پلوتونیوم (لاتین پلوتونیوم، نماد Pu) یک عنصر شیمیایی رادیواکتیو با عدد اتمی 94 و وزن اتمی 244.064 است. پلوتونیوم عنصری از گروه سوم جدول تناوبی دیمیتری ایوانوویچ مندلیف است و از خانواده اکتینیدها است. پلوتونیوم یک فلز رادیواکتیو شکننده سنگین (با چگالی در شرایط عادی 19.84 گرم بر سانتی‌متر مربع) به رنگ سفید مایل به نقره‌ای است.

پلوتونیوم هیچ ایزوتوپ پایداری ندارد. از صد ایزوتوپ ممکن پلوتونیوم، بیست و پنج ایزوتوپ ساخته شده است. خواص هسته ای پانزده مورد از آنها (اعداد جرمی 232-246) مورد مطالعه قرار گرفت. چهار مورد کاربرد عملی پیدا کرده اند. طولانی ترین ایزوتوپ ها 244Pu (نیمه عمر 8.26-107 سال)، 242Pu (نیمه عمر 3.76-105 سال)، 239Pu (نیمه عمر 2.41-104 سال)، 238Pu (نیمه عمر) 87-α7 هستند. ساطع کننده ها و 241Pu (نیمه عمر 14 سال) - β-امیتر. در طبیعت، پلوتونیوم به مقدار ناچیزی در سنگ معدن اورانیوم (239Pu) وجود دارد. این از اورانیوم تحت تأثیر نوترون ها تشکیل می شود که منابع آن واکنش هایی است که در طی برهمکنش ذرات α با عناصر سبک (شامل سنگ معدن ها) ، شکافت خود به خود هسته های اورانیوم و تشعشعات کیهانی رخ می دهد.

عنصر نود و چهارم توسط گروهی از دانشمندان آمریکایی - گلن سیبورگ، کندی، ادوین مک میلان و آرتور وال در سال 1940 در برکلی (در دانشگاه کالیفرنیا) هنگام بمباران یک هدف از اکسید اورانیوم (U3O8) توسط هسته‌های دوتریوم با شتاب بالا کشف شد. (دوترون) از یک سیکلوترون شصت اینچی. در می 1940، خواص پلوتونیوم توسط لوئیس ترنر پیش بینی شد.

در دسامبر 1940، ایزوتوپ پلوتونیوم Pu-238 با نیمه عمر 90 سال کشف شد و یک سال بعد مهمتر Pu-239 با نیمه عمر 24000 سال کشف شد.

ادوین مک میلان در سال 1948 پیشنهاد کرد که به افتخار کشف سیاره جدید پلوتون و به قیاس نپتونیوم که پس از کشف نپتون نامگذاری شد، عنصر شیمیایی پلوتونیوم نامگذاری شود.

پلوتونیوم فلزی (ایزوتوپ 239Pu) در سلاح های هسته ای استفاده می شود و به عنوان سوخت هسته ای در راکتورهای نیرو که بر روی نوترون های حرارتی و به ویژه نوترون های سریع کار می کنند، استفاده می شود. جرم بحرانی برای 239Pu به عنوان فلز 5.6 کیلوگرم است. از جمله، ایزوتوپ 239Pu ماده اولیه برای تولید عناصر ترانس پلوتونیوم در راکتورهای هسته ای است. ایزوتوپ 238Pu در منابع انرژی هسته ای کوچک مورد استفاده در تحقیقات فضایی و همچنین در محرک های قلب انسان استفاده می شود.

پلوتونیوم-242 به عنوان یک "ماده خام" برای تجمع نسبتاً سریع عناصر ترانس اورانیوم بالاتر در راکتورهای هسته ای مهم است. آلیاژهای پلوتونیوم تثبیت‌شده با δ در ساخت پیل‌های سوختی استفاده می‌شوند، زیرا خواص متالورژیکی بهتری در مقایسه با پلوتونیوم خالص دارند که در هنگام گرم شدن دچار انتقال فاز می‌شوند. اکسیدهای پلوتونیوم به عنوان یک منبع انرژی برای فناوری فضایی استفاده می شود و کاربرد خود را در میله های سوخت پیدا می کند.

تمام ترکیبات پلوتونیوم سمی هستند که نتیجه اشعه α است. ذرات آلفا در صورتی که منبع آنها در بدن یک فرد آلوده باشد، به بافت اطراف بدن آسیب برساند. تشعشعات گامای پلوتونیوم برای بدن خطرناک نیست. شایان ذکر است که ایزوتوپ های مختلف پلوتونیوم دارای سمیت متفاوتی هستند، به عنوان مثال، پلوتونیوم راکتور معمولی 8-10 برابر سمی تر از 239Pu خالص است، زیرا توسط هسته های 240Pu که منبع قدرتمندی از تابش آلفا است، غالب است. پلوتونیوم پرتوزاترین عنصر در بین تمام اکتینیدها است، با این حال، آن را دور از خطرناک ترین عنصر در نظر می گیرند، زیرا رادیوم تقریباً هزار برابر خطرناک تر از سمی ترین ایزوتوپ پلوتونیوم - 239Pu است.

خواص بیولوژیکی

پلوتونیوم توسط موجودات دریایی متمرکز شده است: ضریب تجمع این فلز رادیواکتیو (نسبت غلظت در بدن و محیط خارجی) برای جلبک ها 1000-9000 است، برای پلانکتون - تقریبا 2300، برای ستاره های دریایی - حدود 1000، برای نرم تنان - تا 380، برای ماهیچه ها، استخوان ها، کبد و معده ماهی - به ترتیب 5، 570، 200 و 1060. گیاهان زمینی پلوتونیوم را عمدتاً از طریق سیستم ریشه جذب می کنند و آن را تا 0.01 درصد از جرم خود جمع می کنند. در بدن انسان، عنصر نود و چهارم عمدتاً در اسکلت و کبد حفظ می شود، جایی که تقریباً از آنجا دفع نمی شود (به ویژه از استخوان).

پلوتونیوم بسیار سمی است و خطر شیمیایی آن (مانند هر فلز سنگین دیگری) در مقایسه با سمیت رادیواکتیو آن که نتیجه تشعشعات آلفا است، بسیار ضعیف تر است (از نظر شیمیایی، مانند سرب نیز سمی است). علاوه بر این، ذرات α توانایی نفوذ نسبتاً کمی دارند: برای 239Pu، محدوده ذرات α در هوا 3.7 سانتی متر و در بافت نرم بیولوژیکی 43 میکرومتر است. بنابراین، ذرات آلفا در صورتی که منبع آنها در بدن فرد آلوده باشد، خطری جدی به همراه دارد. در عین حال به بافت های بدن اطراف عنصر آسیب می رسانند.

در عین حال، پرتوهای γ و نوترون ها، که پلوتونیوم نیز ساطع می کند و می توانند از بیرون به بدن نفوذ کنند، بسیار خطرناک نیستند، زیرا سطح آنها برای آسیب رساندن به سلامت بسیار پایین است. پلوتونیوم متعلق به گروهی از عناصر با سمیت پرتوزایی بالا است. در عین حال، ایزوتوپ های مختلف پلوتونیوم دارای سمیت متفاوتی هستند، به عنوان مثال، پلوتونیوم راکتور معمولی 8-10 برابر سمی تر از 239Pu خالص است، زیرا توسط هسته های 240Pu که منبع قدرتمندی از تشعشعات آلفا هستند، غالب است.

وقتی پلوتونیوم از طریق آب و غذا خورده شود، سمیت کمتری نسبت به موادی مانند کافئین، برخی ویتامین ها، سودوافدرین و بسیاری از گیاهان و قارچ ها دارد. این با این واقعیت توضیح داده می شود که این عنصر توسط دستگاه گوارش ضعیف جذب می شود، حتی زمانی که به شکل یک نمک محلول عرضه می شود، همین نمک توسط محتویات معده و روده محدود می شود. با این حال، مصرف 0.5 گرم پلوتونیوم ریز تقسیم یا محلول می تواند منجر به مرگ در اثر تابش حاد گوارشی در طی چند روز یا چند هفته شود (برای سیانید این مقدار 0.1 گرم است).

از نقطه نظر استنشاقی، پلوتونیوم یک سم معمولی (تقریبا معادل بخار جیوه) است. هنگامی که پلوتونیوم استنشاق می شود، سرطان زا است و می تواند باعث سرطان ریه شود. بنابراین، هنگامی که استنشاق می شود، صد میلی گرم پلوتونیوم به شکل ذرات با اندازه بهینه برای احتباس در ریه ها (1-3 میکرون) منجر به مرگ در اثر ادم ریوی در 1-10 روز می شود. دوز بیست میلی گرمی منجر به مرگ در اثر فیبروز در حدود یک ماه می شود. دوزهای کمتر منجر به مسمومیت مزمن سرطان زا می شود. خطر استنشاق پلوتونیوم به بدن به دلیل اینکه پلوتونیوم مستعد تشکیل آئروسل است افزایش می یابد.

با وجود اینکه یک فلز است، بسیار فرار است. ماندن کوتاه فلز در یک اتاق به طور قابل توجهی غلظت آن را در هوا افزایش می دهد. پلوتونیومی که وارد ریه ها می شود تا حدی روی سطح ریه ها می نشیند، تا حدی وارد خون و سپس به لنف و مغز استخوان می رود. بیشتر (تقریبا 60٪) به بافت استخوانی، 30٪ در کبد و تنها 10٪ به طور طبیعی دفع می شود. مقدار پلوتونیومی که وارد بدن می شود به اندازه ذرات آئروسل و حلالیت در خون بستگی دارد.

پلوتونیومی که به هر طریقی وارد بدن انسان می شود از نظر خواص مشابه آهن فریک است، بنابراین، با نفوذ به سیستم گردش خون، پلوتونیوم شروع به تمرکز در بافت های حاوی آهن می کند: مغز استخوان، کبد، طحال. بدن پلوتونیوم را به عنوان آهن درک می کند، بنابراین پروتئین ترانسفرین به جای آهن پلوتونیوم می گیرد، در نتیجه انتقال اکسیژن در بدن متوقف می شود. میکروفاژها پلوتونیوم را به غدد لنفاوی حمل می کنند. پلوتونیومی که وارد بدن می شود مدت زمان زیادی طول می کشد تا از بدن خارج شود - در عرض 50 سال، تنها 80٪ از بدن خارج می شود. نیمه عمر از کبد 40 سال است. برای بافت استخوان، نیمه عمر پلوتونیوم 80-100 سال است، در واقع غلظت عنصر نود و چهار در استخوان ها ثابت است.

در طول جنگ جهانی دوم و پس از پایان آن، دانشمندانی که در پروژه منهتن کار می‌کردند، و همچنین دانشمندان رایش سوم و سایر سازمان‌های تحقیقاتی، آزمایش‌هایی با استفاده از پلوتونیوم روی حیوانات و انسان‌ها انجام دادند. مطالعات حیوانی نشان داده است که چند میلی گرم پلوتونیوم در هر کیلوگرم بافت یک دوز کشنده است. استفاده از پلوتونیوم در انسان معمولاً شامل 5 میکروگرم پلوتونیوم بود که به صورت عضلانی به بیماران مزمن تزریق می شد. در نهایت مشخص شد که دوز کشنده برای بیمار یک میکروگرم پلوتونیوم است و پلوتونیوم خطرناک‌تر از رادیوم است و تمایل به تجمع در استخوان‌ها دارد.

همانطور که مشخص است، پلوتونیوم عنصری است که عملاً در طبیعت وجود ندارد. با این حال، حدود پنج تن از آن در نتیجه آزمایش های هسته ای در دوره 1945-1963 در جو رها شد. مقدار کل پلوتونیوم آزاد شده در جو در اثر آزمایش های هسته ای قبل از دهه 1980 حدود 10 تن تخمین زده می شود. بر اساس برخی برآوردها، خاک در ایالات متحده به طور متوسط ​​حاوی 2 میلی‌کوری (28 میلی‌گرم) پلوتونیوم در هر کیلومتر مربع ریزش است، و وقوع پلوتونیوم در اقیانوس آرام نسبت به توزیع کلی مواد هسته‌ای روی زمین افزایش یافته است.

آخرین پدیده با آزمایش هسته ای ایالات متحده در جزایر مارشال در سایت آزمایش اقیانوس آرام در اواسط دهه 1950 مرتبط است. زمان اقامت پلوتونیوم در آب های سطحی اقیانوس ها بین 6 تا 21 سال است، با این حال، حتی پس از این مدت، پلوتونیوم به همراه ذرات بیوژنیک به پایین سقوط می کند که از آن در نتیجه تجزیه میکروبی به اشکال محلول کاهش می یابد.

آلودگی جهانی با عنصر نود و چهارم نه تنها با آزمایش های هسته ای، بلکه با حوادث در تولید و تجهیزات در تعامل با این عنصر همراه است. بنابراین در ژانویه 1968، یک B-52 نیروی هوایی ایالات متحده که حامل چهار کلاهک هسته ای بود در گرینلند سقوط کرد. در نتیجه انفجار، بارها از بین رفت و پلوتونیوم به اقیانوس نشت کرد.

مورد دیگری از آلودگی رادیواکتیو محیط در نتیجه یک حادثه با فضاپیمای شوروی Kosmos-954 در 24 ژانویه 1978 رخ داد. در نتیجه خروج کنترل نشده از مدار، یک ماهواره با منبع انرژی هسته ای در داخل خاک کانادا سقوط کرد. در نتیجه این حادثه، بیش از یک کیلوگرم پلوتونیوم 238 به محیط زیست رها شد و در مساحتی حدود 124000 متر مربع پخش شد.

وحشتناک ترین نمونه نشت اضطراری مواد رادیواکتیو به محیط زیست حادثه در نیروگاه هسته ای چرنوبیل است که در 26 آوریل 1986 رخ داد. در نتیجه انهدام نیروگاه چهارم، 190 تن مواد رادیواکتیو (از جمله ایزوتوپ های پلوتونیوم) در مساحتی حدود 2200 کیلومتر مربع به محیط زیست رها شد.

انتشار پلوتونیوم در محیط زیست تنها با حوادث ساخته شده توسط انسان مرتبط نیست. موارد شناخته شده ای از نشت پلوتونیوم، هم در شرایط آزمایشگاهی و هم در شرایط کارخانه وجود دارد. بیش از بیست نشت تصادفی از آزمایشگاه های 235U و 239Pu شناخته شده است. طی سالهای 1953-1978. تصادفات منجر به کاهش 0.81 (Mayak، 15 مارس 1953) به 10.1 کیلوگرم (تامسک، 13 دسامبر 1978) 239 Pu. حوادث صنعتی منجر به مرگ دو نفر در لوس آلاموس (21 اوت 1945 و 21 می 1946) به دلیل دو حادثه و از دست دادن 6.2 کیلوگرم پلوتونیوم شد. در سال 1953 و 1963 در شهر ساروف. حدود 8 و 17.35 کیلوگرم در خارج از راکتور هسته ای سقوط کرد. یکی از آنها منجر به تخریب یک راکتور هسته ای در سال 1953 شد.

هنگامی که یک هسته 238Pu با نوترون ها شکافت می شود، 200 مگا ولت انرژی آزاد می شود که 50 میلیون برابر بیشتر از معروف ترین واکنش گرمازا است: C + O2 → CO2. "سوزاندن" در یک راکتور هسته ای، یک گرم پلوتونیوم 2107 کیلو کالری تولید می کند - این انرژی موجود در 4 تن زغال سنگ است. یک انگشتانه سوخت پلوتونیوم در معادل انرژی می تواند معادل چهل واگن هیزم خوب باشد!

اعتقاد بر این است که "ایزوتوپ طبیعی" پلوتونیوم (Pu244) طولانی ترین ایزوتوپ در بین تمام عناصر ترانس اورانیوم است. نیمه عمر آن 8.26∙107 سال است. دانشمندان برای مدت طولانی در تلاش برای به دست آوردن ایزوتوپی از یک عنصر ترانس اورانیوم بوده اند که بیش از 244Pu وجود داشته باشد - امیدهای زیادی در این زمینه به 247 سانتی متر بسته شده بود. با این حال، پس از سنتز آن مشخص شد که نیمه عمر این عنصر تنها 14 میلیون سال است.

داستان

در سال 1934، گروهی از دانشمندان به رهبری انریکو فرمی بیانیه ای دادند که در طی کار علمی در دانشگاه رم یک عنصر شیمیایی با شماره سریال 94 کشف کردند. با اصرار فرمی، این عنصر هسپریوم نام گرفت، دانشمند متقاعد شد که او عنصر جدیدی را کشف کرده بود که اکنون پلوتونیوم نامیده می شود، بنابراین وجود عناصر فرااورانیومی را نشان می دهد و کاشف نظری آنها می شود. فرمی در سخنرانی نوبل خود در سال 1938 از این فرضیه دفاع کرد. تنها پس از کشف شکافت هسته ای توسط دانشمندان آلمانی Otto Frisch و Fritz Strassmann بود که فرمی مجبور شد در نسخه چاپی منتشر شده در استکهلم در سال 1939 یادداشتی بنویسد که نشان دهنده نیاز به تجدید نظر در "کل مشکل عناصر فرااورانیوم" بود. واقعیت این است که کار فریش و استراسمن نشان داد که فعالیت کشف شده توسط فرمی در آزمایشاتش دقیقاً ناشی از شکافت است و نه به دلیل کشف عناصر فرااورانیوم، همانطور که قبلاً معتقد بود.

عنصر جدید، نود و چهارم، در پایان سال 1940 کشف شد. این اتفاق در برکلی در دانشگاه کالیفرنیا رخ داد. با بمباران اکسید اورانیوم (U3O8) با هسته‌های هیدروژن سنگین (دوترون)، گروهی از رادیو شیمی‌دانان آمریکایی به رهبری گلن تی سیبورگ، یک تابشگر ذرات آلفا ناشناخته را با نیمه عمر 90 سال کشف کردند. معلوم شد که این ساطع کننده ایزوتوپ عنصر شماره 94 با عدد جرمی 238 است. بنابراین، در 14 دسامبر 1940، اولین مقادیر میکروگرم پلوتونیوم همراه با ترکیبی از عناصر دیگر و ترکیبات آنها به دست آمد.

طی آزمایشی که در سال 1940 انجام شد، مشخص شد که در طی یک واکنش هسته ای، ایزوتوپ کوتاه مدت نپتونیوم-238 برای اولین بار تولید می شود (نیمه عمر 2.117 روز) و از آن پلوتونیوم-238:

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

آزمایش های شیمیایی طولانی و پر زحمت برای جداسازی عنصر جدید از ناخالصی ها دو ماه به طول انجامید. وجود یک عنصر شیمیایی جدید در شب 23 تا 24 فوریه 1941 توسط G. T. Seaborg، E. M. Macmillan، J. W. کندی و A. C. Wall از طریق مطالعه اولین خواص شیمیایی آن - توانایی داشتن حداقل دو اکسیداسیون - تأیید شد. ایالت ها. کمی دیرتر از پایان آزمایش ها، مشخص شد که این ایزوتوپ غیرقابل شکافت است و بنابراین برای مطالعه بیشتر جالب نیست. به زودی (مارس 1941)، کندی، سیبورگ، سگر و وال با تابش اورانیوم با نوترون های بسیار شتاب در یک سیکلوترون، ایزوتوپ مهم تری به نام پلوتونیوم-239 را سنتز کردند. این ایزوتوپ از فروپاشی نپتونیوم 239 تشکیل شده و پرتوهای آلفا از خود ساطع می کند و نیمه عمر آن 24000 سال است. اولین ترکیب خالص این عنصر در سال 1942 و اولین مقادیر وزنی پلوتونیوم فلزی در سال 1943 به دست آمد.

نام عنصر جدید 94 در سال 1948 توسط مک میلان پیشنهاد شد که چند ماه قبل از کشف پلوتونیوم به همراه F. Eibelson اولین عنصر سنگین‌تر از اورانیوم را بدست آوردند - عنصر شماره 93 که به افتخار نپتونیوم نامگذاری شد. سیاره نپتون - اولین سیاره فراتر از اورانوس. بر اساس قیاس، آنها تصمیم گرفتند عنصر شماره 94 را پلوتونیوم بنامند، زیرا سیاره پلوتون پس از اورانوس دومین سیاره است. به نوبه خود، Seaborg پیشنهاد کرد که عنصر جدید را "پلوتیوم" بنامد، اما سپس متوجه شد که این نام در مقایسه با "پلوتونیوم" خیلی خوب به نظر نمی رسد. علاوه بر این، او نام های دیگری را برای عنصر جدید مطرح کرد: اولتیمیم، اکسترمیوم، به دلیل قضاوت اشتباه در آن زمان که پلوتونیوم آخرین عنصر شیمیایی جدول تناوبی خواهد بود. در نتیجه، این عنصر به افتخار کشف آخرین سیاره در منظومه شمسی، "پلوتونیوم" نام گرفت.

بودن در طبیعت

نیمه عمر طولانی ترین ایزوتوپ پلوتونیوم 75 میلیون سال است. این رقم بسیار چشمگیر است، با این حال، سن کهکشان در میلیاردها سال اندازه گیری می شود. از این نتیجه می‌شود که ایزوتوپ‌های اولیه عنصر نود و چهارم، که در طول سنتز بزرگ عناصر جهان شکل گرفته‌اند، تا به امروز هیچ شانسی برای بقا نداشتند. و با این حال، این بدان معنا نیست که اصلاً پلوتونیوم در زمین وجود ندارد. به طور مداوم در سنگ معدن اورانیوم تشکیل می شود. با گرفتن نوترون از تشعشعات کیهانی و نوترون های تولید شده توسط شکافت خود به خودی هسته های 238U، برخی - بسیار اندک - اتم های این ایزوتوپ به اتم های 239U تبدیل می شوند. هسته های این عنصر بسیار ناپایدار هستند، الکترون ساطع می کنند و در نتیجه بار خود را افزایش می دهند و تشکیل نپتونیوم، اولین عنصر فرااورانیوم، رخ می دهد. 239Np نیز ناپایدار است، هسته های آن نیز الکترون ساطع می کنند، بنابراین تنها در 56 ساعت نیمی از 239Np به 239Pu تبدیل می شود.

نیمه عمر این ایزوتوپ در حال حاضر بسیار طولانی است و به 24000 سال می رسد. به طور متوسط، محتوای 239Pu تقریباً 400000 برابر کمتر از رادیوم است. بنابراین، نه تنها استخراج، بلکه حتی تشخیص پلوتونیوم "زمینی" بسیار دشوار است. مقادیر کمی از 239 Pu - قطعات در تریلیون - و محصولات پوسیده را می توان در سنگ معدن اورانیوم یافت، به عنوان مثال در راکتور هسته ای طبیعی در Oklo، گابن (غرب آفریقا). راکتور موسوم به "راکتور هسته ای طبیعی" تنها رآکتوری در جهان است که در آن اکتینیدها و محصولات شکافت آنها در حال حاضر در ژئوسفر تشکیل می شوند. بر اساس برآوردهای مدرن، چندین میلیون سال پیش در این منطقه یک واکنش خودپایه با انتشار گرما رخ داد که بیش از نیم میلیون سال به طول انجامید.

بنابراین، ما قبلاً می دانیم که در سنگ معدن اورانیوم، در نتیجه جذب نوترون توسط هسته های اورانیوم، نپتونیوم (239Np) تشکیل می شود که محصول فروپاشی β آن پلوتونیوم 239 طبیعی است. به لطف ابزارهای ویژه - طیف سنج های جرمی - وجود پلوتونیوم-244 (244Pu) که طولانی ترین نیمه عمر - تقریباً 80 میلیون سال را دارد، در باستنازیت پرکامبرین (سنگ سریم) کشف شد. در طبیعت، 244Pu عمدتاً به شکل دی اکسید (PuO2) یافت می شود که حتی کمتر از ماسه (کوارتز) در آب حل می شود. از آنجایی که ایزوتوپ نسبتاً طولانی مدت پلوتونیوم-240 (240Pu) در زنجیره واپاشی پلوتونیوم-244 قرار دارد، واپاشی آن اتفاق می افتد، اما این امر به ندرت اتفاق می افتد (1 مورد در 10000). مقادیر بسیار کمی پلوتونیوم-238 (238Pu) به دلیل واپاشی دوگانه بتای بسیار نادر ایزوتوپ اصلی، اورانیوم-238 است که در سنگ معدن اورانیوم یافت شد.

ردپای ایزوتوپ‌های 247Pu و 255Pu در گرد و غبار جمع‌آوری شده پس از انفجار بمب‌های هسته‌ای یافت شد.

با توجه به اینکه تعداد زیادی آزمایش هسته ای به روشی مرتبط با پلوتونیوم انجام شده است، به طور فرضی ممکن است حداقل مقدار پلوتونیوم در بدن انسان وجود داشته باشد. پلوتونیوم عمدتاً در اسکلت و کبد تجمع می یابد، جایی که عملاً از آنجا دفع نمی شود. علاوه بر این، عنصر نود و چهار توسط موجودات دریایی انباشته شده است. گیاهان زمینی عمدتاً از طریق سیستم ریشه پلوتونیوم را جذب می کنند.

معلوم می شود که پلوتونیوم مصنوعی هنوز در طبیعت وجود دارد، پس چرا استخراج نمی شود، بلکه به طور مصنوعی به دست می آید؟ واقعیت این است که غلظت این عنصر بسیار کم است. درباره یک فلز رادیواکتیو دیگر - رادیوم می گویند: "یک گرم تولید - یک سال کار" و رادیوم در طبیعت 400000 برابر بیشتر از پلوتونیوم است! به همین دلیل، نه تنها استخراج، بلکه حتی تشخیص پلوتونیوم "زمینی" بسیار دشوار است. این تنها پس از بررسی خواص فیزیکی و شیمیایی پلوتونیوم تولید شده در راکتورهای هسته ای انجام شد.

کاربرد

ایزوتوپ 239Pu (همراه با U) به عنوان سوخت هسته ای در راکتورهای نیرو که بر روی نوترون های حرارتی و سریع (عمدتاً) کار می کنند و همچنین در ساخت سلاح های هسته ای استفاده می شود.

حدود نیم هزار نیروگاه هسته ای در سراسر جهان تقریباً 370 گیگاوات برق (یا 15 درصد از کل تولید برق جهان) تولید می کنند. پلوتونیوم-236 در ساخت باتری های الکتریکی اتمی استفاده می شود که عمر مفید آنها به پنج سال یا بیشتر می رسد، آنها در ژنراتورهای جریانی که قلب را تحریک می کنند (پیس میکرها) استفاده می شود. 238Pu در منابع انرژی هسته ای کوچک مورد استفاده در تحقیقات فضایی استفاده می شود. بنابراین، پلوتونیوم-238 منبع انرژی برای کاوشگرهای نیوهورایزنز، گالیله و کاسینی، مریخ نورد کنجکاوی و سایر فضاپیماها است.

سلاح های هسته ای از پلوتونیوم 239 استفاده می کنند زیرا این ایزوتوپ تنها هسته ی مناسب برای استفاده در بمب هسته ای است. علاوه بر این، استفاده بیشتر از پلوتونیوم 239 در بمب های هسته ای به این دلیل است که پلوتونیوم حجم کمتری را در کره (محلی که هسته بمب قرار دارد) اشغال می کند، بنابراین می توان قدرت انفجاری بمب را به این دلیل به دست آورد. ویژگی.

طرحی که توسط آن یک انفجار هسته ای شامل پلوتونیوم رخ می دهد در طراحی خود بمب نهفته است که هسته آن شامل یک کره پر از 239Pu است. در لحظه برخورد با زمین، به دلیل طراحی و به لطف مواد منفجره اطراف این کره، کره به یک میلیون اتمسفر فشرده می شود. پس از ضربه، هسته در کمترین زمان ممکن از نظر حجم و چگالی منبسط می‌شود - ده‌ها میکروثانیه، مجموعه با نوترون‌های حرارتی از حالت بحرانی عبور می‌کند و با نوترون‌های سریع به حالت فوق بحرانی می‌رود - یک واکنش زنجیره‌ای هسته‌ای با مشارکت نوترون ها و هسته های عنصر انفجار نهایی یک بمب هسته ای دمایی در حدود ده ها میلیون درجه را آزاد می کند.

ایزوتوپ های پلوتونیوم کاربرد خود را در سنتز عناصر ترانس پلوتونیوم (در کنار پلوتونیوم) یافته اند. به عنوان مثال، در آزمایشگاه ملی Oak Ridge، با تابش نوترونی طولانی مدت 239Pu، 24496Cm، 24296Cm، 24997Bk، 25298Cf، 25399Es و 257100Fm به دست می آید. به همین ترتیب، americium 24195Am برای اولین بار در سال 1944 به دست آمد. در سال 2010، اکسید پلوتونیوم 242 بمباران شده با یون های کلسیم 48 به عنوان منبعی برای ununquadium عمل کرد.

آلیاژهای پلوتونیوم تثبیت‌شده δ در ساخت میله‌های سوخت استفاده می‌شوند، زیرا خواص متالورژیکی قابل‌توجهی بهتری نسبت به پلوتونیوم خالص دارند، که در هنگام گرم شدن تحت انتقال فاز قرار می‌گیرد و ماده بسیار شکننده و غیرقابل اعتمادی است. آلیاژهای پلوتونیوم با سایر عناصر (ترکیبات بین فلزی) معمولاً با برهمکنش مستقیم عناصر در نسبت های مورد نیاز به دست می آیند، در حالی که ذوب قوس عمدتاً از آلیاژهای ناپایدار با رسوب پاششی یا خنک کردن مذاب استفاده می شود.

عناصر آلیاژی اصلی پلوتونیوم عبارتند از: گالیم، آلومینیوم و آهن، اگرچه پلوتونیوم قادر به تشکیل آلیاژها و مواد واسطه با اکثر فلزات به استثنای نادر است (پتاسیم، سدیم، لیتیوم، روبیدیم، منیزیم، کلسیم، استرانسیوم، باریم، یوروپیوم و ایتربیوم). . فلزات نسوز: مولیبدن، نیوبیم، کروم، تانتالم و تنگستن در پلوتونیوم مایع محلول هستند، اما در پلوتونیوم جامد تقریبا نامحلول یا کمی محلول هستند. ایندیم، سیلیکون، روی و زیرکونیوم زمانی که به سرعت سرد می شوند قادر به تشکیل δ-پلوتونیوم (فاز δ") هستند.گالیوم، آلومینیوم، آمریکیوم، اسکاندیم و سریم می توانند δ-پلوتونیوم را در دمای اتاق تثبیت کنند.

مقادیر زیادی هولمیوم، هافنیوم و تالیم اجازه می دهد تا مقداری δ-پلوتونیوم در دمای اتاق ذخیره شود. نپتونیم تنها عنصری است که می تواند α-پلوتونیوم را در دماهای بالا تثبیت کند. تیتانیوم، هافنیوم و زیرکونیوم ساختار β-پلوتونیوم را در دمای اتاق زمانی که به سرعت سرد می شوند تثبیت می کنند. کاربرد چنین آلیاژهایی کاملاً متنوع است. به عنوان مثال، یک آلیاژ پلوتونیوم-گالیوم برای تثبیت فاز δ پلوتونیوم استفاده می شود که از انتقال فاز α-δ جلوگیری می کند. آلیاژ سه تایی پلوتونیوم-گالیوم-کبالت (PuGaCo5) یک آلیاژ ابررسانا در 18.5 K است. تعدادی آلیاژ (پلوتونیوم-زیرکونیوم، پلوتونیوم-سریم و پلوتونیوم-سریم-کبالت) وجود دارد که به عنوان سوخت هسته ای استفاده می شود.

تولید

پلوتونیوم صنعتی به دو روش تولید می شود. این یا تابش هسته‌های 238U موجود در راکتورهای هسته‌ای است، یا جداسازی پلوتونیوم با روش‌های رادیوشیمیایی (هم‌رسوب، استخراج، تبادل یونی و غیره) از اورانیوم، عناصر فرااورانیوم و محصولات شکافت موجود در سوخت مصرف‌شده.

در حالت اول، کاربردی ترین ایزوتوپ 239Pu (مخلوط با مخلوط کوچکی از 240Pu) در راکتورهای هسته ای با مشارکت هسته های اورانیوم و نوترون ها با استفاده از واپاشی β و با مشارکت ایزوتوپ های نپتونیوم به عنوان یک محصول شکافت میانی تولید می شود:

23892U + 21D → 23893Np + 210n;

23893Np → 23894Pu

بتا پوسیدگی

در این فرآیند یک دوترون وارد اورانیوم 238 می شود و در نتیجه نپتونیوم 238 و دو نوترون تشکیل می شود. سپس نپتونیوم-238 به طور خود به خود شکافته می شود و ذرات بتا منهای ساطع می کند که پلوتونیوم-238 را تشکیل می دهند.

به طور معمول، محتوای 239Pu در مخلوط 90-95٪، 240Pu 1-7٪ است، محتوای سایر ایزوتوپ ها از دهم درصد تجاوز نمی کند. ایزوتوپ های با نیمه عمر طولانی - 242Pu و 244Pu با تابش طولانی مدت با نوترون های 239Pu به دست می آیند. علاوه بر این، بازده 242Pu چند ده درصد است و 244Pu کسری از درصد محتوای 242Pu است. مقدار کمی پلوتونیوم-238 ایزوتوپی خالص زمانی که نپتونیوم-237 با نوترون تابش می شود تشکیل می شود. ایزوتوپ های سبک پلوتونیوم با اعداد جرمی 232-237 معمولاً در یک سیکلوترون با تابش ایزوتوپ های اورانیوم با ذرات α به دست می آیند.

روش دوم تولید صنعتی 239Pu از فرآیند Purex مبتنی بر استخراج با تروبوتیل فسفات در یک رقیق کننده سبک استفاده می کند. در چرخه اول، Pu و U به طور مشترک از محصولات شکافت خالص شده و سپس جدا می شوند. در چرخه دوم و سوم، پلوتونیوم بیشتر خالص و غلیظ می شود. طرح چنین فرآیندی بر اساس تفاوت در خواص ترکیبات چهار ظرفیتی و شش ظرفیتی عناصر جدا شده است.

در ابتدا، میله های سوخت مصرف شده برچیده می شوند و روکش های حاوی پلوتونیوم و اورانیوم مصرف شده با روش های فیزیکی و شیمیایی حذف می شوند. سپس سوخت هسته ای استخراج شده در اسید نیتریک حل می شود. از این گذشته، وقتی حل می شود یک عامل اکسید کننده قوی است و اورانیوم، پلوتونیوم و ناخالصی ها اکسید می شوند. اتم های پلوتونیوم با ظرفیت صفر به Pu+6 تبدیل می شوند و پلوتونیوم و اورانیوم هر دو حل می شوند. از چنین محلولی، عنصر نود و چهارم با دی اکسید گوگرد به حالت سه ظرفیتی کاهش می یابد و سپس با فلوراید لانتانیم (LaF3) رسوب می کند.

با این حال، علاوه بر پلوتونیوم، رسوبات حاوی نپتونیوم و عناصر کمیاب خاکی هستند، اما بخش عمده (اورانیوم) در محلول باقی می ماند. سپس پلوتونیوم دوباره به Pu+6 اکسید می شود و فلوراید لانتانیم دوباره اضافه می شود. اکنون عناصر خاکی کمیاب رسوب می کنند و پلوتونیوم در محلول باقی می ماند. در مرحله بعد، نپتونیوم با برومات پتاسیم به حالت چهار ظرفیتی اکسید می شود، زیرا این معرف هیچ تاثیری بر پلوتونیوم ندارد، سپس در طی رسوب ثانویه با همان فلوراید لانتانیم، پلوتونیوم سه ظرفیتی به یک رسوب تبدیل می شود و نپتونیم در محلول باقی می ماند. محصولات نهایی چنین عملیاتی ترکیبات حاوی پلوتونیوم - دی اکسید PuO2 یا فلوریدها (PuF3 یا PuF4) هستند که از آنها پلوتونیوم فلزی (با احیا با بخار باریم، کلسیم یا لیتیوم) به دست می آید.

پلوتونیوم خالص تر را می توان با پالایش الکترولیتی فلز تولید شده به روش پیروشیمیایی، که در سلول های الکترولیز در دمای 700 درجه سانتی گراد با الکترولیت پتاسیم، سدیم و کلرید پلوتونیوم با استفاده از کاتد تنگستن یا تانتالیوم انجام می شود، به دست آورد. پلوتونیوم به دست آمده از این طریق دارای خلوص 99.99 درصد است.

برای تولید مقادیر زیادی پلوتونیوم، راکتورهای پرورش دهنده ساخته می شوند که اصطلاحاً به آنها "پرورش" می گویند (از فعل انگلیسی to breed - برای ضرب کردن). این راکتورها نام خود را به دلیل توانایی آنها در تولید مواد شکافت پذیر در مقادیری بیش از هزینه به دست آوردن این مواد دریافت کردند. تفاوت بین این نوع راکتورها با سایر راکتورها در این است که نوترون های موجود در آنها کند نمی شوند (مثلاً گرافیت تعدیل کننده وجود ندارد) تا هر چه بیشتر آنها با 238U واکنش دهند.

پس از واکنش، اتم های 239U تشکیل می شوند که متعاقباً 239Pu را تشکیل می دهند. هسته چنین راکتوری که حاوی PuO2 در دی اکسید اورانیوم ضعیف شده (UO2) است، توسط پوسته ای از دی اکسید اورانیوم تهی شده 238 (238UO2) احاطه شده است که در آن 239Pu تشکیل می شود. استفاده ترکیبی از 238U و 235U به پرورش دهندگان اجازه می دهد تا 50 تا 60 برابر بیشتر از سایر راکتورها انرژی از اورانیوم طبیعی تولید کنند. با این حال، این راکتورها یک اشکال بزرگ دارند - میله های سوخت باید با وسیله ای غیر از آب خنک شوند، که انرژی آنها را کاهش می دهد. بنابراین تصمیم گرفته شد از سدیم مایع به عنوان خنک کننده استفاده شود.

ساخت چنین رآکتورهایی در ایالات متحده آمریکا پس از پایان جنگ جهانی دوم آغاز شد.

مشخصات فیزیکی

پلوتونیوم یک فلز نقره ای بسیار سنگین (با چگالی در سطح معمولی 19.84 گرم بر سانتی متر مکعب) است که در حالت خالص شده بسیار شبیه نیکل است، اما در هوا پلوتونیوم به سرعت اکسید می شود، محو می شود و یک لایه رنگین کمانی تشکیل می دهد، ابتدا زرد روشن، سپس به بنفش تیره تبدیل می شود. . هنگامی که اکسیداسیون شدید رخ می دهد، یک پودر اکسید سبز زیتونی (PuO2) روی سطح فلز ظاهر می شود.

پلوتونیوم یک فلز بسیار الکترونگاتیو و واکنش پذیر است، حتی چندین برابر بیشتر از اورانیوم. دارای هفت تغییر آلوتروپیک (α، β، γ، δ، δ، ε و ζ)، که در یک محدوده دمایی خاص و در یک محدوده فشار خاص تغییر می‌کنند. در دمای اتاق، پلوتونیوم به شکل α است - این متداول ترین اصلاح آلوتروپیک برای پلوتونیوم در فاز آلفا، پلوتونیوم خالص شکننده و کاملاً سخت است - این ساختار تقریباً به سختی چدن خاکستری است، مگر اینکه با فلزات دیگر آلیاژ شده باشد، که علاوه بر این به آلیاژ شکل پذیری و نرمی می دهد در این چگال ترین شکل، پلوتونیوم ششمین عنصر چگالی است (تنها اسمیم، ایریدیم، پلاتین، رنیم و نپتونیوم سنگین تر هستند). در دمای 480 درجه سانتیگراد، مانند سایر فلزات منبسط نمی شود، اما منقبض می شود (فازهای دلتا" و "دلتا پرایم"). شناور.

پلوتونیوم دارای تعداد زیادی خواص غیرمعمول است: کمترین رسانایی حرارتی را در بین تمام فلزات دارد - در 300 K 6.7 W/(m K) است. پلوتونیوم کمترین رسانایی الکتریکی را دارد. پلوتونیوم در فاز مایع خود چسبناک ترین فلز است. مقاومت عنصر نود و چهارم در دمای اتاق برای یک فلز بسیار بالا است و این ویژگی با کاهش دما افزایش می یابد که برای فلزات معمول نیست. این "ناهنجاری" را می توان تا دمای 100 کلوین ردیابی کرد - در زیر این علامت مقاومت الکتریکی کاهش می یابد. با این حال، از 20 K مقاومت دوباره شروع به افزایش به دلیل فعالیت تابشی فلز می کند.

پلوتونیوم دارای بالاترین مقاومت الکتریکی در بین تمام اکتینیدهای مورد مطالعه (تا کنون) است که 150 μΩ سانتی متر (در دمای 22 درجه سانتیگراد) است. این فلز دارای نقطه ذوب پایین (640 درجه سانتیگراد) و نقطه جوش غیرمعمول بالا (3227 درجه سانتیگراد) است. نزدیکتر به نقطه ذوب، پلوتونیوم مایع در مقایسه با سایر فلزات، ویسکوزیته و کشش سطحی بسیار بالایی دارد.

پلوتونیوم به دلیل رادیواکتیویته در لمس گرم است. یک قطعه بزرگ پلوتونیوم در یک پوسته حرارتی تا دمایی بیش از نقطه جوش آب گرم می شود! علاوه بر این، پلوتونیوم به دلیل رادیواکتیویته خود در طول زمان دچار تغییراتی در شبکه کریستالی خود می شود - نوعی بازپخت به دلیل خود تابش به دلیل افزایش دما بالای 100 کلوین رخ می دهد.

وجود تعداد زیادی از تغییرات آلوتروپیک در پلوتونیوم باعث می شود که پردازش و پخش آن به دلیل انتقال فاز، فلزی دشوار باشد. ما قبلاً می دانیم که در شکل آلفا، عنصر نود و چهارم از نظر خواص مشابه چدن است، با این حال، تمایل به تغییر و تبدیل شدن به یک ماده انعطاف پذیر دارد و در محدوده دمایی بالاتر، شکل β شکل پذیر را تشکیل می دهد. پلوتونیوم به شکل δ معمولاً در دماهای بین 310 تا 452 درجه سانتیگراد پایدار است، اما اگر با درصد کمی از آلومینیوم، سریم یا گالیم دوپ شود، می تواند در دمای اتاق وجود داشته باشد. هنگامی که با این فلزات آلیاژ می شود، پلوتونیوم می تواند در جوشکاری استفاده شود. به طور کلی، شکل دلتا دارای ویژگی های برجسته تری از یک فلز است - از نظر استحکام و جعل پذیری نزدیک به آلومینیوم است.

خواص شیمیایی

خواص شیمیایی عنصر نود و چهارم از بسیاری جهات شبیه به خواص پیشینیان خود در جدول تناوبی - اورانیوم و نپتونیم است. پلوتونیوم یک فلز نسبتاً فعال است که ترکیباتی با حالت های اکسیداسیون از 2+ تا 7+ تشکیل می دهد. در محلول‌های آبی، عنصر حالت‌های اکسیداسیون زیر را نشان می‌دهد: Pu (III)، به صورت Pu3+ (در محلول‌های آبی اسیدی وجود دارد، رنگ بنفش روشن دارد). Pu (IV)، به عنوان Pu4+ (سایه شکلاتی)؛ Pu (V)، به عنوان PuO2 + (محلول نور). Pu (VI)، به عنوان PuO22+ (محلول نارنجی روشن) و Pu (VII)، به عنوان PuO53- (محلول سبز).

علاوه بر این، این یون‌ها (به جز PuO53-) می‌توانند به طور همزمان در محلول در تعادل باشند، که با حضور الکترون‌های 5f توضیح داده می‌شود که در ناحیه موضعی و غیرمحلی اوربیتال الکترون قرار دارند. در pH 5-8، Pu (IV) غالب است، که پایدارترین در بین سایر ظرفیت ها (حالت های اکسیداسیون) است. یون های پلوتونیوم در تمام حالت های اکسیداسیون مستعد هیدرولیز و تشکیل کمپلکس هستند. توانایی تشکیل چنین ترکیباتی در سری Pu5+ افزایش می یابد

پلوتونیوم فشرده به آرامی در هوا اکسید می شود و با لایه ای رنگین کمانی و روغنی از اکسید پوشیده می شود. اکسیدهای پلوتونیوم زیر شناخته شده اند: PuO، Pu2O3، PuO2 و فازی با ترکیب متغیر Pu2O3 - Pu4O7 (Bertholides). در صورت وجود مقدار کمی رطوبت، سرعت اکسیداسیون و خوردگی به طور قابل توجهی افزایش می یابد. اگر فلزی به مدت کافی در معرض مقادیر کمی هوای مرطوب قرار گیرد، دی اکسید پلوتونیوم (PuO2) روی سطح آن تشکیل می شود. با کمبود اکسیژن، دی هیدرید آن (PuH2) نیز می تواند تشکیل شود. با کمال تعجب، پلوتونیوم در اتمسفر گاز بی اثر (مانند آرگون) با بخار آب بسیار سریعتر از هوای خشک یا اکسیژن خالص زنگ می زند. در واقع، توضیح این واقعیت آسان است - عمل مستقیم اکسیژن لایه ای از اکسید را بر روی سطح پلوتونیوم تشکیل می دهد که از اکسیداسیون بیشتر جلوگیری می کند و مخلوط شل اکسید و هیدرید را تولید می کند. به هر حال، به لطف این پوشش، فلز تبدیل به pyrophoric می شود، یعنی قادر به احتراق خود به خودی است، به همین دلیل، پلوتونیوم فلزی معمولاً در فضای بی اثر آرگون یا نیتروژن پردازش می شود. در عین حال، اکسیژن یک ماده محافظ است و از نفوذ رطوبت بر فلز جلوگیری می کند.

عنصر نود و چهارم با اسیدها، اکسیژن و بخارات آنها واکنش می دهد، اما با قلیاها واکنش نشان نمی دهد. پلوتونیوم فقط در محیط های بسیار اسیدی (مثلاً اسید کلریدریک HCl) بسیار محلول است و همچنین در کلرید هیدروژن، یدید هیدروژن، برومید هیدروژن، اسید پرکلریک 72 درصد، اسید اورتوفسفریک 85 درصد H3PO4، CCl3COOH غلیظ، اسید سولفامیک محلول است. اسید نیتریک غلیظ پلوتونیوم به طور محسوسی در محلول های قلیایی حل نمی شود.

هنگامی که محلول های حاوی پلوتونیوم چهار ظرفیتی در معرض مواد قلیایی قرار می گیرند، رسوبی از هیدروکسید پلوتونیوم Pu(OH)4 xH2O که دارای خواص اساسی است، رسوب می کند. هنگامی که محلول های نمک های حاوی PuO2+ در معرض مواد قلیایی قرار می گیرند، هیدروکسید آمفوتریک PuO2OH رسوب می کند. با نمک ها - پلوتونیت ها، به عنوان مثال، Na2Pu2O6 پاسخ داده می شود.

نمک های پلوتونیوم به راحتی در تماس با محلول های خنثی یا قلیایی هیدرولیز می شوند و هیدروکسید پلوتونیوم نامحلول ایجاد می کنند. محلول های غلیظ پلوتونیوم به دلیل تجزیه رادیولیتی که منجر به بارش می شود ناپایدار هستند.

شرح پلوتونیوم

پلوتونیوم(پلوتونیوم) یک عنصر شیمیایی نقره ای و سنگین، یک فلز رادیواکتیو با عدد اتمی 94 است که در جدول تناوبی با نماد Pu نشان داده شده است.

این عنصر شیمیایی فعال الکترونگاتیو متعلق به گروه اکتینیدها با جرم اتمی 244.0642 است و مانند نپتونیوم که نام خود را به افتخار سیاره ای به همین نام دریافت کرده است، این ماده شیمیایی نام خود را مدیون سیاره پلوتون است، زیرا پیشینیان. عنصر رادیواکتیو در جدول تناوبی مندلیف از عناصر شیمیایی و نپتونیوم است که از سیارات کیهانی دوردست در کهکشان ما نیز نامگذاری شده است.

منشا پلوتونیوم

عنصر پلوتونیوماولین بار در سال 1940 در دانشگاه کالیفرنیا توسط گروهی از رادیولوژیست ها و محققین علمی G. Seaborg، E. McMillan، Kennedy، A. Walch هنگام بمباران یک هدف اورانیومی از یک سیکلوترون با دوترون ها - هسته های هیدروژن سنگین کشف شد.

در دسامبر همان سال، دانشمندان کشف کردند ایزوتوپ پلوتونیوم- Pu-238، نیمه عمر آن بیش از 90 سال است، و مشخص شد که تحت تأثیر واکنش های شیمیایی هسته ای پیچیده، در ابتدا ایزوتوپ نپتونیوم-238 تولید می شود، پس از آن ایزوتوپ قبلاً تشکیل می شود. پلوتونیوم-238.

در اوایل سال 1941، دانشمندان کشف کردند پلوتونیوم 239با دوره زوال 25000 سال. ایزوتوپ های پلوتونیوم می توانند محتویات نوترونی متفاوتی در هسته داشته باشند.

ترکیب خالص این عنصر تنها در پایان سال 1942 به دست آمد. هر بار که دانشمندان رادیولوژی ایزوتوپ جدیدی را کشف می کردند، همیشه نیمه عمر ایزوتوپ ها را اندازه گیری می کردند.

در حال حاضر، ایزوتوپ های پلوتونیوم، که در مجموع 15 عدد از آنها وجود دارد، از نظر مدت زمان متفاوت هستند. نیمه عمر. با این عنصر است که امیدها و چشم اندازهای بزرگ، اما در عین حال ترس های جدی از انسانیت همراه است.

پلوتونیوم به طور قابل توجهی فعالیت بیشتری نسبت به مثلاً اورانیوم دارد و یکی از گران ترین مواد فنی مهم و با ماهیت شیمیایی است.

به عنوان مثال، هزینه یک گرم پلوتونیوم چندین برابر بیشتر از یک گرم، یا سایر فلزات به همان اندازه ارزشمند است.

تولید و استخراج پلوتونیوم پرهزینه تلقی می شود و هزینه یک گرم فلز در زمان ما با اطمینان در حدود 4000 دلار آمریکا باقی می ماند.

پلوتونیوم چگونه به دست می آید؟ تولید پلوتونیوم

تولید عنصر شیمیایی در رآکتورهای هسته‌ای اتفاق می‌افتد که در داخل آن‌ها اورانیوم تحت تأثیر فرآیندهای پیچیده شیمیایی و مرتبط با فناوری تقسیم می‌شود.

اورانیوم و پلوتونیوم اجزای اصلی و اصلی در تولید سوخت اتمی (هسته ای) هستند.

در صورت نیاز به بدست آوردن مقدار زیادی عنصر رادیواکتیو از روش تابش عناصر فرااورانیکی که می توان از سوخت هسته ای مصرف شده و تابش اورانیوم به دست آورد استفاده می شود. واکنش های شیمیایی پیچیده به فلز اجازه می دهد تا از اورانیوم جدا شود.

برای به دست آوردن ایزوتوپ ها، یعنی پلوتونیوم-238 و پلوتونیوم-239 درجه سلاح، که محصولات واپاشی متوسط ​​هستند، از تابش نپتونیوم-237 با نوترون ها استفاده می شود.

بخش کوچکی از پلوتونیوم-244 که به دلیل نیمه عمر طولانی‌اش طولانی‌ترین ایزوتوپ است، در سنگ معدن سریم کشف شد که احتمالاً از شکل‌گیری سیاره ما زمین حفظ شده است. این عنصر رادیواکتیو به طور طبیعی در طبیعت وجود ندارد.

خواص فیزیکی و خصوصیات اساسی پلوتونیوم

پلوتونیوم یک عنصر شیمیایی رادیواکتیو نسبتاً سنگین با رنگ نقره ای است که فقط در صورت خالص شدن می درخشد. اتمی جرم پلوتونیوم فلزیبرابر با 244 a. خوردن

این عنصر به دلیل رادیواکتیویته بالا در لمس گرم است و می تواند تا دمایی بیش از دمای جوش آب گرم شود.

پلوتونیوم، تحت تأثیر اتم‌های اکسیژن، به سرعت تیره می‌شود و با یک لایه نازک کمانی رنگ در ابتدا زرد روشن، و سپس رنگی غنی یا قهوه‌ای پوشیده می‌شود.

با اکسیداسیون قوی، تشکیل پودر PuO2 در سطح عنصر رخ می دهد. این نوع فلز شیمیایی در معرض فرآیندهای اکسیداسیون قوی و خوردگی حتی در سطوح کم رطوبت است.

برای جلوگیری از خوردگی و اکسیداسیون سطح فلز، یک دستگاه خشک کن ضروری است. عکس پلوتونیومرا می توان در زیر مشاهده کرد.

پلوتونیوم یک فلز شیمیایی چهار ظرفیتی است که به خوبی و به سرعت در مواد هیدرویدیک و محیط های اسیدی حل می شود، به عنوان مثال در اسید کلرید.

نمک های فلزی به سرعت در محیط های خنثی و محلول های قلیایی خنثی می شوند و هیدروکسید پلوتونیوم نامحلول را تشکیل می دهند.

دمای ذوب پلوتونیوم 641 درجه سانتیگراد و نقطه جوش 3230 درجه است.

تحت تأثیر دمای بالا، تغییرات غیر طبیعی در چگالی فلز رخ می دهد. پلوتونیوم در شکل خود دارای فازهای مختلف و دارای شش ساختار کریستالی است.

در طول انتقال بین فازها، تغییرات قابل توجهی در حجم عنصر رخ می دهد. این عنصر در فاز ششم آلفا (آخرین مرحله انتقال) متراکم ترین شکل خود را به دست می آورد، در حالی که تنها چیزهایی که در این حالت از فلز سنگین تر هستند نپتونیم و رادیوم هستند.

هنگامی که ذوب می شود، عنصر تحت فشار قوی قرار می گیرد، بنابراین فلز می تواند بر روی سطح آب و سایر رسانه های مایع غیر تهاجمی شناور شود.

علیرغم اینکه این عنصر رادیواکتیو در گروه فلزات شیمیایی قرار دارد، این عنصر کاملاً فرار است و زمانی که در یک فضای بسته در مدت زمان کوتاهی قرار می گیرد غلظت آن در هوا چندین برابر افزایش می یابد.

خواص فیزیکی اصلی فلز عبارتند از: درجه پایین، سطح رسانایی حرارتی تمام عناصر شیمیایی موجود و شناخته شده، سطح پایین هدایت الکتریکی در حالت مایع، پلوتونیوم یکی از چسبناک ترین فلزات است.

شایان ذکر است که هر گونه ترکیبات پلوتونیوم سمی، سمی و خطر جدی تشعشع برای بدن انسان است که به دلیل تشعشعات فعال آلفا رخ می دهد، بنابراین تمام کارها باید با نهایت دقت و فقط در لباس های مخصوص با محافظ شیمیایی انجام شود. .

اطلاعات بیشتر در مورد خواص و نظریه های پیدایش یک فلز منحصر به فرد را می توانید در کتاب بخوانید اوبروچف "پلوتونیا"" نویسنده V.A. Obruchev از خوانندگان دعوت می کند تا به دنیای شگفت انگیز و منحصر به فرد کشور خارق العاده پلوتونیا که در اعماق روده های زمین واقع شده است فرو بروند.

کاربردهای پلوتونیوم

عنصر شیمیایی صنعتی معمولاً به پلوتونیوم درجه سلاح و درجه رآکتور ("درجه انرژی") طبقه بندی می شود.

بنابراین، برای تولید سلاح های هسته ای، از بین تمام ایزوتوپ های موجود، فقط استفاده از پلوتونیوم 239 مجاز است که نباید بیش از 4.5٪ پلوتونیوم 240 داشته باشد، زیرا در معرض شکافت خود به خودی است که به طور قابل توجهی تولید پرتابه های نظامی را پیچیده می کند. .

پلوتونیوم-238برای بهره برداری از منابع رادیوایزوتوپ انرژی الکتریکی با اندازه کوچک، به عنوان مثال، به عنوان منبع انرژی برای فناوری فضایی استفاده می شود.

چندین دهه پیش، پلوتونیوم در پزشکی در ضربان سازها (دستگاه هایی برای حفظ ریتم قلب) استفاده می شد.

اولین بمب اتمی ساخته شده در جهان دارای بار پلوتونیومی بود. پلوتونیوم هسته ای(Pu 239) به عنوان سوخت هسته ای برای اطمینان از عملکرد راکتورهای قدرت مورد تقاضا است. این ایزوتوپ همچنین به عنوان منبعی برای تولید عناصر ترانس پلوتونیوم در راکتورها عمل می کند.

اگر پلوتونیوم هسته ای را با فلز خالص مقایسه کنیم، ایزوتوپ دارای پارامترهای فلزی بالاتری است و فازهای انتقالی ندارد، بنابراین در فرآیند به دست آوردن عناصر سوختی کاربرد زیادی دارد.

اکسیدهای ایزوتوپ پلوتونیوم 242 نیز به عنوان منبع انرژی برای واحدهای کشنده فضایی، تجهیزات و میله های سوخت مورد تقاضا هستند.

پلوتونیوم با درجه سلاحعنصری است که به شکل یک فلز فشرده ارائه شده است که حداقل 93 درصد از ایزوتوپ Pu239 را در خود دارد.

از این نوع فلز رادیواکتیو در تولید انواع سلاح های هسته ای استفاده می شود.

پلوتونیوم با درجه تسلیحات در رآکتورهای هسته‌ای صنعتی تخصصی تولید می‌شود که در نتیجه جذب نوترون‌ها بر روی اورانیوم طبیعی یا با غنای پایین کار می‌کنند.

پلوتونیوم، عنصر شماره 94، توسط گلن سیبورگ، ادوین مک میلان، کندی و آرتور وال در سال 1940 در برکلی با بمباران یک هدف اورانیومی با دوترون از یک سیکلوترون شصت اینچی کشف شد. در می 1940، خواص پلوتونیوم توسط لوئیس ترنر پیش بینی شد.

در دسامبر 1940، ایزوتوپ پلوتونیوم Pu-238 با نیمه عمر 90 سال کشف شد و یک سال بعد مهمتر Pu-239 با نیمه عمر 24000 سال کشف شد.

Pu-239 در اورانیوم طبیعی به شکل ردیابی وجود دارد (مقدار آن یک قسمت در هر 1015 است در نتیجه گرفتن یک نوترون توسط هسته U-238). مقادیر بسیار کمی از Pu-244 (طولانی ترین ایزوتوپ پلوتونیوم، با نیمه عمر 80 میلیون سال) در سنگ معدن سریم یافت شده است که ظاهراً از زمان شکل گیری زمین باقی مانده است.

در مجموع 15 ایزوتوپ شناخته شده پلوتونیوم وجود دارد که همه آنها رادیواکتیو هستند. مهمترین آنها برای طراحی سلاح های هسته ای:
Pu238 -> (86 ساله، پوسیدگی آلفا) -> U234
Pu239 -> (24360 سال، واپاشی آلفا) -> U235
Pu240 -> (6580 سال، واپاشی آلفا) -> U236
Pu241 -> (14.0 سال، فروپاشی بتا) -> Am241
Pu242 -> (370000 سال، واپاشی آلفا) -> U238 خواص فیزیکی پلوتونیوم

پلوتونیوم یک فلز نقره ای بسیار سنگین است که وقتی تازه تصفیه شود مانند نیکل براق است. این عنصر بسیار الکترونگاتیو و واکنش شیمیایی است، بسیار بیشتر از اورانیوم. به سرعت محو می شود و یک لایه رنگین کمانی (مانند یک فیلم روغنی رنگین کمانی) تشکیل می دهد که در ابتدا زرد روشن است و در نهایت به بنفش تیره تبدیل می شود. اگر اکسیداسیون کاملاً شدید باشد، یک پودر اکسید سبز زیتونی (PuO2) روی سطح آن ظاهر می شود.

پلوتونیوم به راحتی اکسید می شود و حتی در حضور رطوبت خفیف به سرعت خورده می شود. عجیب است که در فضایی از گاز بی اثر با بخار آب بسیار سریعتر از هوای خشک یا اکسیژن خالص زنگ می زند. دلیل این امر این است که عمل مستقیم اکسیژن یک لایه اکسیدی بر روی سطح پلوتونیوم ایجاد می کند که از اکسیداسیون بیشتر جلوگیری می کند. قرار گرفتن در معرض رطوبت مخلوط شلی از اکسید و هیدرید تولید می کند. برای جلوگیری از اکسیداسیون و خوردگی به یک کوره خشک کن نیاز است.

پلوتونیوم دارای چهار ظرفیت III-VI است. این ماده فقط در محیط های بسیار اسیدی مانند اسیدهای نیتریک یا هیدروکلریک به خوبی حل می شود. نمک های پلوتونیوم به راحتی در تماس با محلول های خنثی یا قلیایی هیدرولیز می شوند و هیدروکسید پلوتونیوم نامحلول ایجاد می کنند. محلول های غلیظ پلوتونیوم به دلیل تجزیه رادیولیتی که منجر به بارش می شود ناپایدار هستند.

پلوتونیوم به دلیل رادیواکتیویته در لمس گرم است. یک قطعه بزرگ پلوتونیوم در یک پوسته عایق حرارتی تا دمایی بیش از نقطه جوش آب گرم می شود.

خواص فیزیکی اساسی پلوتونیوم:
نقطه ذوب: 641 درجه سانتیگراد;
نقطه جوش: 3232 درجه سانتی گراد;
چگالی: 19.84 (در فاز آلفا).

پلوتونیوم دارای خواص ویژه بسیاری است. کمترین رسانایی حرارتی را در بین تمام فلزات، کمترین رسانایی الکتریکی را دارد، به استثنای منگنز (طبق منابع دیگر، هنوز هم کمترین رسانایی در بین تمام فلزات است). در فاز مایع خود چسبناک ترین فلز است.

هنگامی که دما تغییر می کند، پلوتونیوم دچار شدیدترین و غیرطبیعی ترین تغییرات چگالی می شود. پلوتونیوم دارای شش فاز مختلف (ساختارهای کریستالی) به شکل جامد است که بیش از هر عنصر دیگری است (در واقع، با شرایط دقیق تر، هفت فاز وجود دارد). برخی از انتقال بین فازها با تغییرات چشمگیر در حجم همراه است. در دو مورد از این فازها - دلتا و دلتا پرایم - پلوتونیوم دارای خاصیت منحصربفردی است که با افزایش دما منقبض می شود و در فازهای دیگر دارای ضریب انبساط دمایی بسیار بالایی است. هنگامی که ذوب می شود، پلوتونیوم منقبض می شود و به پلوتونیوم ذوب نشده اجازه شناور شدن می دهد. در متراکم ترین شکل خود، فاز آلفا، پلوتونیوم ششمین عنصر چگال است (تنها اسمیم، ایریدیوم، پلاتین، رنیوم و نپتونیم سنگین تر هستند). در فاز آلفا، پلوتونیوم خالص شکننده است، اما آلیاژهای انعطاف پذیر وجود دارد.

	Pu	94			پلوتونیوم
					تی کیپ (o C)	3350	استپ اکسید	از +3 تا +7
					t o شناور (o C)	640	تراکم	19860
	5f 6 7s 2				OEO	1,2	در زمین پارس سگ	-

عنصر شماره 94 با امیدهای بسیار بزرگ و ترس های بسیار بزرگ برای بشریت همراه است.

در ابتدا پروتون وجود داشت - هیدروژن کهکشانی. در نتیجه فشرده سازی آن و واکنش های هسته ای بعدی، باورنکردنی ترین "شمش" نوکلئون ها تشکیل شد. در میان آنها، این "شمش ها"، ظاهراً آنهایی بودند که حاوی 94 پروتون بودند. برآوردهای نظریه پردازان حاکی از آن است که حدود صد شکل نوکلئون که شامل 94 پروتون و از 107 تا 206 نوترون می شود، آنقدر پایدار هستند که می توان آنها را هسته ایزوتوپ های عنصر شماره 94 در نظر گرفت.

اما همه این ایزوتوپ ها - فرضی و واقعی - از زمان شکل گیری عناصر منظومه شمسی تا به امروز آنقدر پایدار نیستند. نیمه عمر طولانی ترین ایزوتوپ عنصر شماره 94 75 میلیون سال است. سن کهکشان با میلیاردها سال اندازه گیری می شود. در نتیجه، پلوتونیوم "اولیه" تا به امروز هیچ شانسی برای زنده ماندن نداشت. اگر در طی سنتز عظیم عناصر کیهان شکل گرفته باشد، آن اتم های باستانی آن مدت ها پیش "منقرض" شده اند، همانطور که دایناسورها و ماموت ها منقرض شدند.

در قرن بیستم پس از میلاد، این عنصر بازسازی شد. از صد ایزوتوپ ممکن پلوتونیوم، بیست و پنج ایزوتوپ ساخته شده است. خواص هسته ای پانزده مورد از آنها مورد مطالعه قرار گرفت. چهار مورد کاربرد عملی پیدا کرده اند.

34 سال از روزی می گذرد که اولین هسته های عنصر شماره 94 به دست دانشمندان رسید. در دسامبر 1940، گروهی از رادیو شیمیدانان آمریکایی به رهبری گلن تی سیبورگ، هنگام تابش اورانیوم با هسته های سنگین هیدروژن، یک تابشگر ذرات آلفا را کشف کردند که قبلاً ناشناخته بود. با نیمه عمر 90 سال. معلوم شد که این ساطع کننده ایزوتوپ عنصر شماره 94 با عدد جرمی 238 است. در همان سال، اما چند ماه قبل، E. M. McMillan و F. Abelson اولین عنصر سنگین تر از اورانیوم - عنصر شماره 93 را به دست آوردند. این عنصر نپتونیم نامیده شد و 94 - پلوتونیوم. مورخ قطعاً خواهد گفت که این نام ها از اساطیر رومی سرچشمه می گیرند، اما در اصل منشأ این نام ها نه اسطوره ای، بلکه نجومی است.

موازی نجومی

این عنصر که سلول 92 جدول تناوبی را اشغال می کند، توسط مارتین کلاپروت در سال 1789 کشف شد و به نام دورترین سیاره شناخته شده در آن زمان اورانیوم نامگذاری شد (اولین بار توسط ستاره شناس مشهور ویلیام هرشل در سال 1781، هشت سال قبل از کشف کلاپروت مشاهده شد).

اورانوس آخرین سیاره منظومه شمسی نبود. مدار نپتون حتی دورتر از خورشید می گذرد، اما نپتون آخرین نیست و پس از آن پلوتون، سیاره ای که تقریباً هیچ چیز درباره آن شناخته نشده است... ساختار مشابهی در "ضلع چپ" جدول تناوبی مشاهده می شود: اورانیوم - نپتونیوم - پلوتونیوم، با این حال، بشریت در مورد پلوتونیوم بسیار بیشتر از پلوتون می داند. به هر حال، ستاره شناسان تنها ده سال قبل از سنتز پلوتونیوم پلوتون را کشف کردند - تقریباً همان دوره زمانی اکتشافات هرشل و کلاپروت را از هم جدا کردند.

معماهایی برای رمزنگاران

اولین ایزوتوپ عنصر شماره 94، پلوتونیوم-238، امروزه کاربرد عملی پیدا کرده است. اما در اوایل دهه 40 آنها حتی به آن فکر هم نمی کردند. تنها با تکیه بر صنعت قدرتمند هسته ای می توان پلوتونیوم 238 را در مقادیر مورد علاقه به دست آورد. در آن زمان تازه در ابتدای راه بود. اما از قبل مشخص بود که با آزاد کردن انرژی موجود در هسته عناصر رادیواکتیو سنگین، می توان به سلاح هایی با قدرت بی سابقه دست یافت. پروژه منهتن ظاهر شد که چیزی جز یک نام مشترک با منطقه معروف نیویورک نداشت. این نام کلی برای تمام کارهای مربوط به ایجاد اولین بمب اتمی در ایالات متحده بود. رئیس پروژه منهتن یک دانشمند نبود، بلکه یک مرد نظامی بود - ژنرال گرووز، که "عاشقانه" اتهامات تحصیلکرده خود را "دیگ های شکسته" نامید.

رهبران "پروژه" علاقه ای به پلوتونیوم-238 نداشتند. هسته های آن، در واقع، هسته های تمام ایزوتوپ های پلوتونیوم با اعداد جرمی زوج، نوترون های کم انرژی هستند (نوترون های کم انرژی را نوترون هایی می نامیم که انرژی آنها از 10 کو تجاوز نمی کند. نوترون هایی با انرژی که در کسری از الکترون ولت اندازه گیری می شود. گرمایی نامیده می شوند و کندترین نوترون ها - با انرژی کمتر از 0.005 eV — سرد اگر انرژی نوترون بیش از 100 کیلو ولت باشد، چنین نوترونی از قبل سریع در نظر گرفته می شود.) شکافت نشوید، بنابراین نمی تواند به عنوان یک ماده منفجره هسته ای عمل کند. با این وجود، اولین گزارش های نه چندان روشن در مورد عناصر شماره 93 و 94 تنها در بهار 1942 به چاپ رسید.

چطور می شود این را توضیح داد؟ فیزیکدانان فهمیدند: سنتز ایزوتوپ های پلوتونیوم با اعداد جرمی فرد موضوعی زمان بود و نه خیلی طولانی. انتظار می رفت که ایزوتوپ های عجیب و غریب، مانند اورانیوم 235، قادر به پشتیبانی از یک واکنش زنجیره ای هسته ای باشند. برخی از مردم آنها را به عنوان مواد منفجره هسته ای بالقوه می دانستند که هنوز دریافت نشده بودند. و متأسفانه پلوتونیوم این امیدها را توجیه کرد.

در رمزگذاری آن زمان، عنصر شماره 94 چیزی بیش از ... مس نامیده می شد. و هنگامی که نیاز به خود مس (به عنوان ماده ساختمانی برای برخی از قطعات) بوجود آمد، سپس در کدها همراه با "مس"، "مس اصیل" ظاهر شد.

"درخت معرفت خیر و شر"

در سال 1941، مهمترین ایزوتوپ پلوتونیوم کشف شد - ایزوتوپی با عدد جرمی 239. و تقریباً بلافاصله پیش‌بینی نظریه‌پردازان تأیید شد: هسته‌های پلوتونیوم-239 توسط نوترون‌های حرارتی شکافته شدند. علاوه بر این، در طول شکافت آنها، تعداد نوترون کمتری نسبت به شکافت اورانیوم 235 تولید شد. راه های بدست آوردن این ایزوتوپ در مقادیر زیاد بلافاصله تشریح شد...

سالها گذشت. اکنون بر کسی پوشیده نیست که بمب‌های هسته‌ای ذخیره‌شده در زرادخانه‌ها با پلوتونیوم 239 پر شده‌اند و به‌اندازه کافی از آن‌ها، این بمب‌ها، وجود دارد که به قول خودشان «خسارات جبران‌ناپذیری» به تمام حیات روی زمین وارد می‌کنند.

این باور عمومی وجود دارد که بشریت به وضوح در کشف واکنش زنجیره ای هسته ای (که پیامد اجتناب ناپذیر آن ساخت بمب هسته ای بود) عجله داشت. می توانید متفاوت فکر کنید یا وانمود کنید که متفاوت فکر می کنید - خوش بین بودن خوشایندتر است. اما خوش‌بین‌ها ناگزیر با پرسش مسئولیت دانشمندان نیز مواجه هستند. ما روز پیروزمندانه ژوئن 1954 را به یاد می آوریم، روزی که اولین نیروگاه هسته ای در اوبنینسک جریان را روشن کرد. اما ما نمی‌توانیم صبح اوت 1945 را فراموش کنیم - "صبح هیروشیما"، "روز سیاه آلبرت انیشتین"... کسانی که امروز هفتاد سال یا بیشتر دارند، اولین سال‌های پس از جنگ و باج‌گیری گسترده اتمی را به یاد می‌آورند - اساس آن. سیاست آمریکا در آن سالها اما آیا بشریت در سال های بعد مشکلات زیادی را تجربه نکرده است؟

علاوه بر این، این نگرانی ها بارها با این آگاهی تشدید شد که اگر یک جنگ جهانی جدید شروع شود، قطعا از سلاح های هسته ای استفاده می شود.

در اینجا می توانید سعی کنید ثابت کنید که کشف پلوتونیوم ترسی به بشریت اضافه نکرده است، بلکه برعکس، فقط مفید بوده است.

فرض کنید به دلایلی یا به قول قدیم به خواست خدا پلوتونیوم برای دانشمندان غیر قابل دسترس بود. آیا در این صورت ترس و نگرانی ما کاهش می یابد؟ هیچ اتفاقی نیفتاد. بمب‌های هسته‌ای از اورانیوم 235 ساخته می‌شوند (و به مقدار کم‌تر از پلوتونیوم)، و این بمب‌ها حتی بخش‌های بزرگ‌تری از بودجه‌ها را نسبت به الان «می‌خورند».

اما بدون پلوتونیوم هیچ چشم اندازی برای استفاده صلح آمیز از انرژی هسته ای در مقیاس بزرگ وجود نخواهد داشت. اورانیوم 235 کافی برای یک "اتم صلح آمیز" وجود نخواهد داشت. شری که با کشف انرژی هسته ای بر بشر وارد شده است، حتی تا حدی با دستاوردهای «اتم خوب» متعادل نخواهد شد.

چگونه اندازه گیری کنیم، با چه چیزی مقایسه کنیم

هنگامی که یک هسته پلوتونیوم-239 توسط نوترون ها به دو قطعه با جرم تقریبا مساوی تقسیم می شود، حدود 200 مگا ولت انرژی آزاد می شود. این 50 میلیون برابر بیشتر انرژی آزاد شده در معروف ترین واکنش گرمازا، C + O 2 = CO 2 است. "سوزاندن" در یک راکتور هسته ای، یک گرم پلوتونیوم 2 · 10 7 کیلو کالری تولید می کند. برای اینکه سنت شکنی نشود (و در مقالات محبوب انرژی سوخت هسته ای معمولاً در واحدهای غیر سیستمی - تن زغال سنگ، بنزین، تری نیتروتولوئن و غیره اندازه گیری می شود)، همچنین توجه می کنیم: این انرژی موجود در چهار تن است. زغال سنگ و یک انگشتانه معمولی حاوی مقداری پلوتونیوم از نظر انرژی معادل چهل کاروان هیزم خوب توس است.

همین انرژی در طی شکافت هسته های اورانیوم 235 توسط نوترون ها آزاد می شود. اما بخش عمده اورانیوم طبیعی (99.3 درصد!) ایزوتوپ 238 U است که فقط با تبدیل اورانیوم به پلوتونیوم قابل استفاده است...

انرژی سنگ ها

اجازه دهید منابع انرژی موجود در ذخایر طبیعی اورانیوم را ارزیابی کنیم.

اورانیوم یک عنصر کمیاب است و تقریباً در همه جا یافت می شود. هر کسی که به عنوان مثال از کارلیا بازدید کرده باشد، احتمالاً تخته سنگ های گرانیتی و صخره های ساحلی را به یاد می آورد. اما تعداد کمی از مردم می دانند که یک تن گرانیت به طور متوسط ​​بین 4 تا 10 گرم اورانیوم دارد. گرانیت تقریبا 20 درصد وزن پوسته زمین را تشکیل می دهد. اگر فقط اورانیوم 235 را بشماریم، یک تن گرانیت حاوی 6 · 10 6 کیلو کالری انرژی است. زیاد است اما...

برای پردازش گرانیت و استخراج اورانیوم از آن، باید مقدار بیشتری انرژی صرف کنید - حدود 10 6 - 10 7 کیلو کالری. حال اگر نه تنها اورانیوم 235، بلکه از اورانیوم 238 نیز به عنوان منبع انرژی امکان پذیر بود، گرانیت می توانست حداقل به عنوان یک ماده خام انرژی بالقوه در نظر گرفته شود. سپس انرژی به دست آمده از یک تن سنگ در حال حاضر از 8 · 10 7 تا 2 · 10 8 کیلو کالری خواهد بود. این معادل 16-40 تن زغال سنگ است. و در این مورد، گرانیت می تواند تقریبا یک میلیون برابر بیشتر از تمام ذخایر سوخت شیمیایی روی زمین انرژی برای مردم فراهم کند.

اما هسته های اورانیوم 238 توسط نوترون ها شکافت نمی شوند. این ایزوتوپ برای انرژی هسته ای بی فایده است. به عبارت دقیق تر، اگر نتوان آن را به پلوتونیوم 239 تبدیل کرد، بی فایده خواهد بود. و آنچه به ویژه مهم است: عملاً نیازی به صرف انرژی برای این دگرگونی هسته ای نیست - برعکس، انرژی در این فرآیند تولید می شود!

بیایید سعی کنیم بفهمیم که چگونه این اتفاق می افتد، اما ابتدا چند کلمه در مورد پلوتونیوم طبیعی.

400 هزار برابر کمتر از رادیوم

قبلاً گفته شد که ایزوتوپ های پلوتونیوم از زمان سنتز عناصر در طول شکل گیری سیاره ما حفظ نشده اند. اما این بدان معنا نیست که پلوتونیوم در زمین وجود ندارد. همیشه در سنگ معدن اورانیوم تشکیل می شود. با گرفتن نوترون از تشعشعات کیهانی و نوترون های تولید شده توسط شکافت خود به خودی هسته های اورانیوم 238، برخی - بسیار اندک - اتم های این ایزوتوپ به اتم های اورانیوم 239 تبدیل می شوند. این هسته ها بسیار ناپایدار هستند. نپتونیم، اولین عنصر فرااورانیوم، تشکیل می شود. نپتونیوم 239 نیز بسیار ناپایدار است و هسته های آن الکترون ساطع می کنند. تنها در عرض 56 ساعت، نیمی از نپتونیوم-239 به پلوتونیوم-239 تبدیل می شود که نیمه عمر آن در حال حاضر بسیار طولانی است - 24 هزار سال.

چرا پلوتونیوم از سنگ معدن اورانیوم استخراج نمی شود؟ غلظت کم، خیلی کم "یک گرم تولید یک سال کار است" - این حدود رادیوم است و سنگ معدن ها 400 هزار برابر کمتر از رادیوم پلوتونیوم دارند. بنابراین، نه تنها استخراج، بلکه حتی تشخیص پلوتونیوم "زمینی" بسیار دشوار است. این تنها پس از بررسی خواص فیزیکی و شیمیایی پلوتونیوم تولید شده در راکتورهای هسته ای انجام شد.

وقتی 2.70 >> 2.23(به یاد داشته باشید که در ریاضیات علامت >> به معنای "خیلی بیشتر" است)

پلوتونیوم در راکتورهای هسته ای انباشته می شود (تا همین اواخر به این تاسیسات دیگ های هسته ای نیز می گفتند). در جریان های قدرتمند نوترونی، همان واکنشی که در سنگ معدن اورانیوم رخ می دهد، رخ می دهد، اما سرعت تشکیل و تجمع پلوتونیوم در راکتور بسیار بیشتر است - یک میلیارد میلیارد بار. برای واکنش تبدیل اورانیوم 238 بالاست به پلوتونیوم 239 با درجه انرژی، شرایط بهینه (در محدوده قابل قبول) ایجاد می شود.

اگر راکتور بر روی نوترون های حرارتی کار کند (به یاد بیاورید که سرعت آنها حدود دو هزار متر در ثانیه است و انرژی آنها کسری از یک الکترون ولت است)، پس از مخلوط طبیعی ایزوتوپ های اورانیوم مقدار پلوتونیوم به دست آمده اندکی کمتر است. مقدار اورانیوم 235 "سوخته" به دست می آید. کمی، اما کمتر، به علاوه تلفات اجتناب ناپذیر پلوتونیوم در طول جداسازی شیمیایی آن از اورانیوم تابیده شده. علاوه بر این، واکنش زنجیره ای هسته ای در مخلوط طبیعی ایزوتوپ های اورانیوم تنها تا زمانی که بخش کوچکی از اورانیوم 235 مصرف شود، حفظ می شود. از این رو نتیجه منطقی: یک راکتور "حرارتی" با استفاده از اورانیوم طبیعی - نوع اصلی راکتورهای فعال فعلی - نمی تواند بازتولید گسترده سوخت هسته ای را تضمین کند. اما آن وقت چه چیز امیدوار کننده ای است؟ برای پاسخ به این سوال، اجازه دهید سیر واکنش زنجیره‌ای هسته‌ای را در اورانیوم ۲۳۵ و پلوتونیوم ۲۳۹ مقایسه کنیم و مفهوم فیزیکی دیگری را وارد بحث‌های خود کنیم.

مهمترین مشخصه هر سوخت هسته ای میانگین تعداد نوترون هایی است که پس از گرفتن یک نوترون از هسته منتشر می شود. فیزیکدانان آن را عدد eta می نامند که با حرف یونانی h نشان داده می شود. در راکتورهای "حرارتی" روی اورانیوم، الگوی زیر مشاهده می شود: هر نوترون به طور متوسط ​​2.08 نوترون "تولید" می کند (h = 2.08). پلوتونیومی که در چنین رآکتوری تحت تأثیر نوترون های حرارتی قرار می گیرد، h=2.03 می دهد. اما راکتورهایی نیز وجود دارند که بر روی نوترون های سریع کار می کنند. بارگذاری مخلوط طبیعی ایزوتوپ های اورانیوم در چنین راکتوری بی فایده است: یک واکنش زنجیره ای رخ نخواهد داد. اما اگر "مواد خام" با اورانیوم 235 غنی شود، می تواند در یک راکتور "سریع" نیز توسعه یابد. در این حالت، h از قبل برابر با 2.23 خواهد بود. و پلوتونیومی که در معرض آتش سریع نوترونی قرار می گیرد، h برابر با 2.70 خواهد داشت. ما "نیمه نوترون های اضافی" را در اختیار خواهیم داشت. و این اصلا کم نیست.

بیایید ببینیم که نوترون های حاصل صرف چه چیزی می شوند. در هر راکتوری، یک نوترون برای حفظ یک واکنش زنجیره ای هسته ای مورد نیاز است. 0.1 نوترون توسط مواد ساختاری تاسیسات جذب می شود. "مازاد" برای انباشته شدن پلوتونیوم 239 استفاده می شود. در یک مورد "مازاد" 1.13 و در مورد دیگر 1.60 است. پس از "احتراق" یک کیلوگرم پلوتونیوم در یک راکتور "سریع"، انرژی 2.25 × 107 آزاد می شود و 1.6 کیلوگرم پلوتونیوم انباشته می شود. و اورانیوم در یک راکتور "سریع" همان انرژی و 1.1 کیلوگرم سوخت هسته‌ای جدید را می‌دهد. در هر دو مورد، تولید مثل گسترده مشهود است. اما ما نباید اقتصاد را فراموش کنیم.

به دلایل فنی، چرخه تولید مثل پلوتونیوم چندین سال طول می کشد. فرض کنید پنج سال. این بدان معنی است که مقدار پلوتونیوم در سال فقط 2٪ افزایش می یابد اگر h = 2.23 و 12٪ اگر h = 2.7 باشد! سوخت هسته ای سرمایه است و هر سرمایه ای باید مثلاً 5 درصد در سال بازده داشته باشد. در مورد اول زیان های زیادی وجود دارد و در مورد دوم سود زیادی وجود دارد. این مثال ابتدایی "وزن" هر دهم عدد h را در مسئله انرژی هسته ای نشان می دهد.

چیز دیگری نیز مهم است. انرژی هسته ای باید همگام با تقاضای رو به رشد انرژی باشد. محاسبات نشان می دهد: این شرط در آینده تنها زمانی که h به سه نزدیک شود برآورده می شود. اگر توسعه منابع انرژی هسته‌ای از نیاز جامعه به انرژی عقب بماند، دو گزینه باقی می‌ماند: یا «کاهش پیشرفت» یا مصرف انرژی از برخی منابع دیگر.

و در اینجا لازم است تصور غلط ناشی از ادبیات علمی رایج تا حدی برطرف شود.

آنتیود در برابر همجوشی حرارتی

مشخص است که یک گرم ماده ای که در یک راکتور حرارتی فرضی واکنش می دهد، چندین برابر بیشتر از یک گرم پلوتونیوم شکافته شده در یک راکتور هسته ای واقعی امروزی انرژی می دهد. حتی انرژی بیشتری در طی برهمکنش یک گرم الکترون و پوزیترون آزاد می شود. با این حال، نیروگاه های الکترون پوزیترون در حال حاضر تنها توسط نویسندگان داستان های علمی تخیلی "ساخت" می شوند. اما گاهی اوقات از دستگاه های انرژی گرما هسته ای به عنوان یک معامله تمام شده یاد می شود. در واقع، زمانی که فیزیکدانان درک کمی از آنچه در پلاسما اتفاق می افتد داشتند، به نظر می رسید که یک منبع کنترل شده از انرژی گرما هسته ای در شرف ایجاد است. علاوه بر این، هر روز در برابر چشمان ما یک نمونه باشکوه از یک راکتور گرما هسته ای فعال وجود دارد - خورشید. مطالعات فشرده بر روی پلاسما بینش زیادی در مورد فرآیندهای رخ می دهد در ماده ای که وارد حالت چهارم خود شده است. یکی از نتایج این کار درک روشنی بود که ایجاد یک نسخه مصنوعی از ستاره ما آنطور که به نظر می رسید آسان نیست. امروزه حتی یک راه واقعی برای حل این مشکل هنوز ترسیم نشده است. در هر صورت، امید به توسعه نزدیک انرژی گرما هسته ای از بین رفته است. البته زمانی فرا می رسد که انرژی هسته های سبک در دسترس خواهد بود. اما این کار چگونه و چه زمانی انجام خواهد شد؟ هنوز نمی توان به این سوال پاسخ داد.

خلاصه کنید. انرژی هسته های سنگین یک واقعیت است، تنها مشکلات فنی مانع توسعه آن است و در این راستا کارهای زیادی انجام شده است. همجوشی حرارتی برای مقاصد انرژی هنوز یک مشکل اساسی حل نشده است. از این رو نتیجه گیری: پلوتونیوم، به عنوان ماده اصلی انرژی در آینده، هنوز رقیب جدی ندارد. کلید این منابع ایزوتوپ عنصر شماره 94 با عدد جرمی 239 است.

استخراج

هنگامی که در نتیجه واکنش های هسته ای، مقدار مورد نیاز پلوتونیوم در اورانیوم انباشته شده است، باید نه تنها از خود اورانیوم، بلکه از قطعات شکافت - هم اورانیوم و هم پلوتونیوم که در واکنش زنجیره ای هسته ای سوزانده می شوند، جدا شود. علاوه بر این، توده اورانیوم پلوتونیوم نیز حاوی مقدار مشخصی نپتونیم است. سخت ترین چیزها برای جداسازی پلوتونیوم از نپتونیوم و عناصر خاکی کمیاب (لانتانیدها) است. پلوتونیوم به عنوان یک عنصر شیمیایی تا حدودی بدشانس بوده است. از دیدگاه یک شیمیدان، عنصر اصلی انرژی هسته ای تنها یکی از چهارده اکتینید است. مانند عناصر خاکی کمیاب، تمام عناصر سری اکتینیم از نظر خواص شیمیایی بسیار شبیه به یکدیگر هستند. آنچه حتی ناخوشایندتر است این است که خواص شیمیایی اکتینیدها مشابه خواص عناصر خاکی کمیاب است و در میان قطعات شکافت اورانیوم و پلوتونیوم بیش از اندازه لانتانید وجود دارد. اما عنصر 94 می تواند در پنج حالت ظرفیتی باشد و این "قرص را شیرین می کند" - به جدا کردن پلوتونیوم از قطعات اورانیوم و شکافت کمک می کند.

ظرفیت پلوتونیوم از سه تا هفت متغیر است. از نظر شیمیایی، پایدارترین (و در نتیجه رایج ترین و مورد مطالعه ترین ترکیبات) پلوتونیوم چهار ظرفیتی است.

جداسازی اکتینیدها با خواص شیمیایی مشابه - اورانیوم، نپتونیم و پلوتونیوم - می تواند بر اساس تفاوت در خواص ترکیبات چهار ظرفیتی و شش ظرفیتی آنها باشد. ابتدا میله های اورانیوم در اسید نیتریک حل می شوند. اسید نیتریک در صورت حل شدن و اکسید شدن اورانیوم، پلوتونیوم و ناخالصی ها، یک عامل اکسید کننده قوی است. اتم های پلوتونیوم صفر ظرفیتی به یون های Pu 6+ تبدیل می شوند. پلوتونیوم همراه با اورانیوم حل می شود. از این محلول با دی اکسید گوگرد به حالت سه ظرفیتی کاهش می یابد و سپس با فلوراید لانتانیم رسوب می کند. این رسوب علاوه بر پلوتونیوم حاوی نپتونیم و عناصر کمیاب خاکی است. اما بخش عمده ای از ماده، اورانیوم، در محلول باقی می ماند و از پلوتونیوم جدا می شود.

رسوب حاصل دوباره حل می شود و نپتونیوم با برومات پتاسیم به حالت چهار ظرفیتی اکسید می شود. این معرف هیچ تأثیری بر پلوتونیوم ندارد و در هنگام بارش ثانویه با همان LaF 3، پلوتونیوم سه ظرفیتی به یک رسوب عبور می کند و نپتونیم در محلول باقی می ماند.

برای جداسازی قطعات اهدایی، پلوتونیوم دوباره به حالت هگزا وادنت اکسید می شود و دوباره فلوراید لانتانیم اضافه می شود. اکنون عناصر خاکی کمیاب رسوب می کنند و پلوتونیوم در محلول باقی می ماند...

از بسیاری از روش های شناخته شده در حال حاضر برای جداسازی پلوتونیوم، باید به استخراج پلوتونیوم با حلال های آلی و جداسازی پلوتونیوم روی ستون های تبادل یونی اشاره کرد. به نظر می‌رسد این روش‌ها برای شیمیدانانی که با پلوتونیوم کار می‌کنند امیدوارکننده‌ترین روش‌ها هستند.

فلز

حالا بالاخره در مورد فلز. جداسازی ترکیبات پلوتونیوم از محلول کار دشواری نیست. ده ها راه برای این کار وجود دارد. سپس ترکیبات پلوتونیوم به دست آمده به تترافلوراید PuF 4 خالص شیمیایی تبدیل می شود که با بخار باریم در دمای 1200 درجه سانتی گراد احیا می شود. به این ترتیب پلوتونیوم خالص به دست می آید. اما این هنوز یک ماده ساختاری نیست: عناصر سوخت راکتورهای انرژی هسته‌ای (یا حتی بخش‌هایی از بمب اتمی) را نمی‌توان از آن ساخت. چرا؟ حداقل به یک "خالی" نیاز دارید - یک ریخته گری. در ساخت محصولات پلوتونیومی عمدتاً از روش ریخته گری استفاده می شود. نقطه ذوب پلوتونیوم فلزی - 640 درجه سانتیگراد - کاملاً قابل دستیابی است، اما ...

پس از ریختن پلوتونیوم مذاب از بوته در قالب مورد نظر، آنها شروع به خنک کردن آن به دمای اتاق می کنند - در طول فرآیند انجماد، مطمئناً ترک هایی در ریخته گری ظاهر می شود. شاید سرمایش خیلی سریع پیش می رود؟ مهم نیست که چگونه رژیم ها تغییر می کردند، بازیگران همیشه از بین می رفت. یعنی مشکل در رژیم دما نیست. آن وقت چه اتفاقی می افتد؟

در فلز مایع، اتم ها به طور تصادفی حرکت می کنند. با کاهش دما، زمانی که فلز شروع به جامد شدن می کند، اتم ها از قبل در اطراف مراکزی که به ترتیب کاملاً تعریف شده قرار دارند، به ارتعاش می پردازند، به عنوان مثال، در راس مکعب ها، چهار وجهی ها و غیره، بسته به ساختار بلوری یک فلز خاص.

در کریستال ها، اتم ها معمولاً متراکم تر از مایعات بسته بندی می شوند. اکثر مواد، به استثنای یخ، آلیاژ چاپی هارت و چند مورد دیگر، هنگام سخت شدن، حجم آنها کاهش می یابد - چگالی آنها افزایش می یابد.

پلوتونیوم در دمای 640 درجه سانتیگراد شروع به جامد شدن می کند و اتم های آن یک شبکه کریستالی به شکل مکعب تشکیل می دهند. با کاهش دما، چگالی فلز به تدریج افزایش می یابد. اما سپس دما به 480 درجه سانتیگراد رسید و ناگهان چگالی پلوتونیوم به شدت کاهش می یابد. دلایل این ناهنجاری به سرعت کشف شد: در این دما، اتم‌های پلوتونیوم در شبکه کریستالی بازآرایی می‌شوند. چهارضلعی و بسیار "شل" می شود. چنین پلوتونیومی می تواند مانند یخ روی آب در ذوب خود شناور باشد.

دما همچنان به کاهش خود ادامه می دهد، اکنون به 451 درجه سانتیگراد رسیده است و اتم ها دوباره یک شبکه مکعبی تشکیل می دهند، اما در فاصله بیشتری از یکدیگر نسبت به حالت اول قرار دارند. با سرد شدن بیشتر، شبکه ابتدا به شکل ارتورومبیک و سپس مونوکلینیک می شود. در مجموع پلوتونیوم شش شکل کریستالی مختلف را تشکیل می دهد. دو مورد از آنها با یک خاصیت قابل توجه متمایز می شوند - ضریب منفی انبساط حرارتی: با افزایش دما، فلز منبسط نمی شود، اما منقبض می شود. رفتار کاملا غیرعادی!

هنگامی که دما به 122 درجه سانتیگراد می رسد و اتم های پلوتونیوم ردیف های خود را برای ششمین بار مرتب می کنند، چگالی به ویژه به طور چشمگیری تغییر می کند - از 17.77 به 19.82 g/cm3. بیش از 10 درصد! بر این اساس حجم شمش کاهش می یابد. اگر فلز همچنان بتواند در برابر تنش‌های ناشی از انتقال‌های دیگر مقاومت کند، در این لحظه تخریب اجتناب‌ناپذیر است.

پس چگونه می توان بخشی از این فلز شگفت انگیز را ساخت؟ متالورژی ها پلوتونیوم را آلیاژ می کنند (مقدار کمی از عناصر مورد نیاز را به آن اضافه می کنند) و بدون یک ترک قطعات ریخته گری را بدست می آورند. آنها برای ساخت بارهای پلوتونیومی برای بمب های هسته ای استفاده می شوند. وزن بار (در درجه اول توسط جرم بحرانی ایزوتوپ تعیین می شود) 5-6 کیلوگرم است. این می تواند به راحتی در یک مکعب با اندازه لبه 10 سانتی متر قرار گیرد.

ایزوتوپ های سنگین

پلوتونیوم-239 همچنین حاوی مقادیر کمی ایزوتوپ های بالاتر از این عنصر است - با اعداد جرمی 240 و 241. ایزوتوپ 240 Pu عملاً بی فایده است - این ایزوتوپ در پلوتونیوم بالاست است. از 241، آمریکیوم به دست می آید - عنصر شماره 95. در شکل خالص خود، بدون مخلوطی از ایزوتوپ های دیگر، پلوتونیوم-240 و پلوتونیوم-241 را می توان با جداسازی الکترومغناطیسی پلوتونیوم انباشته شده در راکتور به دست آورد. قبل از این، پلوتونیوم علاوه بر این با شارهای نوترونی با ویژگی های کاملاً مشخص تابش می شود. البته همه اینها بسیار پیچیده است، به خصوص که پلوتونیوم نه تنها رادیواکتیو است، بلکه بسیار سمی است. کار با آن نیاز به احتیاط شدید دارد.

یکی از جالب‌ترین ایزوتوپ‌های پلوتونیوم، 242 Pu، می‌تواند با تابش 239 Pu برای مدت طولانی در شارهای نوترونی تولید شود. 242 Pu بسیار به ندرت نوترون ها را جذب می کند و بنابراین در راکتور آهسته تر از سایر ایزوتوپ ها "سوخته می شود". حتی پس از اینکه ایزوتوپ‌های باقی‌مانده پلوتونیوم تقریباً به طور کامل به قطعات تبدیل شده یا به پلوتونیوم-242 تبدیل شده‌اند، باقی می‌ماند.

پلوتونیوم-242 به عنوان یک "ماده خام" برای تجمع نسبتاً سریع عناصر ترانس اورانیوم بالاتر در راکتورهای هسته ای مهم است. اگر پلوتونیوم-239 در یک راکتور معمولی تابش شود، حدود 20 سال طول می کشد تا مقادیر میکروگرمی مثلاً کالیفرنیا-251 از گرم پلوتونیوم جمع شود.

کاهش زمان تجمع ایزوتوپ های بالاتر با افزایش شدت شار نوترون در راکتور امکان پذیر است. این کاری است که آنها انجام می دهند، اما در این صورت شما نمی توانید مقادیر زیادی پلوتونیوم-239 را تابش کنید. از این گذشته، این ایزوتوپ توسط نوترون ها تقسیم می شود و انرژی زیادی در جریان های شدید آزاد می شود. مشکلات اضافی با خنک کردن ظرف و راکتور ایجاد می شود. برای جلوگیری از این مشکلات، کاهش میزان پلوتونیوم تابش شده ضروری است. در نتیجه، بازده کالیفرنیوم دوباره کم خواهد شد. دور باطل!

پلوتونیوم-242 توسط نوترون های حرارتی شکافت پذیر نیست , و در مقادیر زیاد می توان در شارهای شدید نوترونی تابش کرد... بنابراین، در راکتورها، همه عناصر از کالیفرنیوم تا انیشتینیوم از این ایزوتوپ "ساخته" شده و در مقادیر وزنی انباشته می شوند.

نه سنگین ترین، اما طولانی ترین عمر

هر بار که دانشمندان موفق به بدست آوردن ایزوتوپ جدیدی از پلوتونیوم می شدند، نیمه عمر هسته های آن اندازه گیری می شد. نیمه عمر ایزوتوپ های هسته های رادیواکتیو سنگین با اعداد جرمی به طور منظم تغییر می کند. (این را نمی توان برای ایزوتوپ های فرد گفت.)

به نموداری که وابستگی نیمه عمر ایزوتوپ های زوج پلوتونیوم را به عدد جرمی نشان می دهد نگاه کنید. با افزایش جرم، "طول عمر" ایزوتوپ نیز افزایش می یابد. چندین سال پیش، نقطه اوج این نمودار پلوتونیوم 242 بود. و سپس این منحنی چگونه پیش خواهد رفت - با افزایش بیشتر عدد جرمی؟ به نقطه 1 که مربوط به عمر 30 میلیون سال است یا به نقطه 2 که قبلاً معادل 300 میلیون سال است؟ پاسخ به این سوال برای علوم زمین بسیار مهم بود. در مورد اول، اگر پنج میلیارد سال پیش زمین به طور کامل از 244 پلوتونیم تشکیل شده بود، اکنون در کل جرم آن، تنها یک اتم پلوتونیوم-244 روی زمین باقی می ماند. اگر فرض دوم درست باشد، پلوتونیوم 244 ممکن است در غلظت هایی در زمین باشد که قبلاً قابل تشخیص است. اگر ما به اندازه کافی خوش شانس بودیم که این ایزوتوپ را در زمین پیدا کنیم، علم ارزشمندترین اطلاعات را در مورد فرآیندهایی که در طول شکل گیری سیاره ما رخ داده است، دریافت می کند.

چند سال پیش، دانشمندان با این سوال مواجه شدند: آیا ارزش تلاش برای یافتن پلوتونیوم سنگین در زمین را دارد؟ برای پاسخ به آن، ابتدا لازم بود نیمه عمر پلوتونیوم 244 تعیین شود. نظریه پردازان نتوانستند این مقدار را با دقت لازم محاسبه کنند. تمام امید فقط برای آزمایش بود.

پلوتونیوم-244 در یک راکتور هسته ای انباشته شده است. عنصر شماره 95، آمریکیوم (ایزوتوپ 243 Am)، تحت تابش قرار گرفت. با گرفتن یک نوترون، این ایزوتوپ به americium-244 تبدیل شد. آمریکیوم از هر ده هزار مورد یکی به پلوتونیوم 244 تبدیل شد.

آماده سازی پلوتونیوم-244 از مخلوط آمریکیوم و کوریم جدا شد. وزن نمونه فقط چند میلیونیم گرم بود. اما آنها برای تعیین نیمه عمر این ایزوتوپ جالب کافی بودند. معلوم شد که برابر با 75 میلیون سال است. پلوتونیوم-244 از آنجایی که عناصر در غلظت‌هایی سنتز شده‌اند که هنوز می‌توان آنها را شناسایی کرد، اندکی از باقی ماندن در زمین فاصله داشت.

دانشمندان تلاش های زیادی برای یافتن ایزوتوپی از عنصر ترانس اورانیوم که بیش از 244 پلوتونیم عمر می کند، انجام داده اند. اما همه تلاش ها بی نتیجه ماند. زمانی امیدها به کوریم 247 بود، اما پس از انباشته شدن این ایزوتوپ در راکتور، معلوم شد که نیمه عمر آن تنها 14 میلیون سال است. شکستن رکورد پلوتونیوم 244 ممکن نبود - این ایزوتوپ طولانی ترین ایزوتوپ عناصر ترانس اورانیوم است.

حتی ایزوتوپ‌های سنگین‌تر پلوتونیوم دچار واپاشی بتا می‌شوند و طول عمر آنها از چند روز تا چند دهم ثانیه متغیر است. ما به یقین می دانیم که تمام ایزوتوپ های پلوتونیوم در انفجارهای ترموهسته ای تا 257 Puu تشکیل می شوند. اما طول عمر آنها یک دهم ثانیه است و بسیاری از ایزوتوپ های کوتاه مدت پلوتونیوم هنوز مورد مطالعه قرار نگرفته اند.

احتمالات اولین ایزوتوپ

و سرانجام - در مورد پلوتونیوم-238 - اولین ایزوتوپ پلوتونیوم "ساخت بشر"، ایزوتوپی که در ابتدا امیدبخش به نظر می رسید. در واقع یک ایزوتوپ بسیار جالب است. این در معرض فروپاشی آلفا است، یعنی هسته های آن به طور خود به خود ذرات آلفا - هسته هلیوم را منتشر می کنند. ذرات آلفا تولید شده توسط هسته پلوتونیوم دارای انرژی بالایی هستند. این انرژی که در ماده پراکنده می شود به گرما تبدیل می شود. این انرژی چقدر است؟ شش میلیون الکترون ولت از فروپاشی یک هسته اتمی پلوتونیوم 238 آزاد می شود. در یک واکنش شیمیایی، با اکسید شدن چندین میلیون اتم، همان انرژی آزاد می شود. یک منبع الکتریسیته حاوی یک کیلوگرم پلوتونیوم-238 توان حرارتی 560 وات را تولید می کند. حداکثر توان یک منبع جریان شیمیایی با همان وزن 5 وات است.

ساطع کننده های زیادی با ویژگی های انرژی مشابه وجود دارد، اما یکی از ویژگی های پلوتونیوم-238 این ایزوتوپ را ضروری می کند. فروپاشی آلفا معمولاً با تشعشعات گامای قوی همراه است که از لایه‌های بزرگ ماده نفوذ می‌کند. 238 Pu یک استثنا است. انرژی پرتوهای گاما همراه با فروپاشی هسته آن کم است و محافظت در برابر آن دشوار نیست: تابش توسط یک ظرف جدار نازک جذب می شود. احتمال شکافت خود به خودی هسته های این ایزوتوپ نیز کم است. بنابراین، نه تنها در منابع فعلی، بلکه در پزشکی نیز کاربرد پیدا کرده است. باتری‌های حاوی پلوتونیوم 238 به عنوان منبع انرژی در محرک‌های خاص قلب عمل می‌کنند. پروژه قلب مصنوعی با منبع ایزوتوپی ایجاد شده است. همه این نیازها به چندین تن پلوتونیوم "سبک" در سه تا چهار سال آینده نیاز دارد.

اما 238 Pu سبک ترین ایزوتوپ شناخته شده عنصر شماره 94 نیست.

پلوتونیوم یک موضوع بزرگ است. می خواستم مهمترین چیزها را به شما بگویم. از این گذشته، قبلاً به یک عبارت استاندارد تبدیل شده است که شیمی پلوتونیوم بسیار بهتر از شیمی عناصر "قدیمی" مانند آهن مورد مطالعه قرار گرفته است. کتاب های کاملی در مورد خواص هسته ای پلوتونیوم نوشته شده است. متالورژی پلوتونیوم یکی دیگر از شاخه های شگفت انگیز دانش بشر است... بنابراین، نباید فکر کنید که پس از خواندن این داستان، واقعاً پلوتونیوم - مهمترین فلز قرن بیستم - را یاد گرفتید.

(Pu) یک فلز رادیواکتیو نقره‌ای مایل به سفید از گروه اکتینید است که در لمس گرم است (به دلیل رادیواکتیویته آن. به طور طبیعی در مقادیر بسیار کم در سنگ اورانیوم و سایر سنگ‌های معدنی اورانیوم و سریم یافت می‌شود، مقادیر قابل توجهی به صورت مصنوعی تولید می‌شود. حدود 5 تن پلوتونیوم در نتیجه آزمایش های هسته ای در جو منتشر شد.
داستان
در سال 1940 توسط گلن سیبورگ، ادوین مک میلان، کندی و آرتور وال در سال 1940 در برکلی (ایالات متحده آمریکا) در جریان بمباران یک هدف اورانیومی با دوترون های شتاب گرفته در یک سیکلوترون کشف شد.
منشاء نام
پلوتونیوم از سیاره پلوتون نامگذاری شد، زیرا عنصر شیمیایی قبلی کشف شده نپتونیوم نام داشت.
اعلام وصول
پلوتونیوم در راکتورهای هسته ای تولید می شود.
ایزوتوپ 238 U که بخش عمده ای از اورانیوم طبیعی را تشکیل می دهد، برای شکافت بسیار مناسب نیست. برای راکتورهای هسته ای، اورانیوم کمی غنی شده است، اما سهم 235 U در سوخت هسته ای کم است (تقریباً 5٪). بخش اصلی در میله های سوخت 238 U است. در حین کار یک راکتور هسته ای، بخشی از هسته 238 U نوترون ها را می گیرد و به 239 Pu تبدیل می شود که بعداً می توان آن را جدا کرد.

جداسازی پلوتونیوم در بین محصولات واکنش های هسته ای بسیار دشوار است، زیرا پلوتونیوم (مانند اورانیوم، توریم، نپتونیم) متعلق به اکتینیدهایی است که از نظر خواص شیمیایی بسیار مشابه هستند. این کار با این واقعیت پیچیده است که در میان محصولات پوسیدگی عناصر کمیاب خاکی وجود دارد که خواص شیمیایی آنها نیز شبیه پلوتونیوم است. از روش های رادیوشیمیایی سنتی - بارش، استخراج، تبادل یون و غیره استفاده می شود. محصول نهایی این فناوری چند مرحله ای، اکسیدهای پلوتونیوم PuO 2 یا فلوراید (PuF 3، PuF 4) است.
پلوتونیوم با استفاده از روش متالوترمی (کاهش فلزات فعال از اکسیدها و نمک ها در خلاء) استخراج می شود:

PuF 4 + 2 Ba = 2BaF 2 + Pu

ایزوتوپ ها
بیش از دوازده ایزوتوپ پلوتونیوم شناخته شده است که همه آنها رادیواکتیو هستند.
مهمترین ایزوتوپ 239 پلوتونیم،قادر به شکافت هسته ای و واکنش های زنجیره ای هسته ای است. این تنها ایزوتوپ مناسب برای استفاده در سلاح های هسته ای است. این ویژگی جذب و پراکندگی نوترون بهتر از اورانیوم-235، تعداد نوترون در هر شکافت (حدود 3 در مقابل 2.3) و بر این اساس، جرم بحرانی کمتری دارد. نیمه عمر آن حدود 24 هزار سال است. سایر ایزوتوپ های پلوتونیوم در درجه اول از منظر مضر بودن آنها برای استفاده اولیه (سلاح) در نظر گرفته می شوند.
ایزوتوپ 238 Puدارای رادیواکتیویته آلفا قدرتمند و در نتیجه تولید گرمای قابل توجهی (567 وات بر کیلوگرم) است. این برای استفاده در سلاح های هسته ای مشکل ساز است، اما در باتری های هسته ای کاربرد دارد. تقریباً تمام فضاپیماهایی که فراتر از مدار مریخ پرواز کرده اند دارای راکتورهای رادیوایزوتوپی با استفاده از 238 Pu هستند. در پلوتونیوم راکتور، نسبت این ایزوتوپ بسیار کم است.
ایزوتوپ 240 Puآلاینده اصلی پلوتونیوم با درجه سلاح است. سرعت واپاشی خود به خودی بالایی دارد و پس زمینه نوترونی بالایی ایجاد می کند که انفجار بارهای هسته ای را به طور قابل توجهی پیچیده می کند. اعتقاد بر این است که سهم آن در تسلیحات نباید بیش از 7٪ باشد.
241 Puدارای زمینه نوترونی کم و انتشار حرارتی متوسط ​​است. سهم آن اندکی کمتر از 1٪ است و بر خواص پلوتونیوم با درجه سلاح تأثیر نمی گذارد. با این حال، با نیمه عمر خود، 1914 به americium-241 تبدیل می شود که گرمای زیادی تولید می کند که می تواند مشکلی با گرم شدن بیش از حد بارها ایجاد کند.
242 Puدارای سطح مقطع بسیار کوچکی برای واکنش جذب نوترون است و در راکتورهای هسته ای تجمع می یابد، هرچند در مقادیر بسیار کم (کمتر از 0.1٪). این بر خواص پلوتونیوم با درجه سلاح تأثیر نمی گذارد. عمدتاً برای واکنش‌های هسته‌ای بیشتر در سنتز عناصر ترانس پلوتونیوم استفاده می‌شود: نوترون‌های حرارتی باعث شکافت هسته‌ای نمی‌شوند، بنابراین هر مقدار از این ایزوتوپ را می‌توان با شارهای نوترونی قدرتمند تابش کرد.
سایر ایزوتوپ های پلوتونیوم بسیار نادر هستند و هیچ تاثیری بر ساخت سلاح های هسته ای ندارند. ایزوتوپ های سنگین در مقادیر بسیار کم تشکیل می شوند، عمر کوتاهی دارند (کمتر از چند روز یا چند ساعت) و از طریق واپاشی بتا به ایزوتوپ های مربوطه آمریکیوم تبدیل می شوند. در میان آنها برجسته است 244 Pu– نیمه عمر آن حدود 82 میلیون سال است. این ایزوتوپ ترین ایزوتوپ در بین تمام عناصر ترانس اورانیوم است.
کاربرد
در پایان سال 1995، جهان حدود 1270 تن پلوتونیوم تولید کرده بود که 257 تن آن برای مصارف نظامی بود که فقط ایزوتوپ 239 Pu برای آن مناسب است. می توان از 239 Pu به عنوان سوخت در راکتورهای هسته ای استفاده کرد، اما از نظر اقتصادی از اورانیوم پایین تر است. هزینه بازفرآوری سوخت هسته ای برای استخراج پلوتونیوم بسیار بیشتر از هزینه اورانیوم با غنای پایین (حدود 5% 235 U) است. فقط ژاپن برنامه ای برای استفاده از انرژی پلوتونیوم دارد.
تغییرات آلوتروپیک
در شکل جامد، پلوتونیوم دارای هفت تغییر آلوتروپیک است (با این حال، فازهای ? و ?1 گاهی با هم ترکیب می شوند و یک فاز در نظر گرفته می شوند). در دمای اتاق، پلوتونیوم یک ساختار کریستالی به نام است ؟-فاز.اتم ها با یک پیوند کووالانسی (به جای پیوند فلزی) به هم متصل می شوند، بنابراین خواص فیزیکی به مواد معدنی نزدیک تر از فلزات است. این ماده سخت و شکننده ای است که در جهات خاصی می شکند. رسانایی حرارتی پایینی در بین تمام فلزات، رسانایی الکتریکی پایین، به استثنای منگنز دارد. فاز β را نمی توان با استفاده از فناوری های فلزی معمولی پردازش کرد.
هنگامی که دما تغییر می کند، پلوتونیوم دچار تغییر ساختار می شود و تغییرات بسیار شدیدی را تجربه می کند. برخی از انتقال بین فازها با تغییرات ساده در حجم همراه است. در دو تا از این فازها (?و?1) پلوتونیوم دارای خاصیت منحصر به فردی است - ضریب انبساط دمایی منفی، یعنی. با افزایش دما منقبض می شود.
در فازهای گاما و دلتا، پلوتونیوم خواص معمول فلزات، به ویژه چکش خواری را از خود نشان می دهد. با این حال، در فاز دلتا، پلوتونیوم ناپایداری از خود نشان می دهد. تحت فشار خفیف، سعی می کند در فاز آلفای متراکم (25%) قرار گیرد. این ویژگی در دستگاه های انفجاری سلاح های هسته ای استفاده می شود.
در پلوتونیوم خالص در فشارهای بالای 1 کیلوبار، فاز دلتا اصلا وجود ندارد. در فشارهای بالای 30 کیلوبار، فقط فازهای آلفا و بتا وجود دارند.
متالورژی پلوتونیوم
پلوتونیوم را می توان در فاز دلتا در فشار معمولی و دمای اتاق با تشکیل آلیاژ با فلزات سه ظرفیتی مانند گالیم، آلومینیوم، سریم، ایندیم در غلظت چند مول درصد تثبیت کرد. در این شکل است که پلوتونیوم در سلاح های هسته ای استفاده می شود.
پلوتونیوم مسلح شده
برای تولید تسلیحات هسته‌ای، باید به خلوص ایزوتوپ مورد نظر (235 U یا 239 Pu) بیش از 90 درصد رسید. ایجاد بار از اورانیوم به مراحل غنی سازی زیادی نیاز دارد (زیرا نسبت 235 U در اورانیوم طبیعی کمتر از 1٪ است، در حالی که نسبت 239 Pu در پلوتونیوم راکتور معمولاً از 50٪ تا 80٪ است (یعنی تقریباً 100 برابر بیشتر). و در برخی از حالت های کار راکتور می توان پلوتونیوم حاوی بیش از 90٪ 239 Pu را بدست آورد - چنین پلوتونیومی نیازی به غنی سازی ندارد و می تواند مستقیماً برای ساخت سلاح های هسته ای استفاده شود.
نقش بیولوژیکی
پلوتونیوم یکی از سمی ترین مواد شناخته شده است. سمیت پلوتونیوم نه چندان به دلیل خواص شیمیایی آن است (اگرچه پلوتونیوم شاید به اندازه هر فلز سنگین سمی باشد)، بلکه بیشتر به دلیل رادیواکتیویته آلفا آن است. ذرات آلفا حتی توسط لایه های نازک مواد یا پارچه ها حفظ می شوند. فرض کنید چند میلی متر از پوست جریان آنها را به طور کامل جذب می کند و از اندام های داخلی محافظت می کند. اما ذرات آلفا برای بافت هایی که با آنها در تماس هستند بسیار مضر هستند. بنابراین، اگر پلوتونیوم وارد بدن شود، خطری جدی ایجاد می کند. در دستگاه گوارش بسیار ضعیف جذب می شود، حتی اگر به شکل محلول به آنجا برسد. اما خوردن نیم گرم پلوتونیوم می تواند در عرض چند هفته به دلیل تابش حاد دستگاه گوارش منجر به مرگ شود.
استنشاق یک دهم گرم گرد و غبار پلوتونیوم منجر به مرگ در اثر ادم ریوی در عرض ده روز می شود. استنشاق دوز 20 میلی گرم منجر به مرگ بر اثر فیبروز در عرض یک ماه می شود. دوزهای کوچکتر باعث ایجاد اثر سرطان زا می شود. مصرف 1 میکروگرم پلوتونیوم احتمال ابتلا به سرطان ریه را 1 درصد افزایش می دهد. بنابراین، 100 میکروگرم پلوتونیوم در بدن تقریباً توسعه سرطان را تضمین می کند (در عرض ده سال، اگرچه ممکن است آسیب بافت زودتر رخ دهد).
در سیستم های بیولوژیکی پلوتونیوم معمولاً در حالت اکسیداسیون +4 است و شباهت هایی به آهن نشان می دهد. به محض ورود به خون، به احتمال زیاد در بافت های حاوی آهن متمرکز می شود: مغز استخوان، کبد، طحال. اگر حتی 1-2 میکروگرم پلوتونیوم در مغز استخوان ته نشین شود، ایمنی به طور قابل توجهی بدتر می شود. دوره حذف پلوتونیوم از بافت استخوان 80-100 سال است، یعنی. او عملاً در طول زندگی خود در آنجا باقی خواهد ماند.
کمیسیون بین المللی حفاظت رادیولوژیکی حداکثر جذب سالانه پلوتونیوم را 280 نانوگرم تعیین کرده است.