Атомний номер плутоній. Збройовий плутоній: застосування, виробництво, утилізація. Конструктивні особливості виробничих реакторів
Плутоній був відкритий в кінці 1940 р в Каліфорнійському університеті. Його синтезували Мак-Міллан, Кеннеді і Валь, бомбардуючи окис урану (U 3 O 8) сильно прискореними в циклотроні ядрами дейтерію (дейтронами). Пізніше було встановлено, що при цій ядерній реакції спочатку виходить короткоживучий ізотоп нептуний-238, а з нього вже плутоній-238 з періодом напіврозпаду близько 50 років. Роком пізніше Кеннеді, Сиборг, Сегре і Валь синтезували більш важливий ізотоп - плутоній-239 за допомогою опромінення урану сильно прискореними в циклотроні нейтронами. Плутоній-239 утворюється при розпаді нептунію-239; він випускає alfa-промені і має період напіврозпаду 24 000 років. Чисте з'єднання плутонію вперше отримано в 1942 r. Потім стало відомо, що існує природний плутоній, виявлений в уранових рудах, зокрема в рудах, заліг в Конго.
Назва елемента було запропоновано в 1948 р .: Мак-Міллан назвав перший трансурановий елемент нептунієм в зв'язку з тим, що планета Нептун - перша за Ураном. За аналогією елемент 94 вирішили назвати плутонієм, так як планета Плутон є другою за Ураном. Плутон, відкритий в 1930 р, отримав свою назву від імені бога Плутона - володаря підземного царства по грецької міфології. На початку XIX ст. Кларк пропонував найменувати плутонієм елемент барій, виробляючи цю назву безпосередньо від імені бога Плутона, але його пропозиція не була прийнята.
Плутоній (латинське Plutonium, позначається символом Pu) - радіоактивний хімічний елемент з атомним номером 94 і атомною вагою 244,064. Плутоній є елементом III групи періодичної системи Дмитра Івановича Менделєєва, відноситься до сімейства актиноїдів. Плутоній - важкий (щільність при нормальних умовах 19,84 г / см³) крихкий радіоактивний метал сріблясто-білого кольору.
Плутоній не має стабільних ізотопів. Зі ста можливих ізотопів плутонію синтезовано двадцять п'ять. У п'ятнадцяти з них вивчені ядерні властивості (масові числа 232-246). Чотири знайшли практичне застосування. Найбільш довгоживучі ізотопи - 244Pu (період напіврозпаду 8,26.107 років), 242Pu (період напіврозпаду 3,76 105 років), 239Pu (період напіврозпаду 2,41 104 років), 238Pu (період напіврозпаду 87,74 року) - α-випромінювачі та 241Pu (період напіврозпаду 14 років) - β-випромінювач. У природі плутоній зустрічається в незначних кількостях в уранових рудах (239Pu); він утворюється з урану під дією нейтронів, джерелами яких є реакції, що протікають при взаємодії α-частинок з легкими елементами (що входять до складу руд), спонтанне ділення ядер урану і космічне випромінювання.
Дев'яносто четвертий елемент відкритий групою американських вчених - Гленом Сиборгом (Glenn Seaborg), Кеннеді (Kennedy), Едвіном Макмилланом (Edwin McMillan) і Артуром Уолхом (Arthur Wahl) в 1940 році в Берклі (в Каліфорнійському університеті) при бомбардуванні мішені з окису урану ( U3O8) сильно прискореними ядрами дейтерію (дейтронами) з шестідесятідюймового циклотрона. У травні 1940 властивості плутонію були передбачені Льюїсом Тернером (Louis Turner).
У грудні 1940 року був відкритий ізотоп плутонію Pu-238, з періодом напіврозпаду ~ 90 років, через рік - більш важливий Pu-239 з періодом напіврозпаду ~ 24 000 років.
Едвін Макміллан в 1948 році запропонував назвати хімічний елемент плутонієм в честь відкриття нової планети Плутон і за аналогією з нептунієм, який був названий на честь відкриття Нептуна.
Металевий плутоній (ізотоп 239Pu) використовується в ядерній зброї і служить в якості ядерного палива енергетичних реакторів, які працюють на теплових і особливо на швидких нейтронах. Критична маса для 239Pu у вигляді металу становить 5,6 кг. Крім усього іншого ізотоп 239Pu є вихідною речовиною для отримання в ядерних реакторах трансплутонієві елементів. Ізотоп 238Pu застосовують в малогабаритних ядерних джерелах електричного струму, що використовуються в космічних дослідженнях, а також у стимуляторах серцевої діяльності людини.
Плутоній-242 важливий як «сировину» для порівняно швидкого накопичення вищих трансуранових елементів в ядерних реакторах. δ-стабілізовані сплави плутонію застосовуються при виготовленні паливних елементів, так як вони мають кращі металургійними властивостями в порівнянні з чистим плутонієм, який при нагріванні зазнає фазові переходи. Оксиди плутонію використовуються в якості енергетичного джерела для космічної техніки і знаходять своє застосування в ТВЕЛах.
Всі з'єднання плутонію є отруйними, що є наслідком α-випромінювання. Альфа-частинки являють серйозну небезпеку в тому випадку, якщо їх джерело знаходиться в тілі зараженого, вони пошкоджують навколишні елемент тканини організму. Гамма-випромінювання плутонію не є небезпечним для організму. Варто врахувати, що різні ізотопи плутонію мають різною токсичністю, наприклад типовий реакторний плутоній в 8-10 разів більш токсична чистого 239Pu, так як в ньому переважають нукліди 240Pu, який є потужним джерелом альфа-випромінювання. Плутоній самий радіотоксичність елемент з усіх актиноїдів, однак, вважається далеко не самим небезпечним елементом, так радій майже в тисячу разів небезпечніше самого отруйного ізотопу плутонію - 239Pu.
біологічні властивості
Плутоній концентрується морськими організмами: коефіцієнт накопичення цього радіоактивного металу (відношення концентрацій в організмі і в зовнішньому середовищі) для водоростей становить 1000-9000, для планктону - приблизно 2300, для морських зірок - близько 1000, для молюсків - до 380, для м'язів, кісток , печінки і шлунка риб - 5, 570, 200 і 1060 відповідно. Наземні рослини засвоюють плутоній в основному через кореневу систему і накопичують його до 0,01% від своєї маси. В організмі людини дев'яносто четвертий елемент затримується переважно в скелеті і печінки, звідки майже не виводиться (особливо з кісток).
Плутоній високотоксичний, причому його хімічна небезпека (як будь-якого іншого важкого металу) виражається значно слабкіше (з хімічної точки зору він також отруйний як свинець.) В порівнянні з його радіоактивним токсичністю, яка є наслідком альфа-випромінювання. Причому α-частинки мають відносно малою проникаючою здатністю: для 239Pu пробіг α-частинок в повітрі становить 3,7 см, а в м'якій біологічній тканині 43 мк. Тому α-частинки являють серйозну небезпеку в тому випадку, якщо їх джерело знаходиться в тілі зараженого. При цьому вони пошкоджують навколишні елемент тканини організму.
У той же час γ-промені і нейтрони, які плутоній також випускає і які здатні проникати в тіло зовні, не надто небезпечні, адже їх рівень занадто малий для того, щоб завдати шкоди здоров'ю. Плутоній відноситься до групи елементів з особливо високою радіотоксичністю. У той же час різні ізотопи плутонію мають різною токсичністю, наприклад типовий реакторний плутоній в 8-10 разів більш токсична чистого 239Pu, так як в ньому переважають нукліди 240Pu, який є потужним джерелом альфа-випромінювання.
При надходженні елемента разом з водою і їжею плутоній менш отруйний, ніж такі речовини як кофеїн, деякі вітаміни, псевдоефедрин і безліч рослин і грибів. Це пояснюється тим, що даний елемент погано всмоктується шлунково-кишкового тракту, навіть під час вступу у вигляді розчинної солі, ця сама сіль зв'язується вмістом шлунку і кишечника. Однак поглинання 0,5 грама плутонію в мелкораздробленном або розчиненому стані може привести до смерті від гострого опромінення травної системи за кілька днів або тижнів (для ціаніду це значення становить 0,1 грама).
З точки зору інгаляції плутоній - це рядовий токсин (приблизно відповідає парам ртуті). При інгаляції плутоній має канцерогенні властивості і здатний викликати рак легенів. Так при вдиханні ста міліграмів плутонію у вигляді частинок оптимального для утримання в легких розміру (1-3 мікрона) веде до смерті від набряку легенів за 1-10 днів. Доза в двадцять міліграмів призводить до смерті від фіброзу приблизно за місяць. Менші дози призводять до хронічного канцерогенному отруєння. Небезпека інгаляційного проникнення плутонію в організм збільшується внаслідок того, що плутоній схильний до утворення аерозолів.
Незважаючи на те, що це метал, він дуже летючий. Нетривале перебування металу в приміщенні значно збільшує його концентрацію в повітрі. Що потрапив в легені плутоній частково осідає на поверхні легенів, частково переходить в кров, а потім в лімфу і речовина кісткового мозку. Велика частина (приблизно 60%) потрапляє в кісткову тканину, 30% в печінку і всього 10% виводиться природним шляхом. Кількість потрапив в організм плутонію залежить від величини аерозольних часток і розчинності в крові.
Потрапляє тим чи іншим шляхом в організм людини плутоній схожий за властивостями з тривалентні залізом, тому, проникаючи в систему кровообігу, плутоній починає концентруватися в тканинах, що містять залізо: кістковий мозок, печінка, селезінка. Організм сприймає плутоній, як залізо, отже, білок трансферина забирає плутоній замість заліза, в результаті чого зупиняється перенесення кисню в організмі. Мікрофаги розтягують плутоній по лімфовузлів. Що потрапив в організм плутоній виводиться з нього дуже довго - протягом 50 років з організму виведеться всього 80%. Період напіввиведення з печінки становить 40 років. Для кісткової тканини період напіввиведення плутонію становить 80-100 років, фактично, концентрація дев'яносто четвертого елемента в кістках постійна.
Протягом Другої світової війни і після її закінчення вчені, що працювали в Манхеттенський проект, а також вчені Третього рейху і інші науково-дослідні організації, проводили експерименти з використанням плутонію на тваринах і людях. Результати досліджень на тваринах показали, що кілька міліграмів плутонію на кілограм тканини - смертельна доза. Застосування плутонію на людях полягало в тому, що хронічно хворим пацієнтам внутрішньом'язово вводили зазвичай 5 мкг плутонію. В результаті було встановлено, що смертельна доза для пацієнта дорівнює одному мікрограмів плутонію, і що плутоній більш небезпечний, ніж радій, і схильний до накопичення в кістках.
Як відомо, плутоній - елемент практично відсутній в природі. Однак близько п'яти тонн його виділилося в атмосферу в результаті ядерних випробувань в період 1945-1963 рр. Сумарне ж кількість плутонію, викинутого в атмосферу через ядерних випробувань до 1980-х років, оцінюється в 10 тонн. За деякими оцінками, грунт в Сполучених Штатах Америки містить в середньому 2 мілікюрі (28 мг) плутонію на км2 від випадання радіоактивних опадів, а знаходження плутонію в Тихому океані підвищено в порівнянні із загальним поширенням ядерних матеріалів на землі.
Останнє явище пов'язане з проведенням ядерних випробувань США на території Маршаллових островів в Тихоокеанському полігоні в середині 1950-х років. Час перебування плутонію в поверхневих водах океану становить від 6 до 21 років, однак, навіть після цього терміну, плутоній випадає на дно разом з біогенними частками, з яких він відновлюється в розчинні форми в результаті мікробного розкладання.
Світове забруднення дев'яносто четвертим елементом пов'язано не тільки з ядерними випробуваннями, але і з аваріями на виробництвах і техніці, яка взаємодіє з цим елементом. Так в січні 1968 року літак B-52 ВПС США, який ніс на борту чотири ядерних заряду, зазнав аварії на території Гренландії. В результаті вибуху сталося руйнування зарядів і витік плутонію в океан.
Інший випадок радіоактивного забруднення навколишнього середовища в результаті аварії стався з радянським космічним апаратом «Космос-954» 24 січня 1978 року. В результаті неконтрольованого сходу з орбіти супутник з ядерним джерелом енергії на борту впав на територію Канади. В результаті аварії в навколишнє середовище потрапило понад кілограм плутонію-238, що поширився на територію площею близько 124 000 м².
Найстрашніший приклад аварійного витоку радіоактивних речовин в навколишнє середовище - аварія на Чорнобильській АЕС, яка сталася 26 квітня 1986 року. В результаті руйнування четвертого енергоблоку в довкілля було викинуто 190 тонн радіоактивних речовин (в тому числі і ізотопи плутонію) на площу близько 2200 км.
Попадання плутонію в навколишнє середовище пов'язане не тільки з техногенними подіями. Відомі випадки витоку плутонію, як з лабораторних, так і з заводських умов. Відомо понад двадцять аварійних випадків витоку з лабораторій 235U і 239Pu. Протягом 1953-1978 рр. аварійні випадки призвели до втрати від 0,81 (Маяк, 15 березня 1953 г.) до 10,1 кг (Томськ 13 грудня 1978 г.) 239Pu. Події на промислових підприємствах сумарно призвели до смерті двох людей в місті Лос-Аламос (21 серпня 1945 р і 21 травня 1946 г.) через двох випадків аварій і втрат 6,2 кг плутонію. У місті Саров в 1953 і 1963 рр. приблизно 8 і 17,35 кг потрапило за межі ядерного реактора. Один з них привів до руйнування ядерного реактора в 1953 році.
При розподілі ядра 238Pu нейтронами відбувається виділення енергії в розмірі 200 МеВ, що в 50 мільйонів разів більше, ніж при протіканні найвідомішою екзотермічної реакції: C + O2 → CO2. «Згораючи» в ядерному реакторі один грам плутонію дає 2 107 ккал - це енергія, укладена в 4 т вугілля. Наперсток ж плутонієвого палива в енергетичному еквіваленті може бути прирівняний до сорока вагонів хороших дров!
Вважається, що «природний ізотоп» плутонію (244Pu) самий долгоживущий ізотоп з усіх трансуранових елементів. Його період напіврозпаду становить 8,26 ∙ 107 років. Вчені тривалий час намагалися отримати ізотоп трансуранового елемента, який існував би довше 244Pu - великі надії в цьому відношенні покладалися на 247Cm. Однак після його синтезу з'ясувалося, що період напіврозпаду цього елементу всього 14 млн років.
Історія
У 1934 році група вчених на чолі з Енріко Фермі зробила заяву, що в ході наукових робіт в Університеті Риму вони виявили хімічний елемент з порядковим номером 94. Елемент за наполяганням Фермі був названий гесперіумом, вчений був переконаний, що відкрив новий елемент, який зараз називають плутонієм, таким чином, зробивши припущення про існування трансуранових елементів і ставши їх теоретичним першовідкривачем. Цю гіпотезу Фермі відстоював і в своїй Нобелівській лекції в 1938 році. Тільки після відкриття ділення ядер німецькими вченими Отто Фришем і Фріцем Штрассманом, Фермі був змушений зробити в друкованій версії, що вийшла в Стокгольмі в 1939 році примітка, що вказує на необхідність перегляду «всієї проблеми трансуранових елементів». Справа в тому, що робота Фріша і Штрассмана показала, що активність, виявлена \u200b\u200bФермі в його експериментах, була обумовлена \u200b\u200bсаме поділом, а не відкриттям трансуранових елементів, як він раніше вважав.
Новий - дев'яносто четвертий елемент був відкритий в кінці 1940 року. Сталося це в Берклі в Каліфорнійському університеті. При бомбардуванні окису урану (U3O8) ядрами важкого водню (дейтронами) група американських радиохимиков на чолі з Гленном Т. Сиборгом виявила невідомий перш випромінювач альфа-частинок з періодом напіврозпаду 90 років. Цим випромінювачем виявився ізотоп елемента № 94 з масовим числом 238. Таким чином 14 грудня 1940 року було отримано перші мікрограммових кількості плутонію разом з домішкою інших елементів і їх з'єднань.
В ході експерименту, проведеного в 1940 році, було встановлено, що при проведеної ядерної реакції спочатку виходить короткоживучий ізотоп нептуний-238 (період напіврозпаду 2,117 доби), а з нього вже плутоній-238:
23392U (d, 2n) → 23893Np → (β-) 23894Pu
Довгі і трудомісткі хімічні досліди по відділенню нового елемента від домішок тривали два місяці. Існування нового хімічного елемента було підтверджено в ніч з 23 на 24 лютого 1941 року М. Т. Сиборгом, Е. М. Макмилланом, Дж. В. Кеннеді і А. К. Валле завдяки вивченню його перших хімічних властивостей - можливістю володіти, по крайней заходу, двома ступенями окислення. Трохи пізніше закінчення дослідів було встановлено, що цей ізотоп є неделящимся, а, отже, нецікавим для подальшого вивчення. Незабаром (березень 1941 року) Кеннеді, Сиборг, Сегре і Валь синтезували більш важливий ізотоп - плутоній-239 за допомогою опромінення урану сильно прискореними в циклотроні нейтронами. Цей ізотоп утворюється при розпаді нептунію-239, випускає alfa-промені і має період напіврозпаду 24 000 років. Перше чисте з'єднання елемента було отримано в 1942 році, а перші вагові кількості металевого плутонію були отримані в 1943 році.
Назва нового 94 елемента було запропоновано в 1948 році Макмилланом, який кілька місяців тому виявлення плутонію спільно з Ф. Ейбельсоном отримав перший елемент, більш важкий, ніж уран, - елемент № 93, який назвали нептунієм в честь планети Нептун - першої за Ураном. За аналогією елемент № 94 вирішили назвати плутонієм, так як планета Плутон є другою за Ураном. У свою чергу Сиборг запропонував назвати новий елемент «шахрай», проте потім зрозумів, що назва не дуже звучить в порівнянні з «плутонієм». Крім того, він висував і інші назви для нового елемента: ультіміум, екстерміум, через помилкове в той час судження, що плутоній стане останнім хімічним елементом в періодичній таблиці. У підсумку, елемент назвали «плутоній» на честь відкриття останньої планети сонячної системи.
Знаходження в природі
Період напіврозпаду самого довгоживучих ізотопу плутонію - 75 млн років. Цифра досить значна, проте, вік Галактики вимірюється мільярдами років. З цього випливає, що у первинних ізотопів дев'яносто четвертого елемента, що утворилися при великому синтезі елементів Всесвіту, не було шансів дожити до наших днів. І все ж, це не означає, що плутонію зовсім немає в Землі. Він постійно утворюється в уранових рудах. Захоплюючи нейтрони космічного випромінювання і нейтрони, що утворюються при спонтанному (мимовільному) розподілі ядер 238U, деякі - лише одиниці - атоми цього ізотопу перетворюються в атоми 239U. Ядра цього елемента дуже нестабільні, вони випускають електрони і тим самим підвищують свій заряд, відбувається утворення нептунію - першого трансуранового елемента. 239Np також нестійкий, його ядра теж випускають електрони, тому всього за 56 годин половина 239Np перетворюється в 239Pu.
Період напіврозпаду цього ізотопу вже досить великий і становить 24 000 років. В середньому, зміст 239Pu приблизно в 400 000 разів менше, ніж у радію. Тому не тільки добути - навіть виявити «земної» плутоній надзвичайно важко. Малі кількості 239Pu - трильйонна частка - і продукти розпаду можуть бути знайдені в уранових рудах, наприклад, в природному ядерному реакторі в Окло, Габон (Західна Африка). Так званий «природний ядерний реактор» вважається єдиним в світі, в якому в даний час відбувається утворення актиноїдів і їх продуктів поділу в геосфері. За сучасними оцінками в цьому регіоні кілька мільйонів років тому відбувалася самопідтримується реакція з виділенням тепла, що тривала понад півмільйона років.
Отже, ми вже знаємо, що в уранових рудах в результаті захоплення нейтронів ядрами урану утворюється нептуній (239Np), продуктом β-розпаду якого і є природний плутоній-239. Завдяки спеціальним приладам - \u200b\u200bмас-спектрометрів було виявлено наявність плутонію-244 (244Pu), який має найбільший період напіврозпаду - приблизно 80 мільйонів років, в докембрийском бастнезит (в цериевой руді). У природі 244Pu знаходиться переважно у вигляді діоксиду (PuO2), який у воді ще менше розчинний, ніж пісок (кварц). Оскільки щодо долгоживущий ізотоп плутоній-240 (240Pu) знаходиться в ланцюжку розпаду плутонію-244, то його розпад має місце бути, однак це відбувається дуже рідко (1 випадок на 10 000). Дуже невеликі кількості плутонію-238 (238Pu) відносяться до вельми рідкісного подвійному бета-розпаду материнського ізотопу - урану-238, який був знайдений в уранових рудах.
Сліди ізотопів 247Pu і 255Pu виявлено в пилу, зібраної після вибухів термоядерних бомб.
Мінімальні кількості плутонію гіпотетично можуть перебувати в людському організмі, з огляду на те, що було проведено величезну кількість ядерних випробувань так чи інакше пов'язаних з плутонієм. Плутоній накопичується переважно в скелеті і печінки, звідки практично не виводиться. Крім того, дев'яносто четвертий елемент накопичується морськими організмами; наземні рослини засвоюють плутоній головним чином через кореневу систему.
Виходить, що штучно синтезований плутоній все-таки існує в природі, так чому ж його не видобувають, а отримують штучним шляхом? Справа в тому, що занадто мала концентрація цієї речовини. Про інше радіоактивному металі - радій кажуть: «в грам видобуток - на рік праці», а радію в природі в 400 000 разів більше, ніж плутонію! З цієї причини не тільки добути - навіть виявити «земної» плутоній надзвичайно важко. Зробити це вдалося лише після того, як були вивчені фізичні і хімічні властивості плутонію, отриманого в атомних реакторах.
застосування
Ізотоп 239Pu (поряд з U) використовують в якості ядерного палива енергетичних реакторів, які працюють на теплових і на швидких нейтронах (а передусім), а також при виготовленні ядерної зброї.
Близько півтисячі атомних електростанцій по всьому світу генерують приблизно 370 ГВт електроенергії (або 15% від загального обсягу виробництва електроенергії в світі). Плутоній-236 застосовується при виготовленні атомних електричних батарей, термін служби яких досягає п'яти років і більше, їх застосовують в генераторах струму, що стимулюють роботу серця (кардіостимулятори). 238Pu застосовують в малогабаритних ядерних джерелах електричного струму, що використовуються в космічних дослідженнях. Так плутоній-238 є джерелом харчування для зондів New Horizons, Galileo і Cassini, марсохода Curiosity і інших космічних апаратів.
В ядерній зброї застосовується плутоній-239, так як даний ізотоп є єдиним придатним нуклідом для застосування в ядерній бомбі. Крім того, більш часте використання плутонію-239 в ядерних бомбах обумовлено тим, що плутоній займає менший обсяг в сфері (де розташоване ядро \u200b\u200bбомби), отже, можна виграти у вибуховій силі бомби за рахунок цієї властивості.
Схема, за якою відбувається ядерний вибух за участю плутонію, полягає в конструкції самої бомби, ядро \u200b\u200bякої складається з сфери, заповненої 239Pu. У момент зіткнення із землею сфера стискається до мільйона атмосфер за рахунок конструкції і завдяки навколишнього цю сферу вибуховій речовині. Після удару відбувається розширення ядра в обсязі і щільності за найкоротший час - десяток мікросекунд, збірка проскакує критичний стан на теплових нейтронах і переходить в надкритичної стан на швидких нейтронах - починається ланцюгова ядерна реакція з участю нейтронів і ядер елемента. При кінцевому вибуху ядерної бомби виділяється температура порядку десятків мільйонів градусів.
Ізотопи плутонію знайшли своє застосування при синтезі трансплутонієві (наступних після плутонію) елементів. Так, наприклад, в Оук-Ріджской національної лабораторії при тривалому нейтронном опромінення 239Pu отримують 24496Cm, 24296Cm, 24997Bk, 25298Cf, 25399Es і 257100Fm. Таким же чином в 1944 році був вперше отриманий і америцій 24195Am. У 2010 році оксид плутонію-242 бомбардований іонами кальцію-48 послужив джерелом отримання унунквадій.
δ-Стабілізовані сплави плутонію використовуються у виготовленні ТВЕЛів, адже вони мають значно кращі металургійними властивостями в порівнянні з чистим плутонієм, який при нагріванні зазнає фазові переходи і є вельми крихким і ненадійним матеріалом. Сплави плутонію з іншими елементами (интерметаллические з'єднання) зазвичай отримують прямим взаємодією елементів в потрібних співвідношеннях, при цьому в основному використовується дугова плавка, іноді нестабільні сплави отримують розпилювальним осадженням або охолодженням розплавів.
Основні промислові легуючі елементи для плутонію - це галій, алюміній і залізо, хоча плутоній здатний утворювати сплави і проміжні сполуки з більшістю металів за рідкісним винятком (калій, натрій, літій, рубідій, магній, кальцій, стронцій, барій, европий і иттербий). Тугоплавкі метали: молібден, ніобій, хром, тантал і вольфрам розчинні в рідкому плутоній, але майже нерозчинні або мало розчинні в твердому плутоній. Індій, кремній, цинк і цирконій здатні до формування метастабільного δ-плутонію (δ "фаза) при швидкому охолодженні. Галій, алюміній, америцій, скандій і церій можуть стабілізувати δ-плутоній при кімнатній температурі.
Великі кількості гольмію, гафнію і талію дозволяють зберегти деяку кількість δ-плутонію при кімнатній температурі. Нептуний є єдиним елементом, який може стабілізувати α-плутоній при високих температурах. Титан, гафній і цирконій стабілізують структуру β-плутонію при кімнатній температурі при різкому охолодженні. Застосування таких сплавів досить різноманітно. Наприклад, сплав плутоній-галий використовується для стабілізації δ-фази плутонію, який дозволяє уникнути перехід α-δ фаза. Потрійний сплав плутоній-галій-кобальт (PuGaCo5) - надпровідникової сплав при температурі 18,5 К. Існує ряд сплавів (плутоній-цирконій, плутоній-церій і плутоній-церій-кобальт), які використовуються в якості ядерного палива.
виробництво
Промисловий плутоній отримують двома способами. Це або опромінення ядер 238U, що міститься в ядерних реакторах, або поділ радіохімічними способами (співосадження, екстракцією, іонним обміном і ін.) Плутонію від урану, трансуранових елементів і продуктів поділу, що містяться у відпрацьованому паливі.
У першому випадку найбільш значимий в практичному відношенні ізотоп 239Pu (в суміші з невеликою домішкою 240Pu) одержують в ядерних реакторах за участю ядер урану і нейтронів за допомогою β - розпаду і за участю ізотопів нептунію як проміжного продукту розподілу:
23892U + 21D → 23893Np + 210n;
23893Np → 23894Pu
β - розпад
В даному процесі дейтрон потрапляє в уран-238, в результаті чого утворюється нептуній-238 і два нейтрона. Далі нептуний-238 спонтанно ділиться, випромінюючи бета-мінус-частинки, які утворюють плутоній-238.
Зазвичай вміст 239Pu в суміші становить 90-95%, 240Pu-1-7%, вміст інших ізотопів не перевищує десятих часток відсотка. Ізотопи з великими періодами напіврозпаду - 242Pu і 244Pu отримують при тривалому опроміненні нейтронами 239Pu. Причому вихід 242Pu становить кілька десятків відсотків, а 244Pu - частки відсотка від змісту 242Pu. Невеликі кількості изотопно-чистого плутонію-238 утворюються при опроміненні нейтронами нептунію-237. Легкі ізотопи плутонію з масовими числами 232-237 зазвичай отримують на циклотроні при опроміненні ізотопів урану α-частинками.
При другому способі промислового виробництва 239Pu використовують пьюрекс-процес, заснований на екстракції трибутилфосфатом в легкому розчиннику. У першому циклі здійснюють спільну очищення Pu і U від продуктів ділення, а потім їх поділ. У другому і третьому циклах плутоній піддають подальшої очищенні і концентрування. Схема такого процесу заснована на різниці у властивостях чотирьох- і шестивалентного з'єднань поділюваних елементів.
Спочатку відпрацювали ТВЕЛи демонтуються і оболонка, яка містить відпрацював плутоній і уран, видаляється фізичними і хімічними способами. Далі вилучене ядерне паливо розчиняють в азотній кислоті. Адже вона - сильний окислювач при розчиненні і уран, і плутоній, і домішки окислюються. Атоми плутонію з нульовою валентністю перетворюються в Pu + 6, відбувається розчинення, як плутонію, так і урану. З такого розчину дев'яносто четвертий елемент відновлюють до тривалентного стану сірчистим газом, а потім беруть в облогу фторидом лантану (LаF3).
Однак осад крім плутонію містить нептуний і рідкоземельні елементи, але основна маса (уран) залишається в розчині. Далі плутоній знову окислюють до Pu + 6 і знову додають фторид лантану. Тепер уже рідкоземельні елементи переходять в осад, а плутоній залишається в розчині. Далі окислюється нептуний до чотирьохвалентного стану броматом калію, так як на плутоній цей реактив не діє, то при вторинному осадженні тим же фторидом лантану тривалентний плутоній переходить в осад, а нептуний залишається в розчині. Кінцевими продуктами таких операцій є плутонійсодержащіе з'єднання - двоокис PuO2 або фториди (PuF3 або PuF4), з яких (шляхом відновлення парами барію, кальцію або літію) отримують металевий плутоній.
Отримання більш чистого плутонію можна досягти електролітичним рафінуванням пірохіміческі виробленого металу, що виробляється в осередках для електролізу при температурі 700 ° C з електролітом з калію, натрію і хлориду плутонію із застосуванням вольфрамового або танталового катода. Одержуваний таким чином плутоній має чистоту 99,99%.
Для отримання великих кількостей плутонію будуються реактори-розмножувачі, так звані «брідери» (від англійського дієслова to breed - розмножувати). Свою назву дані реактори отримали завдяки своїй можливості отримання поділяється, в кількості, що перевищує витрати цього матеріалу на отримання. Відмінність реакторів такого типу від інших полягає в тому, що нейтрони в них не сповільнюються (відсутній сповільнювач, наприклад, графіт) для того, щоб їх якомога більше прореагував з 238U.
Після реакції утворюються атоми 239U, які в подальшому і утворюють 239Pu. Ядро такого реактора, що містить PuO2 в обедненном диоксиде урану (UO2), оточене оболонкою з ще більш збідненого діоксиду урану-238 (238UO2), в якій і утворюється 239Pu. Спільне використання 238U і 235U дозволяє «бріддерам» виробляти з природного урану енергії в 50-60 разів більше інших реакторів. Однак у цих реакторів існує великий недолік - ТВЕЛи зобов'язані охолоджуватися середовищем відмінною від води, яка знижує їх енергію. Тому було вирішено використовувати рідкий натрій в якості охолоджувача.
Будівництво таких реакторів в Сполучених Штатах Америки почалося після закінчення Другої Світової Війни, СРСР і Великобританія приступили до їх створення лише в 1950-х роках.
Фізичні властивості
Плутоній - дуже важкий (щільність при н. У. 19,84 г / см³) сріблястий метал, в очищеному стані дуже схожий на нікель, однак на повітрі плутоній швидко окислюється, тьмяніє, утворюють райдужну плівку, спочатку світло-жовту, потім переходить в темно-пурпурову. При сильному окисленні на поверхні металу з'являється оливково-зелений порошок оксиду (PuO2).
Плутоній - дуже електронегативний і хімічно активний метал, у багато разів більше, навіть ніж уран. Має сім аллотропних модифікацій (α, β, γ, δ, δ ", ε і ζ), які змінюються в певному температурному відрізку і при певному діапазоні тиску. При кімнатній температурі плутоній знаходиться в α-формі - це найбільш поширена для плутонію аллотропная модифікація . в альфа фазі чистий плутоній крихкий і вельми жорстокий - дана структура приблизно така ж жорстка, як сірий чавун, якщо вона не легирована іншими металами, які додадуть сплаву пластичність і м'якість. Крім того, в цій максимально щільної формі плутоній - шостий по щільності елемент (важче його тільки осмій, іридій, платина, реній і нептуній). Подальші аллотропние перетворення плутонію супроводжуються стрибкоподібними змінами щільності. Так, наприклад, при нагріванні від 310 до 480 ° С він не розширюється, як інші метали, а стискується (фази «дельта »і« дельта-прим »). При розплавленні (перехід з фази« Епсілон »в рідку фазу) плутоній також стискається, дозволяючи нерозплавлений плутонію спливати.
Плутоній відрізняє велика кількість незвичайних властивостей: у нього найнижча теплопровідність з усіх металів - при 300 K вона становить 6,7Вт / (м К); у плутонію найнижча електропровідність; в своїй рідкій фазі - плутоній самий в'язкий метал. Питомий опір дев'яносто четвертого елемента при кімнатній температурі дуже велике для металу, і ця особливість буде посилюватися з пониженням температури, що для металів не властиво. Така «аномалія» простежується аж до температури 100 К - нижче цієї позначки електричний опір буде зменшуватися. Однак, з позначки в 20 К опір знову починає зростати через радіаційне активності металу.
Плутоній має найвищий питомим електричним опором серед усіх вивчених актиноїдів (на даний момент), яке становить 150 мкОм см (при 22 ° C). Цей метал має низьку температуру плавлення (640 ° C) і незвично високу температуру кипіння (3 227 ° C). Ближче до точки плавлення рідкий плутоній має дуже високий показник в'язкості і поверхневого натягу в порівнянні з іншими металами.
Завдяки своїй радіоактивності, плутоній теплий на дотик. Великий шматок плутонію в термооболочке розігрівається до температури, що перевищує температуру кипіння води! Крім того, внаслідок своєї радіоактивності плутоній з часом зазнає змін в своїй кристалічній решітці - відбувається щось на кшталт відпалу завдяки самоопромінення через підвищення температури вище 100 K.
Наявність великої кількості аллотропних модифікацій у плутонію робить його важким металом в обробці і викочуванні через фазових переходів. Ми вже знаємо, що в альфа-формі дев'яносто четвертий елемент схожий за властивостями з чавуном, проте має властивість змінюватися і перетворюватися в пластичний матеріал, і утворювати ковку β-форму при більш високих інтервалах температур. Плутоній в δ-формі зазвичай стабільний при значеннях температури від 310 ° C до 452 ° C, але може існувати і при кімнатній температурі, якщо легирован малопроцентний вмістом алюмінію, церію або галію. Перебуваючи в сплаві з цими металами, плутоній може використовуватися при зварюванні. Взагалі дельта-форма має більш яскраво виражені характеристики металу - за міцністю та здатністю до куванні близька до алюмінію.
Хімічні властивості
Хімічні властивості дев'яносто четвертого елемента багато в чому схожі з властивостями його попередників в періодичній системі - ураном і нептунієм. Плутоній досить активний метал, він утворює сполуки зі ступенями окислення від +2 до +7. У водних розчинах елемент проявляє наступні ступені окислення: Pu (III), в якості Pu3 + (існує в кислих водних розчинах, має світло-фіолетовий колір); Pu (IV), в якості Pu4 + (шоколадний відтінок); Pu (V), в якості PuO2 + (світлий розчин); Pu (VI), в якості PuO22 + (світло-помаранчевий колір розчину) і Pu (VII), в якості PuO53- (зелений розчин).
Причому зазначені іони (крім PuO53-) можуть перебувати в розчині одночасно в рівновазі, що пояснюється наявністю 5f-електронів, які розташовані на локалізованої і делокалізованной зоні електронної орбіталі. При pH 5-8 домінує Pu (IV), який найбільш стійкий серед інших валентностей (ступенів окислення). Іони плутонію всіх ступенів окислення схильні до гідролізу і комплексоутворення. Здатність утворювати такі сполуки збільшується в ряду Pu5 +
Компактний плутоній повільно окислюється на повітрі, покриваючись райдужної маслянистої плівкою оксиду. Відомі такі оксиди плутонію: PuO, Pu2O3, PuO2 і фаза змінного складу Pu2O3 - Pu4O7 (бертоліди). У присутності незначної кількості вологи швидкість окислення і Кородування значно зростає. Якщо метал досить довго піддається впливу малих кількостей вологого повітря, то на його поверхні утворюється діоксид плутонію (PuO2). При нестачі кисню може утворитися і його дігідрід (PuH2). Дивно, але плутоній покривається іржею в атмосфері інертного газу (наприклад, аргону) з парами води набагато швидше, ніж на сухому повітрі або в чистому кисні. Насправді цей факт легко пояснити - пряма дія кисню формує на поверхні плутонію шар оксиду, перешкоджає подальшому окисленню, присутність вологи виробляє пухку суміш з оксиду і гідриду. До речі, завдяки саме такому покриттю метал стає пірофорним, тобто він здатний до самозаймання, з цієї причини металевий плутоній, як правило, обробляється в інертній атмосфері аргону або азоту. При цьому кисень є захисною речовиною і запобігає вплив вологи на метал.
Дев'яносто четвертий елемент реагує з кислотами, киснем і їх парами, але тільки не з лугами. Плутоній добре розчинний лише в дуже кислих середовищах (Наприклад, соляна кислота HCl), а так же розчиняється в в хлороводню, иодоводорода, бромоводород, 72% хлорним кислоті, 85% ортофосфорної кислоти H3PO4, концентрованої CCl3COOH, сульфаминовой кислоті і киплячої концентрованої азотної кислоти. У розчинах лугів плутоній помітно не розчиняється.
При впливі лугів на розчини, що містять чотирьох валентний плутоній, випадає осад гідроксиду плутонію Pu (OH) 4 xH2O, що володіє основними властивостями. При впливі лугів на розчини солей, що містять PuO2 +, випадає амфотерний гідроксид PuO2OH. Йому відповідають солі - плутоніти, наприклад, Na2Pu2O6.
Плутонієві солі легко гідролізуються при контакті з нейтральними або лужними розчинами, створюючи нерозчинну гідроокис плутонію. Концентровані розчини плутонію нестабільні, внаслідок радіолітичного розкладання, що веде до випадання осаду.
Дозоутворюючими радіонукліди. частина 5
Дата: 03/08/2011
Тема: здоров'я
Наведено основні характеристики дозообразующих радіонуклідів. Основний упор зроблений на виклад потенційної небезпеки радіонуклідів. З метою безпеки застосування розглянуті радіотоксіческіе і радіобіологічні ефекти впливу радіоізотопів на організм і навколишнє середовище. Викладене дає можливість більш усвідомлено ставитися до радіаційної небезпеки дозообразующих радіонуклідів.
11. Цезій-137
цезій (лат. caesium - Cs, хімічний елемент I групи періодичної системи Менделєєва, атомний номер 55, атомна маса 132,9054. Названий від латинського caesius - блакитний (відкритий по яскраво-синім спектральним лініях). Сріблясто-білий метал з групи лужних; легкоплавкий, м'який, як віск; щільність 1,904 г / см 3 і має уд. вага 1,88 (при 15ºС), Т пл - 28,4ºС. На повітрі запалюється, з водою реагує з вибухом. Основний мінерал - поллуціт.
Відомо 34 ізотопів цезію з масовими числами 114-148, з них тільки один (133 Cs) стабільний, інші - радіоактивні. Ізотопна поширеність цезію-133 в природі становить приблизно 100%. 133 Cs відноситься до розсіяних елементів. У незначних кількостях він міститься практично у всіх об'єктах зовнішнього середовища. Кларкового (середнє) зміст нуклида в земній корі - 3,7 ∙ 10 -4%, в грунті - 5 ∙ 10 -5%. Цезій - постійний мікроелемент рослинних і тваринних організмів: в живій фитомассе міститься в кількості 6 ∙ 10 -6%, в організмі людини - приблизно 4 г. При рівномірному розподілі цезію-137 в організмі людини з питомою активністю 1 Бк / кг потужність поглинання дози, за даними різних авторів, варіює від 2,14 до 3,16 мкГр / год.
У природі цей сріблясто-білий лужної метал зустрічається у вигляді стабільного ізотопу Cs-133. Це рідкісний елемент із середнім вмістом в земній корі 3,7 ∙ 10 -4%. Звичайний, природний цезій і його сполуки не радіоактивні. Радіоактивний тільки штучно одержуваний ізотоп 137 Cs. Довгоживучий радіоактивний ізотоп цезію 137 Cs утворюється при розподілі ядер 235 U і 239 Pu з виходом близько 7%. При радіоактивному розпаді 137 Cs випускає електрони з максимальною енергією тисяча сто сімдесят три кеВ і перетворюється в короткоживучий γ-випромінюючий нуклід 137m Ba (табл. 18). Має найвищу серед лужних металів хімічної активністю, зберігати його можна тільки в запаяних вакуумованих ампулах.
Таблиця 18
Основні характеристики цезію-137
| ізотоп | основний вид випромінювання | Період напіврозпаду, T 1/2 | значення УВ вода , Бк / дм 3 | Природні варіації ОА в водах (min-max), Бк / дм 3 |
137 Cs | β (E β max \u003d тисяча сто сімдесят три кеВ); | 11,0 (НРБ-99) | n ∙ 10 -3 - n ∙ 10 -2 |
Металевий цезій застосовують в фотоелементах і фотопомножувачем при виготовленні фотокатодов і як геттер в люмінесцентних трубках. Пари цезію - робоче тіло в МГД-генераторах, газових лазерах. З'єднання цезію використовують в оптиці і приладах нічного бачення.
У продуктах ядерної реакції поділу є значні кількості розкладених радіонуклідів цезію, серед яких найбільш небезпечний 137 Cs. Джерелом забруднення можуть бути і радиохимические заводи. Викид цезію-137 в навколишнє середовище відбувається в основному в результаті ядерних випробувань і аварій на підприємствах атомної енергетики. До початку 1981 р сумарна активність надійшов в навколишнє середовище 137 Cs досягла 960 ПБк. Щільність забруднення в Північному і Південному півкулях і в середньому на земній кулі становила відповідно 3.42; 0.86 і 3.14 кБк / м 2, а на території колишнього СРСР в середньому - 3,4 кБк / м 2.
При аварії на Південному Уралі в 1957 р стався тепловий вибух сховища радіоактивних відходів, і в атмосферу надійшли радіонукліди з сумарною активністю 74 ПБк, в тому числі 0,2 ПБк 137 Cs. При пожежі на РХЗ в Уіндскейлі в Великобританії в 1957 р стався викид 12 ПБк радіонуклідів, з них 46 ТБк 137 Cs. Технологічний скидання радіоактивних відходів підприємства «Маяк» на Південному Уралі в р. Течу в 1950 р склав 102 ПБк, в тому числі 137 Cs 12,4 ПБк. Вітрової винесення радіонуклідів з заплави оз. Керуючий на Південному Уралі в 1967 р склав 30 ТБк. На частку 137 Cs довелося 0,4 ТБк.
Справжньою катастрофою стала в 1986 р аварія на Чорнобильській атомній електростанції (ЧАЕС): зі зруйнованого реактора було викинуто 1850 ПБк радіонуклідів, при цьому на частку радіоактивного цезію довелося 270 ПБк. Поширення радіонуклідів прийняло планетарні масштаби. На Україні, в Білорусії і Центральному районі Російської Федерації випало більше половини від загальної кількості радіонуклідів, які осіли на території СНД. Відомі випадки забруднення зовнішнього середовища в результаті недбалого зберігання джерел радіоактивного цезію для медичних і технологічних цілей.
Цезій-137 використовується в гамма-дефектоскопії, вимірювальної техніки, для радіаційної стерилізації харчових продуктів, медичних препаратів і ліків, в радіотерапії для лікування злоякісних пухлин. Також цезій-137 використовується у виробництві радіоізотопних джерел струму, де він застосовується у вигляді хлориду цезію (щільність 3,9 г / см 3 , Енерговиділення близько 1,27 Вт / см 3 ).
Цезій-137 використовується в датчиках граничних рівнів сипучих речовин в непрозорих бункерах. Цезій-137 має певні переваги перед радіоактивним кобальтом-60: більш тривалий період напіврозпаду і менш жорстке гамма-випромінювання. У зв'язку з цим прилади на основі 137 Cs довговічніше, а захист від випромінювання менш громіздка. Однак, ці переваги стають реальними лише при відсутності домішки 137 Cs з більш коротким періодом напіврозпаду і більш жорстким гамма-випромінюванням.
Широке поширення отримав в якості джерела γ-випромінювання. У медицині цезієві джерела, поряд з радієва, застосовуються в терапевтичних γ-апаратах і пристроях для внутритканевой і порожнинної гамма-терапії. З 1967 р явище переходу між двома надтонкими рівнями основного стану атома цезію-137 використовується для визначення однієї з основних одиниць виміру часу - секунди.
Радіоцезій 137 Cs виключно техногенний радіонуклід, його наявність у досліджуваній середовищі пов'язано з випробуваннями ядерної зброї або з використанням ядерних технологій. 137 Cs - β-γ-випромінюючий радіоізотопи цезію, один з головних компонентів техногенного радіоактивного забруднення біосфери. Утворюється в результаті ядерних реакцій поділу. Міститься в радіоактивних випаданнях, скиди, відходи радіохімічних заводів. ОА 137 Cs в питній воді обмежується рівнями 11Бк / дм 3 або 8 Бк / дм 3.
Геохімічної особливістю 137 Cs є його здатність дуже міцно затримуватися природними сорбентами. Внаслідок цього під час вступу до ОПС його активність швидко зменшується в міру віддалення від джерела забруднення. Природні води порівняно швидко самоочищаються за рахунок поглинання 137 Cs взвесями і донними опадами.
Цезій може в значних кількостях накопичуватися в сільськогосподарських рослинах, і, зокрема, в насінні. Найбільш інтенсивно надходить з водного середовища і з високою швидкістю пересувається по рослині. Внесення в грунт калійних добрив і вапнування значно знижують поглинання цезію рослинами, і тим сильніше, чим вище частка калію.
Коефіцієнт накопичення особливо високий у прісноводних водоростей та арктичних наземних рослин (особливо, лишайників), з тваринного світу - у північних оленів через ягель, яким вони харчуються. Всередину живих організмів цезій-137 в основному проникає через органи дихання і травлення. Цей нуклід надходить в основному з їжею в кількості 10 мкг / сут. Виводиться з організму переважно з сечею (в середньому 9 мкг / добу). Цезій - постійний хімічний мікрокомпонент організму рослин і тварин. Головний накопичувач цезію в організмі ссавців - м'язи, серце, печінку. Близько 80% потрапив в організм цезію накопичується в м'язах, 8% - в скелеті, що залишилися 12% розподіляються рівномірно по іншим тканинам.
Цезій-137 виводиться в основному через нирки і кишечник. Біологічний період напіввиведення накопиченого цезію-137 для людини прийнято вважати рівним 70 діб (згідно з даними Міжнародної комісії з радіологічного захисту). У процесі виведення значні кількості цезію повторно всмоктуються в кров в нижніх відділах кишечника. ефективним засобом для зменшення всмоктування цезію в кишечнику є сорбент ферроцианид, який пов'язує нуклід в неусваіваемая форму. Крім того, для прискорення виведення нукліда стимулюють природні видільні процеси, використовують різні комплексообразователи.
Розвиток радіаційних уражень у людини можна очікувати при поглинанні дози приблизно в 2 Гр і більше. Дозам в 148, 170 і 740 МБк відповідають легка, середня і важка ступеня ураження, проте променева реакція відзначається вже при одиницях МБк.
137 Cs належить до групи радіоактивних речовин, рівномірно розподіляються по органам і тканинам, з цієї причини відноситься до среднеопасним по радіотоксичності нуклідів. Він має гарну здатність проникати в організм разом з калієм за допомогою харчових ланцюжків.
Основне джерело надходження цезію в організм людини - забруднені нуклідом продукти харчування тваринного походження. Вміст радіоактивного цезію в літрі коров'ячого молока досягає 0,8-1,1% від добового надходження нукліда, козячого та овечого - 10-20%. Однак в основному він накопичується в м'язовій тканині тварин: в 1 кг м'яса корів, овець, свиней і курей міститься 4,8, 20 і 26% (відповідно) від добового надходження цезію. У білок курячих яєць потрапляє менше - 1,8-2,1%. Ще в великих кількостях цезій накопичується в м'язових тканинах гідробіонтів: активність 1 кг прісноводних риб може перевищувати активність 1 л води більш ніж в 1000 разів (у морських - нижче).
Основне джерело цезію для населення Росії - молочні продукти і зерно (після аварії на ЧАЕС - молочні і м'ясні), в країнах Європи і США цезій надходить в основному з молочними та м'ясними продуктами і менше - з зерновими і овочевими. Створюване таким чином постійне внутрішнє опромінення завдає істотно більшої шкоди, ніж зовнішнє опромінення цим ізотопом.
Опубліковані методики вимірювання активності 137 Cs по його β-випромінювання припускають радіохімічну підготовку проби і виділення цезію з високим ступенем чистоти для виключення заважає впливу інших β-випромінювачів. Сучасні методи визначення 137 Cs засновані, як правило, на реєстрації гамма-випромінювання з енергією 661,6 кеВ. Вони підрозділяються на інструментальні, нижня межа визначення (НУО) яких становить 1-10 Бк / кг (або Бк / дм 3), і методи з попереднім хімічним збагаченням (НУО до 10 -2 Бк / кг). Для концентрування 137 Cs з розбавлених розчинів найчастіше використовують його співосадження з Фероцианід нікелю, міді, цинку, заліза, кобальту, кальцію, магнію або сорбенти-колектори на їх основі.
12. Плутоній
плутоній (plutonium) Pu - штучний радіоактивний хімічний елемент III групи періодичної системи елементів Менделєєва, атомний номер 94, трансурановий елемент, відноситься до актиноїдів. Перший нуклід 238 Pu відкритий в 1940 р Г.Т.Сіборгом (G.Th.Seaborg), Е.М.Мак-Мілланом (EM McMillan), Дж.Е.Кеннеді (JEKennedy) і А.Ч.Валом ( A.Ch.Wahl). Весною 1941 р Сиборг з співробітниками виявили і вперше виділили чверть мікрограма 239 Pu після розпаду 239 Np, що утворився при опроміненні 238 U ядрами важкого водню (дейтонами). Слідом за ураном і нептунієм новий елемент отримав своє ім'я на честь відкритої в 1930 р планети Плутон. З 24 серпня 2006 р рішенням Міжнародного астрономічного союзу Плутон більше не планета Сонячної системи. У грецькій міфології Плутон (він же Аїд) - бог царства мертвих.
Плутоній Pu - найнебезпечніший важкий метал. Має 15 радіоактивних ізотопів з масовими числами від 232 до 246, в основному α-випромінювачів. На Землі є лише сліди цього елемента і тільки в уранових рудах. Величини Т½ всіх ізотопів плутонію багато менше віку Землі, і тому весь первинний плутоній (що існував на нашій планеті при її формуванні) повністю розпався. Однак незначні кількості 239 Pu постійно утворюються при β-розпаді 239 Np, який, в свою чергу, виникає при ядерної реакції урану з нейтронами (наприклад, нейтронами космічного випромінювання).
Тому сліди плутонію виявлені в уранових рудах в таких мікроскопічних кількостях (0,4-15 частин Pu на 10 12 частин U), що про його видобутку з уранових руд не може бути й мови. Близько 5000 кг його виділилося в атмосферу в результаті ядерних випробувань. За деякими оцінками, грунт в США містить в середньому 2 мілікюрі (28 мг) плутонію на км 2 від випадання радіоактивних опадів. Це типовий продукт творіння людських рук; його отримують в ядерних реакторах з урану-238, який послідовно перетворюється в уран-239, нептуній-239 і плутоній-239.
Парні ізотопи плутонію-238, -240, -242 не є матеріалами, що діляться, але можуть ділитися під дією нейтронів високої енергії (є ділимими). Вони не здатні підтримувати ланцюгову реакцію (за винятком плутонію-240). Отримано ізотопи 232 Pu - 246 Pu; серед продуктів вибуху термоядерних бомб виявлені також 247 Pu і 255 Pu. Найбільш стійкий малодоступний 244 Pu (α-розпад і спонтанне ділення, Т 1/2\u003d 8,2 х 10 7 років, атомна маса 244,0642). У вільному вигляді крихкий сріблясто-білий метал. Сліди ізотопів 247 Pu і 255 Pu виявлені в пилу, зібраної після вибухів термоядерних бомб.
На ядерні дослідження та створення атомної промисловості в США, як пізніше і в СРСР, були кинуті величезні сили і засоби. У короткий термін були вивчені ядерні та фізико-хімічні властивості плутонію (табл. 19). Перший ядерний заряд на основі плутонію був підірваний 16 липня 1945 року на полігоні Аламогордо (випробування під кодовою назвою «Трініті»). В СРСР перші досліди по отримання 239 Pu були розпочаті в 1943-1944 рр. під керівництвом академіків І.В. Курчатова і В.Г. Хлопіна. Вперше плутоній в СРСР був виділений з опроміненого нейтронами урану. У 1945 р і в 1949 р в СРСР почав працювати перший завод по радиохимическому виділенню.
Таблиця 19
Ядерні властивості найважливіших ізотопів плутонію
| ядерні властивості | Плутоній-238 | Плутоній-239 | Плутоній-240 | Плутоній-241 | Плутоній-242 |
Період напіврозпаду, роки | |||||
Активність, Кі / г | |||||
Тип радіоактивне-ного розпаду | альфа-розпад | альфа-розпад | альфа-розпад | бета-розпад | альфа-розпад |
Енергія радіоактивного-ного розпаду, МеВ |
Примітка. Всі ізотопи плутонію - слабкі гамма-випромінювачі. Плутоній-241 перетворюється в америцій-241 (потужний гамма-випромінювач)
Лише два ізотопу плутонію мають практичне застосування в промислових і військових цілях. Плутоній-238, що отримується в ядерних реакторах з нептунію-237, використовується для виробництва компактних термоелектричних генераторів. Шість мільйонів електрон-вольт звільняється при розпаді одного атомного ядра плутонію-238. У хімічній реакції та ж енергія виділяється при окисленні декількох мільйонів атомів. У джерелі електрики, що містить один кілограм плутонію-238, розвивається теплова потужність 560 МВт. Максимальна потужність такого ж по масі хімічного джерела струму - 5 Вт.
Існує чимало випромінювачів з подібними енергетичними характеристиками, але одна особливість плутонію-238 робить цей ізотоп незамінним. Зазвичай альфа-розпад супроводжується сильним гамма-випромінюванням, проникаючим через великі товщі речовини. 238 Pu - виняток. Енергія гамма-квантів, які супроводжують розпад його ядер, невелика, захиститися від неї нескладно: випромінювання поглинається тонкостінних контейнером. Мала і ймовірність самовільного розподілу ядер цього ізотопу. Тому він знайшов застосування не тільки в джерелах струму, але і в медицині. Батарейки з плутонієм-238 служать джерелом енергії в спеціальних стимуляторах серцевої діяльності, термін служби яких досягає 5 років і більше.
Плутонієвої-берилієвий сплав працює як лабораторний джерело нейтронів. Ізотоп Pu-238 знаходиться в ряді атомних термоелектричних генераторів енергії на борту космічних дослідницьких апаратів. Завдяки довгому часу життя і високою тепловою потужністю, цей ізотоп використовується майже виключно в РІТЕГ космічного призначення, наприклад, на всіх апаратах, відлітають далі орбіти Марса.
З усіх ізотопів найбільш цікавим видається Pu-239, його період напіврозпаду 24110 років. Як матеріал, що ділиться, 239 Pu широко використовують в якості ядерного палива в атомних реакторах (енергія, що звільняється при розщепленні 1 г 239 Pu, еквівалентна теплоті, що виділяється при згорянні 4000 кг вугілля), у виробництві ядерної зброї (т.зв. «збройовий плутоній») і в атомних і термоядерних бомбах, а також для ядерних реакторів на швидких нейтронах і атомних реакторів цивільного та дослідницького призначення . Як джерело α-випромінювання плутоній, поряд з 210 Po, знайшов широке застосування в промисловості, зокрема, в пристроях елімінації електростатичних зарядів. Цей ізотоп знаходить застосування і в складі контрольно-вимірювальної апаратури.
Плутоній має безліч специфічних властивостей. Він володіє найнижчою теплопровідністю з усіх металів, найнижчою електропровідністю, за винятком марганцю. У своїй рідкій фазі це самий в'язкий метал. Температура плавлення -641 ° C; температура кипіння -3232 ° C; щільність - 19,84 (в альфа-фазі). Це вкрай електронегативний, хімічно активний елемент, набагато більшою мірою, ніж уран. Він швидко тьмяніє, утворюючи райдужну плівку (подібно райдужній масляної плівки), спочатку світло-жовту, з часом переходить в темно-пурпурову. Якщо окислення досить велике, на його поверхні з'являється оливково-зелений порошок оксиду (PuO 2). Плутоній охоче окислюється, і швидко піддається корозії навіть в присутності незначній вологості.
При зміні температури плутоній піддається найсильнішим і неприродним змін щільності. Плутоній має шістьма різними фазами (кристалічними структурами) у твердій формі, більше ніж будь-який інший елемент.
З'єднання плутонію з киснем, вуглецем і фтором використовуються в ядерній промисловості (безпосередньо або в якості проміжних матеріалів). Металевий плутоній не розчиняється у азотній кислоті, але діоксид плутонію розчиняється в гарячій концентрованої азотної кислоти. Однак у твердій суміші з діоксидом урану (наприклад, у відпрацьованому паливі ядерних реакторів) розчинність діоксиду плутонію в азотній кислоті збільшується, оскільки діоксид урану розчиняється в ній. Ця особливість використовується при переробці ядерного палива (табл. 20).
Таблиця 20
З'єднання плутонію і їх застосування
| з'єднання плутонію | застосування |
Діоксид плутонію PuO 2 | У суміші з діоксидом урану (UO 2) використовується як паливо для ядерних реакторів |
Карбід плутонію (PuC) | Потенційно можуть використовуватися в якості палива для реакторів-бридерів (розмножувачів) |
Трифторид плутонію (PuF 3) | Є проміжними сполуками при виробництві металевого плутонію |
| Нітрати плутонію - Pu (NO 3) 4 і Pu (NO 3) 3 | Не використовуються. Є продуктами переробки (при добуванні плутонію з відпрацьованого ядерного палива) |
Найважливіші сполуки плутонію: PuF 6 (легкокипящая рідина; термічно значно менш стабільний, ніж UF 6), тверді оксид PuO 2, карбід PuC і нітрид PuN, які в сумішах з відповідними сполуками урану можуть використовуватися як ядерне пальне.
Найбільшого поширення набули такі радіоізотопні пристрої, як іонізаційні сигналізатори пожежі або радіоізотопні індикатори диму. При механічній обробці плутоній легко утворює аерозолі.
У природі утворюється при β-розпаді Np-239, який, в свою чергу, виникає при ядерної реакції урану-238 з нейтронами (наприклад, нейтронами космічного випромінювання). Промислове виробництво Pu-239 також засновано на цій реакції і відбувається в атомних реакторах. Плутоній-239 першим утворюється в ядерному реакторі при опроміненні урану-238, чим довший цей процес, тим більше виникає більш важких ізотопів плутонію. Плутоній-239 повинен бути хімічно відділений від продуктів ділення і залишився в ВЯП урану. Цей процес називається репроцессінгом. Оскільки всі ізотопи мають однакове число протонів і різне - нейтронів, їх хімічні властивості (хімічні властивості залежать від числа протонів в ядрі) тотожні, тому дуже важко розділити ізотопи за допомогою хімічних методів.
Подальше відділення Pu-239 від урану, нептунію і високорадіоактивних продуктів поділу здійснюють на радіохімічних заводах радіохімічними методами (співосадження, екстракцією, іонними обмінами ін.) Металевий плутоній зазвичай отримують востановлением PuF 3, PuF 4 або PuO 2 парами барію, кальцію або літію.
Потім використовують його здатність до розщеплення під дією нейтронів в атомних реакторах, а здатність до самопідтримуваної ланцюгової реакції поділу за наявності критичної маси (7 кг) - в атомних і термоядерних бомбах, де він є основним компонентом. Критична маса його α-модифікації 5,6 кг (куля діаметром 4,1 см). 238 Pu використовується в «атомних» електричних батарейках, що володіють тривалим терміном служби. Ізотопи плутонію служать сировиною для синтезу трансплутонієві елементів (Am та ін.).
Опромінюючи Pu-239 нейтронами, можна отримувати суміш ізотопів, з яких ізотоп Pu-241, також як і Pu-239, є ділився і міг би бути використаний для отримання енергії. Однак, його період напіврозпаду 14,4 року, що не дозволяє його довго зберігати, до того ж, розпадаючись, він утворює не ділиться Am-241 (α-, γ-радіоактивний) з періодом напіврозпаду 432,8 року. Виходить, що приблизно через кожні 14 років кількість Am-241 в навколишньому середовищі подвоюється. Виявити його, як і інші трансуранові елементи, звичайної γ-спектрометрической апаратурою складно і потрібні дуже специфічні і дорогі методи виявлення. Ізотоп Pu- 242 по ядерним властивостям найбільш схожий на уран-238, Am-241, получавшийся при розпаді ізотопу Pu-241, використовувався в детекторах диму.
Америцій-241, також як і інші трансуранові елементи (нептуний, калифорний і інші), є екологічно небезпечним радіонуклідом, будучи переважно α-випромінюючих елементом, що обумовлює внутрішнє опромінення організму.
Накопиченого на Землі плутонію більш ніж достатньо. Його виробництва абсолютно не потрібно як для оборони, так і енергетики. Проте, з 13 існуючих в СРСР реакторів, які виробляли збройовий плутоній, продовжують працювати 3: два з них в м Сіверську. Останній такий реактор в США був зупинений в 1988 р.
Якість плутонію визначається за процентним вмістом в ньому ізотопів (крім плутонію-239) (табл. 21).
На вересень 1998 року ціни на плутоній, встановлені ізотопним відділенням Ок-Ріджской Національної лабораторії (ORNL) були такі: $ 8,25 / мг за плутоній-238 (97% чистоти); $ 4,65 / мг за плутоній-239 (\u003e 99,99%); $ 5,45 / мг за плутоній-240 (\u003e 95%); $ 14,70 / мг за плутоній-241 (\u003e 93%) і $ 19,75 / мг за плутоній-242.
Таблиця 21якість плутонію
Ця класифікація плутонію за якістю, розроблена Департаментом енергетики США, досить довільна. Наприклад, з паливного і реакторного плутонію, менш придатних для військових цілей, ніж збройовий, також можна зробити ядерну бомбу. Плутоній будь-якої якості може бути застосований для створення радіологічної зброї (коли радіоактивні речовини розпорошуються без здійснення ядерного вибуху).
Всього 60 років тому зелені рослини і тварини не містили в своєму складі плутоній, зараз до 10 т його розпорошено в атмосфері. Близько 650 т напрацьовано атомною енергетикою і понад 300 т військовим виробництвом. Значна частина всього виробництва плутонію знаходиться в Росії.
Потрапляючи в біосферу, плутоній мігрує по земній поверхні, включаючись в біохімічні цикли. Плутоній концентрується морськими організмами: його коефіцієнт накопичення (тобто відношення концентрацій в організмі і в зовнішньому середовищі) для водоростей становить 1000-9000, для планктону (змішаного) - близько 2300, для молюсків - до 380, для морських зірок - близько 1000 , для м'язів, кісток, печінки і шлунка риб - 5,570, 200 і 1060 відповідно. Наземні рослини засвоюють плутоній головним чином через кореневу систему і накопичують його до 0,01% від своєї маси. З 70-х рр. 20 століття частка плутонію в радіоактивне забруднення біосфери зростає (опроміненого морських безхребетних за рахунок плутонію стає більше, ніж за рахунок 90 Sr і 137 Cs). ГДК для 239 Pu у відкритих водоймах і повітрі робочих приміщень становить відповідно 81,4 і 3,3 ּ 10 -5 Бк / л.
Поведінка плутонію в повітряному середовищі визначає умови для безпечного зберігання та поводження з ним в процесі вироблення (табл. 22). Окислення плутонію створює ризик для здоров'я людей, так як діоксид плутонію, будучи стійким з'єднанням, легко потрапляє в легені при диханні. Його питома активність в 200 тис. Разів вище, ніж у урану, до того ж звільнення організму від потрапив в нього плутонію практично не відбувається протягом усього життя людини.
Період біологічного напіввиведення плутонію 80-100 років при знаходженні в кістковій тканині, концентрація його там практично постійна. Період напіввиведення з печінки - 40 років. Хелатні добавки можуть прискорити виведення плутонію.
Зміна властивостей плутонію в повітряному середовищі
| Форма і умови середовища | реакція плутонію |
металеві злитки | Щодо інертний, |
металевий порошок | Швидко реагує з утворенням |
Порошок дрібного подрібнення: | Довільно займається: |
При підвищених температурі і вологості | Реагує з утворенням |
Плутоній називають «ядерним отрутою», його допустимий вміст в організмі людини оцінюється нанограммах. Міжнародна комісія з радіологічного захисту (МКРЗ) встановила норму щорічного поглинання на рівні 280 нанограмм. Це означає, що для професійного опромінення концентрація плутонію в повітрі не повинна перевищувати 7 пікокюрі / м 3. Максимально допустима концентрація Pu-239 (для професійного персоналу) 40 наноКюрі (0.56 мікрограма) і 16 наноКюрі (0.23 мікрограма) для легеневої тканини.
Поглинання 500 мг плутонію як мелкораздробленного або розчиненого матеріалу може привести до смерті від гострого опромінення травної системи за кілька днів або тижнів. Вдихання 100 мг плутонію у вигляді частинок оптимального для утримання в легенях розміру 1-3 мікрона веде до смерті від набряку легенів за 1-10 днів. Вдихання дози в 20 мг призводить до смерті від фіброзу приблизно за місяць. Для доз багато менших цих величин проявляється хронічний канцерогенний ефект.
Протягом усього життя ризик розвитку раку легенів для дорослої людини залежить від кількості потрапив в тіло плутонію. Прийом всередину 1 мікрограма плутонію становить ризик в 1% розвитку раку (нормальна ймовірність раку 20%). Відповідно 10 мікрограм збільшують ризик раку з 20% до 30%. Попадання 100 мікрограм або більше гарантує розвиток раку легенів (зазвичай через кілька десятиліть), хоча свідоцтва пошкодження легенів можуть з'явитися протягом декількох місяців. Якщо він проникає в систему кровообігу, то з великою ймовірністю почне концентруватися в тканинах, що містять залізо: кістковому мозку, печінці, селезінці. Якщо 1,4 мікрограма розмістяться в кістках дорослої людини, в результаті погіршиться імунітет і через кілька років може розвинутися рак.
Справа в тому, що Pu-239 є α-випромінювачем, і кожна його α-частинка в біологічної тканини утворює вздовж свого короткого пробігу 150 тис. Пар іонів, пошкоджуючи клітини, виробляючи різні хімічні перетворення. 239 Pu належить до речовин з змішанням типом розподілу, оскільки накопичується не тільки в кістковому скелеті, але і в печінці. Дуже добре утримується в кістках і практично не видаляється з організму завдяки сповільненості обмінних процесів в кістковій тканині. З цієї причини даний нуклід належить до розряду найбільш токсичних.
Перебуваючи в організмі, плутоній стає постійним джерелом α-випромінювання для людини, викликаючи кісткові пухлини, рак печінки і лейкемію, порушення кровотворення, остеосаркоми, рак легенів, будучи, таким чином, одним з найнебезпечніших канцерогенів (табл. 23).
Список літератури
1. Тихонов М.Н., Муратов О.Е., Петров Е.Л. Ізотопи і радіаційні технології: осягнення реальності і погляд в майбутнє // Екологічна експертиза. Обз.інф., 2006, №6, с. 38--99. - М., ВІНІТІ РАН.
Тихонов М.Н., Муратов О.Е., Петров Е.Л. Ізотопи і радіаційні технології: осягнення реальності і погляд в майбутнє // Екологічна експертиза. Обз.інф., 2006, №6, с. 38--99. - М., ВІНІТІ РАН.2. Баженов В.А., Булдаков Л.А., Василенко І.Я. та ін. Шкідливі хімічні речовини. Радіоактивні речовини: Довідкове видання // Під ред. В.А. Филова та ін-Л .: Хімія, 1990. - 464 с.
3. Хімічна енциклопедія: у 5 т. // Гл. ред. Зефиров Н.С. - М .: Велика Російська енциклопедія, 1995. - Т. 4, с. 153-154 (радій), с. 282 (рубідій), с. 283 (рутеній), с. 300 (свинець), с. 560 (технецій), с. 613 (торій); 1999. - Т. 5, с. 41 (уран), с. 384 (цирконій).
4. Хімічна енциклопедія: у 5 т. // Гл. ред. Кнунянц І.Л. - М .: Радянська енциклопедія, 1990.- Т.1, с. 78 (актиній), с. 125 (емеріцій), с. 241 (барій); Т. 2, с. 284 (калій), с. 286 (калифорний), с.414 (кобальт), с. 577 (лантан); 1992. Т. 3, с. 580 (плутоній).
5. Несмєянов А. Н. Радіохімія. - М .: Хімія, 1978. - 560 с.
6. Широков Ю.М., Юдін Н.П. Ядерна фізика. - М., Наука, 1980.
7. Козлов В.Ф. Довідник з радіаційної безпеки. - 5-е изд., Перераб. і доп. - М .: Вища школа, 1999. - 520 с.
8. Моїсеєв А.А., Іванов В.І. Довідник з дозиметрії та радіаційної гігієни. - М .: Вища школа, 1992. - 252 с.
9. Кирилов В.Ф., Книжников В.А., Коренков І.П. Радіаційна гігієна // Під ред. Л.А. Ільїна. - М .: Медицина, 1988. - 336 с.
10. Рихванов Л.П. Загальні і регіональні проблеми радіоекології. - Томськ: ТПУ, 1997. - 384 с.
11. Бегнал К. Хімія рідкісних радіоактивних елементів. Полоній - актиній: Пер. з англ. // Під ред. Ю.В. Гагарінського. - М .: Изд-во іноз. літ-ри. - 256 с.
12. Гусєв Н.Г., Рубцов П.М., Коваленко В.В., Колобашкін В.В. Радіаційні характеристики продуктів поділу: Довідник. - М .: Атомиздат, 1974. - 224 с.
13. Трансуранові елементи в навколишньому середовищі // Під ред. У.С. Хенсона: Пер. з англ. - М .: Світ, 1985. - 344 с.
14. Смислов А.А. Уран і торій в земній корі. - Л .: Недра, 1974. - 232 с.
15. Іонізуючі випромінювання: джерела та біологічні ефекти. Науковий комітет ООН з дії атомної радіації (НКДАР). Доповідь за 1982 р Генеральній Асамблеї. Т.1. - Нью-Йорк, ООН, 1982. - 882 с.
16. Джерела, ефекти і небезпеку іонізуючої радіації // Доповідь Наукового комітету ООН з дії атомної радіації Генеральної Асамблеї за 1988 рік. - М .: Світ, 1992. - тисячі двісті тридцять два с.
17. Василенко І.Я. Токсикологія продуктів ядерного ділення. - М .: Медицина, 1999. - 200 с.
18. Ізраель Ю.А., Стукін Е.Д. Гамма - випромінювання радіоактивних випадінь. - М .: Атомиздат, 1967. - 224 с.
19. Алексахін Р.М., Архипов Н.П., Василенко І.Я. Важкі природні радіонукліди в біосфері. - М .: Наука, 1990. - 368 с.
20. Криволуцкий Д.А. і ін. Дія іонізуючої радіації на біогеоценоз. - М .: Гидрометеоиздат, 1977. - 320 с.
21. Булдаков Л.А. Радіоактивні речовини і человек.-М .: Вища школа, 1990 - 160 с.
22. Рузера Л.С. Радіоактивні аерозолі // Під ред. А.Н. Мартинюка. - М .: Вища школа, 2001. - 230 с.
23. Журавльов В.Ф. Токсикологія радіоактивних речовин. - М .: Вища школа, 1990. - 336 с.
24. Моїсеєв А.А. Цезій-137. Навколишнє середовище - людина. - М .: Вища школа, 1985. - 121 с.
25. Тихонов М.Н., Муратов О.Е. Альтернативний ядерно-паливний цикл: необхідність і актуальність // Екологія промислового виробництва 2009, вип. 4, с. 40-48.
26. Алексахін Р.М., Васильєв А.В., Дикарев В.Г. та ін. Сільськогосподарська радіоекологія. - М., Екологія, 1991.
27. Чалов П.І. Ізотопне фракціонування природного урану. - Фрунзе: Ілім, 1975.
28. Пилипенко А.Т. Натрій і калій // Довідник по елементарної хімії. - 2-е вид. - Київ: Наукова думка, 1978, с. 316-319.
29. Тихонов М.Н. Радонова небезпека: джерела, дози і невирішені питання // Екологічна експертиза. Обз.інф. 2009, вип. 5, с. 2-108. - М., ВІНІТІ РАН.
30. Гудзенко В.В., Дубинчук В.Т. Ізотопи радію і радону в природних водах. - М .: Наука, 1987. - 157 с.
31. Мартинюк Ю.Н. До питання про якість питної води по радіаційному ознакою // АНРИ, 1996, №1, с. 64-66.
32. Борисов Н.Б., Ільїн Л.А., Маргуліс У.Я. та ін. Радіаційна безпека при роботі з полонієм-210 // Під ред. І.В. Петрянова і Л.А. Ільїна. - М .: Атомиздат, 1980. - 264 с.
33. Методика виконання вимірювань об'ємної активності полонію-210 і свинцю-210 в природних водах альфа-бета-радіометричним методом з радиохимической підготовкою. - М., 2001..
34. Гусєв Н.Г., Бєляєв В.А. Радіоактивні викиди в біосфері: Довідник. - М .: Вища школа, 1991. - 255 с.
35. Болсуновський А.Я. Виробництво ядерних матеріалів в Росії і забруднення навколишнього середовища. - В кн .: Атом без грифа «Таємно»: точки зору. - Москва-Берлін, 1992, с. 9-29.
36. Федорова Е.А., Пономарьова Р.П., Мілакіна Л.А. Закономірності поведінки 14 С в системі атмосфера-рослина в умовах мінливої \u200b\u200bконцетрации СО 2 в повітрі // Екологія, 1985, №5, с. 24-29.
37. Пономарьова Р.П., Мілакіна Л.А., Савіна В.І. Закономірності поведінки вуглецю-14 в харчових ланцюгах людини в умовах дії локального джерела викидів // Атомна промисловість: навколишнє середовище і здоров'я населення / Под ред. Л.А. Булдакова, С.Н. Дьоміна. - М., 1988, с. 240-249.
38. Рублевський В.П., Голенецкій С.П., Кірдіна Г.С. Радіоактивний вуглець в біосфері. - М .: Атомиздат, 1979. - 150 с.
39. Артемова Н.Є., Бондарєв А.А., Карпов В.І., Курдюмов Б.С. та ін. Допустимі викиди радіоактивних і шкідливих хімічних речовин в приземному шарі атмосфери. - М .: Атомиздат, 1980. - 235 с.
40. Дьомін С.Н. Проблема вуглецю-14 в районі ПО «Маяк» // Питання радіаційної безпеки, 2000., №1, с. 61-66.
41. Сахаров А.Д. радіоактивний вуглець ядерних вибухів і непороговие біологічні ефекти // Атомна енергія, 1958, Т. 4, №6, с. 576-580.
42. Сахаров А.Д. Радіоактивний вуглець ядерних вибухів і непороговие біологічні ефекти // Наука і загальна безпека, 1991, Т. 1, №4, с. 3-8.
43. Німецький А.М. Атмосферне радіовуглець і смертність в Данії. Інтернет-журнал «Комерційна біотехнологія», 2005.
44. Еванс Е. Тритій і його з'єднання. - М., Атомиздат, 1970.
45. Ленський Л.А. Фізика і хімія тритію. - М., Атомиздат, 1981.
46. \u200b\u200bБіловодський Л.Ф., Гайовий В.К., Гришмановський В.І. Тритій. - М., Атомиздат, 1985.
47. Андрєєв Б.М., Зельвенська Я.Д., Катальников С.Г. Важкі ізотопи водню в ядерній техніці. - М., Атомиздат, 1987.
48. Леенсон І.А. 100 питань і відповідей по хімії. - М., АСТ-Астрель, 2002.
49. Дубасов Ю.В., Окунєв Н.С., Пахомов С.А. Моніторинг радіонуклідів ксенону і криптону-85 в Північно-Західному регіоні Росії в 2007-2008 рр. // Сб.докл. III Міжн. ядерного форуму 22-26 сент. 2008 - СПб .: НОУ ДПО «АТОМПРОФ», 2008, с. 57-62.
50. Ксьонзенко В.І., Стасіневіч Д.С. Хімія і технологія брому, йоду і їх з'єднань. 2-е изд. - М .: Ін.літ., 1995. - 562 с.
51. Бегнал К. Хімія селену, телуру і полонію. - М., 1971.
52. Методичні вказівки МУ 2.6.1.082-96. Оцінка дози внутрішнього опромінення щитовидної залози йодом-131 за результатами визначення вмісту йоду-129 в об'єктах навколишнього середовища (затв. Зам. Головного державного санітарного лікаря РФ 24 травня 1996 г.).
53. Гаврилін Ю.І., Волков В.Я., Макаренкова І.І. Ретроспективне відновлення інтегральних випадінь йоду-131 по населених пунктах Брянської області Росії на основі результатів визначення в 2008 р вмісту йоду-129 в грунті // Радіаційна гігієна, 2009 Т. 2, №3, с. 38-44.
54. Василенко І.Я., Василенко О.І. Стронцій радіоактивний // Енергія: економіка, техніка, екологія, 2002 №4, с. 26-32.
55. Василенко І.Я. Радіоактивний цезій-137 // Природа, 1999, №3, с. 70-76.
56. Плутонієва економіка: вихід або глухий кут. Плутоній в навколишньому середовищі // Упоряд. Миронова Н.І. - Челябінськ, 1998. - 74 с.
57. Блюменталь У.Б. Хімія цирконію. - М., 1963.
58. Перцов Л.А. Іонізуюче випромінювання біосфери. - М .: Атомиздат, 1973. - 288 с.
59. Популярна бібліотека хімічних елементів. Кн.2. Срібло-нильсборий і далі. - 3-е изд. - М .: Наука, 1983. - 573 с.
60. Огородніков Б.І. Торон і його дочірні продукти в проблемі інгаляційного опромінення // Атомна техніка за кордоном, 2006, №6, с. 10-15.
61. Ярмоненко С.П. Біологія людини і тварин.-М .: вища школа, 1988.-424 с.
62. Бабаєв Н.С., Дьомін В.Ф., Ільїн Л.А. та ін. Ядерна енергетика, людина і навколишнє середовище / Под ред. акад. А.П. Александрова. - М .: Вища школа, 1984. - 312 с.
63. Абрамов Ю.В. та ін. Визначення доз зовнішнього опромінення органів і тканин відповідно до вимог НРБ -99 в виробничих умовах // Медицина екстремальних ситуацій, 2000, № 3 (6), с.55-60.
64. Алексахін Р.М., Булдаков Л.А., Губанов В.А. і ін. Великі радіаційні аварії: наслідки та захисні заходи / За заг. ред. Л.А.Ільіна і В.А. Губанова. - М .: Видавництво, 2001. -752 с.
65. Машковіч В.П., Кудрявцева А.В. Захист від іонізуючих випромінювань: Довідник, 4-е изд. - М .: Вища школа, 1995.
66. Радіаційна медицина. Т.2. Радіаційні ураження людини / За заг. ред. акад. РАМН Л.А.Ільіна. -М.: Видавництво, 2001. -432 с.
опис плутонію
плутоній (Plutonium) являє собою важкий хімічний елемент сріблястого кольору, радіоактивний метал з атомним числом 94, який в періодичній позначається символом Pu.
Даний електронегативний активний хімічний елемент відноситься до групи актиноїдів з атомною масою 244,0642, і, як і нептуній, який отримав свою назву на честь однойменної планети, своєю назвою цей хімічний зобов'язаний планеті Плутон, оскільки попередниками радіоактивного елемента в періодичній таблиці хімічних елементів Менделєєва є і нептуній, які також були названі в честь далеких космічних планет нашої Галактики.
походження плутонію
елемент плутоній вперше був відкритий в 1940 році в Каліфорнійському Університеті групою вчених-радіологів та наукових дослідників Г. Сиборгом, Е. Макмилланом, Кеннеді, А. Уолхом при бомбардування уранової мішені з циклотрона дейтронами - ядрами важкого водню.
У грудні того ж року вченими був відкритий ізотоп плутонію - Pu-238, період напіврозпаду якого становить понад 90 років, при цьому було встановлено, що під впливом складних ядерних хімічних реакцій спочатку виходить ізотоп нептуний-238, після чого вже відбувається утворення ізотопу плутонію-238.
У початку 1941 року вчені відкрили плутоній 239 з періодом розпаду в 25 000 років. Ізотопи плутонію можуть мати різний зміст нейтронів в ядрі.
Чисте з'єднання елемента змогли отримати тільки в кінці 1942. Кожен раз, коли вчені-радіологи відкривали новий ізотоп, вони завжди вимірювали час періодів напіврозпаду ізотопів.
На даний момент ізотопи плутонію, яких всього налічується 15, відрізняються за часом тривалості періоду напіврозпаду. Саме з цим елементом пов'язані великі надії, перспективи, а й в той же момент, серйозні побоювання людства.
Плутоній має значно більшу активність, ніж, наприклад, уран і належить до найдорожчим технічно важливим і значущим речовин хімічної природи.
Наприклад, вартість грама плутонію в кілька разів більше одного грама,, або інших не менш цінних металів.
Виробництво, видобуток плутонію вважається витратною, а вартість одного грама металу в наш час впевнено тримається на позначці в 4000 американських доларів.
Як отримують плутоній? виробництво плутонію
Виробництво хімічного елемента відбувається в атомних реакторах, всередині яких уран розщеплюється під впливом складних хімічно-технологічних взаємопов'язаних процесів.
Уран і плутоній є головними, основними компонентами при виробництві атомного (ядерного) пального.
При необхідності отримання великої кількості радіоактивного елемента застосовують метод опромінення трансуранових елементів, які можна отримати з відпрацьованого атомного палива і опромінення урану. Перебіг складних хімічних реакцій дозволяє відокремити метал від урану.
Щоб отримати ізотопи, а саме плутоній-238 і збройовий плутоній-239, які представляють собою проміжні продукти розпаду, використовують опромінення нептунію-237 нейтронами.
Мізерну частину плутонію-244, який є самим «довготривалим» варіантом ізотопу, унаслідок його тривалого періоду напіврозпаду, виявили під час досліджень в цериевой руді, яка, швидше за все, збереглася з моменту формування нашої Планети Земля. У природному вигляді в природі даний радіоактивний елемент не зустрічається.
Основні фізичні властивості і характеристики плутонію
Плутоній - досить важкий радіоактивний хімічний елемент сріблястого кольору, який блищить тільки в очищеному вигляді. атомна маса металу плутоній дорівнює 244 а. е. м.
Через свою високу радіоактивність даний елемент теплий на дотик, може розігрітися до температури, яка перевищує температурний показник при кипінні води.
Плутоній, під впливом атомів кисню швидко темніє і покривається райдужною тонкої плівкою спочатку світло-жовтого, а потім насиченого - або бурого відтінку.
При сильному окисленні відбувається утворення на поверхні елемента - порошку PuO2. Даний вид хімічного металу схильний сильним процесам окислення і дії корозії навіть при незначному рівні вологості.
Щоб запобігти коррозірованіе і оксидуванні поверхні металу, необхідна сушильна. фото плутонію можна подивитися нижче.
Плутоній відноситься до чотирьохвалентним хімічним металів, добре і швидко розчиняється в йодистоводородной речовинах, кислих середовищах, наприклад, в, хлорного,.
Солі металу швидко нейтралізуються в середовищах з нейтральною реакцією, лужних розчинах, при цьому утворюючи нерозчинний гідроксид плутонію.
Температура, при якій відбувається плавлення плутонію дорівнює 641 градусам Цельсія, температура кипіння - 3230 градусів.
Під впливом високих температурних режимів відбуваються неприродні зміни щільності металу. У вигляді плутоній володіє різними фазами, має шість кристалічних структур.
При переході між фазами відбуваються значні зміни обсягах елемента. Найбільш щільну форму елемент набуває в шостий альфа-фазі (остання стадія переходу), при цьому важче металу в цьому стані буває тільки,, нептуній, радій.
При розплавленні відбувається сильне стиснення елемента, тому метал може триматися на поверхні води і інших неагресивних рідких середовищ.
Незважаючи на те, що даний радіоактивний елемент належить до групи хімічних металів, елемент досить летючий, і при знаходженні в закритому просторі за нетривалий період часу збільшується і зростає в кілька разів його концентрація в повітрі.
До основних фізичних властивостей металу можна віднести: невисокий ступінь, рівень теплопровідності з усіх існуючих і відомих хімічних елементів, низький рівень електропровідності, в рідкому стані плутоній відноситься до одних з найбільш в'язких металів.
Варто відзначити, що будь-які сполуки плутонію відносяться до токсичних, отруйних і представляють серйозну небезпеку опромінення для людського організму, яке відбувається внаслідок активного альфа-випромінювання, тому всі роботи потрібно виконувати гранично уважно і тільки в спеціальних костюмах з хімічним захистом.
Більше про властивості, теорії походження унікального металу можна прочитати в книзі Обручева «Плутония». Автор В.А. Обручов запрошує читачів поринути в дивовижний і унікальний світ фантастичною країни плутонію, яка розташована в глибині надр Землі.
застосування плутонію
Промисловий хімічний елемент прийнято класифікувати на збройовий і реакторний ( «енергетичний») плутоній.
Так, для виробництва ядерного озброєння з усіх існуючих ізотопів допустимо застосовувати тільки плутоній 239, в якому не повинно бути більше 4.5% плутонію 240, так як він схильний до мимовільного поділу, що значно ускладнює виготовлення бойових снарядів.
Плутоній-238 знаходить застосування для функціонування малогабаритних радіоізотопних джерел електричної енергії, наприклад, в якості джерела енергії для космічної техніки.
Кілька десятиліть тому плутоній застосовували в медицині в кардіостимуляторах (прилади для підтримки серцевого ритму).
Перша атомна бомба, створена в світі, мала плутонієвий заряд. ядерний плутоній (Pu 239) затребуваний як ядерне паливо для забезпечення функціонування енергетичних реакторів. Також цей ізотоп служить джерелом для отримання в реакторах трансплутонієві елементів.
Якщо провести порівняння ядерного плутонію з чистим металом, ізотоп володіє вищими металевими параметрами, не має фаз переходу, тому його широко використовують в процесі отримання елементів палива.
Оксиди ізотопу плутонію 242 також затребувані як джерело живлення для космічних літальних агрегатів, техніки, в ТВЕЛах.
збройовий плутоній - це елемент, який представлений у вигляді компактного металу, в якому міститься не менше 93% ізотопу Pu239.
Даний вид радіоактивного металу можна використовувати для виробництва різних видів ядерного споруд.
Отримують збройовий плутоній в спеціалізованих промислових атомних реакторах, які функціонують на природному або на низькозбагаченому урані, в результаті захоплення їм нейтронів.
Цей метал називають дорогоцінним, проте не за красу, а за незамінність. У періодичної системі Менделєєва цей елемент займає осередок під номером 94. Саме з ним вчені пов'язують свої найбільші надії, і саме плутоній вони називають найнебезпечнішим металом для людства.
Плутоній: опис
за зовнішнім виглядом це сріблясто-білий метал. Він є радіоактивним і може бути представлений у вигляді 15 ізотопів, що мають різні періоди напіврозпаду, наприклад:
- Pu-238 - близько 90 років
- Pu-239 - близько 24 тисяч років
- Pu-240 - 6580 років
- Pu-241 - 14 років
- Pu-242 - 370 тисяч років
- Pu-244 - близько 80 мільйонів років
Цей метал не можна добути з руди, оскільки він є продуктом радіоактивного перетворення урану.
Як отримують плутоній?
Виробництво плутонію вимагає розщеплення урану, що можна здійснити тільки в атомних реакторах. Якщо ж говорити про присутність елемента Pu в земній корі, то на 4 мільйони тонн уранової руди буде припадати всього 1 грам чистого плутонію. І цей грам утворюється шляхом природного захоплення нейтронів ядрами урану. Таким чином, щоб отримати це ядерне пальне (зазвичай - ізотоп 239-Pu) в кількості декількох кілограм необхідне проведення складного технологічного процесу в атомному реакторі.
властивості плутонію
Радіоактивний метал плутоній має наступні фізичними властивостями:
- щільність 19,8 г / см 3
- температура плавлення - 641 ° C
- температура кипіння - 3232 ° C
- теплопровідність (при 300 K) - 6,74 Вт / (м · К)
Плутоній радіоактивний, тому теплий на дотик. При цьому для цього металу характерна найнижча теплопровідність і електропровідність. Рідкий плутоній є в'язким з усіх існуючих металів.
Найменша зміна температури плутонію призводить до моментального зміни щільності речовини. В цілому ж, маса плутонію постійно змінюється, оскільки ядра цього металу знаходяться в стані постійного поділу на більш дрібні ядра і нейтрони. Критична маса плутонію - так називають мінімальну масу ділимо речовини, при якій протікання ділення (ланцюгової ядерної реакції) залишається можливим. Наприклад, критична маса збройового плутонію - 11 кг (для порівняння, критична маса високозбагаченого урану - 52 кг).
Уран і плутоній - основне ядерне пальне. Щоб отримати плутоній у великих кількостях застосовується дві технології:
- опромінення урану
- опромінення трансуранових елементів, отриманих з відпрацьованого палива
Обидва способи є відділення плутонію і урану в результаті протікання хімічної реакції.
Для отримання чистого плутонію-238 застосовується нейтронне опромінення нептунію-237. Цей же ізотоп бере участь в створенні збройового плутонію-239, зокрема, він є проміжним продуктом розпаду. $ 1 млн. - саме стільки становить ціна за 1 кг плутонію-238.