Atomski broj plutonijuma. Plutonij oružja: primjena, proizvodnja, odlaganje. Karakteristike dizajna industrijskih reaktora

Plutonij je otkriven krajem 1940. godine na Kalifornijskom univerzitetu. Sintetizirali su ga McMillan, Kennedy i Wahl bombardirajući uranij-oksid (U 3 O 8) nukleusima deuterija (deuteronima) snažno ubrzanim u ciklotronu. Kasnije je utvrđeno da ova nuklearna reakcija prvo stvara kratkotrajni izotop neptunijum-238, a iz njega već plutonij-238 s poluživotom od oko 50 godina. Godinu dana kasnije, Kennedy, Seaborg, Segre i Wahl sintetizirali su važniji izotop, plutonij-239, zračeći uran visoko ubrzanim neutronima u ciklotronu. Plutonij-239 nastaje raspadanjem neptunijuma-239; emituje alfa zrake i ima poluživot 24.000 godina. Čisti spoj plutonijuma prvi put je dobiven 1942. godine. Tada je postalo poznato da se u ležištima u Kongu nalazi prirodni plutonij koji se nalazi u rudama uranijuma, posebno u rudama.

Ime elementa predloženo je 1948. godine: McMillan je prvom transuranskom elementu dao ime neptunij zbog činjenice da je planeta Neptun prva iza Urana. Po analogiji, odlučeno je da se element 94 nazove plutonijumom, jer je planeta Pluton druga nakon Urana. Pluton, otkriven 1930. godine, ime je dobio po bogu Plutonu - vladaru podzemlja u grčkoj mitologiji. Početkom XIX veka. Clark je predložio da se element imenuje barijum plutonij, izvodeći to ime direktno od boga Plutona, ali njegov prijedlog nije prihvaćen.

Plutonij (latinski Plutonij, označen simbolom Pu) je radioaktivni hemijski element sa atomskim brojem 94 i atomskom težinom 244,064. Plutonij je element III grupe periodičnog sistema Dmitrija Ivanoviča Mendelejeva, pripada porodici aktinida. Plutonij je težak (gustina u normalnim uvjetima 19,84 g / cm3) krhki radioaktivni metal srebrnasto bijele boje.

Plutonij nema stabilne izotope. Od stotinu mogućih izotopa plutonijuma, sintetizirano je dvadeset i pet. Petnaest ih je proučavalo nuklearna svojstva (maseni brojevi 232-246). Četiri su našle praktične primjene. Najdugovječniji izotopi - 244Pu (poluživot 8,26.107 godina), 242Pu (poluživot 3,76 105 godina), 239Pu (poluživot 2,41 104 godine), 238Pu (poluživot 87,74 godine) - α emiteri i 241Pu (poluživot 14 godina) je β-emiter. Plutonij se prirodno nalazi u tragovima u uranijumovim rudama (239Pu); nastaje od urana pod dejstvom neutrona, čiji su izvori reakcije koje se javljaju tokom interakcije α-čestica sa lakim elementima (koji su deo ruda), spontane fisije jezgara urana i kosmičkog zračenja.

Devedeset i četvrti element otkrila je grupa američkih naučnika - Glenn Seaborg, Kennedy, Edwin McMillan i Arthur Wahl 1940. godine na Berkeleyu (na Univerzitetu u Kaliforniji) tokom bombardiranja ciljeva uranijumovog oksida (U3O8) visoko ubrzanim deuterijumom jezgra (deuteroni) iz šezdeset inčnog ciklotrona. U maju 1940. Louis Turner je predvidio svojstva plutonija.

U decembru 1940. godine otkriven je izotop plutonijuma Pu-238, s poluživotom od ~ 90 godina, godinu dana kasnije, važniji Pu-239 sa poluživotom od ~ 24.000 godina.

Edwin Macmillan 1948. godine predložio je da se hemijski element imenuje plutonijum u čast otkrića nove planete Pluton i po analogiji s neptunijumom, koji je ime dobio nakon otkrića Neptuna.

Metalni plutonij (izotop 239Pu) koristi se u nuklearnom oružju i služi kao nuklearno gorivo za energetske reaktore koji rade na toplotnim i posebno brzim neutronima. Kritična masa za metal 239Pu je 5,6 kg. Između ostalog, izotop 239Pu polazni je materijal za proizvodnju elemenata transplutonija u nuklearnim reaktorima. Izotop 238Pu koristi se u malim nuklearnim izvorima energije koji se koriste u svemirskim istraživanjima, kao i u stimulatorima ljudske srčane aktivnosti.

Plutonij-242 važan je kao "sirovina" za relativno brzo akumuliranje viših elemenata transuranija u nuklearnim reaktorima. δ-stabilizovane legure plutonijuma koriste se u proizvodnji gorivih ćelija, jer imaju bolja metalurška svojstva u odnosu na čisti plutonijum, koji podvrgava faznim prijelazima zagrijavanjem. Plutonijevi oksidi se koriste kao izvor energije za svemirsku tehnologiju i pronalaze svoju primjenu u gorivim šipkama.

Sva jedinjenja plutonijuma su otrovna, što je posljedica α-zračenja. Alfa čestice predstavljaju ozbiljnu opasnost ako je njihov izvor u tijelu zaražene osobe, oštećuju okolno tkivo tijela. Gama zračenje plutonijuma nije štetno za organizam. Vrijedno je uzeti u obzir da različiti izotopi plutonijuma imaju različitu toksičnost, na primjer, tipični reaktorski plutonij je 8-10 puta toksičniji od čistog 239Pu, jer njime dominiraju nukleidi 240Pu, koji su moćan izvor alfa zračenja. Plutonij je najotoksičniji element od svih aktinida, međutim, smatra se daleko od najopasnijeg elementa, jer je radijum gotovo hiljadu puta opasniji od najotrovnijeg izotopa plutonijuma - 239Pu.

Biološka svojstva

Plutonij koncentrišu morski organizmi: koeficijent akumulacije ovog radioaktivnog metala (odnos koncentracija u tijelu i u vanjskoj okolini) za alge je 1000-9000, za plankton - oko 2300, za morske zvijezde - oko 1000, za mekušce - do 380, za mišiće, kosti, jetru i želudac ribe - 5, 570, 200 i 1060, respektivno. Kopnene biljke asimiliraju plutonij uglavnom kroz korijenov sistem i akumuliraju ga do 0,01% svoje mase. U ljudskom tijelu devedeset i četvrti element zadržava se uglavnom u kosturu i jetri, odakle se gotovo ne izlučuje (posebno iz kostiju).

Plutonij je vrlo toksičan, a njegova hemijska opasnost (kao i svaki drugi teški metal) mnogo je slabija (s hemijskog gledišta je i otrovna poput olova.) U poređenju sa njegovom radioaktivnom toksičnošću, koja je posljedica alfa zračenja. Štaviše, α-čestice imaju relativno nisku penetracijsku sposobnost: za 239Pu raspon α-čestica u zraku iznosi 3,7 cm, a u mekom biološkom tkivu 43 mikrona. Stoga, α-čestice predstavljaju ozbiljnu opasnost ako je njihov izvor u tijelu zaražene osobe. Istovremeno oštećuju tjelesna tkiva koja okružuju element.

Istovremeno, gama zraci i neutroni, koje plutonij takođe emituje i koji su sposobni prodrijeti u tijelo izvana, nisu vrlo opasni, jer je njihov nivo prenizak da našteti zdravlju. Plutonij pripada grupi elemenata s posebno velikom radiotoksičnošću. Istodobno, različiti izotopi plutonijuma imaju različitu toksičnost, na primjer, tipični reaktorski plutonij je 8-10 puta toksičniji od čistog 239Pu, jer njime dominiraju nukleidi 240Pu, koji su moćan izvor alfa zračenja.

Kada se element uzima zajedno s vodom i hranom, plutonij je manje toksičan od supstanci poput kofeina, nekih vitamina, pseudoefedrina i mnogih biljaka i gljivica. To je zbog činjenice da ovaj element slabo apsorbira gastrointestinalni trakt, čak i kada se isporučuje u obliku topive soli, upravo je ta sol vezana za sadržaj želuca i crijeva. Međutim, apsorpcija 0,5 grama plutonijuma u fino podijeljenom ili otopljenom stanju može dovesti do smrti od akutnog zračenja probavnog sistema za nekoliko dana ili tjedana (za cijanid ta vrijednost iznosi 0,1 grama).

S gledišta udisanja, plutonij je obični toksin (otprilike odgovara živinim parama). Pri udisanju plutonij je kancerogen i može izazvati rak pluća. Dakle, kada se sto miligrama plutonijuma udahne u obliku čestica optimalne veličine za zadržavanje u plućima (1-3 mikrona), to dovodi do smrti od plućnog edema za 1-10 dana. Doza od dvadeset miligrama dovodi do smrti od fibroze za otprilike mjesec dana. Manje doze dovode do hroničnih kancerogenih trovanja. Opasnost od udisanja penetracije plutonijuma u tijelo povećana je zbog činjenice da je plutonij sklon stvaranju aerosola.

Iako je metal, prilično je hlapljiv. Kratki boravak metala u sobi značajno povećava njegovu koncentraciju u zraku. Jednom u plućima, plutonij se delimično taloži na površini pluća, delimično prelazi u krv, a zatim u supstancu limfne i koštane srži. Većina (oko 60%) odlazi u koštano tkivo, 30% u jetru, a samo 10% se izlučuje prirodnim putem. Količina unesenog plutonijuma ovisi o veličini aerosolnih čestica i rastvorljivosti u krvi.

Plutonij koji na ovaj ili onaj način ulazi u ljudsko tijelo po svojstvima je sličan željeznom željezu, pa prodirući u krvožilni sistem, plutonij se počinje koncentrirati u tkivima koja sadrže željezo: koštanoj srži, jetri, slezini. Tijelo doživljava plutonij kao gvožđe, stoga protein transferin umjesto gvožđa uzima plutonij, uslijed čega prestaje prijenos kisika u tijelu. Mikrofagi povlače plutonij kroz limfne čvorove. Kad se jednom uđe u tijelo, plutonij se iz njega izlučuje vrlo dugo - tokom 50 godina izlučiće se samo 80% tijela. Poluživot iz jetre je 40 godina. Za koštano tkivo, poluživot plutonijuma je 80-100 godina, zapravo, koncentracija devedeset i četvrtog elementa u kostima je konstantna.

Tokom i nakon Drugog svjetskog rata, naučnici na projektu Manhattan, kao i naučnici iz Trećeg rajha i drugih istraživačkih organizacija, eksperimentirali su s plutonijumom na životinjama i ljudima. Studije na životinjama pokazale su da je nekoliko miligrama plutonijuma po kilogramu tkiva smrtonosna doza. Upotreba plutonijuma kod ljudi je bila da se kroničnim bolesnicima obično intramuskularno ubrizgava 5 μg plutonijuma. Kao rezultat, utvrđeno je da je smrtonosna doza za pacijenta jednaka jednom mikrogramu plutonijuma, te da je plutonij opasniji od radijuma i sklon je nakupljanju u kostima.

Kao što znate, plutonij je element koji praktički nema u prirodi. Međutim, oko pet tona pušteno je u atmosferu kao rezultat nuklearnih ispitivanja u periodu 1945-1963. Ukupna količina plutonijuma ispuštenog u atmosferu zbog nuklearnih ispitivanja prije 1980-ih procjenjuje se na 10 tona. Prema nekim procjenama, tlo u Sjedinjenim Američkim Državama sadrži u prosjeku 2 milicurie (28 mg) plutonija po km2 padavina, a prisustvo plutonijuma u Tihom okeanu je povećano u odnosu na opće širenje nuklearnih materijala na zemlji.

Potonji fenomen povezan je s provođenjem američkih nuklearnih testova na teritoriji Marshallovih ostrva u Tihom okeanu sredinom 1950-ih. Vrijeme zadržavanja plutonijuma u površinskim vodama okeana je od 6 do 21 godine, međutim, čak i nakon tog razdoblja, plutonij pada na dno zajedno s biogenim česticama, iz kojih se reducira u topive oblike kao rezultat mikrobne razgradnje .

Svjetsko zagađenje devedeset i četvrtim elementom povezano je ne samo s nuklearnim testovima, već i sa nesrećama u industriji i opremi koje su u interakciji s tim elementom. Tako se u januaru 1968. američko ratno zrakoplovstvo B-52, noseći četiri nuklearna punjenja, srušilo na Grenlandu. Kao rezultat eksplozije, punjenja su uništena i plutonij se izlio u okean.

Još jedan slučaj radioaktivnog zagađenja okoline kao rezultat nesreće dogodio se sovjetskom svemirskom letelicom "Kosmos-954" 24. januara 1978. Kao rezultat nekontrolisane de-orbite, satelit s nuklearnim izvorom energije na brodu pao je na teritoriju Kanade. Kao rezultat nesreće, više od kilograma plutonijuma-238 pušteno je u životnu sredinu, šireći se na površini od oko 124.000 m².

Najstrašniji primjer slučajnog curenja radioaktivnih supstanci u okoliš je nesreća u nuklearnoj elektrani Černobil koja se dogodila 26. aprila 1986. Kao rezultat uništenja četvrte energetske jedinice, 190 tona radioaktivnih supstanci (uključujući izotope plutonijuma) ispušteno je u okoliš na površini od oko 2200 km².

Puštanje plutonijuma u životnu sredinu povezano je ne samo sa nesrećama koje je izazvao čovjek. Poznati su slučajevi curenja plutonijuma iz laboratorijskih i fabričkih uslova. Poznato je više od dvadeset nezgoda curenja iz laboratorija 235U i 239Pu. Tokom 1953-1978. nesreće su dovele do gubitka sa 0,81 (Mayak, 15. marta 1953) na 10,1 kg (Tomsk, 13. decembra 1978) 239Pu. Nesreće u industrijskim pogonima rezultirale su sa ukupno dva smrtna slučaja u gradu Los Alamos (21. avgusta 1945. i 21. maja 1946) zbog dvije nesreće i gubitka 6,2 kg plutonijuma. U gradu Sarov 1953. i 1963. godine. oko 8 i 17,35 kg palo je izvan nuklearnog reaktora. Jedan od njih doveo je do uništenja nuklearnog reaktora 1953. godine.

Kada se jezgra cijepi 238Pu od strane neutrona, oslobađa se energija u iznosu od 200 MeV, što je 50 miliona puta više nego tokom najpoznatije egzotermne reakcije: C + O2 → CO2. "Izgaranjem" u nuklearnom reaktoru jedan gram plutonija daje 2.107 kcal - to je energija sadržana u 4 tone uglja. Naprstak plutonijumskog goriva u energetskom ekvivalentu može se izjednačiti s četrdeset vagona dobrog drva za ogrjev!

Smatra se da je "prirodni izotop" plutonijuma (244Pu) najdugovječniji izotop od svih elemenata transuranija. Njegov poluživot je 8,26 ∙ 107 godina. Naučnici već dugo pokušavaju dobiti izotop transuranijumskog elementa koji bi postojao duže od 244Pu - velike nade u tom pogledu polagane su na 247Cm. Međutim, nakon njegove sinteze, pokazalo se da je poluživot ovog elementa samo 14 miliona godina.

Priča

Godine 1934. grupa znanstvenika koju je vodio Enrico Fermi dala je izjavu da su tijekom naučnog rada na Rimskom sveučilištu otkrili kemijski element s atomskim brojem 94. Element se na Fermijevo inzistiranje zvao hesperium, naučnik je bio uvjeren da je otkrio novi element, koji se sada naziva plutonij, čime je pretpostavio postojanje transuranijumskih elemenata i postao njihov teorijski otkrivač. Fermi je ovu hipotezu branio u svom nobelovskom predavanju 1938. Tek nakon otkrića nuklearne fisije od strane njemačkih naučnika Otta Frischa i Fritza Strassmanna, Fermi je bio prisiljen napraviti bilješku u štampanoj verziji, objavljenoj u Stokholmu 1939. godine, ukazujući na potrebu revizije "cijelog problema elemenata transuranija". Činjenica je da su radovi Frischa i Strassmanna pokazali da je aktivnost koju je Fermi otkrio u svojim eksperimentima bila posljedica upravo fisije, a ne otkrića transuranskih elemenata, kako je ranije vjerovao.

Novi devedeset i četvrti element otvoren je krajem 1940. To se dogodilo u Berkeleyu na Univerzitetu u Kaliforniji. Kada je uranijum oksid (U3O8) bombardiran teškim nuklearnim jezgrima (deuteroni), grupa američkih radiokemičara predvođena Glennom T. Seaborgom otkrila je ranije nepoznati emiter alfa čestica s poluživotom od 90 godina. Ispostavilo se da je ovaj emiter izotop elementa 94 s masenim brojem 238. Tako su 14. decembra 1940. godine dobijene prve mikrogramske količine plutonijuma, zajedno s primjesom drugih elemenata i njihovih jedinjenja.

Tijekom eksperimenta izvedenog 1940. godine, utvrđeno je da se tijekom provedene nuklearne reakcije prvo dobiva kratkotrajni izotop neptunij-238 (poluživot 2.117 dana), a iz njega već plutonij-238:

23392U (d, 2n) → 23893Np → (β−) 23894Pu

Dugi i naporni hemijski eksperimenti za odvajanje novog elementa od nečistoća trajali su dva mjeseca. Postojanje novog hemijskog elementa potvrdili su u noći sa 23. na 24. februara 1941. G. T. Seaborg, E. M. Macmillan, J. W. Kennedy i A. K. Wall zahvaljujući proučavanju njegovih prvih hemijskih svojstava - sposobnosti da imaju barem dva oksidaciona stanja. Nešto kasnije nakon završetka eksperimenata, utvrđeno je da ovaj izotop nije necjepiv i stoga nezanimljiv za dalja proučavanja. Ubrzo (ožujak 1941.), Kennedy, Seaborg, Segre i Val sintetiziraju važniji izotop, plutonij-239, zračeći uran neutronima snažno ubrzanim u ciklotronu. Ovaj izotop nastaje raspadanjem neptunijuma-239, emitira alfa zrake i ima poluživot 24.000 godina. Prvo čisto jedinjenje elementa dobiveno je 1942. godine, a prve težinske količine metalnog plutonijuma 1943. godine.

Ime novog 94 elementa predložio je 1948. Macmillan, koji je nekoliko mjeseci prije otkrića plutonija, zajedno sa F. Abelsonom, dobio prvi element teži od urana - element 93, koji je u čast planete dobio ime neptunij Neptun - prvi iza Urana. Po analogiji, odlučeno je da se element 94 nazove plutonijumom, jer je planeta Pluton druga nakon Urana. Zauzvrat je Seaborg predložio da se novi element nazove "plutium", ali onda je shvatio da to ime ne zvuči previše u odnosu na "plutonij". Uz to, iznio je i druga imena za novi element: ultimium, extermium, zbog pogrešne prosudbe u to vrijeme da će plutonij postati posljednji kemijski element u periodnom sustavu. Na kraju, element je dobio ime "plutonij" nakon otkrića posljednje planete u Sunčevom sistemu.

Biti u prirodi

Najdugovječniji izotop plutonijuma ima poluživot 75 miliona godina. Brojka je prilično impresivna, međutim, starost Galaksije mjeri se milijardama godina. Iz ovoga proizlazi da primarni izotopi devedeset i četvrtog elementa, nastali tokom velike sinteze elemenata Svemira, nisu imali šanse da prežive do danas. Pa ipak, to ne znači da na Zemlji uopće nema plutonijuma. Stalno se formira u uranijumskim rudama. Hvatajući neutrone iz kosmičkog zračenja i neutrone nastale tokom spontane (spontane) fisije jezgara 238U, neki - vrlo malo - atomi ovog izotopa pretvaraju se u atome 239U. Jezgre ovog elementa su vrlo nestabilne, emitiraju elektrone i time povećavaju svoj naboj, dolazi do stvaranja neptunijuma, prvog transuranijskog elementa. 239Np je takođe nestabilan, njegove jezgre takođe emituju elektrone, pa se za samo 56 sati polovina 239Np pretvara u 239Pu.

Poluvrijeme ovog izotopa već je prilično dugo i iznosi 24.000 godina. U prosjeku je sadržaj 239Pu oko 400.000 puta manji od sadržaja radijuma. Stoga je izuzetno teško ne samo ekstrahirati - čak i otkriti "zemaljski" plutonij. Male količine 239Pu - trilionitog - i proizvodi fisije mogu se naći u uranijumovim rudama, na primjer, u prirodnom nuklearnom reaktoru u Oklu, Gabon, zapadna Afrika. Takozvani "prirodni nuklearni reaktor" smatra se jedinim na svijetu u kojem se u geosferi trenutno stvaraju aktinidi i njihovi proizvodi cijepanja. Prema savremenim procjenama, samoodrživa reakcija oslobađanjem toplote odvijala se u ovoj regiji prije nekoliko miliona godina, koja je trajala više od pola miliona godina.

Dakle, već znamo da se neptunij (239Np) stvara u uranijumovim rudama kao rezultat hvatanja neutrona jezgrama uranijuma, čiji je proizvod β-raspada prirodni plutonijum-239. Zahvaljujući specijalnim instrumentima - masenim spektrometrima, u pretkambrijskom bastzitisu (u rudi cerijuma) otkriveno je prisustvo plutonijuma-244 (244Pu), koji ima najduži poluživot - oko 80 miliona godina. U prirodi se 244Pu nalazi uglavnom u obliku dioksida (PuO2), koji je čak i manje topljiv u vodi od pijeska (kvarca). Budući da je relativno dugovječni izotop plutonij-240 (240Pu) u lancu raspada plutonijuma-244, njegovo propadanje se događa, ali to se događa vrlo rijetko (1 slučaj na 10.000). Vrlo male količine plutonijuma-238 (238Pu) pripisuju se vrlo rijetkom dvostrukom beta raspadanju matičnog izotopa, uranijuma-238, koji je pronađen u uranijumovim rudama.

U prašini sakupljenoj nakon eksplozija termonuklearnih bombi pronađeni su tragovi izotopa 247Pu i 255Pu.

Hipotetički minimalna količina plutonijuma može biti u ljudskom tijelu, s obzirom na to da je na ovaj ili onaj način proveden ogroman broj nuklearnih testova povezanih s plutonijumom. Plutonij se akumulira uglavnom u kosturu i jetri, odakle se praktično ne izlučuje. Uz to, devedeset četvrti element akumuliraju morski organizmi; kopnene biljke asimiliraju plutonij uglavnom kroz korijenov sistem.

Ispostavilo se da umjetno sintetizirani plutonij još uvijek postoji u prirodi, pa zašto se onda ne minira, već umjetno proizvodi? Činjenica je da je koncentracija ovog elementa preniska. O drugom radioaktivnom metalu - radijumu kažu: "gram proizvodnje - godina rada", a radijum je u prirodi 400 000 puta više od plutonijuma! Iz tog razloga, izuzetno je teško ne samo ekstrahirati - čak i otkriti - „zemaljski“ plutonij. To je učinjeno tek nakon što su proučena fizička i hemijska svojstva plutonijuma dobijenog u atomskim reaktorima.

Primjena

Izotop 239Pu (zajedno s U) koristi se kao nuklearno gorivo za energetske reaktore koji rade na toplotne i brze neutrone (uglavnom), kao i u proizvodnji nuklearnog oružja.

Oko pola hiljade nuklearnih elektrana širom svijeta generiraju oko 370 GW električne energije (ili 15% ukupne proizvodnje električne energije u svijetu). Plutonij-236 koristi se u proizvodnji atomskih električnih baterija čiji radni vijek doseže pet godina ili više; koriste se u strujnim generatorima koji stimuliraju rad srca (pejsmejkeri). 238Pu se koristi u malim nuklearnim izvorima energije koji se koriste u svemirskim istraživanjima. Stoga je plutonij-238 izvor energije za sonde New Horizons, Galileo i Cassini, rover Curiosity i druge svemirske letjelice.

Plutonij-239 koristi se u nuklearnom oružju, jer je ovaj izotop jedini pogodan nuklid za upotrebu u nuklearnoj bombi. Pored toga, češća upotreba plutonijuma-239 u nuklearnim bombama posljedica je činjenice da plutonij zauzima manji volumen u sferi (gdje se nalazi jezgra bombe), stoga se može dobiti na eksplozivnoj snazi \u200b\u200bbombe zbog ovom objektu.

Šema prema kojoj se događa nuklearna eksplozija u kojoj učestvuje plutonij je u samoj konstrukciji bombe, čija se jezgra sastoji od kugle ispunjene 239Pu. U trenutku sudara sa zemljom, sfera je stisnuta na milion atmosfera zbog strukture i zbog eksplozivne supstance koja okružuje ovu sferu. Nakon udara, jezgra se u najkraćem vremenu - deset mikrosekundi, širi u zapremini i gustini, sklop skače kroz kritično stanje na toplotnim neutronima i prelazi u superkritično stanje na brzim neutronima - započinje nuklearna lančana reakcija uz učešće neutrona i jezgra elemenata. U konačnoj eksploziji nuklearne bombe otpušta se temperatura reda desetaka miliona stepeni.

Izotopi plutonijuma pronašli su svoju primenu u sintezi elemenata transplutonija (nakon plutonijuma). Na primjer, u nacionalnoj laboratoriji Oak Ridge dobivaju se 24496Cm, 24296Cm, 24997Bk, 25298Cf, 25399Es i 257100Fm pod dugotrajnim neutronskim zračenjem od 239Pu. Na isti način, americium 24195Am prvi put je dobiven 1944. godine. U 2010. godini izvor ununkvadija bio je plutonijum-242 oksid bombardiran jonima kalcijuma-48.

δ-stabilizovane legure plutonijuma koriste se u proizvodnji gorivih šipki, jer imaju mnogo bolja metalurška svojstva u odnosu na čisti plutonij koji zagrijava fazne prijelaze i vrlo je krhak i nepouzdan materijal. Legure plutonijuma s drugim elementima (intermetalni spojevi) obično se dobijaju direktnom interakcijom elemenata u željenim omjerima, dok se uglavnom koristi lučno topljenje, ponekad se nestabilne legure dobivaju taloženjem raspršivanjem ili hlađenjem rastopina.

Glavni industrijski legirajući elementi za plutonij su galijum, aluminijum i gvožđe, mada je plutonij u stanju da formira legure i međuprodukte sa većinom metala, uz retke izuzetke (kalijum, natrijum, litijum, rubidijum, magnezijum, kalcijum, stroncijum, barijum, europijum i itterbium). Vatrostalni metali: molibden, niobijum, hrom, tantal i volfram topljivi su u tečnom plutonijumu, ali gotovo su netopivi ili slabo rastvorljivi u čvrstom plutonijumu. Indijum, silicijum, cink i cirkonij sposobni su pri brzom hlađenju stvoriti metastabilni δ-plutonij (δ "-faza). Galij, aluminijum, americij, skandijum i cerijum mogu stabilizirati δ-plutonij na sobnoj temperaturi.

Velike količine holmijuma, hafnijuma i talija omogućavaju skladištenje malo δ-plutonija na sobnoj temperaturi. Neptunij je jedini element koji može stabilizirati α-plutonij na visokim temperaturama. Titanij, hafnijum i cirkonij stabiliziraju strukturu β-plutonijuma na sobnoj temperaturi oštrim hlađenjem. Upotreba takvih legura prilično je raznolika. Na primjer, legura plutonij-galij koristi se za stabilizaciju δ-faze plutonijuma, što izbjegava prijelaz α-δ faze. Trostruka legura plutonij-galijum-kobalt (PuGaCo5) je supravodljiva legura na temperaturi od 18,5 K. Postoji niz legura (plutonij-cirkonij, plutonij-cerij i plutonijum-cerijum-kobalt) koje se koriste kao nuklearno gorivo.

Proizvodnja

Komercijalni plutonij se proizvodi na dva načina. To je ili ozračivanje 238U jezgara sadržanih u nuklearnim reaktorima, ili radiokemijsko razdvajanje (koprecipitacija, ekstrakcija, razmena jona, itd.) Plutonijuma iz uranijuma, transuranijumskih elemenata i proizvoda cepanja sadržanih u istrošenom gorivu.

U prvom slučaju, najpraktičnije najznačajniji izotop 239Pu (u smeši sa malom primesom od 240Pu) dobija se u nuklearnim reaktorima uz učešće jezgara uranijuma i neutrona pomoću β-raspada i uz učešće izotopa neptunijuma kao međufisije proizvod:

23892U + 21D → 23893Np + 210n;

23893Np → 23894Pu

β - raspadanje

U tom procesu deuteron ulazi u uran-238, što rezultira stvaranjem neptuniuma-238 i dva neutrona. Dalje, neptunijum-238 spontano se cijepa, emitirajući beta minus čestice koje formiraju plutonij-238.

Sadržaj 239Pu u smjesi obično iznosi 90-95%, 240Pu-1-7%, a sadržaj ostalih izotopa ne prelazi desetine procenta. Izotopi s dugim poluživotom, 242Pu i 244Pu, dobivaju se produženim zračenjem neutronima 239Pu. Štaviše, prinos 242Pu je nekoliko desetina posto, a 244Pu su djelići postotka sadržaja 242Pu. Male količine izotopski čistog plutonijuma-238 nastaju neutronskim zračenjem neptunijuma-237. Laki izotopi plutonijuma sa masenim brojevima 232-237 obično se dobijaju na ciklotronu zračenjem izotopa uranija sa α-česticama.

Druga metoda industrijske proizvodnje 239Pu koristi purex postupak zasnovan na ekstrakciji tributil fosfatom u laganom razrjeđivaču. U prvom se ciklusu Pu i U zajednički pročišćavaju od proizvoda fisije, a zatim razdvajaju. U drugom i trećem ciklusu plutonij se podvrgava daljnjem pročišćavanju i koncentraciji. Šema takvog postupka temelji se na razlici u svojstvima tetra- i heksavalentnih spojeva odvojenih elemenata.

U početku se istrošene šipke za gorivo demontiraju, a obloga koja sadrži istrošeni plutonij i uran uklanja fizičkim i hemijskim metodama. Zatim se obnovljeno nuklearno gorivo otopi u azotnoj kiselini. Napokon, to je jako oksidirajuće sredstvo kada se otopi, a uran i plutonij i nečistoće se oksidiraju. Atomi plutonija sa nultom valencijom pretvaraju se u Pu + 6, dolazi do otapanja i plutonijuma i urana. Iz takve se otopine devedeset i četvrti element redukuje u trovalentno stanje sumpor-dioksidom, a zatim taloži lantanovim fluoridom (LaF3).

Međutim, pored plutonijuma, talog sadrži i neptunij i rijetke zemaljske elemente, ali glavnina (uran) ostaje u otopini. Tada se plutonij ponovo oksidira do Pu + 6, i ponovo se doda lantanov fluorid. Sada se odlažu rijetki zemaljski elementi, a plutonij ostaje u otopini. Dalje, neptunijum se kalijum-bromatom oksidira u četverovalentno stanje, budući da ovaj reagens ne djeluje na plutonij, tada za vrijeme sekundarne oborine istim lantanovim fluoridom trovalentni plutonij prelazi u talog, a neptunij ostaje u otopini. Krajnji proizvodi takvih operacija su jedinjenja koja sadrže plutonij - PuO2 dioksid ili fluoridi (PuF3 ili PuF4), iz kojih se (redukcijom pomoću barijuma, kalcijuma ili litijumske pare) dobija metalni plutonijum.

Proizvodnja čistijeg plutonijuma može se postići elektrolitskom rafinacijom pirokemijski proizvedenog metala, koji se proizvodi u ćelijama za elektrolizu na temperaturi od 700 ° C sa elektrolitom kalijuma, natrijuma i plutonijuma klorida pomoću volframove ili tantalne katode. Ovako dobijeni plutonij ima čistoću od 99,99%.

Da bi se dobile velike količine plutonijuma, grade se uzgajivački reaktori, takozvani "uzgajivači" (od engleskog glagola razmnožavati - množiti). Ti su reaktori svoje ime dobili zbog mogućnosti dobivanja fisionog materijala u količini koja premašuje troškove ovog materijala za dobivanje. Razlika između reaktora ovog tipa i ostalih je u tome što se neutroni u njima ne usporavaju (ne postoji moderator, na primjer, grafit) kako bi što više reagirali sa 238U.

Nakon reakcije nastaju atomi 239U koji kasnije formiraju 239Pu. Jezgra takvog reaktora, koja sadrži PuO2 u osiromašenom uranijum-dioksidu (UO2), okružena je ljuskom još osiromašenijeg uranijum-238 dioksida (238UO2) u kojoj nastaje 239Pu. Kombinovana upotreba 238U i 235U omogućava "mostovima" da proizvode od prirodnog uranija 50-60 puta više energije od ostalih reaktora. Međutim, ovi reaktori imaju veliki nedostatak - gorivne šipke moraju se hladiti u okruženju koje nije voda, što smanjuje njihovu energiju. Stoga je odlučeno da se tekući natrij koristi kao rashladno sredstvo.

Izgradnja takvih reaktora u Sjedinjenim Američkim Državama započela je nakon završetka Drugog svjetskog rata, a SSSR i Velika Britanija počeli su ih graditi tek 1950-ih.

Fizička svojstva

Plutonij je vrlo težak (sa standardnom gustinom od 19,84 g / cm3) srebrnasti metal, u pročišćenom stanju vrlo je sličan niklu, međutim, u zraku plutonij brzo oksidira, zatamni se, formira iridescentni film, prvi svijetložuti, zatim prelazeći u tamnoljubičastu. Jakom oksidacijom na površini metala pojavljuje se maslinasto-zeleni oksid u prahu (PuO2).

Plutonij je visoko elektronegativan i reaktivan metal, višestruko veći od čak i urana. Ima sedam alotropskih modifikacija (α, β, γ, δ, δ ", ε i ζ), koje se razlikuju u određenom temperaturnom opsegu i u određenom rasponu pritiska. Na sobnoj temperaturi, plutonij je u α-obliku - to je najčešća alotropna modifikacija za plutonij U alfa fazi, čisti plutonij je lomljiv i vrlo je žilav - ova struktura otprilike je ista kao i sivi liv, osim ako je legiran s drugim metalima koji će leguri dati plastičnost i mekoću. , u ovom najgušćem obliku, plutonij je šesti najgušći element (samo su osmijum, iridij, platina, renij i neptunij teži od njega). Daljnje alotropske transformacije plutonijuma praćene su naglim promjenama gustine. Na primjer, kada se zagrije od 310 na 480 ° C, ne širi se, poput ostalih metala, već se skuplja (delta "I" delta-prime ") Kada se topi (prelazak iz epsilon faze u tečnu fazu), plutonij se takođe komprimira, omogućavajući neotopljenom plutonijumu da plutati.

Plutonij ima veliki broj neobičnih svojstava: ima najmanju toplotnu provodljivost od svih metala - na 300 K iznosi 6,7 W / (m K); plutonij ima najmanju električnu provodljivost; u svojoj tečnoj fazi plutonij je najviskozniji metal. Specifični otpor devedeset i četvrtog elementa na sobnoj temperaturi vrlo je visok za metal, a ta će karakteristika rasti sa smanjenjem temperature, što nije tipično za metale. Takva se "anomalija" može pratiti do temperature od 100 K - ispod ove oznake električni otpor će se smanjiti. Međutim, s oznake 20 K, otpor počinje ponovo rasti zbog radijacijske aktivnosti metala.

Plutonij ima najveću električnu otpornost od svih proučavanih aktinida (do sada), koja iznosi 150 μΩ cm (na 22 ° C). Ovaj metal ima nisku tačku topljenja (640 ° C) i neobično visoku tačku ključanja (3,227 ° C). Bliže tački topljenja, tečni plutonij ima vrlo visoku viskoznost i površinski napon u poređenju sa drugim metalima.

Zbog radioaktivnosti plutonij je topao na dodir. Veliki komad plutonijuma u termo-omotaču zagrijava se na temperaturu veću od tačke ključanja vode! Uz to, zbog radioaktivnosti, plutonij se vremenom podvrgava promjenama u svojoj kristalnoj rešetci - dolazi do svojevrsnog žarenja zbog samozračenja uslijed povećanja temperature iznad 100 K.

Prisustvo velikog broja alotropskih modifikacija u plutonijumu otežava rukovanje i razvlačenje metala zbog faznih prijelaza. Već znamo da je devedeset i četvrti element u alfa obliku po svojstvima sličan lijevanom gvožđu, ali ima tendenciju da se mijenja i pretvara u plastični materijal, te formira gipki β-oblik pri višim temperaturnim rasponima. Plutonij u δ-obliku je obično stabilan na temperaturama između 310 ° C i 452 ° C, ali može postojati i na sobnoj temperaturi ako je dopiran malim postotkom aluminijuma, cerijuma ili galijuma. Legiran ovim metalima, plutonij se može koristiti u zavarivanju. Generalno, delta oblik ima izraženije karakteristike metala - u pogledu čvrstoće i sposobnosti kovanja blizak je aluminijumu.

Hemijska svojstva

Hemijska svojstva devedeset i četvrtog elementa u velikoj su mjeri slična svojstvima njegovih prethodnika u periodnom sustavu - urana i neptunijuma. Plutonij je prilično aktivan metal i stvara spojeve sa oksidacijskim stanjem od +2 do +7. U vodenim rastvorima element pokazuje sljedeća oksidacijska stanja: Pu (III), kao Pu3 + (postoji u kiselim vodenim rastvorima, ima svijetloljubičastu boju); Pu (IV) kao Pu4 + (čokoladna nijansa); Pu (V) kao PuO2 + (lagana otopina); Pu (VI) kao PuO22 + (svijetlo narandžasta otopina) i Pu (VII) kao PuO53- (zelena otopina).

Štaviše, naznačeni joni (osim PuO53-) mogu istovremeno biti u rastvoru u ravnoteži, što se objašnjava prisustvom 5f-elektrona koji se nalaze u lokalizovanoj i delokalizovanoj zoni elektronske orbitale. Pri pH 5-8 dominira Pu (IV), koji je najstabilniji među ostalim valencijama (oksidaciona stanja). Plutonijumovi joni svih oksidacionih stanja skloni su hidrolizi i kompleksiranju. Sposobnost stvaranja takvih spojeva povećava se u seriji Pu5 +

Kompaktni plutonij polako oksidira u zraku, prekrivajući se duginim masnim oksidnim filmom. Poznati su slijedeći plutonijevi oksidi: PuO, Pu2O3, PuO2 i faza promjenjivog sastava Pu2O3 - Pu4O7 (bertolidi). U prisustvu male količine vlage, stopa oksidacije i korozije se značajno povećava. Ako je metal dovoljno dugo izložen malim količinama vlažnog zraka, na njegovoj površini nastaje plutonij dioksid (PuO2). Uz nedostatak kisika, može se stvoriti i njegov dihidrid (PuH2). Iznenađujuće je da plutonij rđa u inertnom plinu (poput argona) s vodenom parom mnogo brže nego na suvom zraku ili čistom kiseoniku. Zapravo je ovu činjenicu lako objasniti - izravno djelovanje kiseonika stvara oksidni sloj na površini plutonijuma, što sprečava dalju oksidaciju, a prisustvo vlage daje rastresitu smjesu oksida i hidrida. Usput, zahvaljujući upravo takvom premazu, metal postaje piroforni, odnosno sposoban je za samoizgaranje, zbog toga se metalni plutonij, u pravilu, obrađuje u inertnoj atmosferi argona ili azota. Istovremeno, kiseonik je zaštitna supstanca i sprečava da vlaga utječe na metal.

Devedeset četvrti element reagira s kiselinama, kisikom i njihovim parama, ali ne i s lužinama. Plutonij je lako rastvorljiv samo u vrlo kiselim medijima (na primjer, klorovodična kiselina HCl), a takođe se rastvara u hlorovodoniku, vodonik-jodidu, vodonik-bromidu, 72% perhlornoj kiselini, 85% fosforne kiseline H3PO4, koncentrovanoj CCl3COOH, sulfamnoj kiselini i koncentrovanom ključanju kiselina. Plutonij se ne otapa u alkalnim rastvorima.

Kada su lužine izložene otopinama koje sadrže četverovalentni plutonij, talog plutonij hidroksida Pu (OH) 4 xH2O, koji ima osnovna svojstva, taloži. Pod dejstvom alkalija na otopine soli koje sadrže PuO2 +, taloži se amfoterni hidroksid PuO2OH. Odgovaraju mu soli - plutoniti, na primjer Na2Pu2O6.

Soli plutonija lako se hidrolizuju u dodiru sa neutralnim ili alkalnim rastvorima, stvarajući netopivi plutonijum hidroksid. Koncentrirani rastvori plutonijuma su nestabilni zbog radiolitičkog raspadanja koje dovodi do padavina.

Radionuklidi koji oblikuju dozu. Dio 5
Datum: 03/08/2011
Tema: Zdravlje

Prikazane su glavne karakteristike radionuklida koji stvaraju doze. Glavni fokus je na prezentaciji potencijalne opasnosti od radionuklida. U svrhu sigurnosti upotrebe uzimaju se u obzir radiotoksični i radiobiološki efekti izloženosti radioizotopima na tijelo i životnu sredinu. Prethodno navedeno omogućava svjesnije povezivanje sa opasnošću od zračenja radionuklida koji stvaraju doze.

11. Cezij-137

Cezij (lat. cezijum - Cs, hemijski element I grupe Mendeljejeva periodnog sistema, atomski broj 55, atomska masa 132.9054. Nazvano iz latinskog cezij - plava (otvorena svijetloplavim spektralnim linijama). Srebrno-bijeli metal iz alkalne skupine; topljiv, mekan poput voska; gustina je 1,904 g / cm 3 i ima otkucaje. težina 1,88 (na 15 ° C), T pl - 28,4 ° C. Palje se u zraku, reagira eksplozijom vodom. Glavni mineral je zagađivač.

Poznata su 34 izotopa cezija s masenim brojevima 114-148, od kojih je samo jedan (133 Cs) stabilan, ostali su radioaktivni. Brojnost izotopa cezijuma-133 u prirodi je približno 100%. 133 Cs odnosi se na raspršene elemente. U malim količinama sadrži ga gotovo svi predmeti vanjskog okruženja. Sadržaj klarka (prosječni) nuklida u zemljinoj kori iznosi 3,7 × 10 -4%, u tlu - 5 × 10 -5%. Cezij je stalni element u tragovima biljnih i životinjskih organizama: u živoj fitomasi sadržan je u količini od 6 ∙ 10 -6%, u ljudskom tijelu - oko 4 g. Ravnomjernom raspodjelom cezija-137 u ljudskom tijelu sa specifičnom aktivnošću od 1 Bq / kg, stopa apsorbirane doze, prema različitim autorima, varira od 2,14 do 3,16 μGy / godišnje.

U prirodi se ovaj srebrnobijeli alkalni metal javlja kao stabilni izotop Cs-133. Rijetki je element sa prosječnim sadržajem od 3,7 ∙ 10 -4% u zemljinoj kori. Obični, prirodni cezij i njegovi spojevi nije radioaktivan... Samo je umjetno proizvedeni izotop 137 Cs radioaktivan. Dugovječni radioaktivni izotop cezijuma 137 Cs nastaje cijepanjem 235 U i 239 Pu jezgara s prinosom od oko 7%. Tokom radioaktivnog raspada 137 Cs emituje elektrone sa maksimalnom energijom od 1173 keV i pretvara se u kratkotrajni γ-emitujući nuklid 137m Ba (Tabela 18). Ima najveću hemijsku aktivnost među alkalnim metalima; može se čuvati samo u zapečaćenim evakuiranim ampulama.

Tabela 18
Glavne karakteristike cezijuma-137

Izotop	Glavni pogled zračenje	Poluvrijeme, T 1/2	HC vrijednost vode , Bq / dm 3	Prirodne varijacije OA u vodama (min-max), Bq / dm 3
137 Cs (+ 137m Ba)	β (E β max \u003d 1173 keV); γ (E γ \u003d 661 keV)		11,0 (NRB-99) 8,0 (SanPiN 2.3.2.560-96)	n ∙ 10 -3 - n ∙ 10 -2

Metalni cezij koristi se u fotoćelijama i fotomultiplikatorima u proizvodnji fotokatoda i kao nabavljač u luminiscentnim cijevima. Pare cezija su radni fluid u MHD generatorima i gasnim laserima. Jedinjenja cezijuma koriste se u optikama i uređajima za noćni vid.

Proizvodi reakcije nuklearne fisije sadrže značajne količine razgrađenih radionuklida cezijuma, među kojima je najopasniji 137 Cs. Radiohemijska postrojenja takođe mogu biti izvor zagađenja. Do ispuštanja cezijuma-137 u životnu sredinu dolazi uglavnom kao rezultat nuklearnih testova i nesreća u nuklearnim elektranama. Početkom 1981. godine ukupna aktivnost 137 Cs ispuštenih u okoliš dostigla je 960 PBq. Gustina zagađenja na sjevernoj i južnoj hemisferi i u prosjeku na zemaljskoj kugli iznosila je 3,42; 0,86 i 3,14 kBq / m 2, a na teritoriji bivšeg SSSR-a u prosjeku - 3,4 kBq / m 2.

Tokom nesreće na Južnom Uralu 1957. godine dogodila se toplotna eksplozija skladišta radioaktivnog otpada i u atmosferu su ušli radionuklidi ukupne aktivnosti 74 PBq, uključujući 0,2 PBq od 137 Cs. Požar na RCZ u Windscaleu u Velikoj Britaniji 1957. godine oslobodio je 12 PBq radionuklida, od čega 46 TBq 137 Cs. Tehnološko ispuštanje radioaktivnog otpada iz preduzeća Mayak na južnom Uralu u Protok 1950. godine iznosio je 102 PBq, uključujući 137 Cs 12,4 PBq. Uklanjanje radionuklida vjetrom iz poplavnog područja jezera Karachay na južnom Uralu 1967. iznosio je 30 TBq. Udio 137 Cs iznosio je 0,4 TBq.

Nesreća u nuklearnoj elektrani Černobil (ChNPP) postala je prava katastrofa 1986. godine: iz uništenog reaktora izbačeno je 1850 PBq radionuklida, dok je udio radioaktivnog cezija iznosio 270 PBq. Širenje radionuklida poprimilo je planetarne razmjere. U Ukrajini, Bjelorusiji i centralnom regionu Ruske Federacije pala je više od polovine ukupne količine radionuklida odloženih na teritoriji ZND. Poznati su slučajevi zagađenja okoline kao rezultat neopreznog čuvanja izvora radioaktivnog cezijuma u medicinske i tehnološke svrhe.

Cezij-137 koristi se u otkrivanju kvarova gama zraka, mernoj tehnologiji, za radijacionu sterilizaciju hrane, lekova i lekova, u radioterapiji za lečenje malignih tumora. Takođe, cezijum-137 se koristi u proizvodnji izvora radioizotopskih struja, gde se koristi u obliku cezijum-hlorida (gustina 3,9 g / cm 3 , oslobađanje energije oko 1,27 W / cm 3 ).

Cezij-137 koristi se u senzorima za granične nivoe rasutih materija u neprozirnim kantama. Cezij-137 ima određene prednosti u odnosu na radioaktivni kobalt-60: duži poluživot i manje ozbiljno gama zračenje. Stoga su uređaji na bazi 137 Cs izdržljiviji, a zaštita od zračenja manje je glomazna. Međutim, ove prednosti postaju stvarne samo u odsustvu nečistoća od 137 Cs s kraćim poluživotom i težim gama zračenjem.

Široko se koristi kao izvor γ-zračenja. U medicini se izvori cezija, zajedno sa radijumskim, koriste u terapijskim γ-uređajima i uređajima za intersticijsku i gama terapiju šupljina. Od 1967. godine fenomen prijelaza između dva hiperfina nivoa osnovnog stanja atoma cezijuma-137 koristi se za određivanje jedne od glavnih jedinica vremena, druge.

Radiocezijum 137 Cs je isključivo tehnogeni radionuklid, njegovo prisustvo u proučavanom okruženju povezano je sa ispitivanjima nuklearnog oružja ili upotrebom nuklearnih tehnologija. 137 Cs - β-γ-emitirajući radioizotop cezijuma, jedne od glavnih komponenti tehnogene radioaktivne kontaminacije biosfere. Nastao kao rezultat reakcija nuklearne fisije. Sadrži se u radioaktivnim otpadima, ispustima, otpadu radiokemijskih postrojenja. OA 137 Cs u vodi za piće ograničen je na nivo od 11Bq / dm 3 ili 8 Bq / dm 3.

Geokemijska karakteristika 137 Cs je njegova sposobnost da ga prirodni sorbenti vrlo snažno zadržavaju. Kao rezultat toga, ulaskom u OPS, njegova aktivnost se brzo smanjuje s udaljenošću od izvora zagađenja. Prirodne vode se relativno brzo pročišćavaju uslijed apsorpcije 137 Cs suspenzijama i sedimentima na dnu.

Cezij se može akumulirati u značajnim količinama u poljoprivrednim biljkama, a posebno u sjemenu. Najintenzivnije dolazi iz vodenog okruženja i kreće se kroz biljku velikom brzinom. Unošenje kalijevih gnojiva u tlo i vapnenje značajno smanjuju apsorpciju cezija u biljkama, a što je jači, to je veći udio kalija.

Koeficijent akumulacije posebno je visok kod slatkovodnih algi i arktičkih kopnenih biljaka (posebno lišajeva), iz životinjskog svijeta - kod sobova kroz sobove kojima se hrane. Cezij-137 unutar živih organizama uglavnom prodire kroz respiratorne i probavne organe. Ovaj nuklid se uglavnom isporučuje s hranom u količini od 10 μg / dan. Izlučuje se iz tijela uglavnom urinom (u prosjeku 9 μg / dan). Cezij je trajna hemijska mikrokomponenta biljaka i životinja. Glavna zaliha cezija kod sisara su mišići, srce, jetra. Oko 80% cezija koji je ušao u tijelo akumulira se u mišićima, 8% u kosturu, a preostalih 12% ravnomjerno se raspoređuje po ostalim tkivima.

Cezij-137 se izlučuje uglavnom kroz bubrege i crijeva. Smatra se da je biološki poluživot nagomilanog cezijuma-137 za ljude jednak 70 dana (prema podacima Međunarodne komisije za radiološku zaštitu). Tokom procesa eliminacije, značajne količine cezija ponovo se apsorbuju u krvotok u donjim crijevima. Učinkovito sredstvo za smanjenje apsorpcije cezijuma u crijevima je ferocijanidni sorbent, koji nuklid veže u neprobavljivi oblik. Pored toga, da bi se ubrzalo izlučivanje nuklida, stimuliraju se prirodni procesi izlučivanja, koriste se različiti agensi za kompleksiranje.

Razvoj ozljeda zračenjem kod ljudi može se očekivati \u200b\u200bs apsorpcijom doze od oko 2 Gy ili više. Doze od 148, 170 i 740 MBq odgovaraju blagom, umjerenom i ozbiljnom stepenu oštećenja, međutim reakcija zračenja zabilježena je već na jedinicama MBq.

137 Cs spada u grupu radioaktivnih supstanci koje se ravnomjerno raspoređuju po organima i tkivima, iz tog razloga spada u nukleide umjereno opasne radioaktivne toksičnosti. Ima dobru sposobnost ulaska u tijelo zajedno s kalijumom putem prehrambenih mreža.

Glavni izvor cezija koji ulazi u ljudsko tijelo su namirnice životinjskog porijekla kontaminirane nuklidom. Sadržaj radioaktivnog cezijuma u litri kravljeg mlijeka doseže 0,8-1,1% dnevnog unosa nuklida, koza i ovaca - 10-20%. Međutim, uglavnom se akumulira u mišićnom tkivu životinja: 1 kg mesa krava, ovaca, svinja i pilića sadrži 4,8, 20, odnosno 26% dnevnog unosa cezija. Proteina u pilećim jajima postaje manje - 1,8-2,1%. Čak i u velikim količinama, cezij se akumulira u mišićnim tkivima vodenih organizama: aktivnost 1 kg slatkovodne ribe može premašiti aktivnost 1 litre vode više od 1000 puta (u morskih riba je niža).

Glavni izvor cezija za stanovništvo Rusije su mliječni proizvodi i proizvodi od žitarica (nakon černobilske nesreće - mliječni proizvodi i mesni proizvodi), u Europi i Sjedinjenim Državama cezij dolazi uglavnom s mliječnim i mesnim proizvodima, a manje - sa žitaricama i povrćem . Tako stvoreno konstantno unutrašnje zračenje uzrokuje znatno veću štetu od vanjskog zračenja ovim izotopom.

Objavljene metode za mjerenje aktivnosti 137 Cs njegovim β-zračenjem sugeriraju radiokemijsku pripremu uzorka i izolaciju cezija s visokim stepenom čistoće kako bi se isključio utjecaj ostalih β-emitora. Savremene metode za određivanje 137 Cs zasnivaju se, po pravilu, na registraciji gama zračenja sa energijom od 661,6 keV. Podijeljeni su na instrumentalne čija je donja granica određivanja (NPL) 1-10 Bq / kg (ili Bq / dm 3) i metode s preliminarnim kemijskim obogaćivanjem (NPO do 10 -2 Bq / kg). Za koncentriranje 137 Cs iz razrijeđenih otopina, najčešće se koristi koprecipitacijom sa ferocijanidima nikla, bakra, cinka, gvožđa, kobalta, kalcijuma, magnezijuma ili kolektorskih sorbenata na njihovoj osnovi.

12. Plutonijum

Plutonij (plutonij) Pu je umjetni radioaktivni hemijski element III grupe Mendelejeva Periodnog sistema elemenata, atomski broj 94, transuranski element, odnosi se na aktinide. Prvi nuklid 238 Pu otkrili su 1940. G. Theeaborg, E.M. McMillan, J.E. Kennedy i A.C. Val (A.Ch.Wahl). U proljeće 1941. Seaborg je sa svojim saradnicima otkrio i prvi put izolirao četvrt mikrograma 239 Pu nakon raspada 239 Np, nastalog zračenjem 238 U teškim nuklearnim jezgrima (deuteronima). Nakon urana i neptunijuma, novi element dobio je ime po planeti Plutonu, otkrivenoj 1930. Od 24. avgusta 2006. godine, prema odluci Međunarodne astronomske unije, Pluton više nije planeta Sunčevog sistema. U grčkoj mitologiji Pluton (zvani Had) je bog kraljevstva mrtvih.

Plutonij Pu je najopasniji teški metal. Ima 15 radioaktivnih izotopa s masenim brojevima od 232 do 246, uglavnom α-emitora. Na Zemlji postoje samo tragovi ovog elementa i to samo u uranijum rudi. Vrijednosti T½ svih izotopa plutonijuma mnogo su manje od starosti Zemlje, pa je stoga sav primarni plutonij (koji je postojao na našoj planeti za vrijeme njegovog formiranja) potpuno propao. Međutim, zanemarive količine 239 Pu konstantno nastaju tokom β-raspada 239 Np, što se, pak, događa tokom nuklearne reakcije uranijuma s neutronima (na primjer, neutronima iz kosmičkog zračenja).

Stoga su u uranovim rudama pronađeni tragovi plutonija u tako mikroskopskim količinama (0,4-15 dijelova Pu na 10 12 dijelova U) da ne dolazi u obzir njegovo vađenje iz uranijumovih ruda. Kao rezultat nuklearnih ispitivanja oko 5000 kg toga je pušteno u atmosferu. Prema nekim procjenama, tlo u Sjedinjenim Državama sadrži u prosjeku 2 milicurie (28 mg) plutonija po km 2 padavina. To je tipičan proizvod koji je stvorio čovjek; dobiva se u nuklearnim reaktorima iz urana-238, koji se sukcesivno pretvara u uran-239, neptunijum-239 i plutonijum-239.

Ravni izotopi plutonijuma-238, -240, -242 nisu fisioni materijali, ali se mogu cijepati visokoenergetskim neutronima (oni se dijele). Oni nisu u stanju da održe lančanu reakciju (sa izuzetkom plutonijuma-240). Dobijeni su izotopi 232 Pu - 246 Pu; Među proizvodima eksplozije termonuklearnih bombi pronađeni su i 247 Pu i 255 Pu. Najstabilnija je nepristupačna 244 Pu (α-raspad i spontana fisija, T 1/2\u003d 8,2 10 7 godina, atomska masa 244,0642). Krhki srebrnobijeli metal u slobodnom obliku. U prašini prikupljenoj nakon eksplozija termonuklearnih bombi pronađeni su tragovi izotopa 247 Pu i 255 Pu.

Ogromne snage i resursi bačeni su na nuklearna istraživanja i stvaranje atomske industrije u SAD-u, kao i kasnije u SSSR-u. Nuklearna i fizičko-hemijska svojstva plutonijuma proučavana su u kratkom vremenu (Tabela 19). Prvo nuklearno punjenje na bazi plutonija detonirano je 16. jula 1945. godine na poligonu Alamogordo (test pod kodnim nazivom "Trojstvo"). U SSSR-u su prvi eksperimenti na proizvodnji 239 Pu započeti 1943-1944. pod vodstvom akademika I.V. Kurchatov i V.G. Khlopin. Po prvi put je plutonij u SSSR-u bio izolovan od uranija ozračenog neutronima. 1945. i 1949. u SSSR-u je počelo sa radom prvo postrojenje za radiohemijsko odvajanje.

Tabela 19
Nuklearna svojstva najvažnijih izotopa plutonijuma

Nuklearna svojstva	Plutonij-238	Plutonij-239	Plutonij-240	Plutonij-241	Plutonij-242
Poluživot, godine
Aktivnost, Ci / g
Tip radioaktivnog raspada	alfa raspad	alfa raspad	alfa raspad	beta raspad	alfa raspad
Energija radioaktivnog raspada, MeV

Bilješka. Svi izotopi plutonijuma su slabi emiteri gama. Plutonij-241 pretvara se u americium-241 (moćan gama emiter)

Samo su dva izotopa plutonijuma praktična za industrijske i vojne svrhe. Plutonij-238, dobiven u nuklearnim reaktorima iz neptunijuma-237, koristi se za proizvodnju kompaktnih termoelektričnih generatora. Šest miliona elektronskih volti oslobađa se raspadom jedne atomske jezgre plutonijuma-238. U hemijskoj reakciji, ista energija se oslobađa tokom oksidacije nekoliko miliona atoma. Izvor električne energije koji sadrži jedan kilogram plutonijuma-238 razvija toplotnu snagu od 560 MW. Maksimalna snaga hemijskog izvora struje iste mase je 5 W.

Postoji mnogo emitera sa sličnim energetskim karakteristikama, ali jedna karakteristika plutonijuma-238 čini ovaj izotop nezamjenjivim. Tipično, alfa raspadanje prati snažni gama zraci koji prodiru u velike slojeve materije. 238 Pu je izuzetak. Energija gama kvanta koja prati raspad njenih jezgara je mala i od nje se nije teško obraniti: zračenje apsorbira tankoslojni spremnik. Verovatnoća spontane fisije jezgara ovog izotopa je takođe mala. Stoga je pronašao primjenu ne samo u trenutnim izvorima, već i u medicini. Baterije s plutonijumom-238 služe kao izvor energije u posebnim stimulatorima srčane aktivnosti čiji životni vijek doseže 5 godina ili više.
Legura plutonij-berilija djeluje kao laboratorijski izvor neutrona. Izotop Pu-238 nalazi se u velikom broju nuklearnih termoelektričnih generatora energije u vozilima za svemirska istraživanja. Zbog svog dugog vijeka trajanja i velike toplotne snage, ovaj izotop se koristi gotovo isključivo u svemirskim RTG-ima, na primjer, na svim svemirskim letjelicama koje su letjele izvan Marsove orbite.

Čini se da je od svih izotopa najzanimljiviji Pu-239, s poluvijekom od 24110 godina. Kao cjepljivi materijal, 239 Pu se široko koristi kao nuklearno gorivo u nuklearnim reaktorima (energija oslobođena tijekom fisije 1 r 239 Pu, ekvivalentno toploti koja se oslobađa pri sagorevanju 4000 kg uglja), u proizvodnji nuklearnog oružja (takozvani "oružani plutonijum") i u atomskim i termonuklearnim bombama, kao i za nuklearne reaktore na brzi neutroni i nuklearni reaktori za civilne i istraživačke svrhe ... Kao izvor α-zračenja, plutonij je, zajedno sa 210 Po, našao široku primjenu u industriji, posebno u uređajima za uklanjanje elektrostatičkih naboja. Ovaj izotop se takođe koristi u instrumentaciji.

Plutonij ima mnoga specifična svojstva. Ima najmanju toplotnu provodljivost od svih metala, najmanju električnu provodljivost, s izuzetkom mangana. U svojoj tečnoj fazi je najviskozniji metal. Tačka topljenja -641 ° C; tačka ključanja -3232 ° C; gustina - 19,84 (u alfa fazi). To je visoko elektronegativan, reaktivan element, mnogo više od urana. Brzo blijedi, formirajući iridescentni film (poput iridescentnog uljnog filma), isprva svijetložute boje, koja se na kraju pretvara u tamnoljubičastu. Ako je oksidacija dovoljno velika, na njenoj se površini pojavljuje maslinasto zeleni oksid u prahu (PuO 2). Plutonij lako oksidira i brzo nagriza čak i u prisustvu niske vlažnosti.

Kada se temperatura promijeni, plutonij prolazi kroz najjače i najprirodnije promjene gustine. Plutonij ima šest različitih faza (kristalne strukture) u čvrstom obliku, više nego bilo koji drugi element.

Jedinjenja plutonijuma sa kiseonikom, ugljenikom i fluorom koriste se u nuklearnoj industriji (bilo direktno ili kao međuproizvodi). Metalni plutonijum se ne rastvara u azotnoj kiselini, ali plutonijum dioksid se rastvara u vrućoj koncentrovanoj azotnoj kiselini. Međutim, u čvrstoj smeši sa uranijum-dioksidom (na primer, u istrošenom gorivu iz nuklearnih reaktora), rastvorljivost plutonijum-dioksida u azotnoj kiselini raste kako se uran-dioksid u njemu rastvara. Ova se značajka koristi u preradi nuklearnog goriva (Tabela 20).

Tabela 20
Spojevi plutonijuma i njihova primjena

Plutonijumska jedinjenja	Primjena
Plutonijum dioksid PuO 2	Pomiješan sa uranijum-dioksidom (UO 2) koristi se kao gorivo za nuklearne reaktore
Plutonijum karbid (PuC) Plutonij dikarbid (PuS 2) Plutonijum trikarbid (PuC 3)	Potencijalno se može koristiti kao gorivo za uzgajivačke reaktore
Plutonijum trifluorid (PuF 3) Plutonijum tetrafluorid (PuF 4)	Oni su međuprodukti u proizvodnji metala plutonijuma
Plutonijum nitrati - Pu (NO 3) 4 i Pu (NO 3) 3	Ne koristi se. Jesu li proizvodi prerade (pri vađenju plutonijuma iz istrošenog nuklearnog goriva)

Najvažnija jedinjenja plutonijuma: PuF 6 (tečnost sa niskim ključanjem; termički mnogo manje stabilna od UF 6), čvrsti oksid PuO 2, karbid PuC i PuN nitrid, koji se u smešama sa odgovarajućim spojevima uranijuma mogu koristiti kao nuklearno gorivo.

Najrašireniji radioizotopski uređaji su jonizacijski požarni alarmi ili radioizotopski detektori dima. Plutonij lako obrađuje aerosole kada se obrađuje.

U prirodi nastaje tokom β-raspada Np-239, koji se, pak, javlja tokom nuklearne reakcije uranija-238 s neutronima (na primjer, neutronima iz kosmičkog zračenja). Industrijska proizvodnja Pu-239 također se temelji na ovoj reakciji i odvija se u nuklearnim reaktorima. Plutonij-239 je prvi koji nastaje u nuklearnom reaktoru kada se zrači uran-238; što je duži ovaj proces, to se pojavljuju teži izotopi plutonijuma. Plutonij-239 mora se kemijski odvojiti od proizvoda fisije i urana koji ostaje u istrošenom nuklearnom gorivu. Taj se proces naziva ponovna obrada. Budući da svi izotopi imaju jednak broj protona i različiti - neutrone, njihova su hemijska svojstva (hemijska svojstva ovise o broju protona u jezgri) jednaka, pa je vrlo teško razdvojiti izotope hemijskim metodama.

Naknadno odvajanje Pu-239 od uranijuma, neptunijuma i visokoradioaktivnih proizvoda fisije vrši se u radiohemijskim postrojenjima radiohemijskim metodama (koprecipitacija, ekstrakcija, razmena jona itd.). Metalni plutonijum se obično dobija redukcijom PuF 3, PuF 4 ili PuO 2 sa parom barija, kalcijuma ili litijuma.

Tada koriste njegovu sposobnost fisije pod dejstvom neutrona u nuklearnim reaktorima i sposobnost samoodržanja fisione lančane reakcije u prisustvu kritične mase (7 kg) - u atomskim i termonuklearnim bombama, gde je ona glavna komponenta . Kritična masa njegove α-modifikacije je 5,6 kg (kugla prečnika 4,1 cm). 238 Pu koristi se u dugotrajnim "atomskim" električnim baterijama. Izotopi plutonijuma koriste se kao sirovine za sintezu transplutonijumskih elemenata (Am i drugi).

Zračenjem Pu-239 neutronima moguće je dobiti smjesu izotopa, od kojih se izotop Pu-241, poput Pu-239, cijepi i mogao bi se koristiti za proizvodnju energije. Međutim, njegov poluživot je 14,4 godine, što ne dozvoljava da se dugo očuva, štoviše, kad propada, stvara necijepljivi Am-241 (α-, γ-radioaktivan) s poluživotom 432,8 godina. Ispada da se približno svakih 14 godina količina Am-241 u okolišu udvostručuje. Teško ga je otkriti, poput ostalih transuranskih elemenata, konvencionalnom γ-spektrometrijskom opremom, a potrebne su vrlo specifične i skupe metode detekcije. Izotop Pu-242 najsličniji je nuklearnim svojstvima uranijumu 238, Am-241, nastalom raspadanju izotopa Pu-241, koji se koristio u detektorima dima.

Americium-241, kao i drugi transuranski elementi (neptunijum, kalifornij i drugi), je ekološki opasan radionuklid, pretežno element koji emitira α koji uzrokuje unutrašnje ozračivanje tijela.

Na Zemlji nakupljenog plutonijuma više je nego dovoljno. Njegova proizvodnja apsolutno nije potrebna i za odbranu i za elektroenergetiku. Ipak, od 13 reaktora koji su postojali u SSSR-u koji su proizvodili plutonij oružja, 3 nastavljaju s radom: dva su u Seversku. Posljednji takav reaktor u Sjedinjenim Državama zatvoren je 1988. godine.

Kvalitet plutonijuma određuje se procentom izotopa u njemu (osim plutonijuma-239) (Tabela 21).

Od septembra 1998. cijene plutonijuma koje je odredio odjel za izotope Nacionalne laboratorije Oak Ridge (ORNL) iznosile su: 8,25 USD / mg za plutonij-238 (97% čistoće); 4,65 USD / mg za plutonij-239 (\u003e 99,99%); 5,45 USD / mg za plutonij-240 (\u003e 95%); 14,70 USD / mg za plutonijum-241 (\u003e 93%) i 19,75 USD / mg za plutonijum-242.

Tabela 21
Kvalitet plutonija

Ova klasifikacija kvaliteta plutonijuma, koju je razvilo Ministarstvo energetike SAD-a, prilično je proizvoljna. Na primjer, gorivo i plinski reaktor, koji su manje pogodni za vojne svrhe od plutonijuma oružane klase, također se mogu koristiti za izradu nuklearne bombe. Plutonij bilo kojeg kvaliteta može se koristiti za stvaranje radiološkog oružja (kada se radioaktivne supstance raspršuju bez nuklearne eksplozije).

Prije samo 60 godina, zelene biljke i životinje nisu sadržavale plutonij, a sada se do 10 tona prska u atmosferu. Oko 650 tona proizvela je nuklearna energija, a preko 300 tona vojna proizvodnja. Značajan dio sve proizvodnje plutonijuma nalazi se u Rusiji.

Jednom u biosferi, plutonij migrira preko zemljine površine, ugrađujući se u biohemijske cikluse. Plutonij su koncentrirani od strane morskih organizama: njegov koeficijent akumulacije (tj. Odnos koncentracija u tijelu i u vanjskom okruženju) za alge iznosi 1000-9000, za plankton (mješoviti) - oko 2300, za mekušce - do 380, za morske zvijezde - oko 1000, za mišiće, kosti, jetru i želudac ribe - 5.570, 200 i 1060, respektivno. Kopnene biljke asimiliraju plutonij uglavnom kroz korijenov sistem i akumuliraju ga do 0,01% svoje mase. Od 70-ih. U 20. stoljeću povećava se udio plutonijuma u radioaktivnoj kontaminaciji biosfere (ozračivanje morskih beskičmenjaka uslijed plutonija postaje veće nego zbog 90 Sr i 137 Cs). MPC za 239 Pu u otvorenim vodenim tijelima i u zraku radnih prostorija iznosi 81,4, odnosno 3,3 ּ 10 -5 Bq / l.

Ponašanje plutonijuma u vazduhu određuje uslove za njegovo sigurno skladištenje i rukovanje tokom proizvodnje (tabela 22). Oksidacija plutonijuma predstavlja zdravstveni rizik jer plutonijum dioksid, kao stabilno jedinjenje, lako ulazi u pluća pri udisanju. Njegova specifična aktivnost je 200 hiljada puta veća od aktivnosti urana, štaviše, oslobađanje tela iz plutonijuma koji je u njega ušao praktično se ne događa tokom čovekovog života.

Biološki poluživot plutonijuma je 80-100 godina kada je u koštanom tkivu, njegova koncentracija tamo je praktično konstantna. Poluživot iz jetre je 40 godina. Dodaci za heliranje mogu ubrzati uklanjanje plutonijuma.

Tabela 22
Promjene svojstava plutonijuma u zraku

Oblik i uslovi okoline	Plutonijumska reakcija
Metalni ingoti na sobnoj temperaturi	Relativno inertan polako oksidira
Metalni prah na sobnoj temperaturi	Brzo reagira na formiranje plutonijum dioksid (PuO 2)
Fini prah: sa česticama d<1 мм и d>1 mm sa česticama d\u003e 1 mm	Spontano se pali: na temperaturi od 150 ° C, odnosno 500 ° C
Na povišenim temperaturama i vlažnosti	Reaguje na formu plutonijum dioksid (PuO 2)

Plutonij se naziva "nuklearni otrov", njegov dopušteni sadržaj u ljudskom tijelu procjenjuje se u nanogramima. Međunarodna komisija za radiološku zaštitu (ICRP) utvrdila je godišnju stopu apsorpcije od 280 nanograma. To znači da za profesionalnu izloženost koncentracija plutonijuma u zraku ne bi trebala prelaziti 7 picoCi / m 3. Maksimalna dozvoljena koncentracija Pu-239 (za profesionalno osoblje) je 40 nanoCuri (0,56 mikrograma) i 16 nanoCuri (0,23 mikrograma) za plućno tkivo.

Apsorpcija 500 mg plutonijuma kao fino podijeljenog ili otopljenog materijala može za nekoliko dana ili tjedana dovesti do smrti uslijed akutnog zračenja probavnog sistema. Udisanje 100 mg plutonijuma u obliku čestica od 1-3 mikrona optimalno za zadržavanje u plućima dovodi do smrti od plućnog edema za 1-10 dana. Udisanje doze od 20 mg dovodi do smrti od fibroze za oko mjesec dana. Za doze mnogo niže od ovih vrijednosti pojavljuje se kronični kancerogeni učinak.
Kroz život rizik od razvoja raka pluća za odraslu osobu ovisi o količini plutonijuma koja je ušla u tijelo. Gutanje 1 mikrograma plutonijuma predstavlja 1% rizika od razvoja karcinoma (normalna stopa raka je 20%). U skladu s tim, 10 mikrograma povećava rizik od raka sa 20% na 30%. Gutanje od 100 mikrograma ili više garantuje razvoj raka pluća (obično tokom nekoliko decenija), iako se dokazi o oštećenju pluća mogu pojaviti u roku od nekoliko mjeseci. Ako uđe u krvožilni sistem, tada će se s velikom vjerovatnoćom početi koncentrirati u tkiva koja sadrže željezo: koštanu srž, jetru, slezinu. Ako se 1,4 mikrograma stavi u kosti odrasle osobe, imunitet će se zbog toga pogoršati i rak se može razviti nakon nekoliko godina.

Činjenica je da je Pu-239 α-emiter, a svaka od njegovih α-čestica u biološkom tkivu stvara 150 hiljada parova jona na svom kratkom putu, oštećujući stanice, proizvodeći razne hemijske transformacije. 239 Pu pripada supstancama sa mešovitom distribucijom, jer se akumulira ne samo u koštanom skeletu, već i u jetri. Vrlo se dobro zadržava u kostima i praktički se ne uklanja iz tijela zbog usporavanja metaboličkih procesa u koštanom tkivu. Iz tog razloga ovaj nuklid spada u kategoriju najotrovnijih.

Budući da je u tijelu, plutonij postaje stalni izvor α-zračenja za ljude, uzrokujući tumore kostiju, rak jetre i leukemiju, hematopoetske poremećaje, osteosarkome, rak pluća, pa je tako jedan od najopasnijih karcinogena (Tabela 23).

Lista referenci

1. Tikhonov M.N., Muratov O.E., Petrov E.L. Izotopi i tehnologije zračenja: poimanje stvarnosti i pogled u budućnost // Ekološka stručnost. Obz.inf., 2006, br. 6, str. 38-99. - M., VINITI RAS.
Tikhonov M.N., Muratov O.E., Petrov E.L. Izotopi i tehnologije zračenja: poimanje stvarnosti i pogled u budućnost // Ekološka stručnost. Obz.inf., 2006, br. 6, str. 38-99. - M., VINITI RAN. Bazhenov V.A., Buldakov L.A., Vasilenko I.Ya. i drugi. Štetne hemikalije. Radioaktivne supstance: Referentno izdanje // Ed. V.A. Filova i drugi - Leningrad: Chemistry, 1990. - 464 str.
3. Hemijska enciklopedija: u 5 tomova // Pogl. izd. Zefirov N.S. - M.: Velika ruska enciklopedija, 1995. - T. 4, str. 153-154 (radijum), str. 282 (rubidij), str. 283 (rutenij), str. 300 (olovo), str. 560 (tehnecij), str. 613 (torijum); 1999. - T. 5, str. 41 (uran), str. 384 (cirkonij).
4. Hemijska enciklopedija: u 5 tomova // Pogl. izd. Knunyants I.L. - M.: Sovjetska enciklopedija, 1990. - Tom 1, str. 78 (aktinijum), str. 125 (emeries), str. 241 (barijum); T. 2, str. 284 (kalijum), str. 286 (kalifornij), str. 414 (kobalt), str. 577 (lantan); 1992. tom 3, str. 580 (plutonij).
5. Nesmeyanov AN Radiohemija. - M.: Hemija, 1978. - 560 str.
6. Shirokov Yu.M., Yudin N.P. Nuklearna fizika. - M., Nauka, 1980.
7. Kozlov V.F. Priručnik za zaštitu od zračenja. - 5. izdanje, vlč. i dodaj. - M.: Energoatomizdat, 1999. - 520 str.
8. Moiseev A.A., Ivanov V.I. Priručnik za dozimetriju i higijenu zračenja. - M.: Energoatomizdat, 1992. - 252 str.
9. Kirillov V.F., Knižnikov V.A., Korenkov I.P. Higijena zračenja // Ed. L.A. Ilyin. - M.: Medicine, 1988. - 336 str.
10. Rikhvanov L.P. Opšti i regionalni problemi radioekologije. - Tomsk: TPU, 1997. - 384 str.
11. Bagnal K. Hemija rijetkih radioaktivnih elemenata. Polonij - anemoni: Per. sa engleskog. // Ed. Yu.V. Gagarinski. - M.: Izdavačka kuća stranih. lit-ry. - 256 str.
12. Gusev N.G., Rubtsov P.M., Kovalenko V.V., Kolobashkin V.V. Karakteristike zračenja proizvoda fisije: Priručnik. - M.: Atomizdat, 1974. - 224 str.
13. Transuranski elementi u okolišu // Ed. SAD Henson: Per. sa engleskog. - M.: Mir, 1985. - 344 str.
14. Smyslov A.A. Uran i torijum u zemljinoj kori. - L.: Nedra, 1974. - 232 str.
15. Jonizujuće zračenje: izvori i biološki efekti. Naučni odbor Ujedinjenih nacija za efekte atomskog zračenja (UNSCEAR). 1982. Izvještaj Generalnoj skupštini. 1. svezak - New York, UN, 1982. - 882 str.
16. Izvori, efekti i opasnost od jonizujućeg zračenja // Izvještaj Naučnog odbora UN-a o efektima atomskog zračenja Generalnoj skupštini za 1988. godinu. - M.: Mir, 1992. - 1232 str.
17. Vasilenko I. Ya. Toksikologija proizvoda nuklearne fisije. - M.: Medicina, 1999. - 200 str.
18. Izrael Yu.A., Stukin E.D. Gama - zračenje od radioaktivnih padavina. - M.: Atomizdat, 1967. - 224 str.
19. Aleksakhin R.M., Arkhipov N.P., Vasilenko I.Ya. Teški prirodni radionuklidi u biosferi. - M.: Nauka, 1990. - 368 str.
20. Krivolutsky D.A. i dr. Efekat jonizujućeg zračenja na biogeocenozu. - M.: Gidrometeoizdat, 1977. - 320 str.
21. Buldakov L.A. Radioaktivne supstance i čovek.-M.: Energoatomizdat, 1990 - 160 str.
22. Ruser L.S. Radioaktivni aerosoli // Ed. A.N. Martynyuk. - M.: Energoatomizdat, 2001. - 230 str.
23. Zhuravlev V.F. Toksikologija radioaktivnih supstanci. - M.: Energoatomizdat, 1990. - 336 str.
24. Moiseev A.A. Cezij-137. Okruženje je ljudsko. - M.: Energoatomizdat, 1985. - 121 str.
25. Tikhonov M.N., Muratov O.E. Alternativni ciklus nuklearnog goriva: nužnost i značaj // Ekologija industrijske proizvodnje, 2009, br. 4, str. 40-48.
26. Aleksakhin R.M., Vasiliev A.V., Dikarev V.G. i ostale poljoprivredne radioekologije. - M., Ekologija, 1991.
27. Chalov P.I. Izotopska frakcionacija prirodnog urana. - Frunze: Ilim, 1975.
28. Pilipenko A.T. Natrijum i kalijum // Priručnik za osnovnu kemiju. - 2. izd. - Kijev: Naukova dumka, 1978, str. 316-319.
29. Tikhonov M.N. Opasnost od radona: izvori, doze i neriješena pitanja // Ekološka ekspertiza. Obz.inf., 2009, izdanje. 5, str. 2-108. - M., VINITI RAS.
30. Gudzenko V.V., Dubinchuk V.T. Izotopi radijuma i radona u prirodnim vodama. - Moskva: Nauka, 1987. - 157 str.
31. Martynyuk Yu.N. Po pitanju kvaliteta vode za piće na bazi zračenja // ANRI, 1996, №1, str. 64-66.
32. Borisov N.B., Ilyin L.A., Margulis U.Ya. i druga zaštita od zračenja pri radu sa polonijumom-210 // Ed. I.V. Petryanova i L.A. Ilyin. - M.: Atomizdat, 1980. - 264 str.
33. Tehnika za merenje zapreminske aktivnosti polonijuma-210 i olova-210 u prirodnim vodama alfa-beta-radiometrijskom metodom sa radiohemijskim preparatom. - M., 2001.
34. Gusev N.G., Belyaev V.A. Radioaktivne emisije u biosferi: Priručnik. - M.: Energoatomizdat, 1991. - 255 str.
35. Bolsunovsky A.Ya. Proizvodnja nuklearnih materijala u Rusiji i zagađenje okoline. - U knjizi: Atom bez pečata "Tajna": gledišta. - Moskva-Berlin, 1992, str. 9-29.
36. Fedorova E.A., Ponomareva R.P., Milakina L.A. Obrasci ponašanja 14 C u sistemu atmosfera-biljka u uslovima promenljive koncentracije CO 2 u vazduhu // Ekologija, 1985, br. 5, str. 24-29.
37. Ponomareva R.P., Milakina L.A., Savina V.I. Regularnosti ponašanja ugljika-14 u ljudskim prehrambenim lancima pod djelovanjem lokalnog izvora emisija // Nuklearna industrija: okoliš i javno zdravlje / ur. L.A. Buldakova, S.N. Demina. - M., 1988, str. 240-249.
38. Rublevsky V.P., Golenetskiy S.P., Kirdin G.S. Radioaktivni ugljenik u biosferi. - M.: Atomizdat, 1979. - 150 str.
39. Artemova N.E., Bondarev A.A., Karpov V.I., Kurdyumov B.S. i dr. Dozvoljene emisije radioaktivnih i štetnih hemijskih supstanci u površinski sloj atmosfere. - M.: Atomizdat, 1980. - 235 str.
40. Demin S.N. Problem ugljenika-14 na području zaštićene zone "Mayak" // Pitanja zaštite od zračenja, 2000, №1, str. 61-66.
41. Saharov A.D. Radioaktivni ugljenik nuklearnih eksplozija i nepražni biološki efekti // Atomic Energy, 1958, V. 4, br. 6, str. 576-580.
42. A. D. Saharov. Radioaktivni ugljenik nuklearnih eksplozija i nepražni biološki efekti // Science and Global Security, 1991, tom 1, broj 4, str. 3-8.
43. njemački A.M. Atmosferski radiokarbon i smrtnost u Danskoj. Internet magazin "Komercijalna biotehnologija", 2005.
44. Evans E. Tritij i njegovi spojevi. - M., Atomizdat, 1970.
45. Lensky L.A. Fizika i hemija tricija. - M., Atomizdat, 1981.
46. \u200b\u200bBelovodsky L.F., Gayevoy V.K., Grishmanovsky V.I. Tritium. - M., Atomizdat, 1985.
47. Andreev B.M., Zelvensky Ya.D., Katalnikov S.G. Teški izotopi vodonika u nuklearnoj tehnologiji. - M., Atomizdat, 1987.
48. Leenson I.A. 100 pitanja i odgovora iz hemije. - M., AST-Astrel, 2002.
49. Dubasov Yu.V., Okunev N.S., Pakhomov S.A. Monitoring radionuklida ksenona i kripton-85 u sjeverozapadnom dijelu Rusije u periodu 2007-2008. // Prikupljeni izvještaji. III Int. nuklearni forum 22.-26. 2008 - SPb.: NOU DPO "ATOMPROF", 2008, str. 57-62.
50. Ksenzenko V.I., Stasinevich D.S. Hemija i tehnologija broma, joda i njihovih jedinjenja. 2. izd. - M.: In.lit., 1995. - 562 str.
51. Bagnal K. Kemija selena, telurja i polonijuma. - M., 1971.
52. Metodičke upute MU 2.6.1.082-96. Procena doze unutrašnjeg zračenja štitnjače jodom-131 \u200b\u200bna osnovu rezultata određivanja sadržaja joda-129 u objektima životne sredine (Odobreno od zamenika glavnog državnog sanitarnog lekara Ruske Federacije 24. maja 1996. godine).
53. Gavrilin Yu.I., Volkov V.Ya., Makarenkova I.I. Retrospektivna obnova integralnog taloženja joda-131 u naseljima brjanske regije Rusije na osnovu rezultata utvrđivanja sadržaja joda-129 u zemljištu 2008. godine // Higijena zračenja, 2009, T. 2, br. 3 str. 38-44.
54. Vasilenko I.Ya., Vasilenko O.I. Radioaktivni stroncij // Energija: ekonomija, tehnologija, ekologija, 2002, broj 4, str. 26-32.
55. Vasilenko I.Ya. Radioaktivni cezij-137 // Nature, 1999, broj 3, str. 70-76.
56. Plutonijumska ekonomija: izlaz ili ćorsokak. Plutonij u okolišu // Komp. Mironova N.I. - Čeljabinsk, 1998. - 74 str.
57. Blumenthal U.B. Hemija cirkonija. - M., 1963.
58. Pertsov L.A. Jonizujuće zračenje biosfere. - M.: Atomizdat, 1973. - 288 str.
59. Popularna biblioteka hemijskih elemenata. Knjiga 2. Srebro-nielsborij i šire. - 3. izd. - Moskva: Nauka, 1983. - 573 str.
60. Ogorodnikov B.I. Toron i njegove podružnice u problemu inhalacionog zračenja // Atomic technology inozemstvo, 2006, br. 6, str. 10-15.
61. Yarmonenko S. P. Radiobiologija čovjeka i životinja.-M.: Viša škola, 1988.-424 str.
62. Babaev N.S., Demin V.F., Ilyin L.A. i dr. Nuklearna energija, čovjek i okoliš / ur. akad. A.P. Aleksandrova. - M.: Energoatomizdat, 1984. - 312 str.
63. Abramov Yu.V. i dr. Određivanje doza vanjskog zračenja organa i tkiva u skladu sa zahtjevima NRB -99 u industrijskim uvjetima // Medicina ekstremnih situacija, 2000, br. 3 (6), str. 55-60.
64. Aleksakhin R.M., Buldakov L.A., Gubanov V.A. i druge velike radijacione nesreće: posljedice i zaštitne mjere / Ed. izd. L.A.Ilyina i V.A. Gubanov. - M.: IzdAT, 2001.-752 str.
65. Maškovich V.P., Kudryavtseva A.V. Zaštita od jonizujućeg zračenja: Priručnik, 4. izdanje - M.: Energoatomizdat, 1995.
66. Medicina zračenja. T.2. Šteta od radijacije kod ljudi / Under total. izd. akad. RAMS L.A. Ilyina. -M.: IzdAT, 2001. -432 str.

Opis plutonijuma

Plutonij (Plutonij) je težak, srebrnasti hemijski element, radioaktivni metal sa atomskim brojem 94, koji je u periodičnom označen simbolom Pu.

Ovaj elektronegativni aktivni hemijski element pripada grupi aktinida sa atomskom masom od 244,0642, a poput neptunijuma koji je ime dobio u čast istoimene planete, ova hemikalija svoje ime duguje planeti Pluton, budući da su preteče radioaktivnog elementa u Mendelejevljevom periodnom sistemu hemijskih elemenata su i neptunijum, koji su takođe dobili ime po dalekim kosmičkim planetama naše Galaksije.

Poreklo plutonijuma

Element plutonij je prvi put otkrivena 1940. godine na Univerzitetu u Kaliforniji od strane grupe radiologa i naučnih istraživača G. Seaborga, E. Macmillana, Kennedyja, A. Walhom-a dok je bombardirala uranovu metu iz ciklotrona deuteronima - teškim nuklearnim vodikom.

U decembru iste godine naučnici su otkrili izotop plutonijuma - Pu-238, čiji je poluživot duži od 90 godina, dok je utvrđeno da se pod uticajem najsloženijih nuklearnih hemijskih reakcija u početku dobija izotop neptunijum-238, nakon čega izotop već nastaje plutonij-238.

Početkom 1941. naučnici su otkrili plutonij 239 sa periodom propadanja od 25.000 godina. Izotopi plutonijuma mogu imati različit sadržaj neutrona u jezgri.

Čisti spoj elementa mogao se dobiti tek krajem 1942. Svaki put kad su radiolozi otkrili novi izotop, uvijek su mjerili vrijeme poluraspada izotopa.

Trenutno se izotopi plutonijuma, kojih je ukupno 15, razlikuju u trajanju. poluživot... S tim su elementom povezane velike nade i izgledi, ali istovremeno i ozbiljni strahovi čovječanstva.

Plutonij je mnogo aktivniji od, na primjer, urana i spada u najskuplje tehnički važne i najznačajnije hemijske supstance.

Na primjer, cijena grama plutonijuma nekoliko je puta veća od jednog grama ili drugih jednako vrijednih metala.

Proizvodnja i vađenje plutonijuma smatra se skupim, a cijena jednog grama metala u naše vrijeme pouzdano se drži oko 4000 američkih dolara.

Kako se dobija plutonijum? Proizvodnja plutonijuma

Proizvodnja hemijskog elementa odvija se u atomskim reaktorima, unutar kojih se uran cijepa pod utjecajem složenih kemijsko-tehnoloških međusobno povezanih procesa.

Uran i plutonij su glavne, glavne komponente u proizvodnji atomskog (nuklearnog) goriva.

Ako je potrebno dobiti veliku količinu radioaktivnog elementa, koristi se metoda ozračivanja transuranskih elemenata koja se može dobiti iz istrošenog nuklearnog goriva i ozračivanja uranijuma. Složene hemijske reakcije mogu odvojiti metal od urana.

Da bi se dobili izotopi, naime plutonijum-238 i oružani plutonijum-239, koji su srednji produkti raspadanja, koristi se neutronsko zračenje neptunijuma-237.

Zanemariv udio plutonijuma-244, koji je zbog svog dugog poluživota najdugovječnija varijanta izotopa, pronađen je u istraživanjima na rudi cerijuma, koja je, najvjerojatnije, preživjela od nastanka našeg Planeta Zemlja. Ovaj radioaktivni element se u prirodi ne javlja prirodno.

Osnovna fizička svojstva i karakteristike plutonijuma

Plutonij je prilično težak radioaktivni hemijski element srebrnaste boje, koji svijetli samo u pročišćenom obliku. Atomski metalna masa plutonijuma je jednako 244 amu. jesti.

Zbog visoke radioaktivnosti, ovaj je element topao na dodir, može se zagrijati do temperature koja prelazi indikator temperature kad voda zavrije.

Plutonij pod utjecajem atoma kiseonika brzo potamni i prekriva se iridiscentnim tankim filmom u početku svijetlo žute, a zatim zasićene - ili smeđe nijanse.

Jakom oksidacijom dolazi do stvaranja PuO2 praha na površini elementa. Ova vrsta hemijskih metala podložna je jakim procesima oksidacije i korozije čak i pri niskim nivoima vlage.

Da bi se spriječila korozija i oksidacija metalne površine, potrebna je peć za sušenje. Fotografija plutonija možete pogledati u nastavku.

Plutonij pripada četverovalentnim hemijskim metalima, dobro i brzo se rastvara u supstancama jodovododida, kiselim medijima, na primjer u kloru.

Soli metala brzo se neutrališu u medijima neutralnom reakcijom, alkalnim rastvorima, dok stvaraju netopivi plutonijum hidroksid.

Temperatura na kojoj se plutonij topi je 641 stepeni Celzijusa, tačka ključanja 3230 stepeni.

Pod uticajem uslova visoke temperature dolazi do neprirodnih promena gustine metala. U obliku plutonijuma ima različite faze i šest kristalnih struktura.

Tokom prijelaza između faza događaju se značajne promjene u zapremini elementa. Element poprima najgušći oblik u šestoj alfa-fazi (posljednji stupanj prijelaza), dok je samo ,, neptunij, radij u ovom stanju teži od metala.

Tijekom topljenja element je jako komprimiran, tako da se metal može zalijepiti za površinu vode i drugih neagresivnih tekućih medija.

Uprkos činjenici da ovaj radioaktivni element pripada grupi hemijskih metala, element je prilično hlapljiv, a kada se kratko nalazi u zatvorenom prostoru, njegova koncentracija u zraku raste i povećava se nekoliko puta.

Glavna fizička svojstva metala uključuju: nizak stepen, nivo toplotne provodljivosti svih postojećih i poznatih hemijskih elemenata, nizak nivo električne provodljivosti, u tečnom stanju plutonij je jedan od najviskoznijih metala.

Vrijedno je napomenuti da su bilo koja jedinjenja plutonijuma toksična, otrovna i predstavljaju ozbiljan rizik od zračenja za ljudsko tijelo, koje nastaje uslijed aktivnog alfa zračenja, stoga se svi radovi moraju obavljati izuzetno pažljivo i samo u posebnim odijelima s hemijskom zaštitom.

Više o svojstvima, teorijama o porijeklu jedinstvenog metala možete pronaći u knjizi Obručev "Plutonij". Autor V.A. Obručev poziva čitatelje da zarone u neverovatni i jedinstveni svijet fantastične zemlje Plutonij, koji se nalazi duboko u utrobi Zemlje.

Upotreba plutonijuma

Uobičajeno je klasificirati industrijski hemijski element u oružani i reaktorski („energetski“) plutonij.

Dakle, za proizvodnju nuklearnog oružja, od svih postojećih izotopa, dopušteno je koristiti samo plutonij 239, u kojem ne bi trebalo biti više od 4,5% plutonijuma 240, jer je podložan spontanoj fisiji, što uvelike otežava proizvodnju vojnih granata.

Plutonij-238 nalazi primjenu za funkcioniranje malih radioizotopskih izvora električne energije, na primjer, kao izvor energije za svemirsku tehnologiju.

Prije nekoliko decenija, plutonij se koristio u medicini u srčanim stimulatorima (uređaji za održavanje pulsa).

Prva atomska bomba na svijetu imala je naboj plutonijuma. Nuklearni plutonijum (Pu 239) je potreban kao nuklearno gorivo za rad energetskih reaktora. Takođe, ovaj izotop služi kao izvor za proizvodnju transplutonijumskih elemenata u reaktorima.

Ako nuklearni plutonij uporedimo sa čistim metalom, izotop ima veće metalne parametre, nema faze prijelaza, pa se zato široko koristi u procesu dobivanja gorivih elemenata.

Izotopni oksidi Plutonijuma 242 takođe se traže kao izvor energije za svemirske smrtonosne jedinice, opremu i gorivne šipke.

Plutonij oružja Je element koji je predstavljen u obliku kompaktnog metala, koji sadrži najmanje 93% izotopa Pu239.

Ova vrsta radioaktivnog metala koristi se u proizvodnji različitih vrsta nuklearnog oružja.

Plutonij klase oružja dobiva se u specijaliziranim industrijskim nuklearnim reaktorima koji rade na prirodnom ili slabo obogaćenom uraniju kao rezultat hvatanja neutrona.

Ovaj se metal naziva dragocjenim, ali ne zbog ljepote, već zbog nezamjenjivosti. U periodnom sustavu Mendelejeva ovaj element zauzima ćeliju broj 94. Naučnici polažu najveće nade u njega, a plutonij nazivaju najopasnijim metalom za čovječanstvo.

Plutonij: opis

Izgled je srebrno bijelog metala. Radioaktivan je i može se predstaviti kao 15 izotopa s različitim poluvijecima, na primjer:

Pu-238 - star oko 90 godina
Pu-239 - star oko 24 hiljade godina
Pu-240 - 6580 godina
Pu-241 - 14 godina
Pu-242 - star 370 hiljada godina
Pu-244 - star oko 80 miliona godina

Ovaj se metal ne može izvući iz rude, jer je proizvod radioaktivne konverzije urana.

Kako se dobija plutonijum?

Za proizvodnju plutonijuma potrebna je fisija urana, koja se može obaviti samo u nuklearnim reaktorima. Ako govorimo o prisutnosti elementa Pu u zemljinoj kori, tada će za 4 miliona tona uranove rude biti samo 1 gram čistog plutonijuma. A ovaj gram nastaje prirodnim hvatanjem neutrona jezgra urana. Dakle, da bi se dobilo to nuklearno gorivo (obično izotop 239-Pu) u količini od nekoliko kilograma, potrebno je provesti složeni tehnološki postupak u nuklearnom reaktoru.

Svojstva plutonija

Radioaktivni metal plutonij ima sljedeća fizička svojstva:

gustina 19,8 g / cm 3
tačka topljenja - 641 ° C
tačka ključanja - 3232 ° C
toplotna provodljivost (na 300 K) - 6,74 W / (m K)

Plutonij je radioaktivan i zato je topao na dodir. Štoviše, ovaj metal karakterizira najniža toplotna i električna vodljivost. Tečni plutonij je najviskozniji od svih postojećih metala.

Najmanja promjena temperature plutonijuma dovodi do trenutne promjene gustine supstance. Generalno, masa plutonijuma se neprestano mijenja, jer su jezgre ovog metala u stanju konstantne fisije na manja jezgra i neutrone. Kritična masa plutonijuma naziv je za minimalnu masu cijepljive supstance pri kojoj je tok fisije (nuklearna lančana reakcija) i dalje moguć. Na primjer, kritična masa plutonijuma oružja je 11 kg (za usporedbu, kritična masa visoko obogaćenog urana je 52 kg).

Uran i plutonij su glavno nuklearno gorivo. Za dobivanje plutonijuma u velikim količinama koriste se dvije tehnologije:

ozračivanje uranijuma
zračenje transuranskih elemenata dobivenih iz istrošenog goriva

Obje metode su razdvajanje plutonijuma i urana kao rezultat kemijske reakcije.

Da bi se dobio čisti plutonij-238, koristi se neutronsko zračenje neptunijuma-237. Isti izotop uključen je u stvaranje plutonijuma-239 oružja, posebno je srednji produkt raspadanja. Milion dolara je cijena za 1 kg plutonijuma-238.