Plutonium (latinaksi Plutonium, symboli Pu) on radioaktiivinen kemiallinen alkuaine, jonka atominumero on 94 ja atomipaino 244.064. Plutonium on Dmitri Ivanovitš Mendelejevin jaksollisen järjestelmän ryhmän III elementti ja kuuluu aktinidiperheeseen. Plutonium on raskas (tiheys normaaleissa olosuhteissa 19,84 g/cm³) hauras radioaktiivinen metalli, jonka väri on hopeanvalkoinen.
Plutoniumilla ei ole stabiileja isotooppeja. Plutoniumin sadasta mahdollisesta isotoopista 25 on syntetisoitu. Niistä viidentoista (massaluvut 232-246) tutkittiin ydinominaisuuksia. Neljä on löytänyt käytännön sovelluksen. Pisin isotoopit ovat 244Pu (puoliintumisaika 8,26-107 vuotta), 242Pu (puoliintumisaika 3,76-105 vuotta), 239Pu (puoliintumisaika 2,41-104 vuotta), 238Pu (puoliintumisaika 87,74 vuotta) - emitterit ja 241Pu (puoliintumisaika 14 vuotta) - β-emitteri. Luonnossa plutoniumia on mitättömät määrät uraanimalmeissa (239Pu); se muodostuu uraanista neutronien vaikutuksesta, jonka lähteitä ovat reaktiot, jotka tapahtuvat α-hiukkasten vuorovaikutuksessa kevyiden alkuaineiden kanssa (sisältyy malmiin), uraaniytimien spontaani fissio ja kosminen säteily.
Yhdeksännenkymmenennenneljännen alkuaineen löysi joukko amerikkalaisia tutkijoita - Glenn Seaborg, Kennedy, Edwin McMillan ja Arthur Wahl vuonna 1940 Berkeleyssä (Kalifornian yliopistossa) pommittaessa uraanioksidin (U3O8) kohdetta voimakkaasti kiihdytetyillä deuteriumytimillä. (deuteronit) kuudenkymmenen tuuman syklotronista. Toukokuussa 1940 Louis Turner ennusti plutoniumin ominaisuudet.
Joulukuussa 1940 löydettiin plutonium-isotooppi Pu-238, jonka puoliintumisaika oli noin 90 vuotta, ja vuotta myöhemmin tärkeämpi Pu-239, jonka puoliintumisaika on noin 24 000 vuotta.
Edwin MacMillan ehdotti vuonna 1948 kemiallisen alkuaineen nimeämistä plutoniumiksi uuden Pluton löytämisen kunniaksi ja analogisesti neptuniumin kanssa, joka nimettiin Neptunuksen löytämisen mukaan.
Metallista plutoniumia (239Pu-isotooppi) käytetään ydinaseissa ja se toimii ydinpolttoaineena lämpö- ja erityisen nopeilla neutroneilla toimivissa voimareaktoreissa. 239Pu:n kriittinen massa metallina on 5,6 kg. Muun muassa 239Pu-isotooppi on lähtöaine transplutoniumelementtien valmistukseen ydinreaktoreissa. 238Pu-isotooppia käytetään pienikokoisissa ydinvoimalähteissä, joita käytetään avaruustutkimuksessa, sekä ihmisen sydämen stimulanteissa.
Plutonium-242 on tärkeä "raaka-aineena" korkeampien transuraanialkuaineiden suhteellisen nopealle kertymiselle ydinreaktoreihin. δ-stabiloituja plutoniumseoksia käytetään polttokennojen valmistuksessa, koska niillä on paremmat metallurgiset ominaisuudet verrattuna puhtaaseen plutoniumiin, joka läpikäy faasimuutoksia kuumennettaessa. Plutoniumoksideja käytetään avaruusteknologian energialähteenä ja niitä käytetään polttoainesauvoissa.
Kaikki plutoniumyhdisteet ovat myrkyllisiä, mikä on seurausta α-säteilystä. Alfahiukkaset aiheuttavat vakavan vaaran, jos niiden lähde on tartunnan saaneen henkilön kehossa, ne vahingoittavat kehon ympäröivää kudosta. Plutoniumin gammasäteily ei ole vaarallista elimistölle. On syytä ottaa huomioon, että plutoniumin eri isotoopeilla on erilaisia myrkyllisyyksiä, esimerkiksi tyypillinen reaktorin plutonium on 8-10 kertaa myrkyllisempää kuin puhdas 239Pu, koska sitä hallitsevat 240Pu-nuklidit, jotka ovat voimakas alfasäteilyn lähde. Plutonium on kaikista aktinideista radiotoksisin alkuaine, mutta sitä pidetään kaukana vaarallisimmasta alkuaineesta, koska radium on lähes tuhat kertaa vaarallisempi kuin plutoniumin myrkyllisin isotooppi - 239Pu.
Biologiset ominaisuudet
Meren eliöt väkevöivät plutoniumia: tämän radioaktiivisen metallin kertymiskerroin (pitoisuuksien suhde kehossa ja ulkoisessa ympäristössä) leville on 1000-9000, planktonille - noin 2300, meritähtille - noin 1000, nilviäisille - jopa 380, kalojen lihaksille, luille, maksalle ja mahalle - 5, 570, 200 ja 1060. Maakasvit imevät plutoniumia pääasiassa juurijärjestelmän kautta ja keräävät sen 0,01 prosenttiin massastaan. Ihmiskehossa yhdeksänkymmentäneljäs elementti säilyy pääasiassa luurangossa ja maksaassa, josta se ei juuri poistu (etenkin luista).
Plutonium on erittäin myrkyllistä ja sen kemiallinen vaara (kuten minkä tahansa muun raskasmetallin) on paljon heikompi (kemialliselta kannalta se on myös myrkyllinen kuten lyijy.) verrattuna sen radioaktiiviseen myrkyllisyyteen, joka on seurausta alfasäteilystä. Lisäksi α-hiukkasilla on suhteellisen alhainen läpäisykyky: 239Pu:lla α-hiukkasten alue ilmassa on 3,7 cm ja pehmeässä biologisessa kudoksessa 43 μm. Siksi alfahiukkaset aiheuttavat vakavan vaaran, jos niiden lähde on tartunnan saaneen henkilön kehossa. Samalla ne vahingoittavat elementtiä ympäröivän kehon kudoksia.
Samaan aikaan γ-säteet ja neutronit, joita plutonium lähettää ja jotka voivat tunkeutua kehoon ulkopuolelta, eivät ole kovin vaarallisia, koska niiden taso on liian alhainen aiheuttamaan haittaa terveydelle. Plutonium kuuluu alkuaineryhmään, jolla on erityisen korkea radiotoksisuus. Samaan aikaan plutoniumin eri isotoopeilla on erilainen toksisuus, esimerkiksi tyypillinen reaktorin plutonium on 8-10 kertaa myrkyllisempää kuin puhdas 239Pu, koska sitä hallitsevat 240Pu-nuklidit, jotka ovat voimakas alfasäteilyn lähde.
Veden ja ruoan kautta nautittuna plutonium on vähemmän myrkyllistä kuin kofeiini, jotkut vitamiinit, pseudoefedriini ja monet kasvit ja sienet. Tämä selittyy sillä, että tämä alkuaine imeytyy huonosti maha-suolikanavasta, vaikka se toimitetaan liukoisena suolana, tämä sama suola sitoutuu mahalaukun ja suoliston sisältöön. Kuitenkin 0,5 gramman hienojakoista tai liuennutta plutoniumia nauttiminen voi johtaa kuolemaan akuutista ruoansulatuskanavan säteilytyksestä päivien tai viikkojen kuluessa (syanidilla tämä arvo on 0,1 grammaa).
Hengityksen kannalta plutonium on tavallinen myrkky (suunnilleen vastaava kuin elohopeahöyry). Hengitettynä plutonium on syöpää aiheuttavaa ja voi aiheuttaa keuhkosyöpää. Joten hengitettynä sata milligrammaa plutoniumia optimaalisen kokoisten hiukkasten muodossa keuhkoissa pysymiselle (1-3 mikronia) johtaa kuolemaan keuhkoödeemaan 1-10 päivässä. Kahdenkymmenen milligramman annos johtaa fibroosin kuolemaan noin kuukaudessa. Pienemmät annokset johtavat krooniseen karsinogeeniseen myrkytykseen. Vaara plutoniumin hengittämisestä kehoon kasvaa johtuen siitä, että plutonium on altis aerosolien muodostumiselle.
Vaikka se on metallia, se on melko haihtuvaa. Metallin lyhyt oleskelu huoneessa lisää merkittävästi sen pitoisuutta ilmassa. Keuhkoihin päässyt plutonium laskeutuu osittain keuhkojen pinnalle, siirtyy osittain vereen ja sitten imusolmukkeeseen ja luuytimeen. Suurin osa (noin 60 %) päätyy luukudokseen, 30 % maksaan ja vain 10 % erittyy luonnollisesti. Elimistöön pääsevän plutoniumin määrä riippuu aerosolihiukkasten koosta ja liukoisuudesta vereen.
Ihmiskehoon tavalla tai toisella päässyt plutonium on ominaisuuksiltaan samanlainen kuin rauta, joten tunkeutuessaan verenkiertojärjestelmään plutonium alkaa keskittyä rautaa sisältäviin kudoksiin: luuytimeen, maksaan, pernaan. Elimistö havaitsee plutoniumin raudana, joten transferriiniproteiini ottaa plutoniumia raudan sijaan, minkä seurauksena hapen siirto kehossa pysähtyy. Mikrofagit kuljettavat plutoniumia imusolmukkeisiin. Kehoon joutuneen plutoniumin poistuminen kehosta kestää hyvin pitkän ajan – 50 vuoden sisällä vain 80 % poistuu kehosta. Puoliintumisaika maksasta on 40 vuotta. Luukudoksessa plutoniumin puoliintumisaika on 80-100 vuotta, itse asiassa elementin 94 pitoisuus luissa on vakio.
Koko toisen maailmansodan ajan ja sen jälkeen Manhattan-projektissa työskentelevät tutkijat sekä Kolmannen valtakunnan ja muiden tutkimusorganisaatioiden tutkijat suorittivat plutoniumin kokeita eläimillä ja ihmisillä. Eläintutkimukset ovat osoittaneet, että muutama milligramma plutoniumia kudoskiloa kohden on tappava annos. Plutoniumin käyttö ihmisillä koostui tavallisesti 5 mikrogramman plutoniumin injektiosta lihakseen kroonisesti sairaille potilaille. Lopulta todettiin, että potilaan tappava annos oli yksi mikrogramma plutoniumia ja että plutonium oli radiumia vaarallisempi ja kerääntyi luihin.
Kuten tiedetään, plutonium on alkuaine, jota käytännössä ei esiinny luonnossa. Kuitenkin noin viisi tonnia sitä pääsi ilmakehään vuosien 1945-1963 ydinkokeiden seurauksena. Ennen 1980-lukua ydinkokeiden seurauksena ilmakehään vapautuneen plutoniumin kokonaismääräksi arvioidaan 10 tonnia. Joidenkin arvioiden mukaan Yhdysvaltojen maaperä sisältää keskimäärin 2 millicurieta (28 mg) plutoniumia laskeumakilometriä kohden, ja plutoniumin esiintyminen Tyynellämerellä on lisääntynyt verrattuna ydinmateriaalien yleiseen jakautumiseen maan päällä.
Viimeisin ilmiö liittyy Yhdysvaltojen ydinkokeisiin Marshallsaarilla Tyynenmeren testialueella 1950-luvun puolivälissä. Plutoniumin viipymäaika valtamerten pintavesissä vaihtelee 6-21 vuoden välillä, mutta tämänkin ajanjakson jälkeen plutonium putoaa pohjalle biogeenisten hiukkasten mukana, josta se pelkistyy liukoisiin muotoihin mikrobien hajoamisen seurauksena.
Yhdeksännenkymmenennenneljännen elementin aiheuttama maailmanlaajuinen saastuminen ei liity pelkästään ydinkokeiden lisäksi myös tuotannon onnettomuuksiin ja tämän elementin kanssa vuorovaikutuksessa oleviin laitteisiin. Joten tammikuussa 1968 Yhdysvaltain ilmavoimien B-52, jossa oli neljä ydinkärkeä, syöksyi maahan Grönlannissa. Räjähdyksen seurauksena panokset tuhoutuivat ja plutonium vuoti mereen.
Toinen tapaus radioaktiivisesta ympäristön saastumisesta onnettomuuden seurauksena tapahtui Neuvostoliiton avaruusaluksella Kosmos-954 24. tammikuuta 1978. Hallitsemattoman kiertoradan seurauksena satelliitti, jossa oli ydinvoimalähde, putosi Kanadan alueelle. Onnettomuuden seurauksena ympäristöön pääsi yli kilogramma plutonium-238:aa, joka levisi noin 124 000 m²:n alueelle.
Kauhein esimerkki radioaktiivisten aineiden hätävuodosta ympäristöön on Tšernobylin ydinvoimalaitoksen onnettomuus, joka tapahtui 26. huhtikuuta 1986. Neljännen voimayksikön tuhoutumisen seurauksena 190 tonnia radioaktiivisia aineita (mukaan lukien plutonium-isotoopit) pääsi ympäristöön noin 2200 km²:n alueella.
Plutoniumin vapautuminen ympäristöön ei liity pelkästään ihmisen aiheuttamiin tapahtumiin. Plutoniumvuodosta on tunnettuja tapauksia sekä laboratorio- että tehdasolosuhteista. Yli kaksikymmentä vahingossa tapahtunutta vuotoa 235U- ja 239Pu-laboratorioista tunnetaan. Vuosina 1953-1978. onnettomuudet johtivat 0,81 (Mayak, 15. maaliskuuta 1953) 10,1 kg:n (Tomsk, 13. joulukuuta 1978) 239Pu:n tappioon. Teollisuusonnettomuudet johtivat yhteensä kahteen kuolemaan Los Alamosissa (21. elokuuta 1945 ja 21. toukokuuta 1946) kahdesta onnettomuudesta ja 6,2 kg plutoniumin menetyksestä. Sarovin kaupungissa vuosina 1953 ja 1963. noin 8 ja 17,35 kg putosi ydinreaktorin ulkopuolelle. Yksi niistä johti ydinreaktorin tuhoutumiseen vuonna 1953.
Kun 238Pu-ydin fissioi neutroneja, vapautuu 200 MeV energiaa, mikä on 50 miljoonaa kertaa enemmän kuin tunnetuin eksoterminen reaktio: C + O2 → CO2. Ydinreaktorissa "polttaessa" yksi gramma plutoniumia tuottaa 2 107 kcal - tämä on energia, joka sisältyy 4 tonniin hiiltä. Sormustin plutoniumpolttoainetta energiaekvivalentteina voi vastata neljääkymmentä vaunua hyvää polttopuuta!
Plutoniumin "luonnollisen isotoopin" (244Pu) uskotaan olevan kaikkien transuraanialkuaineiden pisin elinikäinen isotooppi. Sen puoliintumisaika on 8,26∙107 vuotta. Tiedemiehet ovat pitkään yrittäneet saada isotooppia transuraanialkuaineesta, joka olisi olemassa pidempään kuin 244Pu - suuria toiveita tältä osin asetettiin 247 cm:iin. Sen synteesin jälkeen kuitenkin kävi ilmi, että tämän alkuaineen puoliintumisaika on vain 14 miljoonaa vuotta.
Tarina
Vuonna 1934 Enrico Fermin johtama tiedemiesryhmä ilmoitti, että he olivat löytäneet tieteellisen työn aikana Rooman yliopistossa kemiallisen alkuaineen, jonka sarjanumero on 94. Fermin vaatimuksesta alkuaine nimettiin hesperiumiksi, tiedemies oli vakuuttunut siitä, että hän oli oli löytänyt uuden alkuaineen, jota nykyään kutsutaan plutoniumiksi, mikä viittaa transuraanialkuaineiden olemassaoloon ja siitä tuli niiden teoreettinen löytäjä. Fermi puolusti tätä hypoteesia Nobel-luennossaan vuonna 1938. Vasta sen jälkeen, kun saksalaiset tutkijat Otto Frisch ja Fritz Strassmann löysivät ydinfission, Fermi joutui tekemään Tukholmassa vuonna 1939 julkaistuun painettuun versioon huomautuksen, joka osoitti, että "koko transuraanialkuaineiden ongelmaa oli harkittava uudelleen". Tosiasia on, että Frischin ja Strassmannin työ osoitti, että Fermin kokeissaan löytämä aktiivisuus johtui juuri fissiosta, ei transuraanialkuaineiden löytämisestä, kuten hän oli aiemmin uskonut.
Uusi elementti, yhdeksänkymmentäneljäs, löydettiin vuoden 1940 lopussa. Se tapahtui Berkeleyssä Kalifornian yliopistossa. Pommittamalla uraanioksidia (U3O8) raskailla vetyytimillä (deuteroneilla) Glenn T. Seaborgin johtama amerikkalaisten radiokemistien ryhmä löysi aiemmin tuntemattoman alfahiukkassäteilijän, jonka puoliintumisaika on 90 vuotta. Tämä emitteri osoittautui alkuaineen nro 94 isotoopiksi, jonka massaluku oli 238. Näin ollen 14. joulukuuta 1940 saatiin ensimmäiset mikrogrammamäärät plutoniumia yhdessä muiden alkuaineiden ja niiden yhdisteiden seoksen kanssa.
Vuonna 1940 tehdyssä kokeessa havaittiin, että ydinreaktion aikana tuotetaan ensin lyhytikäinen isotooppi neptunium-238 (puoliintumisaika 2,117 päivää) ja siitä plutonium-238:
23392U (d,2n) → 23893Np → (β−) 23894Pu
Pitkät ja työläs kemialliset kokeet uuden alkuaineen erottamiseksi epäpuhtauksista kestivät kaksi kuukautta. G. T. Seaborg, E. M. Macmillan, J. W. Kennedy ja A. C. Wall vahvistivat uuden kemiallisen alkuaineen olemassaolon yöllä 23.–24. helmikuuta 1941 tutkimalla sen ensimmäisiä kemiallisia ominaisuuksia - kykyä hallita vähintään kaksi hapettumista valtioita. Hieman myöhemmin kuin kokeiden lopussa todettiin, että tämä isotooppi on halkeamaton, ja siksi se ei kiinnosta lisätutkimuksia. Pian (maaliskuussa 1941) Kennedy, Seaborg, Segre ja Wahl syntetisoivat tärkeämmän isotoopin, plutonium-239:n, säteilyttämällä uraania voimakkaasti kiihdytetyillä neutroneilla syklotronissa. Tämä isotooppi muodostuu neptunium-239:n hajoamisen seurauksena, se lähettää alfasäteitä ja sen puoliintumisaika on 24 000 vuotta. Ensimmäinen puhdas alkuaineen yhdiste saatiin vuonna 1942, ja ensimmäiset painomäärät metallista plutoniumia saatiin vuonna 1943.
Uuden alkuaineen 94 nimeä ehdotti vuonna 1948 MacMillan, joka muutamaa kuukautta ennen plutoniumin löytymistä yhdessä F. Eibelsonin kanssa sai ensimmäisen uraania raskaamman alkuaineen - alkuaineen nro 93, joka nimettiin kunniaksi neptuniumiksi. Neptunuksen planeetta - ensimmäinen Uranuksen takana. Analogisesti he päättivät kutsua elementtiä nro 94 plutoniumiksi, koska Pluto on toinen Uranuksen jälkeen. Seaborg puolestaan ehdotti uuden alkuaineen kutsumista "plutiumiksi", mutta huomasi sitten, että nimi ei kuulostanut kovin hyvältä verrattuna "plutoniumiin". Lisäksi hän esitti uudelle alkuaineelle muita nimiä: ultimium, extermium, koska tuolloin oli virheellinen arvio, jonka mukaan plutoniumista tulisi jaksollisen järjestelmän viimeinen kemiallinen alkuaine. Tämän seurauksena elementti nimettiin "plutoniumiksi" aurinkokunnan viimeisen planeetan löytämisen kunniaksi.
Luonnossa oleminen
Plutoniumin pisimmän elinajan isotoopin puoliintumisaika on 75 miljoonaa vuotta. Luku on erittäin vaikuttava, mutta Galaxyn ikä mitataan miljardeissa vuosissa. Tästä seuraa, että yhdeksännenkymmenennenneljännen alkuaineen primaarisilla isotoopeilla, jotka muodostuivat universumin alkuaineiden suuren synteesin aikana, ei ollut mahdollisuuksia selviytyä tähän päivään asti. Ja silti, tämä ei tarkoita, etteikö maapallossa olisi lainkaan plutoniumia. Sitä muodostuu jatkuvasti uraanimalmeissa. Vangitsemalla neutroneja kosmisesta säteilystä ja neutroneja, jotka syntyvät 238U:n ytimien spontaanin fission seurauksena, jotkin - hyvin harvat - tämän isotoopin atomit muuttuvat 239U-atomeiksi. Tämän alkuaineen ytimet ovat erittäin epävakaita, ne lähettävät elektroneja ja lisäävät siten varaustaan, ja tapahtuu neptuniumin, ensimmäisen transuraanialkuaineen, muodostumista. 239Np on myös epävakaa, sen ytimet lähettävät myös elektroneja, joten vain 56 tunnissa puolet 239Np:stä muuttuu 239Pu:ksi.
Tämän isotoopin puoliintumisaika on jo hyvin pitkä ja on 24 000 vuotta. 239Pu:n pitoisuus on keskimäärin noin 400 000 kertaa pienempi kuin radiumin. Siksi on äärimmäisen vaikeaa paitsi louhia myös "maanpäällisen" plutoniumin havaitseminen. Pieniä määriä 239Pu:ta - biljoonaa osaa - ja hajoamistuotteita löytyy uraanimalmeista, esimerkiksi Oklossa, Gabonissa (Länsi-Afrikka) sijaitsevassa luonnollisessa ydinreaktorissa. Niin sanottua "luonnollista ydinreaktoria" pidetään ainoana maailmassa, jonka geosfäärissä muodostuu parhaillaan aktinideja ja niiden fissiotuotteita. Nykyaikaisten arvioiden mukaan tällä alueella tapahtui useita miljoonia vuosia sitten itseään ylläpitävä reaktio lämmön vapautumisen kanssa, joka kesti yli puoli miljoonaa vuotta.
Tiedämme siis jo, että uraanimalmeissa uraaniytimien neutronien sieppauksen seurauksena muodostuu neptuniumia (239Np), jonka β-hajoamistuote on luonnollinen plutonium-239. Erikoislaitteiden - massaspektrometrien - ansiosta prekambrian bastnaesiitista (seriummalmi) löydettiin plutonium-244 (244Pu), jolla on pisin puoliintumisaika - noin 80 miljoonaa vuotta. Luonnossa 244Pu esiintyy pääasiassa dioksidina (PuO2), joka liukenee veteen vielä vähemmän kuin hiekka (kvartsi). Koska suhteellisen pitkäikäinen isotooppi plutonium-240 (240Pu) on plutonium-244:n hajoamisketjussa, sen hajoamista tapahtuu, mutta tätä tapahtuu hyvin harvoin (1 tapaus 10 000:sta). Hyvin pienet määrät plutonium-238:aa (238Pu) johtuvat uraanimalmeista löydetyn emoisotoopin, uraani-238:n, erittäin harvinaisesta kaksoisbeetahajoamisesta.
Isotooppien 247Pu ja 255Pu jälkiä löydettiin lämpöydinpommien räjähdyksen jälkeen kerätystä pölystä.
Ihmiskehossa saattaa hypoteettisesti esiintyä minimaalisia määriä plutoniumia, kun otetaan huomioon, että plutoniumiin liittyviä ydinkokeita on suoritettu tavalla tai toisella. Plutonium kertyy pääasiassa luustoon ja maksaan, josta se ei käytännössä erity. Lisäksi meren eliöt kerääntyvät elementtiin yhdeksänkymmentäneljä; Maakasvit imevät plutoniumia pääasiassa juurijärjestelmän kautta.
Osoittautuu, että keinotekoisesti syntetisoitua plutoniumia on edelleen luonnossa, joten miksi sitä ei louhita, vaan se saadaan keinotekoisesti? Tosiasia on, että tämän elementin pitoisuus on liian alhainen. Toisesta radioaktiivisesta metallista - radiumista he sanovat: "gramma tuotantoa - vuosi työtä", ja radiumia on luonnossa 400 000 kertaa enemmän kuin plutoniumia! Tästä syystä on erittäin vaikeaa paitsi louhia myös "maanpäällistä" plutoniumia havaita. Tämä tehtiin vasta sen jälkeen, kun ydinreaktoreissa tuotetun plutoniumin fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet oli tutkittu.
Sovellus
239Pu-isotooppia (yhdessä U:n kanssa) käytetään ydinpolttoaineena lämpö- ja nopeilla neutroneilla (pääasiassa) toimivissa voimareaktoreissa sekä ydinaseiden valmistuksessa.
Noin puolituhatta ydinvoimalaa ympäri maailmaa tuottaa noin 370 GW sähköä (eli 15 % maailman sähkön kokonaistuotannosta). Plutonium-236:ta käytetään atomisähköakkujen valmistukseen, joiden käyttöikä on viisi vuotta tai enemmän, niitä käytetään sydäntä stimuloivissa virtageneraattoreissa (tahdistimet). 238Pu:ta käytetään pienikokoisissa ydinvoimalähteissä, joita käytetään avaruustutkimuksessa. Näin ollen plutonium-238 on New Horizons-, Galileo- ja Cassini-luotainten, Curiosity-mönkijän ja muiden avaruusalusten virtalähde.
Ydinaseissa käytetään plutonium-239:ää, koska tämä isotooppi on ainoa sopiva nuklidi käytettäväksi ydinpommissa. Lisäksi plutonium-239:n yleisempi käyttö ydinpommeissa johtuu siitä, että plutoniumilla on pienempi tilavuus pallossa (missä pommin ydin sijaitsee), joten pommin räjähdysvoima voidaan saavuttaa tämän ansiosta. omaisuutta.
Suunnitelma, jolla plutoniumia sisältävä ydinräjähdys tapahtuu, perustuu itse pommin suunnitteluun, jonka ydin koostuu 239Pu:lla täytetystä pallosta. Maahan törmäyshetkellä pallo puristuu miljoonan ilmakehän paineeseen suunnittelun ja tätä palloa ympäröivän räjähdysaineen ansiosta. Törmäyksen jälkeen ydin laajenee tilavuudeltaan ja tiheydeltä mahdollisimman lyhyessä ajassa - kymmenissä mikrosekunnissa, kokoonpano hyppää kriittisen tilan läpi lämpöneutroneilla ja menee ylikriittiseen tilaan nopeilla neutroneilla - ydinketjureaktio alkaa alkuaineen neutronit ja ytimet. Ydinpommin lopullinen räjähdys vapauttaa lämpötiloja kymmenien miljoonien asteiden luokkaa.
Plutonium-isotoopit ovat löytäneet käyttönsä transplutonium-alkuaineiden synteesissä (plutoniumin vieressä). Esimerkiksi Oak Ridge National Laboratoryssa saadaan pitkäaikaisella neutronisäteilyllä 239Pu, 24496Cm, 24296Cm, 24997Bk, 25298Cf, 25399E ja 257100Fm. Samalla tavalla americium 24195Am saatiin ensimmäisen kerran vuonna 1944. Vuonna 2010 kalsium-48-ioneilla pommitettu plutonium-242-oksidi toimi ununquadiumin lähteenä.
δ-Stabiloituja plutoniumseoksia käytetään polttoainesauvojen valmistuksessa, koska niillä on huomattavasti paremmat metallurgiset ominaisuudet verrattuna puhtaaseen plutoniumiin, joka läpikäy faasimuutoksia kuumennettaessa ja on erittäin hauras ja epäluotettava materiaali. Plutoniumin ja muiden alkuaineiden seokset (metallien väliset yhdisteet) saadaan yleensä alkuaineiden suoralla vuorovaikutuksella vaadituissa suhteissa, kun taas joskus käytetään pääasiassa epävakaita seoksia ruiskupinnoituksella tai sulatteiden jäähdytyksellä.
Tärkeimmät plutoniumin teolliset seosaineet ovat gallium, alumiini ja rauta, vaikka plutonium pystyy muodostamaan seoksia ja välituotteita useimpien metallien kanssa harvoja poikkeuksia lukuun ottamatta (kalium, natrium, litium, rubidium, magnesium, kalsium, strontium, barium, europium ja ytterbium) . Tulenkestävät metallit: molybdeeni, niobium, kromi, tantaali ja volframi liukenevat nestemäiseen plutoniumiin, mutta lähes liukenemattomia tai vähän liukenevia kiinteään plutoniumiin. Indium, pii, sinkki ja zirkonium pystyvät muodostamaan metastabiilia δ-plutoniumia (δ"-faasi) nopeasti jäähtyessään. Gallium, alumiini, americium, skandium ja cerium voivat stabiloida δ-plutoniumia huoneenlämpötilassa.
Suuret määrät holmiumia, hafniumia ja talliumia mahdollistavat jonkin verran δ-plutoniumin varastoinnin huoneenlämmössä. Neptunium on ainoa alkuaine, joka voi stabiloida α-plutoniumia korkeissa lämpötiloissa. Titaani, hafnium ja zirkonium stabiloivat β-plutoniumin rakenteen huoneenlämpötilassa nopeasti jäähtyessään. Tällaisten seosten sovellukset ovat melko erilaisia. Esimerkiksi plutonium-gallium-seosta käytetään stabiloimaan plutoniumin δ-faasi, mikä välttää α-δ-faasisiirtymän. Plutonium-gallium-kobolttikolmioseos (PuGaCo5) on suprajohtava metalliseos lämpötilassa 18,5 K. Ydinpolttoaineena käytetään useita seoksia (plutonium-zirkonium, plutonium-serium ja plutonium-serium-koboltti).
Tuotanto
Teollista plutoniumia tuotetaan kahdella tavalla. Kyseessä on joko ydinreaktoreissa olevien 238U:n ytimien säteilytys tai plutoniumin erottaminen käytetyn polttoaineen sisältämästä uraanista, transuraanisista alkuaineista ja fissiotuotteista radiokemiallisin menetelmin (yhteissaostus, uutto, ioninvaihto jne.).
Ensimmäisessä tapauksessa käytännöllisin isotooppi 239Pu (sekoitettu pieneen 240Pu:n seokseen) tuotetaan ydinreaktoreissa, joissa on mukana uraaniytimiä ja neutroneja käyttäen β-hajoamista ja neptunium-isotooppeja osallistuessa välifissiotuotteena:
23892U + 21D → 23893Np + 210n;
23893Np → 23894Pu
β-hajoaminen
Tässä prosessissa deuteroni tulee uraani-238:aan, jolloin muodostuu neptunium-238 ja kaksi neutronia. Neptunium-238 halkeaa sitten spontaanisti ja lähettää beeta-miinushiukkasia, jotka muodostavat plutonium-238:n.
Tyypillisesti seoksen 239Pu:n pitoisuus on 90-95%, 240Pu:n 1-7%, muiden isotooppien pitoisuus ei ylitä prosentin kymmenesosia. Isotoopit, joilla on pitkä puoliintumisaika - 242Pu ja 244Pu saadaan pitkäaikaisella säteilytyksellä 239Pu-neutroneilla. Lisäksi 242Pu:n saanto on useita kymmeniä prosentteja, ja 244Pu on prosentin murto-osa 242Pu-pitoisuudesta. Pieniä määriä isotooppisesti puhdasta plutonium-238:aa muodostuu, kun neptunium-237:ää säteilytetään neutroneilla. Plutoniumin kevyitä isotooppeja massaluvuilla 232-237 saadaan yleensä syklotronissa säteilyttämällä uraani-isotooppeja α-hiukkasilla.
Toisessa 239Pu:n teollisen tuotannon menetelmässä käytetään Purex-prosessia, joka perustuu uuttamiseen tributyylifosfaatilla kevyessä laimennusaineessa. Ensimmäisessä syklissä Pu ja U puhdistetaan yhdessä fissiotuotteista ja erotetaan sitten. Toisessa ja kolmannessa syklissä plutonium puhdistetaan ja konsentroidaan edelleen. Tällaisen prosessin kaavio perustuu erotettavien alkuaineiden tetra- ja kuusiarvoisten yhdisteiden ominaisuuksien eroihin.
Aluksi käytetyt polttoainesauvat puretaan ja käytettyä plutoniumia ja uraania sisältävä kuori poistetaan fysikaalisin ja kemiallisin keinoin. Seuraavaksi uutettu ydinpolttoaine liuotetaan typpihappoon. Loppujen lopuksi se on liuenneena voimakas hapetin, ja uraani, plutonium ja epäpuhtaudet hapetetaan. Plutoniumatomit, joiden valenssi on nolla, muunnetaan Pu+6:ksi ja sekä plutonium että uraani liukenevat. Tällaisesta liuoksesta yhdeksänkymmentäneljäs alkuaine pelkistetään kolmiarvoiseen tilaan rikkidioksidilla ja saostetaan sitten lantaanifluoridilla (LaF3).
Sedimentissä on kuitenkin plutoniumin lisäksi neptuniumia ja harvinaisia maametallialkuaineita, mutta suurin osa (uraani) jää liuokseen. Seuraavaksi plutonium hapetetaan jälleen Pu+6:ksi ja lantaanifluoridia lisätään uudelleen. Nyt harvinaiset maametallit saostuvat ja plutonium jää liuokseen. Seuraavaksi neptunium hapetetaan neliarvoiseen tilaan kaliumbromaatilla, koska tällä reagenssilla ei ole vaikutusta plutoniumiin, sitten toissijaisessa saostuksessa samalla lantaanifluoridilla kolmiarvoinen plutonium muuttuu sakaksi ja neptunium jää liuokseen. Tällaisten operaatioiden lopputuotteet ovat plutoniumia sisältävät yhdisteet - PuO2-dioksidi tai fluoridit (PuF3 tai PuF4), joista saadaan metallista plutoniumia (pelkistämällä barium-, kalsium- tai litiumhöyryllä).
Puhtaampaa plutoniumia voidaan saada aikaan pyrokemiallisesti tuotetun metallin elektrolyyttisellä puhdistuksella, joka tehdään elektrolyysikennoissa 700 °C:ssa kalium-, natrium- ja plutoniumkloridin elektrolyytillä käyttäen volframi- tai tantaalikatodia. Tällä tavalla saadun plutoniumin puhtaus on 99,99 %.
Suurten plutoniummäärien tuottamiseksi rakennetaan jalostusreaktoreita, niin sanottuja "kasvattajia" (englannin verbistä lisääntyä - lisääntyä). Nämä reaktorit saivat nimensä, koska ne pystyvät tuottamaan halkeamiskelpoista materiaalia määriä, jotka ylittävät tämän materiaalin hankintakustannukset. Tämän tyyppisten reaktorien ja muiden reaktorien ero on se, että niissä olevia neutroneja ei hidasteta (ei ole hidastajaa, esim. grafiittia), jotta mahdollisimman monet niistä voisivat reagoida 238U:n kanssa.
Reaktion jälkeen muodostuu 239U-atomia, jotka muodostavat myöhemmin 239Pu:n. Tällaisen reaktorin sydäntä, joka sisältää PuO2:ta köyhdytetyssä uraanidioksidissa (UO2), ympäröi vielä enemmän köyhdytetyn uraanidioksidin 238 (238UO2) kuori, jossa muodostuu 239Pu:ta. 238U:n ja 235U:n yhteiskäytön ansiosta "jalostajat" voivat tuottaa luonnonuraanista 50-60 kertaa enemmän energiaa kuin muut reaktorit. Näillä reaktoreilla on kuitenkin suuri haittapuoli - polttoainesauvoja on jäähdytettävä muulla väliaineella kuin vedellä, mikä vähentää niiden energiaa. Siksi jäähdytysnesteenä päätettiin käyttää nestemäistä natriumia.
Tällaisten reaktorien rakentaminen Yhdysvalloissa aloitettiin toisen maailmansodan päättymisen jälkeen. Neuvostoliitto ja Iso-Britannia aloittivat rakentamisen vasta 1950-luvulla.
Fyysiset ominaisuudet
Plutonium on erittäin raskas (tiheys normaalitasolla 19,84 g/cm³) hopeanhohtoinen metalli, puhdistetussa tilassa hyvin samanlainen kuin nikkeli, mutta ilmassa plutonium hapettuu nopeasti, haalistuu muodostaen irisoivan kalvon, ensin vaaleankeltaisen, sitten muuttuen tumman violetiksi . Kun tapahtuu voimakasta hapettumista, metallipinnalle ilmestyy oliivinvihreää oksidijauhetta (PuO2).
Plutonium on erittäin elektronegatiivinen ja reaktiivinen metalli, monta kertaa jopa uraania enemmän. Siinä on seitsemän allotrooppista muunnelmaa (α, β, γ, δ, δ", ε ja ζ), jotka muuttuvat tietyllä lämpötila-alueella ja tietyllä painealueella. Huoneenlämpötilassa plutonium on α-muodossa - tämä on yleisin plutoniumin allotrooppinen modifikaatio Alfafaasissa puhdas plutonium on hauras ja melko kova - tämä rakenne on suunnilleen yhtä kova kuin harmaa valurauta, ellei se ole seostettu muiden metallien kanssa, mikä antaa seokselle sitkeyttä ja pehmeyttä , tässä tiheimmässä muodossa plutonium on kuudenneksi tihein alkuaine (vain osmium, iridium, platina, renium ja neptunium ovat raskaampia). 480 °C:ssa se ei laajene, kuten muut metallit, vaan supistuu (deltafaasit " ja "delta-prime"). Sulaessaan (siirtyessään epsilon-faasista nestefaasiin) myös plutonium supistuu, jolloin sulamaton plutonium pääsee tunkeutumaan. kellua.
Plutoniumilla on suuri joukko epätavallisia ominaisuuksia: sillä on alhaisin lämmönjohtavuus kaikista metalleista - 300 K:ssa se on 6,7 W/(m K); plutoniumilla on alhaisin sähkönjohtavuus; Nestefaasissaan plutonium on viskoosiisin metalli. Yhdeksännenkymmenennenneljännen elementin resistiivisyys huoneenlämpötilassa on metallille erittäin korkea, ja tämä ominaisuus kasvaa lämpötilan laskiessa, mikä ei ole metalleille tyypillistä. Tämä "poikkeama" voidaan jäljittää 100 K lämpötilaan asti - tämän merkin alapuolella sähkövastus pienenee. Kuitenkin 20 K:stä vastus alkaa taas kasvaa metallin säteilyaktiivisuuden vuoksi.
Plutoniumilla on kaikista tutkituista aktinideista (toistaiseksi) suurin sähkövastus, joka on 150 μΩ cm (22 °C:ssa). Tällä metallilla on alhainen sulamispiste (640 °C) ja epätavallisen korkea kiehumispiste (3 227 °C). Lähempänä sulamispistettä nestemäisellä plutoniumilla on erittäin korkea viskositeetti ja pintajännitys muihin metalleihin verrattuna.
Radioaktiivisuutensa ansiosta plutonium on lämmin kosketettaessa. Suuri pala plutoniumia lämpökuoressa kuumennetaan lämpötilaan, joka ylittää veden kiehumispisteen! Lisäksi plutoniumin radioaktiivisuudesta johtuen kidehilassa tapahtuu muutoksia ajan myötä - eräänlainen hehkutus tapahtuu itsesäteilytyksen vuoksi, kun lämpötila nousee yli 100 K.
Koska plutoniumissa on suuri määrä allotrooppisia modifikaatioita, se on vaikeasti prosessoitava ja rullattava metalli faasimuutosten vuoksi. Tiedämme jo, että alfa-muodossa yhdeksänkymmentäneljäs alkuaine on ominaisuuksiltaan samanlainen kuin valurauta, mutta sillä on taipumus muuttua ja muuttua sitkeäksi materiaaliksi ja muodostaa muokattavan β-muodon korkeammilla lämpötila-alueilla. Plutonium δ-muodossa on yleensä stabiili 310–452 °C:n lämpötiloissa, mutta se voi esiintyä huoneenlämpötilassa, jos se on seostettu pienillä prosenttiosuuksilla alumiinia, ceriumia tai galliumia. Kun plutoniumia on seostettu näiden metallien kanssa, sitä voidaan käyttää hitsauksessa. Yleensä delta-muodolla on selvempiä metallin ominaisuuksia - se on lähellä alumiinia lujuuden ja muokattavuuden suhteen.
Kemialliset ominaisuudet
Yhdeksännenkymmenennenneljännen alkuaineen kemialliset ominaisuudet ovat monella tapaa samanlaisia kuin sen edeltäjien jaksollisessa taulukossa - uraanin ja neptuniumin - ominaisuudet. Plutonium on melko aktiivinen metalli, se muodostaa yhdisteitä, joiden hapetusaste on +2 - +7. Vesiliuoksissa elementillä on seuraavat hapetustilat: Pu (III), kuten Pu3+ (estyy happamissa vesiliuoksissa, väriltään vaalean violetti); Pu (IV), kuten Pu4+ (suklaasävy); Pu (V), kuten Pu02+ (kevyt liuos); Pu (VI), PuO22+ (vaaleanoranssi liuos) ja Pu(VII), PuO53- (vihreä liuos).
Lisäksi nämä ionit (paitsi PuO53-) voivat olla samanaikaisesti tasapainossa liuoksessa, mikä selittyy 5f-elektronin läsnäololla, jotka sijaitsevat elektroniradan paikallisella ja delokalisoidulla vyöhykkeellä. pH:ssa 5-8 hallitsee Pu(IV), joka on stabiilin muiden valenssien (hapetustilojen) joukossa. Kaikkien hapetusasteiden plutoniumionit ovat alttiita hydrolyysille ja kompleksien muodostumiselle. Kyky muodostaa tällaisia yhdisteitä lisääntyy Pu5+-sarjassa
Kompakti plutonium hapettuu hitaasti ilmassa ja peittyy irisoivalla öljymäisellä oksidikalvolla. Seuraavat plutoniumoksidit tunnetaan: PuO, Pu2O3, PuO2 ja faasi, jonka koostumus vaihtelee Pu2O3 - Pu4O7 (Berthollidit). Pienten kosteusmäärien läsnä ollessa hapettumis- ja korroosionopeus kasvaa merkittävästi. Jos metalli on alttiina pienille määrille kosteaa ilmaa riittävän pitkään, sen pinnalle muodostuu plutoniumdioksidia (PuO2). Hapen puutteessa sen dihydridiä (PuH2) voi myös muodostua. Yllättäen plutonium ruostuu paljon nopeammin inertin kaasun (kuten argonin) ilmakehässä vesihöyryn kanssa kuin kuivassa ilmassa tai puhtaassa hapessa. Itse asiassa tämä tosiasia on helppo selittää - hapen suora vaikutus muodostaa oksidikerroksen plutoniumin pinnalle, mikä estää hapettumista lisää, jolloin kosteus tuottaa löysää oksidia ja hydridiä. Muuten, tämän pinnoitteen ansiosta metalli muuttuu pyroforiseksi, eli se pystyy syttymään itsestään, tästä syystä metallista plutoniumia käsitellään yleensä inertissä argon- tai typen ilmakehässä. Samalla happi on suojaava aine ja estää kosteuden pääsemästä metalliin.
Yhdeksänkymmentäneljäs alkuaine reagoi happojen, hapen ja niiden höyryjen kanssa, mutta ei alkalien kanssa. Plutonium liukenee hyvin vain erittäin happamiin väliaineisiin (esim. kloorivetyhappo HCl), ja se liukenee myös kloorivetyyn, jodidivetyyn, bromivetyyn, 72 % perkloorihappoon, 85 % ortofosforihappoon H3PO4, väkevään CCl3COOH:iin, sulfamiinihappoon ja kiehuvaan. väkevää typpihappoa. Plutonium ei liukene havaittavasti alkaliliuoksiin.
Kun neliarvoista plutoniumia sisältävät liuokset altistetaan emäksille, saostuu emäksisiä ominaisuuksia omaava plutoniumhydroksidin Pu(OH)4 xH2O sakka. Kun PuO2+:a sisältäviä suolaliuoksia altistetaan alkaleille, amfoteerinen hydroksidi PuO2OH saostuu. Siihen vastaavat suolat - plutoniitit, esimerkiksi Na2Pu2O6.
Plutoniumsuolat hydrolysoituvat helposti joutuessaan kosketuksiin neutraalien tai emäksisten liuosten kanssa, jolloin muodostuu liukenematonta plutoniumhydroksidia. Konsentroidut plutoniumliuokset ovat epävakaita radiolyyttisen hajoamisen vuoksi, mikä johtaa saostumiseen.
Kuvaus plutoniumista
Plutonium(Plutonium) on hopeanhohtoinen raskas kemiallinen alkuaine, radioaktiivinen metalli atominumerolla 94, joka on merkitty jaksollisessa taulukossa symbolilla Pu.
Tämä elektronegatiivinen aktiivinen kemiallinen alkuaine kuuluu aktinidien ryhmään, jonka atomimassa on 244,0642, ja, kuten neptunium, joka sai nimensä samannimisen planeetan kunniaksi, tämä kemikaali on nimensä velkaa Pluto-planeetalle edeltäjistä lähtien. Mendelejevin kemiallisten alkuaineiden jaksollisen taulukon radioaktiivisista alkuaineista ovat ja neptunium, jotka myös nimettiin galaksimme kaukaisten kosmisten planeettojen mukaan.
Plutoniumin alkuperä
Alkuaine plutonium löysi ensimmäisen kerran vuonna 1940 Kalifornian yliopistossa radiologien ja tieteellisten tutkijoiden ryhmä G. Seaborg, E. McMillan, Kennedy, A. Walch pommittaessa uraanikohdetta syklotronista deuteroneilla - raskailla vetyytimillä.
Saman vuoden joulukuussa tutkijat havaitsivat plutonium-isotooppi– Pu-238, jonka puoliintumisaika on yli 90 vuotta, ja havaittiin, että monimutkaisten ydinkemiallisten reaktioiden vaikutuksesta syntyy alun perin isotooppi neptunium-238, jonka jälkeen isotooppi on jo muodostunut plutonium-238.
Vuoden 1941 alussa tiedemiehet löysivät plutonium 239 jonka hajoamisaika on 25 000 vuotta. Plutoniumin isotoopeilla voi olla erilainen neutronipitoisuus ytimessä.
Alkuaineen puhdas yhdiste saatiin vasta vuoden 1942 lopussa. Joka kerta kun radiologiset tutkijat löysivät uuden isotoopin, he mittasivat aina isotooppien puoliintumisajat.
Tällä hetkellä plutonium-isotoopit, joita on yhteensä 15, eroavat toisistaan ajallisesti puolikas elämä. Tähän elementtiin liittyy suuria toiveita ja näkymiä, mutta samalla ihmiskunnan vakavia pelkoja.
Plutoniumilla on huomattavasti suurempi aktiivisuus kuin esimerkiksi uraanilla ja se on yksi kalleimmista teknisesti tärkeistä ja merkittävimmistä kemiallisista aineista.
Esimerkiksi plutoniumgramman hinta on useita kertoja enemmän kuin yksi gramma tai muita yhtä arvokkaita metalleja.
Plutoniumin tuotantoa ja louhintaa pidetään kalliina, ja yhden metalligramman hinta on meidän aikanamme varmasti noin 4 000 dollaria.
Miten plutoniumia saadaan? Plutoniumin tuotanto
Kemiallisen alkuaineen tuotanto tapahtuu ydinreaktoreissa, joiden sisällä uraani halkeaa monimutkaisten kemiallisten ja teknologisten toisiinsa liittyvien prosessien vaikutuksesta.
Uraani ja plutonium ovat tärkeimmät, pääkomponentit atomipolttoaineen (ydin) tuotannossa.
Jos on tarpeen saada suuri määrä radioaktiivista alkuainetta, käytetään transuraanisten alkuaineiden säteilytysmenetelmää, joka voidaan saada käytetystä ydinpolttoaineesta ja uraanin säteilytyksestä. Monimutkaiset kemialliset reaktiot mahdollistavat metallin erottamisen uraanista.
Isotooppien, nimittäin plutonium-238:n ja aselaatuisen plutonium-239:n, jotka ovat hajoamisvälituotteita, saamiseksi käytetään neptunium-237:n säteilytystä neutroneilla.
Pieni osa plutonium-244:ää, joka on pitkän puoliintumisajansa ansiosta pisin elänyt isotooppi, löydettiin ceriummalmista, joka on todennäköisesti säilynyt maaplaneettamme muodostumisesta. Tätä radioaktiivista alkuainetta ei esiinny luonnossa luonnossa.
Plutoniumin fysikaaliset perusominaisuudet ja -ominaisuudet
Plutonium on melko raskas radioaktiivinen kemiallinen alkuaine, jonka väri on hopea ja joka loistaa vain puhdistettuna. Ydin metallin plutoniummassa yhtä suuri kuin 244 a. syödä.
Korkean radioaktiivisuutensa ansiosta tämä elementti on lämmin kosketettaessa ja voi lämmetä lämpötilaan, joka ylittää veden kiehumislämpötilan.
Happiatomien vaikutuksesta plutonium tummuu nopeasti ja peittyy irisoivalla ohuella kalvolla, joka on aluksi vaaleankeltainen ja sitten täyteläinen tai ruskea.
Voimakkaalla hapetuksella elementin pinnalle muodostuu PuO2-jauhetta. Tämän tyyppiset kemialliset metallit ovat alttiina voimakkaille hapettumisprosesseille ja korroosiolle jopa alhaisissa kosteuspitoisuuksissa.
Metallipinnan korroosion ja hapettumisen estämiseksi kuivauslaitteisto on välttämätön. Kuva plutoniumista voidaan katsoa alta.
Plutonium on neliarvoinen kemiallinen metalli, joka liukenee hyvin ja nopeasti jodivetyihin aineisiin ja happamiin ympäristöihin, esimerkiksi kloorihappoon.
Metallisuolat neutraloituvat nopeasti ympäristöissä neutraalilla reaktiolla, emäksisillä liuoksilla, jolloin muodostuu liukenematonta plutoniumhydroksidia.
Plutoniumin sulamislämpötila on 641 celsiusastetta ja kiehumispiste 3230 astetta.
Korkeiden lämpötilojen vaikutuksesta metallin tiheydessä tapahtuu luonnottomia muutoksia. Muodossaan plutoniumilla on useita faaseja ja kuusi kiderakennetta.
Vaiheiden välisen siirtymän aikana elementin tilavuudessa tapahtuu merkittäviä muutoksia. Alkuaine saa tiheimmän muotonsa kuudennessa alfavaiheessa (siirtymän viimeinen vaihe), kun taas metallia raskaampia tässä tilassa ovat vain neptunium ja radium.
Sulaessaan elementti puristuu voimakkaasti, joten metalli voi kellua veden ja muiden ei-aggressiivisten nestemäisten välineiden pinnalla.
Huolimatta siitä, että tämä radioaktiivinen alkuaine kuuluu kemiallisten metallien ryhmään, alkuaine on melko haihtuva, ja kun se on lyhyen ajan suljetussa tilassa, sen pitoisuus ilmassa kasvaa useita kertoja.
Metallin tärkeimmät fysikaaliset ominaisuudet ovat: alhainen aste, kaikkien olemassa olevien ja tunnettujen kemiallisten alkuaineiden lämmönjohtavuus, alhainen sähkönjohtavuus nestemäisessä tilassa, plutonium on yksi viskoosiisimpia metalleja.
On syytä huomata, että kaikki plutoniumyhdisteet ovat myrkyllisiä, myrkyllisiä ja aiheuttavat ihmiskeholle vakavan säteilyvaaran, joka johtuu aktiivisesta alfasäteilystä, joten kaikki työt on suoritettava äärimmäisen huolellisesti ja vain erikoispukuissa, joissa on kemiallinen suojaus. .
Kirjasta voit lukea lisää ainutlaatuisen metallin ominaisuuksista ja teorioista Obrutšev "Plutonia"" Kirjailija V.A. Obrutšev kutsuu lukijoita sukeltamaan syvällä maan sisimmissä sijaitsevan fantastisen Plutonian maan hämmästyttävään ja ainutlaatuiseen maailmaan.
Plutoniumin sovellukset
Teollinen kemiallinen alkuaine luokitellaan yleensä aseluokan ja reaktoriluokan ("energialuokan") plutoniumiin.
Siten ydinaseiden tuotannossa kaikista olemassa olevista isotoopeista on sallittua käyttää vain plutonium 239:ää, joka ei saa sisältää yli 4,5 % plutonium 240:tä, koska se on alttiina spontaanille fissiolle, mikä vaikeuttaa merkittävästi sotilasammusten tuotantoa .
Plutonium-238 käytetään sähköenergian pienikokoisten radioisotooppilähteiden toimintaan, esimerkiksi avaruustekniikan energialähteenä.
Useita vuosikymmeniä sitten plutoniumia käytettiin lääketieteessä sydämentahdistimissa (sydämen rytmiä ylläpitävissä laitteissa).
Ensimmäisessä maailmassa luodussa atomipommissa oli plutoniumpanos. Ydinplutonium(Pu 239) on kysytty ydinpolttoaineeksi voimareaktorien toiminnan varmistamiseksi. Tämä isotooppi toimii myös lähteenä transplutoniumelementtien tuottamiseksi reaktoreissa.
Jos vertaamme ydinplutoniumia puhtaaseen metalliin, isotoopilla on korkeammat metalliparametrit eikä siinä ole siirtymävaiheita, joten sitä käytetään laajalti polttoaine-elementtien hankintaprosessissa.
Plutonium 242 -isotoopin oksideilla on kysyntää myös avaruuden tappavien yksiköiden, laitteiden ja polttoainesauvojen voimanlähteenä.
Aseluokan plutonium on alkuaine, joka esitetään tiiviin metallin muodossa, joka sisältää vähintään 93 % Pu239-isotoopista.
Tämän tyyppistä radioaktiivista metallia käytetään erityyppisten ydinaseiden valmistuksessa.
Aselaatuista plutoniumia tuotetaan erikoistuneissa teollisissa ydinreaktoreissa, jotka toimivat luonnollisella tai vähän rikastetulla uraanilla neutronien talteenoton seurauksena.
Plutoniumin, alkuaine numero 94, löysivät Glenn Seaborg, Edwin McMillan, Kennedy ja Arthur Wahl vuonna 1940 Berkeleyssä pommittamalla uraanikohdetta kuudenkymmenen tuuman syklotronin deuteroneilla. Toukokuussa 1940 Louis Turner ennusti plutoniumin ominaisuudet.
Joulukuussa 1940 löydettiin plutonium-isotooppi Pu-238, jonka puoliintumisaika oli noin 90 vuotta, ja vuotta myöhemmin tärkeämpi Pu-239, jonka puoliintumisaika on noin 24 000 vuotta.
Pu-239 on mukana luonnonuraanissa jäämien muodossa (määrä on yksi osa 1015:tä kohti), kun U-238-ydin sieppaa neutronin. Erittäin pieniä määriä Pu-244:ää (plutoniumin pisin elänyt isotooppi, jonka puoliintumisaika on 80 miljoonaa vuotta) on löydetty ceriummalmista, joka on ilmeisesti jäänyt jäljelle Maan muodostumisesta.
Plutoniumista tunnetaan kaikkiaan 15 isotooppia, jotka kaikki ovat radioaktiivisia. Merkittävimmät ydinaseiden suunnittelussa:
Pu238 -> (86 vuotta vanha, alfahajoaminen) -> U234
Pu239 -> (24 360 vuotta, alfahajoaminen) -> U235
Pu240 -> (6580 vuotta, alfahajoaminen) -> U236
Pu241 -> (14,0 vuotta, beetahajoaminen) -> Am241
Pu242 -> (370 000 vuotta, alfahajoaminen) -> U238 Plutoniumin fysikaaliset ominaisuudet
Plutonium on erittäin raskas hopeanhohtoinen metalli, kiiltävä kuin nikkeli vasta jalostettuna. Se on erittäin elektronegatiivinen, kemiallisesti reaktiivinen alkuaine, paljon enemmän kuin uraani. Se haalistuu nopeasti muodostaen irisoivan kalvon (kuten irisoivan öljykalvon), joka on aluksi vaaleankeltainen ja muuttuu lopulta tumman violetiksi. Jos hapettuminen on melko voimakasta, sen pinnalle ilmestyy oliivinvihreää oksidijauhetta (PuO2).
Plutonium hapettuu helposti ja syövyttää nopeasti jopa vähäisessä kosteudessa. Outoa kyllä, se ruostuu inertin kaasun ilmakehässä vesihöyryn kanssa paljon nopeammin kuin kuivassa ilmassa tai puhtaassa hapessa. Syynä tähän on se, että hapen suora vaikutus muodostaa plutoniumin pinnalle oksidikerroksen, joka estää hapettumisen jatkumisen. Altistuminen kosteudelle tuottaa löysän oksidin ja hydridin seoksen. Kuivausuuni tarvitaan hapettumisen ja korroosion estämiseksi.
Plutoniumilla on neljä valenssia, III-VI. Se liukenee hyvin vain erittäin happamiin väliaineisiin, kuten typpi- tai suolahappoon, se liukenee hyvin myös jodi- ja perkloorihappoihin. Plutoniumsuolat hydrolysoituvat helposti joutuessaan kosketuksiin neutraalien tai emäksisten liuosten kanssa, jolloin muodostuu liukenematonta plutoniumhydroksidia. Konsentroidut plutoniumliuokset ovat epävakaita radiolyyttisen hajoamisen vuoksi, mikä johtaa saostumiseen.
Radioaktiivisuutensa ansiosta plutonium on lämmin kosketettaessa. Suuri pala plutoniumia lämpöeristetyssä kuoressa kuumennetaan lämpötilaan, joka ylittää veden kiehumispisteen.
Plutoniumin fysikaaliset perusominaisuudet:
Sulamispiste: 641 °C;
Kiehumispiste: 3232 °C;
Tiheys: 19,84 (alfa-faasissa).
Plutoniumilla on monia erityisominaisuuksia. Sillä on kaikista metalleista alhaisin lämmönjohtavuus, alhaisin sähkönjohtavuus, lukuun ottamatta mangaania (muiden lähteiden mukaan se on edelleen alhaisin kaikista metalleista). Nestefaasissaan se on viskoosiisin metalli.
Lämpötilan muuttuessa plutoniumin tiheys muuttuu kaikkein vakavimmin ja luonnottomimmin. Plutoniumilla on kuusi erilaista faasia (kiderakennetta) kiinteässä muodossa, enemmän kuin missään muussa alkuaineessa (itse asiassa, tiukempien termien mukaan niitä on seitsemän). Joihinkin vaiheiden välisiin siirtymiin liittyy dramaattisia äänenvoimakkuuden muutoksia. Kahdessa näistä vaiheista - delta ja delta prime - plutoniumilla on ainutlaatuinen ominaisuus supistua lämpötilan noustessa, ja muissa sen lämpötilalaajenemiskerroin on erittäin korkea. Kun plutonium sulaa, se supistuu ja antaa sulamattoman plutoniumin kellua. Tiheimmässä muodossaan, alfafaasi, plutonium on kuudenneksi tihein alkuaine (vain osmium, iridium, platina, renium ja neptunium ovat raskaampia). Alfafaasissa puhdas plutonium on hauras, mutta joustavia seoksia on olemassa.
| Pu | 94 |
Plutonium |
|||||||
| t o kip. (o C) | 3350 | Vaihe oksidi | +3:sta +7:ään | ||||||
| t o kellua (o C) | 640 | Tiheys | 19860 | ||||||
| 5f 6 7s 2 | OEO | 1,2 | maassa haukkua | - | |||||
Elementti nro 94 liittyy erittäin suuriin toiveisiin ja suuriin peloihin ihmiskunnalle.
Alussa oli protoneja - galaktista vetyä. Sen puristamisen ja myöhempien ydinreaktioiden seurauksena muodostui uskomattomimmat nukleonien "harkot". Näiden "harkkojen" joukossa oli ilmeisesti niitä, jotka sisälsivät 94 protonia. Teoreetikkojen arvioiden mukaan noin sata nukleonimuodostelmaa, jotka sisältävät 94 protonia ja 107-206 neutronia, ovat niin stabiileja, että niitä voidaan pitää alkuaineen nro 94 isotooppien ytiminä.
Mutta kaikki nämä isotoopit - hypoteettiset ja todelliset - eivät ole niin vakaita, että ne olisivat säilyneet tähän päivään asti aurinkokunnan elementtien muodostumisesta lähtien. Alkuaineen nro 94 pisimmän elinajan isotoopin puoliintumisaika on 75 miljoonaa vuotta. Galaxyn ikä mitataan miljardeissa vuosissa. Näin ollen "alkuperäisellä" plutoniumilla ei ollut mahdollisuutta selviytyä tähän päivään asti. Jos se syntyi universumin alkuaineiden suuren synteesin aikana, sen muinaiset atomit "kuolivat pois" kauan sitten, aivan kuten dinosaurukset ja mammutit kuolivat sukupuuttoon.
1900-luvulla jKr tämä elementti luotiin uudelleen. Plutoniumin sadasta mahdollisesta isotoopista 25 on syntetisoitu. Niistä viidentoista ydinominaisuudet tutkittiin. Neljä on löytänyt käytännön sovelluksen.
34 vuotta on kulunut siitä päivästä, jolloin alkuaineen nro 94 ensimmäiset ytimet saavuttivat tiedemiehet. Joulukuussa 1940 säteilyttäessään uraania raskailla vetyytimillä Glenn T. Seaborgin johtama amerikkalaisten radiokemistien ryhmä löysi aiemmin tuntemattoman alfahiukkassäteilijän. joiden puoliintumisaika on 90 vuotta. Tämä emitteri osoittautui alkuaineen nro 94 isotoopiksi, jonka massaluku oli 238. Samana vuonna, mutta muutamaa kuukautta aikaisemmin E. M. McMillan ja F. Abelson saivat ensimmäisen uraania raskaamman alkuaineen - alkuaineen nro 93. Tätä alkuainetta kutsuttiin neptuniumiksi ja 94. - plutoniumiksi. Historioitsija sanoo varmasti, että nämä nimet ovat peräisin roomalaisesta mytologiasta, mutta pohjimmiltaan näiden nimien alkuperä ei ole pikemminkin mytologinen, vaan tähtitieteellistä.
Tähtitieteellinen rinnakkaisuus
Jaksollisen järjestelmän solussa 92 sijaitsevan alkuaineen löysi Martin Klaproth vuonna 1789 ja nimesi sen uraaniksi kaukaisimman silloin tunnetun planeetan mukaan (kuuluisa tähtitieteilijä William Herschel havaitsi sen ensimmäisen kerran vuonna 1781, kahdeksan vuotta ennen Klaprothin löytöä.)
Uranus ei ollut aurinkokunnan viimeinen planeetta. Neptunuksen kiertorata kulkee vielä kauempana Auringosta, mutta Neptunus ei ole viimeinen, ja sitä seuraa Pluto, planeetta, josta ei vielä tiedetä juuri mitään... Samanlainen rakenne havaitaan jaksollisen järjestelmän "vasemmalla kyljellä": uraani - neptunium - plutonium, ihmiskunta tietää kuitenkin paljon enemmän plutoniumista kuin Plutosta. Muuten, tähtitieteilijät löysivät Pluton vain kymmenen vuotta ennen plutoniumin synteesiä - melkein sama aika erotti Herschelin ja Klaprothin löydöt.
Arvoituksia kryptografeille
Alkuaineen nro 94 ensimmäinen isotooppi, plutonium-238, on löytänyt käytännön käyttöä nykyään. Mutta 40-luvun alussa he eivät edes ajatelleet sitä. Plutonium-238:aa on mahdollista saada käytännössä kiinnostavia määriä vain tukemalla voimakasta ydinteollisuutta. Siihen aikaan se oli vasta lapsenkengissään. Mutta oli jo selvää, että vapauttamalla raskaiden radioaktiivisten elementtien ytimien sisältämä energia oli mahdollista saada ennennäkemättömän voimakkaita aseita. Manhattan Project ilmestyi, jolla ei ollut muuta kuin yhteinen nimi kuuluisan New Yorkin alueen kanssa. Tämä oli yleinen nimi kaikille ensimmäisten atomipommien luomiseen Yhdysvalloissa liittyville töille. Manhattan-projektin johtaja ei ollut tiedemies, vaan sotilasmies – kenraali Groves, joka "hellästi" kutsui korkeasti koulutettuja panoksiaan "rikkoutuneiksi ruukuiksi".
"Projektin" johtajat eivät olleet kiinnostuneita plutonium-238:sta. Sen ytimet, kuten todellakin plutoniumin kaikkien isotooppien ytimet, joilla on parillinen massaluku, matalaenergiset neutronit (Matalenergisiksi neutroneiksi kutsumme neutroneja, joiden energia ei ylitä 10 keV. Neutronit, joiden energia mitataan elektronivoltin murto-osissa kutsutaan termeiksi ja hitaimpia neutroneja - joiden energia on alle 0,005 eV — kylmä. Jos neutronin energia on yli 100 keV, niin tällaista neutronia pidetään jo nopeana.) eivät fissio, joten se ei voisi toimia ydinräjähteenä. Siitä huolimatta ensimmäiset epäselvät raportit elementeistä nro 93 ja 94 ilmestyivät painettuna vasta keväällä 1942.
Miten voimme selittää tämän? Fyysikot ymmärsivät: parittomien massalukujen plutonium-isotooppien synteesi oli ajan kysymys eikä liian pitkä. Parittomien isotooppien odotettiin, kuten uraani-235, pystyvän tukemaan ydinketjureaktiota. Jotkut ihmiset pitivät niitä mahdollisina ydinräjähteinä, joita ei ollut vielä vastaanotettu. Ja plutonium valitettavasti oikeuttai nämä toiveet.
Sen ajan salauksessa elementtiä nro 94 kutsuttiin vain... kupariksi. Ja kun itse kuparille syntyi tarve (joidenkin osien rakennusmateriaalina), koodeissa ilmestyi "kuparin" lisäksi "aito kupari".
"Hyvän ja pahan tiedon puu"
Vuonna 1941 löydettiin plutoniumin tärkein isotooppi - isotooppi, jonka massaluku oli 239. Ja lähes välittömästi teoreetikkojen ennustus vahvistettiin: termiset neutronit halkesivat plutonium-239:n ytimet. Lisäksi niiden fission aikana syntyi yhtä paljon neutroneja kuin uraani-235:n fissiossa. Tapoja saada tämä isotooppi suurina määrinä hahmoteltiin välittömästi...
Vuodet ovat kuluneet. Nyt ei ole kenellekään salaisuus, että arsenaaleihin tallennetut ydinpommit ovat täynnä plutonium-239:ää ja että niitä, näitä pommeja, on tarpeeksi, kuten sanotaan, "aiheuttaakseen korjaamatonta vahinkoa" kaikelle maapallon elämälle.
On laajalle levinnyt käsitys, että ihmiskunnalla oli selvästi kiire ydinketjureaktion löytämisessä (jonka väistämätön seuraus oli ydinpommin luominen). Voit ajatella eri tavalla tai teeskennellä ajattelevasi eri tavalla – on mukavampaa olla optimisti. Mutta optimistit kohtaavat väistämättä myös kysymyksen tutkijoiden vastuusta. Muistamme vuoden 1954 voittoisaa kesäkuun päivää, päivää, jolloin Obninskin ensimmäinen ydinvoimala käynnisti virran. Mutta emme voi unohtaa vuoden 1945 elokuun aamua - "Hiroshiman aamua", "Albert Einsteinin mustaa päivää"... Ne, jotka ovat tänään yli 70-vuotiaita, muistavat ensimmäiset sodan jälkeiset vuodet ja rehottava atomikiristys - perusta Yhdysvaltojen politiikasta noina vuosina. Mutta eikö ihmiskunta ole kokenut paljon ongelmia seuraavina vuosina?
Lisäksi näitä huolia voimisti monta kertaa tietoisuus siitä, että jos uusi maailmansota syttyy, ydinaseita käytettäisiin varmasti.
Täällä voit yrittää todistaa, että plutoniumin löytäminen ei lisännyt ihmiskunnan pelkoa, päinvastoin, siitä oli vain hyötyä.
Oletetaan, että tapahtui, että jostain syystä tai, kuten vanhaan aikaan sanottiin, Jumalan tahdosta, plutonium ei ollut tiedemiesten ulottuvilla. Vähentyisivätkö pelkomme ja huolemme silloin? Mitään ei tapahtunut. Ydinpommeja tehtäisiin uraani-235:stä (eikä pienempi määrä kuin plutoniumista), ja nämä pommit "söisivät" nykyistä suurempia osia budjeteista.
Mutta ilman plutoniumia ei olisi mahdollisuuksia ydinenergian rauhanomaiseen käyttöön laajassa mittakaavassa. Uraani-235 ei yksinkertaisesti riittäisi "rauhanomaiselle atomille". Ydinenergian löytämisen ihmiskunnalle aiheuttamaa pahaa ei tasapainottaisi edes osittain "hyvän atomin" saavutukset.
Miten mitata, mihin verrata
Kun neutronit jakavat plutonium-239-ytimen kahdeksi suunnilleen samanmassaiseksi fragmentiksi, vapautuu noin 200 MeV energiaa. Tämä on 50 miljoonaa kertaa enemmän energiaa, joka vapautuu tunnetuimmassa eksotermisessä reaktiossa, C + O 2 = CO 2. Ydinreaktorissa "poltettuna" gramma plutoniumia tuottaa 2,10 7 kilokaloria. Jotta perinnettä ei rikota (ja suosituissa artikkeleissa ydinpolttoaineen energia mitataan yleensä ei-systeemisissä yksiköissä - tonneissa hiiltä, bensiiniä, trinitrotolueenia jne.), huomioimme myös: tämä on energia, joka sisältyy neljään tonniin hiiltä. Ja tavallisessa sormustimessa on plutoniumia energeettisesti neljäkymmentä autolastia hyvää koivupolttopuuta vastaavan määrän.
Sama energia vapautuu uraani-235-ytimien fissiossa neutronien toimesta. Mutta suurin osa luonnonuraanista (99,3 %!) on isotooppi 238 U, jota voidaan käyttää vain muuttamalla uraani plutoniumiksi...
Kivien energia
Arvioikaamme luonnonuraanivarantojen sisältämiä energiavaroja.
Uraani on hivenaine ja sitä löytyy melkein kaikkialta. Jokainen, joka on käynyt esimerkiksi Karjalassa, muistaa todennäköisesti graniittilohkareita ja rannikon kallioita. Mutta harvat tietävät, että tonni graniittia sisältää keskimäärin 4-10 grammaa uraania. Graniitit muodostavat lähes 20 % maankuoren painosta. Jos lasketaan vain uraani-235, niin graniittitonni sisältää 6 · 10 6 kilokaloria energiaa. Se on paljon, mutta...
Graniitin prosessoimiseksi ja uraanin poistamiseksi siitä on käytettävä vielä enemmän energiaa - noin 10 6 - 10 7 kilokaloria. Jos nyt olisi mahdollista käyttää uraani-235:n lisäksi myös uraani-238:aa energialähteenä, niin graniittia voitaisiin pitää ainakin potentiaalisena energiaraaka-aineena. Silloin kivitonnista saatavaa energiaa olisi jo 8 · 10 7 - 2 · 10 8 kilokaloria. Tämä vastaa 16-40 tonnia hiiltä. Ja tässä tapauksessa graniitti voisi tarjota ihmisille lähes miljoona kertaa enemmän energiaa kuin kaikki maapallon kemialliset polttoainevarat.
Mutta uraani-238-ytimet eivät fissu neutronien vaikutuksesta. Tämä isotooppi on hyödytön ydinenergiassa. Tarkemmin sanottuna olisi hyödytöntä, jos sitä ei voitaisi muuttaa plutonium-239:ksi. Ja mikä on erityisen tärkeää: tähän ydinmuunnokseen ei käytännössä tarvitse kuluttaa energiaa - päinvastoin, energiaa tuotetaan tässä prosessissa!
Yritetään selvittää, miten tämä tapahtuu, mutta ensin muutama sana luonnollisesta plutoniumista.
400 tuhatta kertaa vähemmän kuin radium
On jo sanottu, että plutoniumin isotooppeja ei ole säilynyt alkuaineiden synteesin jälkeen planeettamme muodostumisen aikana. Mutta tämä ei tarkoita, etteikö maapallossa olisi plutoniumia. Sitä muodostuu koko ajan uraanimalmeissa. Sieppaamalla neutroneja kosmisesta säteilystä ja uraani-238-ytimien spontaanin fission tuottamia neutroneja, jotkut - hyvin harvat - tämän isotoopin atomit muuttuvat uraani-239-atomeiksi. Nämä ytimet ovat erittäin epävakaita, ne lähettävät elektroneja ja lisäävät siten niiden varausta. Neptunium, ensimmäinen transuraanialkuaine, muodostuu. Neptunium-239 on myös erittäin epävakaa, ja sen ytimet lähettävät elektroneja. Vain 56 tunnissa puolet neptunium-239:stä muuttuu plutonium-239:ksi, jonka puoliintumisaika on jo melko pitkä - 24 tuhatta vuotta.
Miksi plutoniumia ei uuteta uraanimalmeista? Matala, liian alhainen pitoisuus. "Gram tuotantoa on työvuosi" - tämä on noin radiumia, ja malmit sisältävät 400 tuhatta kertaa vähemmän plutoniumia kuin radiumia. Siksi on äärimmäisen vaikeaa paitsi louhia myös "maanpäällisen" plutoniumin havaitseminen. Tämä tehtiin vasta sen jälkeen, kun ydinreaktoreissa tuotetun plutoniumin fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet oli tutkittu.
Milloin 2,70 >> 2,23(muista, että matematiikassa >>-merkki tarkoittaa "paljon enemmän")
Plutoniumia kertyy ydinreaktoreihin (aikoihin asti näitä laitoksia kutsuttiin myös ydinkattiloksi). Voimakkaissa neutronivirroissa tapahtuu sama reaktio kuin uraanimalmeissa, mutta plutoniumin muodostumis- ja kertymisnopeus reaktorissa on paljon suurempi - miljardi miljardia kertaa. Reaktiolle, jossa painolasti uraani-238 muunnetaan energialaatuiseksi plutonium-239:ksi, luodaan optimaaliset (hyväksyttävien) olosuhteet.
Jos reaktori toimii lämpöneutroneilla (muista, että niiden nopeus on noin kaksituhatta metriä sekunnissa ja niiden energia on elektronivoltin murto-osa), niin uraani-isotooppien luonnollisesta seoksesta saadaan hieman pienempi määrä plutoniumia, ja saadaan "palaneen" uraani-235:n määrä. Hieman, mutta vähemmän, plus plutoniumin väistämättömät häviöt sen kemiallisen erottamisen aikana säteilytetystä uraanista. Lisäksi ydinketjureaktio ylläpidetään uraani-isotooppien luonnollisessa seoksessa vain, kunnes pieni osa uraani-235:stä kuluu. Tästä looginen johtopäätös: luonnonuraania käyttävä "terminen" reaktori - tällä hetkellä toimivien reaktorien päätyyppi - ei voi taata ydinpolttoaineen laajennettua lisääntymistä. Mutta mikä sitten on lupaavaa? Vastataksemme tähän kysymykseen vertaamalla ydinketjureaktion etenemistä uraani-235:ssä ja plutonium-239:ssä ja ottamalla keskusteluihimme käyttöön toinen fysikaalinen käsite.
Minkä tahansa ydinpolttoaineen tärkein ominaisuus on keskimääräinen neutronien määrä, joka vapautuu sen jälkeen, kun ydin on vanginnut yhden neutronin. Fyysikot kutsuvat sitä eta-luvuksi, jota merkitään kreikkalaisella kirjaimella h. Uraanin "termisissä" reaktoreissa havaitaan seuraava kuvio: jokainen neutroni "tuottaa" keskimäärin 2,08 neutronia (h = 2,08). Plutonium, joka laitetaan sellaiseen reaktoriin termisten neutronien vaikutuksen alaisena, antaa h=2,03. Mutta on myös nopeilla neutroneilla toimivia reaktoreita. On hyödytöntä ladata luonnollista uraani-isotooppien seosta sellaiseen reaktoriin: ketjureaktiota ei tapahdu. Mutta jos "raaka-aine" rikastetaan uraani-235:llä, se voi kehittyä myös "nopeassa" reaktorissa. Tässä tapauksessa h on jo yhtä suuri kuin 2,23. Ja plutonium, joka altistuu nopealle neutronitulelle, antaa h:n 2,70. Meillä on käytössämme "ylimääräisiä puolineutroneja". Eikä tämä ole ollenkaan vähäistä.
Katsotaan mihin tuloksena olevat neutronit kuluvat. Jokaisessa reaktorissa tarvitaan yksi neutroni ydinketjureaktion ylläpitämiseen. Laitoksen rakennemateriaalit absorboivat 0,1 neutronia. "Ylimäärää" käytetään plutonium-239:n keräämiseen. Yhdessä tapauksessa "ylimäärä" on 1,13, toisessa 1,60. Killan plutoniumin "polton" jälkeen "nopeassa" reaktorissa vapautuu 2,25 × 10 7 energiaa ja kertyy 1,6 kg plutoniumia. Ja uraani "nopeassa" reaktorissa antaa saman energian ja 1,1 kg uutta ydinpolttoainetta. Molemmissa tapauksissa lisääntynyt lisääntyminen on ilmeistä. Mutta emme saa unohtaa taloutta.
Useista teknisistä syistä plutoniumin lisääntymissykli kestää useita vuosia. Sanotaan vaikka viisi vuotta. Tämä tarkoittaa, että plutoniumin määrä vuodessa kasvaa vain 2 %, jos h = 2,23, ja 12 %, jos h = 2,7! Ydinpolttoaine on pääomaa, ja minkä tahansa pääoman pitäisi tuottaa esimerkiksi 5 % vuodessa. Ensimmäisessä tapauksessa on suuria tappioita ja toisessa tapauksessa suuria voittoja. Tämä primitiivinen esimerkki havainnollistaa jokaisen kymmenesosan "painoa" luvun h ydinenergiaongelmassa.
Jokin muu on myös tärkeää. Ydinvoiman on pysyttävä kasvavan energian kysynnän tahdissa. Laskelmat osoittavat: tämä ehto täyttyy tulevaisuudessa vain, kun h lähestyy kolmea. Jos ydinenergian kehittäminen jää jäljelle yhteiskunnan energiatarpeesta, jää kaksi vaihtoehtoa: joko "hidastaa kehitystä" tai ottaa energiaa jostain muusta lähteestä.
Ja tässä olisi tarpeen hälventää se väärinkäsitys, jonka populaaritieteellinen kirjallisuus jossain määrin aiheuttaa.
Antiodi lämpöydinfuusiolle
Tiedetään, että gramma ainetta, joka on reagoinut hypoteettisessa lämpöydinreaktorissa, antaa useita kertoja enemmän energiaa kuin gramma todellisessa ydinreaktorissa halkeavaa plutoniumia nykyään. Vielä enemmän energiaa vapautuu gramman elektronien ja positronien vuorovaikutuksessa. Kuitenkin elektroni-positronivoimaloita "rakentavat" tällä hetkellä vain tieteiskirjailijat. Mutta joskus puhutaan lämpöydinenergialaitteista melkein tehdyksi kaupaksi. Todellakin, kun fyysikoilla oli vain vähän ymmärrystä plasmassa tapahtuvasta, vaikutti siltä, että hallittu lämpöydinenergian lähde oli luomassa. Lisäksi joka päivä silmiemme edessä on upea esimerkki toimivasta lämpöydinreaktorista - Aurinko. Intensiiviset plasmatutkimukset ovat antaneet paljon tietoa prosesseista, jotka tapahtuvat aineessa, joka on päässyt neljänteen tilaan. Yksi tämän työn tuloksista oli selkeä ymmärrys siitä, että tähdestämme keinotekoisen version luominen ei ole niin helppoa kuin miltä näytti. Nykyään edes todellista tapaa ratkaista tämä ongelma ei ole vielä hahmoteltu. Joka tapauksessa toiveet lämpöydinenergian läheisestä kehityksestä ovat kadonneet. Tietysti tulee aika, jolloin kevyiden ytimien energia tulee saataville. Mutta miten ja milloin tämä tehdään? Tähän kysymykseen ei voi vielä vastata.
Tee yhteenveto. Raskaiden ytimien energia on todellisuutta, vain tekniset vaikeudet ovat sen kehityksen tiellä, ja siihen suuntaan on tehty paljon. Termoydinfuusio energiatarkoituksiin on edelleen pohjimmiltaan ratkaisematon ongelma. Tästä päätelmä: tulevaisuuden pääenergiamateriaalina plutoniumilla ei ole vielä vakavia kilpailijoita uraanivarantojen kätketyt energiavarat ovat toistaiseksi ainoa ydinenergian lähde, jonka ihmiskunta voi todella hallita nykyään. Avain näihin resursseihin on alkuaineen nro 94 isotooppi massanumerolla 239.
Uutto
Kun ydinreaktioiden seurauksena tarvittava määrä plutoniumia on kertynyt uraaniin, se on erotettava paitsi itse uraanista myös ydinketjureaktiossa palaneista fissiokappaleista - sekä uraanista että plutoniumista. Lisäksi uraani-plutoniummassa sisältää myös tietyn määrän neptuniumia. Vaikeimmin erotettavat asiat ovat plutonium neptuniumista ja harvinaiset maametallit (lantanidit). Plutonium kemiallisena alkuaineena on ollut jossain määrin epäonninen. Kemistin näkökulmasta ydinenergian pääalkuaine on vain yksi neljästätoista aktinidista. Kuten harvinaisten maametallien elementit, kaikki aktiniumsarjan elementit ovat hyvin samankaltaisia toistensa kanssa kemiallisilta ominaisuuksiltaan kaikkien elementtien atomien ulkoisten elektronikuorten rakenne aktiniumista 103:een. Vielä epämiellyttävämpää on, että aktinidien kemialliset ominaisuudet ovat samankaltaisia kuin harvinaisten maametallien ominaisuudet, ja uraanin ja plutoniumin fissiopalasten joukossa on enemmän kuin tarpeeksi lantanideja. Mutta alkuaine 94 voi olla viidessä valenssitilassa, ja tämä "makeaa pillerin" - se auttaa erottamaan plutoniumin sekä uraanista että fissiokappaleista.
Plutoniumin valenssi vaihtelee kolmesta seitsemään. Kemiallisesti stabiileimpia (ja siksi yleisimpiä ja tutkituimpia) yhdisteitä ovat neliarvoinen plutonium.
Kemiallisilta ominaisuuksiltaan samanlaisten aktinidien - uraanin, neptuniumin ja plutoniumin - erottelu voi perustua niiden tetra- ja kuusiarvoisten yhdisteiden ominaisuuksien eroihin. Ensin uraanipatukat liuotetaan typpihappoon. Typpihappo on voimakas hapetin, kun se liukenee ja uraani, plutonium ja epäpuhtaudet hapetetaan. Nollaarvoiset plutoniumatomit muuttuvat Pu 6+ -ioneiksi. Plutonium liukenee uraanin mukana. Tästä liuoksesta se pelkistetään kolmiarvoiseen tilaan rikkidioksidilla ja saostetaan sitten lantaanifluoridilla. Sedimentissä on plutoniumin lisäksi neptuniumia ja harvinaisia maametallialkuaineita. Mutta suurin osa aineesta, uraani, jää liuokseen ja erotetaan plutoniumista.
Saatu sakka liuotetaan uudelleen ja neptunium hapetetaan neliarvoiseen tilaan kaliumbromaatilla. Tällä reagenssilla ei ole vaikutusta plutoniumiin, ja toissijaisessa saostuksessa samalla LaF 3:lla kolmiarvoinen plutonium muuttuu sakaksi ja neptunium jää liuokseen.
Luovutusfragmenttien erottamiseksi plutonium hapetetaan jälleen heksavadenttitilaan ja lantaanifluoridia lisätään uudelleen. Nyt harvinaiset maametallit saostuvat ja plutonium jää liuokseen...
Monista tällä hetkellä tunnetuista plutoniumin eristysmenetelmistä on mainittava plutoniumin uuttaminen orgaanisilla liuottimilla ja plutoniumin eristäminen ioninvaihtokolonneilla. Nämä menetelmät näyttävät olevan lupaavimpia plutoniumin kanssa työskenteleville kemisteille.
Metalli
Nyt viimein metallista. Plutoniumyhdisteiden eristäminen liuoksesta ei ole vaikea tehtävä. On olemassa kymmeniä tapoja tehdä tämä. Sitten saadut plutoniumyhdisteet muunnetaan kemiallisesti puhtaaksi PuF4-tetrafluoridiksi, joka pelkistetään bariumhöyryllä 1200 °C:ssa. Näin saadaan puhdasta plutoniumia. Mutta tämä ei ole vielä rakennemateriaali: siitä ei voida valmistaa ydinvoimareaktorien polttoaine-elementtejä (tai edes atomipommin osia). Miksi? Tarvitset vähintään "aihion" - valukappaleen. Plutoniumtuotteiden valmistuksessa käytetään ensisijaisesti valumenetelmää. Metallisen plutoniumin sulamispiste - 640 °C - on melko saavutettavissa, mutta...
Kaadattuaan sulan plutoniumin upokasta haluttuun muottiin, ne alkavat jäähdyttää sitä huoneenlämpötilaan - jähmettymisprosessin aikana valuun tulee varmasti halkeamia. Ehkä jäähdytys menee liian nopeasti? Riippumatta siitä, kuinka järjestelmiä muutettiin, valukappaleet tuhoutuivat poikkeuksetta. Tämä tarkoittaa, että ongelma ei ole lämpötilajärjestelmässä. Mitä sitten tapahtuu?
Nestemäisessä metallissa atomit liikkuvat satunnaisesti. Lämpötilan laskeessa, kun metalli alkaa jähmettyä, atomit värähtelevät jo tiukasti määritellyssä järjestyksessä sijaitsevien keskusten ympärillä, esimerkiksi kuutioiden, tetraedrien jne. huipuissa, riippuen tietyn metallin kiderakenteesta.
Kiteissä atomit ovat yleensä pakattu tiheämmin kuin nesteissä. Useimpien aineiden, jäätä lukuun ottamatta, painoseoshart ja muutama muu, tilavuus pienenee kovettuessaan - niiden tiheys kasvaa.
Plutonium alkaa kiinteytyä 640 °C:n lämpötilassa, ja sen atomit muodostavat kidehilan kuutioiden muodossa. Kun lämpötila laskee, metallin tiheys kasvaa vähitellen. Mutta sitten lämpötila saavutti 480 ° C, ja sitten yhtäkkiä plutoniumin tiheys laskee jyrkästi. Tämän poikkeavuuden syyt löydettiin melko nopeasti: tässä lämpötilassa plutoniumatomit järjestyvät uudelleen kidehilassa. Siitä tulee nelikulmainen ja hyvin "löysä". Tällainen plutonium voi kellua omassa sulassaan, kuten jää veden päällä.
Lämpötila laskee edelleen, nyt se on saavuttanut 451 ° C, ja atomit muodostivat jälleen kuutiohilan, mutta sijaitsevat suuremmalla etäisyydellä toisistaan kuin ensimmäisessä tapauksessa. Jäähtyessään edelleen hila muuttuu ensin ortorombiseksi, sitten monokliiniseksi. Yhteensä plutonium muodostaa kuusi erilaista kidemuotoa. Kaksi niistä erottuu merkittävästä ominaisuudesta - negatiivisesta lämpölaajenemiskertoimesta: lämpötilan noustessa metalli ei laajene, vaan supistuu. Täysin epätavallista käytöstä!
Kun lämpötila saavuttaa 122 °C ja plutoniumatomit järjestävät rivinsä uudelleen kuudennen kerran, tiheys muuttuu erityisen dramaattisesti - 17,77:stä 19,82 g/cm3:een. Yli 10%! Vastaavasti harkon tilavuus pienenee. Jos metalli vielä kestäisi muissa siirtymissä syntyneitä jännityksiä, niin tuhoutuminen on tällä hetkellä väistämätöntä.
Kuinka sitten tehdä osa tästä upeasta metallista? Metallurgit seostavat plutoniumia (lisäämällä siihen pieniä määriä tarvittavia alkuaineita) ja saavat valukappaleita ilman yhtä halkeamia. Niistä valmistetaan plutoniumpanoksia ydinpommeihin. Panoksen paino (se määräytyy ensisijaisesti isotoopin kriittisen massan mukaan) on 5-6 kilogrammaa. Se mahtui helposti kuutioon, jonka reunakoko on 10 senttimetriä.
Raskaat isotoopit
Plutonium-239 sisältää myös pieniä määriä tämän alkuaineen korkeampia isotooppeja - massaluvuilla 240 ja 241. 240 Pu-isotooppi on käytännössä hyödytön - se on plutoniumin painolastia. 241:stä saadaan americium - alkuaine nro 95. Puhtaassa muodossaan, ilman muiden isotooppien sekoittumista, plutonium-240 ja plutonium-241 voidaan saada reaktoriin kertyneen plutoniumin sähkömagneettisella erotuksella. Ennen tätä plutoniumia säteilytetään lisäksi neutronivuoilla, joilla on tarkasti määritellyt ominaisuudet. Tietenkin kaikki tämä on erittäin monimutkaista, varsinkin kun plutonium ei ole vain radioaktiivista, vaan myös erittäin myrkyllistä. Sen kanssa työskentely vaatii äärimmäistä varovaisuutta.
Yksi mielenkiintoisimmista plutoniumin isotoopeista, 242 Pu, voidaan valmistaa säteilyttämällä 239 Pu:ta pitkään neutronivirroissa. 242 Pu vangitsee hyvin harvoin neutroneja ja siksi "palaa" reaktorissa hitaammin kuin muut isotoopit; se säilyy senkin jälkeen, kun jäljellä olevat plutoniumin isotoopit ovat lähes kokonaan muuttuneet palasiksi tai plutonium-242:ksi.
Plutonium-242 on tärkeä "raaka-aineena" korkeampien transuraanialkuaineiden suhteellisen nopealle kertymiselle ydinreaktoreihin. Jos plutonium-239 säteilytetään tavanomaisessa reaktorissa, kestää noin 20 vuotta kerätä mikrogrammamääriä esimerkiksi Kalifornia-251 grammoista plutoniumia.
Korkeampien isotooppien kertymisaikaa voidaan lyhentää lisäämällä reaktorin neutronivuon intensiteettiä. Näin he tekevät, mutta silloin et voi säteilyttää suuria määriä plutonium-239:ää. Loppujen lopuksi tämä isotooppi jakautuu neutroneilla, ja voimakkaissa virroissa vapautuu liikaa energiaa. Lisäongelmia syntyy säiliön ja reaktorin jäähdyttämisessä. Näiden vaikeuksien välttämiseksi olisi tarpeen vähentää säteilytetyn plutoniumin määrää. Tämän seurauksena kaliforniumin saannosta tulisi jälleen niukka. Noidankehä!
Plutonium-242 ei halkea lämpöneutronien vaikutuksesta , ja suuria määriä voidaan säteilyttää voimakkailla neutronivirroilla... Siksi reaktoreissa kaikki alkuaineet kaliforniumista einsteiniumiin "valmistetaan" tästä isotoopista ja kerätään painomäärinä.
Ei painavin, mutta pisin elänyt
Joka kerta kun tutkijat onnistuivat saamaan uuden plutoniumin isotoopin, sen ytimien puoliintumisaika mitattiin. Raskaiden radioaktiivisten ytimien, joiden massaluku on parillinen, puoliintumisajat muuttuvat säännöllisesti. (Tätä ei voida sanoa parittomista isotoopeista.)
Katso kaaviota, joka näyttää plutoniumin parillisten isotooppien puoliintumisajan riippuvuuden massaluvusta. Kun massa kasvaa, myös isotoopin "elinikä" pitenee. Useita vuosia sitten tämän kaavion kohokohta oli plutonium-242. Ja miten tämä käyrä sitten menee - massaluvun kasvaessa edelleen? Kohtaan 1, joka vastaa 30 miljoonan vuoden elinikää, tai kohtaan 2, joka vastaa jo 300 miljoonaa vuotta? Vastaus tähän kysymykseen oli geotieteille erittäin tärkeä. Ensimmäisessä tapauksessa, jos viisi miljardia vuotta sitten maapallo koostui kokonaan 244 Pu:sta, nyt koko massaltaan maapallolle jäisi vain yksi plutonium-244-atomi. Jos toinen oletus pitää paikkansa, niin plutonium-244:ää voi olla maapallossa pitoisuuksina, jotka voidaan jo havaita. Jos olisimme niin onnekkaita, että löytäisimme tämän isotoopin Maasta, tiede saisi arvokkainta tietoa planeettamme muodostumisen aikana tapahtuneista prosesseista.
Muutama vuosi sitten tutkijat kohtasivat kysymyksen: kannattaako yrittää löytää raskasta plutoniumia maapallosta? Siihen vastaamiseksi oli ensinnäkin määritettävä plutonium-244:n puoliintumisaika. Teoreetikot eivät pystyneet laskemaan tätä arvoa vaaditulla tarkkuudella. Kaikki toivo oli vain kokeilua varten.
Plutonium-244 kertynyt ydinreaktoriin. Alkuaine nro 95, americium (isotooppi 243 Am), säteilytettiin. Vangittuaan neutronin tämä isotooppi muuttui americium-244:ksi; americium muuttui yhdessä kymmenestä tuhannesta plutonium-244:ksi.
Plutonium-244:n valmistus eristettiin americiumin ja curiumin seoksesta. Näyte painoi vain muutaman gramman miljoonasosan. Mutta ne riittivät määrittämään tämän mielenkiintoisen isotoopin puoliintumisajan. Se osoittautui 75 miljoonaksi vuodeksi. Plutonium-244 jäi hieman alle jäämisen Maahan, koska alkuaineita syntetisoitiin pitoisuuksina, jotka voidaan edelleen havaita.
Tutkijat ovat tehneet monia yrityksiä löytää transuraanialkuaineen isotooppi, joka elää pidempään kuin 244 Pu. Mutta kaikki yritykset jäivät turhaksi. Kerran toivottiin curium-247:ää, mutta kun tämä isotooppi oli kertynyt reaktoriin, kävi ilmi, että sen puoliintumisaika on vain 14 miljoonaa vuotta. Plutonium-244:n ennätystä ei voitu rikkoa - se on pisin kaikista transuraanialkuaineiden isotoopeista.
Jopa raskaammat plutoniumin isotoopit läpikäyvät beetahajoamisen, ja niiden elinikä vaihtelee muutamasta päivästä muutamaan sekunnin kymmenesosaan. Tiedämme varmasti, että kaikki plutoniumin isotoopit syntyvät lämpöydinräjähdyksissä, jopa 257 Pu. Mutta niiden elinikä on sekunnin kymmenesosia, eikä monia lyhytikäisiä plutoniumin isotooppeja ole vielä tutkittu.
Ensimmäisen isotoopin mahdollisuudet
Ja lopuksi - plutonium-238:sta - aivan ensimmäinen plutoniumin "ihmistekoisista" isotoopeista, isotooppi, joka vaikutti aluksi lupaamattomalta. Se on itse asiassa erittäin mielenkiintoinen isotooppi. Se on alttiina alfahajoamiselle, eli sen ytimet emittoivat spontaanisti alfahiukkasia - heliumytimiä. Plutoniumytimien tuottamat alfahiukkaset kantavat suurta energiaa; aineessa hajotettuna tämä energia muuttuu lämmöksi. Kuinka suuri tämä energia on? Kuusi miljoonaa elektronivolttia vapautuu yhden plutonium-238:n atomiytimen hajoamisesta. Kemiallisessa reaktiossa sama energia vapautuu, kun useita miljoonia atomeja hapetetaan. Kilon plutonium-238:aa sisältävä sähkölähde kehittää 560 watin lämpötehon. Saman painoisen kemiallisen virtalähteen maksimiteho on 5 wattia.
On monia säteilijöitä, joilla on samanlaiset energiaominaisuudet, mutta yksi plutonium-238:n ominaisuus tekee tästä isotoopista välttämättömän. Alfahajoamiseen liittyy yleensä voimakasta gammasäteilyä, joka tunkeutuu suurten ainekerrosten läpi. 238 Pu on poikkeus. Sen ytimien hajoamisessa mukana olevien gammasäteiden energia on alhainen, eikä sitä vastaan ole vaikea suojautua: säteily imeytyy ohutseinäiseen astiaan. Myös tämän isotoopin ytimien spontaanin fission todennäköisyys on pieni. Siksi se on löytänyt sovelluksen paitsi nykyisissä lähteissä myös lääketieteessä. Plutonium-238:aa sisältävät paristot toimivat energianlähteenä erityisissä sydämen stimulaattoreissa. On luotu tekosydänprojekti, jossa on isotooppilähde. Kaikki nämä tarpeet vaativat useita tonneja "kevyt" plutoniumia seuraavien kolmen tai neljän vuoden aikana.
Mutta 238 Pu ei ole alkuaineen nro 94 kevyin tunnettu isotooppi. Plutoniumin isotoopit on saatu massaluvuilla 232-237. Kevyimmän isotoopin puoliintumisaika on 36 minuuttia.
Plutonium on iso aihe. Halusin kertoa sinulle tärkeimmistä tärkeimmistä asioista. Onhan siitä jo tullut vakiolause, että plutoniumin kemiaa on tutkittu paljon paremmin kuin tällaisten "vanhojen" alkuaineiden, kuten raudan, kemiaa. Plutoniumin ydinominaisuuksista on kirjoitettu kokonaisia kirjoja. Plutoniumin metallurgia on toinen hämmästyttävä inhimillisen tiedon haara... Siksi sinun ei pitäisi ajatella, että luettuasi tämän tarinan opit todella plutoniumin - 1900-luvun tärkeimmän metallin.
(Pu) on hopeanvalkoinen aktinidiryhmän radioaktiivinen metalli, kosketettaessa lämmin (radioaktiivisuutensa vuoksi. Löytyy luonnostaan hyvin pieninä määrinä uraanipikestä ja muista uraani- ja ceriummalmeista, merkittäviä määriä tuotetaan keinotekoisesti. Noin 5 tonnia plutoniumia pääsi ilmakehään ydinkokeiden seurauksena.Tarina
Löysivät sen vuonna 1940 Glenn Seaborg, Edwin McMillan, Kennedy ja Arthur Wahl vuonna 1940 Berkeleyssä (USA) pommittaessa uraanikohdetta syklotronissa kiihdytetyillä deuteroneilla.
nimen alkuperä
Plutonium on nimetty planeetan Pluton mukaan, koska aiemmin löydetty kemiallinen alkuaine oli nimeltään Neptunium.
Kuitti
Plutoniumia tuotetaan ydinreaktoreissa.
Isotooppi 238 U, joka muodostaa suurimman osan luonnonuraanista, ei ole kovin sopiva fissioon. Ydinreaktoreissa uraania rikastetaan hieman, mutta 235 U:n osuus ydinpolttoaineesta jää pieneksi (noin 5 %). Polttoainesauvojen pääosa on 238 U. Ydinreaktorin käytön aikana osa 238 U:n ytimistä vangitsee neutroneja ja muuttuu 239 Pu:ksi, joka voidaan myöhemmin eristää.
Plutoniumin eristäminen ydinreaktiotuotteista on melko vaikeaa, koska plutonium (kuten uraani, torium, neptunium) kuuluu aktinideihin, jotka ovat kemiallisilta ominaisuuksiltaan hyvin samanlaisia. Tehtävää vaikeuttaa se, että hajoamistuotteet sisälsivät harvinaisia maametallialkuaineita, joiden kemialliset ominaisuudet ovat myös plutoniumin kaltaisia. Käytetään perinteisiä radiokemiallisia menetelmiä - saostus, uutto, ioninvaihto jne. Tämän monivaiheisen teknologian lopputuote on plutoniumoksidit PuO 2 tai fluoridit (PuF 3, PuF 4).
Plutonium uutetaan Metallothermy-menetelmällä (aktiivisten metallien pelkistys oksideista ja suoloista tyhjiössä):
PuF4+2Ba = 2BaF2+Pu
Isotoopit
Plutoniumin isotooppeja tunnetaan yli tusina, ja ne kaikki ovat radioaktiivisia.
Tärkein isotooppi 239 Pu, kykenee ydinfissioon ja ydinketjureaktioihin. Se on ainoa isotooppi, joka soveltuu käytettäväksi ydinaseissa. Sillä on paremmat neutronien absorptio- ja sirontaominaisuudet kuin uraani-235:llä, neutronien lukumäärä fissiota kohti (noin 3 vs. 2,3) ja vastaavasti pienempi kriittinen massa. Sen puoliintumisaika on noin 24 tuhatta vuotta. Muita plutoniumin isotooppeja tarkastellaan ensisijaisesti niiden haitallisuuden kannalta ensisijaisessa (ase)käytössä.
Isotooppi 238 Pu sillä on voimakas alfa-radioaktiivisuus ja sen seurauksena merkittävä lämmöntuotanto (567 W / kg). Tämä on ongelmallista käytettäväksi ydinaseissa, mutta sillä on sovelluksia ydinakuissa. Lähes kaikissa avaruusaluksissa, jotka ovat lentäneet Marsin kiertoradan ulkopuolelle, on radioisotooppireaktorit, joissa käytetään 238 Pu:ta. Reaktorin plutoniumissa tämän isotoopin osuus on hyvin pieni.
Isotooppi 240 Pu on aselaatuisen plutoniumin tärkein saaste. Sillä on korkea spontaanin hajoamisnopeus ja se luo korkean neutronitaustan, mikä vaikeuttaa merkittävästi ydinvarausten räjähdystä. Uskotaan, että sen osuus aseista ei saisi ylittää 7%.
241 Pu sillä on alhainen neutronitausta ja kohtalainen lämpöemissio. Sen osuus on hieman alle 1 %, eikä se vaikuta aselaatuisen plutoniumin ominaisuuksiin. Kuitenkin puoliintumisajallaan 1914 muuttuu americium-241:ksi, joka tuottaa paljon lämpöä, mikä voi aiheuttaa ongelman latausten ylikuumenemisesta.
242 Pu sillä on hyvin pieni poikkileikkaus neutronien sieppausreaktiolle ja se kerääntyy ydinreaktoreihin, vaikkakin hyvin pieninä määrinä (alle 0,1 %). Se ei vaikuta aselaatuisen plutoniumin ominaisuuksiin. Sitä käytetään pääasiassa myöhemmissä ydinreaktioissa transplutonium-alkuaineiden synteesissä: lämpöneutronit eivät aiheuta ydinfissiota, joten mikä tahansa määrä tätä isotooppia voidaan säteilyttää voimakkailla neutronivirroilla.
Muut plutoniumin isotoopit ovat erittäin harvinaisia, eivätkä ne vaikuta ydinaseiden valmistukseen. Raskaita isotooppeja muodostuu hyvin pieniä määriä, niillä on lyhyt käyttöikä (alle muutama päivä tai tunti) ja ne muuttuvat beetahajoamisen kautta vastaaviksi americiumin isotoopeiksi. Niistä erottuu 244 Pu– sen puoliintumisaika on noin 82 miljoonaa vuotta. Se on kaikista transuraanialkuaineista suurin isotooppi.
Sovellus
Vuoden 1995 lopussa maailmassa oli tuotettu noin 1 270 tonnia plutoniumia, josta 257 tonnia sotilaskäyttöön, johon soveltuu vain 239 Pu-isotooppi. 239 Pu:ta voidaan käyttää polttoaineena ydinreaktoreissa, mutta se on taloudellisesti huonompi kuin uraani. Ydinpolttoaineen jälleenkäsittelyn kustannukset plutoniumin uuttamiseksi ovat paljon korkeammat kuin vähän rikastetun (~5 % 235 U) uraanin kustannukset. Vain Japanilla on ohjelma plutoniumin energiakäyttöön.
Allotrooppiset modifikaatiot
Kiinteässä muodossa plutoniumilla on seitsemän allotrooppista modifikaatiota (kuitenkin faasit a ja 1 yhdistetään joskus ja niitä pidetään yhtenä faasina). Huoneenlämmössä plutonium on kiderakenne nimeltä ?-vaihe. Atomit on yhdistetty kovalenttisella sidoksella (metallisidoksen sijaan), joten fysikaaliset ominaisuudet ovat lähempänä mineraaleja kuin metalleja. Se on kova, hauras materiaali, joka rikkoutuu tiettyihin suuntiin. Sillä on alhainen lämmönjohtavuus kaikkien metallien joukossa, alhainen sähkönjohtavuus mangaania lukuun ottamatta. P-faasia ei voida käsitellä tavanomaisilla metallitekniikoilla.
Lämpötilan muuttuessa plutonium käy läpi rakennemuutoksen ja kokee erittäin voimakkaita muutoksia. Joihinkin vaiheiden välisiin siirtymiin liittyy yksinkertaisesti silmiinpistäviä äänenvoimakkuuden muutoksia. Kahdessa näistä vaiheista (a ja 1) plutoniumilla on ainutlaatuinen ominaisuus - negatiivinen lämpötilalaajenemiskerroin, ts. se supistuu lämpötilan noustessa.
Gamma- ja deltafaasissa plutoniumilla on metallien tavanomaiset ominaisuudet, erityisesti muokattavuus. Delta-vaiheessa plutonium on kuitenkin epävakaa. Pienellä paineella se yrittää asettua tiheään (25 %) alfafaasiin. Tätä ominaisuutta käytetään ydinaseiden räjähdyslaitteissa.
Puhtaassa plutoniumissa yli 1 kilobarin paineissa deltafaasia ei ole ollenkaan. Yli 30 kilobaarin paineissa on olemassa vain alfa- ja beetavaiheita.
Plutoniummetallurgia
Plutonium voidaan stabiloida delta-faasissa normaalipaineessa ja huoneenlämpötilassa muodostamalla seos kolmenarvoisten metallien, kuten galliumin, alumiinin, ceriumin ja indiumin kanssa useiden mooliprosenttien pitoisuudessa. Juuri tässä muodossa plutoniumia käytetään ydinaseissa.
Aseistettu plutonium
Ydinaseiden valmistamiseksi on tarpeen saavuttaa halutun isotoopin (235 U tai 239 Pu) puhtaus yli 90 %. Panosten muodostaminen uraanista vaatii monia rikastusvaiheita (koska 235 U:n osuus luonnonuraanissa on alle 1 %), kun taas 239 Pu:n osuus reaktorin plutoniumissa on yleensä 50 % - 80 % (eli lähes 100 kertaa enemmän). Ja joissakin reaktorin toimintatiloissa on mahdollista saada plutoniumia, joka sisältää yli 90 % 239 Pu:ta - tällainen plutonium ei vaadi rikastamista ja sitä voidaan käyttää suoraan ydinaseiden valmistukseen.
Biologinen rooli
Plutonium on yksi myrkyllisimmistä tunnetuista aineista. Plutoniumin myrkyllisyys ei johdu niinkään sen kemiallisista ominaisuuksista (vaikka plutonium on ehkä yhtä myrkyllistä kuin mikä tahansa raskasmetalli), vaan pikemminkin sen alfa-radioaktiivisuudesta. Alfahiukkaset pidättyvät jopa ohuissa materiaali- tai kankaissa. Oletetaan, että muutama millimetri iho imee niiden virtauksen kokonaan ja suojaa sisäelimiä. Mutta alfahiukkaset ovat erittäin haitallisia kudoksille, joiden kanssa ne joutuvat kosketuksiin. Joten plutonium aiheuttaa vakavan vaaran, jos se joutuu kehoon. Se imeytyy erittäin huonosti ruoansulatuskanavassa, vaikka se joutuisikin sinne liukenemassa muodossa. Mutta puolen gramman plutoniumin nauttiminen voi johtaa kuolemaan viikkojen kuluessa ruoansulatuskanavan akuutin säteilytyksen vuoksi.
Kymmenesgramman plutoniumpölyn hengittäminen johtaa kuolemaan keuhkopöhössä kymmenen päivän kuluessa. 20 mg:n annoksen hengittäminen johtaa fibroosin aiheuttamaan kuolemaan kuukauden kuluessa. Pienemmät annokset aiheuttavat syöpää aiheuttavan vaikutuksen. 1 mikrogramman plutoniumin nauttiminen lisää keuhkosyövän todennäköisyyttä yhdellä prosentilla. Siksi 100 mikrogrammaa plutoniumia kehossa melkein takaa syövän kehittymisen (kymmenessä vuodessa, vaikka kudosvaurioita saattaa esiintyä aikaisemmin).
Biologisissa järjestelmissä plutonium on yleensä +4 hapetustilassa ja näyttää yhtäläisyyksiä raudan kanssa. Kerran veressä se keskittyy todennäköisesti rautaa sisältäviin kudoksiin: luuytimeen, maksaan, pernaan. Jos jopa 1-2 mikrogrammaa plutoniumia laskeutuu luuytimeen, immuniteetti heikkenee merkittävästi. Plutoniumin poistumisaika luukudoksesta on 80-100 vuotta, ts. hän pysyy siellä käytännössä koko elämänsä ajan.
Kansainvälinen säteilysuojelukomissio on asettanut vuotuiseksi enimmäismääräksi plutoniumin 280 nanogrammaa.
