Plutonium-239

Sifat nuklir dari plutonium-239, serta kemampuannya untuk menghasilkan sejumlah besar ²³⁹Pu yang hampir murni lebih murah daripada uranium-235 jenis senjata yang sangat diperkaya, menyebabkan penggunaannya dalam senjata nuklir dan pembangkit listrik tenaga nuklir. Fisi atom uranium-235 dalam reaktor pembangkit listrik tenaga nuklir menghasilkan dua hingga tiga neutron, dan neutron ini dapat diserap oleh uranium-238 untuk menghasilkan plutonium-239 dan isotop lainnya. Plutonium-239 juga dapat menyerap neutron dan fisi bersama dengan uranium-235 dalam reaktor.

Dari semua bahan bakar nuklir yang umum, ²³⁹Pu memiliki massa kritis paling kecil. Massa kritis bulat yang tidak terpengaruh memiliki diameter sekitar 11 kg (24,2 lbs),^[2] 10,2 cm (4"). Dengan menggunakan pemicu yang sesuai, reflektor neutron, geometri ledakan, dan tamper, massa kritis bisa kurang dari setengahnya. Optimasi ini biasanya membutuhkan organisasi pengembangan nuklir besar yang didukung oleh negara yang berdaulat.

Pembelahan satu atom ²³⁹Pu menghasilkan 207,1 MeV = 3.318×10⁻¹¹ J, yaitu 19,98 TJ/mol = 83,61 TJ/kg,^[3] atau sekitar 23 gigawatt jam/kg.

Plutonium dibuat dari uranium-238. ²³⁹Pu biasanya dibuat dalam reaktor nuklir dengan transmutasi atom individu dari salah satu isotop uranium yang ada di batang bahan bakar. Kadang-kadang, ketika sebuah atom ²³⁸U terkena radiasi neutron, intinya akan menangkap neutron, mengubahnya menjadi ²³⁹U. Hal ini dapat terjadi lebih mudah dengan energi kinetik yang lebih rendah (karena aktivasi fisi ²³⁸U adalah 6,6 MeV). ²³⁹U kemudian dengan cepat mengalami dua peluruhan β⁻ — emisi elektron dan anti-neutrino (${\displaystyle {\bar {\nu }}_{e}}$ ), meninggalkan proton — peluruhan β⁻ pertama mengubah ²³⁹U menjadi neptunium-239, dan peluruhan β⁻ kedua mengubah ²³⁹Np menjadi ²³⁹Pu:

${\displaystyle {\ce {{}^{238}_{92}U + {}^{1}_{0}n -> {}^{239}_{92}U ->[\beta^-][23,5\ {\ce {mnt}}] {}^{239}_{93}Np ->[\beta^-][2,356\ {\ce {hri}}] {}^{239}_{94}Pu}}}$ 

Aktivitas fisi relatif jarang, sehingga bahkan setelah paparan yang signifikan, ²³⁹Pu masih bercampur dengan banyak ²³⁸U (dan mungkin isotop uranium lainnya), oksigen, komponen lain dari bahan asli, dan produk fisi. Hanya jika bahan bakar telah terpapar selama beberapa hari di dalam reaktor, ²³⁹Pu dapat dipisahkan secara kimia dari bahan lainnya untuk menghasilkan logam ²³⁹Pu dengan kemurnian tinggi.

²³⁹Pu memiliki kemungkinan fisi yang lebih tinggi daripada ²³⁵U dan jumlah neutron yang dihasilkan lebih banyak per peristiwa fisi, sehingga memiliki massa kritis yang lebih kecil. ²³⁹Pu murni juga memiliki tingkat emisi neutron yang cukup rendah karena adanya fisi spontan (10 fisi/s-kg), sehingga memungkinkannya untuk mengumpulkan massa yang sangat superkritis sebelum reaksi berantai detonasi dimulai.

Namun, dalam praktiknya, plutonium yang dibiakkan reaktor akan selalu mengandung sejumlah ²⁴⁰Pu karena kecenderungan ²³⁹Pu untuk menyerap neutron tambahan selama produksi. ²⁴⁰Pu memiliki tingkat kejadian fisi spontan yang tinggi (415.000 fisi/s-kg), menjadikannya kontaminan yang tidak diinginkan. Akibatnya, plutonium yang mengandung fraksi ²⁴⁰Pu yang signifikan tidak cocok untuk digunakan dalam senjata nuklir; ia memancarkan radiasi neutron, membuat penanganan menjadi lebih sulit, dan kehadirannya dapat menyebabkan "kegagalan" di mana ledakan kecil terjadi, menghancurkan senjata tetapi tidak menyebabkan fisi sebagian besar bahan bakar. (Namun, dalam senjata nuklir modern yang menggunakan generator neutron untuk inisiasi dan peningkatan fusi untuk memasok neutron ekstra, kegagalan tidak menjadi masalah.) Karena keterbatasan inilah senjata berbasis plutonium haruslah jenis delakan, bukan jenis bedil. Selain itu, ²³⁹Pu dan ²⁴⁰Pu tidak dapat dibedakan secara kimia, sehingga diperlukan pemisahan isotop yang mahal dan sulit untuk memisahkannya. Plutonium tingkat senjata didefinisikan mengandung tidak lebih dari 7% ²⁴⁰Pu; ini dicapai dengan hanya memaparkan ²³⁸U pada sumber neutron dalam waktu singkat untuk meminimalkan ²⁴⁰Pu yang dihasilkan.

Plutonium diklasifikasikan menurut persentase kontaminan plutonium-240 yang dikandungnya:

• Tingkat super 2–3%
• Tingkat senjata 3–7%
• Tingkat bahan bakar 7–18%
• Tingkat reaktor 18% atau lebih

Reaktor nuklir yang digunakan untuk memproduksi plutonium untuk senjata umumnya memiliki sarana untuk mengekspos ²³⁸U ke radiasi neutron dan untuk mengganti ²³⁸U yang disinari dengan ²³⁸U yang baru. Reaktor yang beroperasi dengan uranium yang tidak diperkaya atau cukup diperkaya mengandung banyak ²³⁸U. Namun, sebagian besar desain reaktor nuklir komersial mengharuskan seluruh reaktor dimatikan, seringkali selama berminggu-minggu, untuk mengubah unsur bahan bakar. Oleh karena itu mereka menghasilkan plutonium dalam campuran isotop yang tidak cocok untuk konstruksi senjata. Reaktor semacam itu dapat memiliki mesin yang ditambahkan yang memungkinkan slug ²³⁸U ditempatkan di dekat inti dan sering diganti, atau dapat sering dimatikan, sehingga proliferasi menjadi perhatian; untuk alasan ini, Badan Tenaga Atom Internasional sering memeriksa reaktor berlisensi. Beberapa desain reaktor daya komersial, seperti reaktor bolshoy moshchnosti kanalniy (RBMK) dan reaktor air berat bertekanan (PHWR), memungkinkan pengisian bahan bakar tanpa penutupan, dan dapat menimbulkan risiko proliferasi. (Faktanya, RBMK dibangun oleh Uni Soviet selama Perang Dingin, jadi terlepas dari tujuan mereka yang tampaknya damai, kemungkinan produksi plutonium adalah kriteria desain.) Sebaliknya, uranium alam yang dimoderasi air-berat CANDU Kanada berbahan bakar uranium reaktor juga dapat diisi bahan bakar saat beroperasi, tetapi biasanya menggunakan sebagian besar ²³⁹Pu yang dihasilkannya di tempat; dengan demikian, tidak hanya secara inheren kurang proliferatif daripada kebanyakan reaktor, tetapi bahkan dapat dioperasikan sebagai "insinerator aktinida".^[4] IFR (Reaktor cepat integral) Amerika juga dapat dioperasikan dalam "mode insinerasi", memiliki beberapa keuntungan dengan tidak mengakumulasi isotop plutonium-242 atau aktinida berumur panjang, yang tidak dapat dengan mudah dibakar kecuali dalam reaktor cepat. Juga, bahan bakar IFR memiliki proporsi isotop yang dapat terbakar yang tinggi, sedangkan di CANDU bahan inert diperlukan untuk mengencerkan bahan bakar; ini berarti IFR dapat membakar fraksi bahan bakar yang lebih tinggi sebelum memerlukan pemrosesan ulang. Kebanyakan plutonium diproduksi di reaktor penelitian atau reaktor produksi plutonium yang disebut reaktor pembiak karena mereka menghasilkan lebih banyak plutonium daripada yang mereka konsumsi bahan bakarnya; pada prinsipnya, reaktor semacam itu menggunakan uranium alam dengan sangat efisien. Dalam praktiknya, konstruksi dan pengoperasiannya cukup sulit sehingga umumnya hanya digunakan untuk memproduksi plutonium. Reaktor pembiak umumnya (tetapi tidak selalu) merupakan reaktor cepat, karena neutron cepat agak lebih efisien dalam produksi plutonium.

Plutonium-239 lebih sering digunakan dalam senjata nuklir daripada uranium-235, karena lebih mudah diperoleh dalam jumlah massa kritis. Baik plutonium-239 maupun uranium-235 diperoleh dari uranium alami, yang terutama terdiri dari uranium-238 tetapi mengandung jejak isotop uranium lain seperti uranium-235. Proses pengayaan uranium, yaitu meningkatkan rasio ²³⁵U ke ²³⁸U menjadi jenis senjata, umumnya merupakan proses yang lebih panjang dan mahal daripada produksi plutonium-239 dari ²³⁸U dan pemrosesan ulang berikutnya.

Bahan bakar fisi "tingkat super", yang memiliki radioaktivitas lebih sedikit, digunakan pada tahap utama senjata Angkatan Laut Amerika Serikat menggantikan plutonium konvensional yang digunakan dalam versi Angkatan Udara. "Tingkat super" merupakan istilah industri untuk paduan plutonium yang mengandung fraksi ²³⁹Pu yang sangat tinggi (>95%), meninggalkan jumlah ²⁴⁰Pu, yang sangat rendah, yang merupakan isotop fisi spontan yang tinggi (lihat di atas). Plutonium tersebut dihasilkan dari batang bahan bakar yang telah diiradiasi dalam waktu yang sangat singkat yang diukur dalam pembakaran MW-hari/ton. Waktu iradiasi yang rendah seperti itu membatasi jumlah penangkapan neutron tambahan dan oleh karena itu penumpukan produk isotop alternatif seperti ²⁴⁰Pu dalam batang, dan juga akibatnya jauh lebih mahal untuk diproduksi, membutuhkan lebih banyak batang yang diiradiasi dan diproses untuk jumlah plutonium tertentu.

Plutonium-240, selain menjadi pemancar neutron setelah fisi, juga merupakan pemancar gama, dan bertanggung jawab atas sebagian besar radiasi dari senjata nuklir yang disimpan. Baik saat berpatroli atau di pelabuhan, anggota awak kapal selam secara rutin tinggal dan bekerja sangat dekat dengan senjata nuklir yang disimpan di ruang torpedo dan tabung rudal, tidak seperti rudal Angkatan Udara di mana paparannya relatif singkat. Kebutuhan untuk mengurangi paparan radiasi membenarkan biaya tambahan dari paduan tingkat super premium yang digunakan pada banyak senjata nuklir angkatan laut. Plutonium tingkat super digunakan dalam hulu ledak W80.

Dalam setiap reaktor nuklir yang beroperasi yang mengandung ²³⁸U, beberapa plutonium-239 akan terakumulasi dalam bahan bakar nuklir.^[5] Tidak seperti reaktor yang digunakan untuk memproduksi plutonium tingkat senjata, reaktor tenaga nuklir komersial biasanya beroperasi pada pembakaran tinggi yang memungkinkan sejumlah besar plutonium menumpuk dalam bahan bakar reaktor yang diiradiasi. Plutonium-239 akan ada baik di inti reaktor selama operasi maupun dalam bahan bakar nuklir bekas yang telah dikeluarkan dari reaktor pada akhir masa pakai perakitan bahan bakar (biasanya beberapa tahun). Bahan bakar nuklir bekas biasanya mengandung sekitar 0,8% plutonium-239.

Plutonium-239 yang ada dalam bahan bakar reaktor dapat menyerap neutron dan fisi seperti halnya uranium-235. Karena plutonium-239 terus-menerus dibuat di teras reaktor selama operasi, penggunaan plutonium-239 sebagai bahan bakar nuklir di pembangkit listrik dapat terjadi tanpa pemrosesan ulang bahan bakar nuklir bekas; plutonium-239 dibelah dalam batang bahan bakar yang sama di mana ia diproduksi. Pembelahan plutonium-239 menyediakan lebih dari sepertiga dari total energi yang dihasilkan di pembangkit listrik tenaga nuklir komersial biasa.^[6] Bahan bakar reaktor akan mengakumulasi lebih dari 0,8% plutonium-239 selama masa pakainya jika beberapa plutonium-239 tidak terus-menerus "dibakar" dengan pembelahan.

Sebagian kecil plutonium-239 dapat dengan sengaja ditambahkan ke bahan bakar nuklir baru. Bahan bakar tersebut disebut bahan bakar MOX (mixed oxide), karena mengandung campuran uranium dioksida (UO₂) dan plutonium dioksida (PuO₂). Penambahan plutonium-239 mengurangi kebutuhan untuk memperkaya uranium dalam bahan bakar.

Plutonium-239 memancarkan partikel alfa menjadi uranium-235. Sebagai pemancar alfa, plutonium-239 tidak terlalu berbahaya sebagai sumber radiasi eksternal, tetapi jika tertelan atau terhirup sebagai debu, sangat berbahaya dan karsinogenik. Diperkirakan jika satu pon (454 gram) plutonium yang dihirup sebagai debu plutonium oksida dapat menyebabkan kanker pada dua juta orang.^[7] Namun, plutonium yang tertelan jauh lebih tidak berbahaya karena hanya sebagian kecil yang diserap dalam saluran pencernaan.^[8][9] 800 mg plutonium tidak akan menyebabkan risiko kesehatan yang besar sejauh menyangkut radiasi.^[7] Sebagai logam berat, plutonium juga beracun secara kimiawi.

Plutonium jenis senjata (dengan lebih dari 90% ²³⁹Pu) digunakan untuk membuat senjata nuklir dan memiliki banyak keunggulan dibandingkan bahan fisil lainnya untuk tujuan itu. Proporsi ²³⁹Pu yang lebih rendah akan membuat desain senjata yang andal menjadi sulit atau tidak mungkin; ini disebabkan oleh fisi spontan (dan dengan demikian produksi neutron) dari ²⁴⁰Pu yang tidak diinginkan.

• Desain Teller−Ulam

• (Inggris) NLM Bank Data Zat Berbahaya Plutonium, Radioaktif
• (Inggris) Tabel nuklida dengan data ²³⁹Pu di Kaye & Laby Online
• (Inggris) Waktu Paruh Plutonium-239 Diarsipkan 15 Agustus 2011 di Wayback Machine.