Plutonium (lat. Plutonium, bezeichnet mit dem Symbol Pu) ist ein radioaktives chemisches Element mit der Ordnungszahl 94 und dem Atomgewicht 244.064. Plutonium ist ein Element der Gruppe III des Periodensystems von Dmitry Ivanovich Mendeleev und gehört zur Familie der Aktiniden. Plutonium ist ein schweres (Dichte unter Normalbedingungen 19,84 g/cm³), sprödes, silberweißes radioaktives Metall.

Plutonium hat keine stabilen Isotope. Von den hundert möglichen Isotopen von Plutonium wurden fünfundzwanzig synthetisiert. Fünfzehn von ihnen wurden auf Kerneigenschaften untersucht (Massennummern 232-246). Vier haben praktische Anwendungen gefunden. Die langlebigsten Isotope - 244Pu (Halbwertszeit 8.26.107 Jahre), 242Pu (Halbwertszeit 3,76 105 Jahre), 239Pu (Halbwertszeit 2,41 104 Jahre), 238Pu (Halbwertszeit 87,74 Jahre) - α-Strahler und 241Pu (Halbwertszeit 14 Jahre) - β-Strahler. In der Natur kommt Plutonium in Spuren in Uranerzen (239Pu) vor; Es entsteht aus Uran unter Einwirkung von Neutronen, deren Quellen Reaktionen sind, die bei der Wechselwirkung von α-Teilchen mit leichten Elementen (die Teil von Erzen sind), spontaner Spaltung von Urankernen und kosmischer Strahlung auftreten.

Das vierundneunzigste Element wurde von einer Gruppe amerikanischer Wissenschaftler – Glenn Seaborg, Kennedy, Edwin McMillan und Arthur Wahl – 1940 in Berkeley (an der University of California) entdeckt, als sie ein Ziel aus Uranoxid (U3O8) mit hochbeschleunigten Deuteriumkernen bombardierten (Deuteronen) aus einem 60-Zoll-Zyklotron. Im Mai 1940 wurden die Eigenschaften von Plutonium von Louis Turner vorhergesagt.

Im Dezember 1940 wurde das Plutonium-Isotop Pu-238 mit einer Halbwertszeit von ~90 Jahren entdeckt, ein Jahr später das wichtigere Pu-239 mit einer Halbwertszeit von ~24.000 Jahren.

Edwin Macmillan schlug 1948 vor, das chemische Element Plutonium zu Ehren der Entdeckung des neuen Planeten Pluto und in Analogie zu Neptunium zu benennen, das nach der Entdeckung von Neptun benannt wurde.

Metallisches Plutonium (Isotop 239Pu) wird in Kernwaffen eingesetzt und dient als Kernbrennstoff für Leistungsreaktoren, die mit thermischen und besonders schnellen Neutronen betrieben werden. Die kritische Masse für 239Pu in Form von Metall beträgt 5,6 kg. Das Isotop 239Pu ist unter anderem Ausgangsstoff für die Herstellung von Transplutonium-Elementen in Kernreaktoren. Das 238Pu-Isotop wird in kleinen nuklearen elektrischen Stromquellen verwendet, die in der Weltraumforschung verwendet werden, sowie in Stimulatoren der menschlichen Herzaktivität.

Plutonium-242 ist wichtig als "Rohstoff" für die relativ schnelle Akkumulation höherer Transurane in Kernreaktoren. δ-stabilisierte Plutoniumlegierungen werden bei der Herstellung von Brennelementen verwendet, da sie im Vergleich zu reinem Plutonium, das beim Erhitzen Phasenumwandlungen durchläuft, bessere metallurgische Eigenschaften aufweisen. Plutoniumoxide dienen als Energieträger für die Raumfahrttechnik und werden in Brennstäben verwendet.

Alle Plutoniumverbindungen sind giftig, was eine Folge der α-Strahlung ist. Alphateilchen stellen eine ernsthafte Gefahr dar, wenn ihre Quelle im Körper einer infizierten Person liegt, sie schädigen das Körpergewebe, das das Element umgibt. Plutonium-Gammastrahlung ist für den Körper nicht schädlich. Es sollte berücksichtigt werden, dass verschiedene Isotope von Plutonium unterschiedliche Toxizität haben, zum Beispiel ist typisches Plutonium in Reaktorqualität 8-10 Mal toxischer als reines 239Pu, da es von 240Pu-Nukliden dominiert wird, die eine starke Quelle für Alphastrahlung sind. Plutonium ist das radiotoxischste Element aller Aktiniden, gilt jedoch als weit entfernt von dem gefährlichsten Element, da Radium fast tausendmal gefährlicher ist als das giftigste Isotop von Plutonium - 239 Pu.

Biologische Eigenschaften

Plutonium wird von Meeresorganismen konzentriert: Der Akkumulationskoeffizient dieses radioaktiven Metalls (das Verhältnis der Konzentrationen im Körper und in der äußeren Umgebung) für Algen beträgt 1000-9000, für Plankton - ungefähr 2300, für Seesterne - ungefähr 1000, für Weichtiere - bis zu 380, für Muskeln, Knochen, Leber und Magen von Fischen - 5, 570, 200 bzw. 1060. Landpflanzen nehmen Plutonium hauptsächlich über das Wurzelsystem auf und reichern es bis zu 0,01 % ihrer Masse an. Im menschlichen Körper wird das vierundneunzigste Element hauptsächlich im Skelett und in der Leber zurückgehalten, von wo es fast nicht ausgeschieden wird (insbesondere aus den Knochen).

Plutonium ist hochgiftig, und seine chemische Gefährlichkeit (wie jedes andere Schwermetall) ist viel schwächer (aus chemischer Sicht ist es auch giftig wie Blei). Im Vergleich zu seiner radioaktiven Toxizität, die eine Folge von Alphastrahlung ist. Darüber hinaus haben α-Partikel eine relativ geringe Durchdringungskraft: Für 239Pu beträgt die Reichweite von α-Partikeln in Luft 3,7 cm und in weichem biologischem Gewebe 43 Mikrometer. Daher stellen α-Partikel eine ernsthafte Gefahr dar, wenn ihre Quelle im Körper des Infizierten liegt. Dabei schädigen sie das umliegende Gewebe des Körpers.

Gleichzeitig sind γ-Strahlen und Neutronen, die auch Plutonium aussendet und die von außen in den Körper eindringen können, nicht sehr gefährlich, weil ihr Niveau zu gering ist, um gesundheitliche Schäden anzurichten. Plutonium gehört zur Gruppe der Elemente mit besonders hoher Radiotoxizität. Gleichzeitig haben verschiedene Isotope von Plutonium unterschiedliche Toxizität, zum Beispiel ist typisches Plutonium in Reaktorqualität 8-10 Mal toxischer als reines 239Pu, da es von 240Pu-Nukliden dominiert wird, die eine starke Quelle für Alphastrahlung sind.

Plutonium ist bei Aufnahme in Wasser und Nahrung weniger toxisch als Substanzen wie Koffein, bestimmte Vitamine, Pseudoephedrin und viele Pflanzen und Pilze. Dies liegt daran, dass dieses Element vom Magen-Darm-Trakt schlecht aufgenommen wird, selbst wenn es in Form eines löslichen Salzes eingenommen wird, wird dieses Salz vom Inhalt des Magens und des Darms gebunden. Die Einnahme von 0,5 Gramm fein verteiltem oder gelöstem Plutonium kann jedoch in wenigen Tagen oder Wochen zum Tod durch akute Bestrahlung des Verdauungssystems führen (für Cyanid beträgt dieser Wert 0,1 Gramm).

Aus Sicht der Inhalation ist Plutonium ein gewöhnliches Toxin (entspricht ungefähr Quecksilberdampf). Beim Einatmen ist Plutonium krebserregend und kann Lungenkrebs verursachen. Wenn also 100 Milligramm Plutonium in Form von Partikeln mit einer optimalen Größe für die Retention in der Lunge (1-3 Mikron) eingeatmet werden, führt dies innerhalb von 1-10 Tagen zum Tod durch Lungenödem. Eine Dosis von zwanzig Milligramm führt in etwa einem Monat zum Tod durch Fibrose. Kleinere Dosen führen zu chronischen krebserzeugenden Vergiftungen. Das Risiko des Einatmens von Plutonium in den Körper ist erhöht, da Plutonium zur Bildung von Aerosolen neigt.

Obwohl es ein Metall ist, ist es sehr volatil. Ein kurzer Aufenthalt des Metalls im Raum erhöht seine Konzentration in der Luft erheblich. In der Lunge setzt sich Plutonium teilweise auf der Lungenoberfläche ab, gelangt teilweise ins Blut und dann in die Lymphe und das Knochenmark. Der größte Teil (etwa 60 %) geht in das Knochengewebe, 30 % in die Leber und nur 10 % werden auf natürliche Weise ausgeschieden. Die aufgenommene Plutoniummenge hängt von der Größe der Aerosolpartikel und der Löslichkeit im Blut ab.

Plutonium, das auf die eine oder andere Weise in den menschlichen Körper gelangt, hat ähnliche Eigenschaften wie Eisen, daher beginnt sich Plutonium beim Eindringen in das Kreislaufsystem in eisenhaltigen Geweben zu konzentrieren: Knochenmark, Leber, Milz. Der Körper nimmt Plutonium als Eisen wahr, daher nimmt das Protein Transferrin Plutonium anstelle von Eisen, was den Sauerstofftransport im Körper stoppt. Mikrophagen verteilen Plutonium durch die Lymphknoten. Das in den Körper gelangte Plutonium wird ihm sehr lange entzogen – über 50 Jahre werden nur 80 % aus dem Körper entfernt. Die Eliminationshalbwertszeit aus der Leber beträgt 40 Jahre. Für Knochengewebe beträgt die Halbwertszeit von Plutonium 80-100 Jahre, tatsächlich ist die Konzentration des vierundneunzigsten Elements in den Knochen konstant.

Während des Zweiten Weltkriegs und danach führten Wissenschaftler des Manhattan-Projekts sowie Wissenschaftler des Dritten Reichs und anderer Forschungsorganisationen Experimente mit Plutonium an Tieren und Menschen durch. Tierstudien haben gezeigt, dass einige Milligramm Plutonium pro Kilogramm Gewebe eine tödliche Dosis sind. Die Anwendung von Plutonium beim Menschen bestand darin, dass chronisch Kranken üblicherweise 5 Mikrogramm Plutonium intramuskulär injiziert wurden. Am Ende wurde festgestellt, dass die tödliche Dosis für einen Patienten ein Mikrogramm Plutonium beträgt und dass Plutonium gefährlicher als Radium ist und dazu neigt, sich in Knochen anzusammeln.

Wie Sie wissen, ist Plutonium ein Element, das in der Natur praktisch nicht vorkommt. Als Ergebnis von Atomtests im Zeitraum 1945-1963 wurden jedoch etwa fünf Tonnen davon in die Atmosphäre freigesetzt. Die Gesamtmenge an Plutonium, die vor den 1980er Jahren durch Atomtests in die Atmosphäre freigesetzt wurde, wird auf 10 Tonnen geschätzt. Einigen Schätzungen zufolge enthält der Boden in den Vereinigten Staaten von Amerika durchschnittlich 2 Millicurie (28 mg) Plutonium pro km2 aus Fallout, und das Vorhandensein von Plutonium im Pazifischen Ozean ist im Vergleich zur Gesamtverteilung von Kernmaterial erhöht Erde.

Das letztere Phänomen steht im Zusammenhang mit der Durchführung von US-Atomtests auf dem Territorium der Marshallinseln im pazifischen Testgebiet Mitte der 1950er Jahre. Die Aufenthaltszeit von Plutonium in den Oberflächengewässern des Ozeans beträgt 6 bis 21 Jahre, aber auch nach dieser Zeit fällt Plutonium zusammen mit biogenen Partikeln auf den Boden, aus denen es durch mikrobielle Zersetzung wieder in lösliche Formen gebracht wird .

Die Weltverschmutzung durch das vierundneunzigste Element ist nicht nur mit Atomtests verbunden, sondern auch mit Unfällen in Produktion und Ausrüstung, die mit diesem Element interagieren. So stürzte im Januar 1968 eine B-52 der US Air Force mit vier Atomsprengköpfen in Grönland ab. Infolge der Explosion wurden die Ladungen zerstört und Plutonium leckte in den Ozean.

Ein weiterer Fall von radioaktiver Kontamination der Umwelt infolge eines Unfalls ereignete sich am 24. Januar 1978 mit dem sowjetischen Raumschiff Kosmos-954. Infolge eines unkontrollierten Verlassens der Umlaufbahn stürzte ein Satellit mit einer Kernenergiequelle an Bord auf kanadisches Territorium. Durch den Unfall wurde mehr als ein Kilogramm Plutonium-238 in die Umwelt freigesetzt, das sich auf einer Fläche von etwa 124.000 m² ausbreitete.

Das schrecklichste Beispiel für eine versehentliche Freisetzung radioaktiver Stoffe in die Umwelt ist der Unfall im Kernkraftwerk Tschernobyl, der sich am 26. April 1986 ereignete. Infolge der Zerstörung des vierten Triebwerks wurden auf einer Fläche von etwa 2200 km² 190 Tonnen radioaktiver Stoffe (einschließlich Plutoniumisotope) in die Umwelt freigesetzt.

Die Freisetzung von Plutonium in die Umwelt ist nicht nur mit von Menschen verursachten Unfällen verbunden. Fälle von Plutoniumaustritt sind bekannt, sowohl aus Labor- als auch aus Fabrikbedingungen. Mehr als zwanzig unbeabsichtigte Lecks aus 235U- und 239Pu-Laboren sind bekannt. Während 1953-1978. Notfälle führten zu einem Verlust von 0,81 (Mayak, 15. März 1953) bis 10,1 kg (Tomsk, 13. Dezember 1978) 239Pu. Zwischenfälle in Industriebetrieben führten in der Stadt Los Alamos (21. August 1945 und 21. Mai 1946) zum Tod von zwei Menschen durch zwei Unfälle und zum Verlust von 6,2 kg Plutonium. In der Stadt Sarow 1953 und 1963. ungefähr 8 und 17,35 kg fielen außerhalb des Kernreaktors. Einer von ihnen führte 1953 zur Zerstörung eines Atomreaktors.

Bei der Spaltung des 238Pu-Kerns durch Neutronen wird Energie in Höhe von 200 MeV freigesetzt, das ist 50 Millionen Mal mehr als bei der berühmtesten exothermen Reaktion: C + O2 → CO2. Beim "Verbrennen" in einem Kernreaktor ergibt ein Gramm Plutonium 2.107 kcal - das ist die Energie, die in 4 Tonnen Kohle enthalten ist. Ein Fingerhut Plutonium-Brennstoff kann energetisch mit vierzig Wagenladungen guten Brennholzes gleichgesetzt werden!

Das "natürliche Isotop" von Plutonium (244Pu) gilt als das langlebigste Isotop aller Transuranium-Elemente. Seine Halbwertszeit beträgt 8,26∙107 Jahre. Wissenschaftler haben lange versucht, ein Isotop eines Transuran-Elements zu erhalten, das länger als 244Pu existieren würde - große Hoffnungen in dieser Hinsicht wurden auf 247Cm gesetzt. Nach seiner Synthese stellte sich jedoch heraus, dass die Halbwertszeit dieses Elements nur 14 Millionen Jahre beträgt.

Geschichte

1934 gab eine Gruppe von Wissenschaftlern unter der Leitung von Enrico Fermi bekannt, dass sie im Laufe der wissenschaftlichen Arbeit an der Universität Rom ein chemisches Element mit der Seriennummer 94 entdeckt hatten. Auf Drängen von Fermi erhielt das Element den Namen Hesperium, das Der Wissenschaftler war überzeugt, ein neues Element entdeckt zu haben, das jetzt Plutonium heißt, und machte damit eine Vermutung über die Existenz der Transurane und wurde zu ihrem theoretischen Entdecker. Fermi verteidigte diese Hypothese in seinem Nobelvortrag 1938. Erst nach der Entdeckung der Kernspaltung durch die deutschen Wissenschaftler Otto Frisch und Fritz Strassmann war Fermi gezwungen, in der 1939 in Stockholm veröffentlichten gedruckten Version eine Notiz anzubringen, die auf die Notwendigkeit hinweist, "das gesamte Problem der Transurane" zu revidieren. Tatsache ist, dass die Arbeit von Frisch und Strassmann gezeigt hat, dass die von Fermi in seinen Experimenten festgestellte Aktivität genau auf die Spaltung zurückzuführen ist und nicht auf die Entdeckung von Transuran-Elementen, wie er zuvor angenommen hatte.

Das neue, das vierundneunzigste Element, wurde Ende 1940 entdeckt. Es geschah in Berkeley an der University of California. Beim Beschuss von Uranoxid (U3O8) mit schweren Wasserstoffkernen (Deuteronen) entdeckte eine Gruppe amerikanischer Radiochemiker unter der Leitung von Glenn T. Seaborg einen bisher unbekannten Alpha-Teilchen-Emitter mit einer Halbwertszeit von 90 Jahren. Dieser Emitter stellte sich als Isotop des Elements Nr. 94 mit der Massenzahl 238 heraus. So wurden am 14. Dezember 1940 die ersten Mikrogrammmengen Plutonium zusammen mit einer Beimischung anderer Elemente und ihrer Verbindungen gewonnen.

Bei einem 1940 durchgeführten Experiment wurde festgestellt, dass bei der laufenden Kernreaktion zunächst das kurzlebige Isotop Neptunium-238 (Halbwertszeit 2,117 Tage) und daraus bereits Plutonium-238 gewonnen wird:

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

Lange und mühsame chemische Experimente, um ein neues Element von Verunreinigungen zu trennen, dauerten zwei Monate. Die Existenz eines neuen chemischen Elements wurde in der Nacht vom 23. auf den 24. Februar 1941 von G. T. Seaborg, E. M. in mindestens zwei Oxidationsstufen bestätigt. Kurz nach Ende der Experimente wurde festgestellt, dass dieses Isotop nicht spaltbar und daher für weitere Untersuchungen uninteressant ist. Bald (März 1941) synthetisierten Kennedy, Seaborg, Segré und Wahl das wichtigere Isotop Plutonium-239, indem sie Uran mit hochbeschleunigten Neutronen in einem Zyklotron bestrahlten. Dieses Isotop entsteht beim Zerfall von Neptunium-239, sendet Alphastrahlen aus und hat eine Halbwertszeit von 24.000 Jahren. Die erste reine Verbindung des Elements wurde 1942 erhalten, und das erste Plutoniummetall nach Gewicht wurde 1943 erhalten.

Der Name des neuen Elements 94 wurde 1948 von Macmillan vorgeschlagen, der einige Monate vor der Entdeckung von Plutonium zusammen mit F. Aibelson das erste Element erhielt, das schwerer als Uran ist - Element Nr. 93, das in Neptunium genannt wurde Ehre des Planeten Neptun - der erste hinter Uranus. Analog wurde das Element Nr. 94 als Plutonium bezeichnet, da der Planet Pluto der zweite Planet hinter Uranus ist. Seaborg wiederum schlug vor, das neue Element „Plutonium“ zu nennen, stellte dann aber fest, dass der Name im Vergleich zu „Plutonium“ nicht sehr gut klingt. Außerdem schlug er andere Namen für das neue Element vor: Ultimium, Extermium, aufgrund der damaligen Fehleinschätzung, dass Plutonium das letzte chemische Element im Periodensystem sein würde. Infolgedessen wurde das Element zu Ehren der Entdeckung des letzten Planeten im Sonnensystem "Plutonium" genannt.

In der Natur sein

Die Halbwertszeit des langlebigsten Isotops von Plutonium beträgt 75 Millionen Jahre. Die Zahl ist sehr beeindruckend, aber das Alter der Galaxie wird in Milliarden von Jahren gemessen. Daraus folgt, dass die Primärisotope des vierundneunzigsten Elements, die während der großen Synthese der Elemente des Universums entstanden sind, bis heute keine Überlebenschance hatten. Dies bedeutet jedoch nicht, dass es überhaupt kein Plutonium auf der Erde gibt. Es wird ständig in Uranerzen gebildet. Durch das Einfangen von Neutronen der kosmischen Strahlung und Neutronen, die durch spontane (spontane) Spaltung von 238U-Kernen erzeugt werden, verwandeln sich einige – sehr wenige – Atome dieses Isotops in 239U-Atome. Die Kerne dieses Elements sind sehr instabil, sie geben Elektronen ab und erhöhen dadurch ihre Ladung, es kommt zur Bildung von Neptunium, dem ersten Transuran-Element. 239Np ist auch instabil, seine Kerne geben auch Elektronen ab, sodass sich in nur 56 Stunden die Hälfte von 239Np in 239Pu verwandelt.

Die Halbwertszeit dieses Isotops ist mit 24.000 Jahren bereits recht lang. Im Durchschnitt ist der Gehalt an 239Pu etwa 400.000-mal geringer als der von Radium. Daher ist es äußerst schwierig, "terrestrisches" Plutonium nicht nur zu extrahieren, sondern sogar nachzuweisen. Kleine Mengen von 239Pu – ein Billionstel – und Zerfallsprodukte finden sich in Uranerzen, beispielsweise in einem natürlichen Kernreaktor in Oklo, Gabun (Westafrika). Der sogenannte „natürliche Kernreaktor“ gilt als weltweit einziger, in dem derzeit die Bildung von Aktiniden und deren Spaltprodukten in der Geosphäre stattfindet. Nach modernen Schätzungen fand in dieser Region vor mehreren Millionen Jahren eine sich selbst erhaltende Reaktion mit Wärmefreisetzung statt, die mehr als eine halbe Million Jahre andauerte.

Wir wissen also bereits, dass in Uranerzen durch den Einfang von Neutronen durch Urankerne Neptunium (239Np) gebildet wird, dessen β-Zerfallsprodukt natürliches Plutonium-239 ist. Dank spezieller Instrumente - Massenspektrometer - wurde im präkambrischen Bastnaesit (in Cererz) das Vorhandensein von Plutonium-244 (244Pu) nachgewiesen, das die längste Halbwertszeit hat - etwa 80 Millionen Jahre. In der Natur kommt 244Pu hauptsächlich in Form von Dioxid (PuO2) vor, das in Wasser noch schlechter löslich ist als Sand (Quarz). Da sich das relativ langlebige Isotop Plutonium-240 (240Pu) in der Zerfallskette von Plutonium-244 befindet, findet dessen Zerfall statt, jedoch sehr selten (1 Fall pro 10.000). Sehr geringe Mengen an Plutonium-238 (238Pu) beziehen sich auf den sehr seltenen doppelten Beta-Zerfall des Ausgangsisotops Uran-238, das in Uranerzen gefunden wurde.

Spuren der Isotope 247Pu und 255Pu wurden im Staub gefunden, der nach den Explosionen von thermonuklearen Bomben gesammelt wurde.

Hypothetisch können minimale Mengen an Plutonium im menschlichen Körper gefunden werden, da eine große Anzahl von Nukleartests auf die eine oder andere Weise im Zusammenhang mit Plutonium durchgeführt wurden. Plutonium reichert sich hauptsächlich im Skelett und in der Leber an, von wo es praktisch nicht ausgeschieden wird. Darüber hinaus wird das vierundneunzigste Element von Meeresorganismen angesammelt; Landpflanzen nehmen Plutonium hauptsächlich über das Wurzelsystem auf.

Es stellt sich heraus, dass künstlich synthetisiertes Plutonium immer noch in der Natur vorkommt, warum also wird es nicht abgebaut, sondern künstlich gewonnen? Tatsache ist, dass die Konzentration dieses Elements zu niedrig ist. Sie sagen über ein anderes radioaktives Metall - Radium: "in einem Gramm Produktion - in einem Jahr Arbeit", und Radium ist in der Natur 400.000 Mal mehr als Plutonium! Aus diesem Grund ist es äußerst schwierig, "terrestrisches" Plutonium nicht nur zu extrahieren, sondern sogar nachzuweisen. Dies geschah erst, nachdem die physikalischen und chemischen Eigenschaften des in Kernreaktoren gewonnenen Plutoniums untersucht worden waren.

Anwendung

Das 239Pu-Isotop (zusammen mit U) wird als Kernbrennstoff in Leistungsreaktoren verwendet, die (hauptsächlich) mit thermischen und schnellen Neutronen betrieben werden, sowie bei der Herstellung von Kernwaffen.

Etwa 500 Kernkraftwerke auf der ganzen Welt erzeugen etwa 370 GW Strom (oder 15 % der gesamten Stromerzeugung der Welt). Plutonium-236 wird bei der Herstellung von elektrischen Atombatterien verwendet, deren Lebensdauer fünf Jahre oder mehr beträgt, sie werden in Stromgeneratoren verwendet, die das Herz stimulieren (Herzschrittmacher). 238Pu wird in kleinen Kernenergiequellen verwendet, die in der Weltraumforschung eingesetzt werden. Plutonium-238 ist also die Energiequelle für die Sonden New Horizons, Galileo und Cassini, den Rover Curiosity und andere Raumfahrzeuge.

In Atomwaffen wird Plutonium-239 verwendet, da dieses Isotop das einzig geeignete Nuklid für den Einsatz in einer Atombombe ist. Außerdem ist die häufigere Verwendung von Plutonium-239 in Atombomben darauf zurückzuführen, dass Plutonium in der Kugel (wo sich der Bombenkern befindet) ein geringeres Volumen einnimmt, daher kann man auf die Sprengkraft der Bombe zurückgreifen zu dieser Eigenschaft.

Das Schema, nach dem eine nukleare Explosion mit Plutonium auftritt, liegt in der Konstruktion der Bombe selbst, deren Kern aus einer mit 239 Pu gefüllten Kugel besteht. Im Moment des Aufpralls auf den Boden wird die Kugel aufgrund der Struktur und aufgrund des diese Kugel umgebenden Sprengstoffs auf eine Million Atmosphären komprimiert. Nach dem Aufprall dehnt sich der Kern in kürzester Zeit in Volumen und Dichte aus - zehn Mikrosekunden schlüpft die Anordnung bei thermischen Neutronen durch den kritischen Zustand und geht bei schnellen Neutronen in den überkritischen Zustand - eine nukleare Kettenreaktion beginnt unter Beteiligung von Neutronen und Kerne des Elements. Bei der letzten Explosion einer Atombombe wird eine Temperatur in der Größenordnung von mehreren zehn Millionen Grad freigesetzt.

Isotope von Plutonium haben ihre Anwendung bei der Synthese von Transplutonium-Elementen (nach Plutonium) gefunden. Beispielsweise erzeugt im Oak Ridge National Laboratory eine langfristige Neutronenbestrahlung mit 239Pu 24496Cm, 24296Cm, 24997Bk, 25298Cf, 25399Es und 257100Fm. Americium 24195Am wurde erstmals 1944 auf die gleiche Weise gewonnen. Im Jahr 2010 diente mit Calcium-48-Ionen beschossenes Plutonium-242-Oxid als Quelle für Ununquadium.

δ-stabilisierte Plutoniumlegierungen werden bei der Herstellung von Brennstäben verwendet, da sie im Vergleich zu reinem Plutonium, das beim Erhitzen Phasenübergänge durchläuft und ein sehr sprödes und unzuverlässiges Material ist, deutlich bessere metallurgische Eigenschaften aufweisen. Legierungen von Plutonium mit anderen Elementen (intermetallische Verbindungen) werden normalerweise durch direkte Wechselwirkung der Elemente in den erforderlichen Verhältnissen erhalten, hauptsächlich wird Lichtbogenschmelzen verwendet, manchmal werden instabile Legierungen durch Sprühabscheidung oder Abkühlen von Schmelzen erhalten.

Die wichtigsten industriellen Legierungselemente für Plutonium sind Gallium, Aluminium und Eisen, obwohl Plutonium mit seltenen Ausnahmen (Kalium, Natrium, Lithium, Rubidium, Magnesium, Calcium, Strontium, Barium, Europium und Ytterbium) Legierungen und Zwischenverbindungen mit den meisten Metallen bilden kann ). Refraktäre Metalle: Molybdän, Niob, Chrom, Tantal und Wolfram sind in flüssigem Plutonium löslich, in festem Plutonium jedoch fast unlöslich oder geringfügig löslich. Indium, Silizium, Zink und Zirkonium sind in der Lage, bei schnellem Abkühlen metastabiles δ-Plutonium (δ"-Phase) zu bilden. Gallium, Aluminium, Americium, Scandium und Cer können δ-Plutonium bei Raumtemperatur stabilisieren.

Große Mengen an Holmium, Hafnium und Thallium machen es möglich, etwas δ-Plutonium bei Raumtemperatur zu halten. Neptunium ist das einzige Element, das α-Plutonium bei hohen Temperaturen stabilisieren kann. Titan, Hafnium und Zirkonium stabilisieren die Struktur von β-Plutonium bei Raumtemperatur bei schneller Abkühlung. Die Verwendung solcher Legierungen ist sehr vielfältig. Beispielsweise wird eine Plutonium-Gallium-Legierung verwendet, um die δ-Phase von Plutonium zu stabilisieren, wodurch der α-δ-Phasenübergang vermieden wird. Die ternäre Plutonium-Gallium-Kobalt-Legierung (PuGaCo5) ist eine supraleitende Legierung bei 18,5 K. Es gibt eine Reihe von Legierungen (Plutonium-Zirkonium, Plutonium-Cer und Plutonium-Cer-Kobalt), die als Kernbrennstoff verwendet werden.

Produktion

Kommerzielles Plutonium wird auf zwei Wegen gewonnen. Dies ist entweder die Bestrahlung von 238U-Kernen, die in Kernreaktoren enthalten sind, oder die Trennung von Plutonium durch radiochemische Methoden (Kopräzipitation, Extraktion, Ionenaustausch usw.) von Uran, Transuran-Elementen und Spaltprodukten, die in abgebrannten Brennelementen enthalten sind.

Im ersten Fall wird das wichtigste praktische Isotop 239Pu (in einer Mischung mit einer kleinen Beimischung von 240Pu) in Kernreaktoren unter Beteiligung von Uran- und Neutronenkernen unter Verwendung von β-Zerfall und unter Beteiligung von Neptuniumisotopen als Zwischenspaltung hergestellt Produkt:

23892U + 21D → 23893Np + 210n;

23893Np → 23894Pu

β - Zerfall

Dabei tritt ein Deuteron in Uran-238 ein, wodurch Neptunium-238 und zwei Neutronen entstehen. Als nächstes spaltet sich Neptunium-238 spontan und emittiert Beta-Minus-Partikel, die Plutonium-238 bilden.

Normalerweise beträgt der Gehalt an 239Pu in der Mischung 90-95%, 240Pu-1-7%, der Gehalt an anderen Isotopen überschreitet nicht Zehntelprozent. Isotope mit langen Halbwertszeiten - 242Pu und 244Pu werden durch längere Bestrahlung mit 239Pu-Neutronen erhalten. Darüber hinaus beträgt die 242Pu-Ausbeute mehrere zehn Prozent, und 244Pu macht einen Bruchteil eines Prozents des 242Pu-Gehalts aus. Bei der Bestrahlung von Neptunium-237 mit Neutronen entstehen geringe Mengen an isotopenreinem Plutonium-238. Leichte Isotope von Plutonium mit den Massenzahlen 232–237 werden üblicherweise in einem Zyklotron durch Bestrahlung von Uranisotopen mit α-Teilchen erhalten.

Das zweite Verfahren zur industriellen Herstellung von 239Pu verwendet das Purex-Verfahren, das auf der Extraktion mit Tributylphosphat in einem leichten Verdünnungsmittel basiert. Im ersten Zyklus werden Pu und U gemeinsam von Spaltprodukten gereinigt und anschließend getrennt. Im zweiten und dritten Zyklus wird Plutonium einer weiteren Reinigung und Konzentration unterzogen. Das Schema eines solchen Verfahrens beruht auf dem Unterschied in den Eigenschaften von vier- und sechswertigen Verbindungen der zu trennenden Elemente.

Zunächst werden abgebrannte Brennstäbe demontiert und die Hüllrohre mit abgebranntem Plutonium und Uran physikalisch und chemisch entfernt. Als nächstes wird der extrahierte Kernbrennstoff in Salpetersäure gelöst. Schließlich ist es ein starkes Oxidationsmittel, wenn es aufgelöst wird, und Uran, Plutonium und Verunreinigungen werden oxidiert. Nullwertige Plutoniumatome werden in Pu + 6 umgewandelt, und sowohl Plutonium als auch Uran werden aufgelöst. Aus dieser Lösung wird das vierundneunzigste Element mit Schwefeldioxid in den dreiwertigen Zustand reduziert und dann mit Lanthanfluorid (LaF3) ausgefällt.

Der Niederschlag enthält jedoch neben Plutonium Neptunium und Seltenerdelemente, aber der Hauptteil (Uran) bleibt in Lösung. Als nächstes wird das Plutonium erneut zu Pu + 6 oxidiert und erneut Lanthanfluorid hinzugefügt. Jetzt gelangen Seltenerdelemente in den Niederschlag, und Plutonium bleibt in Lösung. Als nächstes wird Neptunium mit Kaliumbromat zu einem vierwertigen Zustand oxidiert, da dieses Reagens nicht auf Plutonium einwirkt, dann fällt während der sekundären Fällung mit demselben Lanthanfluorid dreiwertiges Plutonium aus und Neptunium bleibt in Lösung. Die Endprodukte solcher Operationen sind plutoniumhaltige Verbindungen - PuO2-Dioxid oder Fluoride (PuF3 oder PuF4), aus denen (durch Reduktion mit Barium-, Calcium- oder Lithiumdampf) metallisches Plutonium gewonnen wird.

Reineres Plutonium lässt sich durch elektrolytische Raffination von pyrochemisch hergestelltem Metall erreichen, das in Elektrolysezellen bei einer Temperatur von 700 °C mit einem Elektrolyten aus Kalium-, Natrium- und Plutoniumchlorid unter Verwendung einer Wolfram- oder Tantalkathode durchgeführt wird. Das so gewonnene Plutonium hat eine Reinheit von 99,99 %.

Um große Mengen an Plutonium zu gewinnen, werden Brutreaktoren gebaut, die sogenannten „breeders“ (vom englischen Verb to Breed – sich vermehren). Diese Reaktoren erhielten ihren Namen aufgrund ihrer Fähigkeit, spaltbares Material in einer Menge zu gewinnen, die die Kosten für die Beschaffung dieses Materials übersteigt. Der Unterschied zwischen Reaktoren dieses Typs von den anderen besteht darin, dass die Neutronen in ihnen nicht verlangsamt werden (es gibt keinen Moderator, z. B. Graphit), um so viel wie möglich mit 238U zu reagieren.

Nach der Reaktion entstehen 239U-Atome, die später 239Pu bilden. Der Kern eines solchen Reaktors, der PuO2 in abgereichertem Urandioxid (UO2) enthält, ist von einer Hülle aus noch stärker abgereichertem Uran-238-Dioxid (238UO2) umgeben, in dem 239Pu gebildet wird. Durch die gemeinsame Nutzung von 238U und 235U können "Brüter" 50- bis 60-mal mehr Energie aus natürlichem Uran erzeugen als andere Reaktoren. Diese Reaktoren haben jedoch einen großen Nachteil: Brennstäbe müssen mit einem anderen Medium als Wasser gekühlt werden, was ihre Energie verringert. Daher wurde entschieden, flüssiges Natrium als Kühlmittel zu verwenden.

Der Bau solcher Reaktoren in den Vereinigten Staaten von Amerika begann nach dem Ende des Zweiten Weltkriegs, die UdSSR und Großbritannien begannen erst in den 1950er Jahren mit der Errichtung.

Physikalische Eigenschaften

Plutonium ist ein sehr schweres (Dichte bei n.a. 19,84 g / cm³) silbriges Metall, in gereinigtem Zustand Nickel sehr ähnlich, jedoch oxidiert Plutonium schnell an der Luft, läuft an und bildet einen schillernden Film, zuerst hellgelb, dann dunkelviolett . Bei starker Oxidation erscheint auf der Metalloberfläche ein olivgrünes Oxidpulver (PuO2).

Plutonium ist ein sehr elektronegatives und reaktives Metall, viel mehr als sogar Uran. Es hat sieben allotrope Modifikationen (α, β, γ, δ, δ", ε und ζ), die sich in einem bestimmten Temperaturintervall und in einem bestimmten Druckbereich ändern. Bei Raumtemperatur liegt Plutonium in der α-Form vor - das ist die häufigste allotrope Modifikation für Plutonium In der Alpha-Phase ist reines Plutonium spröde und ziemlich hart - diese Struktur ist ungefähr so ​​hart wie Grauguss, es sei denn, es wird mit anderen Metallen legiert, um die Legierung duktil und weich zu machen (nur Osmium, Iridium , Platin, Rhenium und Neptunium sind schwerer als es.) Weitere allotrope Umwandlungen von Plutonium werden von abrupten Dichteänderungen begleitet.und delta-prim) Beim Schmelzen (Übergang von der epsilon-Phase in die flüssige Phase) zieht sich auch Plutonium zusammen, was zulässt ungeschmolzenes Plutonium zum Schwimmen.

Plutonium zeichnet sich durch eine Vielzahl ungewöhnlicher Eigenschaften aus: Es hat die niedrigste Wärmeleitfähigkeit aller Metalle - bei 300 K sind es 6,7 W / (m K); Plutonium hat die niedrigste elektrische Leitfähigkeit; Plutonium ist in seiner flüssigen Phase das zähflüssigste Metall. Der spezifische Widerstand des vierundneunzigsten Elements bei Raumtemperatur ist für ein Metall sehr hoch, und dieses Merkmal nimmt mit abnehmender Temperatur zu, was für Metalle nicht typisch ist. Eine solche „Anomalie“ lässt sich bis zu einer Temperatur von 100 K nachweisen – unterhalb dieser Marke nimmt der elektrische Widerstand ab. Ab der Marke von 20 K beginnt der Widerstand jedoch aufgrund der Strahlungsaktivität des Metalls wieder anzusteigen.

Plutonium hat den höchsten elektrischen Widerstand aller untersuchten Aktinide (bisher), der 150 µΩ cm (bei 22 °C) beträgt. Dieses Metall hat einen niedrigen Schmelzpunkt (640 °C) und einen ungewöhnlich hohen Siedepunkt (3227 °C). Näher am Schmelzpunkt hat flüssiges Plutonium im Vergleich zu anderen Metallen eine sehr hohe Viskosität und Oberflächenspannung.

Aufgrund seiner Radioaktivität fühlt sich Plutonium warm an. Ein großes Stück Plutonium in einem Thermomantel wird auf eine Temperatur erhitzt, die den Siedepunkt von Wasser übersteigt! Außerdem erfährt Plutonium aufgrund seiner Radioaktivität im Laufe der Zeit Veränderungen in seinem Kristallgitter – eine Art Ausheilung tritt durch Selbstbestrahlung aufgrund einer Temperaturerhöhung über 100 K auf.

Das Vorhandensein einer großen Anzahl allotroper Modifikationen in Plutonium macht es aufgrund von Phasenübergängen zu einem schwierig zu verarbeitenden und auszurollenden Metall. Wir wissen bereits, dass das vierundneunzigste Element in der Alpha-Form ähnliche Eigenschaften wie Gusseisen hat, jedoch die Eigenschaft hat, sich in ein duktiles Material umzuwandeln und in höheren Temperaturbereichen eine formbare β-Form zu bilden. Plutonium in der δ-Form ist normalerweise bei Temperaturen zwischen 310 °C und 452 °C stabil, kann aber bei Raumtemperatur existieren, wenn es mit geringen Prozentsätzen von Aluminium, Cer oder Gallium dotiert ist. Mit diesen Metallen legiert, kann Plutonium zum Schweißen verwendet werden. Im Allgemeinen hat die Delta-Form ausgeprägtere Metalleigenschaften - sie ist in Bezug auf Festigkeit und Schmiedefähigkeit ähnlich wie Aluminium.

Chemische Eigenschaften

Die chemischen Eigenschaften des vierundneunzigsten Elements ähneln in vielerlei Hinsicht den Eigenschaften seiner Vorgänger im Periodensystem - Uran und Neptunium. Plutonium ist ein ziemlich aktives Metall, es bildet Verbindungen mit Oxidationsstufen von +2 bis +7. In wässrigen Lösungen weist das Element die folgenden Oxidationsstufen auf: Pu (III), als Pu3+ (liegt in sauren wässrigen Lösungen vor, hat eine hellviolette Farbe); Pu (IV), als Pu4+ (Schokoladenton); Pu (V), als PuO2+ (klare Lösung); Pu(VI) als PuO22+ (hellorange Lösung) und Pu(VII) als PuO53- (grüne Lösung).

Außerdem können diese Ionen (außer PuO53-) in Lösung gleichzeitig im Gleichgewicht sein, was durch die Anwesenheit von 5f-Elektronen erklärt wird, die sich in der lokalisierten und delokalisierten Zone des Elektronenorbitals befinden. Bei pH 5-8 dominiert Pu (IV), das unter den anderen Wertigkeiten (Oxidationsstufen) am stabilsten ist. Plutoniumionen aller Oxidationsstufen neigen zur Hydrolyse und Komplexbildung. Die Fähigkeit, solche Verbindungen zu bilden, nimmt in der Reihe Pu5+ zu

Kompaktes Plutonium oxidiert langsam an der Luft und wird mit einem schillernden öligen Oxidfilm bedeckt. Die folgenden Plutoniumoxide sind bekannt: PuO, Pu2O3, PuO2 und die Phase variabler Zusammensetzung Pu2O3 - Pu4O7 (Berthollide). In Gegenwart einer geringen Menge Feuchtigkeit nimmt die Oxidations- und Korrosionsrate erheblich zu. Wird das Metall lange genug geringen Mengen feuchter Luft ausgesetzt, bildet sich an seiner Oberfläche Plutoniumdioxid (PuO2). Bei Sauerstoffmangel kann auch sein Dihydrid (PuH2) gebildet werden. Überraschenderweise rostet Plutonium in einem Inertgas (z. B. Argon) mit Wasserdampf viel schneller als in trockener Luft oder reinem Sauerstoff. Tatsächlich ist diese Tatsache leicht zu erklären - die direkte Einwirkung von Sauerstoff bildet eine Oxidschicht auf der Plutoniumoberfläche, die eine weitere Oxidation verhindert, die Anwesenheit von Feuchtigkeit erzeugt eine lockere Mischung aus Oxid und Hydrid. Übrigens wird das Metall dank einer solchen Beschichtung pyrophor, dh es kann sich selbst entzünden, weshalb metallisches Plutonium in der Regel in einer inerten Atmosphäre aus Argon oder Stickstoff verarbeitet wird. Gleichzeitig ist Sauerstoff ein Schutzstoff und verhindert, dass Feuchtigkeit auf das Metall einwirkt.

Das vierundneunzigste Element reagiert mit Säuren, Sauerstoff und deren Dämpfen, aber nicht mit Laugen. Plutonium ist nur in sehr sauren Medien (z. B. Salzsäure HCl) gut löslich und löst sich auch in Chlorwasserstoff, Jodwasserstoff, Bromwasserstoff, 72% Perchlorsäure, 85% Phosphorsäure H3PO4, konzentriertem CCl3COOH, Sulfaminsäure und siedendem konzentriert Salpetersäure. Plutonium löst sich nicht merklich in Alkalilösungen.

Beim Einwirken von Alkalien auf Lösungen, die vierwertiges Plutonium enthalten, fällt ein Niederschlag von Plutoniumhydroxid Pu(OH)4 x H2O aus, das basische Eigenschaften hat. Beim Einwirken von Alkalien auf Lösungen PuO2+-haltiger Salze fällt amphoteres Hydroxid PuO2OH aus. Salze entsprechen ihm - Plutonite, zum Beispiel Na2Pu2O6.

Plutoniumsalze hydrolysieren leicht bei Kontakt mit neutralen oder alkalischen Lösungen, wodurch unlösliches Plutoniumhydroxid entsteht. Konzentrierte Plutoniumlösungen sind aufgrund radiolytischer Zersetzung, die zu Ausfällungen führt, instabil.

Plutonium
Ordnungszahl	94
Aussehen einer einfachen Substanz
Atomeigenschaften
Atommasse (Molmasse)	244.0642 a. E. M. (/mol)
Atomradius	151 Uhr
Ionisationsenergie (erstes Elektron)	491,9(5,10) kJ/mol (eV)
Elektronische Konfiguration	5f 6 7s 2
Chemische Eigenschaften
kovalenter Radius	n/a pm
Ionenradius	(+4e) 93 (+3e) 22 Uhr
Elektronegativität (nach Pauling)	1,28
Elektrodenpotential	Pu ← Pu 4+ -1,25 V Pu←Pu 3+ -2,0 V Pu ← Pu 2+ -1,2 V
Oxidationszustände	6, 5, 4, 3
Thermodynamische Eigenschaften eines einfachen Stoffes
Dichte	19,84 /cm³
Molare Wärmekapazität	32,77 J / (Mol)
Wärmeleitfähigkeit	(6.7) W /( )
Schmelztemperatur	914
Schmelzende Hitze	2,8 kJ/mol
Siedetemperatur	3505
Verdampfungswärme	343,5 kJ/Mol
Molares Volumen	12,12 cm³/Mol
Das Kristallgitter einer einfachen Substanz
Gitterstruktur	monoklin
Gitterparameter	a=6,183 b=4,822 c=10,963 β=101,8
c/a-Verhältnis	—
Debye-Temperatur	162

Plutonium- ein radioaktives chemisches Element der Aktinidengruppe, das in der Produktion weit verbreitet ist Atomwaffen(das sogenannte "waffenfähige Plutonium") sowie (experimentell) als Kernbrennstoff für Kernreaktoren für zivile und Forschungszwecke. Das erste künstliche Element, das in zum Wiegen verfügbaren Mengen erhalten wurde (1942).

Die Tabelle rechts zeigt die Haupteigenschaften von α-Pu, der wichtigsten allotropen Modifikation von Plutonium, bei Raumtemperatur und Normaldruck.

Geschichte des Plutoniums

Das Plutoniumisotop 238 Pu wurde erstmals am 23. Februar 1941 von einer Gruppe amerikanischer Wissenschaftler unter der Leitung von Glenn Seaborg durch Bestrahlung von Kernen künstlich gewonnen Uran Deuteronen. Bemerkenswert ist, dass Plutonium erst nach künstlicher Herstellung in der Natur entdeckt wurde: Als Produkt der radioaktiven Umwandlung von Uran werden in Uranerzen üblicherweise vernachlässigbare Mengen an 239 Pu gefunden.

Plutonium in der Natur finden

In Uranerzen durch den Einfang von Neutronen (z. B. Neutronen aus der kosmischen Strahlung) durch Urankerne, Neptunium(239 Np), dessen β-Zerfallsprodukt natürliches Plutonium-239 ist. Plutonium wird jedoch in so mikroskopischen Mengen (0,4-15 Teile Pu pro 10 12 Teile U) gebildet, dass seine Gewinnung aus Uranerzen nicht in Frage kommt.

Herkunft des Namens Plutonium

1930 war die astronomische Welt von der bemerkenswerten Nachricht begeistert: Ein neuer Planet war entdeckt worden, über dessen Existenz Percival Lovell, ein Astronom, Mathematiker und Autor fantastischer Essays über das Leben auf dem Mars, lange gesprochen hatte. Basierend auf Langzeitbeobachtungen von Bewegungen Uran und Neptun Lovell kam zu dem Schluss, dass es jenseits von Neptun im Sonnensystem einen weiteren, den neunten Planeten geben muss, der vierzigmal weiter von der Sonne entfernt ist als die Erde.

Dieser Planet, dessen Bahnelemente Lovell bereits 1915 berechnete, wurde auf fotografischen Bildern entdeckt, die am 21., 23. und 29. Januar 1930 vom Astronomen K. Tombo am Flagstaff Observatory ( Vereinigte Staaten von Amerika) . Der Planet wurde benannt Pluto. Unter dem Namen dieses Planeten, der sich im Sonnensystem jenseits von Neptun befindet, wurde das 94. Element Plutonium genannt, das Ende 1940 künstlich aus den Kernen gewonnen wurde Atome Uran eine Gruppe amerikanischer Wissenschaftler unter der Leitung von G. Seaborg.

Physikalische Eigenschaften Plutonium

Es gibt 15 Isotope von Plutonium - In den größten Mengen werden Isotope mit Massenzahlen von 238 bis 242 erhalten:

238 Pu -> (Halbwertszeit 86 Jahre, Alpha-Zerfall) -> 234 U,

Dieses Isotop wird fast ausschließlich in Weltraum-RTGs verwendet, beispielsweise auf allen Geräten, die über die Umlaufbahn des Mars geflogen sind.

239 Pu -> (Halbwertszeit 24.360 Jahre, Alpha-Zerfall) -> 235 U,

Dieses Isotop eignet sich am besten für die Konstruktion von Atomwaffen und Kernreaktoren mit schnellen Neutronen.

240 Pu -> (Halbwertszeit 6580 Jahre, Alphazerfall) -> 236 U, 241 Pu -> (Halbwertszeit 14,0 Jahre, Betazerfall) -> 241 Am, 242 Pu -> (Halbwertszeit 370.000 Jahre, Alphazerfall). -Zerfall) -> 238 U

Diese drei Isotope sind nicht von ernsthafter industrieller Bedeutung, aber sie werden als Nebenprodukte gewonnen, wenn in Kernreaktoren aus Uran Energie gewonnen wird, indem mehrere Neutronen nacheinander von Uran-238-Kernen eingefangen werden. Das Isotop 242 ist in seinen nuklearen Eigenschaften Uran-238 am ähnlichsten. Americium-241, das durch den Zerfall des Isotops 241 entsteht, wurde in Rauchmeldern verwendet.

Plutonium ist insofern interessant, als es mehr als jedes andere chemische Element sechs Phasenübergänge von der Erstarrungstemperatur bis zur Raumtemperatur durchläuft. Bei letzterem steigt die Dichte schlagartig um 11 % an, dadurch reißen Plutonium-Gussteile. Die Alpha-Phase ist bei Raumtemperatur stabil, deren Eigenschaften sind in der Tabelle angegeben. Für die Anwendung sind die Delta-Phase, die eine geringere Dichte hat, und ein kubisch-raumzentriertes Gitter günstiger. Plutonium in der Delta-Phase ist sehr duktil, während die Alpha-Phase spröde ist. Um Plutonium in der Delta-Phase zu stabilisieren, wird das Legieren mit dreiwertigen Metallen verwendet (Gallium wurde in den ersten Kernladungen verwendet).

Verwendung von Plutonium

Die erste auf Plutonium basierende Nuklearladung wurde am 16. Juli 1945 auf dem Testgelände von Alamogordo (Test mit dem Codenamen "Trinity") gezündet.

Die biologische Rolle von Plutonium

Plutonium ist hochgiftig; MPC für 239 Pu in offenen Gewässern und in der Luft von Arbeitsstätten beträgt 81,4 bzw. 3,3*10 –5 Bq/l. Die meisten Plutoniumisotope haben eine hohe Ionisationsdichte und einen kurzen Teilchenweg, ihre Toxizität beruht also nicht so sehr auf ihren chemischen Eigenschaften (wahrscheinlich ist Plutonium in dieser Hinsicht nicht giftiger als andere Schwermetalle), sondern auf der ionisierenden Wirkung das umliegende Gewebe des Körpers. Plutonium gehört zur Gruppe der Elemente mit besonders hoher Radiotoxizität. Im Körper verursacht Plutonium große irreversible Veränderungen im Skelett, in der Leber, Milz, den Nieren und verursacht Krebs. Der maximal zulässige Gehalt an Plutonium im Körper sollte Zehntel Mikrogramm nicht überschreiten.

Künstlerische Arbeiten zum Thema Plutonium

- Plutonium wurde für die DMC-12-Maschine von De Lorean im Film Zurück in die Zukunft als Treibstoff für den Strömungsakkumulator verwendet, um in die Zukunft oder Vergangenheit zu reisen.

- Plutonium war die Ladung der Atombombe, die von Terroristen in Denver, USA, in der Arbeit von Tom Clancys "All the fears of the world" gezündet wurde.

- Kenzaburo Oe "Pinchrunners Notizen"

- 2006 veröffentlichte die Firma "Beacon Pictures" den Film "Plutonium-239" ( "Pu-239")

Chemie

Plutonium Pu - Element Nr. 94 ist mit sehr großen Hoffnungen und sehr großen Ängsten der Menschheit verbunden. Heute ist es eines der wichtigsten, strategisch wichtigsten Elemente. Dies ist das teuerste der technisch wichtigen Metalle - es ist viel teurer als Silber, Gold und Platin. Er ist wirklich kostbar.

Hintergrund und Geschichte

Am Anfang waren Protonen – galaktischer Wasserstoff. Als Ergebnis seiner Kompression und der anschließenden Kernreaktionen wurden die unglaublichsten "Barren" von Nukleonen gebildet. Unter ihnen enthielten diese "Barren" anscheinend jeweils 94 Protonen. Schätzungen von Theoretikern erlauben uns anzunehmen, dass etwa 100 Nukleonformationen, die 94 Protonen und 107 bis 206 Neutronen umfassen, so stabil sind, dass sie als Kerne von Isotopen des Elements Nr. 94 betrachtet werden können.
Aber alle diese Isotope - hypothetische und reale - sind nicht so stabil, dass sie bis heute von dem Moment an erhalten bleiben könnten, als die Elemente des Sonnensystems entstanden sind. Die Halbwertszeit des langlebigsten Isotops des Elements Nr. 94 beträgt 81 Millionen Jahre. Das Alter der Galaxie wird in Milliarden von Jahren gemessen. Folglich hatte das „ursprüngliche“ Plutonium bis heute keine Überlebenschance. Wenn es während der großen Synthese der Elemente des Universums gebildet wurde, dann sind seine alten Atome vor langer Zeit „ausgestorben“, so wie Dinosaurier und Mammuts ausgestorben sind.
Im XX Jahrhundert. New Era, AD, wurde dieses Element neu erstellt. Von 100 möglichen Plutoniumisotopen wurden 25 synthetisiert, 15 von ihnen wurden auf ihre nuklearen Eigenschaften untersucht. Vier haben praktische Anwendungen gefunden. Und es wurde erst kürzlich eröffnet. Im Dezember 1940 entdeckte eine Gruppe amerikanischer Radiochemiker unter der Leitung von Glenn T. Seaborg bei der Bestrahlung von Uran mit schweren Wasserstoffkernen einen bis dahin unbekannten Alpha-Teilchen-Emitter mit einer Halbwertszeit von 90 Jahren. Dieser Emitter stellte sich als Isotop des Elements Nr. 94 mit einer Massenzahl von 238 heraus. Macmillan und F. Abelson erhielten das erste Element, das schwerer als Uran war - Element Nr. 93. Dieses Element hieß Neptunium und das 94. - Plutonium. Der Historiker wird sicherlich sagen, dass diese Namen aus der römischen Mythologie stammen, aber im Wesentlichen ist der Ursprung dieser Namen eher nicht mythologisch, sondern astronomisch.
Die Elemente Nr. 92 und 93 sind nach den fernen Planeten des Sonnensystems benannt - Uranus und Neptun, aber Neptun ist nicht der letzte im Sonnensystem, die Umlaufbahn von Pluto liegt noch weiter entfernt - ein Planet, über den bisher fast nichts bekannt ist ... Eine ähnliche Konstruktion beobachten wir auch auf der „linken Flanke“ des Periodensystems: Uran - Neptunium - Plutonium, allerdings weiß die Menschheit viel mehr über Plutonium als über Pluto. Übrigens entdeckten Astronomen Pluto nur zehn Jahre vor der Synthese von Plutonium – fast der gleiche Zeitraum trennte die Entdeckungen von Uranus – dem Planeten und Uran – dem Element.

Rätsel für Ransomware

Das erste Isotop des Elements Nr. 94, Plutonium-238, hat nun praktische Anwendung gefunden. Aber in den frühen 1940er Jahren dachten sie nicht einmal darüber nach. Es ist nur möglich, Plutonium-238 in Mengen von praktischem Interesse zu erhalten, indem man sich auf eine mächtige Nuklearindustrie verlässt. Damals fing sie gerade erst an. Aber es war bereits klar, dass es möglich war, durch die Freisetzung der in den Kernen schwerer radioaktiver Elemente enthaltenen Energie Waffen von beispielloser Macht zu erhalten. Das Manhattan Project erschien, das mit dem bekannten Stadtteil New York nur noch den Namen gemeinsam hatte. Dies war der allgemeine Name für alle Arbeiten im Zusammenhang mit der Schaffung der ersten Atombomben in den Vereinigten Staaten. Der Leiter des Manhattan-Projekts war kein Wissenschaftler, sondern ein Militär - General Groves, der seine hochgebildeten Mündel "liebevoll" als "zerbrochene Töpfe" bezeichnete.
Die Leiter des "Projekts" interessierten sich nicht für Plutonium-238. Seine Kerne, wie in der Tat die Kerne aller Plutoniumisotope mit geraden Massenzahlen, spalten sich nicht mit niederenergetischen Neutronen, so dass es nicht als Kernsprengstoff dienen könnte. Dennoch erschienen die ersten wenig verständlichen Berichte über die Elemente Nr. 93 und 94 erst im Frühjahr 1942 im Druck.
Wie lässt sich das erklären? Physiker verstanden: Die Synthese von Plutonium-Isotopen mit ungeraden Massenzahlen ist eine Frage der Zeit und nicht mehr weit entfernt. Es wurde erwartet, dass die ungeraden Isotope, wie Uran-235, in der Lage sein würden, eine nukleare Kettenreaktion aufrechtzuerhalten. In ihnen, noch nicht erhalten, sahen einige Leute einen potenziellen Atomsprengstoff. Und diese Hoffnungen Plutonium, leider gerechtfertigt.
In den damaligen Chiffren hieß das Element Nr. 94 nichts anderes als ... Kupfer. Und als Kupfer selbst (als Strukturmaterial für einige Teile) benötigt wurde, erschien in der Verschlüsselung zusammen mit „Kupfer“ „echtes Kupfer“.

„Baum der Erkenntnis von Gut und Böse“

1941 wurde das wichtigste Isotop von Plutonium entdeckt, ein Isotop mit der Massenzahl 239. Und fast sofort wurde die Vorhersage der Theoretiker bestätigt: die Kerne von Plutonium-239, die mit thermischen Neutronen gespalten werden. Darüber hinaus wurden bei ihrer Spaltung nicht weniger Neutronen geboren als bei der Spaltung von Uran-235. Möglichkeiten, dieses Isotop in großen Mengen zu erhalten, wurden sofort skizziert ...
Jahre sind vergangen. Jetzt ist es für niemanden ein Geheimnis, dass die in den Arsenalen gelagerten Atombomben mit Plutonium-239 gefüllt sind und dass diese Bomben ausreichen, um allen Lebewesen auf der Erde irreparablen Schaden zuzufügen.
Es wird allgemein angenommen, dass die Menschheit mit der Entdeckung einer nuklearen Kettenreaktion (deren unvermeidliche Folge die Schaffung einer Atombombe war) eindeutig in Eile war. Du kannst anders denken oder so tun, als würdest du anders denken – es ist angenehmer, ein Optimist zu sein. Aber auch Optimisten stehen unweigerlich vor der Frage nach der Verantwortung von Wissenschaftlern. Wir erinnern uns an den triumphalen Tag im Juni 1954, an dem das erste Kernkraftwerk in Obninsk Strom lieferte. Aber wir können den Augustmorgen 1945 nicht vergessen – „den Morgen von Hiroshima“, „den Regentag von Albert Einstein“ … Wir erinnern uns an die ersten Nachkriegsjahre und die ungezügelte atomare Erpressung – die Grundlage der amerikanischen Politik jener Jahre. Aber hat die Menschheit in den folgenden Jahren nur wenige Ängste ertragen? Darüber hinaus wurden diese Sorgen durch die Erkenntnis vervielfacht, dass im Falle eines neuen Weltkriegs Atomwaffen eingesetzt werden.
Hier können Sie versuchen zu beweisen, dass die Entdeckung von Plutonium nicht zu den Ängsten der Menschheit beigetragen hat, sondern im Gegenteil nur nützlich war.
Angenommen, es ist passiert, dass Plutonium aus irgendeinem Grund oder, wie man früher sagen würde, durch den Willen Gottes den Wissenschaftlern nicht zur Verfügung stand. Würden unsere Ängste und Befürchtungen dann abnehmen? Nichts ist passiert. Atombomben würden aus Uran-235 (und in nicht geringerer Menge als aus Plutonium) hergestellt, und diese Bomben würden noch größere Teile der Budgets "auffressen", als sie es jetzt tun.
Aber ohne Plutonium gäbe es keine Aussichten auf eine friedliche Nutzung der Kernenergie in großem Maßstab. Für ein "friedliches Atom" würde Uran-235 einfach nicht ausreichen. Das Unheil, das der Menschheit durch die Entdeckung der Kernenergie zugefügt wurde, würde durch die Errungenschaften des "guten Atoms" nicht, wenn auch nur teilweise, ausgeglichen.

Wie man misst, womit man vergleicht

Wenn ein Plutonium-239-Kern durch Neutronen in zwei Fragmente mit ungefähr gleicher Masse gespalten wird, werden etwa 200 MeV Energie freigesetzt. Dies ist 50 Millionen Mal mehr Energie, die bei der berühmtesten exothermen Reaktion С + O 2 = СO 2 freigesetzt wird. Beim "Brennen" in einem Kernreaktor ergibt ein Gramm Plutonium 2.107 kcal. Um Traditionen nicht zu verletzen (und in populären Artikeln wird die Energie von Kernbrennstoff normalerweise in Einheiten außerhalb des Systems gemessen - Tonnen Kohle, Benzin, Trinitrotoluol usw.), stellen wir auch fest: Dies ist die Energie, die in 4 Tonnen enthalten ist von Kohle. Und in einen gewöhnlichen Fingerhut wird die Menge Plutonium gegeben, die energetisch vierzig Wagenladungen guten Birkenholzes entspricht.
Die gleiche Energie wird bei der Spaltung von Uran-235-Kernen durch Neutronen freigesetzt. Aber der Großteil des natürlichen Urans (99,3%!) ist das Isotop 238 U, das nur durch Umwandlung von Uran in Plutonium genutzt werden kann ...

Energie aus Stein

Lassen Sie uns die in den natürlichen Uranreserven enthaltenen Energieressourcen bewerten.
Uran ist ein verstreutes Element und praktisch überall vorhanden. Jeder, der zum Beispiel Karelien besucht hat, erinnert sich sicherlich an die Granitblöcke und Küstenfelsen. Aber nur wenige wissen, dass in einer Tonne Granit bis zu 25 g Uran enthalten sind. Granite machen fast 20 % des Gewichts der Erdkruste aus. Wenn wir nur Uran-235 zählen, dann sind 3,5-105 kcal Energie in einer Tonne Granit enthalten. Es ist viel, aber...
Die Verarbeitung von Granit und die Gewinnung von Uran daraus erfordert eine noch größere Energiemenge - etwa 106-107 kcal/t. Wenn es nun gelänge, nicht nur Uran-235, sondern auch Uran-238 als Energiequelle zu nutzen, dann käme Granit zumindest als potenzieller Energierohstoff in Frage. Dann würde die aus einer Tonne Stein gewonnene Energie bereits zwischen 8-107 und 5-108 kcal liegen. Dies entspricht 16-100 Tonnen Kohle. Und in diesem Fall könnte Granit den Menschen fast eine Million Mal mehr Energie liefern als alle chemischen Brennstoffreserven der Erde.
Aber Uran-238-Kerne spalten sich nicht durch Neutronen. Für die Kernenergie ist dieses Isotop nutzlos. Genauer gesagt wäre es nutzlos, wenn es nicht in Plutonium-239 umgewandelt werden könnte. Und was besonders wichtig ist: Für diese Kernumwandlung muss praktisch keine Energie aufgewendet werden – im Gegenteil, es wird dabei Energie erzeugt!
Versuchen wir herauszufinden, wie das passiert, aber zuerst ein paar Worte zu natürlichem Plutonium.

400.000 Mal kleiner als Radium

Es wurde bereits gesagt, dass Plutoniumisotope seit der Synthese von Elementen während der Entstehung unseres Planeten nicht erhalten geblieben sind. Das heißt aber nicht, dass es kein Plutonium auf der Erde gibt.
Es wird ständig in Uranerzen gebildet. Durch das Einfangen von Neutronen der kosmischen Strahlung und Neutronen, die durch die spontane (spontane) Spaltung von Uran-238-Kernen entstehen, verwandeln sich einige – sehr wenige – Atome dieses Isotops in Uran-239-Atome. Diese Kerne sind sehr instabil, sie geben Elektronen ab und erhöhen dadurch ihre Ladung. Es entsteht Neptunium – das erste Transuran-Element. Neptunium-239 ist auch sehr instabil und seine Kerne geben Elektronen ab. In nur 56 Stunden verwandelt sich die Hälfte von Neptunium-239 in Plutonium-239, dessen Halbwertszeit bereits ziemlich lang ist - 24.000 Jahre.
Warum wird Plutonium nicht aus Uranerzen abgebaut?? Kleine, zu geringe Konzentration. "Produktion pro Gramm ist Arbeit pro Jahr" - hier geht es um Radium, und Plutonium in Erzen ist 400.000 Mal weniger als Radium. Daher ist es äußerst schwierig, "terrestrisches" Plutonium nicht nur zu extrahieren, sondern sogar nachzuweisen. Dies geschah erst, nachdem die physikalischen und chemischen Eigenschaften des in Kernreaktoren gewonnenen Plutoniums untersucht worden waren.
Plutonium wird in Kernreaktoren angesammelt. Bei starken Neutronenflüssen tritt die gleiche Reaktion auf wie bei Uranerzen, aber die Bildungs- und Akkumulationsrate von Plutonium im Reaktor ist viel höher - eine Milliarde Milliarden Mal. Für die Reaktion der Umwandlung von Ballast-Uran-238 in Power-Grade-Plutonium-239 werden optimale (innerhalb akzeptabler) Bedingungen geschaffen.
Wenn der Reaktor mit thermischen Neutronen arbeitet (denken Sie daran, dass ihre Geschwindigkeit etwa 2000 m pro Sekunde beträgt und die Energie Bruchteile eines Elektronenvolts beträgt), wird aus einer natürlichen Mischung von Uranisotopen eine etwas geringere Menge Plutonium gewonnen, als die Menge von „ausgebranntem“ Uran-235. Nicht viel, aber weniger, plus die unvermeidlichen Verluste von Plutonium während seiner chemischen Trennung von bestrahltem Uran. Außerdem läuft eine nukleare Kettenreaktion in einem natürlichen Uran-Isotopengemisch nur so lange ab, bis ein kleiner Teil des Uran-235 verbraucht ist. Daher ist die Schlussfolgerung logisch: Ein "thermischer" Reaktor auf Natururan - der Haupttyp der derzeit betriebenen Reaktoren - kann die erweiterte Reproduktion von Kernbrennstoff nicht gewährleisten. Aber was ist dann die Zukunft? Um diese Frage zu beantworten, vergleichen wir den Verlauf einer nuklearen Kettenreaktion in Uran-235 und Plutonium-239 und führen ein weiteres physikalisches Konzept in unsere Überlegungen ein.
Das wichtigste Merkmal jedes Kernbrennstoffs ist die durchschnittliche Anzahl von Neutronen, die emittiert werden, nachdem der Kern ein Neutron eingefangen hat. Physiker nennen sie die eta-Zahl und bezeichnen sie mit dem griechischen Buchstaben c. In „thermischen“ Uranreaktoren wird folgendes Muster beobachtet: Jedes Neutron erzeugt im Mittel 2,08 Neutronen (η=2,08). Das in einen solchen Reaktor eingebrachte Plutonium ergibt unter Einwirkung von thermischen Neutronen η = 2,03. Aber es gibt auch Reaktoren, die mit schnellen Neutronen arbeiten. Es ist sinnlos, ein natürliches Gemisch von Uranisotopen in einen solchen Reaktor zu laden: Die Kettenreaktion startet nicht. Wird der „Rohstoff“ aber mit Uran-235 angereichert, kann es sich in einem „schnellen“ Reaktor entwickeln. In diesem Fall ist c bereits gleich 2,23. Und Plutonium, das mit schnellen Neutronen unter Beschuss gesetzt wird, ergibt n gleich 2,70. Wir werden "ein zusätzliches volles Neutron" zur Verfügung haben. Und das ist nicht genug.

Mal sehen, wofür die empfangenen Neutronen ausgegeben werden. In jedem Reaktor wird ein Neutron benötigt, um eine nukleare Kettenreaktion aufrechtzuerhalten. 0,1 Neutronen werden von den Baumaterialien der Anlage absorbiert. Der "Überschuss" geht an die Akkumulation von Plutonium-239. In einem Fall beträgt der "Überschuss" 1,13, im anderen - 1,60. Nach dem "Verbrennen" von einem Kilogramm Plutonium im "schnellen" Reaktor wird eine enorme Energie freigesetzt und 1,6 kg Plutonium angesammelt. Und Uran in einem "schnellen" Reaktor liefert die gleiche Energie und 1,1 kg neuen Kernbrennstoff. In beiden Fällen ist eine erweiterte Reproduktion offensichtlich. Aber wir dürfen die Wirtschaft nicht vergessen.
Aus verschiedenen technischen Gründen dauert der Plutonium-Brutzyklus mehrere Jahre. Sagen wir fünf Jahre. Das bedeutet, dass die Menge an Plutonium bei η=2,23 nur um 2% pro Jahr zunimmt, und bei η=2,7 um 12%! Kernbrennstoff ist Kapital, und jedes Kapital muss, sagen wir, 5 % pro Jahr abwerfen. Im ersten Fall gibt es große Verluste und im zweiten große Gewinne. Dieses primitive Beispiel veranschaulicht das "Gewicht" jeder zehnten Zahl in der Atomkraft.
Eine andere Sache ist auch wichtig. Die Kernkraft muss mit dem wachsenden Energiebedarf Schritt halten. Berechnungen zeigen, dass seine Bedingung in der Zukunft nur realisierbar ist, wenn η gegen drei geht. Wenn die Entwicklung der Kernenergiequellen hinter dem Energiebedarf der Gesellschaft zurückbleibt, gibt es zwei Möglichkeiten: entweder „den Fortschritt verlangsamen“ oder Energie aus anderen Quellen beziehen. Sie sind bekannt: thermonukleare Fusion, die Energie der Vernichtung von Materie und Antimaterie, aber noch nicht technisch verfügbar. Und es ist nicht bekannt, wann sie echte Energiequellen für die Menschheit sein werden. Und die Energie schwerer Kerne ist für uns längst Realität geworden, und heute hat Plutonium als Hauptlieferant der Atomenergie keine ernsthaften Konkurrenten, außer vielleicht Uran-233.

Die Summe vieler Technologien

Wenn sich die erforderliche Menge an Plutonium infolge von Kernreaktionen im Uran ansammelt, muss es nicht nur vom Uran selbst, sondern auch von Spaltfragmenten - sowohl Uran als auch Plutonium - getrennt werden, die in einer nuklearen Kettenreaktion verbrannt werden. Außerdem ist in der Uran-Plutonium-Masse eine gewisse Menge Neptunium enthalten. Am schwierigsten ist es, Plutonium von Neptunium und Seltenerdelementen (Lanthanoiden) zu trennen. Plutonium als chemisches Element hat etwas Pech. Aus Sicht eines Chemikers ist das Hauptelement der Kernenergie nur eines von vierzehn Aktiniden. Wie die Seltenerdelemente liegen alle Elemente der Actinium-Reihe in ihren chemischen Eigenschaften sehr nahe beieinander, die Struktur der äußeren Elektronenhüllen der Atome aller Elemente von Actinium bis 103 ist gleich. Noch unangenehmer ist, dass die chemischen Eigenschaften der Aktiniden denen der Seltenen Erden ähneln und unter den Spaltfragmenten von Uran und Plutonium mehr als genug Lanthanide sind. Aber andererseits kann das 94. Element in fünf Wertigkeitszuständen vorliegen, und das "süßt die Pille" - es hilft, Plutonium sowohl von Uran als auch von Spaltfragmenten zu trennen.
Die Wertigkeit von Plutonium variiert von drei bis sieben. Verbindungen des vierwertigen Plutoniums sind chemisch am stabilsten (und folglich am häufigsten und am besten untersucht).
Die Trennung chemisch ähnlicher Aktinide – Uran, Neptunium und Plutonium – kann auf den Unterschieden in den Eigenschaften ihrer vier- und sechswertigen Verbindungen beruhen.

Es ist nicht nötig, alle Stufen der chemischen Trennung von Plutonium und Uran im Detail zu beschreiben. Normalerweise beginnt ihre Trennung mit der Auflösung von Uranbarren in Salpetersäure, wonach die in der Lösung enthaltenen Uran-, Neptunium-, Plutonium- und Fragmentierungselemente „getrennt“ werden, wobei hierfür traditionelle radiochemische Methoden verwendet werden - Ausfällung, Extraktion, Ionenaustausch und andere . Die plutoniumhaltigen Endprodukte dieser mehrstufigen Technologie sind sein Dioxid PuO 2 oder Fluoride - PuF 3 oder PuF 4 . Sie werden mit Barium-, Calcium- oder Lithiumdämpfen zu Metall reduziert. Das in diesen Prozessen gewonnene Plutonium ist jedoch nicht für die Rolle eines Strukturmaterials geeignet - es ist unmöglich, daraus Brennelemente von Kernkraftwerken herzustellen, es ist unmöglich, eine Ladung einer Atombombe zu gießen. Wieso den? Der Schmelzpunkt von Plutonium - nur 640 ° C - ist durchaus erreichbar.
Unabhängig davon, unter welchen „ultraschonenden“ Bedingungen Teile aus reinem Plutonium gegossen werden, treten während der Erstarrung immer Risse in den Gussteilen auf. Erstarrendes Plutonium bildet bei 640°C ein kubisches Kristallgitter. Wenn die Temperatur abnimmt, nimmt die Dichte des Metalls allmählich zu. Aber dann erreichte die Temperatur 480 ° C, und dann fällt plötzlich die Dichte von Plutonium stark ab. Die Gründe für diese Anomalie waren schnell gefunden: Bei dieser Temperatur ordnen sich Plutoniumatome im Kristallgitter um. Es wird tetragonal und sehr "locker". Solches Plutonium kann wie Eis auf Wasser in seiner eigenen Schmelze schwimmen.
Die Temperatur sinkt weiter, jetzt hat sie 451 ° C erreicht, und die Atome bildeten wieder ein Würfelgitter, aber in größerem Abstand voneinander als im ersten Fall. Bei weiterer Abkühlung wird das Gitter erst orthorhombisch, dann monoklin. Insgesamt bildet Plutonium sechs verschiedene Kristallformen! Zwei von ihnen haben eine bemerkenswerte Eigenschaft - einen negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten: Bei steigender Temperatur dehnt sich das Metall nicht aus, sondern zieht sich zusammen.
Wenn die Temperatur 122 °C erreicht und die Plutoniumatome ihre Reihen zum sechsten Mal neu anordnen, ändert sich die Dichte besonders stark – von 17,77 auf 19,82 g/cm 3 . Mehr als 10%!
Dementsprechend nimmt das Volumen des Barrens ab. Wenn das Metall den an anderen Übergängen auftretenden Spannungen noch standhalten könnte, dann ist in diesem Moment die Zerstörung unvermeidlich.
Wie kann man dann Teile aus diesem erstaunlichen Metall herstellen? Metallurgen legieren Plutonium (fügen kleine Mengen der notwendigen Elemente hinzu) und erhalten Gussstücke ohne einen einzigen Riss. Sie werden verwendet, um Plutoniumladungen für Atombomben herzustellen. Das Gewicht der Ladung (es wird hauptsächlich durch die kritische Masse des Isotops bestimmt) beträgt 5-6 kg. Es würde problemlos in einen Würfel mit einer Rippengröße von 10 cm passen.

Schwere Isotope von Plutonium

Plutonium-239 enthält auch eine kleine Menge höherer Isotope dieses Elements - mit Massenzahlen von 240 und 241. Das 240 Pu-Isotop ist praktisch nutzlos - es ist Ballast in Plutonium. Aus dem 241. wird Americium gewonnen - Element Nr. 95. In seiner reinen Form, ohne Beimischung anderer Isotope, können Plutonium-240 und Plutonium-241 durch elektromagnetische Trennung von im Reaktor angesammeltem Plutonium gewonnen werden. Zuvor wird Plutonium zusätzlich mit Neutronenflüssen mit genau definierten Eigenschaften bestrahlt. Das alles ist natürlich sehr kompliziert, zumal Plutonium nicht nur radioaktiv, sondern auch sehr giftig ist. Der Umgang damit erfordert äußerste Vorsicht.
Eines der interessantesten Isotope von Plutonium, 242 Pu, kann durch lange Bestrahlung von 239 Pu mit Neutronenflüssen erhalten werden. 242 Pu fängt sehr selten Neutronen ein und "brennt" daher im Reaktor langsamer aus als andere Isotope; es bleibt auch bestehen, nachdem die verbleibenden Isotope von Plutonium fast vollständig in Fragmente übergegangen sind oder sich in Plutonium-242 verwandelt haben.
Plutonium-242 ist wichtig als "Rohstoff" für die relativ schnelle Akkumulation höherer Transurane in Kernreaktoren. Wenn Plutonium-239 in einem konventionellen Reaktor bestrahlt wird, dauert es etwa 20 Jahre, bis Mikrogramm-Mengen von Plutonium von Gramm, beispielsweise Californium-252, angesammelt sind.
Es ist möglich, die Akkumulationszeit höherer Isotope zu verkürzen, indem man die Intensität des Neutronenflusses im Reaktor erhöht. Sie tun dies, aber dann ist es unmöglich, eine große Menge Plutonium-239 zu bestrahlen. Schließlich wird dieses Isotop durch Neutronen geteilt, und in intensiven Strömungen wird zu viel Energie freigesetzt. Hinzu kommen Schwierigkeiten bei der Kühlung des Reaktors. Um diese Komplikationen zu vermeiden, müsste die Menge an bestrahltem Plutonium reduziert werden. Folglich wäre die Leistung von Kalifornien wieder miserabel. Teufelskreis!
Plutonium-242 ist durch thermische Neutronen nicht spaltbar und kann in großen Mengen in intensiven Neutronenflüssen bestrahlt werden ... Daher werden in Reaktoren alle Elemente von Americium bis Fermium aus diesem Isotop „hergestellt“ und reichern sich in Gewichtsmengen an.
Immer wenn es Wissenschaftlern gelang, ein neues Isotop von Plutonium zu gewinnen, maßen sie die Halbwertszeit seiner Kerne. Die Halbwertzeiten von Isotopen schwerer radioaktiver Kerne mit geraden Massenzahlen ändern sich regelmäßig. (Dasselbe gilt nicht für ungerade Isotope.)
Mit zunehmender Masse steigt auch die „Lebensdauer“ des Isotops. Vor einigen Jahren war Plutonium-242 der höchste Punkt auf dieser Grafik. Und wie wird diese Kurve dann verlaufen – bei einer weiteren Erhöhung der Massenzahl? Zu Punkt 1, der einer Lebensdauer von 30 Millionen Jahren entspricht, oder zu Punkt 2, der bereits 300 Millionen Jahren entspricht? Die Antwort auf diese Frage war für die Geowissenschaften sehr wichtig. Im ersten Fall, wenn die Erde vor 5 Milliarden Jahren vollständig aus 244 Pu bestand, würde jetzt nur noch ein Atom Plutonium-244 in der gesamten Masse der Erde übrig bleiben. Wenn die zweite Annahme zutrifft, könnte Plutonium-244 in der Erde in Konzentrationen vorhanden sein, die bereits nachgewiesen werden könnten. Wenn wir das Glück hätten, dieses Isotop auf der Erde zu finden, würde die Wissenschaft die wertvollsten Informationen über die Prozesse erhalten, die während der Entstehung unseres Planeten stattfanden.

Halbwertszeiten einiger Isotope von Plutonium

Vor einigen Jahren standen Wissenschaftler vor der Frage: Lohnt es sich, schweres Plutonium in der Erde zu finden? Um sie zu beantworten, musste zunächst die Halbwertszeit von Plutonium-244 bestimmt werden. Theoretiker konnten diesen Wert nicht mit der erforderlichen Genauigkeit berechnen. Alle Hoffnung galt nur dem Experiment.
Plutonium-244 angesammelt in einem Kernreaktor. Element Nr. 95, Americium (Isotop 243 Am), wurde bestrahlt. Nachdem dieses Isotop ein Neutron eingefangen hatte, ging es in Americium-244 über; Americium-244 ging in einem von 10.000 Fällen in Plutonium-244 über.
Aus einer Mischung von Americium und Curium wurde ein Plutonium-244-Präparat isoliert. Die Probe wog nur wenige Millionstel Gramm. Aber sie reichten aus, um die Halbwertszeit dieses höchst interessanten Isotops zu bestimmen. Es stellte sich heraus, dass es 75 Millionen Jahren entspricht. Später spezifizierten andere Forscher die Halbwertszeit von Plutonium-244, aber nicht viel - 81 Millionen Jahre. 1971 wurden Spuren dieses Isotops im Seltenerdmineral Bastnäsit gefunden.
Wissenschaftler haben viele Versuche unternommen, ein Isotop eines Transuran-Elements zu finden, das länger als 244 Pu lebt. Doch alle Versuche waren vergebens. Einst wurden Hoffnungen auf Curium-247 gesetzt, aber nachdem dieses Isotop in einem Reaktor angereichert wurde, stellte sich heraus, dass seine Halbwertszeit nur 16 Millionen Jahre betrug. Der Rekord für Plutonium-244 konnte nicht gebrochen werden – es ist das langlebigste aller Isotope der Transurane.
Sogar schwerere Isotope von Plutonium unterliegen einem Beta-Zerfall und ihre Lebensdauer reicht von einigen Tagen bis zu einigen Zehntelsekunden. Wir wissen mit Sicherheit, dass alle Isotope von Plutonium bis zu 257 Pu bei thermonuklearen Explosionen gebildet werden. Aber ihre Lebensdauer beträgt Zehntelsekunden, und viele kurzlebige Isotope von Plutonium wurden noch nicht untersucht.

Möglichkeiten des ersten Plutoniumisotops

Und schließlich - über Plutonium-238 - das allererste der "menschengemachten" Isotope von Plutonium, ein Isotop, das zunächst nicht vielversprechend schien. Es ist eigentlich ein sehr interessantes Isotop. Es unterliegt einem Alpha-Zerfall, d.h. seine Kerne emittieren spontan Alpha-Teilchen - Heliumkerne. Alpha-Teilchen, die von den Kernen von Plutonium-238 erzeugt werden, tragen viel Energie; In Materie dissipiert, wird diese Energie in Wärme umgewandelt. Wie groß ist diese Energie? Sechs Millionen Elektronenvolt werden freigesetzt, wenn ein Atomkern von Plutonium-238 zerfällt. Bei einer chemischen Reaktion wird die gleiche Energie freigesetzt, wenn mehrere Millionen Atome oxidiert werden. Eine Stromquelle mit einem Kilogramm Plutonium-238 entwickelt eine thermische Leistung von 560 Watt. Die maximale Leistung einer chemischen Stromquelle gleicher Masse beträgt 5 Watt.
Es gibt viele Emitter mit ähnlichen Energieeigenschaften, aber eine Eigenschaft von Plutonium-238 macht dieses Isotop unverzichtbar. Normalerweise wird der Alpha-Zerfall von starker Gammastrahlung begleitet, die große Dicken von Materie durchdringt. 238 Pu ist eine Ausnahme. Die Energie der Gamma-Quanten, die den Zerfall ihrer Kerne begleitet, ist gering, und es ist nicht schwierig, sich dagegen zu wehren: Die Strahlung wird von einem dünnwandigen Behälter absorbiert. Die Wahrscheinlichkeit einer spontanen Kernspaltung dieses Isotops ist ebenfalls gering. Daher hat es nicht nur in Stromquellen, sondern auch in der Medizin Anwendung gefunden. Batterien mit Plutonium-238 dienen als Energiequelle in speziellen Herzschrittmachern.
Aber 238 Pu ist nicht das leichteste der bekannten Isotope des Elements Nr. 94. Es wurden Plutonium-Isotope mit Massenzahlen von 232 bis 237 erhalten.Die Halbwertszeit des leichtesten Isotops beträgt 36 Minuten.

Plutonium ist ein großes Thema. Hier das Wichtigste vom Wichtigsten. Schließlich ist es bereits zu einer Standardphrase geworden, dass die Chemie des Plutoniums viel besser erforscht ist als die Chemie so "alter" Elemente wie Eisen. Ganze Bücher wurden über die nuklearen Eigenschaften von Plutonium geschrieben. Die Plutoniummetallurgie ist ein weiterer erstaunlicher Bereich des menschlichen Wissens ... Daher sollten Sie nicht glauben, dass Sie nach dem Lesen dieser Geschichte wirklich Plutonium gelernt haben - das wichtigste Metall des 20. Jahrhunderts.

• WIE DAS PLUTONIUM AUSGEFÜHRT WIRD. Radioaktives und giftiges Plutonium erfordert besondere Vorsicht beim Transport. Eigens für seinen Transport wurde ein Container konstruiert, der auch bei Flugunfällen nicht zusammenbricht. Es ist ganz einfach aufgebaut: Es ist ein dickwandiges Edelstahlgefäß, das von einer Mahagonischale umgeben ist. Natürlich lohnt sich Plutonium, aber stellen Sie sich vor, wie dick die Wände sein müssen, wenn Sie wissen, dass ein Container für den Transport von nur zwei Kilogramm Plutonium 225 kg wiegt!
• GIFT UND GEGENGIFT. Am 20. Oktober 1977 berichtete die Agence France-Presse, dass eine chemische Verbindung gefunden worden sei, die Plutonium aus dem menschlichen Körper entfernen könne. Ein paar Jahre später wurde ziemlich viel über diese Verbindung bekannt. Diese komplexe Verbindung ist ein lineares Carboxylase-Catechinamid, eine Substanz der Chelatklasse (aus dem Griechischen - "hela" - eine Klaue). In dieser chemischen Klaue wird das freie oder gebundene Plutoniumatom eingefangen. Bei Labormäusen wurden mit Hilfe dieser Substanz bis zu 70 % des aufgenommenen Plutoniums aus dem Körper entfernt. Es wird angenommen, dass diese Verbindung in Zukunft dazu beitragen wird, Plutonium sowohl aus Industrieabfällen als auch aus Kernbrennstoff zu extrahieren.

Plutonium wurde Ende 1940 an der University of California entdeckt. Es wurde von McMillan, Kennedy und Wahl durch Beschuss von Uranoxid (U 3 O 8 ) mit stark beschleunigten Deuteriumkernen (Deuteronen) in einem Zyklotron synthetisiert. Später stellte sich heraus, dass bei dieser Kernreaktion zunächst das kurzlebige Isotop Neptunium-238 und daraus bereits Plutonium-238 mit einer Halbwertszeit von etwa 50 Jahren entsteht. Ein Jahr später synthetisierten Kennedy, Seaborg, Segre und Wahl das wichtigere Isotop Plutonium-239, indem sie Uran mit hochbeschleunigten Neutronen in einem Zyklotron bestrahlten. Plutonium-239 entsteht beim Zerfall von Neptunium-239; Es sendet Alphastrahlen aus und hat eine Halbwertszeit von 24.000 Jahren. Eine reine Plutoniumverbindung wurde erstmals 1942 erhalten. Dann wurde bekannt, dass in Uranerzen, insbesondere in Erzvorkommen im Kongo, natürliches Plutonium vorkommt.

Der Name des Elements wurde 1948 vorgeschlagen: McMillan nannte das erste transuranische Element Neptunium, da der Planet Neptun der erste jenseits von Uranus ist. Analog dazu entschieden sie sich, das Element 94 Plutonium zu nennen, da der Planet Pluto der zweite Planet nach Uranus ist. Der 1930 entdeckte Pluto erhielt seinen Namen vom Namen des Gottes Pluto, dem Herrscher der Unterwelt in der griechischen Mythologie. Zu Beginn des 19. Jahrhunderts. Clark schlug vor, das Element Barium Plutonium zu nennen und leitete diesen Namen direkt vom Namen des Gottes Pluto ab, aber sein Vorschlag wurde nicht angenommen.

Enrico Fermi berichtete zusammen mit seinen Mitarbeitern an der Universität Rom, dass sie 1934 ein chemisches Element mit der Ordnungszahl 94 entdeckt hatten. Fermi nannte dieses Element Hesperium, weil er glaubte, das Element entdeckt zu haben, das jetzt Plutonium heißt, und so die Annahme über die Existenz von Transuranium-Elementen machte und ihr theoretischer Entdecker wurde. In seinem Nobelpreisvortrag 1938 hielt er an dieser Position fest, musste jedoch, nachdem er von der Entdeckung der Kernspaltung durch Otto Frisch und Fritz Strassmann erfahren hatte, in der 1939 in Stockholm veröffentlichten gedruckten Version einen Hinweis auf die Notwendigkeit machen "das gesamte Problem der Transurane" zu revidieren. Die Arbeit deutscher Wissenschaftler zeigte, dass die von Fermi in seinen Experimenten festgestellte Aktivität genau auf die Spaltung zurückzuführen war und nicht auf die Entdeckung von Transuran-Elementen, wie er zuvor angenommen hatte.

Zyklotron in Berkeley, zur Herstellung von Neptunium und Plutonium.

Die Entdeckung von Plutonium durch eine Gruppe von Mitarbeitern der University of California in Berkeley unter der Leitung von G. T. Seaborg erfolgte mit einem 60-Zoll-Zyklotron, das der Universität zur Verfügung stand. Der erste Beschuss von Triuran-238-Octoxid mit Deuteronen, die in einem Zyklotron auf 14–22 MeV beschleunigt wurden und durch eine 0,002 Zoll dicke Aluminiumfolie hindurchgingen, wurde am 14. Dezember 1940 durchgeführt. Beim Vergleich von erhaltenen und 2,3 Tage gealterten Proben mit der isolierten Fraktion von reinem Neptunium stellten die Wissenschaftler einen signifikanten Unterschied in ihren Alpha-Aktivitäten fest und schlugen vor, dass ihr Wachstum nach 2 Tagen auf den Einfluss eines neuen Elements zurückzuführen ist, das ein Kind von Neptunium ist. Weitere physikalische und chemische Studien wurden 2 Monate lang fortgesetzt. In der Nacht vom 23. auf den 24. Februar 1941 wurde ein entscheidendes Experiment zur Oxidation des vorgeschlagenen Elements unter Verwendung von Peroxiddisulfationen und Silberionen als Katalysator durchgeführt, das zeigte, dass Neptunium-238 nach zwei Tagen beta-minus wird zerfällt und bildet in der folgenden Reaktion ein chemisches Element mit der Nummer 94:

23892U → 23893Np → 23894Pu

Glenn Theodore Seaborg synthetisierte zusammen mit Mitarbeitern in Berkeley zum ersten Mal Plutonium. Er war der Leiter oder Schlüsselmitglied von Teams, die acht weitere Elemente erhielten: Am, Cm, Bk, Cf, Es, Fm, Md, No. Das Element Seaborgium ist nach ihm benannt. Edwin Macmillan und Glenn Seaborg erhielten 1951 den Nobelpreis für „die Erforschung der Chemie der Transurane“.

So wurde die Existenz eines neuen chemischen Elements von G. T. Seaborg, E. M. Macmillan, J. W. Kennedy und A. C. Wall bestätigt, dank der Untersuchung seiner ersten chemischen Eigenschaften, der Fähigkeit, mindestens zwei Oxidationsstufen aufzuweisen.

Wenig später stellte sich heraus, dass dieses Isotop nicht spaltbar und damit für militärische Zwecke uninteressant ist, da Schwellenkerne nicht als Grundlage für eine Spaltungskettenreaktion dienen können. Als sie dies erkannten, richteten US-Kernphysiker ihre Bemühungen darauf, das spaltbare Isotop 239 zu erhalten. Im März 1941 wurden 1,2 kg reinstes Uransalz, eingebettet in einen großen Paraffinblock, in einem Zyklotron mit Neutronen beschossen. Der Beschuss von Urankernen dauerte zwei Tage, wodurch etwa 0,5 Mikrogramm Plutonium-239 gewonnen wurden. Das Erscheinen eines neuen Elements, wie von der Theorie vorhergesagt, wurde von einem Strom von Alpha-Teilchen begleitet.

Am 28. März 1941 zeigten die durchgeführten Experimente, dass Pu unter Einwirkung langsamer Neutronen mit einem Wirkungsquerschnitt, der sehr viel größer als der Wirkungsquerschnitt für U ist, zur Spaltung befähigt ist und die bei der Spaltung gewonnenen Neutronen geeignet sind um die folgenden Akte der Kernspaltung zu erhalten, dh sie ermöglichen es, auf die Durchführung einer Kettenkernreaktion zu zählen. Von diesem Moment an begannen Experimente zur Herstellung einer Plutonium-Atombombe und zum Bau von Reaktoren zu ihrer Herstellung. Die erste reine Verbindung des Elements wurde 1942 erhalten und das erste Plutoniummetall nach Gewicht im Jahr 1943.

Ein Artikel, der im März 1941 zur Veröffentlichung in der Zeitschrift Physical Review eingereicht wurde, beschrieb eine Methode zur Gewinnung und Untersuchung des Elements. Die Veröffentlichung dieses Dokuments wurde jedoch eingestellt, nachdem Daten eingegangen waren, dass das neue Element in einer Atombombe verwendet werden könnte. Die Veröffentlichung des Werkes erfolgte aus Sicherheitsgründen und mit einigen Anpassungen ein Jahr nach dem Zweiten Weltkrieg.

Auch im Dritten Reich blieben Atomforscher nicht untätig. Im Labor von Manfred von Arden wurden Methoden entwickelt, um das 94. Element zu erhalten. Im August 1941 stellte der Physiker Fritz Houtermans seinen geheimen Bericht „Zur Frage der Entfesselung nuklearer Kettenreaktionen“ fertig. Darin wies er auf die theoretischen Möglichkeiten zur Herstellung eines neuen Sprengstoffs aus natürlichem Uran in einem Uran-„Kessel“ hin.

Herkunft des Namens

Mit Hilfe dieses Astrographen entstanden die ersten Bilder von Pluto.

1930 wurde ein neuer Planet entdeckt, über dessen Existenz Percival Lovell, ein Astronom, Mathematiker und Autor fantastischer Essays über das Leben auf dem Mars, lange gesprochen hatte. Aufgrund langjähriger Beobachtungen der Bewegungen von Uranus und Neptun kam er zu dem Schluss, dass es hinter Neptun im Sonnensystem einen weiteren, neunten Planeten geben muss, der vierzigmal weiter von der Sonne entfernt ist als die Erde. Die Elemente der Umlaufbahn des neuen Planeten wurden von ihm 1915 berechnet. Pluto wurde auf Fotografien entdeckt, die am 21., 23. und 29. Januar 1930 vom Astronomen Clyde Tombaugh am Lowell Observatory in Flagstaff aufgenommen wurden. Der Planet wurde am 18. Februar 1930 entdeckt. Der Name des Planeten wurde von einem elfjährigen Schulmädchen aus Oxford, Venetia Burney, gegeben. In der griechischen Mythologie ist Hades der Gott der Unterwelt.

Die erste gedruckte Erwähnung des Begriffs Plutonium datiert vom 21. März 1942. Der Name des 94. chemischen Elements wurde von Arthur Wahl und Glenn Seaborg vorgeschlagen. 1948 schlug Edwin Macmillan vor, das 93. chemische Element Neptunium zu nennen, da Neptun der erste Planet hinter Uranus ist. Analog dazu wurde Plutonium nach dem zweiten Planeten hinter Uranus, Pluto, benannt. Die Entdeckung von Plutonium erfolgte 10 Jahre nach der Entdeckung des Zwergplaneten.

Ursprünglich schlug Seaborg vor, das neue Element "Plutium" zu nennen, entschied aber später, dass der Name "Plutonium" besser klang. Um das Element zu bezeichnen, gab er scherzhaft zwei Buchstaben "Pu" Diese Bezeichnung schien ihm im Periodensystem am akzeptabelsten zu sein. Seaborg schlug auch einige andere Namensvarianten vor, zum Beispiel Ultimium, Extermia. Aufgrund des damaligen Missverständnisses, dass Plutonium das letzte chemische Element im Periodensystem sein würde, wurde das Element nach der Entdeckung des letzten Planeten im Sonnensystem „Plutonium“ genannt.

Erste Studien

Nach mehreren Monaten anfänglicher Forschung wurde die Chemie von Plutonium der von Uran ähnlich. Weitere Forschungen wurden im geheimen metallurgischen Labor der Universität von Chicago fortgesetzt. Dank Cunningham und Werner wurde am 18. August 1942 das erste Mikrogramm einer reinen Plutoniumverbindung aus 90 kg Uranylnitrat isoliert, das in einem Zyklotron mit Neutronen bestrahlt wurde. Am 10. September 1942 – einen Monat später, in dem Wissenschaftler die Menge der Verbindung erhöhten – fand eine Wägung statt. Diese historische Probe wog 2,77 Mikrogramm und bestand aus Plutoniumdioxid; derzeit in Lawrence Hall, Berkeley gelagert. Bis Ende 1942 hatten sich 500 Mikrogramm des Salzes des Elements angesammelt. Für eine detailliertere Untersuchung des neuen Elements in den Vereinigten Staaten wurden mehrere Gruppen gebildet:

• eine Gruppe von Wissenschaftlern, die reines Plutonium durch chemische Methoden isolieren sollten,
• eine Gruppe, die das Verhalten von Plutonium in Lösungen untersuchte, einschließlich der Untersuchung seiner Oxidationszustände, Ionisationspotentiale und Reaktionskinetik,
• eine Gruppe, die die Chemie der Komplexbildung von Plutoniumionen untersuchte, und andere Gruppen.

Untersuchungen haben gezeigt, dass Plutonium in Oxidationsstufen zwischen 3 und 6 gefunden werden kann und dass die niedrigeren Oxidationsstufen tendenziell stabiler sind als Neptunium. Gleichzeitig wurde die Ähnlichkeit der chemischen Eigenschaften von Plutonium und Neptunium festgestellt. 1942 entdeckte Stan Thomson, ein Mitglied der Gruppe von Glenn Seaborg, dass vierwertiges Plutonium in großen Mengen erhalten wurde, wenn es in saurer Lösung in Gegenwart von Wismutphosphat war. Anschließend führte dies zur Untersuchung und Anwendung der Bismut-Phosphat-Methode zur Gewinnung von Plutonium. Im November 1943 wurden einige Mengen Plutoniumfluorid abgetrennt, um eine reine Probe des Elements in Form von wenigen Mikrogramm feinem Pulver zu erhalten. Anschließend wurden Proben erhalten, die mit bloßem Auge gesehen werden konnten.

Das erste Zyklotron in der UdSSR zur Herstellung von Plutonium.

In der UdSSR wurden 1943-1944 die ersten Experimente zur Gewinnung von Pu gestartet. unter der Leitung der Akademiker I. V. Kurchatov und V. G. Khlopin. In kurzer Zeit wurden in der UdSSR umfangreiche Untersuchungen zu den Eigenschaften von Plutonium durchgeführt. Anfang 1945 wurde am ersten Zyklotron Europas, das 1937 am Radium-Institut gebaut wurde, die erste sowjetische Plutoniumprobe durch Neutronenbestrahlung von Urankernen gewonnen. In der Stadt Ozyorsk wurde seit 1945 mit dem Bau des ersten industriellen Kernreaktors zur Herstellung von Plutonium begonnen, dem ersten Objekt der Mayak Production Association, die am 19. Juni 1948 ins Leben gerufen wurde.

Produktion im Manhattan Project

Die wichtigsten Standorte für das Manhattan-Projekt.

Das Manhattan-Projekt geht auf Einsteins Brief an Roosevelt zurück. Der Brief machte den Präsidenten darauf aufmerksam, dass Nazideutschland aktive Forschungen durchführte, wodurch es bald eine Atombombe erwerben könnte. Im August 1939 bat Leo Sillard seinen Freund Albert Einstein, einen Brief zu unterschreiben. Als Ergebnis der positiven Reaktion von Franklin Roosevelt wurde in der Folge das Manhattan-Projekt in den Vereinigten Staaten gegründet.

Während des Zweiten Weltkriegs war das Ziel des Projekts, eine Atombombe zu bauen. Der Entwurf des Atomprogramms, aus dem das Manhattan-Projekt hervorging, wurde am 9. Oktober 1941 per Dekret des Präsidenten der Vereinigten Staaten genehmigt und gleichzeitig erstellt. Das Manhattan-Projekt nahm seine Aktivitäten am 12. August 1942 auf. Seine drei Hauptziele waren:

• Plutoniumproduktion im Hanford-Komplex
• Urananreicherung in Oak Ridge, Tennessee
• Forschung auf dem Gebiet der Atomwaffen und der Struktur der Atombombe am Los Alamos National Laboratory

Ein Erinnerungsfoto der Wissenschaftler, die am Chicago Woodpile-1 teilgenommen haben. Vordere Reihe, zweiter von rechts: Leo Sillard; Erster von links: Enrico Fermi.

Der erste Kernreaktor, der im Vergleich zu Zyklotronen große Mengen des Elements produzierte, war der Chicago Woodpile-1. Es wurde am 2. Dezember 1942 dank Enrico Fermi und Leo Sillard in Dienst gestellt; An diesem Tag fand die erste selbsterhaltende nukleare Kettenreaktion statt. Uran-238 und Uran-235 wurden zur Herstellung von Plutonium-239 verwendet. Der Reaktor wurde unter den Tribünen von Stagg Field an der University of Chicago gebaut. Es bestand aus 6 Tonnen Uranmetall, 34 Tonnen Uranoxid und 400 Tonnen "schwarzen Ziegeln" aus Graphit. Das einzige, was eine nukleare Kettenreaktion stoppen könnte, wären Cadmiumstäbe, die thermische Neutronen gut einfangen und dadurch einen möglichen Zwischenfall verhindern können. Aufgrund des fehlenden Strahlenschutzes und der Kühlung betrug seine übliche Leistung nur 0,5 ... 200 Watt.

Arbeiter im X-10-Graphitreaktor.

Der zweite Reaktor, der die Herstellung von Plutonium-239 ermöglichte, war der X-10-Graphitreaktor. Es wurde am 4. November 1943 in der Stadt Oak Ridge in Betrieb genommen und befindet sich derzeit auf dem Territorium des Oak Ridge National Laboratory. Dieser Reaktor war der zweite weltweit nach dem Chicago Woodpile-1 und der erste Reaktor, der in der Fortsetzung des Manhattan-Projekts gebaut wurde. Der Reaktor war der erste Schritt zur Schaffung leistungsfähigerer Kernreaktoren, das heißt, er war experimentell. Das Ende seiner Arbeit kam 1963; seit den 1980er Jahren für die Öffentlichkeit zugänglich und ist einer der ältesten Kernreaktoren der Welt.

Am 5. April 1944 erhielt Emilio Segre die ersten Proben des im X-10-Reaktor produzierten Plutoniums. Innerhalb von 10 Tagen entdeckte er, dass die Konzentration von Plutonium-240 im Reaktor im Vergleich zu Zyklotronen sehr hoch war. Dieses Isotop hat eine sehr hohe Fähigkeit zur spontanen Spaltung, wodurch der allgemeine Hintergrund der Neutronenbestrahlung zunimmt. Auf dieser Grundlage wurde der Schluss gezogen, dass die Verwendung von hochreinem Plutonium in einer kanonenartigen Atombombe, insbesondere in der Khudoy-Bombe, zu einer vorzeitigen Detonation führen könnte. Aufgrund der Tatsache, dass sich die Technologie zur Entwicklung von Atombomben immer weiter verbessert hat, wurde festgestellt, dass es für eine Atomladung am besten ist, Kernmaterie in Form von Kugeln zu verwenden.

Bau von Reaktor B, dem ersten Kernreaktor, der Plutonium im industriellen Maßstab produzieren kann.

Der erste kommerzielle Kernreaktor zur Pu-Produktion ist Reaktor B in den USA. Der Bau begann im Juni 1943 und endete im September 1944. Die Reaktorleistung betrug 250 MW. Erstmals wurde in diesem Reaktor Wasser als Kühlmittel verwendet. Reaktor B produzierte Plutonium-239, das erstmals im Trinity-Test verwendet wurde. Aus diesem Reaktor gewonnenes Kernmaterial wurde in der Bombe verwendet, die am 9. August 1945 auf Nagasaki abgeworfen wurde. Der gebaute Reaktor wurde im Februar 1968 geschlossen und befindet sich in der Wüstenregion des Staates Washington, in der Nähe der Stadt Richland.

Hanford-Komplex. Die Reaktoren B, D, F usw. befinden sich entlang des Flusses im oberen Teil des Schemas.

Während des Manhattan-Projekts wurden im Hanford-Komplex viele Bereiche für den Empfang, die Lagerung, die Verarbeitung und die Verwendung von Kernmaterial geschaffen. Diese Grabstätten enthalten etwa 205 kg Plutoniumisotope. Mehrere Bereiche wurden gebildet, um die neun Kernreaktoren zu lagern, die das chemische Element produzierten, sowie zahlreiche Nebengebäude, die die Umwelt verschmutzten. Andere dieser Bereiche wurden mit dem Ziel geschaffen, Plutonium und Uran chemisch von Verunreinigungen zu trennen. Nach der Schließung dieses Komplexes wurden mehr als 20 Tonnen Plutonium in sicherer Form entsorgt.

Im Jahr 2004 wurden bei Ausgrabungen auf dem Territorium des Hanford-Komplexes Bestattungen entdeckt. Darunter wurde waffenfähiges Plutonium gefunden, das sich in einem Glasgefäß befand. Diese Probe von waffenfähigem Plutonium erwies sich als die langlebigste und wurde vom Pacific National Laboratory untersucht. Die Ergebnisse zeigten, dass diese Probe 1944 auf dem X-10-Graphitreaktor hergestellt wurde.

Einer der Teilnehmer des Projekts war an der geheimen Übertragung von Zeichnungen zu den Prinzipien des Baus von Uran- und Plutoniumbomben sowie von Uran-235- und Plutonium-239-Proben beteiligt.

Trinity und der dicke Mann

Der erste Atomtest namens Trinity am 16. Juli 1945 in der Nähe von Alamogordo, New Mexico, verwendete Plutonium als Nuklearladung. The Thing verwendete herkömmliche Linsen, um Plutonium auf eine kritische Masse zu komprimieren. Dieses Gerät wurde entwickelt, um eine neue Art von Atombombe "Fat Man" auf der Basis von Plutonium zu testen. Gleichzeitig begannen Neutronen für eine Kernreaktion aus dem Igel zu fließen. Das Gerät wurde aus Polonium und Beryllium hergestellt; Diese Quelle wurde in der ersten Generation von Atombomben verwendet, da diese Zusammensetzung zu dieser Zeit als einzige Neutronenquelle galt. All diese Zusammensetzung ermöglichte es, eine starke nukleare Explosion zu erreichen. Die Gesamtmasse der im Trinity-Atomtest verwendeten Bombe betrug 6 Tonnen, obwohl der Bombenkern nur 6,2 kg Plutonium enthielt und die geschätzte Höhe für die Explosion über der Stadt 225-500 m betrug, etwa 20% des verwendeten Plutoniums in dieser Bombe waren 20.000 Tonnen TNT-Äquivalent.

Die Fat Man-Bombe wurde am 9. August 1945 auf Nagasaki abgeworfen. Infolge der Explosion wurden 70.000 Menschen sofort getötet und weitere 100.000 verletzt. Sie hatte einen ähnlichen Mechanismus: Ein Kern aus Plutonium wurde in eine Kugel gelegt Aluminiumhülle, die von chemischem Sprengstoff umgeben war. Während der Detonation der Granate wurde die Plutoniumladung von allen Seiten komprimiert und ihre Dichte überstieg die kritische, woraufhin eine nukleare Kettenreaktion begann. Die drei Tage zuvor auf Hiroshima abgeworfene Malysh verwendete Uran-235, aber kein Plutonium. Japan unterzeichnete am 15. August ein Übergabeabkommen. Nach diesen Fällen wurde in den Medien eine Nachricht über die Verwendung eines neuen chemisch radioaktiven Elements - Plutonium - veröffentlicht.

kalter Krieg

Große Mengen Plutonium wurden während des Kalten Krieges von den USA und der UdSSR produziert. Die US-Reaktoren am Standort Savannah River und Hanford produzierten während des Krieges 103 Tonnen Plutonium, während die UdSSR 170 Tonnen waffenfähiges Plutonium produzierte. Heute werden etwa 20 Tonnen Plutonium in der Kernkraft als Nebenprodukt von Kernreaktionen produziert. Für jeweils 1.000 Tonnen gelagertes Plutonium werden 200 Tonnen Plutonium aus Kernreaktoren zurückgewonnen. Für 2007 schätzte das SIIM das weltweite Plutonium auf 500 Tonnen, das ungefähr zu gleichen Teilen in Waffen- und Energiebedarf aufgeteilt ist.

Das vorgeschlagene Layout des Atommüll-Lagertunnels im Yucca Mountain Repository.

Unmittelbar nach dem Ende des Kalten Krieges wurden alle nuklearen Lagerbestände zu einem Proliferationsproblem. Beispielsweise wurden in den Vereinigten Staaten zwei Tonnen schwere Blöcke aus Plutonium geschmolzen, das aus Atomwaffen gewonnen wurde, in denen das Element in Form von inertem Plutoniumoxid vorliegt. Diese Blöcke sind mit Borosilikatglas mit einer Beimischung von Zirkonium und Gadolinium verglast. Dann wurden diese Blöcke mit Edelstahl bedeckt und bis zu einer Tiefe von 4 km im Boden vergraben. Die lokalen und staatlichen Behörden der USA haben die Lagerung von Atommüll in Yucca Mountain nicht erlaubt. Im März 2010 beschlossen die US-Behörden, die Lizenz für das Recht zur Lagerung von Atommüll zu entziehen. Barack Obama schlug vor, die Politik der Abfalllagerung zu überprüfen und Empfehlungen für die Entwicklung neuer effektiver Methoden für die Entsorgung abgebrannter Brennelemente und Abfälle zu geben.

medizinische Experimente

Während des Zweiten Weltkriegs und danach führten Wissenschaftler Experimente an Tieren und Menschen durch und injizierten Dosen von Plutonium intravenös. Tierstudien haben gezeigt, dass einige Milligramm Plutonium pro Kilogramm Gewebe eine tödliche Dosis sind. Die "Standard"-Dosis betrug 5 Mikrogramm Plutonium, und 1945 wurde diese Zahl auf 1 Mikrogramm reduziert, da Plutonium dazu neigt, sich in Knochen anzureichern und daher gefährlicher als Radium ist.

Achtzehn Plutoniumtests am Menschen wurden ohne vorherige Zustimmung durchgeführt, um herauszufinden, wo und wie Plutonium im menschlichen Körper konzentriert ist, und um Standards für den sicheren Umgang damit zu entwickeln. Die ersten Orte, an denen Experimente im Rahmen des Manhattan-Projekts durchgeführt wurden, waren: Hanford, Berkeley, Los Alamos, Chicago, Oak Ridge, Rochester.