Zakaj preučevati elektronsko strukturo plutonija. Integriran hitri reaktor. "Ali naši sovražniki delajo tudi na tem orožju?"
Kemija
Plutonij Pu - element št. 94 je povezan z zelo velikimi upi in zelo velikimi strahovi človeštva. Danes je to eden najpomembnejših, strateško pomembnih elementov. To je najdražja od tehnično pomembnih kovin - veliko je dražja od srebra, zlata in platine. Res je dragocen.
Ozadje in zgodovina
Na začetku so bili protoni - galaktični vodik. Kot posledica njegovega stiskanja in kasnejših jedrskih reakcij so nastali najbolj neverjetni "ingoti" nukleonov. Med njimi so ti "ingoti" očitno vsebovali po 94 protonov. Ocene teoretikov kažejo, da je približno 100 nukleonskih formacij, ki vključujejo 94 protonov in od 107 do 206 nevtronov, tako stabilnih, da jih lahko štejemo za izotopska jedra elementa št. 94.
Toda vsi ti izotopi - hipotetični in resnični - niso tako stabilni, da bi se ohranili do danes od trenutka, ko so nastali elementi sončnega sistema. Razpolovna doba najdlje živečega izotopa elementa št. 94 je 81 milijonov let. Starost galaksije se meri v milijardah let. Posledično "izvirni" plutonij ni imel možnosti preživeti do danes. Če je nastal med veliko sintezo elementov vesolja, potem so ti stari atomi v njem »izmrli« že davno, tako kot so izumrli dinozavri in mamuti.
V XX stoletju. nova doba, AD, je bil ta element poustvarjen. Od 100 možnih izotopov plutonija je bilo sintetiziranih 25. 15 od njih je bilo raziskanih zaradi njihovih jedrskih lastnosti. Štirje so našli praktično uporabo. In odprli so ga šele pred kratkim. Decembra 1940 je skupina ameriških radiokemikov pod vodstvom Glenna T. Seaborga med obsevanjem urana s težkimi vodikovimi jedri odkrila doslej neznani oddajnik alfa delcev z razpolovno dobo 90 let. Izkazalo se je, da je ta oddajnik izotop elementa št. 94 z masnim številom 238. Istega leta, vendar nekaj mesecev prej, je E.M. Macmillan in F. Abelson sta prejela prvi element, težji od urana - element št. 93. Ta element se je imenoval neptunij, 94. pa plutonij. Zgodovinar bo zagotovo rekel, da ta imena izvirajo iz rimske mitologije, v bistvu pa izvor teh imen prej ni mitološki, ampak astronomski.
Elementa št. 92 in 93 sta poimenovana po oddaljenih planetih sončnega sistema - Uranu in Neptunu, vendar Neptun ni zadnji v sončnem sistemu, še dlje leži orbita Plutona - planeta, o katerem se doslej skoraj nič ne ve. ... Podobno konstrukcijo opazimo tudi na "levem boku" periodnega sistema: uran - neptunij - plutonij, vendar človeštvo ve o plutoniju veliko več kot o Plutonu. Mimogrede, astronomi so Pluton odkrili le deset let pred sintezo plutonija - skoraj enako časovno obdobje je ločilo odkritja Urana - planeta in urana - elementa.
Uganke za ransomware
Prvi izotop elementa št. 94, plutonij-238, je zdaj našel praktično uporabo. A v zgodnjih štiridesetih letih prejšnjega stoletja na to niso niti pomislili. Plutonij-238 je mogoče pridobiti v količinah, ki so praktičnega interesa, le z zanašanjem na močno jedrsko industrijo. Takrat je šele začela. Toda že je bilo jasno, da je s sproščanjem energije, ki jo vsebujejo jedra težkih radioaktivnih elementov, mogoče pridobiti orožje brez primere. Pojavil se je projekt Manhattan, ki ni imel nič drugega kot ime skupnega z dobro znanim območjem New Yorka. To je bilo splošno ime za vsa dela, povezana z ustvarjanjem prvih atomskih bomb v Združenih državah. Vodja projekta Manhattan ni bil znanstvenik, ampak vojaški mož - general Groves, ki je svoje visoko izobražene oddelke "ljubeče" imenoval "razbite lonce".
Vodje "projekta" plutonij-238 ni zanimal. Njegova jedra, tako kot jedra vseh plutonijevih izotopov s sodimi masnimi številkami, se ne cepijo z nizkoenergijskimi nevtroni, zato ne bi mogel služiti kot jedrski eksploziv. Kljub temu so se prva ne preveč razumljiva poročila o elementih št. 93 in 94 pojavila v tisku šele spomladi 1942.
Kako je to mogoče razložiti? Fiziki so razumeli: sinteza plutonijevih izotopov z neparnimi masnimi številkami je vprašanje časa in ni daleč. Pričakovali so, da bodo čudni izotopi, kot je uran-235, lahko vzdrževali jedrsko verižno reakcijo. V njih, ki še niso prejeli, so nekateri videli potencialni jedrski eksploziv. In ta upanja plutonij, na žalost upravičeno.
V takratnih šifrah se element št. 94 ni imenoval nič drugega kot ... baker. In ko se je pojavila potreba po samem bakru (kot konstrukcijskem materialu za nekatere dele), se je v šifriranju poleg "bakra" pojavil "pravi baker".
"Drevo spoznanja dobrega in zla"
Leta 1941 je bil odkrit najpomembnejši izotop plutonija, izotop z masnim številom 239. In skoraj takoj je bila potrjena napoved teoretikov: jedra plutonija-239 so se cepila s toplotnimi nevtroni. Poleg tega se v procesu njihove cepitve ni rodilo nič manj nevtronov kot pri cepitvi urana-235. Takoj so bili opisani načini pridobivanja tega izotopa v velikih količinah ...
Leta so minila. Zdaj nikomur ni skrivnost, da so jedrske bombe, shranjene v arzenalu, polnjene s plutonijem-239 in da so te bombe dovolj, da povzročijo nepopravljivo škodo vsemu življenju na Zemlji.
Razširjeno je prepričanje, da se je človeštvu z odkritjem jedrske verižne reakcije (katere neizogibna posledica je bila ustvarjanje jedrske bombe) očitno mudilo. Lahko razmišljate drugače ali se pretvarjate, da razmišljate drugače – bolj prijetno je biti optimist. Toda tudi optimisti se neizogibno soočajo z vprašanjem odgovornosti znanstvenikov. Spomnimo se zmagovitega dne junija 1954, dneva, ko je prva jedrska elektrarna v Obninsku dala elektriko. Ne moremo pa pozabiti na avgustovsko jutro 1945 - "Hirošimsko jutro", "deževen dan Alberta Einsteina" ... Spomnimo se prvih povojnih let in nebrzdanega atomskega izsiljevanja - osnove ameriške politike tistih let. Toda ali je človeštvo v naslednjih letih prestalo le malo skrbi? Poleg tega je te tesnobe vedno znova okrepila zavest, da če je nova Svetovna vojna, bo izstreljeno jedrsko orožje.
Tukaj lahko poskusite dokazati, da odkritje plutonija ni povečalo strahov človeštva, da je bilo, nasprotno, le koristno.
Recimo, da se je zgodilo, da iz nekega razloga ali, kot bi rekli v starih časih, po božji volji plutonij znanstvenikom ni bil na voljo. Ali bi se potem naši strahovi in strahovi zmanjšali? Se ni nič zgodilo. Jedrske bombe bi izdelovali iz urana-235 (in to v nič manj kot iz plutonija) in te bombe bi "požrle" še večje dele proračuna kot zdaj.
Toda brez plutonija ne bi bilo možnosti za obsežno uporabo jedrske energije v miroljubne namene. Za "miren atom" preprosto ne bi bilo dovolj urana-235. Zlo, ki ga je človeštvu povzročilo odkritje jedrske energije, ne bi bilo uravnoteženo, četudi le delno, z dosežki »dobrega atoma«.
Kako meriti, s čim primerjati
Ko se jedro plutonija-239 z nevtroni razdeli na dva delca približno enake mase, se sprosti približno 200 MeV energije. To je 50 milijonov krat več energije, ki se sprosti pri najbolj znani eksotermni reakciji С + O 2 = СO 2 . "Zgorevanje" v jedrskem reaktorju daje gram plutonija 2.107 kcal. Da ne bi kršili tradicije (in v priljubljenih člankih se energija jedrskega goriva običajno meri v zunajsistemskih enotah - tone premoga, bencina, trinitrotoluena itd.), Opažamo tudi: to je energija, ki jo vsebujejo 4 tone premoga. In v navadnem naprstniku je vložena količina plutonija, ki je energijsko enaka štiridesetim tovorom dobrih brezovih drv.
Enaka energija se sprosti med cepljenjem jeder urana-235 z nevtroni. Toda večina naravnega urana (99,3%!) je izotop 238 U, ki ga je mogoče uporabiti le s pretvorbo urana v plutonij ...
Energija kamna
Ocenimo energijske vire, ki jih vsebujejo naravne zaloge urana.
Uran je razpršen element in je tako rekoč povsod. Kdor je na primer obiskal Karelijo, se je zagotovo spomnil granitnih balvanov in obalnih skal. Malokdo pa ve, da je v toni granita do 25 g urana. Graniti predstavljajo skoraj 20% teže zemeljske skorje. Če štejemo samo uran-235, potem je v toni granita 3,5-105 kcal energije. Veliko je, ampak ...
Predelava granita in pridobivanje urana iz njega zahtevata še večjo količino energije - približno 106-107 kcal/t. Zdaj, če bi bilo mogoče uporabiti ne samo uran-235, ampak tudi uran-238 kot vir energije, bi lahko granit obravnavali vsaj kot potencialno energijsko surovino. Potem bi bila energija, pridobljena iz tone kamna, že od 8-107 do 5-108 kcal. To je enako 16-100 ton premoga. In v tem primeru bi lahko granit ljudem dal skoraj milijonkrat več energije kot vse zaloge kemičnega goriva na Zemlji.
Toda jedra urana-238 se ne cepijo z nevtroni. Za jedrsko energijo je ta izotop neuporaben. Natančneje, neuporabno bi bilo, če ga ne bi bilo mogoče spremeniti v plutonij-239. In kar je še posebej pomembno: za to jedrsko transformacijo praktično ni treba porabiti energije - ravno nasprotno, energija se proizvaja v tem procesu!
Poskusimo ugotoviti, kako se to zgodi, a najprej nekaj besed o naravnem plutoniju.
400 tisoč krat manjši od radija
Rečeno je bilo že, da se izotopi plutonija od sinteze elementov med nastankom našega planeta niso ohranili. Toda to ne pomeni, da na Zemlji ni plutonija.
Ves čas nastaja v uranovih rudah. Pri zajemanju nevtronov kozmičnega sevanja in nevtronov, ki nastanejo s spontano (spontano) cepijo jeder urana-238, se nekateri - zelo malo - atomi tega izotopa spremenijo v atome urana-239. Ta jedra so zelo nestabilna, oddajajo elektrone in s tem povečajo svoj naboj. Nastane neptunij - prvi transuranov element. Neptunij-239 je tudi zelo nestabilen, njegova jedra pa oddajajo elektrone. V samo 56 urah se polovica neptunija-239 spremeni v plutonij-239, katerega razpolovna doba je že precej dolga - 24 tisoč let.
Zakaj plutonija ne kopljejo iz uranovih rud?? Majhna, prenizka koncentracija. "Proizvodnja na gram je delo na leto" - gre za radij, plutonij v rudah pa je 400 tisoč krat manj kot radij. Zato je ne samo ekstrahirati - celo odkriti "zemeljski" plutonij je izjemno težko. To je bilo storjeno šele po fizičnem in Kemijske lastnosti plutonij, proizveden v jedrskih reaktorjih.
Plutonij se kopiči v jedrskih reaktorjih. Pri močnih nevtronskih tokovih se zgodi enaka reakcija kot pri uranovih rudah, vendar je hitrost nastajanja in kopičenja plutonija v reaktorju veliko višja - milijardo milijard krat. Za reakcijo pretvorbe balastnega urana-238 v močni plutonij-239 so ustvarjeni optimalni (znotraj sprejemljivih) pogoji.
Če reaktor deluje na toplotnih nevtronih (spomnimo se, da je njihova hitrost približno 2000 m na sekundo, energija pa je delež elektron volta), potem se iz naravne mešanice uranovih izotopov pridobi količina plutonija, nekoliko manjša od količine "izgorelega" urana-235. Ne veliko, a manj, plus neizogibne izgube plutonija med kemičnim ločevanjem od obsevanega urana. Poleg tega se jedrska verižna reakcija nadaljuje v naravni mešanici uranovih izotopov le, dokler se ne porabi majhen del urana-235. Zato je zaključek logičen: "toplotni" reaktor na naravnem uranu - glavni tip trenutno delujočih reaktorjev - ne more zagotoviti razširjene reprodukcije jedrskega goriva. Toda kakšna je potem prihodnost? Da bi odgovorili na to vprašanje, primerjajmo potek jedrske verižne reakcije v uranu-235 in plutoniju-239 ter v naše sklepanje vpeljemo še en fizični koncept.
Najpomembnejša značilnost katerega koli jedrskega goriva je povprečno število oddanih nevtronov po tem, ko je jedro ujelo en nevtron. Fiziki jo imenujejo številka eta in jo označujejo z grško črko c. V "toplotnih" uranovih reaktorjih opazimo naslednji vzorec: vsak nevtron ustvari povprečno 2,08 nevtrona (η=2,08). Plutonij, vstavljen v tak reaktor pod delovanjem toplotnih nevtronov, daje η=2,03. Obstajajo pa tudi reaktorji, ki delujejo na hitre nevtrone. V tak reaktor je neuporabno nalagati naravno mešanico uranovih izotopov: verižna reakcija se ne bo začela. Če pa bodo »surovine« obogatene z uranom-235, se bo ta lahko razvil v »hitrem« reaktorju. V tem primeru bo c že enak 2,23. In plutonij, postavljen pod ogenj s hitrimi nevtroni, bo dal n enak 2,70. Na voljo bomo imeli "ekstra polni nevtron". In to ni dovolj.
Poglejmo, za kaj se porabijo prejeti nevtroni. V vsakem reaktorju je za vzdrževanje jedrske verižne reakcije potreben en nevtron. 0,1 nevtrona absorbirajo konstrukcijski materiali objekta. "Presežek" gre za kopičenje plutonija-239. V enem primeru je "presežek" 1,13, v drugem - 1,60. Po "izgorevanju" kilograma plutonija v "hitrem" reaktorju se sprosti kolosalna energija in nabere se 1,6 kg plutonija. In uran v "hitrem" reaktorju bo dal enako energijo in 1,1 kg novega jedrskega goriva. V obeh primerih je očitna razširjena reprodukcija. Ne smemo pa pozabiti na gospodarstvo.
Zaradi številnih tehničnih razlogov cikel razmnoževanja plutonija traja več let. Recimo pet let. To pomeni, da se bo količina plutonija povečala le za 2% na leto, če je η=2,23, in za 12% pri η=2,7! Jedrsko gorivo je kapital in vsak kapital mora prinesti recimo 5% letno. V prvem primeru so velike izgube, v drugem pa veliki dobički. Ta primitivni primer ponazarja "težo" vsakega desetega števila v jedrski energiji.
Pomembna je tudi druga stvar. Jedrska energija mora slediti rasti povpraševanja po energiji. Izračuni kažejo, da je njegovo stanje v prihodnosti izvedljivo šele, ko se η približa trem. Če bo razvoj jedrskih virov energije zaostajal za potrebami družbe po energiji, bosta možna dva načina: bodisi »upočasniti napredek« ali jemati energijo iz drugih virov. Poznani so: termonuklearna fuzija, energija uničenja snovi in antimaterije, a tehnično še niso na voljo. In ni znano, kdaj bodo resnični viri energije za človeštvo. In energija težkih jeder je za nas že dolgo postala resničnost in danes plutonij kot glavni "dobavitelj" atomske energije nima resnih konkurentov, razen morda urana-233.
Seštevek številnih tehnologij
Ko se zaradi jedrskih reakcij v uranu nabere potrebna količina plutonija, ga je treba ločiti ne le od samega urana, temveč tudi od fisijskih drobcev - tako urana kot plutonija, ki sta izgorela v jedrski verižni reakciji. Poleg tega je v masi urana in plutonija določena količina neptunija. Najtežje je ločiti plutonij od neptunija in redkih zemeljskih elementov (lantanidov). Plutonij kot kemični element je nekoliko nesrečen. S stališča kemika, glavni element jedrska energija - le eden od štirinajstih aktinidov. Tako kot redki zemeljski elementi so tudi vsi elementi aktinijeve serije po kemijskih lastnostih zelo blizu drug drugemu, struktura zunanjih elektronskih lupin atomov vseh elementov od aktinija do 103 je enaka. Še bolj neprijetno je, da so kemične lastnosti aktinidov podobne lastnostim redkih zemeljskih elementov, med fisijskimi drobci urana in plutonija pa je več kot dovolj lantanidov. Toda po drugi strani je lahko 94. element v petih valenčnih stanjih in to "sladka tableto" - pomaga ločiti plutonij tako od urana kot od fisijskih fragmentov.
Valenca plutonija se giblje od tri do sedem. Spojine štirivalentnega plutonija so kemično najbolj stabilne (in posledično najpogostejše in najbolj raziskane).
Ločevanje kemično podobnih aktinidov - urana, neptunija in plutonija - lahko temelji na razliki v lastnostih njihovih tetra- in šestvalentnih spojin.
Vseh stopenj kemičnega ločevanja plutonija in urana ni treba podrobno opisovati. Običajno se njihova ločitev začne z raztapljanjem uranovih palic v dušikovi kislini, po kateri se uran, neptunij, plutonij in elementi fragmentov, ki jih vsebuje raztopina, "ločijo", pri čemer se za to uporabljajo tradicionalne radiokemične metode - obarjanje, ekstrakcija, ionska izmenjava in druge. . Končni produkti te večstopenjske tehnologije, ki vsebujejo plutonij, so njegov dioksid PuO 2 ali fluoridi - PuF 3 ali PuF 4 . Reducirajo se v kovino s hlapi barija, kalcija ali litija. Vendar plutonij, pridobljen v teh procesih, ni primeren za vlogo konstrukcijskega materiala - iz njega je nemogoče izdelati gorive elemente jedrskih reaktorjev, nemogoče je oddati naboj atomske bombe. zakaj? Tališče plutonija - le 640 ° C - je povsem dosegljivo.
Ne glede na to, kakšni "ultra-spared" pogoji se uporabljajo za ulivanje delov iz čistega plutonija, se bodo med strjevanjem v ulitkih vedno pojavile razpoke. Pri 640°C strdi plutonij tvori kubično kristalno mrežo. Ko se temperatura znižuje, se gostota kovine postopoma povečuje. Toda potem je temperatura dosegla 480 ° C, nato pa nenadoma gostota plutonija močno pade. Razloge za to anomalijo so precej hitro odkrili: pri tej temperaturi se atomi plutonija prerazporedijo v kristalni mreži. Postane tetragonalno in zelo "ohlapno". Takšen plutonij lahko plava v lastni talini, kot led na vodi.
Temperatura še naprej pada, zdaj je dosegla 451 ° C, atomi pa so spet tvorili kubično mrežo, vendar se nahajajo drug od drugega na večji razdalji kot v prvem primeru. Z nadaljnjim hlajenjem postane mreža najprej ortorombna, nato monoklinska. Skupno plutonij tvori šest različnih kristalnih oblik! Dva od njih imata izjemno lastnost - negativni koeficient toplotnega raztezanja: z naraščajočo temperaturo se kovina ne razširi, ampak skrči.
Ko temperatura doseže 122°C in atomi plutonija že šestič prerazporedijo svoje vrste, se gostota spremeni še posebej močno - s 17,77 na 19,82 g/cm 3 . Več kot 10%!
V skladu s tem se volumen ingota zmanjša. Če bi kovina še vedno lahko vzdržala napetosti, ki so nastale pri drugih prehodih, je v tem trenutku uničenje neizogibno.
Kako torej narediti dele iz te neverjetne kovine? Metalurzi zlitirajo plutonij (dodajo mu majhne količine potrebnih elementov) in dobijo ulitke brez ene razpoke. Uporabljajo se za izdelavo plutonijevih nabojev za jedrske bombe. Teža naboja (določena je predvsem s kritično maso izotopa) je 5-6 kg. Z lahkoto bi se prilegal v kocko z velikostjo rebra 10 cm.
Težki izotopi plutonija
Plutonij-239 vsebuje tudi majhno količino višjih izotopov tega elementa – z masnima številkama 240 in 241. Izotop 240 Pu je praktično neuporaben – je balast v plutoniju. Iz 241. dobimo americij - element št. 95. V čisti obliki, brez primesi drugih izotopov, lahko plutonij-240 in plutonij-241 pridobimo z elektromagnetnim ločevanjem plutonija, ki se nabira v reaktorju. Pred tem se plutonij dodatno obseva z nevtronskimi tokovi s strogo določenimi lastnostmi. Seveda je vse to zelo zapleteno, še posebej, ker plutonij ni le radioaktiven, ampak tudi zelo strupen. Delo z njim zahteva izjemno previdnost.
Enega najzanimivejših izotopov plutonija, 242 Pu, lahko dobimo z dolgotrajnim obsevanjem 239 Pu v nevtronskih tokovih. 242 Pu zelo redko zajame nevtrone in zato v reaktorju »izgoreva« počasneje kot drugi izotopi; vztraja tudi po tem, ko so preostali izotopi plutonija skoraj popolnoma prešli v drobce ali se spremenili v plutonij-242.
Plutonij-242 je pomemben kot "surovina" za relativno hitro kopičenje višjih elementov transuranija v jedrskih reaktorjih. Če se plutonij-239 obseva v običajnem reaktorju, bo trajalo približno 20 let, da se kopičijo mikrogramske količine plutonija iz gramov, na primer kalifornija-252.
Čas kopičenja višjih izotopov je mogoče zmanjšati s povečanjem intenzivnosti nevtronskega toka v reaktorju. To storijo, potem pa je nemogoče obsevati veliko količino plutonija-239. Konec koncev je ta izotop razdeljen z nevtroni in v intenzivnih tokovih se sprosti preveč energije. Dodatne težave so pri hlajenju reaktorja. Da bi se izognili tem zapletom, bi bilo treba zmanjšati količino obsevanega plutonija. Posledično bi bila proizvodnja Kalifornije spet bedna. Začaran krog!
Plutonij-242 se ne cepi s toplotnimi nevtroni in ga je mogoče obsevati v velikih količinah v intenzivnih nevtronskih tokovih ... Zato so v reaktorjih vsi elementi od americija do fermija »izdelani« iz tega izotopa in se kopičijo v utežnih količinah.
Kadar koli je znanstvenikom uspelo pridobiti nov izotop plutonija, so izmerili razpolovno dobo njegovih jeder. Razpolovna doba izotopov težkih radioaktivnih jeder s sodimi masnimi številkami se redno spreminja. (Enakega ne moremo reči za čudne izotope.)
Ko se masa povečuje, se poveča tudi "življenjska doba" izotopa. Pred nekaj leti je bil plutonij-242 najvišja točka na tem grafu. In kako bo potem šla ta krivulja - z nadaljnjim povečanjem masnega števila? Do točke 1, ki ustreza življenjski dobi 30 milijonov let, ali do točke 2, ki že ustreza 300 milijonom let? Odgovor na to vprašanje je bil za geoznanost zelo pomemben. V prvem primeru, če je bila Zemlja pred 5 milijardami let v celoti sestavljena iz 244 Pu, bi zdaj v celotni masi Zemlje ostal le en atom plutonija-244. Če je druga predpostavka pravilna, je plutonij-244 morda v Zemlji v koncentracijah, ki bi jih lahko že zaznali. Če bi imeli srečo, da bi našli ta izotop na Zemlji, bi znanost prejela najdragocenejše informacije o procesih, ki so se zgodili med nastankom našega planeta.
Razpolovna doba nekaterih izotopov plutonija
Pred nekaj leti so se znanstveniki soočili z vprašanjem: ali je vredno poskušati najti težak plutonij na Zemlji? Za odgovor je bilo treba najprej določiti razpolovno dobo plutonija-244. Teoretiki te vrednosti niso mogli izračunati z zahtevano natančnostjo. Vse upanje je bilo samo za eksperiment.
Plutonij-244 se nabira v jedrskem reaktorju. Element št. 95, americij (izotop 243 Am), je bil obsevan. Ko je zajel nevtron, je ta izotop prešel v americij-244; americij-244 je v enem od 10 tisoč primerov prešel v plutonij-244.
Pripravek plutonija-244 je bil izoliran iz zmesi americija in kurija. Vzorec je tehtal le nekaj milijonink grama. Vendar so bili dovolj za določitev razpolovne dobe tega najbolj zanimivega izotopa. Izkazalo se je, da je enako 75 milijonov let. Kasneje so drugi raziskovalci določili razpolovno dobo plutonija-244, vendar ne veliko - 81 milijonov let. Leta 1971 so sledove tega izotopa našli v mineralu redkih zemelj bastnäsite.
Znanstveniki so veliko poskušali najti izotop transuranovega elementa, ki živi dlje kot 244 Pu. Toda vsi poskusi so bili zaman. Nekoč so upanje polagali na kurij-247, a potem, ko je bil ta izotop nakopičen v reaktorju, se je izkazalo, da je njegova razpolovna doba le 16 milijonov let. Ni bilo mogoče premagati rekorda za plutonij-244 - to je najdlje živi od vseh izotopov transuranskih elementov.
Tudi težji izotopi plutonija so podvrženi beta razpadu, njihova življenjska doba pa se giblje od nekaj dni do nekaj desetink sekunde. Zagotovo vemo, da vsi izotopi plutonija, do 257 Pu, nastanejo v termonuklearnih eksplozijah. Toda njihova življenjska doba je desetinke sekunde, številni kratkoživi izotopi plutonija pa še niso raziskani.
Možnosti prvega izotopa plutonija
In končno - o plutoniju-238 - prvi od "umetnih" izotopov plutonija, izotopa, ki se je sprva zdel neobetaven. Pravzaprav je zelo zanimiv izotop. Podvržen je alfa razpadu, to pomeni, da njegova jedra spontano oddajajo alfa delce - jedra helija. Alfa delci, ki jih ustvarijo jedra plutonija-238, nosijo veliko energije; razpršena v snov, se ta energija pretvori v toploto. Kako velika je ta energija? Ko razpade eno atomsko jedro plutonija-238, se sprosti šest milijonov elektron voltov. V kemijska reakcija enaka energija se sprosti pri oksidaciji več milijonov atomov. Vir električne energije, ki vsebuje en kilogram plutonija-238, razvije toplotno moč 560 vatov. Največja moč kemičnega tokovnega vira enake mase je 5 vatov.
Obstaja veliko oddajnikov s podobnimi energijskimi lastnostmi, vendar ena lastnost plutonija-238 naredi ta izotop nepogrešljiv. Običajno alfa razpad spremlja močno gama sevanje, ki prodira skozi velike debeline snovi. 238 Pu je izjema. Energija gama kvantov, ki spremlja razpad njegovih jeder, je nizka in pred njo se ni težko ubraniti: sevanje absorbira tankostenska posoda. Tudi verjetnost spontane jedrske cepitve tega izotopa je majhna. Zato je našel uporabo ne le v trenutnih virih, ampak tudi v medicini. Baterije s plutonijem-238 služijo kot vir energije v posebnih srčnih stimulatorjih.
Toda 238 Pu ni najlažji od znanih izotopov elementa št. 94, pridobljeni so izotopi plutonija z masnimi številkami od 232 do 237. Razpolovna doba najlažjega izotopa je 36 minut.
Plutonij je velika tema. Tukaj je najpomembnejše od najpomembnejših. Konec koncev je že postala standardna fraza, da je bila kemija plutonija raziskana veliko bolje kot kemija tako "starih" elementov, kot je železo. O jedrskih lastnostih plutonija so bile napisane cele knjige. Metalurgija plutonija je še en neverjeten del človeškega znanja ... Zato ne smete misliti, da ste po branju te zgodbe zares spoznali plutonij - esencialna kovina 20. stoletje
- KAKO SE IZVAJA PLUTONIJ. Radioaktivni in strupeni plutonij med transportom zahteva posebno skrb. Kontejner je bil zasnovan posebej za njegov transport - kontejner, ki se ne zruši niti med letalskimi nesrečami. Izdelana je precej preprosto: je posoda iz nerjavnega jekla z debelimi stenami, obdana z lupino iz mahagonija. Očitno se plutonij splača, a predstavljajte si, kako debele morajo biti stene, če veste, da je zabojnik za prevoz samo dveh kilogramov plutonija težak 225 kg!
- STRUP IN PROTISTRUP. 20. oktobra 1977 je agencija France-Presse poročala, da je bila najdena kemična spojina, ki bi lahko odstranila plutonij iz človeškega telesa. Nekaj let pozneje je o tej spojini postalo veliko znanega. Ta kompleksna spojina je linearni karboksilazni katehinamid, snov iz razreda kelatov (iz grščine - "hela" - krempelj). V ta kemični krempelj se ujame atom plutonija, prost ali vezan. Pri laboratorijskih miših se je s pomočjo te snovi iz telesa odstranilo do 70 % absorbiranega plutonija. Verjame se, da bo ta spojina v prihodnosti pomagala pridobivati plutonij iz industrijskih odpadkov in jedrskega goriva.
Plutonij so odkrili konec leta 1940 na Kalifornijski univerzi. Sintetizirali so ga McMillan, Kennedy in Wahl z bombardiranjem uranovega oksida (U 3 O 8) z devterijevimi jedri (devteroni), močno pospešenimi v ciklotronu. Kasneje je bilo ugotovljeno, da ta jedrska reakcija najprej proizvaja kratkoživi izotop neptunij-238, iz njega pa že plutonij-238 z razpolovno dobo približno 50 let. Leto pozneje so Kennedy, Seaborg, Segre in Wahl sintetizirali pomembnejši izotop, plutonij-239, z obsevanjem urana z zelo pospešenimi nevtroni v ciklotronu. Plutonij-239 nastane iz razpada neptunija-239; oddaja alfa žarke in ima razpolovno dobo 24.000 let. Čisto spojino plutonija so prvič pridobili leta 1942. Potem je postalo znano, da je naravni plutonij, ki ga najdemo v uranovih rudah, zlasti v rudah, nahajališčih v Kongu.
Ime elementa je bilo predlagano leta 1948: McMillan je prvi transuranski element imenoval neptunij zaradi dejstva, da je planet Neptun prvi zunaj Urana. Po analogiji so se odločili poimenovati element 94 plutonij, saj je planet Pluton drugi planet za Uranom. Pluton, odkrit leta 1930, je dobil ime po imenu boga Plutona, vladarja podzemlja v grški mitologiji. V začetek XIX v. Clark je predlagal, da bi element poimenovali barij plutonij, ki je to ime dobil neposredno iz imena boga Plutona, vendar njegov predlog ni bil sprejet.
Plutonij za orožje je plutonij v obliki kompaktne kovine, ki vsebuje vsaj 93,5 % izotopa 239Pu. Zasnovan za izdelavo jedrskega orožja.
1.Ime in značilnosti
Imenujejo ga "orožje", da ga razlikujejo od "reaktorja". Plutonij nastane v katerem koli jedrskem reaktorju, ki deluje na naravnem ali nizko obogatenem uranu, ki vsebuje predvsem izotop 238U, ko zajame presežne nevtrone. Toda ko reaktor deluje, izotop plutonija za orožje hitro izgori, posledično se v reaktorju kopiči veliko število izotopov 240Pu, 241Pu in 242Pu, ki nastanejo med zaporednim zajemanjem več nevtronov - od izgorevanja globino običajno določajo ekonomski dejavniki. Manjša kot je globina izgorevanja, manj izotopov 240Pu, 241Pu in 242Pu bo vsebovano v plutoniju, ločenem od obsevanega jedrskega goriva, vendar manj plutonija nastane v gorivu.
Potrebna je posebna proizvodnja plutonija za orožje, ki vsebuje skoraj izključno 239Pu, predvsem zato, ker izotopi z masnimi številkami 240 in 242 ustvarjajo visoko nevtronsko ozadje, ki otežuje načrtovanje učinkovitega jedrskega orožja, poleg tega imata 240Pu in 241Pu bistveno krajši razpolovni čas kot 239Pu, zaradi katerega se plutonijevi deli segrejejo, zato je treba v zasnovo jedrskega orožja dodatno uvesti elemente hladilnega telesa. Tudi čisti 239Pu je toplejši od človeškega telesa. Poleg tega produkti razpada težkih izotopov poškodujejo kristalno mrežo kovine, kar lahko privede do spremembe oblike plutonijevih delov, kar je polno okvare jedrske eksplozivne naprave.
Načeloma je vse te težave mogoče premagati, jedrske eksplozivne naprave iz "reaktorskega" plutonija pa so bile uspešno preizkušene v strelivu, kjer igrajo pomembno vlogo kompaktnost, majhna teža, zanesljivost in vzdržljivost, izključno posebej izdelana plutonij za orožje. Kritična masa kovinskega 240Pu in 242Pu je zelo visoka, 241Pu je nekoliko večja od mase 239Pu.
2.Proizvodnja
V ZSSR so proizvodnjo orožnega plutonija najprej izvajali v tovarni Mayak v Ozersku (prej Chelyabinsk-40, Chelyabinsk-65), nato v Sibirski kemični tovarni v Seversku (prej Tomsk-7), kasneje v Krasnojarsku. Začelo se je rudarjenje - kemična tovarna v Železnogorsku (znana tudi kot Sotsgorod in Krasnojarsk-26). Proizvodnja plutonija za orožje je v Rusiji prenehala leta 1994. Leta 1999 sta bila ugasnjena reaktorja v Ozyorsku in Seversku, leta 2010 je bil zaprt zadnji reaktor v Železnogorsku.
V Združenih državah so plutonij za orožje proizvajali na več lokacijah, kot je kompleks Hanford v državi Washington. Proizvodnja je bila zaprta leta 1988.
3. Sinteza novih elementov
Preoblikovanje nekaterih atomov v druge se zgodi med interakcijo atomskih ali subatomskih delcev. Od tega so v velikih količinah na voljo le nevtroni. Gigavatni jedrski reaktor proizvede približno 3,75 kg (ali 4 * 1030) nevtronov med letom.
4. Proizvodnja plutonija
Atomi plutonija nastanejo kot posledica verige atomskih reakcij, začenši z zajetjem nevtrona z atomom urana-238:
U238 + n -> U239 -> Np239 -> Pu239
ali natančneje:
0n1 + 92U238 -> 92U239 -> -1e0 + 93Np239 -> -1e0 + 94Pu239
Z nenehnim obsevanjem lahko nekateri atomi plutonija-239 zajamejo nevtron in se spremenijo v težji izotop plutonija-240:
Pu239 + n -> Pu240
Za pridobitev plutonija v zadostnih količinah so potrebni najmočnejši nevtronski tokovi. Ti nastajajo v jedrskih reaktorjih. Načeloma je vsak reaktor vir nevtronov, vendar je za industrijsko proizvodnjo plutonija naravno uporabiti enega, posebej zasnovanega za to.
Prvi komercialni reaktor za proizvodnjo plutonija na svetu je B-reaktor v Hanfordu. Zaslužen 26. septembra 1944, moč - 250 MW, produktivnost - 6 kg plutonija na mesec. Vseboval je približno 200 ton kovinskega urana, 1200 ton grafita in bil ohlajen z vodo s hitrostjo 5 kubičnih metrov na minuto.
Polnilna plošča reaktorja Hanford z uranovimi kartušami:
Shema njegovega dela. V reaktorju za obsevanje urana-238 nastajajo nevtroni kot posledica stacionarne verižne reakcije cepitve jeder urana-235. V povprečju nastane 2,5 nevtrona na cepitev U-235. Za vzdrževanje reakcije in hkratno proizvodnjo plutonija je potrebno, da bi U-238 v povprečju absorbiral enega ali dva nevtrona, eden pa bi povzročil cepitev naslednjega atoma U-235.
Nevtroni, ki nastanejo med cepljenjem urana, imajo zelo visoke hitrosti. Atomi urana so razporejeni tako, da je zajetje hitrih nevtronov z jedri tako U-238 kot U-235 malo verjetno. Zato se hitri nevtroni, ki so doživeli več trkov z okoliškimi atomi, postopoma upočasnijo. Hkrati jedra U-238 absorbirajo takšne nevtrone (srednje hitrosti) tako močno, da ne ostane nič za cepitev U-235 in vzdrževanje verižne reakcije (U-235 je ločen od počasnih, toplotnih nevtronov).
S tem se bori moderator, ki obdaja bloke z uranom, nekakšno lahko snovjo. V njem se nevtroni upočasnijo brez absorpcije, pri čemer doživijo elastične trke, v vsakem od katerih se izgubi majhen del energije. Dobri moderatorji so voda, ogljik. Tako nevtroni, upočasnjeni na toplotne hitrosti, potujejo skozi reaktor, dokler ne povzročijo cepitve U-235 (U-238 jih absorbira zelo šibko). Z določeno konfiguracijo moderatorja in uranovih palic se bodo ustvarili pogoji za absorpcijo nevtronov ter U-238 in U-235.
Izotopska sestava nastalega plutonija je odvisna od trajanja uranovih palic v reaktorju. Zaradi dolgotrajnega obsevanja uranove kasete nastane znatno kopičenje Pu-240. S kratkim časom zadrževanja urana v reaktorju dobimo Pu-239 z nepomembno vsebnostjo Pu-240.
Pu-240 je škodljiv za proizvodnjo orožja iz naslednjih razlogov:
1. Je manj cepljiv kot Pu-239, zato je za izdelavo orožja potrebno nekoliko več plutonija.
2. Drugi, veliko pomembnejši razlog. Stopnja spontane cepitve v Pu-240 je veliko višja, kar ustvarja močno nevtronsko ozadje.
V zelo zgodnjih letih razvoja atomskega orožja je bila emisija nevtronov (močno nevtronsko ozadje) problem na poti do zanesljivega in učinkovitega polnjenja zaradi prezgodnje detonacije. Močni nevtronski tokovi so oteževali ali onemogočali stiskanje jedra bombe, ki vsebuje več kilogramov plutonija, v superkritično stanje – pred tem ga je uničil najmočnejši, a še vedno ne največji možni izkoristek energije. Pojav mešanih jeder, ki vsebujejo visoko obogaten U-235 in plutonij (v poznih štiridesetih letih prejšnjega stoletja) - je premagal to težavo, ko je postalo mogoče uporabiti relativno majhne količine plutonija v večinoma uranovih jedrih. Naslednja generacija nabojev, naprav z izboljšano fuzijo (sredi petdesetih let prejšnjega stoletja), je popolnoma odpravila to težavo in zagotovila visoko sproščanje energije, tudi pri začetnih fisijskih nabojih z majhno močjo.
Plutonij, proizveden v posebnih reaktorjih, vsebuje relativno majhen odstotek Pu-240 (<7%), плутоний "оружейного качества"; в реакторах АЭС отработанное ядерное топливо имеет концентрацию Pu-240 более 20%, плутоний "реакторного качества".
V reaktorjih za posebne namene se uran nahaja za relativno kratek čas, v katerem ne izgori ves U-235 in ne preide ves U-238 v plutonij, ampak nastane tudi manjša količina Pu-240.
Obstajata dva razloga za proizvodnjo plutonija z nizko vsebnostjo Pu-240:
Ekonomski: edini razlog za obstoj plutonijevih posebnih reaktorjev. Razpad plutonija s fisijo ali pretvorba v manj cepljiv Pu-240 zmanjša donos in poveča stroške proizvodnje (do točke, ko bo njegova cena uravnotežena s stroški predelave obsevanega goriva z majhno koncentracijo plutonija).
Težave pri rokovanju: Čeprav emisija nevtronov ni tako velik problem za oblikovalce orožja, lahko povzroči težave pri izdelavi in ravnanju s takšnim nabojem. Nevtroni dodatno prispevajo k poklicni izpostavljenosti tistih, ki sestavljajo ali vzdržujejo orožje (nevtroni sami nimajo ionizirajočega učinka, ustvarjajo pa sposobne protone). Pravzaprav naboji za neposredni stik z ljudmi, kot je Davy Crocket, lahko iz tega razloga zahtevajo ultra čist plutonij z nizkimi emisijami nevtronov.
Neposredno litje in predelava plutonija se izvaja ročno v zaprtih komorah z rokavicami za operaterja. Kot te:
To pomeni zelo malo zaščite človeka pred plutonijem, ki oddaja nevtrone. Zato plutonij z visoko vsebnostjo Pu-240 obdelujejo samo manipulatorji ali pa je čas dela z njim za vsakega delavca strogo omejen.
Zaradi vseh teh razlogov (radioaktivnost, najslabše lastnosti Pu-240) je razloženo, zakaj se reaktorski plutonij ne uporablja za izdelavo orožja - ceneje je proizvajati orožni plutonij v specialki. reaktorji. Čeprav je očitno mogoče izdelati tudi jedrsko eksplozivno napravo iz reaktorja.
plutonijev obroč
Ta prstan je izdelan iz elektrolitsko prečiščene kovine plutonija (več kot 99,96 % čiste). Značilno za prstane, ki jih pripravljajo v Los Alamosu in pošiljajo v Rocky Flets, da bi jih izdelali v orožje, preden so nedavno prenehali proizvodnjo. Masa obroča je 5,3 kg, kar zadostuje za izdelavo sodobnega strateškega naboja, premer je približno 11 cm, oblika obroča je pomembna za zagotavljanje kritične varnosti.
Odlitek iz plutonijeve galijeve zlitine, pridobljen iz jedra orožja:
Plutonij med projektom Manhattan
Zgodovinsko gledano je bilo prvih 520 miligramov kovinskega plutonija, ki sta jih proizvedla Ted Magel in Nick Dallas v Los Alamosu 23. marca 1944:
Stiskalnica za vroče stiskanje plutonijevo-galijeve zlitine v obliki polkrog. Ta stiskalnica je bila uporabljena v Los Alamosu za izdelavo plutonijevih jeder za naboje v Nagasakiju in operaciji Trinity.
Izdelki na njej:
Dodatni stranski produkti plutonija
Zajetje nevtrona, ki ga ne spremlja cepitev, ustvari nove izotope plutonija: Pu-240, Pu-241 in Pu-242. Zadnji dve se kopičita v nepomembnih količinah.
Pu239 + n -> Pu240
Pu240 + n -> Pu241
Pu241 + n -> Pu242
Možna je tudi stranska veriga reakcij:
U238 + n -> U237 + 2n
U237 -> (6,75 dni, beta razpad) -> Np237
Np237 + n -> Np238
Np238 -> (2,1 dneva, beta razpad) -> Pu238
Celotno merilo izpostavljenosti (izčrpanosti) gorivne celice je mogoče izraziti v megavatnih dneh/tono (MW-dan/t). plutonij za orožje kakovost pridobivajo iz elementov z majhno količino MW-dan/t, proizvaja manj izotopov stranskih produktov. Gorivne celice v sodobnih reaktorjih z vodo pod tlakom dosegajo nivoje 33.000 MWd/t. Tipična izpostavljenost v reaktorju za razmnoževanje orožja je 1000 MWd/t. Plutonij v reaktorjih z grafitnim moderiranjem Hanford je obsevan do 600 MWd/t, reaktor na težki vodi Savannah proizvaja plutonij enake kakovosti pri 1000 MWd/t (verjetno zaradi nekaterih nevtronov, ki gredo v proizvodnjo tritija). Med projektom Manhattan je gorivo naravnega urana prejelo le 100 MW-dan/t, s čimer je nastal zelo kakovosten plutonij-239 (le 0,9-1 % Pu-240, drugi izotopi tudi v manjših količinah).
Podobne informacije.
| plutonij | |
|---|---|
| atomsko število | 94 |
| Videz preproste snovi | |
| Lastnosti atoma | |
| Atomska masa (molska masa) |
244,0642 a. e. m. (/mol) |
| Polmer atoma | 151 zvečer |
| Ionizacijska energija (prvi elektron) |
491,9 (5,10) kJ/mol (eV) |
| Elektronska konfiguracija | 5f 6 7s 2 |
| Kemijske lastnosti | |
| kovalentni polmer | n/a popoldan |
| Ionski polmer | (+4e) 93 (+3e) 108 |
| Elektronegativnost (po Paulingu) |
1,28 |
| Potencial elektrode | Pu ← Pu 4+ -1,25 V Pu←Pu 3+ -2,0V Pu ← Pu 2+ -1,2V |
| Oksidacijska stanja | 6, 5, 4, 3 |
| Termodinamične lastnosti preproste snovi | |
| Gostota | 19,84 /cm³ |
| Molarna toplotna zmogljivost | 32,77 J /(mol) |
| Toplotna prevodnost | (6,7) W /( ) |
| Temperatura taljenja | 914 |
| Toplota taljenja | 2,8 kJ/mol |
| Temperatura vrelišča | 3505 |
| Toplota izhlapevanja | 343,5 kJ / mol |
| Molarni volumen | 12,12 cm³/mol |
| Kristalna mreža preproste snovi | |
| Rešetkasta struktura | monoklinika |
| Parametri rešetke | a=6,183 b=4,822 c=10,963 β=101,8 |
| razmerje c/a | — |
| Debye temperatura | 162 |
plutonij- radioaktivni kemični element skupine aktinidov, ki se pogosto uporablja v proizvodnji jedrska orožja(tako imenovani "plutonij za orožje"), pa tudi (eksperimentalno) kot jedrsko gorivo za jedrske reaktorje za civilne in raziskovalne namene. Prvi umetni element, pridobljen v količinah, ki so na voljo za tehtanje (1942).
Tabela na desni prikazuje glavne lastnosti α-Pu, glavne alotropne modifikacije plutonija, pri sobni temperaturi in normalnem tlaku.
Zgodovina plutonija
Plutonijev izotop 238 Pu je 23. februarja 1941 prvič umetno pridobila skupina ameriških znanstvenikov pod vodstvom Glenna Seaborga z obsevanjem jeder. uran devteroni. Omeniti velja, da je bil plutonij v naravi odkrit šele po umetni proizvodnji: zanemarljive količine 239 Pu se običajno nahajajo v uranovih rudah kot produkt radioaktivne transformacije urana.
Iskanje plutonija v naravi
V uranovih rudah zaradi zajemanja nevtronov (na primer nevtronov iz kozmičnega sevanja) z uranovimi jedri, neptunija(239 Np), katerega produkt β-razpada je naravni plutonij-239. Vendar plutonij nastaja v takih mikroskopskih količinah (0,4-15 delov Pu na 10 12 delov U), da o njegovem pridobivanju iz uranovih rud ne pride v poštev.
izvor imena plutonij
Leta 1930 je astronomski svet navdušila izjemna novica: odkrit je bil nov planet, o obstoju katerega je dolgo govoril Percival Lovell, astronom, matematik in avtor fantastičnih esejev o življenju na Marsu. Na podlagi dolgoletnih opazovanj gibanj uran in Neptun Lovell je prišel do zaključka, da mora onkraj Neptuna v sončnem sistemu obstajati še en, deveti planet, štiridesetkrat dlje od Sonca kot Zemlja.
Ta planet, katerega elemente orbite je Lovell izračunal že leta 1915, je odkril na fotografskih posnetkih, ki jih je 21., 23. in 29. januarja 1930 posnel astronom K. Tombo na observatoriju Flagstaff ( ZDA) . Planet je dobil ime Pluton. Po imenu tega planeta, ki se nahaja v sončnem sistemu onkraj Neptuna, je bil 94. element poimenovan plutonij, umetno pridobljen konec leta 1940 iz jeder atomi uran skupina ameriških znanstvenikov pod vodstvom G. Seaborga.
Fizične lastnosti plutonij
Obstaja 15 izotopov plutonija - V največjih količinah dobimo izotope z masnim številom od 238 do 242:
238 Pu -> (razpolovna doba 86 let, alfa razpad) -> 234 U,
Ta izotop se uporablja skoraj izključno v vesoljskih RTG, na primer na vseh napravah, ki so letele izven orbite Marsa.
239 Pu -> (razpolovna doba 24.360 let, alfa razpad) -> 235 U,
Ta izotop je najbolj primeren za načrtovanje jedrskega orožja in jedrskih reaktorjev s hitrimi nevtroni.
240 Pu -> (razpolovna doba 6580 let, alfa razpad) -> 236 U, 241 Pu -> (razpolovna doba 14,0 let, beta razpad) -> 241 Am, 242 Pu -> (razpolovna doba 370.000 let, alfa -razpad) -> 238 U
Ti trije izotopi niso resnega industrijskega pomena, vendar jih dobimo kot stranske produkte, ko energijo pridobivamo v jedrskih reaktorjih na uranu, z zaporednim zajemanjem več nevtronov z jedri urana-238. Izotop 242 je po jedrskih lastnostih najbolj podoben uranu-238. Americij-241, ki nastane z razpadom izotopa 241, je bil uporabljen v detektorjih dima.
Plutonij je zanimiv po tem, da je podvržen šestim faznim prehodom od temperature strjevanja do sobne temperature, bolj kot kateri koli drug kemični element. Pri slednjem se gostota naglo poveča za 11 %, posledično plutonijevi ulitki počijo. Alfa faza je stabilna pri sobni temperaturi, katere značilnosti so podane v tabeli. Za uporabo sta bolj priročna delta faza, ki ima nižjo gostoto, in kubična mreža, osredotočena na telo. Plutonij v delta fazi je zelo duktilen, medtem ko je alfa faza krhka. Za stabilizacijo plutonija v delta fazi se uporablja legiranje s trivalentnimi kovinami (galij je bil uporabljen v prvih jedrskih nabojih).
Uporaba plutonija
Prvi jedrski naboj na osnovi plutonija je bil eksplodiran 16. julija 1945 na poligonu Alamogordo (test s kodnim imenom "Trinity").
Biološka vloga plutonija
Plutonij je zelo strupen; MPC za 239 Pu v odprtih vodnih telesih in v zraku delovnih prostorov je 81,4 oziroma 3,3*10 −5 Bq/l. Večina plutonijevih izotopov ima visoko ionizacijsko gostoto in kratko pot delcev, zato je njegova strupenost posledica ne toliko njegovih kemičnih lastnosti (verjetno v tem pogledu plutonij ni nič bolj strupen kot druge težke kovine), temveč ionizirajočega učinka na okoliških telesnih tkiv. Plutonij spada v skupino elementov s posebno visoko radiotoksičnostjo. V telesu plutonij povzroči velike nepopravljive spremembe v okostju, jetrih, vranici, ledvicah in povzroča raka. Največja dovoljena vsebnost plutonija v telesu ne sme presegati desetink mikrograma.
Umetniška dela, povezana s temo plutonij
- Plutonij je bil uporabljen za stroj De Lorean DMC-12 v filmu Nazaj v prihodnost kot gorivo za pretočni akumulator za potovanje v prihodnost ali preteklost.
- Plutonij je bil obtožen atomske bombe, ki so jo eksplodirali teroristi v Denverju v ZDA, v delu Toma Clancyja "Vsi strahovi sveta"
- Kenzaburo Oe "Pinchrunner's Notes"
- Leta 2006 je podjetje "Beacon Pictures" izdalo film "Plutonij-239" ( "Pu-239")
Plutonij (latinsko Plutonium, označen s simbolom Pu) je radioaktivni kemični element z atomsko številko 94 in atomsko maso 244,064. Plutonij je element skupine III periodnega sistema Dmitrija Ivanoviča Mendelejeva, spada v družino aktinidov. Plutonij je težka (gostota v normalnih pogojih 19,84 g/cm³), krhka, srebrno bela radioaktivna kovina.
Plutonij nima stabilnih izotopov. Od stotih možnih izotopov plutonija je bilo sintetiziranih petindvajset. Petnajst od njih je bilo raziskanih za jedrske lastnosti (masna števila 232-246). Štirje so našli praktično uporabo. Najdaljše živeči izotopi - 244Pu (razpolovna doba 8.26.107 let), 242Pu (razpolovna doba 3.76 105 let), 239Pu (razpolovna doba 2.41 104 leta), 238Pu (razpolovna doba 8.26.107 let) in α-7 litrov -7,7. 241Pu (razpolovna doba 14 let) - β-emiter. V naravi se plutonij pojavlja v sledovih v uranovih rudah (239Pu); nastane iz urana pod delovanjem nevtronov, katerih viri so reakcije, ki nastanejo pri interakciji α-delcev z lahkimi elementi (ki so del rud), spontana cepitev uranovih jeder in kozmično sevanje.
Štiriindevetdeseti element je odkrila skupina ameriških znanstvenikov - Glenn Seaborg, Kennedy, Edwin McMillan in Arthur Wahl leta 1940 v Berkeleyju (na kalifornijski univerzi) med bombardiranjem tarče uranovega oksida (U3O8) z zelo pospešenimi jedri devterija. (devteroni) iz šestdesetinčnega ciklotrona. Maja 1940 je lastnosti plutonija napovedal Louis Turner.
Decembra 1940 je bil odkrit plutonijev izotop Pu-238 z razpolovno dobo ~90 let, leto pozneje - pomembnejši Pu-239 z razpolovno dobo ~24.000 let.
Edwin Macmillan je leta 1948 predlagal, da se kemični element imenuje plutonij v čast odkritja novega planeta Pluton in po analogiji z neptunijem, ki je bil poimenovan po odkritju Neptuna.
Kovinski plutonij (izotop 239Pu) se uporablja v jedrskem orožju in služi kot jedrsko gorivo za energijske reaktorje, ki delujejo na toplotne in predvsem hitre nevtrone. Kritična masa za 239Pu v obliki kovine je 5,6 kg. Izotop 239Pu je med drugim izhodišče za proizvodnjo transplutonijevih elementov v jedrskih reaktorjih. Izotop 238Pu se uporablja v majhnih jedrskih virih električni tok uporablja v vesoljskih raziskavah, pa tudi v stimulatorjih srčne aktivnosti človeka.
Plutonij-242 je pomemben kot "surovina" za relativno hitro kopičenje višjih elementov transuranija v jedrskih reaktorjih. δ-stabilizirane plutonijeve zlitine se uporabljajo pri izdelavi gorivnih celic, saj imajo boljše metalurške lastnosti v primerjavi s čistim plutonijem, ki pri segrevanju doživi fazne prehode. Plutonijevi oksidi se uporabljajo kot vir energije za vesoljsko tehnologijo in se uporabljajo v gorivnih palicah.
Vse plutonijeve spojine so strupene, kar je posledica α-sevanja. Alfa delci predstavljajo resno nevarnost, če je njihov vir v telesu okužene osebe, poškodujejo telesna tkiva, ki obdajajo element. Plutonijevo gama sevanje ni škodljivo za telo. Upoštevati je treba, da imajo različni izotopi plutonija različno strupenost, na primer, tipični reaktorski plutonij je 8-10-krat bolj strupen kot čisti 239Pu, saj v njem prevladujejo nuklidi 240Pu, ki je močan vir alfa sevanja. Plutonij je najbolj radiotoksični element od vseh aktinidov, vendar velja za daleč od najbolj nevarnega elementa, saj je radij skoraj tisočkrat nevarnejši od najbolj strupenega plutonijevega izotopa - 239Pu.
Biološke lastnosti
Plutonij koncentrirajo morski organizmi: koeficient kopičenja te radioaktivne kovine (razmerje koncentracij v telesu in zunanjem okolju) za alge je 1000-9000, za plankton - približno 2300, za morske zvezde - približno 1000, za mehkužce - do 380, za mišice, kosti, jetra in želodec rib - 5, 570, 200 in 1060. Kopenske rastline asimilirajo plutonij predvsem skozi koreninski sistem in ga kopičijo do 0,01 % svoje mase. V človeškem telesu se štiriindevetdeseti element zadrži predvsem v okostju in jetrih, od koder se skoraj ne izloča (predvsem iz kosti).
Plutonij je zelo strupen, njegova kemična nevarnost (kot vsaka druga težka kovina) pa je veliko šibkejša (s kemijskega vidika je tudi strupen kot svinec.) V primerjavi z radioaktivno strupenostjo, ki je posledica alfa sevanja. Poleg tega imajo α-delci relativno nizko prodorno moč: za 239Pu je razpon α-delcev v zraku 3,7 cm, v mehkem biološkem tkivu pa 43 mikronov. Zato predstavljajo α-delci resno nevarnost, če je njihov vir v telesu okuženega. Pri tem poškodujejo okoliška tkiva telesa.
Hkrati pa γ-žarki in nevtroni, ki jih oddaja tudi plutonij in ki lahko prodrejo v telo od zunaj, niso zelo nevarni, saj je njihova raven prenizka, da bi škodovala zdravju. Plutonij spada v skupino elementov s posebno visoko radiotoksičnostjo. Hkrati imajo različni izotopi plutonija različno strupenost, na primer tipični reaktorski plutonij je 8-10-krat bolj strupen kot čisti 239Pu, saj v njem prevladujejo nuklidi 240Pu, ki je močan vir alfa sevanja.
Če ga zaužijemo v vodi in hrani, je plutonij manj strupen kot snovi, kot so kofein, nekateri vitamini, psevdoefedrin ter številne rastline in glive. To je posledica dejstva, da se ta element slabo absorbira v prebavnem traktu, tudi če ga jemljemo v obliki topne soli, je prav ta sol vezana na vsebino želodca in črevesja. Vendar pa lahko zaužitje 0,5 grama fino razdrobljenega ali raztopljenega plutonija povzroči smrt zaradi akutnega prebavnega obsevanja v dneh ali tednih (za cianid je ta vrednost 0,1 grama).
Z vidika vdihavanja je plutonij navaden toksin (približno ustreza hlapom živega srebra). Pri vdihavanju je plutonij kancerogen in lahko povzroči pljučni rak. Torej, ko se sto miligramov plutonija vdihne v obliki delcev optimalne velikosti za zadrževanje v pljučih (1-3 mikrone), vodi do smrti zaradi pljučnega edema v 1-10 dneh. Odmerek dvajset miligramov vodi do smrti zaradi fibroze v približno enem mesecu. Manjši odmerki vodijo do kronične kancerogene zastrupitve. Tveganje za vdihavanje plutonija v telo se poveča zaradi dejstva, da plutonij nagiba k tvorbi aerosolov.
Kljub temu, da je kovina, je zelo hlapljiva. Kratko bivanje kovine v prostoru znatno poveča njeno koncentracijo v zraku. Ko pride v pljuča, se plutonij delno usede na površino pljuč, delno preide v kri, nato pa v limfo in kostni mozeg. Večina (približno 60 %) gre v kostno tkivo, 30 % v jetra in le 10 % se izloči naravno. Količina zaužitega plutonija je odvisna od velikosti aerosolnih delcev in topnosti v krvi.
Plutonij, ki tako ali drugače vstopa v človeško telo, je po lastnostih podoben železovemu železu, zato se plutonij, ko vstopi v cirkulacijski sistem, začne koncentrirati v tkivih, ki vsebujejo železo: kostni mozeg, jetra, vranica. Telo zaznava plutonij kot železo, zato protein transferin namesto železa vzame plutonij, ki ustavi prenos kisika v telesu. Mikrofagi razpršijo plutonij skozi bezgavke. Plutonij, ki je vstopil v telo, se iz njega odstrani zelo dolgo - več kot 50 let se bo iz telesa odstranilo le 80%. Razpolovna doba izločanja iz jeter je 40 let. Za kostno tkivo je razpolovna doba plutonija 80-100 let, pravzaprav je koncentracija štiriindevetdesetega elementa v kosteh konstantna.
Med drugo svetovno vojno in po njej so znanstveniki, ki so delali v projektu Manhattan, pa tudi znanstveniki iz Tretjega rajha in drugih raziskovalnih organizacij, izvajali poskuse s plutonijem na živalih in ljudeh. Študije na živalih so pokazale, da je nekaj miligramov plutonija na kilogram tkiva smrtonosni odmerek. Uporaba plutonija pri ljudeh je bila v tem, da so kronično bolnim bolnikom običajno injicirali intramuskularno 5 mikrogramov plutonija. Na koncu je bilo ugotovljeno, da je smrtonosna doza za bolnika en mikrogram plutonija, plutonij pa je nevarnejši od radija in nagnjen k kopičenju v kosteh.
Kot veste, je plutonij element, ki ga v naravi praktično ni. Vendar pa je bilo okoli pet ton tega izpuščenega v ozračje zaradi jedrskih poskusov v obdobju 1945-1963. Skupna količina plutonija, izpuščenega v ozračje zaradi jedrskih poskusov pred osemdesetimi leti prejšnjega stoletja, je ocenjena na 10 ton. Po nekaterih ocenah tla v Združenih državah Amerike vsebujejo povprečno 2 milikurija (28 mg) plutonija na km2 zaradi padavin, prisotnost plutonija v Tihem oceanu pa je povečana v primerjavi s celotno porazdelitvijo jedrskih materialov na zemljo.
Slednji pojav je povezan z izvajanjem ameriških jedrskih poskusov na ozemlju Marshallovih otokov na pacifiškem poligonu sredi petdesetih let prejšnjega stoletja. Čas bivanja plutonija v površinskih vodah oceana je od 6 do 21 let, vendar tudi po tem obdobju plutonij pade na dno skupaj z biogenimi delci, iz katerih se zaradi mikrobne razgradnje obnovi v topne oblike. .
Onesnaževanje sveta s štiriindevetdesetim elementom ni povezano le z jedrskimi poskusi, ampak tudi z nesrečami v proizvodnji in opremi, ki deluje s tem elementom. Tako je januarja 1968 na Grenlandiji strmoglavil B-52 ameriških letalskih sil s štirimi jedrskimi bojnimi glavami. Zaradi eksplozije so bili naboji uničeni in plutonij je iztekel v ocean.
Še en primer radioaktivne kontaminacije okolja kot posledica nesreče se je zgodil s sovjetskim vesoljskim plovilom Kosmos-954 24. januarja 1978. Zaradi nenadzorovane de-orbite je satelit z jedrskim virom energije na krovu padel na ozemlje Kanade. Nesreča je v okolje sprostila več kot kilogram plutonija-238, ki se je razširil na površino okoli 124.000 m².
Najbolj grozljiv primer nenamernega izpusta radioaktivnih snovi v okolje je nesreča v jedrski elektrarni Černobil, ki se je zgodila 26. aprila 1986. Zaradi uničenja četrte elektrarne je bilo na območju približno 2200 km² v okolje izpuščenih 190 ton radioaktivnih snovi (vključno z izotopi plutonija).
Izpust plutonija v okolje ni povezan le z nesrečami, ki jih povzroči človek. Znani so primeri uhajanja plutonija, tako iz laboratorijskih kot tovarniških razmer. Znanih je več kot dvajset naključnih puščanj iz laboratorijev 235U in 239Pu. V letih 1953-1978. nujni primeri so privedli do izgube od 0,81 (Mayak, 15. marec 1953) do 10,1 kg (Tomsk, 13. december 1978) 239Pu. Incidenti v industrijskih podjetjih so povzročili smrt dveh ljudi v mestu Los Alamos (21. avgusta 1945 in 21. maja 1946) zaradi dveh nesreč in izgube 6,2 kg plutonija. V mestu Sarov leta 1953 in 1963. izven jedrskega reaktorja je padlo približno 8 in 17,35 kg. Eden od njih je leta 1953 pripeljal do uničenja jedrskega reaktorja.
Ko se jedro 238Pu razcepi z nevtroni, se sprosti energija v količini 200 MeV, kar je 50 milijonov krat več kot med najbolj znano eksotermno reakcijo: C + O2 → CO2. "Zgorevanje" v jedrskem reaktorju daje en gram plutonija 2.107 kcal - to je energija, ki jo vsebujejo 4 tone premoga. En naprstnik plutonijevega goriva po energiji lahko enačimo s štiridesetimi vagoni dobrih drv!
Verjame se, da je "naravni izotop" plutonija (244Pu) najdlje živeči izotop od vseh transuranskih elementov. Njegova razpolovna doba je 8,26∙107 let. Znanstveniki že dolgo poskušajo pridobiti izotop transuranovega elementa, ki bi obstajal dlje kot 244Pu - veliko upanja v zvezi s tem so polagali na 247Cm. Vendar se je po njegovi sintezi izkazalo, da je razpolovna doba tega elementa le 14 milijonov let.
Zgodba
Leta 1934 je skupina znanstvenikov pod vodstvom Enrica Fermija dala izjavo, da so med znanstvenim delom na Univerzi v Rimu odkrili kemični element s serijsko številko 94. Na Fermijevo vztrajanje je bil element poimenovan hesperij, tj. znanstvenik je bil prepričan, da je odkril nov element, ki se zdaj imenuje plutonij, s čimer je podal predpostavko o obstoju transuranskih elementov in postal njihov teoretični odkritelj. Fermi je to hipotezo zagovarjal v svojem Nobelovem predavanju leta 1938. Šele po odkritju jedrske cepitve s strani nemških znanstvenikov Otta Frischa in Fritza Strassmanna je bil Fermi prisiljen narediti opombo v tiskani različici, ki je bila objavljena v Stockholmu leta 1939, in nakazala potrebo po reviziji "celotne težave transuranskih elementov". Dejstvo je, da je delo Frischa in Strassmanna pokazalo, da je aktivnost, ki jo je Fermi odkril v svojih poskusih, posledica ravno cepitve in ne odkritja transuranskih elementov, kot je prej verjel.
Novi, štiriindevetdeseti element, je bil odkrit konec leta 1940. Zgodilo se je v Berkeleyju na kalifornijski univerzi. Pri bombardiranju uranovega oksida (U3O8) s težkimi vodikovimi jedri (devteroni) je skupina ameriških radiokemikov pod vodstvom Glenna T. Seaborga odkrila doslej neznan oddajnik alfa delcev z razpolovno dobo 90 let. Izkazalo se je, da je ta sevalec izotop elementa št. 94 z masnim številom 238. Tako so bile 14. decembra 1940 pridobljene prve mikrogramske količine plutonija skupaj s primesjo drugih elementov in njihovih spojin.
Med poskusom, opravljenim leta 1940, je bilo ugotovljeno, da se med jedrsko reakcijo, ki poteka, najprej pridobi kratkoživi izotop neptunij-238 (razpolovni čas 2,117 dni), iz njega pa že pridobiva plutonij-238:
23392U (d,2n) → 23893Np → (β−) 23894Pu
Dolgi in naporni kemični poskusi za ločevanje novega elementa od nečistoč so trajali dva meseca. G.T. Seaborg, E.M., je v noči z 23. na 24. februar 1941 potrdil obstoj novega kemičnega elementa v vsaj dveh oksidacijskih stanjih. Malo po koncu poskusov je bilo ugotovljeno, da ta izotop ni cepljiv in zato nezanimiv za nadaljnje študije. Kmalu (marec 1941) so Kennedy, Seaborg, Segré in Wahl sintetizirali pomembnejši izotop plutonij-239 z obsevanjem urana z zelo pospešenimi nevtroni v ciklotronu. Ta izotop nastane z razpadom neptunija-239, oddaja alfa žarke in ima razpolovno dobo 24.000 let. Prva čista spojina elementa je bila pridobljena leta 1942, prva utežna kovina plutonija pa leta 1943.
Ime novega elementa 94 je leta 1948 predlagal Macmillan, ki je nekaj mesecev pred odkritjem plutonija skupaj s F. Aibelsonom prejel prvi element, težji od urana - element št. 93, ki so ga v čast poimenovali neptunij. planeta Neptun - prvi za Uranom. Po analogiji se je element št. 94 imenoval plutonij, saj je planet Pluton drugi planet za Uranom. Seaborg je predlagal, da bi novi element poimenovali "plutonij", vendar je nato ugotovil, da ime v primerjavi s "plutonij" ne zveni zelo dobro. Poleg tega je predlagal druga imena za nov element: ultimium, extermium, zaradi takrat napačne sodbe, da bo plutonij zadnji kemični element v periodnem sistemu. Posledično je bil element poimenovan "plutonij" v čast odkritja zadnjega planeta v sončnem sistemu.
Biti v naravi
Razpolovna doba najdlje živečega izotopa plutonija je 75 milijonov let. Številka je zelo impresivna, vendar se starost Galaksije meri v milijardah let. Iz tega sledi, da primarni izotopi štiriindevetdesetega elementa, ki so nastali med veliko sintezo elementov vesolja, niso imeli možnosti preživeti do danes. Pa vendar to ne pomeni, da na Zemlji sploh ni plutonija. Nenehno nastaja v uranovih rudah. Z zajemanjem nevtronov kozmičnega sevanja in nevtronov, ki nastanejo s spontano (spontano) cepijo jeder 238U, se nekaj - zelo malo - atomov tega izotopa spremeni v atome 239U. Jedra tega elementa so zelo nestabilna, oddajajo elektrone in s tem povečajo njihov naboj, pride do tvorbe neptunija, prvega transuranovega elementa. 239Np je tudi nestabilen, njegova jedra oddajajo tudi elektrone, tako da se v samo 56 urah polovica 239Np spremeni v 239Pu.
Razpolovna doba tega izotopa je že precej dolga, 24.000 let. V povprečju je vsebnost 239Pu približno 400.000-krat manjša od vsebnosti radija. Zato je ne samo ekstrahirati - celo odkriti "zemeljski" plutonij je izjemno težko. Majhne količine 239Pu – trilijona – in produktov razpadanja je mogoče najti v uranovih rudah, na primer v naravnem jedrskem reaktorju v Oklu v Gabonu (Zahodna Afrika). Tako imenovani "naravni jedrski reaktor" velja za edini na svetu, v katerem trenutno v geosferi poteka nastajanje aktinidov in njihovih fisijskih produktov. Po sodobnih ocenah je na tem območju pred več milijoni let potekala samovzdrževalna reakcija s sproščanjem toplote, ki je trajala več kot pol milijona let.
Torej že vemo, da v uranovih rudah kot posledica zajemanja nevtronov z uranovimi jedri nastane neptunij (239Np), katerega produkt β-razpada je naravni plutonij-239. Zahvaljujoč posebnim instrumentom - masnim spektrometrom, je bila v predkambrijskem bastnezitu (v cerijevi rudi) odkrita prisotnost plutonija-244 (244Pu), ki ima najdaljšo razpolovno dobo - približno 80 milijonov let. V naravi se 244Pu pojavlja predvsem v obliki dioksida (PuO2), ki je v vodi še manj topen kot pesek (kremen). Ker je relativno dolgoživi izotop plutonij-240 (240Pu) v razpadni verigi plutonija-244, pride do njegovega razpada, vendar se to zgodi zelo redko (1 na 10.000). Zelo majhne količine plutonija-238 (238Pu) se nanašajo na zelo redek dvojni beta razpad matičnega izotopa, urana-238, ki so ga našli v uranovih rudah.
V prahu, zbranem po eksplozijah termonuklearnih bomb, so našli sledi izotopov 247Pu in 255Pu.
V človeškem telesu je hipotetično mogoče najti minimalne količine plutonija, glede na to, da je bilo opravljenih ogromno jedrskih poskusov, tako ali drugače povezanih s plutonijem. Plutonij se kopiči predvsem v okostju in jetrih, od koder se praktično ne izloča. Poleg tega štiriindevetdeseti element kopičijo morski organizmi; kopenske rastline absorbirajo plutonij predvsem skozi koreninski sistem.
Izkazalo se je, da umetno sintetiziran plutonij še vedno obstaja v naravi, zakaj ga torej ne kopljejo, ampak ga pridobivajo umetno? Dejstvo je, da je koncentracija tega elementa prenizka. O drugi radioaktivni kovini - radiju pravijo: "v gramu proizvodnje - v enem letu dela", radija pa je v naravi 400.000-krat več kot plutonija! Zaradi tega je izredno težko ne samo pridobiti - celo odkriti "zemeljski" plutonij. To je bilo storjeno šele po preučevanju fizikalnih in kemijskih lastnosti plutonija, pridobljenega v jedrskih reaktorjih.
Aplikacija
Izotop 239Pu (skupaj z U) se uporablja kot jedrsko gorivo v energetskih reaktorjih, ki delujejo na toplotne in hitre nevtrone (predvsem), pa tudi pri izdelavi jedrskega orožja.
Približno 500 jedrskih elektrarn po vsem svetu proizvede približno 370 GW električne energije (ali 15 % celotne svetovne proizvodnje električne energije). Plutonij-236 se uporablja pri izdelavi atomskih električnih baterij, katerih življenjska doba doseže pet let ali več, uporabljajo se v tokovnih generatorjih, ki stimulirajo srce (spodbujevalniki). 238Pu se uporablja v majhnih jedrskih virih energije, ki se uporabljajo v vesoljskih raziskavah. Torej je plutonij-238 vir energije za sonde New Horizons, Galileo in Cassini, rover Curiosity in druga vesoljska plovila.
V jedrskem orožju se uporablja plutonij-239, saj je ta izotop edini primeren nuklid za uporabo v jedrski bombi. Poleg tega je pogostejša uporaba plutonija-239 v jedrskih bombah posledica dejstva, da plutonij zavzema manjši volumen v krogli (kjer se nahaja jedro bombe), zato je mogoče pridobiti na eksplozivni moči bombe zaradi na to nepremičnino.
Shema, ki se izvaja jedrska eksplozija ki vključuje plutonij, je v zasnovi same bombe, katere jedro je sestavljeno iz krogle, napolnjene z 239Pu. V trenutku trka s tlemi se krogla zaradi strukture in zaradi eksploziva, ki obdaja to kroglo, stisne na milijon atmosfer. Po udarcu se jedro razširi po prostornini in gostoti v najkrajšem času - deset mikrosekund, sklop zdrsne skozi kritično stanje na toplotnih nevtronih in preide v superkritično stanje na hitre nevtrone - začne se jedrska verižna reakcija s sodelovanjem nevtronov in jedra elementa. Pri končni eksploziji jedrske bombe se sprosti temperatura v višini več deset milijonov stopinj.
Izotopi plutonija so našli svojo uporabo pri sintezi elementov transplutonija (po plutonijevih). Na primer, v nacionalnem laboratoriju Oak Ridge, dolgotrajno nevtronsko obsevanje z 239Pu proizvede 24496Cm, 24296Cm, 24997Bk, 25298Cf, 25399Es in 257100Fm. Americij 24195Am je bil prvič pridobljen na enak način leta 1944. Leta 2010 je oksid plutonija-242, bombardiran z ioni kalcija-48, služil kot vir nekvadija.
δ-stabilizirane plutonijeve zlitine se uporabljajo pri izdelavi gorivnih palic, saj imajo bistveno boljše metalurške lastnosti v primerjavi s čistim plutonijem, ki pri segrevanju doživi fazne prehode in je zelo krhek in nezanesljiv material. Zlitine plutonija z drugimi elementi (intermetalne spojine) se običajno pridobivajo z neposrednim medsebojnim delovanjem elementov v zahtevanih razmerjih, uporablja se predvsem obločno taljenje, včasih nestabilne zlitine dobimo z nanašanjem z razprševanjem ali hlajenjem talin.
Glavni industrijski legirni elementi za plutonij so galij, aluminij in železo, čeprav plutonij lahko tvori zlitine in vmesne spojine z večino kovin z redkimi izjemami (kalij, natrij, litij, rubidij, magnezij, kalcij, stroncij, barij, europij in iterbij ). Ognjevarne kovine: molibden, niobij, krom, tantal in volfram so topne v tekočem plutoniju, vendar skoraj netopne ali rahlo topne v trdnem plutoniju. Indij, silicij, cink in cirkonij so sposobni tvoriti metastabilen δ-plutonij (δ"-faza) ob hitrem ohlajanju. Galij, aluminij, americij, skandij in cerij lahko stabilizirajo δ-plutonij pri sobni temperaturi.
Velike količine holmija, hafnija in talija omogočajo ohranjanje nekaj δ-plutonija pri sobni temperaturi. Neptunij je edini element, ki lahko stabilizira α-plutonij pri visokih temperaturah. Titan, hafnij in cirkonij stabilizirajo strukturo β-plutonija pri sobni temperaturi ob hitrem ohlajanju. Uporaba takšnih zlitin je precej raznolika. Na primer, za stabilizacijo δ faze plutonija se uporablja zlitina plutonija in galija, ki preprečuje fazni prehod α-δ. Plutonij-galij-kobalt ternarna zlitina (PuGaCo5) je superprevodna zlitina pri 18,5 K. Obstajajo številne zlitine (plutonij-cirkonij, plutonij-cerij in plutonij-cerij-kobalt), ki se uporabljajo kot jedrsko gorivo.
Proizvodnja
Komercialni plutonij se pridobiva na dva načina. To je bodisi obsevanje jeder 238U, ki jih vsebujejo jedrski reaktorji, bodisi ločevanje plutonija z radiokemijskimi metodami (soprecipitacija, ekstrakcija, ionska izmenjava itd.) od urana, transuranskih elementov in cepitvenih produktov, ki jih vsebuje izrabljeno gorivo.
V prvem primeru se izotop 239Pu, ki je najpomembnejši v praksi (v mešanici z majhno primesjo 240Pu), proizvaja v jedrskih reaktorjih s sodelovanjem jeder urana in nevtronov z uporabo β-razpada in s sodelovanjem neptunijevih izotopov kot vmesnega produkta. fisijski produkt:
23892U + 21D → 23893Np + 210n;
23893Np → 23894Pu
β - razpad
V tem procesu devteron vstopi v uran-238, kar povzroči nastanek neptunija-238 in dveh nevtronov. Nato se neptunij-238 spontano cepi in oddaja beta-minus delce, ki tvorijo plutonij-238.
Običajno je vsebnost 239Pu v mešanici 90-95%, 240Pu-1-7%, vsebnost drugih izotopov ne presega desetink odstotka. Izotopa z dolgo razpolovno dobo - 242Pu in 244Pu dobimo s podaljšanim obsevanjem z nevtroni 239Pu. Poleg tega je donos 242Pu nekaj deset odstotkov, 244Pu pa je del odstotka vsebnosti 242Pu. Pri obsevanju neptunija-237 z nevtroni nastanejo majhne količine izotopsko čistega plutonija-238. Lahke izotope plutonija z masnimi številkami 232-237 običajno dobimo v ciklotronu z obsevanjem uranovih izotopov z α-delci.
Druga metoda za industrijsko proizvodnjo 239Pu uporablja postopek Purex, ki temelji na ekstrakciji s tributil fosfatom v lahkem razredčilu. V prvem ciklu se Pu in U skupaj očistita iz produktov cepitve, nato pa ju ločimo. V drugem in tretjem ciklu je plutonij podvržen nadaljnjemu čiščenju in koncentraciji. Shema takšnega postopka temelji na razliki v lastnostih tetra- in šestvalentnih spojin elementov, ki jih je treba ločiti.
Sprva se izrabljene gorivne palice razstavijo in obloga, ki vsebuje izrabljen plutonij in uran, se odstrani s fizikalnimi in kemičnimi sredstvi. Nato se ekstrahirano jedrsko gorivo raztopi v dušikovi kislini. Konec koncev je močan oksidant, ko se raztopi, uran, plutonij in nečistoče pa se oksidirajo. Ničevalentni atomi plutonija se pretvorijo v Pu + 6 in tako plutonij kot uran se raztopita. Iz te raztopine se štiriindevetdeseti element reducira v trivalentno stanje z žveplovim dioksidom in nato obori z lantanovim fluoridom (LaF3).
Vendar pa oborina poleg plutonija vsebuje neptunij in redke zemeljske elemente, vendar glavnina (uran) ostane v raztopini. Nato se plutonij ponovno oksidira v Pu + 6 in ponovno doda lantanov fluorid. Zdaj redkozemeljski elementi prehajajo v oborino, plutonij pa ostane v raztopini. Nato se neptunij oksidira v tetravalentno stanje s kalijevim bromatom, saj ta reagent ne deluje na plutonij, nato pa se med sekundarnim obarjanjem z istim lantanovim fluoridom obori trivalentni plutonij in neptunij ostane v raztopini. Končni produkti tovrstnih operacij so spojine, ki vsebujejo plutonij - PuO2 dioksid ali fluoridi (PuF3 ali PuF4), iz katerih (z redukcijo z barijevimi, kalcijevimi ali litijevimi hlapi) pridobivamo kovinski plutonij.
Več čistega plutonija je mogoče doseči z elektrolitskim rafiniranjem pirokemično proizvedene kovine, ki se izvaja v elektroliznih celicah pri temperaturi 700 ° C z elektrolitom iz kalija, natrija in plutonijevega klorida z uporabo volframove ali tantalove katode. Tako pridobljen plutonij ima čistost 99,99 %.
Za pridobivanje velikih količin plutonija se gradijo reaktorji za razmnoževanje, tako imenovani "reaktorji" (iz angleškega glagola vzrejati - razmnoževati). Ti reaktorji so dobili ime zaradi svoje sposobnosti pridobivanja cepljivega materiala v količini, ki presega stroške tega materiala za pridobitev. Razlika med reaktorji te vrste od ostalih je v tem, da se nevtroni v njih ne upočasnijo (ni moderatorja, na primer grafita), da bi čim bolj reagirali z 238U.
Po reakciji nastanejo atomi 239U, ki kasneje tvorijo 239Pu. Jedro takšnega reaktorja, ki vsebuje PuO2 v osiromašenem uranovem dioksidu (UO2), je obdano z lupino še bolj osiromašenega uran-238 dioksida (238UO2), v katerem nastane 239Pu. Skupna raba 238U in 235U omogočata "rejcem" proizvodnjo energije iz naravnega urana 50-60-krat več kot drugi reaktorji. Vendar imajo ti reaktorji veliko pomanjkljivost – gorivne palice je treba hladiti z drugim medijem kot z vodo, kar zmanjša njihovo energijo. Zato je bilo odločeno, da se kot hladilno sredstvo uporabi tekoči natrij.
Gradnja takšnih reaktorjev v Združenih državah Amerike se je začela po koncu druge svetovne vojne, ZSSR in Velika Britanija sta začeli ustvarjati šele v 50. letih prejšnjega stoletja.
Fizične lastnosti
Plutonij je zelo težka (gostota pri n.a. 19,84 g / cm³) srebrna kovina, zelo podobna niklju v prečiščenem stanju, vendar plutonij na zraku hitro oksidira, potemni in tvori mavrični film, najprej svetlo rumen, nato se spremeni v temno vijoličen . Pri močni oksidaciji se na površini kovine pojavi olivno zelen oksidni prah (PuO2).
Plutonij je zelo elektronegativna in reaktivna kovina, večkrat več kot celo uran. Ima sedem alotropnih modifikacij (α, β, γ, δ, δ", ε in ζ), ki se spreminjajo v določenem temperaturnem območju in v določenem območju tlaka. Pri sobni temperaturi je plutonij v α-oblici – to je najpogostejša alotropna modifikacija plutonija V alfa fazi je čisti plutonij krhek in precej trd - ta struktura je približno tako trda kot siva litina, razen če je legirana z drugimi kovinami, da je zlitina duktilna in mehka (samo osmij, iridij , so platina, renij in neptunij težji od nje.) Nadaljnje alotropne transformacije plutonija spremljajo nenadne spremembe gostote. in delta-prim). Ko se stopi (prehod iz epsilon faze v tekočo fazo), se plutonij tudi skrči, omogoča, da nestaljeni plutonij plava.
Plutonij odlikuje veliko število nenavadnih lastnosti: ima najnižjo toplotno prevodnost od vseh kovin - pri 300 K je 6,7 W / (m K); plutonij ima najnižjo električno prevodnost; v tekoči fazi je plutonij najbolj viskozna kovina. Upornost štiriindevetdesetega elementa pri sobni temperaturi je za kovino zelo visoka in ta lastnost se bo z nižanjem temperature povečala, kar za kovine ni značilno. Takšno "anomalijo" je mogoče zaslediti do temperature 100 K - pod to oznako se bo električni upor zmanjšal. Vendar pa se od oznake 20 K upor spet začne povečevati zaradi sevalne aktivnosti kovine.
Plutonij ima najvišjo električno upornost od vseh raziskanih aktinidov (doslej), pri 150 µΩ cm (pri 22 °C). Ta kovina ima nizko tališče (640°C) in nenavadno visoko vrelišče (3227°C). Bližje tališču ima tekoči plutonij zelo visoko viskoznost in površinsko napetost v primerjavi z drugimi kovinami.
Plutonij je zaradi svoje radioaktivnosti topel na dotik. Velik kos plutonija v termo plašču se segreje na temperaturo, ki presega vrelišče vode! Poleg tega se plutonij zaradi svoje radioaktivnosti sčasoma spremeni v kristalni mreži - zaradi samoobsevanja zaradi zvišanja temperature nad 100 K pride do neke vrste žarjenja.
Prisotnost velikega števila alotropnih modifikacij v plutoniju otežuje obdelavo in razvaljanje kovine zaradi faznih prehodov. Že vemo, da je v alfa obliki štiriindevetdeseti element po lastnostih podoben litemu železu, vendar ima lastnost, da se spreminja in spreminja v nodularni material ter pri višjih temperaturnih območjih tvori kovno β-obliko. Plutonij v obliki δ je običajno stabilen pri temperaturah med 310 °C in 452 °C, vendar lahko obstaja pri sobni temperaturi, če je dodan z nizkimi odstotki aluminija, cerija ali galija. Ker je plutonij legiran s temi kovinami, se lahko uporablja pri varjenju. Na splošno ima delta oblika bolj izrazite kovinske lastnosti - po trdnosti in sposobnosti kovanja je blizu aluminiju.
Kemijske lastnosti
Kemične lastnosti štiriindevetdesetega elementa so v marsičem podobne lastnostim njegovih predhodnikov v periodnem sistemu - urana in neptunija. Plutonij je precej aktivna kovina, tvori spojine z oksidacijskim stanjem od +2 do +7. V vodnih raztopinah ima element naslednja oksidacijska stanja: Pu (III), kot Pu3+ (obstaja v kislih vodnih raztopinah, ima svetlo vijolično barvo); Pu (IV), kot Pu4+ (čokoladni odtenek); Pu (V), kot PuO2+ (bistra raztopina); Pu(VI) kot PuO22+ (svetlo oranžna raztopina) in Pu(VII) kot PuO53- (zelena raztopina).
Poleg tega so ti ioni (razen PuO53-) lahko v raztopini hkrati v ravnotežju, kar je razloženo s prisotnostjo 5f-elektronov, ki se nahajajo v lokaliziranem in delokaliziranem območju elektronske orbitale. Pri pH 5-8 prevladuje Pu (IV), ki je med ostalimi valencami (oksidacijskimi stanji) najbolj stabilen. Plutonijevi ioni vseh oksidacijskih stanj so nagnjeni k hidrolizi in tvorbi kompleksov. Sposobnost tvorbe takšnih spojin se poveča v seriji Pu5+
Kompaktni plutonij na zraku počasi oksidira in se prevleče z mavrično oljno plastjo oksida. Poznani so naslednji plutonijevi oksidi: PuO, Pu2O3, PuO2 in faza spremenljive sestave Pu2O3 - Pu4O7 (bertolidi). V prisotnosti majhne količine vlage se stopnja oksidacije in korozije znatno poveča. Če je kovina dovolj dolgo izpostavljena majhnim količinam vlažnega zraka, na njeni površini nastane plutonijev dioksid (PuO2). Ob pomanjkanju kisika lahko nastane tudi njegov dihidrid (PuH2). Presenetljivo je, da plutonij veliko hitreje rjavi v inertnem plinu (npr. argon) z vodno paro kot v suhem zraku ali čistem kisiku. Pravzaprav je to dejstvo enostavno razložiti - neposredno delovanje kisika tvori oksidno plast na površini plutonija, ki preprečuje nadaljnjo oksidacijo, prisotnost vlage proizvaja ohlapno mešanico oksida in hidrida. Mimogrede, ravno zaradi takšne prevleke kovina postane piroforna, torej je sposobna spontanega zgorevanja, zato se kovinski plutonij praviloma obdeluje v inertni atmosferi argona ali dušika. Hkrati je kisik zaščitna snov in preprečuje, da bi vlaga vplivala na kovino.
Štiriindevetdeseti element reagira s kislinami, kisikom in njihovimi hlapi, ne pa z alkalijami. Plutonij je zelo topen le v zelo kisla okolja(na primer klorovodikova kislina HCl) in se raztopi tudi v vodikovem kloridu, vodikovem jodidu, vodikovem bromidu, 72 % perklorovodikovi kislini, 85 % fosforni kislini H3PO4, koncentrirani CCl3COOH, sulfaminski kislini in vreli koncentrirani dušikovi kislini. Plutonij se v alkalijskih raztopinah ne raztopi opazno.
Ko alkalije delujejo na raztopine, ki vsebujejo štirivalentni plutonij, se obori oborina plutonijevega hidroksida Pu(OH)4 xH2O, ki ima bazične lastnosti. Ko alkalije delujejo na raztopine soli, ki vsebujejo PuO2+, se obori amfoterni hidroksid PuO2OH. Temu ustrezajo soli - plutoniti, na primer Na2Pu2O6.
Plutonijeve soli v stiku z nevtralnimi ali alkalnimi raztopinami zlahka hidrolizirajo, pri čemer nastane netopen plutonijev hidroksid. Koncentrirane raztopine plutonija so nestabilne zaradi radiolitične razgradnje, ki vodi do padavin.