พลูโทเนียม (Pu : plutonium) เป็นธาตุที่มีสีเทา เมื่อบริสุทธิ์มีความหนาแน่น 19.82 กรัม/ลูกบาศก์เซนติเมตร มีจุดหลอมเหลว 640 องศาเซลเซียส ในอดีตเมื่อ 4,500 ล้านปีก่อน โลกมีพลูโทเนียมพอๆ กับยูเรเนียม แต่พลูโทเนียมสลายตัวเร็วกว่า ดังนั้น เราจึงพบพลูโทเนียมธรรมชาติในปริมาณที่น้อยนิด แต่เมื่อถึงวันนี้ โลกมีพลูโทเนียม 2,000 ตันที่ได้จากการสังเคราะห์ เพื่อใช้ในเตาปฏิกรณ์ปรมาณู และ 250 ตัน เพื่อใช้ในการทำระเบิดปรมาณูของรัสเซีย อเมริกา จีน ฝรั่งเศส อังกฤษ อินเดีย ปากีสถาน และอิสราเอล
พลูโทเนียมมีไอโซโทป 15 ชนิด (isotope คือ กลุ่มธาตุที่มีจำนวนโปรตอนในนิวเคลียสเท่ากัน แต่จำนวนนิวตรอนต่างกัน เช่น ไอโซโทปของไฮโดรเจน ซึ่งมี 7 ชนิด แต่ชนิดที่รู้จักกันดี คือ ไฮโดรเจน ดิวทีเรียม และทริเทียม เพราะธาตุทั้งสามต่างก็มีโปรตอนในนิวเคลียส 1 ตัว และมีนิวตรอนแตกต่างกัน คือ 0, 1, 2 ตัว ตามลำดับ) ซึ่งได้แก่ พลูโทเนียม – 232 จนกระทั่งถึง พลูโทเนียม -246 และทุกไอโซโทปเป็นธาตุกัมมันตรังสี คือ สลายตัวให้อนุภาคอัลฟา ด้วยครึ่งชีวิตที่แตกต่างกันตั้งแต่ 20 นาที จนกระทั่งถึง 76 ล้านปี (ครึ่งชีวิต คือ เวลาที่ธาตุกัมมันตรังสีใช้ในการสลายตัวจนเหลือครึ่งหนึ่งของปริมาณเดิม) จะอย่างไรก็ตามพลูโทเนียมที่มีชื่อเสียงโด่งดัง (ในทางลบ) มากที่สุด คือ พลูโทเนียม -239 ซึ่งมีครึ่งชีวิต 24,360 ปี เพราะสามารถนำไปทำระเบิดปรมาณูได้
ในการศึกษาธรรมชาติการสลายตัวของพลูโทเนียม นักฟิสิกส์ได้พบว่า จะมีอนุภาคอัลฟา และยูเรเนียม -235 เกิดขึ้น ดังสมการ
แต่คุณสมบัติที่โดดเด่น และน่ากลัวที่สุด คือ เวลาพลูโทเนียม -239 ได้รับอนุภาคนิวตรอนเข้าไปมันจะแยกตัว (fission) ในลักษณะเดียวกับยูเรเนียม -235 และมีอนุภาคนิวตรอนหลุดออกมา 2 ตัวบ้าง 3 ตัวบ้าง ทำให้ได้ค่าเฉลี่ย 2.92 ตัว ซึ่งนับว่ามากกว่ากรณีของยูเรเนียม -235 ที่ให้นิวตรอนโดยเฉลี่ยเท่ากับ 2.42 ตัว การให้จำนวนนิวตรอนที่มากกว่าทำให้พลูโทเนียมเวลาสลายตัวปล่อยพลังงานออกมามากกว่า ดังนั้น มันจึงเป็นธาตุที่เหมาะกว่ายูเรเนียม -235 ในการใช้ทำระเบิดปรมาณู
ย้อนอดีตไปถึงปี 2482 ในขณะที่ Enrico Fermi แห่งมหาวิทยาลัย Columbia ในสหรัฐฯ (รางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ปี 2481 กำลังศึกษาการใช้ยูเรเนียม -238 ในการทำให้เกิดปฏิกิริยาลูกโซ่ Edwin McMillan แห่งมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนียที่ Berkeley ก็กำลังใช้เครื่องเร่งอนุภาค cyclotron เร่งอนุภาคดิวเทอรอนให้พุ่งชนนิวเคลียสของธาตุ beryllium ทำให้เกิดปฏิกิริยา
ซึ่งให้อนุภาคนิวตรอน (10 n) McMillan จึงใช้นิวตรอนที่ได้ยิงยูเรเนียม -238 ทำให้เกิดปฏิกิริยา
เขาตั้งชื่อธาตุใหม่ที่เกิดขึ้น คือ Np-239 ว่า neptunium
ในเวลาต่อมา Philip Abelson ก็ได้ประสบความสำเร็จในการแยก Np-239 จาก U-239 และคาดว่า neptunium น่าจะสลายตัวให้ธาตุใหม่ กับอนุภาคเบตา (0-1e) ดังสมการ
นั่น เป็นเพียงการคาดคะเน ดังนั้น เมื่อถึงเดือนมีนาคม พ.ศ. 2484 Glenn Seaborg กับ Arthur Wahl แห่งมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนียที่ Berkeley ก็ได้พบธาตุใหม่จริงๆ ชื่อ plutonium (Pu-239) ซึ่งธาตุใหม่นี้ จะสลายให้อนุภาคอัลฟากับธาตุยูเรเนียม -235 ดังสมการ
จากนั้น F.Houtermann ก็ได้ทดลองยิงอนุภาคนิวตรอนให้พุ่งชน Pu-239 และได้พบว่า Pu-239 แบ่งตัวเช่นเดียวกับ U-235 อีกทั้งปล่อยพลังงานมหาศาลออกมาในลักษณะเดียวกับ U-235 การพบธาตุใหม่ Pu-239 และ Np-239 นอกจากจะทำให้ Glenn Seaborg และ Edwin McMillan ได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมีประจำปี 2494 แล้ว ยังทำให้นักเคมีและนักฟิสิกส์ยินดีมากด้วย เพราะความพยายามในการแยกเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ตัวนี้ (Pu-239) ออกจาก U-238 สามารถทำได้ง่ายกว่าการแยก U-235 ออกจาก U-238 มาก
ข้อมูลนี้จึงทำให้นักวิทยาศาสตร์ฝ่ายสัมพันธมิตร พยายามปกปิดไม่ให้นักวิทยาศาสตร์เยอรมันรู้ เพราะกลัวว่ากองทัพนาซีจะมีระเบิดปรมาณูใช้ก่อนกองทัพสัมพันธมิตร
จากนั้น สหรัฐฯ ก็เริ่มโครงการ Manhattan เพื่อผลิตพลูโทเนียม -239 ในปี 2486 และได้ทดลองสมรรถภาพของระเบิดปรมาณูที่ทำจากพลูโทเนียม เมื่อวันที่ 6 มิถุนายน พ.ศ. 2488 แล้วได้นำไปใช้จริงที่เมือง Nagasaki เมื่อวันที่ 9 สิงหาคม พ.ศ. 2488
ข้อมูลของ International Atomic Energy Agency (IAEA) ระบุว่า พลูโทเนียม -239 เป็นธาตุที่ผลึกมี 6 โครงสร้างแตกต่างกัน แต่มีโครงสร้างเดียวที่เหมาะสมสำหรับนำไปใช้ทำระเบิด และเมื่อ Cyril Stanley Smith ได้พบว่า ธาตุ gallium สามารถทำให้พลูโทเนียมชนิด delta เสถียรได้โดยการโด๊ป การนำพลูโทเนียมที่เสถียรสองส่วนมารวมกันเป็นมวลวิกฤต ซึ่งจะระเบิดโดยปฏิกิริยาลูกโซ่ก็เป็นความจริง เพราะพลูโทเนียมเพียง 8 กิโลกรัม ก็สามารถสร้างระเบิดปรมาณูได้ 1 ลูก ดังนั้น พลูโทเนียม 2,000 ตันที่โลกมีจึงเพียงพอสำหรับการทำระเบิดปรมาณู 250,000 ลูก
ณ วันนี้ การป้องกันไม่ให้ผู้ก่อการร้าย หรือรัฐบาลบางประเทศ เช่น เกาหลีเหนือ และอิหร่าน ผลิตหรือครอบครองพลูโทเนียม จึงเป็นเรื่องจำเป็นเพื่อป้องกันการแพร่ระบาดของอาวุธนิวเคลียร์
เมื่อปีกลายนี้ Jeremy Bernstein ได้เรียบเรียงหนังสือชื่อ Plutonium : A History of the World’s Most Dangerous Element ออกวางจำหน่าย หนังสือนี้จัดพิมพ์โดย Joseph Henry Press หนา 255 หน้า ราคา 27.95 เหรียญ หนังสือได้เล่าประวัติความเป็นมาของพลูโทเนียม การแข่งขันสร้างระเบิดปรมาณูระหว่างฝ่ายสัมพันธมิตรกับฝ่ายอักษะ การสร้างระเบิดปรมาณู รวมถึงเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นหลังการระเบิดที่ Nagasaki โดยได้ยกประเด็นการกำจัดสารกัมมันตรังสีของพลูโทเนียมมาพูดถึงด้วย หนังสือนี้จึงช่วยให้ผู้อ่านรู้ เข้าใจ ความลึกลับของพลูโทเนียม และตระหนักถึงภัยของธาตุนี้ที่มนุษย์สร้างขึ้นด้วย
สุทัศน์ ยกส้าน เมธีวิจัยอาวุโส สกว.
