العدد الذري للبلوتونيوم. البلوتونيوم المستخدم في صنع الأسلحة: الاستخدام والإنتاج والتخلص. ميزات تصميم المفاعلات الصناعية
تم اكتشاف البلوتونيوم في أواخر عام 1940 في جامعة كاليفورنيا. تم تصنيعه بواسطة McMillan و Kennedy و Wahl عن طريق قصف أكسيد اليورانيوم (U 3 O 8) بنواة الديوتيريوم (الديوتيرونات) المتسارع بقوة في السيكلوترون. في وقت لاحق وجد أن هذا التفاعل النووي ينتج أولاً النظير قصير العمر النبتونيوم 238 ، ومنه بالفعل البلوتونيوم 238 بعمر نصف يبلغ حوالي 50 عامًا. بعد مرور عام ، قام كينيدي وسيبورج وسيجري ووال بتركيب نظير أكثر أهمية ، وهو البلوتونيوم 239 ، عن طريق تشعيع اليورانيوم بالنيوترونات عالية التسارع في السيكلوترون. يتكون البلوتونيوم 239 من اضمحلال النبتونيوم 239. تبعث أشعة ألفا ولها نصف عمر يبلغ 24000 سنة. تم الحصول على مركب بلوتونيوم نقي لأول مرة في عام 1942. ثم أصبح من المعروف أن هناك البلوتونيوم الطبيعي الموجود في خامات اليورانيوم ، ولا سيما في رواسب الخامات في الكونغو.
تم اقتراح اسم العنصر في عام 1948: أطلق ماكميلان على أول عنصر نبتونيوم عبر اليورانيوم نظرًا لحقيقة أن كوكب نبتون هو الأول بعد أورانوس. بالقياس ، تقرر تسمية العنصر 94 بلوتونيوم ، لأن كوكب بلوتو هو الثاني بعد أورانوس. اكتشف بلوتو عام 1930 ، وقد اشتق اسمه من الإله بلوتو - حاكم العالم السفلي في الأساطير اليونانية. في بداية القرن التاسع عشر. اقترح كلارك تسمية عنصر الباريوم بلوتونيوم ، مستمدًا هذا الاسم مباشرة من الإله بلوتو ، لكن اقتراحه لم يُقبل.
البلوتونيوم (البلوتونيوم اللاتيني ، يُشار إليه بالرمز Pu) هو عنصر كيميائي مشع برقم ذري 94 ووزن ذري 244.064. البلوتونيوم هو عنصر من عناصر المجموعة الثالثة من النظام الدوري لديمتري إيفانوفيتش مينديليف ، ينتمي إلى عائلة الأكتينيد. البلوتونيوم هو معدن ثقيل (كثافة في الظروف العادية 19.84 جم / سم مكعب) هش ، معدن مشع أبيض فضي.
لا يحتوي البلوتونيوم على نظائر مستقرة. من بين مائة نظير محتمل للبلوتونيوم ، تم تصنيع خمسة وعشرين نظيرًا. خمسة عشر منهم درسوا الخصائص النووية (الأعداد الكتلية 232-246). وجد أربعة تطبيقات عملية. أطول النظائر عمرا - 244Pu (نصف عمر 8.26.107 سنة) ، 242Pu (نصف عمر 3.76105 سنة) ، 239Pu (نصف عمر 2.41104 سنة) ، 238Pu (نصف عمر 87.74 سنة) - بواعث ألفا و 241Pu (نصف العمر 14 سنة) هو باعث بيتا. يوجد البلوتونيوم في الطبيعة بكميات ضئيلة في خامات اليورانيوم (239Pu) ؛ يتكون من اليورانيوم تحت تأثير النيوترونات ، ومصادره هي التفاعلات التي تحدث أثناء تفاعل جسيمات ألفا مع العناصر الخفيفة (التي هي جزء من الخامات) ، والانشطار التلقائي لنواة اليورانيوم والإشعاع الكوني.
تم اكتشاف العنصر الرابع والتسعين من قبل مجموعة من العلماء الأمريكيين - جلين سيبورج ، كينيدي ، إدوين ماكميلان وآرثر واهل في عام 1940 في بيركلي (في جامعة كاليفورنيا) عندما تم قصف هدف أكسيد اليورانيوم (U3O8) بواسطة نوى الديوتيريوم المتسارعة للغاية. (الديوترونات) من سيكلوترون ستين بوصة. في مايو 1940 ، تنبأ لويس تورنر بخصائص البلوتونيوم.
في ديسمبر 1940 ، تم اكتشاف نظير البلوتونيوم Pu-238 ، بعمر نصف يبلغ 90 عامًا تقريبًا ، وبعد عام واحد ، تم اكتشاف البلوتونيوم 239 الأكثر أهمية بعمر نصف يبلغ 24000 عام تقريبًا.
اقترح إدوين ماكميلان في عام 1948 تسمية العنصر الكيميائي بلوتونيوم تكريما لاكتشاف الكوكب الجديد بلوتو وقياسا على النبتونيوم ، والذي سمي على اسم اكتشاف نبتون.
يستخدم البلوتونيوم المعدني (النظير 239Pu) في الأسلحة النووية ويعمل كوقود نووي لمفاعلات الطاقة التي تعمل على النيوترونات الحرارية والسريعة بشكل خاص. الكتلة الحرجة لـ 239Pu على شكل معدن 5.6 كجم. من بين أشياء أخرى ، يعتبر النظير 239Pu مادة البداية لإنتاج عناصر transplutonium في المفاعلات النووية. يستخدم النظير 238Pu في المصادر النووية صغيرة الحجم للتيار الكهربائي المستخدم في أبحاث الفضاء ، وكذلك في محفزات نشاط القلب البشري.
يعتبر البلوتونيوم 242 مهمًا باعتباره "مادة خام" للتراكم السريع نسبيًا لعناصر أعلى عبر اليورانيوم في المفاعلات النووية. تُستخدم سبائك البلوتونيوم المستقرة δ في تصنيع خلايا الوقود ، نظرًا لأنها تتمتع بخصائص معدنية أفضل مقارنة بالبلوتونيوم النقي ، الذي يخضع لتحولات طورية عند تسخينه. تُستخدم أكاسيد البلوتونيوم كمصدر للطاقة لتكنولوجيا الفضاء وتجد تطبيقاتها في قضبان الوقود.
جميع مركبات البلوتونيوم سامة نتيجة لإشعاع ألفا. تشكل جسيمات ألفا خطرًا كبيرًا إذا كان مصدرها في جسم شخص مصاب ، فهي تتلف الأنسجة المحيطة بالجسم. إشعاع جاما من البلوتونيوم غير ضار بالجسم. تجدر الإشارة إلى أن نظائر البلوتونيوم المختلفة لها سمية مختلفة ، على سبيل المثال ، البلوتونيوم النموذجي للمفاعل أكثر سمية من 8-10 مرات من 239Pu النقي ، حيث تهيمن عليه 240 نويدات ، وهي مصدر قوي لإشعاع ألفا. البلوتونيوم هو أكثر العناصر سمية إشعاعية من بين جميع الأكتينيدات ، ومع ذلك ، فإنه يعتبر بعيدًا عن العنصر الأكثر خطورة ، حيث أن الراديوم أخطر ألف مرة تقريبًا من أكثر نظائر البلوتونيوم السامة - 239Pu.
الخصائص البيولوجية
يتركز البلوتونيوم بواسطة الكائنات البحرية: معامل تراكم هذا المعدن المشع (نسبة التركيزات في الجسم وفي البيئة الخارجية) للطحالب هو 1000-9000 ، للعوالق - حوالي 2300 ، لنجم البحر - حوالي 1000 ، للرخويات - ما يصل إلى 380 ، للعضلات والعظام والكبد ومعدة الأسماك - 5 و 570 و 200 و 1060 على التوالي. تمتص النباتات الأرضية البلوتونيوم بشكل رئيسي من خلال نظام الجذر وتجمعه بنسبة تصل إلى 0.01٪ من كتلتها. في جسم الإنسان ، يتم الاحتفاظ بالعنصر الرابع والتسعين بشكل أساسي في الهيكل العظمي والكبد ، حيث لا يتم إفرازه تقريبًا (خاصة من العظام).
البلوتونيوم شديد السمية ، ومخاطره الكيميائية (مثل أي معدن ثقيل آخر) أقل وضوحًا (من وجهة نظر كيميائية ، فهو سام أيضًا مثل الرصاص). . علاوة على ذلك ، تتمتع جسيمات ألفا بقدرة اختراق منخفضة نسبيًا: بالنسبة لـ 239Pu ، يبلغ مدى جسيمات ألفا في الهواء 3.7 سم ، وفي الأنسجة البيولوجية الرخوة ، 43 ميكرون. لذلك ، تشكل جسيمات ألفا خطرًا خطيرًا إذا كان مصدرها في جسم شخص مصاب. في نفس الوقت ، تتلف أنسجة الجسم المحيطة بالعنصر.
في الوقت نفسه ، فإن أشعة جاما والنيوترونات ، التي ينبعث منها البلوتونيوم أيضًا والتي يمكنها اختراق الجسم من الخارج ، ليست خطيرة جدًا ، لأن مستواها منخفض جدًا بحيث لا يسبب ضررًا للصحة. ينتمي البلوتونيوم إلى مجموعة من العناصر ذات السمية الإشعاعية العالية بشكل خاص. في الوقت نفسه ، تتمتع نظائر البلوتونيوم المختلفة بسمية مختلفة ، على سبيل المثال ، البلوتونيوم النموذجي للمفاعل أكثر سمية من 8-10 مرات من 239Pu النقي ، نظرًا لأنه يسيطر عليه 240Pu نوكليدات ، وهو مصدر قوي لإشعاع ألفا.
عندما يتم تناول العنصر مع الماء والطعام ، يكون البلوتونيوم أقل سمية من المواد مثل الكافيين وبعض الفيتامينات والسودوإيفيدرين والعديد من النباتات والفطريات. هذا يرجع إلى حقيقة أن هذا العنصر يتم امتصاصه بشكل سيئ من قبل الجهاز الهضمي ، حتى عندما يتم توفيره في شكل ملح قابل للذوبان ، فإن هذا الملح بالذات مرتبط بمحتويات المعدة والأمعاء. ومع ذلك ، فإن امتصاص 0.5 جرام من البلوتونيوم في حالة الانقسام الدقيق أو المذابة يمكن أن يؤدي إلى الوفاة من الإشعاع الحاد للجهاز الهضمي في غضون أيام أو أسابيع قليلة (بالنسبة للسيانيد ، هذه القيمة هي 0.1 جرام).
من حيث الاستنشاق ، يعتبر البلوتونيوم سامًا عاديًا (يتوافق تقريبًا مع بخار الزئبق). عند استنشاقه ، يكون البلوتونيوم مادة مسرطنة ويمكن أن يسبب سرطان الرئة. لذلك عند استنشاق مائة ملليغرام من البلوتونيوم على شكل جزيئات بالحجم الأمثل للاحتفاظ بالرئتين (1-3 ميكرون) يؤدي إلى الوفاة من الوذمة الرئوية في 1-10 أيام. جرعة من عشرين ملليغرام تؤدي إلى الوفاة من التليف في حوالي شهر. جرعات صغيرة تؤدي إلى تسمم مسرطن مزمن. يزداد خطر استنشاق اختراق البلوتونيوم إلى الجسم بسبب حقيقة أن البلوتونيوم عرضة لتكوين الهباء الجوي.
على الرغم من كونه معدنًا ، إلا أنه متقلب تمامًا. إن بقاء المعدن لفترة قصيرة في الغرفة يزيد بشكل كبير من تركيزه في الهواء. بمجرد دخوله إلى الرئتين ، يستقر البلوتونيوم جزئيًا على سطح الرئتين ، ويمر جزئيًا في الدم ، ثم إلى مادة الليمفاوية ونخاع العظام. يذهب معظمها (حوالي 60٪) إلى أنسجة العظام ، و 30٪ إلى الكبد و 10٪ فقط تفرز بشكل طبيعي. تعتمد كمية البلوتونيوم التي دخلت الجسم على حجم جزيئات الهباء الجوي وقابلية الذوبان في الدم.
يتشابه البلوتونيوم الذي يدخل جسم الإنسان بطريقة أو بأخرى في خواص الحديد الحديدي ، لذلك ، يتغلغل البلوتونيوم في الدورة الدموية ، ويبدأ التركيز في الأنسجة التي تحتوي على الحديد: نخاع العظام ، الكبد ، الطحال. ينظر الجسم إلى البلوتونيوم على أنه حديد ، وبالتالي فإن بروتين الترانسفيرين يأخذ البلوتونيوم بدلاً من الحديد ، ونتيجة لذلك يتوقف نقل الأكسجين في الجسم. تسحب الخلايا المجهرية البلوتونيوم عبر العقد الليمفاوية. بمجرد دخول الجسم ، يتم إزالة البلوتونيوم منه لفترة طويلة جدًا - أكثر من 50 عامًا ، سيتم إخراج 80 ٪ فقط من الجسم. عمر النصف من الكبد 40 سنة. بالنسبة لأنسجة العظام ، يبلغ عمر النصف للبلوتونيوم 80-100 عام ، في الواقع ، يكون تركيز العنصر الرابع والتسعين في العظام ثابتًا.
أثناء الحرب العالمية الثانية وبعدها ، جرب العلماء في مشروع مانهاتن ، وكذلك علماء من الرايخ الثالث ومنظمات بحثية أخرى ، استخدام البلوتونيوم على الحيوانات والبشر. أظهرت الدراسات التي أجريت على الحيوانات أن بضعة مليغرامات من البلوتونيوم لكل كيلوغرام من الأنسجة هي جرعة قاتلة. كان استخدام البلوتونيوم في البشر هو حقن المرضى المصابين بأمراض مزمنة عن طريق الحقن العضلي بـ 5 ميكروغرام من البلوتونيوم. ونتيجة لذلك ، وجد أن الجرعة المميتة للمريض تساوي ميكروجرامًا واحدًا من البلوتونيوم ، وأن البلوتونيوم أخطر من الراديوم وعرضة للتراكم في العظام.
كما تعلم ، فإن البلوتونيوم عنصر غائب عمليًا في الطبيعة. ومع ذلك ، تم إطلاق حوالي خمسة أطنان منه في الغلاف الجوي نتيجة التجارب النووية في الفترة 1945-1963. يقدر إجمالي كمية البلوتونيوم المنبعثة في الغلاف الجوي بسبب التجارب النووية قبل الثمانينيات بـ 10 أطنان. وفقًا لبعض التقديرات ، تحتوي التربة في الولايات المتحدة الأمريكية على متوسط \u200b\u200b2 ملي كوري (28 مجم) بلوتونيوم لكل كيلومتر مربع من التساقط ، ويزداد وجود البلوتونيوم في المحيط الهادئ مقارنةً بانتشار المواد النووية على الأرض. .
ترتبط الظاهرة الأخيرة بإجراء التجارب النووية الأمريكية على أراضي جزر مارشال في موقع التجارب في المحيط الهادئ في منتصف الخمسينيات من القرن الماضي. تتراوح مدة بقاء البلوتونيوم في المياه السطحية للمحيطات من 6 إلى 21 عامًا ، ومع ذلك ، حتى بعد هذه الفترة ، ينخفض \u200b\u200bالبلوتونيوم إلى القاع جنبًا إلى جنب مع الجزيئات الحيوية ، والتي يتم تقليلها إلى أشكال قابلة للذوبان نتيجة التحلل الجرثومي .
لا يرتبط التلوث العالمي بالعنصر الرابع والتسعين بالتجارب النووية فحسب ، بل يرتبط أيضًا بالحوادث في منشآت الإنتاج والمعدات التي تتفاعل مع هذا العنصر. لذلك في يناير 1968 ، تحطمت الطائرة الأمريكية من طراز B-52 ، التي كانت تحمل أربع شحنات نووية ، في جرينلاند. نتيجة للانفجار ، تم تدمير الشحنات وانسكاب البلوتونيوم في المحيط.
حدثت حالة أخرى من التلوث الإشعاعي للبيئة نتيجة للحادث مع المركبة الفضائية السوفيتية "Kosmos-954" في 24 يناير 1978. نتيجة لإخراج غير متحكم فيه من المدار ، سقط قمر صناعي على متنه مصدر طاقة نووية في أراضي كندا. نتيجة للحادث ، تم إطلاق أكثر من كيلوغرام من البلوتونيوم 238 في البيئة ، منتشرًا على مساحة تبلغ حوالي 124000 متر مربع.
إن أفظع مثال على التسرب العرضي للمواد المشعة إلى البيئة هو الحادث الذي وقع في محطة تشيرنوبيل للطاقة النووية في 26 أبريل 1986. نتيجة لتدمير وحدة الطاقة الرابعة ، تم إطلاق 190 طنًا من المواد المشعة (بما في ذلك نظائر البلوتونيوم) في البيئة على مساحة تبلغ حوالي 2200 كيلومتر مربع.
لا يرتبط إطلاق البلوتونيوم في البيئة فقط بالحوادث التي من صنع الإنسان. هناك حالات معروفة لتسرب البلوتونيوم من ظروف المختبر والمصانع. يوجد أكثر من عشرين حادث تسرب معروف من معامل 235U و 239Pu. خلال 1953-1978. أدت الحوادث إلى خسارة من 0.81 (ماياك ، 15 مارس 1953) إلى 10.1 كجم (تومسك ، 13 ديسمبر 1978) 239Pu. أدت الحوادث الصناعية إلى وفاة شخصين في مدينة لوس ألاموس (21 أغسطس 1945 و 21 مايو 1946) بسبب حادثين وخسائر 6.2 كجم من البلوتونيوم. في مدينة ساروف عامي 1953 و 1963. سقط حوالي 8 و 17.35 كجم خارج المفاعل النووي. أدى إحداها إلى تدمير مفاعل نووي عام 1953.
عندما تنشطر نواة 238Pu بواسطة النيوترونات ، يتم إطلاق الطاقة بمقدار 200 MeV ، وهو ما يزيد بمقدار 50 مليون مرة عن أشهر تفاعل طارد للحرارة: C + O2 → CO2. "الاحتراق" في مفاعل نووي ، غرام واحد من البلوتونيوم يعطي 2107 سعرة حرارية - هذه هي الطاقة الموجودة في 4 أطنان من الفحم. كشتبان من وقود البلوتونيوم مكافئ للطاقة يمكن أن يعادل أربعين عربة من الحطب الجيد!
من المعتقد أن "النظير الطبيعي" للبلوتونيوم (244Pu) هو أطول النظائر عمرا لجميع عناصر ما بعد اليورانيوم. عمر النصف 8.26 × 107 سنوات. كان العلماء يحاولون لفترة طويلة الحصول على نظير لعنصر عبر اليورانيوم يمكن أن يكون موجودًا لفترة أطول من 244Pu - تم تعليق آمال كبيرة في هذا الصدد على 247 سم. ومع ذلك ، بعد تركيبه ، اتضح أن نصف عمر هذا العنصر هو 14 مليون سنة فقط.
قصة
في عام 1934 ، أصدرت مجموعة من العلماء بقيادة إنريكو فيرمي بيانًا مفاده أنهم اكتشفوا عنصرًا كيميائيًا برقم ذري 94 أثناء العمل العلمي في جامعة روما. وبناءً على إصرار فيرمي ، أطلق على العنصر اسم Hesperium ، العالم كان مقتنعًا بأنه اكتشف عنصرًا جديدًا ، يسمى الآن البلوتونيوم ، مما يجعل الافتراض حول وجود عناصر ما بعد اليورانيوم ويصبح مكتشفها النظري. دافع فيرمي عن هذه الفرضية في محاضرة نوبل التي ألقاها عام 1938. فقط بعد اكتشاف الانشطار النووي من قبل العالمين الألمان أوتو فريش وفريتز ستراسمان ، أُجبر فيرمي على كتابة ملاحظة في النسخة المطبوعة ، المنشورة في ستوكهولم عام 1939 ، تشير إلى الحاجة إلى مراجعة "مشكلة عناصر ما بعد اليورانيوم بأكملها. الحقيقة هي أن عمل Frisch و Strassmann أظهر أن النشاط الذي اكتشفه Fermi في تجاربه كان بسبب الانشطار بالتحديد ، وليس إلى اكتشاف عناصر ما بعد اليورانيوم ، كما كان يعتقد سابقًا.
تم افتتاح العنصر الرابع والتسعين الجديد في نهاية عام 1940. حدث ذلك في بيركلي بجامعة كاليفورنيا. أثناء قصف أكسيد اليورانيوم (U3O8) بنواة الهيدروجين الثقيل (الديوتيرونات) ، اكتشفت مجموعة من علماء الكيمياء الإشعاعية الأمريكية بقيادة جلين تي سيبورج باعثًا غير معروف سابقًا لجزيئات ألفا ذات عمر نصف يبلغ 90 عامًا. تبين أن هذا الباعث هو نظير للعنصر 94 بعدد كتلته 238. وهكذا ، في 14 ديسمبر 1940 ، تم الحصول على أول كميات ميكروغرام من البلوتونيوم مع خليط من العناصر الأخرى ومركباتها.
في سياق تجربة أجريت في عام 1940 ، وجد أنه أثناء إجراء تفاعل نووي ، تم الحصول على نظير قصير العمر للنبتونيوم 238 (نصف عمر 2.117 يومًا) ، ومنه بالفعل البلوتونيوم 238:
23392U (د ، 2 ن) → 23893Np → (β−) 23894
استمرت التجارب الكيميائية الطويلة والشاقة لفصل العنصر الجديد عن الشوائب لمدة شهرين. تم تأكيد وجود عنصر كيميائي جديد في ليلة 23-24 فبراير 1941 بواسطة G.T.Seaborg و E.M Macmillan و J.W Kennedy و A.K Wall بفضل دراسة خواصه الكيميائية الأولى - القدرة على امتلاك ما لا يقل عن حالتان من الأكسدة. بعد انتهاء التجارب بقليل ، وجد أن هذا النظير غير انشطاري ، وبالتالي ، فهو غير مهتم بمزيد من الدراسة. قريباً (مارس 1941) قام كينيدي وسيبورج وسيجري وفال بتركيب نظير أكثر أهمية ، وهو البلوتونيوم 239 ، عن طريق تشعيع اليورانيوم بالنيوترونات عالية التسارع في السيكلوترون. ينتج هذا النظير عن طريق اضمحلال النبتونيوم 239 ، ويصدر أشعة ألفا ويبلغ عمر نصفه 24000 سنة. تم الحصول على أول مركب نقي للعنصر في عام 1942 ، وتم الحصول على كميات الوزن الأولى من البلوتونيوم المعدني في عام 1943.
تم اقتراح اسم العنصر 94 الجديد في عام 1948 من قبل ماكميلان ، الذي تلقى ، قبل بضعة أشهر من اكتشاف البلوتونيوم ، جنبًا إلى جنب مع F. Abelson ، أول عنصر أثقل من عنصر اليورانيوم 93 ، والذي أطلق عليه اسم النبتونيوم تكريماً لـ كوكب نبتون - أول كوكب خلف أورانوس. على سبيل القياس ، تقرر تسمية العنصر رقم 94 بلوتونيوم ، لأن كوكب بلوتو هو الثاني بعد أورانوس. بدوره ، اقترح سيبورج تسمية العنصر الجديد "بلوتيوم" ، لكنه أدرك بعد ذلك أن الاسم لا يبدو كثيرًا مقارنةً بـ "البلوتونيوم". بالإضافة إلى ذلك ، طرح أسماء أخرى للعنصر الجديد: ultimium ، extermium ، بسبب الحكم الخاطئ في ذلك الوقت أن البلوتونيوم سيصبح العنصر الكيميائي الأخير في الجدول الدوري. في النهاية ، أطلق على العنصر اسم "البلوتونيوم" بعد اكتشاف آخر كوكب في النظام الشمسي.
التواجد في الطبيعة
يبلغ نصف عمر نظير البلوتونيوم الأطول عمراً 75 مليون سنة. الرقم مثير للإعجاب ، ومع ذلك ، يقاس عمر المجرة بمليارات السنين. ويترتب على ذلك أن النظائر الأولية للعنصر الرابع والتسعين ، التي تشكلت خلال التوليف العظيم لعناصر الكون ، لم يكن لديها فرصة للبقاء حتى يومنا هذا. ومع ذلك ، هذا لا يعني أنه لا يوجد بلوتونيوم على الإطلاق في الأرض. يتشكل باستمرار في خامات اليورانيوم. التقاط النيوترونات من الإشعاع الكوني والنيوترونات المتكونة أثناء الانشطار التلقائي (العفوي) لنواة 238U ، يتم تحويل بعض - القليل جدًا - ذرات هذا النظير إلى ذرات 239U. نوى هذا العنصر غير مستقرة للغاية ، فهي تصدر إلكترونات وبالتالي تزيد من شحنتها ، يحدث تكوين النبتونيوم ، أول عنصر عبر اليورانيوم. 239Np هو أيضًا غير مستقر ، نواته أيضًا تصدر إلكترونات ، لذلك في 56 ساعة فقط ، يتحول نصف 239Np إلى 239Pu.
عمر النصف لهذا النظير طويل بالفعل حيث يبلغ 24000 سنة في المتوسط \u200b\u200b، يكون محتوى 239Pu أقل بحوالي 400000 مرة من محتوى الراديوم. لذلك ، من الصعب للغاية ليس فقط استخلاص - بل حتى اكتشاف البلوتونيوم "الأرضي". يمكن العثور على كميات صغيرة من 239Pu - جزء تريليون - ونواتج الانشطار في خامات اليورانيوم ، على سبيل المثال ، في مفاعل نووي طبيعي في أوكلو ، الجابون ، غرب إفريقيا. يعتبر ما يسمى بـ "المفاعل النووي الطبيعي" الوحيد في العالم الذي تتشكل فيه الأكتينيدات ونواتجها الانشطارية حاليًا في الغلاف الأرضي. وفقًا للتقديرات الحديثة ، حدث رد فعل مستدام ذاتيًا مع إطلاق الحرارة في هذه المنطقة منذ عدة ملايين من السنين ، والتي استمرت أكثر من نصف مليون سنة.
لذلك ، نحن نعلم بالفعل أن النبتونيوم (239Np) يتكون في خامات اليورانيوم نتيجة لالتقاط النيوترونات بواسطة نوى اليورانيوم ، والتي يكون ناتج اضمحلال البيتا منها هو البلوتونيوم الطبيعي 239. بفضل الأدوات الخاصة - مطياف الكتلة ، تم اكتشاف وجود البلوتونيوم 244 (244Pu) ، الذي له أطول عمر نصفي - حوالي 80 مليون سنة ، في باستنسيت ما قبل الكمبري (في خام السيريوم). في الطبيعة ، يوجد 244Pu بشكل أساسي في شكل ثاني أكسيد (PuO2) ، وهو أقل قابلية للذوبان في الماء من الرمل (الكوارتز). نظرًا لأن النظير طويل العمر نسبيًا البلوتونيوم -240 (240Pu) موجود في سلسلة اضمحلال البلوتونيوم 244 ، يحدث اضمحلاله ، ولكن هذا نادرًا ما يحدث (حالة واحدة في 10000). تُعزى كميات صغيرة جدًا من البلوتونيوم 238 (238Pu) إلى اضمحلال بيتا المزدوج النادر جدًا للنظير الأصلي ، اليورانيوم 238 ، الذي تم العثور عليه في خامات اليورانيوم.
تم العثور على آثار للنظير 247Pu و 255Pu في الغبار الذي تم جمعه بعد انفجارات القنابل النووية الحرارية.
يمكن افتراضيًا العثور على الحد الأدنى من البلوتونيوم في جسم الإنسان ، بالنظر إلى حقيقة أن عددًا كبيرًا من التجارب النووية قد تم إجراؤها بطريقة أو بأخرى تتعلق بالبلوتونيوم. يتراكم البلوتونيوم بشكل رئيسي في الهيكل العظمي والكبد ، حيث لا يتم إفرازه عمليًا. بالإضافة إلى ذلك ، تتراكم الكائنات البحرية العنصر الرابع والتسعون. تمتص النباتات الأرضية البلوتونيوم بشكل رئيسي من خلال نظام الجذر.
اتضح أن البلوتونيوم المصطنع لا يزال موجودًا في الطبيعة ، فلماذا لا يتم تعدينه بل يتم الحصول عليه صناعياً؟ الحقيقة هي أن تركيز هذا العنصر منخفض جدًا. عن معدن آخر مشع ، الراديوم ، يقولون: "غرام من الإنتاج - سنة عمل" ، والراديوم في الطبيعة يزيد 400 ألف مرة عن البلوتونيوم! لهذا السبب ، من الصعب للغاية ليس فقط استخلاص - حتى اكتشاف - البلوتونيوم "الأرضي". تم ذلك فقط بعد دراسة الخصائص الفيزيائية والكيميائية للبلوتونيوم الذي تم الحصول عليه في المفاعلات النووية.
تطبيق
يستخدم النظير 239Pu (مع U) كوقود نووي لمفاعلات الطاقة التي تعمل على النيوترونات الحرارية والسريعة (بشكل أساسي) ، وكذلك في تصنيع الأسلحة النووية.
تولد حوالي نصف ألف محطة للطاقة النووية حول العالم حوالي 370 جيجاواط من الكهرباء (أو 15٪ من إجمالي إنتاج الكهرباء في العالم). يستخدم البلوتونيوم 236 في صناعة البطاريات الكهربائية الذرية ، والتي تصل مدة خدمتها إلى خمس سنوات أو أكثر ؛ وتستخدم في المولدات الحالية التي تحفز عمل القلب (أجهزة تنظيم ضربات القلب). 238Pu يستخدم في مصادر الطاقة النووية الصغيرة الحجم المستخدمة في أبحاث الفضاء. لذا فإن البلوتونيوم 238 هو مصدر طاقة لمسبار New Horizons و Galileo و Cassini و Curiosity والمركبات الفضائية الأخرى.
يستخدم البلوتونيوم 239 في الأسلحة النووية ، لأن هذا النظير هو النيوكلييد المناسب الوحيد لاستخدامه في القنبلة النووية. بالإضافة إلى ذلك ، فإن الاستخدام المتكرر للبلوتونيوم 239 في القنابل النووية يرجع إلى حقيقة أن البلوتونيوم يحتل حجمًا أصغر في الكرة (حيث يوجد قلب القنبلة) ، وبالتالي ، يمكن للمرء أن يكتسب القوة التفجيرية للقنبلة بسبب لهذا العقار.
المخطط الذي بموجبه يحدث انفجار نووي بمشاركة البلوتونيوم هو في بناء القنبلة نفسها ، والتي يتكون جوهرها من كرة مملوءة بـ 239Pu. في لحظة الاصطدام بالأرض ، يتم ضغط الكرة إلى مليون الغلاف الجوي بسبب الهيكل وبسبب المادة المتفجرة المحيطة بهذا المجال. بعد التأثير ، تتوسع النواة في الحجم والكثافة في أقصر وقت - عشرة ميكروثانية ، يقفز التجميع عبر الحالة الحرجة على النيوترونات الحرارية ويدخل في حالة فوق الحرجة على النيوترونات السريعة - يبدأ تفاعل تسلسلي نووي بمشاركة النيوترونات و نوى العنصر. في الانفجار الأخير للقنبلة النووية ، تنطلق درجة حرارة تصل إلى عشرات الملايين من الدرجات.
وجدت نظائر البلوتونيوم تطبيقها في تخليق عناصر ترانسبلوتونيوم (بعد البلوتونيوم). على سبيل المثال ، في مختبر أوك ريدج الوطني ، يتم الحصول على 24496 سم ، 24296 سم ، 24997 كيلو بايت ، 25298 قدم مكعب ، 25399 إي إس و 257100 فهرنهايت تحت إشعاع نيوتروني طويل المدى قدره 239 بو. وبنفس الطريقة ، تم الحصول على الأميريسيوم 24195Am لأول مرة في عام 1944. في عام 2010 ، تم قصف أكسيد البلوتونيوم -242 بأيونات الكالسيوم -48 كمصدر لإنتاج أونكوديوم.
تُستخدم سبائك البلوتونيوم المستقرة δ في تصنيع قضبان الوقود ، لأنها تتمتع بخصائص معدنية أفضل بكثير مقارنة بالبلوتونيوم النقي ، الذي يخضع لتحولات طورية عند تسخينه وهو مادة هشة للغاية وغير موثوقة. عادةً ما يتم الحصول على سبائك البلوتونيوم مع عناصر أخرى (مركبات بين المعادن) عن طريق التفاعل المباشر للعناصر في النسب المرغوبة ، بينما يتم استخدام ذوبان القوس بشكل أساسي ، وأحيانًا يتم الحصول على السبائك غير المستقرة عن طريق ترسيب الرش أو تبريد الذوبان.
عناصر السبائك الصناعية الرئيسية للبلوتونيوم هي الغاليوم والألمنيوم والحديد ، على الرغم من أن البلوتونيوم قادر على تكوين السبائك والمركبات الوسيطة مع معظم المعادن مع استثناءات نادرة (البوتاسيوم ، الصوديوم ، الليثيوم ، الروبيديوم ، المغنيسيوم ، الكالسيوم ، السترونتيوم ، الباريوم ، اليوروبيوم ، و الإيتربيوم). المعادن المقاومة للحرارة: الموليبدينوم والنيوبيوم والكروم والتنتالوم والتنغستن قابلة للذوبان في البلوتونيوم السائل ، ولكنها غير قابلة للذوبان تقريبًا أو قابلة للذوبان بشكل طفيف في البلوتونيوم الصلب. الإنديوم والسيليكون والزنك والزركونيوم قادرون على تكوين بلوتونيوم بيتا غير مستقر (-"- طور) عند التبريد السريع.يمكن للغاليوم والألمنيوم والأميريسيوم والسكانديوم والسيريوم أن يستقروا بلوتونيوم بيتا في درجة حرارة الغرفة.
تسمح كميات كبيرة من الهولميوم والهافنيوم والثاليوم بالاحتفاظ ببعض البلوتونيوم بيتا في درجة حرارة الغرفة. النبتونيوم هو العنصر الوحيد الذي يمكنه تثبيت البلوتونيوم ألفا في درجات حرارة عالية. يعمل التيتانيوم والهافنيوم والزركونيوم على تثبيت هيكل بيتا-بلوتونيوم في درجة حرارة الغرفة مع تبريد حاد. استخدام هذه السبائك متنوع للغاية. على سبيل المثال ، يتم استخدام سبيكة من البلوتونيوم والغاليوم لتحقيق الاستقرار في المرحلة من البلوتونيوم ، والتي تتجنب انتقال المرحلة α-. سبيكة البلوتونيوم - الغاليوم - الكوبالت الثلاثية (PuGaCo5) هي سبيكة فائقة التوصيل عند درجة حرارة 18.5 كلفن ، وهناك عدد من السبائك (البلوتونيوم والزركونيوم والبلوتونيوم والسيريوم والبلوتونيوم والسيريوم والكوبالت) التي تستخدم كوقود نووي.
إنتاج
يتم إنتاج البلوتونيوم التجاري بطريقتين. هذا إما تشعيع 238U نوى الموجودة في المفاعلات النووية ، أو الفصل الكيميائي الإشعاعي (الترسيب المشترك ، الاستخراج ، التبادل الأيوني ، إلخ) للبلوتونيوم من اليورانيوم وعناصر عبر اليورانيوم ونواتج الانشطار الموجودة في الوقود المستهلك.
في الحالة الأولى ، يتم الحصول على النظير الأكثر أهمية من الناحية العملية 239Pu (في خليط مع خليط صغير من 240Pu) في المفاعلات النووية بمشاركة نوى اليورانيوم والنيوترونات باستخدام تحلل β وبمشاركة نظائر النبتونيوم كنشطار وسيط منتج:
23892U + 21D → 23893Np + 210n ؛
23893Np → 23894 ص
β - الاضمحلال
في هذه العملية ، يدخل الديوترون اليورانيوم 238 ، مما يؤدي إلى تكوين النبتونيوم 238 واثنين من النيوترونات. بعد ذلك ، ينفجر النبتونيوم 238 تلقائيًا ، مما ينبعث منه جزيئات بيتا ناقصًا التي تشكل البلوتونيوم 238.
عادةً ما يكون محتوى 239Pu في خليط 90-95٪ ، 240Pu-1-7٪ ، محتوى النظائر الأخرى لا يتجاوز أعشار بالمائة. يتم الحصول على النظائر ذات نصف العمر الطويل ، 242Pu و 244Pu ، عن طريق التشعيع المطول مع 239Pu نيوترون. علاوة على ذلك ، فإن العائد 242Pu هو عدة عشرات بالمائة ، والعائد 244Pu هو أجزاء من نسبة مئوية من محتوى 242Pu. يتم إنتاج كميات صغيرة من البلوتونيوم 238 النقي نظيرًا عن طريق التشعيع النيوتروني للنبتونيوم 237. عادة ما يتم الحصول على نظائر البلوتونيوم الخفيفة ذات الأعداد الكتلية 232-237 في سيكلوترون عن طريق تشعيع نظائر اليورانيوم بجسيمات ألفا.
تستخدم الطريقة الثانية للإنتاج الصناعي لـ 239Pu عملية Purex القائمة على الاستخراج باستخدام فوسفات ثلاثي بوتيل في مادة مخففة خفيفة. في الدورة الأولى ، يتم تنقية Pu و U بشكل مشترك من نواتج الانشطار ثم يتم فصلهما. في الدورتين الثانية والثالثة ، يخضع البلوتونيوم لمزيد من التنقية والتركيز. يعتمد مخطط هذه العملية على الاختلاف في خصائص المركبات الرباعية والسداسية للعناصر المنفصلة.
في البداية ، يتم تفكيك قضبان الوقود المستهلك وإزالة الكسوة التي تحتوي على البلوتونيوم المستهلك واليورانيوم بالطرق الفيزيائية والكيميائية. بعد ذلك ، يتم إذابة الوقود النووي المستعاد في حمض النيتريك. بعد كل شيء ، هو عامل مؤكسد قوي عندما يذوب ، ويتأكسد اليورانيوم والبلوتونيوم والشوائب. يتم تحويل ذرات البلوتونيوم ذات التكافؤ الصفري إلى بلوتونيوم + 6 ، ويحدث انحلال كل من البلوتونيوم واليورانيوم. من هذا المحلول ، يتم تقليل العنصر الرابع والتسعين إلى الحالة الثلاثية مع ثاني أكسيد الكبريت ، ثم يتم ترسيبه مع فلوريد اللانثانم (LaF3).
ومع ذلك ، بالإضافة إلى البلوتونيوم ، يحتوي الراسب على النبتونيوم وعناصر أرضية نادرة ، لكن الجزء الأكبر (اليورانيوم) يبقى في المحلول. ثم يتأكسد البلوتونيوم مرة أخرى إلى Pu + 6 ويضاف فلوريد اللانثانوم مرة أخرى. الآن تترسب العناصر الأرضية النادرة ويبقى البلوتونيوم في المحلول. علاوة على ذلك ، يتأكسد النبتونيوم إلى حالة رباعي التكافؤ مع برومات البوتاسيوم ، لأن هذا الكاشف لا يعمل على البلوتونيوم ، ثم أثناء الترسيب الثانوي بنفس فلوريد اللانثانوم ، يمر البلوتونيوم ثلاثي التكافؤ إلى راسب ، ويبقى النبتونيوم في المحلول. المنتجات النهائية لهذه العمليات هي المركبات المحتوية على البلوتونيوم - ثاني أكسيد PuO2 أو الفلورايد (PuF3 أو PuF4) ، والتي (عن طريق الاختزال بالباريوم أو الكالسيوم أو بخار الليثيوم) يتم الحصول على البلوتونيوم المعدني.
يمكن تحقيق إنتاج بلوتونيوم أنقى عن طريق التكرير الإلكتروليتي لمعدن منتج كيميائيًا ، والذي يتم إنتاجه في خلايا التحليل الكهربائي عند درجة حرارة 700 درجة مئوية مع إلكتروليت من البوتاسيوم والصوديوم وكلوريد البلوتونيوم باستخدام كاثود التنجستن أو التنتالوم. البلوتونيوم الذي يتم الحصول عليه بهذه الطريقة له نقاء 99.99٪.
للحصول على كميات كبيرة من البلوتونيوم ، يتم بناء مفاعلات مولدة ، ما يسمى ب "المربين" (من الفعل الإنجليزي إلى التكاثر - للتكاثر). حصلت هذه المفاعلات على أسمائها بسبب قدرتها على الحصول على مواد انشطارية بمبلغ يفوق تكلفة الحصول على هذه المواد. الفرق بين المفاعلات من هذا النوع والمفاعلات الأخرى هو أن النيوترونات فيها لا تتباطأ (لا يوجد وسيط ، على سبيل المثال ، الجرافيت) لكي تتفاعل قدر الإمكان مع 238U.
بعد التفاعل ، يتم تكوين 239U ذرة ، والتي تشكل لاحقًا 239Pu. قلب هذا المفاعل ، الذي يحتوي على PuO2 في ثاني أكسيد اليورانيوم المنضب (UO2) ، محاط بغلاف من ثاني أكسيد اليورانيوم 238 المستنفد (238UO2) ، والذي يتكون فيه 239Pu. يسمح الاستخدام المشترك لـ 238U و 235 U لمصنعي السخام بإنتاج طاقة تزيد بمقدار 50-60 مرة من اليورانيوم الطبيعي عن المفاعلات الأخرى. ومع ذلك ، فإن هذه المفاعلات لها عيب كبير - يجب تبريد قضبان الوقود بواسطة بيئة أخرى غير الماء ، مما يقلل من طاقتها. لذلك ، تقرر استخدام الصوديوم السائل كمبرد.
بدأ بناء هذه المفاعلات في الولايات المتحدة الأمريكية بعد نهاية الحرب العالمية الثانية ، وبدأ الاتحاد السوفياتي وبريطانيا العظمى في بنائها فقط في الخمسينيات من القرن الماضي.
الخصائص الفيزيائية
البلوتونيوم معدن فضي ثقيل للغاية (كثافة معيارية 19.84 جم / سم مكعب) ، في حالة نقية تشبه إلى حد كبير النيكل ، ومع ذلك ، في الهواء ، يتأكسد البلوتونيوم بسرعة ويخفت ، ويشكل طبقة قزحية اللون ، أولاً أصفر فاتح ، ثم يتحول إلى أرجواني داكن . مع الأكسدة القوية ، يظهر مسحوق أكسيد أخضر زيتوني (PuO2) على سطح المعدن.
البلوتونيوم معدن عالي التفاعل الكهربية والتفاعلية ، وهو أكبر بكثير من اليورانيوم. يحتوي على سبعة تعديلات متآصلة (α و β و γ و δ و δ "و و) ، والتي تختلف في جزء معين من درجة الحرارة وفي نطاق ضغط معين. في درجة حرارة الغرفة ، يكون البلوتونيوم في شكل α - وهذا هو أكثر التعديلات المتآصلة شيوعًا للبلوتونيوم في مرحلة ألفا ، يكون البلوتونيوم النقي هشًا وصلبًا للغاية - هذا الهيكل هو تقريبًا نفس صلابة الحديد الزهر الرمادي ، إذا لم يكن ممزوجًا بمعادن أخرى مما يعطي السبيكة اللدونة والنعومة. بالإضافة إلى ذلك ، في هذا الشكل الأكثر كثافة ، فإن البلوتونيوم هو العنصر السادس الأكثر كثافة (فقط الأوزميوم والإيريديوم والبلاتين والرينيوم والنبتونيوم أثقل منه). ويرافق المزيد من التحولات المتآصلة للبلوتونيوم تغيرات مفاجئة في الكثافة. على سبيل المثال ، عند التسخين من من 310 إلى 480 درجة مئوية ، لا يتمدد ، مثل المعادن الأخرى ، ولكنه يتقلص (دلتا "و" دلتا-برايم ") عندما يذوب (الانتقال من مرحلة إبسيلون إلى الطور السائل) ، يتقلص البلوتونيوم أيضًا ، مما يسمح بانصهار البلوتونيوم يطفو البلوتونيوم.
يحتوي البلوتونيوم على عدد كبير من الخصائص غير العادية: فهو يتمتع بأقل موصلية حرارية لجميع المعادن - عند 300 كلفن يكون 6.7 واط / (م · ك) ؛ البلوتونيوم لديه أدنى الموصلية الكهربائية ؛ يعتبر البلوتونيوم في مرحلته السائلة أكثر المعادن لزوجة. تعتبر المقاومة المحددة للعنصر الرابع والتسعين في درجة حرارة الغرفة عالية جدًا بالنسبة للمعدن ، وستزداد هذه الميزة مع انخفاض درجة الحرارة ، وهو أمر غير معتاد بالنسبة للمعادن. يمكن تتبع هذا "الشذوذ" حتى درجة حرارة 100 كلفن - أقل من هذه العلامة ، ستنخفض المقاومة الكهربائية. ومع ذلك ، من علامة 20 كلفن ، تبدأ المقاومة في الزيادة مرة أخرى بسبب النشاط الإشعاعي للمعدن.
يتمتع البلوتونيوم بأعلى مقاومة كهربائية لجميع الأكتينيدات المدروسة (حتى الآن) ، والتي تبلغ 150 ميكرومتر (عند 22 درجة مئوية). يحتوي هذا المعدن على نقطة انصهار منخفضة (640 درجة مئوية) ودرجة غليان عالية بشكل غير عادي (3227 درجة مئوية). أقرب إلى نقطة الانصهار ، يتمتع البلوتونيوم السائل بلزوجة عالية جدًا وتوتر سطحي مقارنة بالمعادن الأخرى.
بسبب نشاطه الإشعاعي ، فإن البلوتونيوم دافئ عند اللمس. يتم تسخين قطعة كبيرة من البلوتونيوم في الغلاف الحراري لدرجة حرارة تتجاوز درجة غليان الماء! بالإضافة إلى ذلك ، بسبب نشاطه الإشعاعي ، يخضع البلوتونيوم لتغييرات في شبكته البلورية بمرور الوقت - يحدث نوع من التلدين بسبب التشعيع الذاتي بسبب زيادة درجة الحرارة فوق 100 كلفن.
إن وجود عدد كبير من التعديلات المتآصلة في البلوتونيوم يجعل من الصعب التعامل معه وطرحه بسبب انتقالات الطور. نحن نعلم بالفعل أنه في شكل ألفا ، يكون العنصر الرابع والتسعون مشابهًا في خصائص الحديد الزهر ، لكنه يميل إلى التغيير والتحول إلى مادة بلاستيكية ، وتشكيل شكل β مرن في نطاقات درجات حرارة أعلى. عادة ما يكون البلوتونيوم في شكل δ مستقرًا عند درجات حرارة تتراوح بين 310 درجة مئوية و 452 درجة مئوية ، ولكن يمكن أن يوجد في درجة حرارة الغرفة إذا تم تعاطيه بنسبة منخفضة من الألومنيوم أو السيريوم أو الغاليوم. يمكن استخدام البلوتونيوم الممزوج بهذه المعادن في اللحام. بشكل عام ، يتميز شكل دلتا بخصائص أكثر وضوحًا للمعدن - من حيث القوة وقدرة التشكيل فهو قريب من الألومنيوم.
الخواص الكيميائية
تتشابه الخصائص الكيميائية للعنصر الرابع والتسعين إلى حد بعيد مع خواص أسلافه في الجدول الدوري - اليورانيوم والنبتونيوم. البلوتونيوم معدن نشط إلى حد ما ، فهو يشكل مركبات ذات حالات أكسدة من +2 إلى +7. في المحاليل المائية ، يظهر العنصر حالات الأكسدة التالية: Pu (III) ، مثل Pu3 + (موجود في المحاليل المائية الحمضية ، وله لون أرجواني فاتح) ؛ Pu (IV) مثل Pu4 + (ظل الشوكولاتة) ؛ Pu (V) مثل PuO2 + (محلول خفيف) ؛ Pu (VI) مثل PuO22 + (محلول برتقالي فاتح) و Pu (VII) مثل PuO53- (محلول أخضر).
علاوة على ذلك ، يمكن أن تكون هذه الأيونات (باستثناء PuO53-) في محلول في وقت واحد في حالة توازن ، وهو ما يفسره وجود إلكترونات 5f ، والتي تقع في المنطقة الموضعية وغير المحددة لمدار الإلكترون. عند الرقم الهيدروجيني 5-8 ، يهيمن Pu (IV) ، وهو الأكثر استقرارًا بين التكافؤات الأخرى (حالات الأكسدة). أيونات البلوتونيوم من جميع حالات الأكسدة عرضة للتحلل المائي والتعقيد. تزداد القدرة على تكوين مثل هذه المركبات في سلسلة Pu5 +
يتأكسد البلوتونيوم المضغوط ببطء في الهواء ، ويصبح مغطى بغشاء أكسيد زيتي بألوان قوس قزح. أكاسيد البلوتونيوم التالية معروفة: PuO ، Pu2O3 ، PuO2 ومرحلة التكوين المتغير Pu2O3 - Pu4O7 (berthollides). في حالة وجود كمية قليلة من الرطوبة ، يزداد معدل الأكسدة والتآكل بشكل كبير. إذا تعرض المعدن لكميات قليلة من الهواء الرطب لفترة طويلة ، يتشكل ثاني أكسيد البلوتونيوم (PuO2) على سطحه. مع نقص الأكسجين ، يمكن أيضًا تكوين ثنائي هيدريد (PuH2). والمثير للدهشة أن البلوتونيوم يصدأ في جو غاز خامل (مثل الأرجون) مع بخار الماء أسرع بكثير من الهواء الجاف أو الأكسجين النقي. في الواقع ، من السهل تفسير هذه الحقيقة - يشكل التأثير المباشر للأكسجين طبقة أكسيد على سطح البلوتونيوم ، مما يمنع المزيد من الأكسدة ، وينتج عن وجود الرطوبة خليطًا سائبًا من الأكسيد والهيدريد. بالمناسبة ، بفضل هذا الطلاء فقط ، يصبح المعدن قابل للاشتعال ، أي أنه قادر على الاحتراق التلقائي ، ولهذا السبب ، تتم معالجة البلوتونيوم المعدني ، كقاعدة عامة ، في جو خامل من الأرجون أو النيتروجين. في الوقت نفسه ، يعتبر الأكسجين مادة واقية ويمنع الرطوبة من التأثير على المعدن.
يتفاعل العنصر الرابع والتسعون مع الأحماض والأكسجين وأبخرة ، ولكن ليس مع القلويات. البلوتونيوم قابل للذوبان فقط في الوسط الحمضي للغاية (على سبيل المثال ، حمض الهيدروكلوريك حمض الهيدروكلوريك) ، ويذوب أيضًا في كلوريد الهيدروجين ، يوديد الهيدروجين ، بروميد الهيدروجين ، 72٪ حمض البيركلوريك ، 85٪ حمض الفوسفوريك H3PO4 ، CCl3COOH المركز ، حمض السلفاميك والغليان المركز حامض. لا يذوب البلوتونيوم بشكل ملحوظ في المحاليل القلوية.
عندما تتعرض القلويات لمحاليل تحتوي على بلوتونيوم رباعي التكافؤ ، يترسب راسب من هيدروكسيد البلوتونيوم Pu (OH) 4 xH2O ، الذي له خصائص أساسية. تحت تأثير القلويات على محاليل الأملاح المحتوية على PuO2 + ، رواسب هيدروكسيد PuO2OH مذبذب. تتوافق معها الأملاح - البلوتونيت ، على سبيل المثال ، Na2Pu2O6.
تتحلل أملاح البلوتونيوم بالماء بسهولة عند ملامستها لمحاليل محايدة أو قلوية ، مما ينتج هيدروكسيد البلوتونيوم غير القابل للذوبان. محاليل البلوتونيوم المركزة غير مستقرة بسبب التحلل الإشعاعي الذي يؤدي إلى الترسيب.
النويدات المشعة للجرعة. الجزء الخامس
التاريخ: 03/08/2011
عنوان: صحة
يتم عرض الخصائص الرئيسية للنويدات المشعة المكونة للجرعة. ينصب التركيز الرئيسي على عرض الخطر المحتمل للنويدات المشعة. لغرض سلامة الاستخدام ، يتم النظر في التأثيرات السمية الإشعاعية والبيولوجية الإشعاعية للتعرض للنظائر المشعة على الجسم والبيئة. ما سبق يجعل من الممكن الارتباط بوعي أكثر بخطر الإشعاع للنويدات المشعة المكونة للجرعات.
11- السيزيوم 137
سيزيوم (اللات. سيزيوم - Cs ، عنصر كيميائي للمجموعة الأولى من الجدول الدوري لمندليف ، العدد الذري 55 ، الكتلة الذرية 132.9054. سميت من اللاتينية قيصرية - أزرق (مفتوح بخطوط طيفية زرقاء لامعة). معدن أبيض فضي من مجموعة القلويات. لينة مثل الشمع منصهر؛ الكثافة 1.904 جم / سم 3 ولها دقات. الوزن 1.88 (عند 15 درجة مئوية) ، T pl - 28.4 درجة مئوية. تشتعل في الهواء وتتفاعل مع انفجار بالماء. المعدن الرئيسي هو بولوسيت.
هناك 34 نظيرًا معروفًا للسيزيوم بأعداد كتلتها 114-148 ، منها واحد فقط (133 سي سي) مستقر ، والباقي مشع. الوفرة النظيرية للسيزيوم -133 في الطبيعة حوالي 100٪. 133 Cs تشير إلى العناصر المتناثرة. بكميات صغيرة ، يتم احتواؤها في جميع كائنات البيئة الخارجية تقريبًا. محتوى الكلارك (المتوسط) من النيوكليدات في قشرة الأرض هو 3.7 10 -4٪ ، في التربة - 5 10 -5٪. السيزيوم عنصر ضئيل ثابت للكائنات الحية النباتية والحيوانية: في الكتلة النباتية الحية يتم احتوائه في كمية 6 ∙ 10 -6٪ ، في جسم الإنسان - حوالي 4 جم. مع توزيع منتظم للسيزيوم 137 في جسم الإنسان مع نشاط محدد 1 بيكريل / كغم ، فإن معدل الجرعة الممتصة ، وفقًا لمؤلفين مختلفين ، يختلف من 2.14 إلى 3.16 ميكروغرام / سنة.
في الطبيعة ، يحدث هذا المعدن القلوي الأبيض الفضي كنظير مستقر Cs-133. إنه عنصر نادر بمتوسط \u200b\u200bمحتوى 3.7 10 -4٪ في قشرة الأرض. السيزيوم العادي والطبيعي ومركباته غير مشعة... فقط النظير المصطنع 137 Cs هو مشع. يتكون النظير المشع طويل العمر للسيزيوم 137 Cs عن طريق انشطار نواة 235 U و 239 Pu مع عائد حوالي 7 ٪. أثناء الاضمحلال الإشعاعي ، يصدر 137 C إلكترونات ذات طاقة قصوى تبلغ 1173 كيلو فولت ويتحول إلى نويدة قصيرة المدى بانبعاث بيتا 137m Ba (الجدول 18). يحتوي على أعلى نشاط كيميائي بين المعادن القلوية ؛ يمكن تخزينه فقط في أمبولات مفرغة مختومة.
الجدول 18
الخصائص الرئيسية للسيزيوم 137
| النظائر | شاشة العرض الرئيسية إشعاع | نصف العمر ، تي 1/2 | قيمة HC ماء ، بكريل / دسم 3 | الاختلافات الطبيعية في الزراعة العضوية في المياه (min-max) ، بيكريل / دسم 3 |
137 سي | β (E β max \u003d 1173 كيلو فولت) ؛ | 11.0 (NRB-99) | ن ∙ 10 -3 - ن ∙ 10 -2 |
يستخدم السيزيوم المعدني في الخلايا الكهروضوئية والمضاعفات الضوئية في تصنيع الساثودات الضوئية وكجالب في أنابيب الإنارة. أبخرة السيزيوم هي سائل العمل في مولدات MHD وليزر الغاز. تستخدم مركبات السيزيوم في البصريات وأجهزة الرؤية الليلية.
تحتوي نواتج تفاعل الانشطار النووي على كميات كبيرة من النويدات المشعة السيزيوم المتحللة ، وأخطرها 137 درجة مئوية. يمكن أن تكون المصانع الكيماوية الإشعاعية أيضًا مصدرًا للتلوث. يحدث إطلاق السيزيوم 137 في البيئة بشكل رئيسي نتيجة التجارب النووية والحوادث في محطات الطاقة النووية. بحلول بداية عام 1981 ، بلغ النشاط الإجمالي لـ 137 Cs المطلقة في البيئة 960 PBq. كانت كثافة التلوث في نصفي الكرة الأرضية الشمالي والجنوبي وفي المتوسط \u200b\u200bعلى مستوى العالم 3.42 ، على التوالي ؛ 0.86 و 3.14 kBq / m2 ، وعلى أراضي الاتحاد السوفياتي السابق في المتوسط \u200b\u200b- 3.4 kBq / m2.
خلال حادث في جبال الأورال الجنوبية في عام 1957 ، حدث انفجار حراري لتخزين النفايات المشعة ، ودخل الغلاف الجوي النويدات المشعة ذات النشاط الإجمالي 74 PBq ، بما في ذلك 0.2 PBq من 137 Cs. أثناء حريق في RCZ في Windscale في بريطانيا العظمى في عام 1957 ، تم إطلاق 12 PBq من النويدات المشعة ، منها 46 تيرا بايت q137 سي سي. إلقاء تكنولوجي للنفايات المشعة من مشروع "ماياك" في جنوب الأورال في النهر. كان التدفق في عام 1950 102 PBq ، بما في ذلك 137 Cs 12.4 PBq. إزالة الرياح من النويدات المشعة من السهول الفيضية للبحيرة مدينة كاراشاي في جبال الأورال الجنوبية في عام 1967 بلغت 30 تيرابايت. كانت حصة 137 Cs 0.4 تيرا بايت.
أصبح الحادث الذي وقع في محطة تشيرنوبيل للطاقة النووية (ChNPP) كارثة حقيقية في عام 1986: تم طرد 1850 PBq من النويدات المشعة من المفاعل المدمر ، بينما كانت حصة السيزيوم المشع 270 PBq. لقد اتخذ انتشار النويدات المشعة نطاقًا كوكبيًا. في أوكرانيا وبيلاروسيا والمنطقة الوسطى من الاتحاد الروسي ، سقط أكثر من نصف الكمية الإجمالية للنويدات المشعة المودعة في أراضي رابطة الدول المستقلة. هناك حالات معروفة من تلوث البيئة نتيجة التخزين المتهور لمصادر السيزيوم المشعة للأغراض الطبية والتكنولوجية.
يستخدم السيزيوم 137 في الكشف عن عيوب أشعة جاما ، وتقنية القياس ، والتعقيم الإشعاعي للمنتجات الغذائية والأدوية والعقاقير ، وفي العلاج الإشعاعي لعلاج الأورام الخبيثة. أيضا ، يستخدم السيزيوم 137 في إنتاج مصادر تيار النظائر المشعة ، حيث يستخدم في شكل كلوريد السيزيوم (كثافة 3.9 جم / سم 3 ، تطلق الطاقة حوالي 1.27 واط / سم 3 ).
يستخدم السيزيوم 137 في مجسات الحد من المواد الصلبة السائبة في الصوامع غير الشفافة. السيزيوم 137 له مزايا معينة على الكوبالت 60 المشع: نصف عمر أطول وإشعاع غاما أقل شدة. لذلك ، فإن 137 جهازًا يعتمد على Cs أكثر متانة ، والحماية من الإشعاع أقل تعقيدًا. ومع ذلك ، فإن هذه المزايا تصبح حقيقية فقط في حالة عدم وجود شوائب 137 Cs مع عمر نصف أقصر وإشعاع جاما أصعب.
يستخدم على نطاق واسع كمصدر للإشعاع γ. في الطب ، تُستخدم مصادر السيزيوم ، إلى جانب مصادر الراديوم ، في الأجهزة العلاجية والأجهزة المستخدمة في العلاج الخلالي والتجويف بأشعة جاما. منذ عام 1967 ، تم استخدام ظاهرة الانتقال بين مستويين فائق الدقة للحالة الأرضية لذرة السيزيوم 137 لتحديد إحدى الوحدات الرئيسية لقياس الوقت ، الثانية.
Radiocesium 137 Cs هو نويدات مشعة تكنوجينيًا حصريًا ، ويرتبط وجودها في البيئة المدروسة بتجارب الأسلحة النووية أو باستخدام التقنيات النووية. 137 Cs - النظائر المشعة itting-من السيزيوم ، أحد المكونات الرئيسية للتلوث الإشعاعي التكنولوجي للغلاف الحيوي. تشكلت نتيجة تفاعلات الانشطار النووي. يحتوي على الغبار المشع ، التصريفات ، نفايات مصانع الكيماويات الإشعاعية. OA 137 Cs في مياه الشرب محدودة بمستويات 11Bq / dm 3 أو 8 Bq / dm 3.
الميزة الجيوكيميائية لـ 137 Cs هي قدرتها على الاحتفاظ بها بقوة بواسطة المواد الماصة الطبيعية. نتيجة لذلك ، عند دخول OPS ، يتناقص نشاطها بسرعة مع بعد المسافة من مصدر التلوث. يتم تنقية المياه الطبيعية بسرعة نسبيًا ذاتيًا نظرًا لامتصاص 137 Cs بواسطة المعلقات ورواسب القاع.
يمكن أن يتراكم السيزيوم بكميات كبيرة في النباتات الزراعية ، وخاصة في البذور. يأتي بشكل مكثف من البيئة المائية ويتحرك بسرعة عالية عبر النبات. إن إدخال أسمدة البوتاس في التربة والجير يقلل بشكل كبير من امتصاص النباتات للسيزيوم ، وكلما زادت نسبة البوتاسيوم.
معامل التراكم مرتفع بشكل خاص في طحالب المياه العذبة ونباتات القطب الشمالي الأرضية (خاصة الأشنات) ، من عالم الحيوان - في الرنة من خلال الرنة التي تتغذى عليها. داخل الكائنات الحية ، يخترق السيزيوم 137 بشكل رئيسي من خلال الجهاز التنفسي والجهاز الهضمي. يتم تزويد هذا النيوكليد بشكل أساسي بالطعام بكمية 10 ميكروغرام / يوم. يفرز من الجسم بشكل رئيسي عن طريق البول (في المتوسط \u200b\u200b9 ميكروجرام / يوم). السيزيوم هو مكون كيميائي دقيق دائم للكائن الحي للنباتات والحيوانات. المخزن الرئيسي للسيزيوم في الثدييات هو العضلات والقلب والكبد. يتراكم حوالي 80٪ من السيزيوم الذي دخل الجسم في العضلات ، و 8٪ - في الهيكل العظمي ، يتم توزيع الـ 12٪ المتبقية بالتساوي على الأنسجة الأخرى.
يُفرز السيزيوم 137 بشكل رئيسي عن طريق الكلى والأمعاء. يعتبر نصف العمر البيولوجي للسيزيوم 137 المتراكم للبشر يساوي 70 يومًا (وفقًا لبيانات اللجنة الدولية للحماية من الإشعاع). أثناء عملية الإطراح ، يتم امتصاص كميات كبيرة من السيزيوم في مجرى الدم في الأمعاء السفلية. وسيلة فعالة للحد من امتصاص السيزيوم في الأمعاء هي مادة ماصة فيروسيانيد ، والتي تربط النوكليد في شكل غير قابل للهضم. بالإضافة إلى ذلك ، لتسريع القضاء على النيوكليدات ، يتم تحفيز عمليات الإخراج الطبيعية ، واستخدام عوامل معقدة مختلفة.
يمكن توقع تطور الإصابات الإشعاعية عند البشر عند امتصاص جرعة تبلغ حوالي 2 غراي أو أكثر. تتوافق جرعات 148 و 170 و 740 ميغا بايت مع درجات خفيفة ومتوسطة وشديدة من الضرر ، ومع ذلك ، لوحظ تفاعل الإشعاع بالفعل في وحدات MBq.
ينتمي 137 Cs إلى مجموعة المواد المشعة الموزعة بالتساوي على الأعضاء والأنسجة ، ولهذا السبب ينتمي إلى نويدات ذات سمية إشعاعية متوسطة الخطورة. لديه قدرة جيدة على دخول الجسم مع البوتاسيوم من خلال الشبكات الغذائية.
المصدر الرئيسي للسيزيوم الذي يدخل جسم الإنسان هو المواد الغذائية من أصل حيواني الملوثة بالنويدات. يصل محتوى السيزيوم المشع في لتر حليب البقر إلى 0.8-1.1٪ من الاستهلاك اليومي للنويدات والماعز والأغنام - 10-20٪. ومع ذلك ، فإنه يتراكم بشكل أساسي في الأنسجة العضلية للحيوانات: يحتوي 1 كجم من لحم الأبقار والأغنام والخنازير والدجاج على 4.8 و 20 و 26 ٪ (على التوالي) من الاستهلاك اليومي للسيزيوم. يحصل بروتين بيض الدجاج أقل - 1.8-2.1٪. حتى بكميات كبيرة ، يتراكم السيزيوم في الأنسجة العضلية للكائنات المائية: يمكن أن يتجاوز نشاط 1 كجم من أسماك المياه العذبة نشاط لتر واحد من الماء بأكثر من 1000 مرة (في الأسماك البحرية ، يكون أقل).
المصدر الرئيسي للسيزيوم لسكان روسيا هو منتجات الألبان والحبوب (بعد حادث تشيرنوبيل - منتجات الألبان واللحوم) ، في أوروبا والولايات المتحدة ، يأتي السيزيوم بشكل أساسي مع منتجات الألبان واللحوم ، وأقل - مع الحبوب والخضروات . يسبب التشعيع الداخلي المستمر الذي تم إنشاؤه بهذه الطريقة ضررًا أكبر بكثير من التشعيع الخارجي باستخدام هذا النظير.
تشير الطرق المنشورة لقياس نشاط 137 Cs من خلال إشعاعها إلى التحضير الكيميائي الإشعاعي للعينة وعزل السيزيوم بدرجة عالية من النقاء لاستبعاد التأثير المتداخل لبواعث other الأخرى. تعتمد الطرق الحديثة لتحديد 137 C ، كقاعدة عامة ، على تسجيل إشعاع غاما بطاقة 661.6 كيلو فولت. وهي مقسمة إلى أدوات آلية ، والحد الأدنى للتحديد (NPL) منها 1-10 بيكريل / كغم (أو بيكريل / دسم 3) ، وطرق مع إثراء كيميائي أولي (NPD حتى 10-2 بيكريل / كغم). لتركيز 137 Cs من المحاليل المخففة ، يتم استخدامه غالبًا عن طريق الترسيب المشترك مع ferrocyanides من النيكل أو النحاس أو الزنك أو الحديد أو الكوبالت أو الكالسيوم أو المغنيسيوم أو المواد الماصة المجمعة بناءً عليها.
12. البلوتونيوم
البلوتونيوم (البلوتونيوم) Pu هو عنصر كيميائي مشع اصطناعي من المجموعة الثالثة من الجدول الدوري للعناصر لمندليف ، العدد الذري 94 ، عنصر ما بعد اليورانيوم ، ينتمي إلى الأكتينيدات. تم اكتشاف أول نوكليد 238 Pu في عام 1940 من قبل G. Th.Seaborg و EM McMillan و JE Kennedy و AC Val (A.Ch.Wahl). في ربيع عام 1941 ، اكتشف سيبورج وزملاؤه وعزلوه لأول مرة ربع ميكروغرام من 239 Pu بعد اضمحلال 239 Np ، والذي تشكل بإشعاع 238 U مع نوى الهيدروجين الثقيل (deuterons). بعد اليورانيوم والنبتونيوم ، سُمي العنصر الجديد على اسم كوكب بلوتو ، الذي اكتشف في عام 1930. منذ 24 أغسطس 2006 ، وفقًا لقرار الاتحاد الفلكي الدولي ، لم يعد بلوتو كوكبًا في النظام الشمسي. في الأساطير اليونانية ، بلوتو (المعروف أيضًا باسم Hades) هو إله مملكة الموتى.
البلوتونيوم بو هو أخطر المعادن الثقيلة. يحتوي على 15 نظيرًا مشعًا بأعداد كتلتها من 232 إلى 246 ، بشكل أساسي بواعث ألفا. لا توجد سوى آثار لهذا العنصر على الأرض وفقط في خامات اليورانيوم. تعتبر قيم T1 لجميع نظائر البلوتونيوم أقل بكثير من عمر الأرض ، وبالتالي فإن كل البلوتونيوم الأولي (الذي كان موجودًا على كوكبنا أثناء تكوينه) قد تلاشى تمامًا. ومع ذلك ، فإن كميات ضئيلة من 239 Pu تتشكل باستمرار أثناء تحلل β لـ 239 Np ، والذي يحدث بدوره أثناء التفاعل النووي لليورانيوم مع النيوترونات (على سبيل المثال ، النيوترونات من الإشعاع الكوني).
لذلك ، تم العثور على آثار من البلوتونيوم في خامات اليورانيوم بكميات مجهرية (0.4-15 جزء من البلوتونيوم لكل 10 12 جزءًا من U) بحيث لا يمكن أن يكون هناك شك في استخراجه من خامات اليورانيوم. تم إطلاق حوالي 5000 كجم منه في الغلاف الجوي نتيجة للتجارب النووية. وفقًا لبعض التقديرات ، تحتوي التربة في الولايات المتحدة على متوسط \u200b\u200b2 ملي كوري (28 مجم) من البلوتونيوم لكل كيلومتر مربع من التساقط. إنه منتج نموذجي من صنع الإنسان ؛ يتم الحصول عليه في المفاعلات النووية من اليورانيوم 238 ، والذي يتم تحويله على التوالي إلى اليورانيوم 239 ، النبتونيوم 239 والبلوتونيوم 239.
النظائر المتساوية للبلوتونيوم -238 ، -240 ، -242 ليست مواد انشطارية ، ولكن يمكن انشطارها بواسطة نيوترونات عالية الطاقة (وهي قابلة للانشطار). إنهم غير قادرين على الحفاظ على تفاعل متسلسل (باستثناء البلوتونيوم 240). تم الحصول على النظائر المشعة 232 Pu - 246 Pu ؛ تم العثور أيضًا على 247 Pu و 255 Pu من بين منتجات انفجار القنابل النووية الحرارية. الأكثر استقرارًا هو 244 Pu (تسوس ألفا والانشطار التلقائي ، تي 1/2\u003d 8.2 10 7 سنوات ، الكتلة الذرية 244.0642). معدن أبيض فضي هش في شكل حر. تم العثور على آثار لنظير 247 Pu و 255 Pu في الغبار الذي تم جمعه بعد انفجارات القنابل النووية الحرارية.
تم إلقاء قوى وموارد هائلة في الأبحاث النووية وإنشاء الصناعة الذرية في الولايات المتحدة ، كما حدث لاحقًا في الاتحاد السوفيتي. في وقت قصير ، تمت دراسة الخصائص النووية والفيزيائية الكيميائية للبلوتونيوم (الجدول 19). تم تفجير أول شحنة نووية قائمة على البلوتونيوم في 16 يوليو 1945 في موقع اختبار ألاموغوردو (الاختبار الذي أطلق عليه اسم "ترينيتي"). في الاتحاد السوفياتي ، بدأت التجارب الأولى لإنتاج 239 Pu في 1943-1944. تحت قيادة الأكاديميين I.V. كورتشاتوف وف. خلوبين. لأول مرة تم عزل البلوتونيوم في الاتحاد السوفياتي من اليورانيوم المشع بالنيوترونات. في عامي 1945 و 1949 ، بدأ تشغيل أول مصنع للفصل الكيميائي الإشعاعي في الاتحاد السوفياتي.
الجدول 19
الخواص النووية لأهم نظائر البلوتونيوم
| الخصائص النووية | البلوتونيوم 238 | البلوتونيوم 239 | البلوتونيوم -240 | البلوتونيوم 241 | البلوتونيوم 242 |
نصف العمر ، سنوات | |||||
النشاط Ci / g | |||||
نوع الاضمحلال المشع | تسوس ألفا | تسوس ألفا | تسوس ألفا | تسوس بيتا | تسوس ألفا |
طاقة الاضمحلال الإشعاعي ، MeV |
ملحوظة. جميع نظائر البلوتونيوم هي بواعث جاما ضعيفة. يتحول البلوتونيوم 241 إلى أمريسيوم 241 (باعث جاما قوي)
اثنان فقط من نظائر البلوتونيوم ذات استخدام عملي للأغراض الصناعية والعسكرية. يستخدم البلوتونيوم 238 ، الذي تم الحصول عليه في المفاعلات النووية من النبتونيوم 237 ، لإنتاج مولدات كهربائية حرارية مدمجة. يتم تحرير ستة ملايين إلكترون فولت من اضمحلال نواة ذرية واحدة من البلوتونيوم 238. في تفاعل كيميائي ، يتم إطلاق نفس الطاقة عندما تتأكسد عدة ملايين من الذرات. مصدر للكهرباء يحتوي على كيلوغرام واحد من البلوتونيوم 238 يطور طاقة حرارية تبلغ 560 ميغاواط. الطاقة القصوى لمصدر تيار كيميائي له نفس الكتلة هي 5 وات.
هناك العديد من بواعث ذات خصائص طاقة متشابهة ، ولكن إحدى سمات البلوتونيوم 238 تجعل هذا النظير لا يمكن الاستغناء عنه. عادة ، يترافق تسوس ألفا مع إشعاع غاما القوي الذي يخترق طبقات كبيرة من المادة. 238 Pu هو استثناء. إن طاقة كوانتا جاما المصاحبة لانحلال نواتها صغيرة ، وليس من الصعب الدفاع عنها: يتم امتصاص الإشعاع بواسطة حاوية رقيقة الجدران. إن احتمال الانشطار التلقائي لنواة هذا النظير ضئيل أيضًا. لذلك ، وجد التطبيق ليس فقط في المصادر الحالية ، ولكن أيضًا في الطب. تعمل البطاريات التي تحتوي على البلوتونيوم 238 كمصدر للطاقة في المحفزات الخاصة لنشاط القلب ، والتي تصل مدة خدمتها إلى 5 سنوات أو أكثر.
تعمل سبائك البلوتونيوم - البريليوم كمصدر نيوتروني معمل. تم العثور على نظير Pu-238 في عدد من مولدات الطاقة الكهروحرارية النووية على متن مركبات الأبحاث الفضائية. نظرًا لعمره الطويل وقوته الحرارية العالية ، يُستخدم هذا النظير بشكل حصري تقريبًا في مجموعات RTG الفضائية ، على سبيل المثال ، في جميع المركبات الفضائية التي حلقت خارج مدار المريخ.
من بين جميع النظائر ، يبدو أن البلوتونيوم 239 هو الأكثر إثارة للاهتمام ، حيث يبلغ عمر النصف 24110 سنة. كمواد انشطارية ، يستخدم 239 Pu على نطاق واسع كوقود نووي في المفاعلات النووية (الطاقة المنبعثة أثناء انشطار 1 ص 239 Pu ، أي ما يعادل الحرارة المنبعثة أثناء احتراق 4000 كجم من الفحم) ، في إنتاج الأسلحة النووية (ما يسمى "البلوتونيوم المستخدم في صنع الأسلحة") وفي القنابل الذرية والنووية الحرارية ، وكذلك في المفاعلات النووية السريعة والمفاعلات النووية للأغراض المدنية والبحثية ... كمصدر لإشعاع ألفا ، وجد البلوتونيوم ، إلى جانب 210 Po ، تطبيقًا واسعًا في الصناعة ، على وجه الخصوص ، في أجهزة التخلص من الشحنات الكهروستاتيكية. يستخدم هذا النظير أيضًا في الأجهزة.
يحتوي البلوتونيوم على العديد من الخصائص المحددة. لديها أقل الموصلية الحرارية لجميع المعادن ، وأقل الموصلية الكهربائية ، باستثناء المنغنيز. في مرحلته السائلة ، فهو أكثر المعادن لزوجة. نقطة الانصهار -641 درجة مئوية ؛ نقطة الغليان -3232 درجة مئوية ؛ الكثافة - 19.84 (في مرحلة ألفا). إنه عنصر شديد التفاعل الكهروسلبي ، أكثر بكثير من اليورانيوم. يتلاشى بسرعة ، ويشكل فيلمًا قزحي الألوان (مثل فيلم زيت قزحي الألوان) ، في البداية أصفر فاتح ، ويتحول في النهاية إلى اللون الأرجواني الداكن. إذا كانت الأكسدة كبيرة بدرجة كافية ، يظهر مسحوق أكسيد أخضر زيتوني (PuO 2) على سطحه. يتأكسد البلوتونيوم بسرعة ويتآكل بسرعة حتى في وجود الرطوبة المنخفضة.
عندما تتغير درجة الحرارة ، يخضع البلوتونيوم لأقوى وأقوى تغيرات غير طبيعية في الكثافة. يحتوي البلوتونيوم على ست مراحل متميزة (الهياكل البلورية) في شكل صلب ، أكثر من أي عنصر آخر.
تستخدم مركبات البلوتونيوم مع الأكسجين والكربون والفلور في الصناعة النووية (مباشرة أو كمواد وسيطة). لا يذوب البلوتونيوم المعدني في حامض النيتريك ، لكن ثاني أكسيد البلوتونيوم يذوب في حمض النيتريك المركز الساخن ومع ذلك ، في خليط صلب مع ثاني أكسيد اليورانيوم (على سبيل المثال ، في الوقود المستهلك من المفاعلات النووية) ، تزداد قابلية ذوبان ثاني أكسيد البلوتونيوم في حمض النيتريك مع ذوبان ثاني أكسيد اليورانيوم فيه. تُستخدم هذه الميزة في إعادة معالجة الوقود النووي (الجدول 20).
الجدول 20
مركبات البلوتونيوم وتطبيقاتها
| مركبات البلوتونيوم | تطبيق |
ثاني أكسيد البلوتونيوم PuO 2 | يخلط مع ثاني أكسيد اليورانيوم (UO 2) ويستخدم كوقود للمفاعلات النووية |
كربيد البلوتونيوم (PuC) | يمكن أن تستخدم كوقود للمفاعلات المولدة |
بلوتونيوم ثلاثي فلوريد (PuF 3) | إنها مركبات وسيطة في إنتاج معدن البلوتونيوم |
| نترات البلوتونيوم - Pu (NO 3) 4 و Pu (NO 3) 3 | غير مستعمل. هي منتجات إعادة المعالجة (عند استخلاص البلوتونيوم من الوقود النووي المستهلك) |
أهم مركبات البلوتونيوم: PuF 6 (سائل منخفض الغليان ؛ أقل ثباتًا حرارياً بكثير من UF 6) ، وأكسيد صلب PUO 2 ، وكربيد PuC ونيتريد PuN ، والذي يمكن استخدامه كوقود نووي في الخلائط مع مركبات اليورانيوم المقابلة .
الأكثر انتشارًا هي أجهزة النظائر المشعة مثل أجهزة إنذار حريق التأين أو كاشفات الدخان بالنظائر المشعة. يشكل البلوتونيوم الهباء الجوي بسهولة عند تشكيله آليًا.
في الطبيعة ، يتشكل أثناء تحلل β لـ Np-239 ، والذي يحدث بدوره أثناء التفاعل النووي لليورانيوم 238 مع النيوترونات (على سبيل المثال ، النيوترونات من الإشعاع الكوني). يعتمد الإنتاج الصناعي للبلوتونيوم 239 أيضًا على هذا التفاعل ويتم في المفاعلات النووية. يعتبر البلوتونيوم 239 هو أول البلوتونيوم الذي يتكون في مفاعل نووي عند تعريض اليورانيوم 238 للإشعاع ؛ وكلما طالت هذه العملية ، كلما ظهرت نظائر البلوتونيوم الأثقل. يجب فصل البلوتونيوم 239 كيميائيًا عن نواتج الانشطار واليورانيوم المتبقي في الوقود النووي المستهلك. هذه العملية تسمى إعادة المعالجة. نظرًا لأن جميع النظائر لها نفس عدد البروتونات وعدد مختلف من النيوترونات ، فإن خواصها الكيميائية (تعتمد الخصائص الكيميائية على عدد البروتونات في النواة) متطابقة ، لذلك من الصعب جدًا فصل النظائر باستخدام الطرق الكيميائية.
يتم الفصل اللاحق لـ Pu-239 عن اليورانيوم والنبتونيوم ونواتج الانشطار عالية النشاط الإشعاعي في مصانع الكيمياء الإشعاعية بطرق كيميائية إشعاعية (الترسيب المشترك ، الاستخراج ، التبادل الأيوني ، إلخ). وعادة ما يتم الحصول على فلز البلوتونيوم عن طريق تقليل PuF3 ، PuF4 أو PuO 2 مع الباريوم أو الكالسيوم أو بخار الليثيوم.
ثم يستخدمون قدرته على الانشطار تحت تأثير النيوترونات في المفاعلات الذرية ، وقدرته على التفاعل المتسلسل الانشطاري الذاتي في وجود كتلة حرجة (7 كجم) - في القنابل الذرية والنووية الحرارية ، حيث يكون المكون الرئيسي. . الكتلة الحرجة لتعديلها α هي 5.6 كجم (كرة بقطر 4.1 سم). يستخدم 238 Pu في البطاريات الكهربائية "الذرية" طويلة العمر. تعمل نظائر البلوتونيوم كمواد خام لتركيب عناصر الترانسبلوتونيوم (Am ، إلخ).
من خلال تشعيع البلوتونيوم 239 بالنيوترونات ، يمكن الحصول على مزيج من النظائر ، منها نظير البلوتونيوم 241 ، وكذلك البلوتونيوم 239 ، قابلة للانشطار ويمكن استخدامها لتوليد الطاقة. ومع ذلك ، فإن نصف عمرها هو 14.4 سنة ، مما لا يسمح بتخزينها لفترة طويلة ، علاوة على ذلك ، عندما تتحلل ، فإنها تشكل Am-241 غير قابلة للانشطار (α- ، γ- مشعة) مع عمر نصف يبلغ 432.8 سنة. اتضح أنه كل 14 عامًا تقريبًا ، تتضاعف كمية Am-241 في البيئة. من الصعب اكتشافه ، مثل العناصر الأخرى ما بعد اليورانيوم ، باستخدام معدات قياس طيف التقليدية ، كما أن طرق الكشف المحددة للغاية والمكلفة مطلوبة. نظير Pu-242 هو الأكثر تشابهًا في الخصائص النووية لليورانيوم 238 ، Am-241 ، الذي تم الحصول عليه من اضمحلال النظير Pu-241 ، تم استخدامه في أجهزة الكشف عن الدخان.
الأميريسيوم -241 ، بالإضافة إلى عناصر أخرى ما بعد اليورانيوم (النبتونيوم ، الكاليفورنيوم ، وغيرهما) ، هو نويدات مشعة خطرة بيئيًا ، كونه في الغالب عنصر ينبعث منه ألفا ويسبب إشعاعًا داخليًا للجسم.
البلوتونيوم المتراكم على الأرض أكثر من كافٍ. إنتاجه غير مطلوب على الإطلاق لكل من هندسة الدفاع والطاقة. ومع ذلك ، من بين المفاعلات الثلاثة عشر التي كانت موجودة في الاتحاد السوفياتي والتي أنتجت البلوتونيوم المستخدم في صنع الأسلحة ، تواصل 3 مفاعلات: اثنان منها في سيفيرسك. تم إغلاق آخر مفاعل من هذا القبيل في الولايات المتحدة في عام 1988.
يتم تحديد جودة البلوتونيوم من خلال النسبة المئوية للنظائر الموجودة فيه (باستثناء البلوتونيوم 239) (الجدول 21).
اعتبارًا من سبتمبر 1998 ، كانت أسعار البلوتونيوم التي حددها قسم النظائر في مختبر أوك ريدج الوطني (ORNL) هي: 8.25 دولار / ملجم للبلوتونيوم 238 (نقي بنسبة 97٪) ؛ 4.65 دولار / ملغم للبلوتونيوم 239 (\u003e 99.99٪) ؛ 5.45 دولار / ملجم للبلوتونيوم -240 (\u003e 95٪) ؛ 14.70 دولارًا أمريكيًا / مجم للبلوتونيوم 241 (\u003e 93٪) و 19.75 دولارًا أمريكيًا / مجم للبلوتونيوم 242.
الجدول 21جودة البلوتونيوم
تصنيف جودة البلوتونيوم هذا ، الذي طورته وزارة الطاقة الأمريكية ، تعسفي إلى حد ما. على سبيل المثال ، يمكن أيضًا استخدام الوقود والبلوتونيوم في المفاعلات ، وهما أقل ملاءمة للأغراض العسكرية من البلوتونيوم المستخدم في صنع الأسلحة ، في صنع قنبلة نووية. يمكن استخدام البلوتونيوم من أي نوع في صنع سلاح إشعاعي (عندما يتم رش المواد المشعة دون انفجار نووي).
قبل 60 عامًا فقط ، لم تكن النباتات والحيوانات الخضراء تحتوي على البلوتونيوم ، والآن يتم رش ما يصل إلى 10 أطنان منه في الغلاف الجوي. تم إنتاج حوالي 650 طنًا من الطاقة النووية وأكثر من 300 طن من الإنتاج العسكري. يقع جزء كبير من إنتاج البلوتونيوم في روسيا.
بمجرد وصوله إلى المحيط الحيوي ، يهاجر البلوتونيوم عبر سطح الأرض ، بما في ذلك الدورات البيوكيميائية. يتركز البلوتونيوم بواسطة الكائنات البحرية: معامل تراكمه (أي نسبة التركيزات في الجسم وفي البيئة الخارجية) للطحالب هو 1000-9000 ، للعوالق (مختلطة) - حوالي 2300 ، للرخويات - حتى 380 ، لنجم البحر - حوالي 1000 سمكة للعضلات والعظام والكبد والمعدة - 5570 و 200 و 1060 على التوالي. تمتص النباتات الأرضية البلوتونيوم بشكل رئيسي من خلال نظام الجذر وتجمعه بنسبة تصل إلى 0.01٪ من كتلتها. منذ السبعينيات. في القرن العشرين ، ازدادت حصة البلوتونيوم في التلوث الإشعاعي للمحيط الحيوي (أصبح تشعيع اللافقاريات البحرية بسبب البلوتونيوم أكبر مما هو بسبب 90 Sr و 137 Cs). يبلغ MPC لـ 239 Pu في المسطحات المائية المفتوحة وفي هواء غرف العمل 81.4 و 3.3 × 10 -5 بيكريل / لتر ، على التوالي.
يحدد سلوك البلوتونيوم في الهواء شروط تخزينه ومعالجته بأمان أثناء الإنتاج (الجدول 22). تشكل أكسدة البلوتونيوم خطرًا على صحة الإنسان ، حيث أن ثاني أكسيد البلوتونيوم ، باعتباره مركبًا مستقرًا ، يدخل بسهولة إلى الرئتين عند استنشاقه. يزيد نشاطه النوعي بمقدار 200 ألف مرة عن نشاط اليورانيوم ، بالإضافة إلى أن إطلاق الجسم من البلوتونيوم الذي يدخله لا يحدث عمليًا طوال حياة الإنسان.
يبلغ عمر النصف البيولوجي للبلوتونيوم 80-100 سنة عندما يكون في نسيج العظام ، ويكون تركيزه هناك ثابتًا عمليًا. عمر النصف من الكبد 40 سنة. يمكن للإضافات المخلبية أن تسرع القضاء على البلوتونيوم.
التغييرات في خصائص البلوتونيوم في الهواء
| الشكل والظروف البيئية | تفاعل البلوتونيوم |
سبائك معدنية | خامل نسبيًا |
مسحوق المعادن | يتفاعل بسرعة لتشكيل |
مسحوق ناعم: | يشعل من تلقاء نفسه: |
في درجات حرارة ورطوبة مرتفعة | يتفاعل مع الشكل |
البلوتونيوم يسمى "السم النووي" ، محتواه المسموح به في جسم الإنسان يقدر بالنانوجرام. حددت اللجنة الدولية للحماية من الإشعاع (ICRP) معدل امتصاص سنوي يبلغ 280 نانوغرام. وهذا يعني أنه بالنسبة للتعرض المهني ، يجب ألا يتجاوز تركيز البلوتونيوم في الهواء 7 بيكو كوري / م 3. الحد الأقصى المسموح به من تركيز Pu-239 (للموظفين المحترفين) هو 40 nanoCuri (0.56 ميكروغرام) و 16 nanoCuri (0.23 ميكروغرام) لأنسجة الرئة.
يمكن أن يؤدي امتصاص 500 ملغ من البلوتونيوم كمادة مجزأة أو ذائبة إلى الوفاة من التعرض للإشعاع الحاد للجهاز الهضمي في غضون أيام أو أسابيع قليلة. استنشاق 100 ملغ من البلوتونيوم على شكل جزيئات من 1-3 ميكرون الأمثل للاحتباس في الرئتين يؤدي إلى الوفاة من الوذمة الرئوية في 1-10 أيام. استنشاق جرعة 20 ملغ يؤدي إلى الوفاة من تليف في حوالي شهر. بالنسبة للجرعات الأقل بكثير من هذه القيم ، يظهر تأثير مسرطن مزمن.
طوال الحياة ، يعتمد خطر الإصابة بسرطان الرئة لدى الشخص البالغ على كمية البلوتونيوم التي دخلت الجسم. يشكل تناول 1 ميكروجرام من البلوتونيوم خطرًا بنسبة 1٪ للإصابة بالسرطان (معدل السرطان الطبيعي 20٪). وعليه ، فإن 10 ميكروغرام تزيد من خطر الإصابة بالسرطان من 20٪ إلى 30٪. يضمن تناول 100 ميكروغرام أو أكثر تطور سرطان الرئة (عادةً بعد عدة عقود) ، على الرغم من ظهور أدلة على تلف الرئة في غضون بضعة أشهر. إذا دخلت الدورة الدموية ، فمن المحتمل أن تبدأ في التركيز في الأنسجة التي تحتوي على الحديد: نخاع العظام والكبد والطحال. إذا تم استيعاب 1.4 ميكروغرام في عظام شخص بالغ ، فسوف يتدهور جهاز المناعة نتيجة لذلك وقد يتطور السرطان بعد بضع سنوات.
الحقيقة هي أن البلوتونيوم 239 هو باعث ألفا ، وتولد كل جسيمات ألفا الموجودة في الأنسجة البيولوجية 150 ألف زوج من الأيونات على طول مسارها القصير ، مما يؤدي إلى إتلاف الخلايا ، مما ينتج عنه تحولات كيميائية مختلفة. ينتمي 239 Pu إلى مواد ذات نوع مختلط من التوزيع ، حيث إنه يتراكم ليس فقط في الهيكل العظمي ، ولكن أيضًا في الكبد. يتم الاحتفاظ به جيدًا في العظام ولا يتم إزالته عمليًا من الجسم بسبب تباطؤ عمليات التمثيل الغذائي في أنسجة العظام. لهذا السبب ، ينتمي هذا النوكليد إلى فئة أكثرها سمية.
عند وجوده في الجسم ، يصبح البلوتونيوم مصدرًا ثابتًا لإشعاع ألفا للإنسان ، مما يتسبب في أورام العظام وسرطان الكبد وسرطان الدم واضطرابات تكوين الدم وساركوما العظام وسرطان الرئة ، وبالتالي فهو أحد أخطر المواد المسرطنة (الجدول 23).
قائمة المراجع
1. تيخونوف م. ، موراتوف أو. النظائر وتقنيات الإشعاع: فهم الواقع ونظرة إلى المستقبل // الخبرة البيئية. Obz.inf. ، 2006 ، رقم 6 ، ص. 38-99. - M.، VINITI RAS.
Tikhonov M.N. ، Muratov O.E. ، Petrov E.L. النظائر وتقنيات الإشعاع: فهم الواقع ونظرة إلى المستقبل // الخبرة البيئية. Obz.inf. ، 2006 ، رقم 6 ، ص. 38-99. - M.، VINITI RAN.2. Bazhenov V.A.، Buldakov L.A.، Vasilenko I.Ya. وغيرها. الكيماويات الضارة. المواد المشعة: نسخة مرجعية // إد. V.A. Filova et al. - L: الكيمياء ، 1990. - 464 ص.
3. الموسوعة الكيميائية: في 5 مجلدات // الفصل. إد. زيفيروف إن إس. - م: الموسوعة الروسية الكبرى ، 1995. - ت 4 ، ص. 153-154 (الراديوم) ، ص. 282 (روبيديوم) ، ص. 283 (روثينيوم) ، ص. 300 (الرصاص) ، ص. 560 (تكنيتيوم) ، ص. 613 (الثوريوم) ؛ 1999. - T. 5 ، ص. 41 (اليورانيوم) ، ص. 384 (زركونيوم).
4. الموسوعة الكيميائية: في 5 مجلدات // الفصل. إد. Knunyants I.L. - م: الموسوعة السوفيتية ، 1990. - المجلد. 1 ، ص. 78 (شقائق البحر) ، ص. 125 (المنبثقة) ، ص. 241 (باريوم) ؛ ت 2 ، ص. 284 (بوتاسيوم) ، ص. 286 (كاليفورنيوم) ، ص .414 (كوبالت) ، ص. 577 (اللانثانم) ؛ 1992 المجلد 3 ، ص. 580 (بلوتونيوم).
5. Nesmeyanov AN الكيمياء الإشعاعية. - م: الكيمياء ، 1978. - 560 ص.
6. Shirokov Yu.M.، Yudin N.P. فيزياء نووية. - م ، علوم ، 1980.
7. Kozlov V.F. دليل السلامة من الإشعاع. - الطبعة الخامسة ، القس. و أضف. - م: Energoatomizdat ، 1999. - 520 ص.
8. مويسيف أ.أ. ، إيفانوف ف. كتيب قياس الجرعات ونظافة الإشعاع. - م: إنرجواتوميزدات ، 1992. - 252 ص.
9. Kirillov V.F. ، Knizhnikov V.A. ، Korenkov I.P. النظافة من الإشعاع // إد. L.A. ايلين. - م: الطب ، 1988. - 336 ص.
10. ريخفانوف ل. المشاكل العامة والإقليمية لعلم البيئة الإشعاعية. - تومسك: TPU ، 1997. - 384 ص.
11. Bagnal K. كيمياء العناصر المشعة النادرة. البولونيوم - شقائق النعمان: Per. من الانجليزية // إد. يو في. جاجارينسكي. - م: دار النشر الأجنبية. مضاءة. - 256 ص.
12. Gusev NG ، Rubtsov P.M. ، Kovalenko V.V. ، Kolobashkin V.V. الخصائص الإشعاعية لنواتج الانشطار: دليل. - م: أتوميزدات ، 1974. - 224 ص.
13. عناصر ما بعد اليورانيوم في البيئة // إد. نحن هينسون: بير. من الانجليزية - م: مير ، 1985. - 344 ص.
14. Smyslov A.A. اليورانيوم والثوريوم في القشرة الأرضية. - لام: ندرا ، 1974. - 232 ص.
15. الإشعاع المؤين: المصادر والآثار البيولوجية. لجنة الأمم المتحدة العلمية المعنية بآثار الإشعاع الذري (UNSCEAR). 1982 تقرير إلى الجمعية العمومية. الحجم 1. - نيويورك ، الأمم المتحدة ، 1982. - 882 ص.
16. مصادر وتأثيرات ومخاطر الإشعاع المؤين // تقرير اللجنة العلمية للأمم المتحدة المعنية بآثار الإشعاع الذري إلى الجمعية العامة لعام 1988. - م: مير ، 1992. - 1232 ص.
17. Vasilenko I. Ya. علم السموم من نواتج الانشطار النووي. - م: الطب ، 1999. - 200 ص.
18. Izrael Yu.A.، Stukin E.D. جاما - إشعاع من التساقط الإشعاعي. - م: أتوميزدات ، 1967. - 224 ص.
19. ألكساخين آر إم ، أركييبوف ن.ب. ، فاسيلينكو آي. النويدات المشعة الطبيعية الثقيلة في المحيط الحيوي. - م: نوكا ، 1990. - 368 ص.
20. Krivolutsky D.A. وآخرون. تأثير الإشعاع المؤين على التكاثر الحيوي. - م: Gidrometeoizdat ، 1977. - 320 صفحة.
21. بولداكوف ل. المواد المشعة والأشخاص. -M: Energoatomizdat ، 1990 - 160 ص.
22- روزر إل. الهباء المشع // إد. أ. Martynyuk. - م: إنرجواتوميزدات ، 2001. - 230 ص.
23- Zhuravlev V.F. علم السموم من المواد المشعة. - م: Energoatomizdat ، 1990. - 336 ص.
24. Moiseev A.A. السيزيوم 137. البيئة بشرية. - م: Energoatomizdat ، 1985. - 121 ص.
25. Tikhonov M.N.، Muratov O.E. دورة الوقود النووي البديلة: الضرورة والأهمية // بيئة الإنتاج الصناعي ، 2009 ، لا. 4 ، ص. 40-48.
26. Aleksakhin R.M.، Vasiliev A.V.، Dikarev V.G. وغيرها من علم البيئة الإشعاعية الزراعية. - م ، علم البيئة ، 1991.
27. تشالوف بي. تجزئة اليورانيوم الطبيعي. - فرونزي: إليم ، 1975.
28. Pilipenko A.T. الصوديوم والبوتاسيوم // كتيب الكيمياء الأولية. - الطبعة الثانية. - كييف: نوكوفا دومكا ، 1978 ، ص. 316-319.
29. تيخونوف م. مخاطر الرادون: المصادر والجرعات والقضايا التي لم يتم حلها // الخبرة البيئية. Obz.inf. ، 2009 ، الإصدار. 5 ، ص. 2-108. - M.، VINITI RAS.
30. Gudzenko V.V.، Dubinchuk V.T. نظائر الراديوم والرادون في المياه الطبيعية. - م: نوكا ، 1987. - 157 ص.
31. Martynyuk Yu.N. حول مسألة جودة مياه الشرب على أساس الإشعاع // ANRI، 1996، №1، p. 64-66.
32. Borisov NB.، Ilyin L.A.، Margulis U.Ya. وغيرها من السلامة الإشعاعية عند العمل مع البولونيوم 210 // Ed. إ. بيتريانوفا ول. ايلين. - م: أتوميزدات ، 1980. - 264 ص.
33. تقنية لقياس النشاط الحجمي للبولونيوم 210 والرصاص 210 في المياه الطبيعية بطريقة ألفا بيتا الإشعاعية مع تحضير كيميائي إشعاعي. - م ، 2001.
34. Gusev N.G.، Belyaev V.A. الانبعاثات المشعة في المحيط الحيوي: دليل. - م: إنرجواتوميزدات ، 1991. - 255 ص.
35. Bolsunovsky A.Ya. إنتاج المواد النووية في روسيا والتلوث البيئي. - في الكتاب: ذرة بدون طابع "سري": وجهات نظر. - موسكو-برلين ، 1992 ، ص. 9-29.
36. Fedorova E.A.، Ponomareva R.P.، Milakina L.A. أنماط سلوك 14 درجة مئوية في نظام الغلاف الجوي للنبات في ظل ظروف التركيز المتغير لثاني أكسيد الكربون في الهواء // علم البيئة ، 1985 ، رقم 5 ، ص. 24-29.
37. Ponomareva R.P.، Milakina L.A.، Savina V.I. انتظام سلوك الكربون 14 في السلسلة الغذائية البشرية تحت تأثير مصدر محلي للانبعاثات // الصناعة النووية: البيئة والصحة العامة / إد. L.A. بولداكوفا ، س. ديمينا. - م ، 1988 ، ص. 240-249.
38. Rublevsky V.P.، Golenetskiy S.P.، Kirdin G.S. الكربون المشع في المحيط الحيوي. - م: أتوميزدات ، 1979. - 150 ص.
39. Artemova N.E.، Bondarev A.A.، Karpov V.I.، Kurdyumov B.S. وغيرها .الانبعاثات المسموح بها للمواد الكيميائية المشعة والضارة في الطبقة السطحية للغلاف الجوي. - م: أتوميزدات ، 1980. - 235 ص.
40. ديمين س. مشكلة الكربون 14 في منطقة PA "ماياك" // قضايا السلامة الإشعاعية ، 2000 ، №1 ، ص. 61-66.
41. ساخاروف أ. الكربون المشع للانفجارات النووية والتأثيرات البيولوجية اللامحدودة // الطاقة الذرية ، 1958 ، ف. 4 ، رقم 6 ، ص. 576-580.
42. ساخاروف أ. الكربون المشع للانفجارات النووية والآثار البيولوجية غير الحدية // Science and Global Security، 1991، vol. 1، no. 4، p. 3-8.
43. German A.M. الكربون المشع الجوي والوفيات في الدنمارك. مجلة الإنترنت "التكنولوجيا الحيوية التجارية" 2005.
44. Evans E. Tritium ومركباته. - م ، أتوميزدات ، 1970.
45. لينسكى ال. فيزياء وكيمياء التريتيوم. - م ، أتوميزدات ، 1981.
46. \u200b\u200bBelovodsky L.F.، Gayevoy V.K.، Grishmanovsky V.I. التريتيوم. - م ، أتوميزدات ، 1985.
47. Andreev B.M.، Zelvensky Ya.D.، Katalnikov S.G. نظائر الهيدروجين الثقيلة في التكنولوجيا النووية. - م ، أتوميزدات ، 1987.
48. لينسون أ. 100 سؤال وجواب في الكيمياء. - M.، AST-Astrel، 2002.
49. Dubasov Yu.V.، Okunev N.S.، Pakhomov S.A. رصد النويدات المشعة زينون وكريبتون -85 في المنطقة الشمالية الغربية من روسيا في 2007-2008. // التقارير المجمعة. الثالث كثافة العمليات. المنتدى النووي 22-26 سبتمبر. 2008 - SPb.: NOU DPO "ATOMPROF" ، 2008 ، ص. 57-62.
50. Ksenzenko V.I.، Stasinevich D.S. كيمياء وتكنولوجيا البروم واليود ومركباتهما. الطبعة الثانية. - م: In.lit. ، 1995. - 562 ص.
51. Bagnal K. كيمياء السيلينيوم والتيلوريوم والبولونيوم. - م ، 1971.
52. تعليمات منهجية MU 2.6.1.082-96. تقييم جرعة الإشعاع الداخلي للغدة الدرقية باستخدام اليود 131 بناءً على نتائج تحديد محتوى اليود 129 في الكائنات البيئية (تمت الموافقة عليه من قبل نائب رئيس أطباء الصحة العامة في الاتحاد الروسي في 24 مايو 1996).
53. Gavrilin Yu.I.، Volkov V.Ya.، Makarenkova I.I. الاستعادة بأثر رجعي للترسب المتكامل لليود 131 في مستوطنات منطقة بريانسك في روسيا على أساس نتائج تحديد محتوى اليود 129 في التربة في عام 2008 // Radiation Hygiene ، 2009 ، T. 2 ، No. 3 ، ص. 38-44.
54. Vasilenko I.Ya.، Vasilenko O.I. السترونتيوم المشع // الطاقة: الاقتصاد ، التكنولوجيا ، البيئة ، 2002 ، رقم 4 ، ص. 26-32.
55. Vasilenko I. Ya. السيزيوم المشع 137 // Nature، 1999، No. 3، p. 70-76.
56. اقتصاد البلوتونيوم: مخرج أو طريق مسدود. البلوتونيوم في البيئة // شركات. ميرونوفا ن. - تشيليابينسك ، 1998. - 74 صفحة.
57. Blumenthal U.B. كيمياء الزركونيوم. - م ، 1963.
58. L.A. Pertsov. الإشعاع المؤين للمحيط الحيوي. - م: أتوميزدات ، 1973. - 288 ص.
59. مكتبة شعبية للعناصر الكيميائية. كتاب 2. الفضة نيلسبوريوم وما بعدها. - الطبعة الثالثة. - م: Nauka ، 1983. - 573 ص.
60. Ogorodnikov B.I. تورون والشركات التابعة لها في مشكلة التشعيع بالاستنشاق // التكنولوجيا الذرية بالخارج ، 2006 ، رقم 6 ، ص. 10-15.
61- يارمونينكو س. علم الأحياء الإشعاعي للإنسان والحيوان. - م: المدرسة العليا ، 1988. - 424 ص.
62. Babaev NS، Demin V.F.، Ilyin L.A. وغيرها الطاقة النووية ، الإنسان والبيئة / إد. أكاد. أ. الكسندروفا. - م: Energoatomizdat ، 1984. - 312 ص.
63. Abramov Yu.V. تحديد جرعات التشعيع الخارجي للأعضاء والأنسجة وفقًا لمتطلبات NRB -99 في الظروف الصناعية // طب الحالات القصوى ، 2000 ، رقم 3 (6) ، ص 55-60.
64. Aleksakhin R.M.، Buldakov L.A.، Gubanov V.A. وغيرها من الحوادث الإشعاعية الكبرى: العواقب والتدابير الوقائية / إد. إد. إل.إيلينا وف. جوبانوف. - م: ازدات 2001. -752 ص.
65. في بي مشكوفيتش ، إيه في كودريافتسيفا. الحماية من الإشعاع المؤين: كتيب ، الطبعة الرابعة. - م: Energoatomizdat ، 1995.
66. الطب الإشعاعي. T.2. أضرار الإشعاع للإنسان / أقل من الإجمالي. إد. أكاد. RAMS L.A. إلينا. -م: ازدات، 2001. -432 ص.
وصف البلوتونيوم
البلوتونيوم (البلوتونيوم) هو عنصر كيميائي فضي ثقيل ، معدن مشع برقم ذري 94 ، يتم تحديده في العنصر الدوري بالرمز Pu.
ينتمي هذا العنصر الكيميائي النشط الكهربية إلى مجموعة الأكتينيدات ذات الكتلة الذرية 244.0642 ، ومثل النبتونيوم ، الذي حصل على اسمه تكريماً للكوكب الذي يحمل نفس الاسم ، تدين هذه المادة الكيميائية باسم كوكب بلوتو ، منذ السلائف من العنصر المشع في الجدول الدوري للعناصر الكيميائية لمندليف هي والنبتونيوم ، والتي سُميت أيضًا على اسم الكواكب الكونية البعيدة لمجرتنا.
أصل البلوتونيوم
عنصر البلوتونيوم تم اكتشافه لأول مرة في عام 1940 في جامعة كاليفورنيا من قبل مجموعة من علماء الأشعة والباحثين العلميين G. Seaborg ، E. Macmillan ، Kennedy ، A. Walhom عندما قصف هدف اليورانيوم من سيكلوترون بالديوترونات - نوى الهيدروجين الثقيلة.
في ديسمبر من نفس العام ، اكتشف العلماء نظير البلوتونيوم - البلوتونيوم 238 ، الذي يبلغ نصف عمره أكثر من 90 عامًا ، بينما وجد أنه تحت تأثير التفاعلات الكيميائية النووية الأكثر تعقيدًا ، يتم الحصول على نظير النبتونيوم -238 مبدئيًا ، وبعد ذلك يتم تكوين النظير بالفعل البلوتونيوم 238.
اكتشف العلماء في أوائل عام 1941 بلوتونيوم 239 مع فترة اضمحلال 25000 سنة. يمكن أن تحتوي نظائر البلوتونيوم على تركيزات مختلفة من النيوترونات في النواة.
لا يمكن الحصول على مركب نقي للعنصر إلا في نهاية عام 1942. في كل مرة يكتشف أطباء الأشعة نظيرًا جديدًا ، كانوا يقيسون دائمًا نصف عمر النظائر.
في الوقت الحالي ، تختلف مدة نظائر البلوتونيوم ، التي يبلغ مجموع نظائرها 15. نصف الحياة... وبهذا العنصر تقترن الآمال والآفاق العظيمة ، ولكن في الوقت نفسه ، مخاوف جدية للبشرية.
يعتبر البلوتونيوم أكثر نشاطًا من اليورانيوم ، على سبيل المثال ، وينتمي إلى المواد الكيميائية الأكثر تكلفة والأهمية من الناحية التقنية.
على سبيل المثال ، تبلغ تكلفة جرام البلوتونيوم عدة مرات أكثر من جرام واحد ، أو معادن أخرى ذات قيمة مماثلة.
يعتبر إنتاج وتعدين البلوتونيوم مكلفًا ، وتكلفة جرام واحد من المعدن في عصرنا يتم الحفاظ عليها بثقة عند حوالي 4000 دولار أمريكي.
كيف يتم الحصول على البلوتونيوم؟ إنتاج البلوتونيوم
يتم إنتاج عنصر كيميائي في المفاعلات النووية ، التي ينشطر فيها اليورانيوم تحت تأثير العمليات الكيميائية المترابطة المعقدة.
اليورانيوم والبلوتونيوم هما المكونان الرئيسيان في إنتاج الوقود الذري (النووي).
إذا كان من الضروري الحصول على كمية كبيرة من عنصر مشع ، يتم استخدام طريقة تشعيع عناصر ما بعد اليورانيوم ، والتي يمكن الحصول عليها من الوقود النووي المستهلك وإشعاع اليورانيوم. يمكن أن تؤدي التفاعلات الكيميائية المعقدة إلى فصل المعدن عن اليورانيوم.
يستخدم تشعيع النبتونيوم 237 بالنيوترونات للحصول على نظائر ، وبالتحديد البلوتونيوم 238 والبلوتونيوم 239 المستخدم في صنع الأسلحة ، وهما نواتج تحلل وسيطة.
تم العثور على جزء ضئيل من البلوتونيوم 244 ، وهو البديل الأكثر "عمرًا" للنظير ، نظرًا لعمره النصفي الطويل ، أثناء البحث في خام السيريوم ، والذي ، على الأرجح ، بقي على قيد الحياة منذ تكوين كوكب الأرض. هذا العنصر المشع لا يحدث بشكل طبيعي في الطبيعة.
الخصائص الفيزيائية الأساسية وخصائص البلوتونيوم
البلوتونيوم عنصر كيميائي مشع ثقيل نوعًا ما له لون فضي ، يضيء فقط في شكله النقي. الذري كتلة فلز البلوتونيوم يساوي 244 وحدة دولية. تأكل.
نظرًا لنشاطه الإشعاعي العالي ، يكون هذا العنصر دافئًا عند اللمس ، ويمكن أن يسخن إلى درجة حرارة تتجاوز مؤشر درجة الحرارة عند غليان الماء.
البلوتونيوم ، تحت تأثير ذرات الأكسجين ، يغمق بسرعة ويصبح مغطى بغشاء رقيق قزحي الألوان من الأصفر الفاتح في البداية ، ثم مشبع - أو لون بني.
مع الأكسدة القوية ، يحدث تكوين مسحوق PuO2 على سطح العنصر. هذا النوع من المعادن الكيميائية عرضة لعمليات الأكسدة والتآكل القوية حتى في مستويات الرطوبة المنخفضة.
مطلوب فرن تجفيف لمنع تآكل وأكسدة سطح المعدن. صور يمكن رؤيته أدناه.
ينتمي البلوتونيوم إلى معادن كيميائية رباعية التكافؤ ، يذوب جيدًا وسريعًا في مواد يوديد الهيدروجين ، الوسائط الحمضية ، على سبيل المثال ، في الكلور.
يتم تحييد الأملاح المعدنية بسرعة في البيئات ذات التفاعل المحايد ، المحاليل القلوية ، مع تكوين هيدروكسيد البلوتونيوم غير القابل للذوبان.
درجة الحرارة التي يذوب عندها البلوتونيوم هي 641 درجة مئوية ، ونقطة الغليان 3230 درجة.
تحت تأثير ظروف درجات الحرارة المرتفعة ، تحدث تغيرات غير طبيعية في كثافة المعدن. في شكل بلوتونيوم ، له مراحل مختلفة وستة هياكل بلورية.
أثناء الانتقال بين المراحل ، تحدث تغييرات كبيرة في حجم العنصر. يكتسب العنصر الشكل الأكثر كثافة في المرحلة ألفا السادسة (المرحلة الأخيرة من الانتقال) ، بينما النبتونيوم فقط ، الراديوم هو أثقل من المعدن في هذه الحالة.
عند الذوبان ، يتم ضغط العنصر بقوة ، لذلك يمكن أن يلتصق المعدن بسطح الماء والوسائط السائلة الأخرى غير العدوانية.
على الرغم من حقيقة أن هذا العنصر المشع ينتمي إلى مجموعة المعادن الكيميائية ، إلا أن العنصر متقلب تمامًا ، وعندما يكون في مكان مغلق لفترة زمنية قصيرة ، يزداد تركيزه في الهواء ويزيد عدة مرات.
تشمل الخصائص الفيزيائية الرئيسية للمعدن: درجة منخفضة ، ومستوى التوصيل الحراري لجميع العناصر الكيميائية الموجودة والمعروفة ، وانخفاض مستوى التوصيل الكهربائي ، في الحالة السائلة ، يعد البلوتونيوم أحد أكثر المعادن لزوجة.
وتجدر الإشارة إلى أن أي مركبات بلوتونيوم سامة وسامة وتشكل خطرًا جسيمًا من التعرض للإشعاع على جسم الإنسان ، والذي يحدث بسبب إشعاع ألفا النشط ، لذلك يجب تنفيذ جميع الأعمال بحذر شديد وفقط في بدلات خاصة مع حماية كيميائية.
المزيد حول الخصائص ، يمكن العثور على نظريات حول أصل المعدن الفريد في الكتاب Obruchev "البلوتونيوم". المؤلف V.A. يدعو Obruchev القراء إلى الانغماس في عالم مذهل وفريد \u200b\u200bمن نوعه لبلد Plutonium الرائع ، والذي يقع في أعماق أحشاء الأرض.
استخدام البلوتونيوم
يُصنف العنصر الكيميائي الصناعي عادةً إلى بلوتونيوم يستخدم في صنع الأسلحة ومفاعل ("طاقة").
لذلك ، من أجل إنتاج الأسلحة النووية ، من بين جميع النظائر الموجودة ، يُسمح باستخدام البلوتونيوم 239 فقط ، والذي لا ينبغي أن يحتوي على أكثر من 4.5 ٪ من البلوتونيوم 240 ، لأنه يخضع للانشطار التلقائي ، مما يعقد بشكل كبير تصنيع المعدات العسكرية. اصداف.
البلوتونيوم 238 يجد تطبيقًا لتشغيل مصادر النظائر المشعة صغيرة الحجم للطاقة الكهربائية ، على سبيل المثال ، كمصدر للطاقة لتكنولوجيا الفضاء.
منذ عدة عقود ، كان البلوتونيوم يستخدم في الطب في أجهزة تنظيم ضربات القلب (أجهزة للحفاظ على معدل ضربات القلب).
كانت أول قنبلة ذرية تم صنعها في العالم تحتوي على شحنة بلوتونيوم. البلوتونيوم النووي (Pu 239) مطلوب كوقود نووي لتشغيل مفاعلات الطاقة. أيضًا ، يعمل هذا النظير كمصدر لإنتاج عناصر ترانسبلوتونيوم في المفاعلات.
إذا قارنا البلوتونيوم النووي بالمعدن النقي ، فإن النظير يحتوي على معايير معدنية أعلى ، وليس له مراحل انتقالية ، وبالتالي فهو يستخدم على نطاق واسع في عملية الحصول على عناصر الوقود.
هناك حاجة أيضًا إلى أكاسيد نظائر البلوتونيوم 242 كمصدر طاقة للوحدات المميتة في الفضاء والمعدات وقضبان الوقود.
البلوتونيوم المستخدم في صنع الأسلحة هو عنصر يتم تقديمه على شكل معدن مضغوط يحتوي على 93٪ على الأقل من نظير Pu239.
يستخدم هذا النوع من المعدن المشع في إنتاج أنواع مختلفة من الأسلحة النووية.
يتم الحصول على البلوتونيوم المستخدم في صنع الأسلحة في مفاعلات نووية صناعية متخصصة تعمل باليورانيوم الطبيعي أو منخفض التخصيب ، نتيجة لالتقاطه للنيوترونات.
يُطلق على هذا المعدن الثمين ، ولكن ليس لجماله ، ولكن بسبب عدم إمكانية الاستغناء عنه. في الجدول الدوري لمندليف ، يحتل هذا العنصر الخلية رقم 94. يعلق العلماء آمالهم عليه ، وهو البلوتونيوم الذي يسمونه أخطر معدن للبشرية.
البلوتونيوم: الوصف
إنه معدن أبيض فضي في المظهر. إنه مشع ويمكن تمثيله على أنه 15 نظيرًا بنصف عمر مختلف ، على سبيل المثال:
- Pu-238 - يبلغ من العمر حوالي 90 عامًا
- Pu-239 - عمره حوالي 24 ألف سنة
- Pu-240 - 6580 سنة
- Pu-241 - 14 سنة
- Pu-242 - 370 ألف سنة
- Pu-244 - عمره حوالي 80 مليون سنة
لا يمكن استخلاص هذا المعدن من الخام لأنه نتاج التحويل الإشعاعي لليورانيوم.
كيف يتم الحصول على البلوتونيوم؟
يتطلب إنتاج البلوتونيوم انشطار اليورانيوم ، والذي لا يمكن أن يتم إلا في المفاعلات النووية. إذا تحدثنا عن وجود عنصر Pu في قشرة الأرض ، فلن يكون هناك سوى جرام واحد من البلوتونيوم النقي مقابل 4 ملايين طن من خام اليورانيوم. ويتكون هذا الجرام عن طريق الالتقاط الطبيعي لنواة اليورانيوم للنيوترونات. وبالتالي ، للحصول على هذا الوقود النووي (عادة النظير 239-Pu) بكمية عدة كيلوغرامات ، من الضروري تنفيذ عملية تكنولوجية معقدة في مفاعل نووي.
خصائص البلوتونيوم
يحتوي البلوتونيوم المعدني المشع على الخصائص الفيزيائية التالية:
- الكثافة 19.8 جم / سم 3
- نقطة الانصهار - 641 درجة مئوية
- نقطة الغليان - 3232 درجة مئوية
- الموصلية الحرارية (عند 300 كلفن) - 6.74 واط / (م · ك)
البلوتونيوم مشع وبالتالي دافئ عند اللمس. علاوة على ذلك ، يتميز هذا المعدن بأقل قدر من التوصيل الحراري والتوصيل الكهربائي. البلوتونيوم السائل هو الأكثر لزوجة من بين جميع المعادن الموجودة.
يؤدي أدنى تغيير في درجة حرارة البلوتونيوم إلى تغير فوري في كثافة المادة. بشكل عام ، كتلة البلوتونيوم تتغير باستمرار ، لأن نوى هذا المعدن تكون في حالة انشطار مستمر إلى نوى ونيوترونات أصغر. الكتلة الحرجة للبلوتونيوم هي الاسم الذي يطلق على الحد الأدنى من كتلة مادة قابلة للانشطار حيث يظل مسار الانشطار (تفاعل نووي متسلسل) ممكنًا. على سبيل المثال ، تبلغ الكتلة الحرجة من البلوتونيوم المستخدم في صنع الأسلحة 11 كجم (للمقارنة ، تبلغ الكتلة الحرجة لليورانيوم عالي التخصيب 52 كجم).
اليورانيوم والبلوتونيوم هما الوقود النووي الرئيسي. للحصول على البلوتونيوم بكميات كبيرة ، يتم استخدام تقنيتين:
- تشعيع اليورانيوم
- تشعيع عناصر ما بعد اليورانيوم المستمدة من الوقود المستهلك
كلتا الطريقتين هما فصل البلوتونيوم واليورانيوم نتيجة تفاعل كيميائي.
للحصول على البلوتونيوم النقي 238 ، يتم استخدام الإشعاع النيوتروني للنبتونيوم 237. نفس النظير متورط في إنتاج بلوتونيوم 239 المستخدم في صنع الأسلحة ، على وجه الخصوص ، إنه منتج تسوس وسيط. مليون دولار هو ثمن كيلوغرام واحد من البلوتونيوم 238.