicos que envolveram a injeção de 4,7 microgramas de plutônio em 10 de abril de 1945 em Oak Ridge, Tennessee . [106] [107] Este experimento estava sob a supervisão de Harold Hodge . [108] Outros experimentos dirigidos pela Comissão de Energia Atômica dos Estados Unidos e o Projeto Manhattan continuaram na década de 1970.The Plutonium Files narra a vida dos sujeitos do programa secreto, nomeando cada pessoa envolvida e discutindo a pesquisa ética e médica conduzida em segredo por cientistas e médicos. O episódio agora é considerado uma violação grave da ética médica e do Juramento de Hipócrates . [109]

O governo encobriu a maioria desses contratempos de radiação até 1993, quando o presidente Bill Clinton ordenou uma mudança de política e as agências federais disponibilizaram os registros relevantes. A investigação resultante foi realizada pelo Comitê Consultivo em Experimentos de Radiação Humana do presidente , e descobriu muito do material sobre a pesquisa do plutônio em humanos. O comitê publicou um relatório polêmico de 1995 que dizia que "erros foram cometidos", mas não condenou aqueles que os perpetraram. [105]

Formulários

Explosivos

Photo of an atomic explosion mushroom cloud with a gray stem and white cap
A bomba atômica lançada em Nagasaki, Japão, em 1945, tinha um núcleo de plutônio.

O isótopo plutônio-239 é um componente físsil chave em armas nucleares, devido à sua facilidade de fissão e disponibilidade. Encapsular o poço de plutônio da bomba em um adulterador (uma camada opcional de material denso) diminui a quantidade de plutônio necessária para atingir a massa crítica , refletindo os nêutrons que escapam de volta para o núcleo de plutônio. Isso reduz a quantidade de plutônio necessária para atingir a criticidade de 16 kg para 10 kg, que é uma esfera com um diâmetro de cerca de 10 centímetros (4 pol.). [110] Esta massa crítica é cerca de um terço da do urânio-235. [5]

As bombas de plutônio Fat Man usaram compressão explosiva de plutônio para obter densidades significativamente mais altas do que o normal, combinado com uma fonte de nêutrons central para iniciar a reação e aumentar a eficiência. Assim, apenas 6,2 kg de plutônio eram necessários para um rendimento explosivo equivalente a 20 quilotons de TNT. [88] [111] Hipoteticamente, tão pouco quanto 4 kg de plutônio - e talvez até menos - poderia ser usado para fazer uma única bomba atômica usando designs de montagem muito sofisticados. [111]

Combustível de óxido misto

O combustível nuclear usado de reatores normais de água leve contém plutônio, mas é uma mistura de plutônio-242 , 240, 239 e 238. A mistura não é suficientemente enriquecida para armas nucleares eficientes, mas pode ser usada uma vez como combustível MOX . [112] acidental de captura de neutrões faz com que a quantidade de plutónio-242 e 240 a crescer cada vez que o plutónio é irradiada num reactor com baixa velocidade neutrões "térmico", de modo que após o segundo ciclo, o plutónio só pode ser consumida pelo rápido reatores de nêutrons. Se os reatores de nêutrons rápidos não estiverem disponíveis (o caso normal), o excesso de plutônio geralmente é descartado e forma um dos componentes de vida mais longa do lixo nuclear. O desejo de consumir esse plutônio e outros combustíveis transurânicos e reduzir a radiotoxicidade dos resíduos é o motivo usual que os engenheiros nucleares dão para fazer reatores de nêutrons rápidos. [113]

O processo químico mais comum, PUREX ( tração P lutônio - UR anium EX ), reprocessa o combustível nuclear usado para extrair plutônio e urânio, que podem ser usados ​​para formar um combustível de óxido misto (MOX) para reutilização em reatores nucleares. Plutônio para armas pode ser adicionado à mistura de combustível. O combustível MOX é usado em reatores de água leve e consiste em 60 kg de plutônio por tonelada de combustível; após quatro anos, três quartos do plutônio são queimados (transformados em outros elementos). [34] Reatores reprodutores são projetados especificamente para criar mais material fissionável do que consomem. [114]

O combustível MOX está em uso desde a década de 1980 e é amplamente utilizado na Europa. [112] Em setembro de 2000, os Estados Unidos e a Federação Russa assinaram um Acordo de Gerenciamento e Disposição de Plutônio pelo qual cada um concordou em descartar 34 toneladas de plutônio para armas. [115] O Departamento de Energia dos EUA planeja descartar 34 toneladas de plutônio para armas nos Estados Unidos antes do final de 2019, convertendo o plutônio em um combustível MOX para ser usado em reatores nucleares comerciais. [115]

O combustível MOX melhora a queima total. Uma barra de combustível é reprocessada após três anos de uso para remover produtos residuais, que nessa época representam 3% do peso total das barras. [34] Quaisquer isótopos de urânio ou plutônio produzidos durante esses três anos são deixados e a haste volta à produção. [nota 10] A presença de até 1% de gálio por massa em liga de plutônio para armas tem o potencial de interferir na operação de longo prazo de um reator de água leve. [116]

O plutônio recuperado do combustível usado do reator apresenta pouco risco de proliferação, devido à contaminação excessiva com plutônio-240 e plutônio-242 não físseis. A separação dos isótopos não é viável. Um reator dedicado operando em combustão muito baixa (portanto, exposição mínima de plutônio-239 recém-formado a nêutrons adicionais que faz com que ele seja transformado em isótopos mais pesados ​​de plutônio) geralmente é necessário para produzir material adequado para uso em armas nucleares eficientes . Embora o plutônio "para armas" seja definido como contendo pelo menos 92% de plutônio-239 (do plutônio total), os Estados Unidos conseguiram detonar um dispositivo abaixo de 20Kt usando plutônio que se acredita conter apenas cerca de 85% de plutônio-239, o chamado plutônio "para combustível".[117] O plutônio de "grau de reator" produzido por um ciclo regular de queima de LWR normalmente contém menos de 60% de Pu-239, com até 30% de Pu-240 / Pu-242 parasita e 10-15% de Pu-241 físsil . [117] Não se sabe se um dispositivo usando plutônio obtido a partir de resíduos nucleares civis reprocessados ​​pode ser detonado, no entanto, tal dispositivo poderia hipoteticamente efervescer e espalhar materiais radioativos em uma grande área urbana. A IAEA classifica conservadoramente o plutônio de todos os vetores isotópicos como material de "uso direto", ou seja, "material nuclear que pode ser usado para a fabricação de componentes de explosivos nucleares sem transmutação ou enriquecimento posterior". [117]

Fonte de energia e calor

Glowing cylinder of plutonium oxide standing in a circular pit
Um cilindro brilhante de 238 PuO 2
Glowing graphite cube containing plutonium-238 oxide
O gerador termoelétrico de radioisótopo 238 PuO 2 do rover Curiosity

O isótopo plutônio-238 tem meia-vida de 87,74 anos. [118] Ele emite uma grande quantidade de energia térmica com baixos níveis de raios gama / fótons e raios / partículas de nêutrons espontâneos. [119] Por ser um emissor alfa, ele combina radiação de alta energia com baixa penetração e, portanto, requer proteção mínima. Uma folha de papel pode ser usada para proteger contra as partículas alfa emitidas pelo plutônio-238. Um quilograma do isótopo pode gerar cerca de 570 watts de calor. [5] [119]

Essas características o tornam adequado para geração de energia elétrica para dispositivos que devem funcionar sem manutenção direta em escalas de tempo que se aproximam da vida humana. É, portanto, usado em geradores termoelétricos de radioisótopos e unidades de aquecedores de radioisótopos , como os da Cassini , [120] Voyager , Galileo e New Horizons [121] sondas espaciais e os rovers de Marte Curiosity [122] e Perseverance ( Mars 2020 ) .

As duas espaçonaves Voyager foram lançadas em 1977, cada uma contendo uma fonte de energia de plutônio de 500 watts. Mais de 30 anos depois, cada fonte ainda está produzindo cerca de 300 watts, o que permite a operação limitada de cada espaçonave. [123] Uma versão anterior da mesma tecnologia alimentou cinco Pacotes Experimentais da Superfície Lunar Apollo , começando com a Apollo 12 em 1969. [34]

O plutônio-238 também foi usado com sucesso para alimentar marca- passos cardíacos artificiais , para reduzir o risco de cirurgias repetidas. [124] [125] Ele foi amplamente substituído por células primárias à base de lítio , mas em 2003 havia algo entre 50 e 100 marcapassos movidos a plutônio ainda implantados e funcionando em pacientes vivos nos Estados Unidos. [126] No final de 2007, o número de marcapassos movidos a plutônio caiu para apenas nove. [127] O plutônio-238 foi estudado como uma forma de fornecer calor suplementar ao mergulho autônomo . [128] Plutônio-238 misturado com berílio é usado para gerar nêutrons para fins de pesquisa.[34]

Precauções

Toxicidade

Existem dois aspectos para os efeitos nocivos do plutônio: a radioatividade e os efeitos do veneno de metais pesados . Isótopos e compostos de plutônio são radioativos e se acumulam na medula óssea . A contaminação por óxido de plutônio resultou de desastres nucleares e incidentes radioativos , incluindo acidentes nucleares militares onde armas nucleares foram queimadas. [129] Estudos dos efeitos dessas liberações menores, bem como do envenenamento por radiação generalizado, doença e morte após os bombardeios atômicos de Hiroshima e Nagasaki , forneceram informações consideráveis ​​sobre os perigos, sintomas e prognóstico do envenenamento por radiação , que no caso doOs sobreviventes japoneses não tiveram nenhuma relação com a exposição direta ao plutônio. [130]

Durante a decomposição do plutônio, três tipos de radiação são liberados - alfa, beta e gama. As radiações alfa, beta e gama são todas formas de radiação ionizante . Tanto a exposição aguda quanto a de longo prazo acarreta o perigo de consequências graves para a saúde, incluindo enjoo por radiação , danos genéticos , câncer e morte. O perigo aumenta com a quantidade de exposição. [34] A radiação alfa pode viajar apenas uma curta distância e não pode viajar através da camada externa morta da pele humana. A radiação beta pode penetrar na pele humana, mas não pode percorrer todo o corpo. A radiação gama pode percorrer todo o corpo. [131] Embora a radiação alfa não possa penetrar na pele, o plutônio ingerido ou inalado irradia órgãos internos. [34] Foi descoberto que partículas alfa geradas por plutônio inalado causam câncer de pulmão em uma coorte de trabalhadores nucleares europeus. [132] O esqueleto , onde o plutônio se acumula, e o fígado , onde ele se acumula e se concentra, estão em risco. [33] O plutônio não é absorvido pelo corpo de forma eficiente quando ingerido; apenas 0,04% do óxido de plutônio é absorvido após a ingestão. [34] O plutônio absorvido pelo corpo é excretado muito lentamente, com meia-vida biológica de 200 anos. [133]O plutônio passa apenas lentamente através das membranas celulares e limites intestinais, então a absorção por ingestão e incorporação na estrutura óssea ocorre muito lentamente. [134] [135] Donald Mastick acidentalmente engoliu uma pequena quantidade de cloreto de plutônio (III) , que foi detectável pelos próximos trinta anos de sua vida, mas parecia não ter sofrido nenhum efeito nocivo. [136]

O plutônio é mais perigoso quando inalado do que ingerido. O risco de câncer de pulmão aumenta quando a dose total de radiação equivalente ao plutônio inalado excede 400 mSv . [137] O Departamento de Energia dos EUA estima que o risco de câncer ao longo da vida por inalar 5.000 partículas de plutônio, cada uma com cerca de 3  µm de largura, é de 1% acima da média dos EUA. [138] A ingestão ou inalação de grandes quantidades pode causar envenenamento por radiação agudo e, possivelmente, morte. No entanto, nenhum ser humano morreu devido à inalação ou ingestão de plutônio, e muitas pessoas têm quantidades mensuráveis ​​de plutônio em seus corpos. [117]

A teoria da " partícula quente " na qual uma partícula de pó de plutônio irradia um ponto localizado do tecido pulmonar não é apoiada pela pesquisa convencional - tais partículas são mais móveis do que se pensava originalmente e a toxicidade não é mensurávelmente aumentada devido à forma particulada. [134] Quando inalado, o plutônio pode passar para a corrente sanguínea. Uma vez na corrente sanguínea, o plutônio se move por todo o corpo e para os ossos, fígado ou outros órgãos do corpo. O plutônio que atinge os órgãos do corpo geralmente permanece no corpo por décadas e continua a expor o tecido circundante à radiação e, portanto, pode causar câncer. [139]

Uma citação comumente citada por Ralph Nader afirma que meio quilo de poeira de plutônio espalhada na atmosfera seria suficiente para matar 8 bilhões de pessoas. [140] Isto foi contestado por Bernard Cohen , um oponente do modelo linear sem limiar geralmente aceito de toxicidade por radiação. Cohen estimou que meio quilo de plutônio não mataria mais de 2 milhões de pessoas por inalação, de modo que a toxicidade do plutônio é aproximadamente equivalente à do gás nervoso . [141]

Várias populações de pessoas que foram expostas à poeira de plutônio (por exemplo, pessoas que vivem a favor do vento nos locais de teste de Nevada, sobreviventes de Nagasaki, trabalhadores de instalações nucleares e pacientes "em estado terminal" injetados com Pu em 1945-1946 para estudar o metabolismo do Pu) foram cuidadosamente seguidas e analisados. Cohen descobriu que esses estudos são inconsistentes com as altas estimativas de toxicidade do plutônio, citando casos como o de Albert Stevens, que sobreviveu até a velhice após ser injetado com plutônio. [134] "Havia cerca de 25 trabalhadores do Laboratório Nacional de Los Alamos que inalaram uma quantidade considerável de pó de plutônio durante os anos 1940; de acordo com a teoria das partículas quentes, cada um deles tem uma chance de 99,5% de estar morto de câncer de pulmão agora, mas não houve um único câncer de pulmão entre eles. "[141][142]

Toxicidade marinha

Investigar a toxicidade do plutônio em humanos é tão importante quanto observar os efeitos dos sistemas marinhos na fauna. O plutônio é conhecido por entrar no ambiente marinho despejando resíduos ou vazamento acidental de usinas nucleares. Embora as maiores concentrações de plutônio em ambientes marinhos sejam encontradas nos sedimentos, o complexo ciclo biogeoquímico do plutônio significa que ele também é encontrado em todos os outros compartimentos. [143] Por exemplo, várias espécies de zooplâncton que auxiliam no ciclo dos nutrientes irão consumir o elemento diariamente. A excreção completa do plutônio ingerido pelo zooplâncton torna sua defecação um mecanismo extremamente importante na eliminação do plutônio das águas superficiais. [144] No entanto, o zooplâncton que sucumbe à predação por organismos maiores pode se tornar um veículo de transmissão do plutônio para os peixes.

Além do consumo, os peixes também podem ser expostos ao plutônio por sua distribuição geográfica ao redor do globo. Um estudo investigou os efeitos dos elementos de transurânio ( plutônio-238 , plutônio-239 , plutônio-240 ) em vários peixes que vivem na Zona de Exclusão de Chernobyl (CEZ). Os resultados mostraram que uma proporção de poleiros femininos no CEZ exibiu uma falha ou atraso na maturação das gônadas. [145] Estudos semelhantes encontraram grandes acúmulos de plutônio nos órgãos respiratórios e digestivos do bacalhau, solha e arenque. [143]

A toxicidade do plutônio é igualmente prejudicial para as larvas de peixes em áreas de resíduos nucleares. Ovos não desenvolvidos têm um risco maior do que peixes adultos desenvolvidos expostos ao elemento nessas áreas de dejetos. O Oak Ridge National Laboratory mostrou que os embriões de carpa e peixinho criados em soluções contendo isótopos de plutônio não eclodiram; os ovos que eclodiram exibiram anormalidades significativas quando comparados aos embriões desenvolvidos controle. [146] Ele revelou que concentrações mais altas de plutônio podem causar problemas na fauna marinha exposta ao elemento.

Potencial de criticidade

A stack of square metal plates with a side about 10 inches. In the 3-inch hole in the top plate there is a gray metal ball simulating Pu.
Uma esfera de plutônio simulado cercada por blocos de carboneto de tungstênio que refletem nêutrons em uma reconstituição do experimento de 1945 de Harry Daghlian

Deve-se ter cuidado para evitar o acúmulo de quantidades de plutônio que se aproximam da massa crítica, particularmente porque a massa crítica do plutônio é apenas um terço da do urânio-235. [5] Uma massa crítica de plutônio emite quantidades letais de nêutrons e raios gama . [147] O plutônio em solução tem mais probabilidade de formar uma massa crítica do que a forma sólida devido à moderação pelo hidrogênio na água. [ duvidoso ] [11]

Acidentes graves ocorreram no passado, alguns deles com consequências letais. O manuseio descuidado de tijolos de carboneto de tungstênio em torno de uma esfera de plutônio de 6,2 kg resultou em uma dose fatal de radiação em Los Alamos em 21 de agosto de 1945, quando o cientista Harry Daghlian recebeu uma dose estimada em 5,1 sievert (510  rems ) e morreu 25 dias depois. [148] [149] Nove meses depois, outro cientista de Los Alamos, Louis Slotin , morreu de um acidente semelhante envolvendo um refletor de berílio e o mesmo núcleo de plutônio (o chamado " núcleo de demônio ") que anteriormente havia reivindicado a vida de Daghlian . [150]

Em dezembro de 1958, durante um processo de purificação do plutônio em Los Alamos, uma massa crítica foi formada em um recipiente de mistura, o que resultou na morte de um operador químico chamado Cecil Kelley . Outros acidentes nucleares ocorreram na União Soviética, Japão, Estados Unidos e muitos outros países. [151]

Inflamabilidade

O plutônio metálico é um risco de incêndio, especialmente se o material for finamente dividido. Em um ambiente úmido, o plutônio forma hidretos em sua superfície, que são pirofóricos e podem inflamar no ar em temperatura ambiente. O plutônio se expande até 70% em volume à medida que se oxida e, portanto, pode quebrar seu recipiente. [36] A radioatividade do material em combustão é um perigo adicional. A areia de óxido de magnésio é provavelmente o material mais eficaz para extinguir um incêndio de plutônio. Ele resfria o material em combustão, agindo como um dissipador de calor e também bloqueia o oxigênio. Precauções especiais são necessárias para armazenar ou manusear o plutônio em qualquer forma; geralmente é necessária uma atmosfera de gás inerte seco . [36] [nota 11]

Transporte

Terra e mar

O transporte usual de plutônio é através do óxido de plutônio mais estável em uma embalagem selada. Um transporte típico consiste em um caminhão carregando um contêiner de transporte protegido, contendo vários pacotes com um peso total variando de 80 a 200 kg de óxido de plutônio. Uma remessa marítima pode consistir em vários contêineres, cada um deles contendo uma embalagem lacrada. [153] A Comissão Reguladora Nuclear dos Estados Unidos dita que deve ser sólido em vez de pó se o conteúdo ultrapassar 0,74  TBq (20  Curies ) de atividade radioativa. [154] Em 2016, os navios Pacific Egret [155] e Pacific Heronda Pacific Nuclear Transport Ltd. transportou 331 kg (730 lbs) de plutônio para uma instalação do governo dos Estados Unidos em Savannah River , na Carolina do Sul . [156] [157]

Ar

Os regulamentos de transporte aéreo do governo dos EUA permitem o transporte de plutônio por via aérea, sujeito a restrições sobre outros materiais perigosos transportados no mesmo voo, requisitos de embalagem e armazenamento na parte traseira da aeronave. [158]

Em 2012, a mídia revelou que o plutônio foi transportado para fora da Noruega em companhias aéreas comerciais de passageiros - a cada dois anos - incluindo uma vez em 2011. [159] Os regulamentos permitem que um avião transporte 15 gramas de material fissionável. [159] Tal transporte de plutônio é feito sem problemas, de acordo com um consultor sênior ( seniorrådgiver ) em Statens strålevern . [159]

Notas

Notas de rodapé

  1. ^ O PuO+
    2
    íon é instável em solução e será desproporcional em Pu 4+ e PuO2+
    2
    ; o Pu 4+ oxidará o PuO restante+
    2
    para PuO2+
    2
    , sendo por sua vez reduzido a Pu 3+ . Assim, soluções aquosas de PuO+
    2
    tendem ao longo do tempo para uma mistura de Pu 3+ e PuO2+
    2
    . UO+
    2
    é instável pelo mesmo motivo. [27]
  2. ^ Esta não foi a primeira vez que alguém sugeriu que um elemento fosse denominado "plutônio". Uma década depois que o bário foi descoberto, um professor da Universidade de Cambridge sugeriu que ele fosse renomeado para "plutônio" porque o elemento não era (como sugerido pelaraiz grega , barys , foi o nome que lhe deu) pesado. Ele raciocinou que, como foi produzido pela técnica relativamente nova de eletrólise , seu nome deveria se referir ao fogo . Assim, ele sugeriu que fosse nomeado em homenagem ao deus romano do submundo, Plutão . [65]
  3. ^ Como diz um artigo, referindo-se à informação que Seaborg deu em uma palestra: "A escolha óbvia para o símbolo seria Pl, mas, jocosamente, Seaborg sugeriu Pu, como as palavras que uma criança exclama, 'Pee-yoo!' ao cheirar algo ruim. Seaborg pensou que receberia uma grande quantidade de críticas por causa dessa sugestão, mas o comitê de nomeação aceitou o símbolo sem dizer uma palavra. " [67]
  4. ^ A sala 405 do Laboratório George Herbert Jones , onde ocorreu o primeiro isolamento de plutônio, foi nomeada um marco histórico nacional em maio de 1967.
  5. ^ Durante o Projeto Manhattan, o plutônio também era frequentemente referido como simplesmente "49": o número 4 era para o último dígito em 94 (número atômico do plutônio) e 9 era para o último dígito no plutônio-239, as armas- isótopo físsil de grau usado em bombas nucleares. [76]
  6. ^ A American Society of Mechanical Engineers (ASME) estabeleceu o B Reactor como um marco histórico nacional da engenharia mecânica em setembro de 1976. [80] Em agosto de 2008, o B Reactor foi designado um marco histórico nacional dos EUA. [81]
  7. ^ O cálculo da eficiência é baseado no fato de que 1 kg de plutônio-239 (ou urânio-235) resulta em uma liberação de energia de aproximadamente 17 kt , levando a uma estimativa arredondada de 1,2 kg de plutônio realmente fissionado para produzir o rendimento de 20 kt . [89]
  8. ^ Muito desse plutônio foi usado para fazer os núcleos fissionáveis ​​de um tipo de arma termonuclear empregando o projeto de Teller-Ulam . Essas chamadas 'bombas de hidrogênio' são uma variedade de armas nucleares que usam uma bomba de fissão para desencadear a fusão nuclear deisótopospesados ​​de hidrogênio . Seu rendimento destrutivo é comumente na casa dos milhões de toneladas de equivalente de TNT, em comparação com os milhares de toneladas de equivalente de TNT de dispositivos somente de fissão. [94]
  9. ^ Óxido de zircônio de gadolínio ( Gd
    2
    Zr
    2
    O
    7
    ) foi estudado porque pode reter plutônio por até 30 milhões de anos. [94]
  10. ^ Repartição de plutônio em uma barra de combustível nuclear gasto: plutônio-239 (~ 58%), 240 (24%), 241 (11%), 242 (5%) e 238 (2%). [94]
  11. ^ Houve um grande incêndio iniciado por plutônio na planta Rocky Flats perto de Boulder, Colorado em 1969. [152]

Citações

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