En Rhodes _La fabricación de la bomba atómica_ dice que, aunque Pu no es tan radiactivo (lo cual es sorprendente, tal vez quiere decir comparado con radio y algunos otros elementos), es muy tóxico.
Supongo que no puede ser mucho más tóxico que uranio (U) o plomo (Pb) -- Creo talio es más tóxico que el U y el Pb, por lo que es mercurio (Hg). Si es más tóxico que el plomo, ¿comprendemos el mecanismo?
La toxicidad es principalmente debido a la radiactividad y a la absorción por el organismo, donde esa radiactividad puede actuar internamente. Hay "un depósito significativo de plutonio en el hígado y en la parte de los huesos que se metaboliza activamente", según Miner y Schonfeld .
Muchos $\ce{Pu}$ son principalmente emisores alfa, con "una radiación de alta energía y baja penetración, por lo que requieren un blindaje mínimo. Una hoja de papel puede servir de blindaje contra las partículas alfa emitidas por el plutonio-238", de Wikipedia . El riesgo de mantener un pequeño cantidad de plutonio, si se sella dentro de casi cualquier es insignificante, ya que las partículas alfa pesadas y cargadas positivamente son detenidas por el contenedor en una distancia muy corta.
Por la misma razón, cuando absorbido El plutonio migra al tejido hepático y óseo, que se divide rápidamente. hematopoyético células. Las partículas alfa se detienen en una distancia muy corta, depositando toda su energía en las pocas células más cercanas e interfiriendo masivamente en la reproducción celular. Pequeñas cantidades pueden causar varios tipos de cáncer como la leucemia, un cáncer de los tejidos productores de células sanguíneas antes mencionado.
Dicho esto, plutonio no es muy tan tóxicos como se podría pensar : "El Departamento de Energía de EE.UU. estima que el riesgo de cáncer a lo largo de la vida por la inhalación de 5.000 partículas de plutonio, cada una de unas 3 µm de ancho, es del 1% sobre la media de fondo de EE.UU... no se conoce ningún ser humano que haya muerto por inhalar o ingerir plutonio, y muchas personas tienen cantidades mensurables de plutonio en sus cuerpos."
Quizás lo que Rhodes quiere decir con "no tan radiactivo" es que la radiación del plutonio es poco penetrante . En isótopo utilizado en armas nucleares , 239 Pu, tiene un vida media de unos 24.000 años comparable al radio, o a 231 Pa. Si he hecho bien mis cálculos, un mol de 239 Pu, unos 6e23 átomos, con una vida media de 8e11 segundos, debería emitir unas 400.000.000.000 partículas alfa por segundo . Por supuesto, si fuera una esfera, la mayoría de esas partículas serían absorbidas dentro de la masa de metal, liberar energía en forma de calor . Sin embargo, esparcidas por un cuerpo humano, cada partícula tiene un mucho mayor probabilidad de causar daños. Y 238 Pu, utilizado en generadores termoeléctricos radioisotópicos es lejos ¡más radiactivo!
La toxicidad real aparte de la radiactividad no está, que yo sepa, muy bien estudiada. Simplemente, la mayor parte del peligro es la radiactividad en general, así como la toxicidad de los productos de desintegración (uranio y americio).
Sin embargo, los conocimientos básicos de bioquímica sugieren que debe ser tóxicos por las mismas razones que la mayoría de los metales de alto peso atómico, a saber, que la mayoría de los procesos bioquímicos no diferencian bien entre los elementos más allá de la carga de ionización (esta es la razón por la que las sales de rubidio y cesio son tóxicas, el gran tamaño de los iones para ambos combinado con el estado de ionización +1 hace que se atasquen y bloqueen los canales de transferencia de iones de potasio y sodio en las células). La tendencia del plutonio a concentrarse en el hígado y en las zonas de crecimiento óseo corrobora esto, ya que ambas son zonas en las que los iones con cargas similares tienden a concentrarse (nótese que los iones de plutonio pueden estar en cualquier estado entre +2 y +7, siendo +4 la forma predominante y +7 extremadamente rara).
Además, para que conste, Rhodes tiene razón en que el plutonio apto para armamento es comparativamente poco radiactivo. Hay cinco isótopos principales de plutonio, con pesos atómicos de 238 a 242. El plutonio-239 es el isótopo utilizado para la fabricación de armas nucleares. El plutonio 239 es el isótopo utilizado para la fabricación de armas, y se desintegra mediante emisiones de partículas alfa, lo que significa que no es realmente tan peligroso salvo internamente, sobre todo porque se desintegra con bastante lentitud (su vida media es de 24.100 años). En particular, aparte de la fisión espontánea del Plutonio-240, todos los isótopos excepto el Plutonio-241 (que sufre desintegración beta a Americio-241) sólo sufren desintegración alfa, y como tales son relativamente seguros con un blindaje mínimo (ignorando el alto calor de desintegración del Plutonio-238 que se utiliza para alimentar RTGs).
Gracias por hacer esta pregunta. Había oído antes que el Pu era en realidad más tóxico químicamente que por su radiactividad, pero nunca había comprobado en detalle esta afirmación.
tl;dr : El plutonio es muy seguro a menos que se muela hasta convertirlo en polvo y se inhale, en cuyo caso el peligro probablemente sea por radiación, no por toxicidad química. Probablemente no hay forma de saberlo con certeza, porque no sabemos lo suficiente sobre aspectos como la dependencia de los daños de la radiación de la tasa de dosis en contraposición a la dosis total.
Voy a suponer que estamos hablando de 239Pu, que es lo que se utiliza en las bombas. Tiene una vida media de 24.000 años, y decae por emisión alfa a 235U, que es efectivamente estable (vida media de casi mil millones de años). Tenga en cuenta que no se desintegra por fisión (eso sólo ocurre en las bombas), por lo que la comparación con la lluvia radiactiva no es relevante.
Para obtener una comparación de la toxicidad química con la toxicidad debida a la radiación, creo que todo lo que necesitamos es una estimación muy aproximada del orden de magnitud de la toxicidad química. El mercurio orgánico es extremadamente tóxico (unas 10 veces peor que el arsénico), y tiene una DL50 de aproximadamente 0,1 g, por lo que probablemente sea un límite superior razonable para cualquier otro metal pesado como el plutonio.
La radiactividad del 239Pu se presenta en forma de partículas alfa, que sólo son peligrosas si se emiten internamente, ya que no pueden penetrar en la epidermis. Por tanto, me parece que el peligro dependería fundamentalmente de cómo se produjera la exposición interna. Si te comes un emisor alfa, permanecerá en tu cuerpo hasta que se excrete o se desintegre. La semivida de excreción del Hg orgánico o metálico es del orden de meses, por lo que probablemente sea una estimación razonable del orden de magnitud para otros metales pesados. Por otro lado, en los laboratorios de armamento nuclear hay personas que mecanizan piezas de plutonio, lo que levanta polvo de plutonio. Realizan este mecanizado dentro de cajas de guantes, y supongo que las virutas y el polvo se barren con mucho cuidado. El polvo se puede respirar, y es probable que las partículas en microgramos que llegan a los pulmones permanezcan allí el resto de la vida (Lenntech, ATSDR 2010). Desde los pulmones, también puede migrar a los huesos o al hígado. ("Mucho menos del 1%" del Pu ingerido lo haría).
En cuanto a la exposición interna a emisores alfa, disponemos de buenos datos sobre el 210Po, que se utilizó en el asesinato de Litvinenko. Se cree que la DL50 de esta sustancia es de aproximadamente 1 μg. Tiene una semivida de 138 días, y aunque no conozco su semivida de excreción, como se ha descrito anteriormente supongo que es del mismo orden de magnitud, por lo que con un factor de unidad de orden, probablemente podemos suponer que todo se desintegra dentro del cuerpo. Pero si se ingiere 239Pu, suponiendo que se excrete en unos 100 días, la probabilidad de que se descomponga en el cuerpo es de tan sólo unos 2.000 millones de euros. $10^{-5}$ . Por lo tanto, cabría esperar que la DL50 para el 239Pu ingerido fuera del orden de $10^5$ veces mayor que la del 210Po, o 0,1 g. Esto está en el mismo orden de magnitud que la toxicidad química. Bueno, esto sería de interés si algún ser humano (o animal de laboratorio) fuera a estar expuesto alguna vez a esta cantidad de material, y entonces quizá nos motivaría trabajar en la bioquímica con más detalle, hacer estudios, etc. Pero en realidad, nadie ha comido ni comerá nunca 210Po. Pero, en realidad, nadie ha comido ni comerá nunca tanto plutonio, por lo que carece de interés.
Para la inhalación, el equilibrio cambia. Si alguien vive 50 años después de la exposición y lleva el polvo en los pulmones durante todo ese tiempo, la probabilidad de descomposición en el organismo es de $\sim10^{-3}$ . Esto significa que, en términos de daño por radiación, la DL50 debería ser unas 1.000 veces superior a la del 210Po, es decir, alrededor de 1 mg. Esto lo haría unas 100 veces más tóxico en términos de radiación que cualquier toxicidad química plausible.
Se podría argumentar que el plutonio podría ser menos letal de lo que implica esta estimación porque una dosis de radiación que sería letal si se sufriera de golpe puede ser menos peligrosa o casi inofensiva si se reparte a lo largo de un periodo de años. Esto probablemente reduce la toxicidad radiactiva del plutonio en un factor importante en relación con la estimación anterior, pero no creo que pueda reducirla en un factor 100, que es lo que necesitaríamos para que la toxicidad radiactiva fuera comparable a cualquier nivel realista de toxicidad química.
Resumiendo:
Para la exposición externa: riesgo cero de radiación, cierto riesgo de toxicidad química, pero probablemente no peor que el riesgo (muy pequeño) de la exposición externa a sustancias como el plomo o el mercurio.
Ingestión: La toxicidad química no es relevante porque nadie ingerirá nunca lo suficiente como para estar en peligro. Sobre una base poblacional, la radiación podría causar algún exceso de cáncer, pero dudo que haya mucho plutonio sin reaccionar en la lluvia radiactiva, y el riesgo para la población no parece haberse considerado suficiente como para merecer un debate en Simon et al.
Inhalación: El peligro de la radiación es probablemente de 1 a 100 veces mayor que la toxicidad química, incluso si la toxicidad química es tan mala como la del mercurio orgánico.
Referencias
ATSDR 2010, "Declaración de salud pública para el plutonio". https://www.atsdr.cdc.gov/PHS/PHS.asp?id=646&tid=119
Lenntech Water Treatment Solutions, "Efectos del plutonio sobre la salud". https://www.lenntech.com/periodic/elements/pu.htm
Simon et al., "Fallout from Nuclear Weapons Tests and Cancer Risks ," (La lluvia radioactiva de las pruebas con armas nucleares y los riesgos de cáncer). https://www.cancer.gov/about-cancer/causes-prevention/risk/radiation/fallout-pdf
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