البلوتونيوم

يتميز البلوتونيوم، كمعظم المعادن، بمظهر فضي لامع في البداية، يشبه إلى حد كبير النيكل ، ولكنه يتأكسد بسرعة كبيرة إلى لون رمادي باهت، مع وجود تقارير عن ألوان صفراء وخضراء زيتونية أيضًا. ^{[ 7 ] [ 8 ]} يكون البلوتونيوم في درجة حرارة الغرفة على شكله ألفا ( α ) . ^{[ 9 ]} يتميز هذا الشكل المتآصل بصلابة وهشاشة مماثلة تقريبًا للحديد الزهر الرمادي . عند مزج البلوتونيوم مع معادن أخرى، يستقر الشكل المتآصل دلتا (δ) ذو درجة الحرارة العالية عند درجة حرارة الغرفة، ^{[ 10 ] [ 11 ]} مما يجعله لينًا وقابلًا للطرق. على عكس معظم المعادن، لا يُعد البلوتونيوم موصلًا جيدًا للحرارة أو الكهرباء . يتميز بانخفاض درجة انصهاره ( 640 درجة مئوية، 1184 درجة فهرنهايت ) وارتفاع درجة غليانه بشكل غير عادي ( 3228 درجة مئوية، 5842 درجة فهرنهايت ). ^{[ 7 ]} يُتيح ذلك نطاقًا واسعًا من درجات الحرارة (يتجاوز 2500 كلفن) يكون عندها البلوتونيوم سائلًا، إلا أن هذا النطاق ليس الأكبر بين جميع الأكتينيدات ولا بين جميع المعادن، ^{[ 12 ]} حيث يُفترض أن النبتونيوم يمتلك أكبر نطاق في كلتا الحالتين. يؤدي انخفاض درجة انصهار البلوتونيوم، فضلًا عن تفاعليته العالية مقارنةً بأكسيده، إلى تفضيل أكاسيد البلوتونيوم في تطبيقات مثل وقود مفاعلات الانشطار النووي ( وقود MOX ).    

يُعدّ تحلل ألفا ، وهو إطلاق نواة هيليوم عالية الطاقة ، الشكل الأكثر شيوعًا للتحلل الإشعاعي للبلوتونيوم. ^{[ 13 ]} تحتوي كتلة 5 كجم من ^{239Pu على حوالي}12.5 × 10²⁴ ذرة. بنصف عمر يبلغ 24100 سنة، أي ما ^يقاربيتحلل 11.5 × 10¹² من ذراته كل ثانية بإصدار جسيم ألفا طاقته 5.157 ميغا إلكترون ^فولت . وهذا يعادل 9.68 واط من الطاقة. الحرارة الناتجة عن تباطؤ جسيمات ألفا هذه تجعله دافئًا عند اللمس. ^{[ 14 ] [ 15 ] 238} بسبب عمر النصف القصير جدًا، يسخن البلوتونيوم إلى درجات حرارة أعلى بكثير ويتوهج باللون الأحمر المتوهج بإشعاع الجسم الأسود إذا تُرك دون تسخين أو تبريد خارجي. وقد استُخدمت هذه الحرارة في مولدات الطاقة الكهروحرارية بالنظائر المشعة (انظر أدناه).

The resistivity of plutonium at room temperature is very high for a metal, and it gets even higher with lower temperatures, which is unusual for metals.^[16] This trend continues down to 100 K, below which resistivity rapidly decreases for fresh samples.^[16] Resistivity then begins to increase with time at around 20 K due to radiation damage, with the rate dictated by the isotopic composition of the sample.^[16]

Because of self-irradiation, a sample of plutonium fatigues throughout its crystal structure, meaning the ordered arrangement of its atoms becomes disrupted by radiation with time.^[17] Self-irradiation can also lead to annealing which counteracts some of the fatigue effects as temperature increases above 100 K.^[18]

Unlike most materials, plutonium increases in density when it melts - by 2.5% - but the liquid metal exhibits a linear decrease in density with temperature.^[16] Near the melting point, the liquid plutonium has very high viscosity and surface tension compared to other metals.^[17]

Plutonium normally has six allotropes and forms a seventh (zeta, ζ) at high temperature within a limited pressure range.^[19] These allotropes, which are different structural modifications or forms of an element, have very similar internal energies but significantly varying densities and crystal structures. This makes plutonium very sensitive to changes in temperature, pressure, or chemistry, and allows for dramatic volume changes following phase transitions from one allotropic form to another.^[17] The densities of the different allotropes vary from 16.00 g/cm³ to 19.86 g/cm³.^[20]

إن وجود هذه الأشكال المتآصلة المتعددة يجعل تشكيل البلوتونيوم صعبًا للغاية، نظرًا لتغير حالته بسهولة بالغة. فعلى سبيل المثال، يوجد الشكل α في درجة حرارة الغرفة في البلوتونيوم غير المخلوط. وله خصائص تشكيل مشابهة للحديد الزهر ، ولكنه يتحول إلى الشكل β ( بيتا ) اللدن والقابل للطرق عند درجات حرارة أعلى قليلًا. ^{[ 21 ]} ولا تزال أسباب تعقيد مخطط الطور غير مفهومة تمامًا. يتميز الشكل α ببنية أحادية الميل منخفضة التناظر ، ومن هنا تأتي هشاشته وقوته وقابليته للانضغاط وضعف توصيله الحراري. ^{[ 19 ]}

يوجد البلوتونيوم عادةً في طور دلتا (δ) ضمن نطاق درجات حرارة يتراوح بين 310 و  452  درجة مئوية، ولكنه يكون مستقرًا عند درجة حرارة الغرفة عند مزجه بنسبة ضئيلة من الغاليوم أو الألومنيوم أو السيريوم ، مما يُحسّن قابليته للتشكيل ويُمكّنه من اللحام . ^{[ 21 ]} يتميز طور دلتا (δ) بخصائص معدنية نموذجية، وهو قوي وقابل للطرق تقريبًا مثل الألومنيوم. ^{[ 19 ]} أما طور إبسيلون (ε)، وهو أعلى طور صلب متآصل درجة حرارة، فيُظهر انتشارًا ذاتيًا ذريًا عاليًا بشكل غير طبيعي مقارنةً بالعناصر الأخرى. ^{[ 17 ]}

البلوتونيوم معدنٌ من الأكتينيدات المشعة ، ونظيره البلوتونيوم-239 هو أحد النظائر الانشطارية الثلاثة الرئيسية ( اليورانيوم-233 واليورانيوم -235 هما النظيران الآخران)؛ كما أن البلوتونيوم-241 شديد الانشطار. ولكي يُعتبر النظير قابلاً للانشطار، يجب أن تكون نواة ذرته قادرة على التفكك أو الانشطار عند اصطدامها بنيوترون بطيء الحركة، وأن تُطلق عددًا كافيًا من النيوترونات الإضافية لاستمرار التفاعل النووي المتسلسل عن طريق انشطار المزيد من النوى. ^{[ 22 ]}

Pure plutonium-239 may have a multiplication factor (k_eff) larger than one, which means that if the metal is present in sufficient quantity and with an appropriate geometry (e.g., a sphere of sufficient size), it can form a critical mass.^[23] During fission, a fraction of the nuclear binding energy, which holds a nucleus together, is released as a large amount of electromagnetic and kinetic energy (much of the latter being quickly converted to thermal energy). Fission of a kilogram of plutonium-239 can produce an explosion equivalent to 21,000 tons of TNT (88,000 GJ). It is this energy that makes plutonium-239 useful in nuclear weapons and reactors.^[14]

The presence of the isotope plutonium-240 in a sample limits its nuclear bomb potential, as ²⁴⁰Pu has a relatively high spontaneous fission rate (~440 fissions per second per gram; over 1,000 neutrons per second per gram),^[24] raising the background neutron levels and thus increasing the risk of predetonation.^[25] Plutonium is identified as either weapons-grade, fuel-grade, or reactor-grade based on the percentage of ²⁴⁰Pu that it contains. Weapons-grade plutonium contains less than 7% ²⁴⁰Pu. Fuel-grade plutonium contains 7%–19%, and power reactor-grade contains 19% or more ²⁴⁰Pu. Supergrade plutonium, with less than 4% of ²⁴⁰Pu, is used in United States Navy weapons stored near ship and submarine crews, due to its lower radioactivity.^[26]Plutonium-238 is not fissile but can undergo nuclear fission easily with fast neutrons as well as alpha decay.^[14] All plutonium isotopes can be "bred" into fissile material with one or more neutron absorptions, whether followed by beta decay or not. This makes non-fissile isotopes of plutonium a fertile material.

Twenty-two radioisotopes of plutonium have been characterized, from ²²⁶Pu to ²⁴⁷Pu. The longest-lived are ²⁴⁴Pu, with a half-life of 80.8 million years; ²⁴²Pu, with a half-life of 373,300 years; and ²³⁹Pu, with a half-life of 24,110 years. All other isotopes have half-lives of less than 7,000 years. This element also has eight metastable states, though all have half-lives less than a second.^[13]244Pu has been found in interstellar space^[27] and it has the longest half-life of any non-primordial radioisotope. The main decay modes of isotopes with mass numbers lower than the most stable isotope, ²⁴⁴Pu, are spontaneous fission and alpha emission, mostly forming uranium (92 protons) and neptunium (93 protons) isotopes as decay products (neglecting the wide range of daughter nuclei created by fission processes). The main decay mode for isotopes heavier than ²⁴⁴Pu, along with ²⁴¹Pu and ²⁴³Pu, is beta emission, forming americium isotopes (95 protons). Plutonium-241 is the parent isotope of the neptunium series, decaying to americium-241 via beta emission.^[13][28]

Plutonium-238 and 239 are the most widely synthesized isotopes.^[14]239Pu is synthesized via the following reaction using uranium (U) and neutrons (n) via beta decay (β⁻) with neptunium (Np) as an intermediate:^[29]

${\displaystyle {\ce {{^{238}_{92}U}+{^{1}_{0}n}->{^{239}_{92}U}->[\beta ^{-}][23.5\ {\ce {min}}]{^{239}_{93}Np}->[\beta ^{-}][2.3565\ {\ce {د}}]{^{239}_{94}بو}}}}$

Neutrons from the fission of uranium-235 are captured by uranium-238 nuclei to form uranium-239; a beta decay converts a neutron into a proton to form neptunium-239 (half-life 2.36 days) and another beta decay forms plutonium-239.^[30]Egon Bretscher working on the British Tube Alloys project predicted this reaction theoretically in 1940.^[31]

Plutonium-238 is synthesized by bombarding uranium-238 with deuterons (D or ²H, the nuclei of heavy hydrogen) in the following reaction:^[32]

${\displaystyle {\begin{aligned}{\ce {{^{238}_{92}U}+{^{2}_{1}H}->}}&{\ce {{^{238}_{93}Np}+2_{0}^{1}n}}\\&{\ce {^{238}_{93}Np->[\beta ^{-}][2.117\ {\ م {د}}] {^ {238} _ {94} بو}}} \ نهاية {المحاذاة}}}$

حيث ينتج عن اصطدام الديوتريوم باليورانيوم-238 نيوترونان ونبتونيوم-238، الذي يتحلل بدوره عن طريق انبعاث جسيمات بيتا سالبة لتكوين البلوتونيوم-238. ^{[ 33 ]} ويمكن أيضًا إنتاج البلوتونيوم-238 عن طريق تشعيع النبتونيوم -237 بالنيوترونات . ^{[ 34 ]}

تخضع نظائر البلوتونيوم للتحلل الإشعاعي، مما ينتج عنه حرارة تحلل . وتنتج النظائر المختلفة كميات متفاوتة من الحرارة لكل وحدة كتلة. تُقاس حرارة التحلل عادةً بوحدة واط/كيلوغرام، أو ملي واط/غرام. في قطع البلوتونيوم الكبيرة (مثل حفرة السلاح) ومع عدم كفاية التبريد، قد يكون التسخين الذاتي الناتج كبيرًا.

يكون البلوتونيوم النقي فضي اللون في درجة حرارة الغرفة، ولكنه يكتسب طبقة باهتة عند تأكسده. ^{[ 36 ]} ويُظهر العنصر أربع حالات تأكسد أيونية شائعة في المحلول المائي وحالة واحدة نادرة: ^{[ 20 ]}

• Pu(III)، على شكل Pu ³⁺ (أزرق بنفسجي)
• Pu(IV)، على شكل Pu ⁴⁺ (بني مصفر)
• Pu(V)، على شكل PuO ⁺ ₂ (وردي فاتح) ^{[ ملاحظة 1 ]}
• Pu(VI)، مثل PuO ²⁺ ₂ (برتقالي وردي)
• Pu(VII)، على شكل PuO ³⁻ ₅ (أخضر) - الأيون السباعي نادر.

The color shown by plutonium solutions depends on both the oxidation state and the nature of the acid anion.^[38] It is the acid anion that influences the degree of complexing—how atoms connect to a central atom—of the plutonium species. Additionally, the formal +2 oxidation state of plutonium is known in the complex [K(2.2.2-cryptand)] [Pu^IICp″₃], Cp″ = C₅H₃(SiMe₃)₂.^[39]

Preparation of plutonium(VIII) compounds such as the volatile tetroxide PuO₄ has also been claimed,^[40][41] but their existence remains disputed.^[42]

Metallic plutonium is produced by reacting plutonium tetrafluoride with barium, calcium or lithium at 1200 °C.^[43] Metallic plutonium is attacked by acids, oxygen, and steam but not by alkalis and dissolves easily in concentrated hydrochloric, hydroiodic and perchloric acids.^[44] Molten metal must be kept in a vacuum or an inert atmosphere to avoid reaction with air.^[21] At 135 °C the metal will ignite in air and will explode if placed in carbon tetrachloride.^[45]

Plutonium is a reactive metal. In moist air or moist argon, the metal oxidizes rapidly, producing a mixture of oxides and hydrides.^[7] If the metal is exposed long enough to a limited amount of water vapor, a powdery surface coating of PuO₂ is formed.^[7] Also formed is plutonium hydride but an excess of water vapor forms only PuO₂.^[44]

Plutonium shows enormous, and reversible, reaction rates with pure hydrogen, forming plutonium hydride.^[17] It also reacts readily with oxygen, forming PuO and PuO₂ as well as intermediate oxides; plutonium oxide fills 40% more volume than plutonium metal. The metal reacts with the halogens, giving rise to compounds with the general formula PuX₃ where X can be F, Cl, Br or I and PuF₄ is also seen. The following oxyhalides are observed: PuOCl, PuOBr and PuOI. It will react with carbon to form PuC, nitrogen to form PuN and silicon to form PuSi₂.^[20][45]

The organometallic chemistry of plutonium complexes is typical for organoactinide species; a characteristic example of an organoplutonium compound is plutonocene.^[30][46] Computational chemistry methods indicate an enhanced covalent character in the plutonium-ligand bonding.^[17][46]

Powders of plutonium, its hydrides and certain oxides like Pu₂O₃ are pyrophoric, meaning they can ignite spontaneously at ambient temperature and are therefore handled in an inert, dry atmosphere of nitrogen or argon. Bulk plutonium ignites only when heated above 400 °C. Pu₂O₃ spontaneously heats up and transforms into PuO₂, which is stable in dry air, but reacts with water vapor when heated.^[47]

Crucibles used to contain plutonium need to be able to withstand its strongly reducing properties. Refractory metals such as tantalum and tungsten along with the more stable oxides, borides, carbides, nitrides and silicides can tolerate this. Melting in an electric arc furnace can be used to produce small ingots of the metal without the need for a crucible.^[21]

Cerium is used as a chemical simulant of plutonium for development of containment, extraction, and other technologies.^[48]

يُمكن للبلوتونيوم تكوين سبائك ومركبات وسيطة مع معظم المعادن الأخرى. وتشمل الاستثناءات الليثيوم والصوديوم والبوتاسيوم والروبيديوم والسيزيوم من المعادن القلوية ؛ والمغنيسيوم والكالسيوم والسترونتيوم والباريوم من المعادن القلوية الترابية ؛ واليوروبيوم والإيتربيوم من المعادن الأرضية النادرة . ^{[ 44 ]} وتشمل الاستثناءات الجزئية المعادن المقاومة للحرارة مثل الكروم والموليبدينوم والنيوبيوم والتنتالوم والتنغستن ، والتي تذوب في البلوتونيوم السائل، ولكنها غير قابلة للذوبان أو قليلة الذوبان في البلوتونيوم الصلب. [ ^{44 ] يُمكن} للغاليوم والألومنيوم والأمريكيوم والسكانديوم والسيريوم تثبيت طور دلتا من البلوتونيوم عند درجة حرارة الغرفة. يسمح السيليكون والإنديوم والزنك والزركونيوم بتكوين حالة دلتا شبه مستقرة عند التبريد السريع . تسمح الكميات الكبيرة من الهافنيوم والهولميوم والثاليوم أيضاً بالاحتفاظ ببعض الطور دلتا عند درجة حرارة الغرفة. النبتونيوم هو العنصر الوحيد القادر على تثبيت الطور ألفا عند درجات حرارة أعلى . ^{[ 17 ]}

يمكن إنتاج سبائك البلوتونيوم بإضافة معدن إلى البلوتونيوم المنصهر. إذا كان المعدن المُضاف مُختزلاً بدرجة كافية، يُمكن إضافة البلوتونيوم على شكل أكاسيد أو هاليدات. تُنتج سبيكة البلوتونيوم-الغاليوم من الطور دلتا (PGA) وسبيكة البلوتونيوم-الألومنيوم بإضافة فلوريد البلوتونيوم الثلاثي (Pu(III)) إلى الغاليوم أو الألومنيوم المنصهر، مما يُجنّب التعامل المباشر مع معدن البلوتونيوم شديد التفاعل. ^{[ 50 ]}

• يُستخدم PGA لتثبيت طور دلتا من البلوتونيوم، وتجنب طور ألفا والمشاكل المتعلقة بتحول ألفا-دلتا. ويُستخدم بشكل أساسي في حفر قنابل الانفجار الداخلي . ^{[ 51 ]}
• يُعدّ البلوتونيوم-الألومنيوم بديلاً عن PGA. كان العنصر الأصلي الذي تمّ التفكير فيه لتحقيق استقرار طور دلتا، لكن ميله للتفاعل مع جسيمات ألفا وإطلاق النيوترونات يحدّ من استخدامه في الأسلحة النووية. كما يمكن استخدام سبيكة البلوتونيوم-الألومنيوم كمكوّن من مكوّنات الوقود النووي . ^{[ 52 ]}
• سبيكة البلوتونيوم-الغاليوم-الكوبالت (PuCoGa ₅ ) هي موصل فائق غير تقليدي ، تُظهر موصلية فائقة عند درجة حرارة أقل من 18.5  كلفن، وهي أعلى بعشرة أضعاف من أعلى درجة حرارة بين أنظمة الفرميونات الثقيلة ، ولها تيار حرج كبير. ^{[ 49 ] [ 53 ]}
• يمكن استخدام سبيكة البلوتونيوم والزركونيوم كوقود نووي . ^{[ 54 ]}
• تُستخدم سبائك البلوتونيوم-السيريوم وسبائك البلوتونيوم-السيريوم-الكوبالت كوقود نووي. ^{[ 55 ]}
• يمكن استخدام خليط البلوتونيوم واليورانيوم ، الذي يحتوي على نسبة بلوتونيوم تتراوح بين 15 و30  % مول، كوقود نووي لمفاعلات التوليد السريع. ونظرًا لطبيعته القابلة للاشتعال التلقائي وقابليته العالية للتآكل لدرجة الاشتعال الذاتي أو التفتت عند تعرضه للهواء، فإنه يتطلب مزجه بمكونات أخرى. ولا تُحسّن إضافة الألومنيوم أو الكربون أو النحاس معدلات التفتت بشكل ملحوظ، بينما تتمتع سبائك الزركونيوم والحديد بمقاومة أفضل للتآكل، إلا أنها تتفتت أيضًا في غضون عدة أشهر في الهواء. وتؤدي إضافة التيتانيوم و/أو الزركونيوم إلى زيادة كبيرة في درجة انصهار السبيكة. ^{[ 56 ]}
• تمت دراسة استخدام البلوتونيوم-يورانيوم-تيتانيوم والبلوتونيوم -يورانيوم-زركونيوم كوقود نووي. تؤدي إضافة العنصر الثالث إلى زيادة مقاومة التآكل، وتقليل القابلية للاشتعال، وتحسين الليونة، وسهولة التشكيل، والقوة، والتمدد الحراري. يتميز البلوتونيوم-يورانيوم-موليبدينوم بأفضل مقاومة للتآكل، حيث يشكل طبقة واقية من الأكاسيد، ولكن يُفضل استخدام التيتانيوم والزركونيوم لأسباب فيزيائية. ^{[ 56 ]}
• Thorium–uranium–plutonium was investigated as a nuclear fuel for fast breeder reactors.^[56]

Enrico Fermi and a team of scientists at the University of Rome reported that they had discovered element 94 in 1934.^[71] Fermi called the element hesperium and mentioned it in his Nobel Lecture in 1938.^[72] The sample actually contained products of nuclear fission, primarily barium and krypton.^{[note 2][73]} Nuclear fission, discovered in Germany in 1938 by Otto Hahn and Fritz Strassmann, was unknown at the time.^[74]

Plutonium (specifically, plutonium-238) was first produced, isolated, and then chemically identified between December 1940 and February 1941 by Glenn T. Seaborg, Edwin McMillan, Emilio Segrè, Joseph W. Kennedy, and Arthur Wahl by deuteron bombardment of uranium in the 60-inch (150 cm)cyclotron at the Berkeley Radiation Laboratory at the University of California, Berkeley.^[75][76][77] Neptunium-238 was created directly by the bombardment but decayed by beta emission with a half-life of a little over two days, which indicated the formation of element 94.^[45] The first bombardment took place on December 14, 1940, and the new element was first identified through oxidation on the night of February 23–24, 1941.^[76]

أعدّ الفريق ورقة بحثية توثّق هذا الاكتشاف وأرسلها إلى مجلة "فيزيكال ريفيو" في مارس 1941، ^{[ 45 ]} إلا أن نشرها تأجّل حتى عام بعد نهاية الحرب العالمية الثانية بسبب مخاوف أمنية. ^{[ 78 ]} في مختبر كافنديش في كامبريدج ، أدرك إيغون بريتشر ونورمان فيذر أن مفاعل النيوترونات البطيئة الذي يعمل باليورانيوم سينتج نظريًا كميات كبيرة من البلوتونيوم-239 كمنتج ثانوي. وقد حسبا أن العنصر 94 قابل للانشطار، وله ميزة إضافية تتمثل في اختلافه الكيميائي عن اليورانيوم، ما يسهل فصله عنه. ^{[ 31 ]}

أطلق ماكميلان مؤخرًا اسم "نبتونيوم"، وهو أول عنصر ما بعد اليورانيوم، نسبةً إلى كوكب نبتون ، واقترح تسمية العنصر 94، وهو العنصر التالي في السلسلة، نسبةً إلى ما كان يُعتقد آنذاك أنه الكوكب التالي، بلوتو . ^{[ 14 ] [ ملاحظة 3 ]} اقترح نيكولاس كيمر، من فريق كامبريدج، الاسم نفسه بشكل مستقل، استنادًا إلى المنطق نفسه الذي استند إليه فريق بيركلي. ^{[ 31 ]} فكّر سيبورغ في البداية في اسم "بلوتيوم"، لكنه رأى لاحقًا أنه لا يبدو جيدًا مثل "بلوتونيوم". ^{[ 80 ]} اختار الأحرف "Pu" على سبيل المزاح، في إشارة إلى التعبير "P U" الذي يُستخدم للدلالة على رائحة كريهة للغاية، والذي دخل الجدول الدوري دون أن يلاحظه أحد. ^{[ ملاحظة 4 ]} من بين الأسماء البديلة التي نظر فيها سيبورغ وآخرون "ألتيميوم" أو "إكستريميوم" بسبب الاعتقاد الخاطئ بأنهم عثروا على آخر عنصر ممكن في الجدول الدوري . ^{[ 81 ]}

كان هان وستراسمان، وكورت ستارك بشكل مستقل ، يعملون في ذلك الوقت أيضًا على العناصر العابرة لليورانيوم في برلين. من المرجح أن هان وستراسمان كانا على دراية بأن البلوتونيوم-239 قابل للانشطار. مع ذلك، لم يكن لديهما مصدر نيوتروني قوي. تم الإبلاغ عن العنصر 93 من قبل هان وستراسمان، وكذلك ستارك، في عام 1942. لم يتابع فريق هان البحث عن العنصر 94، على الأرجح بسبب إحباطهم من عدم نجاح ماكميلان وأبيلسون في عزله عندما اكتشفا العنصر 93 لأول مرة. مع ذلك، بما أن فريق هان كان لديه إمكانية الوصول إلى السيكلوترون الأقوى في باريس في ذلك الوقت، لكانوا على الأرجح قادرين على اكتشاف البلوتونيوم لو حاولوا، وإن كان بكميات ضئيلة (بضع بيكريلات ). ^{[ 82 ]}

The chemistry of plutonium was found to resemble uranium after a few months of initial study.^[45] Early research was continued at the secret Metallurgical Laboratory of the University of Chicago. On August 20, 1942, a trace quantity of this element was isolated and measured for the first time. About 50 micrograms of plutonium-239 combined with uranium and fission products was produced and only about 1 microgram was isolated.^[57][83] This procedure enabled chemists to determine the new element's atomic weight.^{[84][note 5]} On December 2, 1942, on a racket court under the west grandstand at the University of Chicago's Stagg Field, researchers headed by Enrico Fermi achieved the first self-sustaining chain reaction in a graphite and uranium pile known as CP-1. Using theoretical information garnered from the operation of CP-1, DuPont constructed an air-cooled experimental production reactor, known as X-10, and a pilot chemical separation facility at Oak Ridge. The separation facility, using methods developed by Glenn T. Seaborg and a team of researchers at the Met Lab, removed plutonium from uranium irradiated in the X-10 reactor. Information from CP-1 was also useful to Met Lab scientists designing the water-cooled plutonium production reactors for Hanford. Construction at the site began in mid-1943.^[85]

In November 1943 some plutonium trifluoride was reduced to create the first sample of plutonium metal: a few micrograms of metallic beads.^[57] Enough plutonium was produced to make it the first synthetically made element to be visible with the unaided eye.^[86]

The nuclear properties of plutonium-239 were also studied; researchers found that when it is hit by a neutron it breaks apart (fissions) by releasing more neutrons and energy. These neutrons can hit other atoms of plutonium-239 and so on in an exponentially fast chain reaction. This can result in an explosion large enough to destroy a city if enough of the isotope is concentrated to form a critical mass.^[45]

في المراحل الأولى من البحث، استُخدمت الحيوانات لدراسة تأثيرات المواد المشعة على الصحة. بدأت هذه الدراسات عام ١٩٤٤ في مختبر الإشعاع بجامعة كاليفورنيا في بيركلي، وأجراها جوزيف ج. هاميلتون. كان هاميلتون يسعى للإجابة عن تساؤلات حول كيفية اختلاف تركيز البلوتونيوم في الجسم تبعًا لطريقة التعرض (الابتلاع، الاستنشاق، الامتصاص عبر الجلد)، ومعدلات الاحتفاظ به، وكيفية تثبيته في الأنسجة وتوزيعه بين مختلف الأعضاء. بدأ هاميلتون بإعطاء جرعات ميكروغرامية قابلة للذوبان من مركبات البلوتونيوم-٢٣٩ للفئران باستخدام حالات تكافؤ مختلفة وطرق إدخال متنوعة (عن طريق الفم، الوريد، إلخ). لاحقًا، أجرى المختبر في شيكاغو تجاربه الخاصة بحقن البلوتونيوم باستخدام حيوانات مختلفة مثل الفئران والأرانب والأسماك وحتى الكلاب. أظهرت نتائج الدراسات في بيركلي وشيكاغو أن السلوك الفسيولوجي للبلوتونيوم يختلف اختلافًا كبيرًا عن سلوك الراديوم. كانت النتيجة الأكثر إثارة للقلق هي وجود ترسبات كبيرة من البلوتونيوم في الكبد وفي الجزء "النشط استقلابياً" من العظام. علاوة على ذلك، اختلف معدل التخلص من البلوتونيوم في البراز بين أنواع الحيوانات بما يصل إلى خمسة أضعاف. هذا التباين جعل من الصعب للغاية تقدير المعدل بالنسبة للبشر. ^{[ 87 ]}

خلال الحرب العالمية الثانية، أنشأت الحكومة الأمريكية مشروع مانهاتن لتطوير قنبلة ذرية. وشملت المواقع الرئيسية الثلاثة للبحث والإنتاج في المشروع منشأة إنتاج البلوتونيوم في موقع هانفورد الحالي ، ومنشآت تخصيب اليورانيوم في أوك ريدج بولاية تينيسي ، ومختبر أبحاث وتصميم الأسلحة، المعروف الآن باسم مختبر لوس ألاموس الوطني (LANL). ^{[ 88 ]}

كان مفاعل الجرافيت X-10 أول مفاعل إنتاجي ينتج البلوتونيوم ^-239 . بدأ تشغيله عام 1943، وقد بُني في منشأة في أوك ريدج أصبحت فيما بعد مختبر أوك ريدج الوطني . ^{[ 45 ] [ ملاحظة 6 ]}

In January 1944, workers laid the foundations for the first chemical separation building, T Plant located in 200-West. Both the T Plant and its sister facility in 200-West, the U Plant, were completed by October. (U Plant was used only for training during the Manhattan Project.) The separation building in 200-East, B Plant, was completed in February 1945. The second facility planned for 200-East was canceled. Nicknamed Queen Mary by the workers who built them, the separation buildings were awesome canyon-like structures 800 feet long, 65 feet wide, and 80 feet high containing forty process pools. The interior had an eerie quality as operators behind seven feet of concrete shielding manipulated remote control equipment by looking through television monitors and periscopes from an upper gallery. Even with massive concrete lids on the process pools, precautions against radiation exposure were necessary and influenced all aspects of plant design.^[85]

On April 5, 1944, Emilio Segrè at Los Alamos received the first sample of reactor-produced plutonium from Oak Ridge.^[90] Within ten days, he discovered that reactor-bred plutonium had a higher concentration of ²⁴⁰Pu than cyclotron-produced plutonium. ²⁴⁰Pu has a high spontaneous fission rate, raising the overall background neutron level of the plutonium sample.^[91] The original gun-type plutonium weapon, code-named "Thin Man", had to be abandoned as a result—the increased number of spontaneous neutrons meant that nuclear pre-detonation (fizzle) was likely.^[92]

The entire plutonium weapon design effort at Los Alamos was soon changed to the more complicated implosion device, code-named "Fat Man". In an implosion bomb, plutonium is compressed to high density with explosive lenses—a technically more daunting task than the simple gun-type bomb, but necessary for a plutonium bomb. Uranium, by contrast, can be used with either method.^[92]

Construction of the Hanford B Reactor, the first industrial-sized nuclear reactor for the purposes of material production, was completed in March 1945. B Reactor produced the fissile material for the plutonium weapons used during World War II.^{[note 7]} B, D and F were the initial reactors built at Hanford, and six additional plutonium-producing reactors were built later at the site.^[95]

بحلول نهاية يناير 1945، خضع البلوتونيوم عالي النقاء لمزيد من التركيز في مبنى العزل الكيميائي المُكتمل، حيث أُزيلت الشوائب المتبقية بنجاح. تسلّم مختبر لوس ألاموس أول شحنة بلوتونيوم من هانفورد في 2 فبراير. ورغم أنه لم يكن من الواضح بعد إمكانية إنتاج كمية كافية من البلوتونيوم لاستخدامها في القنابل بحلول نهاية الحرب، إلا أن هانفورد كانت تعمل بحلول أوائل عام 1945. لم يمضِ سوى عامين على إنشاء العقيد فرانكلين ماتياس مقره المؤقت على ضفاف نهر كولومبيا. ^{[ 85 ]}

بحسب كيت براون ، فإنّ محطتي إنتاج البلوتونيوم في هانفورد وماياك بروسيا، على مدى أربعة عقود، "أطلقتا أكثر من 200 مليون كوري من النظائر المشعة في البيئة المحيطة - أي ضعف الكمية المنبعثة في كارثة تشيرنوبيل في كل حالة". ^{[ 96 ]} كان معظم هذا التلوث الإشعاعي على مر السنين جزءًا من العمليات الاعتيادية، لكنّ حوادث غير متوقعة وقعت، وأخفت إدارة المحطة هذا الأمر، واستمر التلوث دون رادع. ^{[ 96 ]}

في عام ٢٠٠٤، عُثر على خزنة أثناء عمليات التنقيب في خندق دفن بموقع هانفورد النووي . احتوت الخزنة على عدة أشياء، من بينها زجاجة كبيرة تحوي مادة بيضاء لزجة، تم تحديدها لاحقًا على أنها أقدم عينة معروفة من البلوتونيوم المستخدم في الأسلحة. وأشارت تحليلات النظائر التي أجراها مختبر باسيفيك نورث ويست الوطني إلى أن البلوتونيوم الموجود في الزجاجة صُنع في مفاعل الجرافيت X-10 في أوك ريدج خلال عام ١٩٤٤. ^{[ ٩٧ ] [ ٩٨ ] [ ٩٩ ]}

The first atomic bomb test, codenamed "Trinity "and detonated on July 16, 1945, near Alamogordo, New Mexico, used plutonium as its fissile material.^[57] The implosion design of "Gadget", as the Trinity device was codenamed, used conventional explosive lenses to compress a sphere of plutonium into a supercritical mass, which was simultaneously showered with neutrons from "Urchin", an initiator made of polonium and beryllium (neutron source: (α, n) reaction).^[45] Together, these ensured a runaway chain reaction and explosion. The weapon weighed over 4 tonnes, though it had just 6 kg of plutonium.^[100] About 20% of the plutonium in the Trinity weapon, fissioned; releasing an energy equivalent to about 20,000 tons of TNT.^{[101][note 8]}

An identical design was used in "Fat Man", dropped on Nagasaki, Japan, on August 9, 1945, killing 35,000–40,000 people and destroying 68%–80% of war production at Nagasaki.^[103] Only after the announcement of the first atomic bombs was the existence and name of plutonium made known to the public by the Manhattan Project's Smyth Report.^[104]

Large stockpiles of weapons-grade plutonium were built up by both the Soviet Union and the United States during the Cold War. The U.S. reactors at Hanford and the Savannah River Site in South Carolina produced 103 tonnes,^[105] and an estimated 170 tonnes of military-grade plutonium was produced in the USSR.^{[106][note 9]} Each year about 20 tonnes of the element is still produced as a by-product of the nuclear power industry.^[20] As much as 1000 tonnes of plutonium may be in storage with more than 200 tonnes of that either inside or extracted from nuclear weapons.^[45]SIPRI estimated the world plutonium stockpile in 2007 as about 500 tonnes, divided equally between weapon and civilian stocks.^[108]

نتج التلوث الإشعاعي في محطة روكي فلاتس بشكل أساسي عن حريقين كبيرين للبلوتونيوم في عامي 1957 و1969. وقد انطلقت تراكيز أقل بكثير من النظائر المشعة طوال فترة تشغيل المحطة من عام 1952 إلى عام 1992. حملت الرياح السائدة من المحطة التلوث المحمول جوًا جنوبًا وشرقًا، إلى المناطق المأهولة بالسكان شمال غرب دنفر. لم يُعلن عن تلوث منطقة دنفر بالبلوتونيوم الناتج عن الحرائق ومصادر أخرى إلا في سبعينيات القرن الماضي. ووفقًا لدراسة أجريت عام 1972، شارك في تأليفها إدوارد مارتيل ، "في المناطق الأكثر كثافة سكانية في دنفر، يفوق مستوى تلوث البلوتونيوم في التربة السطحية عدة مرات مستوى التلوث الناتج عن التساقط النووي"، ويصل تلوث البلوتونيوم "شرق محطة روكي فلاتس مباشرة إلى مئات أضعاف مستوى التلوث الناتج عن التجارب النووية". ^{[ 109 ]} كما أشار كارل جونسون في مجلة أمبيو ، "يعود تاريخ تعرض عدد كبير من سكان منطقة دنفر للبلوتونيوم وغيره من النويدات المشعة في أعمدة العادم المنبعثة من المصنع إلى عام 1953". ^{[ 110 ]} توقف إنتاج الأسلحة في مصنع روكي فلاتس بعد مداهمة مشتركة من قبل مكتب التحقيقات الفيدرالي ووكالة حماية البيئة عام 1989، وبعد سنوات من الاحتجاجات. ومنذ ذلك الحين، أُغلق المصنع، وهُدمت مبانيه وأُزيلت بالكامل من الموقع. ^{[ 111 ]}

في الولايات المتحدة، يُصهر جزء من البلوتونيوم المستخرج من الأسلحة النووية المفككة لتشكيل قوالب زجاجية من أكسيد البلوتونيوم تزن  طنينًا. ^{[ 45 ]} يتكون الزجاج من سيليكات البوروسيليكات الممزوجة بالكادميوم والغادولينيوم . ^{[ ملاحظة 10 ]} من المخطط تغليف هذه القوالب بالفولاذ المقاوم للصدأ وتخزينها على عمق يصل إلى 4 كيلومترات ( ميلين) تحت الأرض في حفر تُملأ بالخرسانة . ^{[ 45 ]} خططت الولايات المتحدة لتخزين البلوتونيوم بهذه الطريقة في مستودع نفايات يوكا ماونتن النووية ، الذي يقع على بعد حوالي 160 كيلومترًا (100 ميل) شمال شرق لاس فيغاس ، نيفادا. ^{[ 112 ]}   

في الخامس من مارس/آذار 2009، صرّح وزير الطاقة ستيفن تشو أمام جلسة استماع في مجلس الشيوخ بأن "موقع جبل يوكا لم يعد يُنظر إليه كخيار لتخزين نفايات المفاعلات النووية". ^{[ 113 ]} ومنذ عام 1999، يجري دفن النفايات النووية الناتجة عن العمليات العسكرية في محطة عزل النفايات التجريبية في نيو مكسيكو.

في مذكرة رئاسية مؤرخة في 29 يناير 2010، أنشأ الرئيس أوباما اللجنة رفيعة المستوى المعنية بمستقبل أمريكا النووي . ^{[ 114 ]} وفي تقريرها النهائي، قدمت اللجنة توصيات لوضع استراتيجية شاملة للمتابعة، بما في ذلك: ^{[ 115 ]}

التوصية رقم 1: ينبغي على الولايات المتحدة أن تتبنى برنامجاً متكاملاً لإدارة النفايات النووية يؤدي إلى التطوير في الوقت المناسب لمنشأة جيولوجية عميقة دائمة أو أكثر للتخلص الآمن من الوقود المستهلك والنفايات النووية عالية المستوى. ^{[ 115 ]}

خلال الحرب العالمية الثانية وبعد انتهائها، أجرى علماء يعملون في مشروع مانهاتن ومشاريع بحثية أخرى في مجال الأسلحة النووية دراسات حول آثار البلوتونيوم على حيوانات المختبر وعلى البشر. ^{[ 116 ]} وقد وجدت الدراسات التي أُجريت على الحيوانات أن بضعة ملليغرامات من البلوتونيوم لكل كيلوغرام من الأنسجة تُعد جرعة قاتلة. ^{[ 117 ]}

بالنسبة للمتطوعين من البشر، تضمن ذلك حقن محاليل تحتوي عادةً على 5 ميكروغرامات (ميكروغرام) من البلوتونيوم في مرضى المستشفيات الذين يُعتقد أنهم إما في مراحل متأخرة من المرض، أو أن متوسط ​​أعمارهم المتوقع أقل من عشر سنوات إما بسبب التقدم في السن أو الأمراض المزمنة. ^{[ 116 ]} تم تخفيض هذه الجرعة إلى 1 ميكروغرام في يوليو 1945 بعد أن أظهرت الدراسات التي أُجريت على الحيوانات أن طريقة توزيع البلوتونيوم في العظام أكثر خطورة من الراديوم . ^{[ 117 ]} تقول إيلين ويلسوم إن معظم المتطوعين كانوا فقراء، عاجزين، ومرضى. ^{[ 118 ]}

في الفترة ما بين عامي 1945 و1947، حُقن ثمانية عشر متطوعًا بشريًا بالبلوتونيوم دون موافقتهم المسبقة . استُخدمت هذه الاختبارات لإنشاء أدوات تشخيصية لتحديد امتصاص الجسم للبلوتونيوم، وذلك بهدف وضع معايير السلامة للتعامل معه. ^{[ 116 ]} كان إيب كيد مشاركًا غير راغب في تجارب طبية تضمنت حقنه بـ 4.7 ميكروغرام من البلوتونيوم في 10 أبريل 1945 في أوك ريدج، تينيسي . ^{[ 119 ] [ 120 ]} أُجريت هذه التجربة تحت إشراف هارولد هودج . ^{[ 121 ]} استمرت تجارب أخرى بإشراف لجنة الطاقة الذرية الأمريكية ومشروع مانهاتن حتى سبعينيات القرن العشرين. يسرد كتاب "ملفات البلوتونيوم" حياة المشاركين في البرنامج السري، مُسميًا كل شخص مشارك، ومناقشًا البحث الأخلاقي والطبي الذي أجراه العلماء والأطباء سرًا. تعتبر هذه الحادثة الآن انتهاكاً خطيراً لأخلاقيات الطب وقسم أبقراط . ^{[ 122 ]}

تكتمت الحكومة على معظم هذه الإجراءات حتى عام 1993، حين أمر الرئيس بيل كلينتون بتغيير السياسة، فأتاحت الوكالات الفيدرالية السجلات ذات الصلة. وأجرت اللجنة الاستشارية الرئاسية المعنية بتجارب الإشعاع على البشر تحقيقًا في هذا الشأن ، كشف عن الكثير من المعلومات المتعلقة بأبحاث البلوتونيوم على البشر. وأصدرت اللجنة تقريرًا مثيرًا للجدل عام 1995، جاء فيه أن "مخالفات قد ارتُكبت"، لكنها لم تُدن مرتكبيها. ^{[ 118 ]}

^{يُعد البلوتونيوم -239} عنصرًا انشطاريًا أساسيًا في الأسلحة النووية، نظرًا لسهولة انشطاره وتوافره. ويؤدي تغليف حفرة البلوتونيوم في القنبلة بغلاف (طبقة من مادة كثيفة) إلى تقليل الكتلة الحرجة عن طريق عكس النيوترونات المتسربة عائدةً إلى قلب البلوتونيوم. وهذا يُقلل الكتلة الحرجة من 16  كجم إلى 10  كجم، أي ما يعادل كرة قطرها حوالي 10 سنتيمترات (4 بوصات) . ^{[ 123 ]} وتُعادل هذه الكتلة الحرجة ثلث كتلة اليورانيوم-235 تقريبًا. ^{[ 14 ]} 

The Fat Man plutonium bombs used explosive compression of plutonium to obtain significantly higher density than normal, combined with a central neutron source to begin the reaction and increase efficiency. Thus only 6 kg of plutonium was needed for an explosive yield equivalent to 20 kilotons of TNT.^[101][124] Hypothetically, as little as 4 kg of plutonium—and maybe even less—could be used to make a single atomic bomb using very sophisticated assembly designs.^[124]

Spent nuclear fuel from normal light water reactors contains plutonium, but it is a mixture of plutonium-242, 240, 239 and 238. The mixture is not sufficiently enriched for efficient nuclear weapons, but can be used once as MOX fuel.^[125] Accidental neutron capture causes the amount of plutonium-242 and 240 to grow each time the plutonium is irradiated in a reactor with low-speed "thermal" neutrons, so that after the second cycle, the plutonium can only be consumed by fast neutron reactors. If fast neutron reactors are not available (the normal case), excess plutonium is usually discarded, and forms one of the longest-lived components of nuclear waste. The desire to consume this plutonium and other transuranic fuels and reduce the radiotoxicity of the waste is the usual reason nuclear engineers give to make fast neutron reactors.^[126]

The most common chemical process, PUREX (Plutonium–URanium EXtraction), reprocesses spent nuclear fuel to extract plutonium and uranium which can be used to form a mixed oxide (MOX) fuel for reuse in nuclear reactors. Weapons-grade plutonium can be added to the fuel mix. MOX fuel is used in light water reactors and consists of 60 kg of plutonium per tonne of fuel; after four years, three-quarters of the plutonium is burned (turned into other elements).^[45] MOX fuel has been in use since the 1980s, and is widely used in Europe.^[125]Breeder reactors are specifically designed to create more fissionable material than they consume.^[127]

يُحسّن وقود MOX الاحتراق الكلي. يُعاد معالجة قضيب الوقود بعد ثلاث سنوات من الاستخدام لإزالة النفايات، التي تُشكّل حينها 3% من الوزن الإجمالي للقضبان. ^{[ 45 ]} تبقى أي نظائر من اليورانيوم أو البلوتونيوم المُنتجة خلال تلك السنوات الثلاث، ويُعاد استخدام القضيب في الإنتاج. ^{[ ملاحظة 11 ]} قد يُؤثر وجود ما يصل إلى 1% من الغاليوم لكل وحدة كتلة في سبيكة البلوتونيوم المُستخدمة في الأسلحة على التشغيل طويل الأمد لمفاعل الماء الخفيف. ^{[ 128 ]}

لا يشكل البلوتونيوم المستخلص من وقود المفاعلات المستهلك خطرًا كبيرًا على الانتشار النووي، نظرًا لتلوثه المفرط بالبلوتونيوم-240 والبلوتونيوم-242 غير القابلين للانشطار. ولا يُعد فصل النظائر أمرًا ممكنًا. وعادةً ما يتطلب إنتاج مواد مناسبة للاستخدام في الأسلحة النووية الفعالة مفاعلًا مخصصًا يعمل بمعدل احتراق منخفض جدًا (وبالتالي تقليل تعرض البلوتونيوم-239 المتكون حديثًا للنيوترونات الإضافية التي تحوله إلى نظائر أثقل من البلوتونيوم) . وبينما يُعرَّف البلوتونيوم "المناسب للأسلحة" بأنه يحتوي على 92% على الأقل من البلوتونيوم-239 (من إجمالي البلوتونيوم)، فقد تمكنت الولايات المتحدة من تفجير جهاز بقوة أقل من 20 كيلوطن باستخدام بلوتونيوم يُعتقد أنه يحتوي على حوالي 85% فقط من البلوتونيوم-239، وهو ما يُسمى "البلوتونيوم "المناسب للوقود". ^{[ 129 ]} يحتوي البلوتونيوم "المستخدم في المفاعلات" الناتج عن دورة احتراق عادية في مفاعلات الماء الخفيف عادةً على أقل من 60% من نظير البلوتونيوم-239، مع ما يصل إلى 30% من نظيري البلوتونيوم-240/242 الطفيليين، و10-15% من نظير البلوتونيوم-241 الانشطاري. ^{[ 129 ]} من غير المعروف ما إذا كان بالإمكان تفجير جهاز يستخدم البلوتونيوم المُستخلص من النفايات النووية المدنية المُعاد معالجتها، إلا أنه من الممكن نظريًا أن ينفجر هذا الجهاز وينشر مواد مشعة على مساحة واسعة من المناطق الحضرية. وتصنف الوكالة الدولية للطاقة الذرية، بشكل متحفظ، البلوتونيوم بجميع نظائره على أنه مادة "للاستخدام المباشر"، أي "مادة نووية يمكن استخدامها في تصنيع مكونات المتفجرات النووية دون تحويل نووي أو تخصيب إضافي". ^{[ 129 ]}

Plutonium-238 has a half-life of 87.74 years.^[130] It emits a large amount of thermal energy with low levels of both gamma rays/photons and neutrons.^[131] Being an alpha emitter, it combines high energy radiation with low penetration and thereby requires minimal shielding. A sheet of paper can be used to shield against the alpha particles from ²³⁸Pu. One kilogram of the isotope generates about 570 watts of heat.^[14][131]

These characteristics make it well-suited for electrical power generation for devices that must function without direct maintenance for timescales approximating a human lifetime. It is therefore used in radioisotope thermoelectric generators and radioisotope heater units such as those in the Cassini,^[132]Voyager, Galileo and New Horizons^[133] space probes, and the Curiosity^[134] and Perseverance (Mars 2020) Mars rovers.

The twin Voyager spacecraft were launched in 1977, each containing a 500 watt plutonium power source. Over 30 years later, each source still produces about 300 watts which allows limited operation of each spacecraft.^[135] An earlier version of the same technology powered five Apollo Lunar Surface Experiment Packages, starting with Apollo 12 in 1969.^[45]

²³⁸Pu has also been used successfully to power artificial heart pacemakers, to reduce the risk of repeated surgery.^[136][137] It has been largely replaced by lithium-based primary cells, but as of 2003كان هناك ما بين 50 و100 جهاز تنظيم ضربات قلب يعمل بالبلوتونيوم لا يزال مزروعًا ويعمل في مرضى أحياء في الولايات المتحدة. ^{[ 138 ]} وبحلول نهاية عام 2007، أفادت التقارير أن عدد أجهزة تنظيم ضربات القلب التي تعمل بالبلوتونيوم انخفض إلى تسعة فقط. ^{[ 139 ] دُرِسَ البلوتونيوم -238} كوسيلة لتوفير حرارة إضافية للغوص . ^{[ 140 ] يُستخدم البلوتونيوم -238} الممزوج بالبريليوم لتوليد النيوترونات لأغراض البحث. ^{[ 45 ]}

للبلوتونيوم جانبان من الآثار الضارة: النشاط الإشعاعي والتسمم بالمعادن الثقيلة . مركبات البلوتونيوم مشعة وتتراكم في نخاع العظم . وقد نتج التلوث بأكسيد البلوتونيوم عن كوارث نووية وحوادث إشعاعية ، بما في ذلك الحوادث النووية العسكرية التي احترقت فيها أسلحة نووية. ^{[ 141 ]} وقد وفرت الدراسات التي تناولت آثار هذه التسريبات الصغيرة، بالإضافة إلى انتشار التسمم الإشعاعي والوفيات الناجمة عنه عقب القصف الذري لهيروشيما وناغازاكي ، معلوماتٍ وافية حول مخاطر التسمم الإشعاعي وأعراضه ومآله ، والذي لم يكن مرتبطًا في حالة الناجين اليابانيين بالتعرض المباشر للبلوتونيوم. ^{[ 142 ]}

يُطلق تحلل البلوتونيوم ثلاثة أنواع من الإشعاع المؤين : ألفا (α)، وبيتا (β)، وجاما (γ). ويُشكل التعرض لهذه الإشعاعات، سواءً كان حادًا أو طويل الأمد، خطرًا على الصحة، بما في ذلك التسمم الإشعاعي ، والتلف الجيني ، والسرطان ، والوفاة. ويزداد الخطر مع زيادة مدة التعرض. ^{[ 45 ]} لا تستطيع أشعة ألفا اختراق الجلد، ولا يمكنها اختراق الطبقة الخارجية الميتة من الجلد. بينما تستطيع أشعة بيتا اختراق الجلد، لكنها لا تستطيع الوصول إلى جميع أنحاء الجسم. أما أشعة جاما، فتستطيع الوصول إلى جميع أنحاء الجسم. ^{[ 143 ]} وعلى الرغم من أن أشعة ألفا لا تخترق الجلد، إلا أن البلوتونيوم المُبتلع أو المُستنشق يُشعّع الأعضاء الداخلية. ^{[ 45 ]} وقد وُجد أن جسيمات ألفا الناتجة عن استنشاق البلوتونيوم تُسبب سرطان الرئة لدى مجموعة من العاملين في المجال النووي الأوروبيين. ^{[ 144 ]} الهيكل العظمي ، حيث يتراكم البلوتونيوم، والكبد ، حيث يتجمع ويتركز، معرضان للخطر. ^{[ 44 ]} لا يمتص الجسم البلوتونيوم بكفاءة عند ابتلاعه؛ إذ لا يُمتص سوى 0.04% من أكسيد البلوتونيوم بعد الابتلاع. [45 ^] يُطرح البلوتونيوم الذي يمتصه الجسم ببطء شديد، بنصف عمر بيولوجي يبلغ 200 عام. ^{[ 145 ]} يمر البلوتونيوم ببطء عبر أغشية الخلايا وحدود الأمعاء، لذا فإن امتصاصه عن طريق الابتلاع ودمجه في بنية العظام يسير ببطء شديد. ^{[ 146 ] [ 147 ]} ابتلع دونالد ماستيك عن طريق الخطأ كمية صغيرة من كلوريد البلوتونيوم (III) ، والتي ظلت قابلة للكشف لمدة الثلاثين عامًا التالية من حياته، لكن يبدو أنه لم يعانِ من أي آثار ^{ضارة . [ 148 ]}

يُعد البلوتونيوم أكثر خطورة عند استنشاقه منه عند ابتلاعه. ويزداد خطر الإصابة بسرطان الرئة بمجرد أن تتجاوز الجرعة الإشعاعية المكافئة الكلية للبلوتونيوم المستنشق 400 ملي سيفرت . ^{[ 149 ]} تُقدّر وزارة الطاقة الأمريكية أن خطر الإصابة بالسرطان مدى الحياة نتيجة استنشاق 5000 جسيم من البلوتونيوم،  يبلغ عرض كل منها حوالي 3 ميكرومتر، يزيد بنسبة 1% عن متوسط ​​خطر الإصابة بالسرطان في الولايات المتحدة. ^{[ 150 ]} قد يؤدي ابتلاع أو استنشاق كميات كبيرة منه إلى التسمم الإشعاعي الحاد، وربما الوفاة. ومع ذلك، لم تُسجّل أي حالة وفاة بشرية بسبب استنشاق أو ابتلاع البلوتونيوم، ويوجد لدى العديد من الأشخاص كميات قابلة للقياس من البلوتونيوم في أجسامهم. ^{[ 129 ]}

لا تدعم الأبحاث السائدة نظرية " الجسيمات الساخنة " التي تفترض أن جسيمًا من غبار البلوتونيوم يُشعّع بقعة موضعية من نسيج الرئة، إذ إن هذه الجسيمات أكثر حركة مما كان يُعتقد سابقًا، ولا تزداد سميتها بشكل ملحوظ بسبب شكلها الجسيمي. ^{[ 146 ]} عند استنشاق البلوتونيوم، يمكنه الانتقال إلى مجرى الدم. وبمجرد وصوله إلى مجرى الدم، ينتشر البلوتونيوم في جميع أنحاء الجسم، وصولًا إلى العظام والكبد وأعضاء الجسم الأخرى. يبقى البلوتونيوم الذي يصل إلى أعضاء الجسم عادةً في الجسم لعقود، ويستمر في تعريض الأنسجة المحيطة للإشعاع، مما قد يُسبب السرطان. ^{[ 151 ]}

يُنسب إلى رالف نادر قولٌ شائعٌ مفاده أن رطلًا واحدًا من غبار البلوتونيوم المُنتشر في الغلاف الجوي يكفي لقتل 8  مليارات شخص. ^{[ 152 ]} وقد عارض هذا الرأي برنارد كوهين ، وهو مُعارضٌ للنموذج الخطي المقبول عمومًا لسمية الإشعاع الذي لا يعتمد على عتبة . وقدّر كوهين أن رطلًا واحدًا من البلوتونيوم لا يُمكن أن يقتل أكثر من مليوني  شخص عن طريق الاستنشاق، وبالتالي فإن سمية البلوتونيوم تُعادل تقريبًا سمية غاز الأعصاب . ^{[ 153 ]}

Several populations of people who have been exposed to plutonium dust (e.g. people living down-wind of Nevada test sites, Nagasaki survivors, nuclear facility workers, and "terminally ill" patients injected with Pu in 1945–46 to study Pu metabolism) have been carefully followed and analyzed. Cohen found these studies inconsistent with high estimates of plutonium toxicity, citing cases such as Albert Stevens who survived into old age after being injected with plutonium.^[146] "There were about 25 workers from Los Alamos National Laboratory who inhaled a considerable amount of plutonium dust during 1940s; according to the hot-particle theory, each of them has a 99.5% chance of being dead from lung cancer by now, but there has not been a single lung cancer among them."^[153][154]

Plutonium is known to enter the marine environment by dumping of waste or accidental leakage from nuclear plants. Though the highest concentrations of plutonium in marine environments are found in sediments, the complex biogeochemical cycle of plutonium means it is also found in all other compartments.^[155] For example, various zooplankton species that aid in the nutrient cycle will consume the element on a daily basis. The complete excretion of ingested plutonium by zooplankton makes their defecation an extremely important mechanism in the scavenging of plutonium from surface waters.^[156] However, those zooplankton that succumb to predation by larger organisms may become a transmission vehicle of plutonium to fish.

In addition to consumption, fish can also be exposed to plutonium by their distribution around the globe. One study investigated the effects of transuranium elements (plutonium-238, plutonium-239, plutonium-240) on various fish living in the Chernobyl Exclusion Zone (CEZ). Results showed that a proportion of female perch in the CEZ displayed either a failure or delay in maturation of the gonads.^[157] Similar studies found large accumulations of plutonium in the respiratory and digestive organs of cod, flounder and herring.^[155]

يُعدّ التسمم بالبلوتونيوم ضارًا بنفس القدر ليرقات الأسماك في مناطق النفايات النووية. فالبيض غير المكتمل النمو أكثر عرضة للخطر من الأسماك البالغة المكتملة النمو التي تتعرض لهذا العنصر في هذه المناطق. وقد أظهر مختبر أوك ريدج الوطني أن أجنة الكارب والمينو التي رُبّيت في محاليل تحتوي على البلوتونيوم لم تفقس؛ أما البيض الذي فقس فقد أظهر تشوهات كبيرة مقارنةً بالأجنة المكتملة النمو في المجموعة الضابطة. ^{[ 158 ]} وكشفت الدراسة أن التركيزات العالية من البلوتونيوم تُسبب مشاكل في الكائنات البحرية المعرضة لهذا العنصر.

يجب توخي الحذر لتجنب تراكم كميات من البلوتونيوم تقترب من الكتلة الحرجة، خاصةً وأن الكتلة الحرجة للبلوتونيوم لا تتجاوز ثلث كتلة اليورانيوم-235. ^{[ 14 ]} تُصدر الكتلة الحرجة من البلوتونيوم كميات قاتلة من النيوترونات وأشعة غاما . ^{[ 159 ]} يكون البلوتونيوم في المحلول أكثر عرضةً لتكوين كتلة حرجة من البلوتونيوم في حالته الصلبة، وذلك بسبب تأثير الهيدروجين الموجود في الماء في تهدئة الإشعاع. ^{[ 20 ]}

وقعت حوادث حرجة ، بعضها مميت. ففي 21 أغسطس/آب 1945، تسبب التعامل غير الحذر مع قوالب كربيد التنجستن المحيطة بكرة من البلوتونيوم وزنها 6.2 كيلوغرام في جرعة إشعاعية قاتلة في لوس ألاموس، حيث تلقى العالم هاري داغليان جرعة قُدّرت بـ 5.1 سيفرت (510 ريم ) وتوفي بعد 25 يومًا. ^{[ 160 ] [ 161 ]} وبعد تسعة أشهر، توفي عالم آخر من لوس ألاموس، لويس سلوتين ، في حادث مماثل شمل عاكسًا من البريليوم ونفس نواة البلوتونيوم ( النواة الشيطانية ) التي أودت بحياة داغليان سابقًا. ^{[ 162 ]}    

في ديسمبر 1958، وأثناء عملية تنقية البلوتونيوم في لوس ألاموس، تشكلت كتلة حرجة في وعاء الخلط، مما أدى إلى مقتل عامل الكيمياء سيسيل كيلي . وقد وقعت حوادث نووية أخرى في الاتحاد السوفيتي واليابان والولايات المتحدة والعديد من الدول الأخرى. ^{[ 163 ]}

Metallic plutonium is a fire hazard, especially if finely divided. In a moist environment, plutonium forms hydrides on its surface, which are pyrophoric and may ignite in air at room temperature. Plutonium expands up to 70% in volume as it oxidizes and thus may break its container.^[47] The radioactivity of the burning material is another hazard. Magnesium oxide sand is probably the most effective material for extinguishing a plutonium fire. It cools the burning material, acting as a heat sink, and also blocks off oxygen. Special precautions are necessary to store or handle plutonium in any form; generally a dry inert gas atmosphere is required.^{[47][note 12]}

The usual transport of plutonium is through the more stable plutonium oxide in a sealed package. A typical transport consists of one truck carrying one protected shipping container, holding a number of packages with a total weight varying from 80 to 200 kg of plutonium oxide. A sea shipment may consist of several containers, each holding a sealed package.^[165] The U.S. Nuclear Regulatory Commission dictates that it must be solid instead of powder if the contents surpass 0.74 TBq (20 curies) of radioactivity.^[166] In 2016, the ships Pacific Egret^[167] and Pacific Heron of Pacific Nuclear Transport Ltd. transported 331 kg (730 lbs) of plutonium to a United States government facility in Savannah River, South Carolina.^[168][169]

U.S. Government air transport regulations permit the transport of plutonium by air, subject to restrictions on other dangerous materials carried on the same flight, packaging requirements, and stowage in the rearmost part of the aircraft.^[170]

In 2012, media revealed that plutonium has been flown out of Norway on commercial passenger airlines—around every other year—including one time in 2011.^[171] Regulations permit a plane to transport 15 grams of fissionable material.^[171] Such plutonium transportation is without problems, according to a senior advisor (seniorrådgiver) at Statens strålevern.^[171]