البلوتونيوم-238

كان البلوتونيوم-238 أول نظير للبلوتونيوم يتم اكتشافه. وقد تم تصنيعه بواسطة جلين سيبورغ وزملاؤه في ديسمبر 1940 عن طريق قذف اليورانيوم-238 بالديوترونات ، مما أدى إلى إنتاج النبتونيوم -238 .

²³⁸⁹² يو+ ²¹ ح→ ²³⁸⁹³ _نيب +2ن_​​

ثم يخضع نظير النبتونيوم لتحلل بيتا ^السالب  إلى البلوتونيوم-238 بنصف عمر يبلغ 2.099 يومًا. ^{[ 7 ]}

يتحلل البلوتونيوم-238 بشكل طبيعي إلى يورانيوم-234 ، ثم يستمر، بعد فترة طويلة، في التحلل عبر سلسلة الراديوم إلى رصاص-206 . تاريخيًا، تم إنتاج معظم البلوتونيوم-238 بواسطة سافانا ريفر في مفاعل الأسلحة الخاص بها، عن طريق تشعيع النبتونيوم-237 (نصف العمر2.144 مليون سنة  ) مع النيوترونات. ^{[ 8 ]}

²³⁷ ₉₃ Np+n→ ²³⁸ ₉₃ Np

النبتونيوم-237 هو منتج ثانوي لإنتاج البلوتونيوم-239 المستخدم في الأسلحة، وعندما تم إغلاق الموقع في عام 1988، تم خلط ^{238 Pu مع حوالي 16٪ من 239} Pu. ^{[ 9 ]}

تم تصنيع البلوتونيوم لأول مرة في عام 1940 وعزله في عام 1941 على يد كيميائيين في جامعة كاليفورنيا، بيركلي. ^{[ 10 ] [ 11 ]}

بدأ مشروع مانهاتن بعد فترة وجيزة من الاكتشاف، حيث تم إجراء معظم الأبحاث المبكرة (قبل عام 1944) باستخدام عينات صغيرة تم تصنيعها باستخدام السيكلوترونات الكبيرة في مختبر بيركلي للإشعاع وجامعة واشنطن في سانت لويس . ^{[ 12 ]}

تمثلت معظم الصعوبات التي واجهها مشروع مانهاتن في إنتاج واختبار الوقود النووي. وقد تبين في نهاية المطاف أن كلاً من اليورانيوم والبلوتونيوم قابلان للانشطار ، ولكن في كلتا الحالتين كان لا بد من تنقيتهما لاختيار النظائر المناسبة لصنع قنبلة ذرية . ^{[ 13 ]}

مع اندلاع الحرب العالمية الثانية ، واجهت فرق البحث ضغطاً كبيراً بسبب ضيق الوقت. تم إنتاج كميات ضئيلة من البلوتونيوم (بالميكروغرامات) باستخدام السيكلوترونات في عامي 1942 و1943. وفي أواخر عام 1943، نُقل عن روبرت أوبنهايمر قوله: "لا يوجد سوى جزء من عشرين من المليغرام في العالم". ^{[ 12 ]}

وبناءً على طلبه، وفر مختبر الإشعاع في بيركلي 1.2  ملغ من البلوتونيوم بحلول نهاية أكتوبر 1943، ونُقل معظمها إلى لوس ألاموس لإجراء أعمال نظرية هناك. ^{[ 12 ]}

كان من المقرر أن يبدأ تشغيل ثاني مفاعل نووي في العالم، وهو مفاعل الجرافيت X-10 الذي بُني في موقع سري في أوك ريدج ، بكامل طاقته عام 1944. في نوفمبر 1943، وبعد فترة وجيزة من بدء تشغيله الأولي، أنتج كمية ضئيلة من البلوتونيوم بلغت 500  ملليغرام. ومع ذلك، تم خلط هذا البلوتونيوم بكميات كبيرة من وقود اليورانيوم، وكان مُعدًا لمحطة تجريبية قريبة للمعالجة الكيميائية لفصل النظائر (التخصيب). لم تكن كميات البلوتونيوم بالجرام متوفرة حتى أوائل عام 1944. ^{[ 14 ]}

لم يبدأ الإنتاج الصناعي للبلوتونيوم إلا في مارس 1945 عندما بدأ تشغيل مفاعل B في موقع هانفورد . ^{[ 13 ]}

على الرغم من توفر عينات من البلوتونيوم بكميات صغيرة وتداولها من قبل الباحثين، إلا أنه لم يكن أحد يعلم ما هي الآثار الصحية التي قد تترتب على ذلك. ^{[ 13 ]}

وقعت حوادث متعلقة بالبلوتونيوم عام 1944، مما أثار قلق قيادة مشروع مانهاتن، حيث بات التلوث داخل المختبرات وخارجها مشكلةً متفاقمة. ^{[ 13 ]} في أغسطس/آب من العام نفسه، رُشّ الكيميائي دونالد ماستيك في وجهه بمحلول كلوريد البلوتونيوم ، مما أدى إلى ابتلاعه بعضًا منه عن طريق الخطأ. ^{[ 13 ] [ 15 ]} وأظهرت مسحات الأنف التي أُخذت من باحثي البلوتونيوم أنهم كانوا يستنشقون البلوتونيوم. ^{[ 13 ] [ 16 ]} وحثّ غلين سيبورغ ، كبير كيميائيي مشروع مانهاتن ومكتشف العديد من العناصر ما بعد اليورانيوم ، بما فيها البلوتونيوم، على وضع برنامج سلامة لأبحاث البلوتونيوم. وفي مذكرةٍ إلى روبرت ستون في مختبر شيكاغو ميت ، كتب سيبورغ: "يجب البدء ببرنامج لتتبع مسار البلوتونيوم في الجسم في أسرع وقت ممكن... [مع] إعطاء الأولوية القصوى". ^{[ ١٧ ]} كُتبت هذه المذكرة بتاريخ ٥ يناير ١٩٤٤، قبل وقوع العديد من حوادث التلوث في المبنى "د" حيث كان ماستيك يعمل. ^{[ ١٢ ]} ادعى سيبورغ لاحقًا أنه لم يقصد إطلاقًا الإشارة إلى التجارب على البشر في هذه المذكرة، ولم يعلم باستخدامها على البشر إلا بعد فترة طويلة بسبب تصنيف المعلومات السرية . ^{[ ١٢ ]}

مع تخصيص البلوتونيوم-239 المخصب لإنتاج الأسلحة النووية، والذي كان يُستخدم في الأبحاث الحيوية وإنتاج الأسلحة الذرية، استُخدم البلوتونيوم-238 في التجارب الطبية المبكرة لعدم صلاحيته كوقود للأسلحة الذرية. إلا أن البلوتونيوم ^-238 أشد خطورة من البلوتونيوم ^-239 نظرًا لقصر عمر النصف له وكونه مصدرًا قويًا لأشعة ألفا. وسرعان ما تبين أن البلوتونيوم يُفرز ببطء شديد، ويتراكم في أجسام الأشخاص الذين خضعوا للتجارب البشرية المبكرة ، مما أدى إلى عواقب صحية وخيمة عليهم.

في الفترة من 10 أبريل 1945 إلى 18 يوليو 1947، تم حقن ثمانية عشر شخصًا بالبلوتونيوم كجزء من مشروع مانهاتن. وتراوحت الجرعات المُعطاة من 0.095 إلى 5.9 ميكروكوري (ميكروكوري). ^{[ 13 ]}

بعد تشخيص خاطئ لحالة سرطان متقدمة لدى ألبرت ستيفنز ، بدا أنه أصاب العديد من الأعضاء، حُقن بالبلوتونيوم عام 1945 دون موافقته المستنيرة . أُشير إليه بالمريض CAL-1، وتكوّن البلوتونيوم من 3.5  ميكروكوري من نظير البلوتونيوم ^-238 و0.046  ميكروكوري من نظير البلوتونيوم ^-239 ، مما أعطاه جرعة إشعاعية أولية في جسمه بلغت 3.546  ميكروكوري (131 كيلوبيكريل ) من النشاط الإشعاعي الكلي. ^{[ 18 ] [ 13 ]} إن حقيقة حصوله على البلوتونيوم-238 عالي الإشعاع (الذي تم إنتاجه في السيكلوترون ذي الستين بوصة في مختبر كروكر عن طريق قصف اليورانيوم الطبيعي بالديوترون) ^{[ 18 ] ساهمت بشكل كبير في جرعته الإشعاعية على المدى الطويل. لو كان كل البلوتونيوم المُعطى لستيفنز من نظير البلوتونيوم -239} طويل العمر، كما هو مستخدم في تجارب مماثلة في ذلك الوقت، لكانت جرعة ستيفنز الإشعاعية طوال حياته أقل بكثير. إن العمر النصفي القصير لـ ²³⁸ Pu الذي يبلغ 87.7 سنة يعني أن كمية كبيرة منه قد تحللت خلال فترة وجوده داخل جسمه، خاصة عند مقارنته بالعمر النصفي لـ 239 ^Pu الذي يبلغ 24100 سنة .

بعد أن أزالت جراحة "السرطان" الأولية العديد من "الأورام" غير السرطانية، عاش ستيفنز حوالي 20 عامًا بعد جرعته التجريبية من البلوتونيوم قبل أن يتوفى بسبب مرض في القلب؛ وقد تلقى أعلى جرعة إشعاعية تراكمية معروفة لأي مريض بشري. ^{[ 12 ]} تشير الحسابات الحديثة للجرعة الإشعاعية التي امتصها طوال حياته إلى أنها بلغت 64 سيفرت (6400 ريم). ^{[ 12 ]} 

كان أول استخدام للبلوتونيوم ^-238 في مكونات الأسلحة النووية المصنعة في مختبرات ماوند لصالح مختبر لورانس للإشعاع ( مختبر لورانس ليفرمور الوطني حاليًا ). وقع الاختيار على ماوند لهذا العمل نظرًا لخبرتها في إنتاج بادئ أورشين الذي يعمل بوقود البولونيوم-210، وعملها مع العديد من العناصر الثقيلة في برنامج وقود المفاعلات. أمضى عالمان من ماوند عام 1959 في لورانس في تطوير مشترك، بينما كان يتم بناء مبنى المعادن الخاص في ماوند لإيواء المشروع. في هذه الأثناء، وصلت أول عينة من البلوتونيوم ^-238 إلى ماوند عام 1959. ^{[ 19 ]}

يُستخدم مولد الطاقة الكهروحرارية المشع بالنظائر المشعة بقدرة الميلي واط لتوفير الطاقة لوصلات العمل المسموح بها (PAL) في الأسلحة النووية الأمريكية. ^{[ 20 ]}

ابتداءً من 1 يناير 1957، كان مخترعا مولد الطاقة الحرارية الإشعاعية في مختبرات ماوند، جوردان وبيردن، يعملان على عقد مع فيلق الإشارة بالجيش (R-65-8-998 11-SC-03-91) لإجراء أبحاث حول المواد المشعة والمزدوجات الحرارية المناسبة للتحويل المباشر للحرارة إلى طاقة كهربائية باستخدام البولونيوم-210 كمصدر للحرارة.

في عام 1961، اختار الكابتن آر تي كاربنتر نظير البلوتونيوم ^-238 كوقود لأول مولد حراري كهروحراري نظائري مشع (RTG) يُطلق إلى الفضاء كمصدر طاقة مساعد لقمر الملاحة البحري ترانزيت 4. وبحلول 21 يناير 1963، لم يُتخذ قرار بعد بشأن النظير الذي سيُستخدم لتشغيل مولدات RTG الكبيرة لبرامج ناسا. ^{[ 21 ]}

في أوائل عام 1964، طوّر علماء مختبرات ماوند طريقةً مختلفةً لتصنيع مكوّن السلاح، ما أسفر عن كفاءة إنتاجية بلغت حوالي 98%. ^{[ 22 ]} وقد أتاح ذلك استخدام فائض إنتاج سافانا ريفر من البلوتونيوم ^-238 في مجال الطاقة الكهربائية الفضائية في الوقت المناسب تمامًا لتلبية احتياجات مولد الطاقة الحرارية النظائرية SNAP-27 على سطح القمر، ومركبة بايونير الفضائية، ومركبات فايكنغ الهابطة على سطح المريخ ، والمزيد من أقمار الملاحة البحرية العابرة (التي سبقت نظام تحديد المواقع العالمي GPS الحالي )، ومركبتي فوياجر الفضائيتين ، حيث صُنعت جميع مصادر الحرارة الخاصة بالبلوتونيوم ^{-238 في مختبرات ماوند. [ 23 ]}

استُخدمت وحدات التسخين بالنظائر المشعة في استكشاف الفضاء بدءًا من سخانات أبولو للنظائر المشعة (ALRH) التي قامت بتسخين التجربة الزلزالية التي وضعت على سطح القمر بواسطة مهمة أبولو 11 وعلى العديد من المركبات الجوالة على سطح القمر والمريخ ، وصولًا إلى 129 وحدة تسخين بالنظائر المشعة ذات الماء الطويل (LWRHU) التي قامت بتسخين التجارب على متن مركبة غاليليو الفضائية . ^{[ 24 ]}

أُنجزت إضافة إلى مبنى المعادن الخاص بمرفق إنتاج مكونات الأسلحة في نهاية عام 1964 لتصنيع وقود مصدر الحرارة من البلوتونيوم ^{-238 . كما تم تركيب مرفق مؤقت لإنتاج الوقود في مبنى الأبحاث عام 1969 لتصنيع وقود} النقل . ومع اكتمال مشروع مكونات الأسلحة، توقف مبنى المعادن الخاص، الملقب بـ"جبل الأفعى" لصعوبة التعامل مع كميات كبيرة من البلوتونيوم ^-238 ، عن العمل في 30 يونيو 1968، وانتقلت عمليات البلوتونيوم ^-238 إلى مبنى معالجة البلوتونيوم الجديد، المصمم والمُشيد خصيصًا للتعامل مع كميات كبيرة من البلوتونيوم ^-238 . يُصنف البلوتونيوم-238 بأعلى رقم خطر نسبي (152) من بين جميع النظائر المشعة الـ 256 التي قيّمها كارل ز. مورغان وآخرون عام 1963. ^{[ 25 ]}

في الولايات المتحدة، عندما أصبح البلوتونيوم-238 متاحًا للاستخدامات غير العسكرية، تم اقتراح العديد من التطبيقات واختبارها، بما في ذلك برنامج منظم ضربات القلب الذي بدأ في 1 يونيو 1966، بالتعاون مع شركة NUMEC. ^{[ 26 ]} زُرعت آخر هذه الوحدات في عام 1988، حيث جعلت منظمات ضربات القلب التي تعمل ببطاريات الليثيوم، والتي كان من المتوقع أن يصل عمرها الافتراضي إلى 10 سنوات أو أكثر دون عيوب المخاوف الإشعاعية والعقبات التنظيمية، هذه الوحدات قديمة الطراز. ^{[ 27 ]}

اعتبارًا من عام 2007كان هناك تسعة أشخاص على قيد الحياة في الولايات المتحدة الأمريكية مزودين بأجهزة تنظيم ضربات القلب التي تعمل بالطاقة النووية، من أصل 139 متلقيًا أصليًا. ^{[ 28 ]} عند وفاة هؤلاء الأفراد، من المفترض إزالة جهاز تنظيم ضربات القلب وشحنه إلى لوس ألاموس حيث سيتم استخراج البلوتونيوم. ^{[ 29 ]}

في رسالةٍ إلى مجلة نيو إنجلاند الطبية، تناولت حالة امرأةٍ زُرعت لها جهاز تنظيم ضربات القلب Numec NU-5 قبل عقود، والذي لا يزال يعمل باستمرار، على الرغم من أن سعره الأصلي كان 5000 دولار أمريكي، أي ما يعادل 23000 دولار أمريكي في عام 2007 ( 36263 دولارًا أمريكيًا في عام 2025 )، فقد بلغت تكاليف المتابعة حوالي 19000 دولار أمريكي ( 29502 دولارًا أمريكيًا في عام 2025 )، مقارنةً بـ 55000 دولار أمريكي ( 85400 دولارًا أمريكيًا في عام 2025 ) لجهاز تنظيم ضربات القلب الذي يعمل بالبطارية. ^{[ 28 ]}

ومن أجهزة تنظيم ضربات القلب الأخرى التي تعمل بالطاقة النووية جهاز "لورينز-ألكاتيل موديل 9000" من شركة ميدترونيكس. ^{[ 30 ]} وقد تم العثور على ما يقارب 1600 جهاز لتنظيم ضربات القلب يعمل بالطاقة النووية و/أو مجموعات بطاريات في جميع أنحاء الولايات المتحدة، وهي مؤهلة للاسترداد من قبل فريق مشروع استعادة المصادر الخارجية (OSRP) في مختبر لوس ألاموس الوطني (LANL). ^{[ 31 ]}

توقفت الولايات المتحدة عن إنتاج البلوتونيوم ^-238 بكميات كبيرة مع إغلاق مفاعلات موقع سافانا ريفر في عام 1988. ^{[ 36 ] [ 37 ] [ 38 ]} ومنذ عام 1993، يتم شراء جميع كميات البلوتونيوم ^-238 المستخدمة في المركبات الفضائية الأمريكية من روسيا. ففي الفترة من 1992 إلى 1994، اشترت وزارة الطاقة الأمريكية 10 كيلوغرامات من شركة ماياك الروسية للإنتاج . وبموجب اتفاقية مع وزارة الطاقة الأمريكية (ميناتوم) ، يتعين على الولايات المتحدة استخدام البلوتونيوم في مهمات ناسا غير المأهولة، بينما يتعين على روسيا استخدام العائدات للاستثمار البيئي والاجتماعي في منطقة تشيليابينسك ، المتضررة من التلوث الإشعاعي طويل الأمد، مثل كارثة كيشتيم . ^{[ 39 ]} في المجمل، تم شراء 16.5 كيلوغرامًا (36 رطلاً) ، لكن روسيا لم تعد تنتج البلوتونيوم ^-238 ، وتشير التقارير إلى أن مخزونها منه آخذ في النفاد. ^{[ 40 ] [ 41 ]} 

في فبراير 2013، تم إنتاج كمية صغيرة من البلوتونيوم ^{238 بنجاح بواسطة} مفاعل النظائر عالي التدفق في أوك ريدج ، ^{[ 42 ]} وفي 22 ديسمبر 2015، أبلغوا عن إنتاج 50 جرامًا (1.8 أونصة) من البلوتونيوم ^{238. [ 43 ] [ 44 ]}

في مارس 2017، أعلنت شركة أونتاريو لتوليد الطاقة (OPG) وذراعها الاستثماري، شركة الشركاء النوويين الكنديين، عن خطط لإنتاج البلوتونيوم ^-238 كمصدر ثانٍ لوكالة ناسا. سيتم تصنيع قضبان تحتوي على النبتونيوم-237 ^{[ 45 ]} في مختبر شمال غرب المحيط الهادئ الوطني (PNNL) في ولاية واشنطن، وشحنها إلى محطة دارلينجتون لتوليد الطاقة النووية التابعة لشركة OPG في كلارينغتون، أونتاريو ، كندا، حيث سيتم تشعيعها بالنيوترونات داخل قلب المفاعل لإنتاج البلوتونيوم ^-238 . ^{[ 46 ] [ 47 ]}

في يناير 2019، أفيد بتطبيق بعض الجوانب الآلية لإنتاج البلوتونيوم في مختبر أوك ريدج الوطني في ولاية تينيسي، ومن المتوقع أن تُضاعف هذه الآليات عدد كريات البلوتونيوم المنتجة أسبوعيًا ثلاث مرات. ^{[ 48 ]} ومن المتوقع الآن أن يرتفع معدل الإنتاج من 80 كرية أسبوعيًا إلى حوالي 275 كرية أسبوعيًا، ليصل إجمالي الإنتاج إلى حوالي 400 غرام سنويًا. ^{[ 48 ]} والهدف الآن هو تحسين العمليات وتوسيع نطاقها لإنتاج ما معدله 1.5 كيلوغرام (3.3 رطل) سنويًا بحلول عام 2025. ^{[ 49 ] [ 47 ]}  

في عام 2023، سلمت وزارة الطاقة  0.5 كجم من البلوتونيوم-238 لمهام ناسا، وتوقعت إنتاج 1.5  كجم سنويًا من أكسيد البلوتونيوم بحلول عام 2026. ^{[ 50 ]}