Phát hiện

Enrico Fermi và nhóm nhà khoa học của Đại học Rome đã thông báo rằng họ phát hiện ra nguyên tố thứ 94 năm 1934.[47] Fermi gọi nguyên tố này là hesperium và đã đề cập đến nó trong Nobel Lecture của ông năm 1938.[48] Thực sự, mẫu đó là một hỗn hợp gồm bari, krypton, và các nguyên tố khác, nhưng điều đó đã chưa được biết đến vào thời điểm đó do sự phân hạch hạt nhân chưa được phát hiện.[49]

Glenn T. Seaborg và nhóm nghiên cứu của ông ở Berkeley là người đầu tiên tạo ra plutoni.

Plutoni (đặc biệt là plutoni-238) đã được tạo ra đầu tiên vào ngày 14 tháng 12 năm 14, 1940, và được xác định tính chất hóa học vào ngày 23 tháng 2 năm 1941, bởi Dr. Glenn T. Seaborg, Edwin M. McMillan, J. W. Kennedy, and A. C. Wahl khi họ dùng hạt nhân deuteron bắn phá urani trong máy gia tốc 60 inch (150 cm) ở Đại học California, Berkeley.[50][51] Trong thí nghiệm năm 1940, neptuni-238 đã được tạo ra một cách trực tiếp từ việc bắn phá nhưng bị phân rã phát ra tia beta 2 ngày sau đó, và tạo ra nguyên tố 94.[33]

Một bài báo về việc phát hiện này đã được nhóm nghiên cứu gởi đến tạp chí Physical Review vào tháng 3 năm 1941.[33] Bài báo đã được rút lại trước khi được đăng do họ phát hiện rằng một đồng vị của nguyên tố mới (plutoni-239) có thể trải qua sự phân hạch hạt nhân theo cách mà có thể dùng nó làm bom hạt nhân. Việc xuất bản đã được trì hoãn đến 1 năm sau khi kết thúc chiến tranh thế giới thứ 2 do vấn đề an ninh.[18]

Edwin McMillan gần đây đã đặt tên cho nguyên tố siêu urani đầu tiên theo tên hành tinh Neptune và đã đề xuất rằng nguyên tố 94 tiếp theo trong dãi này cần đặt theo tên hành tinh tiếp theo là Pluto.[8][note 3] Seaborg ban đầu dự định đặt tên nguyên tố này là "plutium", nhưng sau đó ông nghĩ rằng nó nghe không hay bằng "plutonium."[52] Ông chọn ký hiệu "Pu" như cách nói đùa, mà không cần chú ý vào bảng tuần hoàn.[note 4] Các tên thay thế cũng đã được Seaborg và những người khác xét đến như "ultimium" hay "extremium" do các niềm tin sai lâm rằng họ đã tìm thấy nguyên tố có thể cuối cùng trong bảng tuần hoàn.[53]

Nghiên cứu thời kỳ đầu

Tính chất hóa học cơ bản của plutoni được phát hiện là giống với urani sau một vài tháng đầu nghiên cứu.[33] Việc nghiên cứu nguyên tố này thời kỳ đầu tiên đã được tiến hành tạo phòng thí nghiệm Metallurgical bí mật thuộc Đại học Chicago. Vào ngày 18 tháng 8 năm 1942, một hàm lượng vết của nguyên tố này đã được cô lập và được đo đạc lần đầu tiên. Khoảng 50 microgram plutoni-239 cộng với urani và các sản phẩm phân hạch đã được tạo ra và chỉ có khoảng 1 microgram plutoni đã được cô lập.[42] Công đoạn này cho phép các nhà hóa học có thể xác định khối lượng nguyên tử của nguyên tố mới.[54][note 5]

Vào tháng 11 năm 1943, một lượng plutoni triflorua đã được khử để tạo ra mẫu plutoni kim loại đầu tiên: chỉ một vài microgram kim lại ở dạng hạt.[42] Một lượng vừa đủ plutoni đã được tạo ra bằng phương pháp tổng hợp để có thể nhận thấy bằng mắt thường.[55]

Các tính chất hạt nhân của plutoni-239 cũng đã được nghiên cứu sau đó; các nhà nghiên cứu phát hiện rằng khi một neutron va chạm vào nó, nó sẽ tách ra (phân hạch) bằng cách giải phóng các neutron và năng lượng. Các neutron mới này có thể tương tác với các nguyên tử plutoni-239 khác và quá trình cứ tiếp tục theo một phản ứng dây chuyền nhanh theo hàm mũ. Quá trình này có thể tạo ra một vụ nổ đủ lớn để phá hủy một thành phố nếu có đủ đồng vị được cô đọng để tạo thành một khối lượng tới hạn.[33]

Sản xuất trong Dự án Manhattan

Trong suốt chiến tranh thế giới thứ 2, chính phủ Hoa Kỳ đã tiến hành một dự án chế tạo bom nguyên tử mang tên Dự án Manhattan (Manhattan Project). Ba vị trí sản xuất và nghiên cứu cơ bản của dự án là nhà máy sản xuất plutoni ở nơi mà ngày nay là Hanford Site, các cơ sở làm giàu urani ở Oak Ridge, Tennessee, và phòng thí nghiệm thiết kế và nghiên cứu vũ khí, ngày nay là Phòng thí nghiệm Los Alamos.[56]

The Hanford B Reactor face under construction—the first plutonium-production reactor.

Lò phản ứng sản xuất đầu tiên tạo ra plutoni-239 là lò phản ứng than chì X-10. Nó đã được xây dựng năm 1943 ở cơ sở Oak Ridge mà sau đó trở thành Phòng thí nghiệm Oak Ridge.[33][note 6]

Ngày 5 tháng 4 năm 1944, Emilio Segrè ở Los Alamos nhận được mẫu plutoni được tạo ra trong lò phản ứng ở Oak Ridge.[57] Chỉ trong vòng vài chục ngày sau, ông phát hiện ra rằng plutoni từ lò phản ứng có nồng độ cao hơn đồng vị plutoni-240 được tạo ra từ máy gia tốc. Plutoni-240 có tốc độ phân hạch tự phát cao, làm tăng lượng neutron cơ bản của mẫu plutoni. Vũ khí plutoni loại súng được đặt tên theo mã là "Thin Man", phải bị hủy bỏ do số lượng các neutron sinh ra từ quá trình phân hạch tự phát tăng cao.

Toàn bộ thiết kế vũ khí plutoni ở Los Alamos đã được thay đổi nhanh chóng sau đó để tạo ra một mẫu có khả năng nổ phức tạp hơn mang tên "Fat Man". Là vũ khí nổ nên một chất rắn plutoni hình cầu đã được nén chặt với mật độ cao với các thấu kính nổ, nhưng cần thiết để dùng plutoni cho mục đích làm vũ khí.[57]

Việc xây dựng lò phản ứng B ở Hanford, một lò phản ứng hạt nhân kích thước công nghiệp đầu tiên phục vụ việc sản xuất vật liệu, đã được hoàn thành vào tháng 3 năm 1945. Lò phản ứng B tạo ra vật liệu có khả năng phân hạch cho các vũ khí plutoni được sử dụng trong suốt chiến tranh thế giới thứ 2.[Ghi chú 1] B, D và F là những lò phản ứng đầu tiên được xây dựng ở Hanford, và sáu lò phản ứng sản xuất plutoni đã được xây thêm sau đó cũng tại vị trí này.[58]

Năm 2004, một hòm an toàn được phát hiện trong khi khai quật một máng bị chôn vùi ở Hanford nuclear site. Bên trong nó có nhiều vật gồm chai thủy tinh lớn chứa xi măng màu trắng loại này sau đó được xác định là mẫu plutoni cấp vũ khí cổ nhất còn tồn tại. Phân tích đồng vị tại Phòng thí nghiệm Pacific Northwest cho thấy rằng plutoni trong chai đã được sản xuất trong lò X-10 tại Oak Ridge trong năm 1944.[59][60][61]

Bom Trinity và Fat Man

Because of the presence of plutonium-240 in reactor-bred plutonium, the implosion design was developed for the "Fat Man" and "Trinity" weapons

Quả bom nguyên tử thử nghiệm đầu tiên có tên gọi là "Trinity", được tiến hành ngày 16 tháng 7 năm 1945 ở gần Alamogordo, New Mexico, sử dụng plutoni làm nguyên liệu phân hạch.[42] Thiết kế nổ của "the Gadget" sử dụng các thấu kính nổ truyền thống để nén một hình cầu plutoni thành một khối siêu tới hạn, được bắn phá neutron một cách liên tục từ "Urchin", một nguồn neutron được làm từ poloni và berylli.[33] Khi đi cùng nhau, chúng đảm bảo rằng một phản ứng chuỗi và vụ nổ xảy ra và vụ nổ xảy ra. Khối lượng của vũ khí nặng hơn 4 tấn, mặc dù người ta chỉ dùng 6,2 kg plutoni trong lõi.[62] Khoảng 20% plutoni được dùng trong vũ khí Trinity đã trải qua quá trình phân hạch để tạo ra vụ nổ tương đương khoảng 20.000 tấn TNT.[63][note 7]

Một thiết kế giống hệt được sử dụng trong quả bom "Fat Man" đã thả xuống Nagasaki, Nhật Bản, vào ngày 9 tháng 8 năm 1945, làm chết 70.000 người và làm bị thương 100,000.[33] Quả bom "Little Boy" thả xuống Hiroshima 3 ngày trước đó đã sử dụng urani-235 chứ không phải plutoni.

Sử dụng trong chiến tranh Lạnh và trở thành chất thải

Các kho dự trữ plutoni cấp vũ khí lớn được cả Liên Xô và Hoa Kỳ xây dựng trong thời kỳ chiến tranh Lạnh. Các lò phản ứng hạt nhân của Hoa Kỳ ở Hanford và Savannah River Site miền nam Carolina đã sản xuất ra 103 tấn,[64] và ước tính có 170 tấn đã được sản xuất ở Nga.[65][note 8] Mỗi năm có khoảng 20 tấn nguyên tố này được sản xuất đều đều ở dạng sản phẩm phụ của ngành công nghiệp điện hạt nhân.[66] Có khoảng 1000 tấn plutoni có thể được dự trữ với hơn 200 tấn được lấy ra từ các vũ khí hạt nhân.[33]SIPRI đã ước tính rằng plutoni thế giới năm 2007 vào khoảng 500 tấn, phân đều trong các ứng dụng dân dụng và vũ khí.[67]

Thiết kế đề xuất về các hầm chứa chất thải ở khu chứa chất thải hạt nhân núi Yucca

Khi chiến tranh Lạnh kết thúc, các kho vũ khí này trở thành tâm điểm của sự phổ biến hạt nhân. Ở Hoa Kỳ, một số plutoni được lấy ra từ các vũ khí hạt nhân đã được tháo gỡ và được làm nóng chảy để tạo thành những khúc thủy tinh plutoni ôxit nặng 2 tấn.[33] Thủy tinh này được làm thành borosilicate được trộn với cadmi và gadolini.[note 9] Các khúc này được bao bọc trong thép không gỉ và được trữ các nhiều càng tốt ở độ sâu 4 km dưới lòng đất trong các lỗ khoan và sẽ được lấp bằng bê tông.[33] Cho đến năm 2008, chỉ có cơ sở ở Hoa Kỳ đã lên kế hoạch lưu trữ plutoni theo cách này tại khu chứa chất thải hạt nhân núi Yucca, nằm cách Las Vegas, Nevada khoảng 100 dặm (160 km) về phía đông bắc.[68]

Thí nghiệm y học

Trong và sau khi kết thúc chiến tranh thế giới thứ 2, các nhà khoa học làm việc trong dự án Manhattan và các dự án nghiên cứu các vũ khí hạt nhân khác đã tiến hành nghiên cứu những ảnh hưởng của plutoni trên các động vật trong phòng thí nghiêm và trên con người.[69] Các nghiên cứu trên động vật cho thấy rằng vài gram plutoni/1 kg mô là một liều gây chết.[70]

Trong trường hợp trên con người, điều này liên quan đến việc bơm một dung dịch chứa 5 microgram (điểm hình) trên các bệnh nhân ở bệnh viện được cho là hoặc bệnh nhân đã vào giai đoạn cuối của đợt điều trị hoặc có thời gian sống còn lại dưới 10 năm tùy thuộc vào tuổi hoặc tình trạng bệnh mãn tính.[69] Liều tiêm này giảm 1 microgram vào tháng 7 năm 1945 sau khi các nghiên cứu trên động vật cho thấy rằng cái cách mà plutoni phân bố trong xương lại nguy hiểm hơn so với radi.[70]

Đã có 18 thử nghiệm trên người được tiến hành với plutoni mà không có việc thông báo chấp chuận của đối tượng. Các thử nghiệm đã được sử dụng để tạo ra các công cụ chẩn đoán như để xác định mức độ hấp thu plutoni trong cơ thể người và cũng nhằm để phát triển các tiêu chuẩn an toàn khi làm việc với plutoni.[69]

Vấn đề này ngày nay được xem là vi phạm nghiêm trọng y đức và Hippocratic Oath. More sympathetic commentators have noted that while it was definitely a breach in trust and ethics, "the effects of the plutonium injections were not as damaging to the subjects as the early news stories painted, nor were they so inconsequential as many scientists, then and now, believe."[71]