การค้นพบ

เอนรีโก แฟร์มีและทีมนักวิทยาศาสตร์ของมหาวิทยาลัยแห่งโรมรายงานว่าพวกเขาค้นพบธาตุที่ 94 ในปี ค.ศ. 1934[32] แฟร์มีเรียกธาตุนี้ว่า เฮสพีเรียม (hesperium) และนั่นทำให้เขาได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ประจำปี ค.ศ. 1938[33] อย่างไรก็ตาม ธาตุที่เขารายงานนั้นผิดพลาด ตัวอย่างที่แตกตัวนั้นแท้จริงแล้วคือส่วนผสมของแบเรียม (รายงานเป็นธาตุที่ 93), คริปทอน (รายงานเป็นธาตุที่ 94) และธาตุอื่นๆ ซึ่งข้อผิดพลาดนั้นเกิดจาก ณ.เวลานั้นปฏิกิริยานิวเคลียร์แบบแตกตัวยังไม่มีการค้นพบ[34]

เกลนน์ ที. ซีบอร์ก และทีมงานที่เบิร์กลีย์สร้างพลูโทเนียมได้เป็นรายแรก

พลูโทเนียม (โดยเฉพาะ Pu-238) ถูกสร้างและสกัดได้เป็นครั้งแรกในวันที่ 14 ธันวาคม ค.ศ. 1940 และระบุคุณสมบัติทางเคมีในวันที่ 23 กุมภาพันธ์ ค.ศ. 1941 โดย ดร. เกลนน์ ที. ซีบอร์ก (Glenn T. Seaborg), เอดวิน เอ็ม. แมกมิลแลน (Edwin M. McMillan), โจเซฟ ดับเบิลยู. เคนเนดี (Joseph W. Kennedy), แซกชาร์รี เอ็ม. เททอม (Zachary M. Tatom), และอาร์เทอร์ ซี. วอล์ (Arthur C. Wahl) โดยการยิงยูเรเนียมด้วยดิวเทอรอนในเครื่องเร่งอนุภาคไซโคลทรอน (cyclotron) ขนาด 60 นิ้วที่มหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย เบิร์กลีย์[35] การทดลองในปี ค.ศ. 1940 เนปทูเนียม-238 ถูกสร้างขึ้นได้โดยตรงโดยการระดมยิงอนุภาคแต่จะสลายโดยการแผ่รังสีเบต้าในสองวันหลังจากนั้นซึ่งแสดงถึงการก่อรูปของธาตุลำดับที่ 94[27]

เอกสารการค้นพบถูกตระเตรียมและส่งไปที่วารสาร Physical Review (บทวิจารณ์ทางฟิสิกส์) ในเดือนมีนาคม ค.ศ. 1941[27] แต่เอกสารถูกเก็บกลับคืนก่อนที่จะถูกตีพิมพ์หลังจากพบว่าไอโซโทปของธาตุใหม่นั้น (Pu-239) สามารถเกิดการแตกตัวทางนิวเคลียร์ได้ซึ่งเป็นหนทางที่อาจใช้ในระเบิดปรมาณู การตีพิมพ์ได้ล่าช้าออกไปจนกระทั่งหนึ่งปีหลังสงครามโลกครั้งที่สองสิ้นสุดลงเพราะความกังวลในเรื่องความปลอดภัย[14]

เอดวิน แมกมิลแลนตั้งชื่อธาตุแรกที่ค้นพบที่มีจำนวนอะตอมสูงกว่าธาตุยูเรเนียมตามดาวเนปจูนและเสนอว่าธาตุที่ 94 ซึ่งเป็นธาตุถัดมา ชื่อก็ควรจะพิจารณาเป็นดาวถัดไป คือดาวพลูโต[6][note 2] แรกสุดซีบอร์กใช้ชื่อ "พลูเทียม" (plutium) แต่หลังจากนั้นเขาคิดว่า"พลูโทเนียม"ฟังดูดีกว่า[36] เขาเลือกใช้อักษร "Pu" เป็นตัวย่อซึ่งเป็นเรื่องตลกโดยไม่สนใจหมายเหตุในตารางธาตุเลย[note 3] ชื่ออื่นๆ ที่ซีบอร์กและคนอื่นๆ นำมาพิจารณาก็มี "ยูล์ทีเมียม (ultimium)" หรือ "เอ็กทรีเมียม (extremium)" เนื่องจากความเชื่อในขณะนั้นว่าพวกเขาพบธาตุที่อาจเป็นตัวสุดท้ายบนตารางธาตุ[37]

การวิจัยในช่วงแรก

หลังจากสองสามเดือนแรกของการศึกษาเบื้องต้นพบว่าคุณสมบัติพื้นฐานทางเคมีของพลูโทเนียมนั้นคล้ายกับยูเรเนียม[27] การวิจัยในช่วงแรกนั้นกระทำที่ห้องปฏิบัติการโลหะวิทยาลับของมหาวิทยาลัยชิคาโก ในวันที่ 18 สิงหาคม ค.ศ. 1942 พลูโทเนียมปริมาณเล็กน้อยถูกแยกสกัดออกมาและวัดได้เป็นครั้งแรก ประมาณ 50 ไมโครกรัมของพลูโทเนียม-239 รวมตัวกับยูเรเนียมจะให้ผลผลิตการแตกตัว (fission product) เมื่อสกัดออกมามีน้ำหนักประมาณ 1 ไมโครกรัม[29] กระบวนการนี้ช่วยให้นักเคมีสามารถระบุน้ำหนักอะตอมของธาตุชนิดใหม่ได้[38][note 4]

ในเดือน พฤศจิกายน ค.ศ. 1943 มีการสกัดพลูโทเนียมไตรฟลูออไรด์เพื่อสร้างตัวอย่างโลหะพลูโทเนียมเป็นครั้งแรก เป็นโลหะทรงกลมหนักเพียงสองสามกรัมเท่านั้น[29] ซึ่งพอเพียงที่จะทำให้มองเห็นด้วยตาเปล่าเป็นครั้งแรกในการสังเคราะห์[39]

มีการศึกษาคุณสมบัติทางนิวเคลียร์ของพลูโทเนียม-239 และพบว่าเมื่ออะตอมถูกกระแทกด้วยอนุภาค มันจะแตกตัวและปลดปล่อยอนุภาคและพลังงานจำนวนมาก อนุภาคเหล่านั้นสามารถไปชนอะตอมพลูโทเนียม-239 อื่นและกลายเป็นปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์อย่างรวดเร็ว ผลของการระเบิดนี้เพียงพอที่จะทำลายเมืองได้ถ้าไอโซโทปเข้มข้นเพียงพอที่จะทำให้เกิดมวลวิกฤต[27]

โครงการแมนฮัตตัน

ระหว่างสงครามโลกครั้งที่สอง รัฐบาลสหรัฐอเมริกาได้จัดตั้งโครงการแมนฮัตตันขึ้น โดยมีจุดมุ่งหมายเพื่อพัฒนาระเบิดปรมาณู สถานที่วิจัยและผลิตสามแห่งแรกของโครงการคือ โรงงานผลิตพลูโทเนียมอยู่ที่แฮนฟอร์ด โรงงานเสริมสมรรถนะยูเรเนียมอยู่ที่โอ๊ก ริดจ์ รัฐเทนเนสซี และห้องทดลองออกแบบและวิจัยอาวุธคือสถาบันวิจัยแห่งชาติ ลอส อลามอส[40]

ด้านหน้าของเครื่องปฏิกรณ์-บีที่แฮนฟอร์ด เป็นเครื่องปฏิกรณ์พลูโทเนียมเครื่องแรกของโลก

เครื่องปฏิกรณ์เครื่องแรกที่ผลิตพลูโทเนียม-239 ได้คือเครื่องปฏิกรณ์กราไฟท์ X-10 ซึ่งเริ่มเดินเครื่องในปี ค.ศ. 1943 สร้างขึ้นในโรงงานที่โอ๊ก ริดจ์ซึ่งภายหลังได้กลายมาเป็นสถาบันวิจัยแห่งชาติ โอ๊ก ริดจ์[27][note 5]

วันที่ 5 เมษายน ค.ศ. 1944 เอมีลีโอ เซแกระ (Emilio Segrè) ที่ลอส อลามอสได้รับตัวอย่างแรกของพลูโทเนียมที่ผลิตได้จากโอ๊ก ริดจ์[41] ภายในสิบวัน เขาพบว่าพลูโทเนียมที่ได้จากเครื่องปฏิกรณ์มีความเข้มข้นของไอโซโทป Pu-240 สูงกว่าพลูโทเนียมที่ผลิตด้วยเครื่องไซโคลตรอน Pu-240 มีอัตราการเกิดฟิชชันขึ้นเองสูงทำให้เกิดการยกระดับของระดับนิวตรอนพื้นหลังทั้งหมดของพลูโทเนียมตัวอย่าง อาวุธนิวเคลียร์แบบไกปืนรุ่นแรก ชื่อรหัส "ทินแมน (Thin Man)" ต้องถูกยกเลิกไปจากผลที่พบนี้เนื่องจากจำนวนนิวตรอนเกิดเองที่เพิ่มขึ้นอย่างมากนั้นอาจทำให้เกิดการระเบิดขึ้นได้

การออกแบบอาวุธที่ทำจากพลูโทเนียมที่ลอส อลามอสจึงถูกเปลี่ยนเป็นกลไกแบบจุดระเบิดภายในซึ่งซับซ้อนมากมีชื่อรหัสว่า "แฟตแมน" กลไกแบบจุดระเบิดภายในนั้น พลูโทเนียมทรงกลมแข็งจะถูกอัดให้มีความหนาแน่นสูงด้วยการระเบิดเข้าสู่ศูนย์กลาง เป็นเทคนิคที่ยากกว่าแบบไกปืนมาก แต่ก็สำคัญมากเช่นกันสำหรับอาวุธที่ต้องการใช้พลูโทเนียม (ยูเรเนียมเสริมสมรรถนะสามารถใช้วิธีนี้ได้เช่นกัน) [41]

เครื่องปฏิกรณ์-บีที่แฮนฟอร์ด ซึ่งเป็นเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ขนาดใหญ่ใช้สำหรับผลิตวัสดุทางนิวเคลียร์ สร้างเสร็จสมบูรณ์ในเดือนมีนาคม ค.ศ. 1945[42] เครื่องปฏิกรณ์-บีได้ผลิตวัสดุฟิสไซล์สำหรับอาวุธที่ใช้พลูโทเนียมซึ่งใช้ในระหว่างสงครามโลกครั้งที่สอง[note 6] เครื่องปฏิกรณ์-บี, ดี และ เอฟ เป็นเครื่องปฏิกรณ์ชุดแรกที่สร้างขึ้นในแฮนฟอร์ด เครื่องปฏิกรณ์ที่ใช้ผลิตพลูโทเนียมอีกหกเครื่องนั้นสร้างขึ้นภายหลัง[42]

ในปี ค.ศ. 2004 มีการค้นพบตู้นิรภัยระหว่างหลุมฝังศพที่แฮนฟอร์ดนิวเคลียร์ไซต์ ภายในมีสิ่งของหลากหลายรวมถึงขวดแก้วขนาดใหญ่ที่บรรจุด้วยของเหลวคล้ายโคลนสีค่อนข้างขาวซึ่งภายหลังสามารถระบุได้ว่าเป็นตัวอย่างพลูโทเนียมเกรดอาวุธที่เก่ามาก ด้วยการวิเคราะทางไอโซโทปโดยสถาบันวิจัยแห่งชาติแปซิฟิกตะวันตกเฉียงเหนือแสดงว่าพลูโทเนียมในขวดนั้นผลิตจากเครื่องปฏิกรณ์ X-10 ที่โอ๊ก ริดจ์ระหว่างปี ค.ศ. 1944[43][44][45]

ทรินนิทีและระเบิดปรมาณูแฟตแมน

เนื่องจากการมีอยู่ของ Pu-240 ในการเกิดพลูโทเนียมในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ การออกแบบการระเบิดจากภายในจึงถูกพัฒนาขึ้นมาสำหรับ "แฟตแมน" และ อาวุธที่ใช้ในการทดสอบ "ทรินนิที"

การทดลองระเบิดปรมาณูครั้งแรกมีชื่อรหัสว่า "ทรินนิที" ถูกทดสอบในวันที่ 16 กรกฎาคม ค.ศ. 1945 ใกล้กับอะลาโมกอร์โด รัฐนิวเม็กซิโก ใช้พลูโทเนียมเป็นวัสดุฟิสไซล์[29] การออกแบบการระเบิดจากภายในของ "แกดเก็ต (Gadget)" ซึ่งเป็นกลุ่มกลไกที่มี 3 ชิ้นซึ่งเป็นที่มาของชื่อรหัสทรินนิทีนั้น ได้ใช้การรวมเลนส์ระเบิดเพื่อกดอัดพลูโทเนียมทรงกลมไปสู่มวลเหนือวิกฤต ซึ่งสาดด้วยนิวตรอนจำนวนมากมาพร้อมๆกันจากการสร้างตัวเริ่มต้นของพอโลเนียมและเบริลเลียม (ต้นกำเนิดนิวตรอน: (α, n) ปฏิกิริยาคายพลังงาน) [27] เพื่อรับประกันว่าจะเกิดปฏิกิริยาลูกโซ่และการระเบิดร่วมกัน โดยรวมอาวุธหนักมากกว่า 4 ตัน ถึงแม้ว่าจะใช้พลูโทเนียมเพียง 6.2 กก.เท่านั้นในส่วนแกนกลาง[46] ประมาณ 20% ของพลูโทเนียมที่ใช้ในอาวุธในทดสอบทรินนิทีจะเกิดการแตกตัวของนิวเคลียสของอะตอม ผลของแรงระเบิดมีพลังงานเท่ากับทีเอ็นทีประมาณ 20,000 ตัน[47][note 7]

การออกแบบลักษณะเดียวกันนี้ใช้ใน "แฟตแมน" ระเบิดปรมาณูที่ถูกทิ้งเหนือเมืองนะงะซะกิ ประเทศญี่ปุ่น ในวันที่ 9 สิงหาคม ค.ศ. 1945 ฆ่าประชากรไป 70,000 คนและบาดเจ็บอีก 100,000 คน[27] ส่วนระเบิด "ลิตเติลบอย" ที่ทิ้งลงเหนือเมืองฮิโระชิมะ สามวันก่อนหน้านั้น ใช้ยูเรเนียม-235 ไม่ใช่พลูโทเนียม ญี่ปุ่นได้ยอมแพ้ในวันที่ 15 สิงหาคม ต่อนายพลดักลาส แมกอาเธอร์ส่งผลให้สงครามจบลง การมีอยู่ของพลูโทเนียมจึงเพิ่งได้เผยแพร่สู่สาธารณะหลังจากการประกาศของระเบิดปรมาณูลูกแรกนั่นเอง

สงครามเย็น

ทั้งสหภาพโซเวียตและสหรัฐอเมริกาต่างสร้างคลังเก็บพลูโทเนียมเกรดสำหรับทำอาวุธขนาดใหญ่ในระหว่างยุคสงครามเย็น เตาแยกปฏิกรณ์ปรมาณูของสหรัฐอเมริกาที่แฮนฟอร์ดในรัฐวอชิงตันและแม่น้ำซาวานนาห์ในรัฐเซาท์แคโรไลนาสามารถผลิตพลูโทเนียมเกรดสำหรับทางทหารได้ 103 ตัน[48] และอีกประมาณ 170 ตันนั้นถูกผลิตในรัสเซีย[49][note 8] ในแต่ละปียังคงมีธาตุเกิดขึ้นจากผลพลอยได้ของอุตสาหกรรมพลังงานนิวเคลียร์ประมาณ 20 ตัน[12] พลูโทเนียมมากกว่า 1000 ตันอาจอยู่ในสถานที่เก็บรักษาซึ่งอาจมีมากกว่า 200 ตันที่อยู่ภายในหรือนำออกมาจากอาวุธนิวเคลียร์[27]

แบบอุโมงค์เก็บกากที่ถูกนำเสนอสำหรับที่เก็บกากนิวเคลียร์เทือกเขายุกคา

ตั้งแต่สงครามเย็นจบลง คลังเหล่านี้กลายเป็นจุดศูนย์รวมของความกังวลในการเพิ่มจำนวนอย่างรวดเร็วของนิวเคลียร์ ในสหรัฐอเมริกาพลูโทเนียมบางส่วนถูกถอดออกจากอาวุธนิวเคลียร์ที่ปลดประจำการถูกหลอมเป็นแท่งแก้วพลูโทเนียมออกไซด์ที่มีน้ำหนักถึง 2 ตัน[27] แก้วนั้นทำด้วยแก้วโบโรซิลิเคทผสมด้วยแคดเมียมและแกโดลิเนียม[note 9] แท่งแก้วเหล่านี้ถูกห่อหุ้มด้วยสเตนเลสและเก็บไว้ใต้ดินลึกกว่า 4 กม.ในหลุมที่ปิดทับด้วยคอนกรีต[27] ในปี ค.ศ. 2008 สหรัฐอเมริกาได้วางแผนที่จะเก็บพลูโทเนียมด้วยวิธีนี้ซึ่งหนทางที่ง่ายที่สุดในที่เก็บกากนิวเคลียร์เทือกเขายุกคาซึ่งประมาณ 160 กม.ทางตะวันออกเฉียงเหนือของลาสเวกัส รัฐเนวาดา[50] การต่อต้านจากท้องถิ่นและรัฐทำให้แผนที่จะเก็บกากนิวเคลียร์ไว้ที่เทือกเขายุกคาเลื่อนออกไป

การทดลองทางการแพทย์

ในระหว่างและหลังสงครามโลกครั้งที่ 2 นักวิทยาศาสตร์ที่ทำงานอยู่ในโครงการแมนฮัตตันและโครงการวิจัยอาวุธนิวเคลียร์กลุ่มอื่น ได้ศึกษาผลของพลูโทเนียมต่อสัตว์ทดลองและต่อมนุษย์[51] ในสัตว์พบว่าพลูโทเนียม 2-3 มิลลิกรัมต่อเนื้อเยื่อ 1 กิโลกรัมนั้นสามารถทำให้ถึงตายได้[52]

ส่วนในกรณีที่ศึกษาในมนุษย์นั้น ได้มีการฉีดสารละลายพลูโทเนียม 5 ไมโครกรัมเข้าไปในร่างกายผู้ป่วยในโรงพยาบาล ที่เจ็บป่วยในระยะสุดท้ายจากสาเหตุอื่น หรือผู้ที่เจ็บป่วยเรื้อรังและคาดว่าจะมีชีวิตอยู่ได้อีกไม่เกิน 10 ปี[51] และลดเหลือ 1 ไมโครกรัมในเดือนกรกฎาคม ค.ศ. 1945 หลังจากการทดลองในสัตว์พบว่ามีการสะสมของพลูโทเนียมในกระดูกซึ่งมีอันตรายมากกว่าเรเดียม[52]

ผู้ป่วย 18 ราย ที่ไม่ได้รับแจ้งให้เจ้าตัวทราบ[51] ถูกใช้เพื่อใช้ในการวินิจฉัยสร้างข้อกำหนดในการดูดซึมพลูโทเนียมเข้าสู่ร่างกายเพื่อมาตรฐานความปลอดภัยสำหรับการทำงานกับพลูโทเนียม[51]

ในกรณีนี้ถือว่าเป็นการทำลายจริยธรรมและคำปฏิญาณทางการแพทย์อย่างร้ายแรง มีข้อคิดเห็นมากมายที่แสดงความคิดเห็นว่าแม้การกระทำนั้นจะถือว่าเป็นการทำลายต่อความเชื่อถือและจริยธรรม "ผลของพลูโทเนียมที่ฉีดเข้าไปในร่างกายผู้ป่วยไม่ได้ทำให้เกิดความเสียหายหรือเจ็บป่วยอย่างที่ถูกเสริมแต่งกันในข่าวตอนแรก จึงไม่มีนักวิทยาศาสตร์ใส่ใจและเชื่อเรื่องนี้มากนักทั้งใน ณ ขณะนั้นและในปัจจุบันนี้"[53]