البلوتونيوم في البيئة

كانت مدينة ريتشلاند بولاية واشنطن أول مدينة تُنشأ لدعم إنتاج البلوتونيوم في موقع هانفورد النووي القريب ، لتزويد الترسانات النووية الأمريكية بالطاقة. كما دعمت مدينة أوزيرسك الروسية إنتاج البلوتونيوم لتزويد الترسانات النووية السوفيتية بالطاقة في محطة ماياك النووية. وكانت هاتان المدينتان أول مدينتين في العالم تُنتجان البلوتونيوم لاستخدامه في القنابل الذرية خلال الحرب الباردة . ^{[ 2 ]}

في كتابها الصادر عام 2013 بعنوان " بلوتوبيا: العائلات النووية، والمدن الذرية، وكوارث البلوتونيوم السوفيتية والأمريكية الكبرى" ، تستكشف كيت براون الحالة الصحية للمواطنين المتضررين في كل من الولايات المتحدة وروسيا، و"الكوارث البطيئة" التي لا تزال تهدد البيئات المحيطة بالمحطات النووية. ^{[ 1 ]} ووفقًا لبراون، أطلقت محطتا هانفورد وماياك أكثر من 200 مليون كوري من النظائر المشعة في البيئة المحيطة على مدى أربعة عقود، أي ضعف الكمية المنبعثة في كارثة تشيرنوبيل في كل حالة على حدة . ^{[ 2 ]}

كان معظم التلوث الإشعاعي الذي حدث على مر السنين في هانفورد وماياك جزءًا من العمليات الاعتيادية. وقد وقعت حوادث غير متوقعة، لكن إدارة المحطة تكتمت على الأمر، واستمر التلوث دون رادع. وحتى اليوم، في ظل استمرار مخاطر التلوث على الصحة والبيئة، تخفي الحكومة المعلومات المتعلقة بالمخاطر المرتبطة به عن العامة. ^{[ 2 ]}

أُطلق حوالي 3.5 طن من البلوتونيوم في البيئة نتيجة لتجارب القنابل الذرية. ورغم أن هذا الرقم قد يبدو كبيرًا، إلا أنه لم يُسفر إلا عن جرعة ضئيلة جدًا لمعظم سكان الأرض. وبشكل عام، فإن الآثار الصحية لمنتجات الانشطار النووي أكبر بكثير من آثار الأكتينيدات المنبعثة من تفجير قنبلة نووية. يتحول البلوتونيوم الموجود في وقود القنبلة إلى أكسيد عالي الاشتعال ينتقل إلى طبقات الجو العليا. ويسقط ببطء على الأرض على شكل تساقط إشعاعي عالمي ، وهو غير قابل للذوبان ، ولذلك يصعب على الكائنات الحية امتصاصه في حال ابتلاعه. ويُمتص جزء كبير من هذا البلوتونيوم في رواسب البحيرات والأنهار والمحيطات. مع ذلك، يتكون حوالي 66% من البلوتونيوم الناتج عن انفجار القنبلة من خلال التقاط النيوترونات لليورانيوم -238 ^؛ ولا يتحول هذا البلوتونيوم إلى أكسيد عالي الاشتعال ، لأنه يتكون ببطء. ويكون هذا البلوتونيوم المتكون أكثر قابلية للذوبان وأكثر ضررًا على شكل تساقط إشعاعي . ^{[ 9 ]}

يمكن أن يترسب بعض البلوتونيوم بالقرب من نقطة الانفجار. وقد تم فحص الترينيتيت الزجاجي المتكون من قنبلة ترينيتي لتحديد الأكتينيدات والنظائر المشعة الأخرى التي يحتويها. تشير ورقة بحثية نُشرت عام 2006 ^{[ 10 ]} إلى مستويات النظائر المشعة طويلة العمر في الترينيتيت. تشكل اليوروبيوم ^-152 واليوروبيوم ^-154 بشكل رئيسي نتيجة لتنشيط اليوروبيوم في التربة بواسطة النيوترونات ، ويكون مستوى النشاط الإشعاعي لهذين النظيرين أعلى ما يمكن حيث تكون جرعة النيوترونات التي تعرضت لها التربة أكبر. نتج جزء من الكوبالت ^-60 عن تنشيط الكوبالت في التربة، بينما نتج جزء آخر عن تنشيط الكوبالت في البرج الفولاذي (بارتفاع 100 قدم) الذي كانت القنبلة مثبتة عليه. من المرجح أن يكون الكوبالت ^-60 الناتج من البرج قد انتشر في الموقع، مما قلل من الاختلاف في مستويات التربة. أما الباريوم ^-133 والأمريسيوم ^-241 فقد نتجا عن تنشيط الباريوم والبلوتونيوم داخل القنبلة بواسطة النيوترونات. كان الباريوم موجودًا في شكل نترات في المتفجرات الكيميائية المستخدمة بينما كان البلوتونيوم هو الوقود الانشطاري المستخدم.

وبما أن نسبة ²³⁹ Pu / ²⁴⁰ Pu لم تتغير إلا قليلاً أثناء تفجير ترينيتي، فقد تمت الإشارة ^{[ 11 ]} إلى أن نسبة النظائر هذه بالنسبة لغالبية القنابل الذرية (في اليابان، تتراوح نسبة ²³⁹ Pu / ²⁴⁰ Pu في التربة عادة بين 0.17 و 0.19 ^{[ 12 ]} ) تختلف اختلافًا كبيرًا عن القنبلة التي ألقيت على ناغازاكي .

كما تم إطلاق البلوتونيوم في البيئة خلال تجارب السلامة . في هذه التجارب، تعرضت القنابل النووية لحوادث محاكاة أو تم تفجيرها بتفعيل غير طبيعي لمتفجراتها الكيميائية. يؤدي الانفجار الداخلي غير الطبيعي إلى انضغاط حفرة البلوتونيوم ، وهو انضغاط أقل انتظامًا وأصغر من الانضغاط المصمم للجهاز. في هذه التجارب التي لم يحدث فيها انشطار نووي أو حدث فيها انشطار ضئيل جدًا ، تناثر معدن البلوتونيوم حول مواقع الاختبار. بينما أُجريت بعض هذه الاختبارات تحت الأرض، أُجريت اختبارات أخرى في الهواء الطلق. وقد نشرت الوكالة الدولية للطاقة الذرية ورقة بحثية حول النظائر المشعة المتبقية في إحدى الجزر نتيجة لتجارب القنابل النووية الفرنسية في القرن العشرين، ويتناول قسم من هذا التقرير تلوث البلوتونيوم الناتج عن هذه الاختبارات. ^{[ 13 ]}

أُجريت تجارب أخرى مماثلة في مارالينغا، جنوب أستراليا ، حيث تم تفجير القنابل بشكل طبيعي، بالإضافة إلى "تجارب السلامة". ورغم أن النشاط الإشعاعي الناتج عن نواتج الانشطار قد تلاشى تمامًا تقريبًا (حتى عام 2006)، إلا أن البلوتونيوم لا يزال نشطًا. ^{[ 14 ] [ 15 ]}

يمكن أيضًا أن يتسرب البلوتونيوم إلى البيئة عبر دخول الأقمار الصناعية الحاملة للبطاريات الذرية إلى الغلاف الجوي. وقد وقعت عدة حوادث من هذا القبيل، أبرزها مهمة أبولو 13. إذ دخلت حزمة تجارب سطح القمر أبولو، المحمولة على متن المركبة القمرية، الغلاف الجوي فوق جنوب المحيط الهادئ. وكانت العديد من البطاريات الذرية من نوع مولدات الطاقة الكهروحرارية بالنظائر المشعة (RTG). ويبلغ عمر النصف للبلوتونيوم-238 المستخدم في هذه المولدات 88 عامًا، مقارنةً بالبلوتونيوم-239 المستخدم في الأسلحة والمفاعلات النووية ، والذي يبلغ عمر النصف له 24100 عام. في أبريل 1964، فشل القمر الصناعي SNAP-9A في الوصول إلى مداره وتفكك، مما أدى إلى انتشار ما يقارب كيلوغرامًا واحدًا (2.2 رطل) من البلوتونيوم-238 في جميع القارات. وسقط معظم البلوتونيوم في نصف الكرة الجنوبي. تم إطلاق ما يقدر بنحو 6300 جيجابيكريل أو 2100 مان-سيفرت من الإشعاع ^{[ 16 ] [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]} ، مما أدى إلى تطوير وكالة ناسا لتكنولوجيا الطاقة الشمسية الكهروضوئية. ^{[ 20 ]}  

لا تحدث تفاعلات متسلسلة داخل مولدات النظائر المشعة الحرارية (RTGs)، لذا فإن الانصهار النووي مستحيل. في الواقع، صُممت بعض مولدات النظائر المشعة الحرارية بحيث لا يحدث انشطار نووي على الإطلاق؛ وبدلاً من ذلك، تُستخدم أشكال من التحلل الإشعاعي لا تُحفز تحللاً إشعاعياً آخر. ونتيجة لذلك، يُستهلك الوقود في مولد النظائر المشعة الحرارية ببطء شديد، ويُنتج طاقة أقل بكثير. مع ذلك، لا تزال مولدات النظائر المشعة الحرارية مصدراً محتملاً للتلوث الإشعاعي : فإذا تسربت حاوية الوقود، ستلوث المواد المشعة البيئة. ويكمن القلق الرئيسي في أنه في حال وقوع حادث أثناء الإطلاق أو مرور مركبة فضائية لاحقاً بالقرب من الأرض، فقد تتسرب مواد ضارة إلى الغلاف الجوي. ومع ذلك، فإن هذا الاحتمال مستبعد للغاية مع تصميمات حاويات مولدات النظائر المشعة الحرارية الحالية.

لتقليل خطر تسرب المواد المشعة، يُخزَّن الوقود عادةً في وحدات نمطية منفصلة مزودة بدروع حرارية خاصة بها. تُحاط هذه الوحدات بطبقة من معدن الإيريديوم وتُغلَّف بكتل من الجرافيت عالي المتانة . يتميز هذان العنصران بمقاومتهما للتآكل والحرارة. ويُحيط بكتل الجرافيت غلافٌ واقٍ مصمم لحماية المجموعة بأكملها من حرارة دخول الغلاف الجوي للأرض. كما يُخزَّن وقود البلوتونيوم في شكل خزفي مقاوم للحرارة، مما يقلل من خطر التبخر والتطاير. يتميز هذا الخزف أيضًا بانخفاض ذوبانه .

أجرت وزارة الطاقة الأمريكية اختبارات على مياه البحر، وخلصت إلى أن الغلاف الجرافيتي، المصمم لتحمل إعادة الدخول إلى الغلاف الجوي، مستقر، ولا يُتوقع حدوث أي تسرب للبلوتونيوم. ولم تكشف التحقيقات اللاحقة عن أي زيادة في الإشعاع الطبيعي في المنطقة. تمثل أزمة أبولو 13 عام 1970 سيناريو بالغ الخطورة نظرًا لسرعات إعادة الدخول العالية للمركبة العائدة من الفضاء القريب من القمر. وقد ساهم هذا الحادث في تأكيد تصميم الأجيال اللاحقة من مولدات الطاقة النووية الحرارية (RTGs) باعتبارها عالية الأمان.

تسرب البلوتونيوم إلى البيئة على شكل محلول مائي من محطات إعادة معالجة المفاعلات النووية وتخصيب اليورانيوم . وتختلف التركيبة الكيميائية لهذا البلوتونيوم عن تلك الخاصة بأكاسيد المعادن المتكونة من تفجيرات القنابل النووية .

من الأمثلة على المواقع التي تسرب إليها البلوتونيوم إلى التربة موقع روكي فلاتس ، حيث استُخدمت تقنية مطيافية امتصاص الأشعة السينية ( XANES ) مؤخرًا لتحديد التركيب الكيميائي للبلوتونيوم في التربة . ^{[ 21 ]} استُخدمت تقنية XANES لتحديد حالة أكسدة البلوتونيوم، بينما استُخدمت تقنية امتصاص الأشعة السينية الممتدة (EXAFS) لدراسة بنية مركب البلوتونيوم الموجود في التربة والخرسانة . ^{[ 22 ]}

نظرًا لأن أكسيد البلوتونيوم غير متطاير، فإن معظم البلوتونيوم الموجود في المفاعل لم ينطلق أثناء الحريق. ومع ذلك، يمكن قياس الكمية المنطلقة. وقد أفاد في. آي. يوشينكو وآخرون أن حرائق الأعشاب والغابات يمكن أن تجعل السيزيوم والسترونتيوم والبلوتونيوم متحركة في الهواء مرة أخرى. ^{[ 23 ]}

تشمل الأزمة المستمرة في هذا الموقع أحواض الوقود المستهلك في الطوابق العليا، المعرضة للعوامل الجوية، والتي تحتوي على منتجات معقدة من أكسيد الميثانول والبلوتونيوم. وقد طلبت فرقة العمل الحكومية اليابانية تقديم تقارير إلى المعهد الدولي لأبحاث تفكيك المنشآت النووية ^{[ 24 ]} بشأن مشكلات المياه الملوثة المستمرة. ^{[ 25 ]}

أكدت الوكالة الدولية للطاقة الذرية وقوع 18 حادثة تتعلق بسرقة أو فقدان اليورانيوم عالي التخصيب (HEU) والبلوتونيوم . ^{[ 26 ]}

هناك حالة لرجل ألماني حاول تسميم زوجته السابقة بمادة البلوتونيوم المسروقة من مصنع إعادة معالجة النفايات النووية الصغير "واك" ( Wak ) الذي كان يعمل فيه. لم يسرق كمية كبيرة من البلوتونيوم، بل مجرد قطع قماش تُستخدم لتنظيف الأسطح وكمية قليلة من النفايات السائلة. سُجن الرجل لجريمته . ^{[ 27 ]} تلوث شخصان آخران على الأقل بالبلوتونيوم. كما تلوثت شقتان في ولاية راينلاند بالاتينات . ^{[ 28 ]} تم تنظيفهما لاحقًا بتكلفة مليوني يورو .

يشكل البلوتونيوم، كغيره من الأكتينيدات، بسهولة نواة بلوتونيل ثاني أكسيد (PuO₂ ₎ . في البيئة، تتفاعل هذه النواة بسهولة مع الكربونات، بالإضافة إلى جزيئات الأكسجين الأخرى (OH⁻ ^، NO₂⁻ _، ^NO₃⁻ ، ^و SO₄²⁻ ₎ ^، _لتكوين مركبات مشحونة تتميز بسهولة حركتها وضعف ارتباطها بالتربة.

• PuO ₂ (CO ₃ ) ₁ ²⁻
• PuO ₂ (CO ₃ ) ₂ ⁴⁻
• PuO ₂ (CO ₃ ) ₃ ⁶⁻

يميل أكسيد البلوتونيوم (PuO₂ ₎ الناتج عن معادلة محاليل حمض النيتريك شديدة الحموضة إلى تكوين بوليمرات من أكسيد البلوتونيوم _مقاومة للتكوين المعقد. كما أن البلوتونيوم ينتقل بسهولة بين حالات التكافؤ +3 و+4 و+5 و+6. ومن الشائع أن يوجد جزء من البلوتونيوم في المحلول في جميع هذه الحالات في حالة توازن.

من المعروف أن البلوتونيوم يرتبط بقوة بجزيئات التربة (انظر أعلاه لدراسة طيفية بالأشعة السينية للبلوتونيوم في التربة والخرسانة ) . وعلى الرغم من اختلاف التركيب الكيميائي للسيزيوم عن الأكتينيدات، فمن المعروف أن كلاً من السيزيوم والعديد من الأكتينيدات يرتبط بقوة بالمعادن الموجودة في التربة. ولذلك، أمكن استخدام تربة موسومة بالسيزيوم ^-134 لدراسة هجرة البلوتونيوم والسيزيوم في التربة. وقد أظهرت دراسة أجراها آر. دي. ويكر وإس. إيه. إبراهيم أن عمليات النقل الغرواني تتحكم في هجرة السيزيوم (وستتحكم في هجرة البلوتونيوم) في التربة في محطة عزل النفايات التجريبية . ^{[ 29 ]} وقد أبلغ جيه. دي. تشابلن وآخرون مؤخرًا عن تطورات في تقنية التدرجات الانتشارية في الأغشية الرقيقة ، والتي وفرت طريقة لقياس البلوتونيوم المتاح بيولوجيًا في التربة، وكذلك في المياه العذبة ومياه البحر. ^{[ 30 ]}

أجرت ماري نيو (في لوس ألاموس بالولايات المتحدة الأمريكية) بعض الأبحاث التي تشير إلى أن البكتيريا قادرة على تراكم البلوتونيوم لأن أنظمة نقل الحديد التي تستخدمها البكتيريا تعمل أيضاً كأنظمة لنقل البلوتونيوم. ^{[ 31 ] [ 32 ] [ 33 ]}