Plutonium-isotoopin 238 Pu hankittiin ensimmäisen kerran keinotekoisesti 23. helmikuuta 1941 G. Seaborgin johtaman amerikkalaisen tutkijaryhmän toimesta säteilyttämällä uraaniytimiä deuteroneilla. Vasta sitten plutonium löydettiin luonnosta: 239 Pu:ta löytyy yleensä mitättömiä määriä uraanimalmeista uraanin radioaktiivisen muuntumisen tuotteena. Plutonium on ensimmäinen punnittavissa olevina määrinä saatu keinotekoinen alkuaine (1942) ja ensimmäinen, jonka tuotanto aloitettiin teollisessa mittakaavassa.
Alkuaineen nimi jatkaa tähtitieteellistä teemaa: se on nimetty Plutosta, joka on toinen planeetta Uranuksen jälkeen.
Luonnossa oleminen, vastaanottaminen:
Uraanimalmeissa neutronien (esimerkiksi kosmisen säteilyn neutronien) talteenoton seurauksena uraaniytimissä muodostuu neptuniumia (239 Np), tuote b- jonka hajoaminen on luonnollista plutonium-239:ää. Plutoniumia muodostuu kuitenkin niin mikroskooppisia määriä (0,4-15 osaa Pu/10 12 osaa U), ettei sen uuttaminen uraanimalmeista tule kysymykseen.
Plutoniumia tuotetaan ydinreaktoreissa. Voimakkaissa neutronivirroissa tapahtuu sama reaktio kuin uraanimalmeissa, mutta plutoniumin muodostumis- ja kertymisnopeus reaktorissa on paljon suurempi - miljardi miljardia kertaa. Reaktiota varten, jossa painolasti uraani-238 muunnetaan energialaatuiseksi plutonium-239:ksi, luodaan optimaaliset (hyväksyttävien) olosuhteet.
Plutonium-244 kerääntyi myös ydinreaktoriin. Alkuaineen nro 95 isotooppi - americium, 243 Am vangitsi neutronin ja muuttui americium-244:ksi; americium-244 muuttui curiumiksi, mutta yhdessä kymmenestä tuhannesta tapauksesta tapahtui siirtymä plutonium-244:ksi. Amerikiumin ja curiumin seoksesta eristettiin plutonium-244-valmiste, joka painaa vain muutaman miljoonasosan gramman. Mutta ne riittivät määrittämään tämän mielenkiintoisen isotoopin puoliintumisajan - 75 miljoonaa vuotta. Myöhemmin sitä jalostettiin ja se osoittautui 82,8 miljoonaksi vuodeksi. Vuonna 1971 tämän isotoopin jäämiä löydettiin harvinaisen maametallin bastnäsiitistä. 244 Pu on kaikista transuraanialkuaineiden isotoopeista pisin.
Fyysiset ominaisuudet:
Hopeanvalkoinen metalli, sisältää 6 allotrooppista muunnelmaa. Sulamispiste 637 °C, kiehumispiste - 3235 °C. Tiheys: 19,82 g/cm3.
Kemialliset ominaisuudet:
Plutonium pystyy reagoimaan hapen kanssa muodostaen oksidia (IV), jolla on kaikkien seitsemän ensimmäisen aktinidin tapaan heikko emäksinen luonne.
Pu + O 2 = PuO 2
Reagoi laimean rikki-, kloori- ja perkloorihapon kanssa.
Pu + 2HCl(p) = PuCl2 + H2; Pu + 2H 2SO 4 = Pu(SO 4) 2 + 2H 2
Ei reagoi typpi- ja väkevän rikkihapon kanssa. 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.
Tärkeimmät liitännät:
Plutonium(IV)oksidi, PuO 2 , on heikko perusluonne.
...
...
Sovellus:
Plutoniumia käytettiin laajasti ydinaseiden valmistuksessa (ns. "aseluokan plutonium"). Ensimmäinen plutoniumpohjainen ydinlaite räjäytettiin 16. heinäkuuta 1945 Alamogordon koepaikalla (koekoodinimeltään Trinity).
Sitä käytetään (kokeellisesti) ydinpolttoaineena ydinreaktoreissa siviili- ja tutkimustarkoituksiin.
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. Plutonium-242 ei halkea lämpöneutronien vaikutuksesta, ja jopa suuria määriä se voi säteilyttää voimakkaina neutronivirroina. Siksi reaktoreissa kaikki alkuaineet kaliforniumista einsteiniumiin "valmistetaan" tästä isotoopista ja kerätään painomäärinä.
Kovalenko O.A.
HF Tyumen State University
Lähteet:
"Haitalliset kemikaalit: Radioaktiiviset aineet" Hakemisto L. 1990, s. 197
Rabinovich V.A., Khavin Z.Ya. "Lyhyt kemiallinen hakukirja" L.: Chemistry, 1977, s. 90, 306-307.
SISÄÄN. Beckman. Plutonium. (oppikirja, 2009)
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 erottaminen ydinreaktiotuotteista on melko vaikeaa, koska plutonium (kuten uraani, torium, neptunium) kuuluu aktinideihin, joilla on hyvin samanlaiset kemialliset ominaisuudet. 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. A-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 vain alfa- ja beetavaiheita.
Plutoniummetallurgia
Plutonium voidaan stabiloida delta-faasissa tavallisessa paineessa 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, joka on 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 altistumisen 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.
Tätä metallia kutsutaan arvokkaaksi, mutta ei sen kauneuden, vaan sen korvaamattomuuden vuoksi. Mendelejevin jaksollisessa taulukossa tämä alkuaine on solun numero 94. Juuri siihen tiedemiehet panevat suurimmat toiveensa, ja plutoniumia he kutsuvat ihmiskunnalle vaarallisimmaksi metalliksi.
Plutonium: kuvaus
Ulkonäöltään se on hopeanvalkoista metallia. Se on radioaktiivinen ja se voidaan esittää 15 isotoopin muodossa, joilla on eri puoliintumisajat, esimerkiksi:
- Pu-238 - noin 90 vuotta
- Pu-239 - noin 24 tuhatta vuotta
- Pu-240 - 6580 vuotta
- Pu-241 - 14 vuotta
- Pu-242 - 370 tuhatta vuotta
- Pu-244 - noin 80 miljoonaa vuotta
Tätä metallia ei voida erottaa malmista, koska se on uraanin radioaktiivisen muuntumisen tuote.
Miten plutoniumia saadaan?
Plutoniumin tuotanto vaatii uraanin fissiota, joka voidaan tehdä vain ydinreaktoreissa. Jos puhumme elementin Pu esiintymisestä maankuoressa, niin 4 miljoonaa tonnia uraanimalmia on vain 1 gramma puhdasta plutoniumia. Ja tämä gramma muodostuu uraaniytimien luonnollisesta neutronien sieppauksesta. Siten tämän ydinpolttoaineen (yleensä isotooppi 239-Pu) saamiseksi usean kilogramman määränä on välttämätöntä suorittaa monimutkainen teknologinen prosessi ydinreaktorissa.
Plutoniumin ominaisuudet
Radioaktiivisella metalliplutoniumilla on seuraavat fysikaaliset ominaisuudet:
- tiheys 19,8 g/cm3
- sulamispiste - 641 °C
- kiehumispiste - 3232 °C
- lämmönjohtavuus (300 K:ssa) – 6,74 W/(m K)
Plutonium on radioaktiivista, minkä vuoksi se on lämmin kosketettaessa. Lisäksi tälle metallille on ominaista alhaisin lämmön- ja sähkönjohtavuus. Nestemäinen plutonium on viskoosiisin kaikista olemassa olevista metalleista.
Pieninkin muutos plutoniumin lämpötilassa johtaa välittömään muutokseen aineen tiheydessä. Yleensä plutoniumin massa muuttuu jatkuvasti, koska tämän metallin ytimet ovat jatkuvassa fissiossa pienempiin ytimiin ja neutroneihin. Plutoniumin kriittinen massa on halkeamiskelpoisen aineen vähimmäismassa, jolla fissio (ydinketjureaktio) on edelleen mahdollista. Esimerkiksi aselaatuisen plutoniumin kriittinen massa on 11 kg (vertailun vuoksi erittäin rikastetun uraanin kriittinen massa on 52 kg).
Uraani ja plutonium ovat tärkeimmät ydinpolttoaineet. Plutoniumin saamiseksi suurissa määrissä käytetään kahta tekniikkaa:
- uraanin säteilytys
- käytetystä polttoaineesta saatujen transuraanielementtien säteilytys
Molemmat menetelmät sisältävät plutoniumin ja uraanin erottamisen kemiallisen reaktion seurauksena.
Puhtaan plutonium-238:n saamiseksi käytetään neptunium-237:n neutronisäteilytystä. Sama isotooppi on mukana erityisesti aselaatuisen plutonium-239:n luomisessa, se on välituote. 1 miljoona dollaria on hinta 1 kilolta plutonium-238:aa.
Sen löysivät vuosina 1940-41 amerikkalaiset tutkijat G. Seaborg, E. McMillan, J. Kennedy ja A. Wahl, jotka saivat isotoopin 238 Pu säteilyttämällä uraania raskailla vetyytimillä - deuteroneilla. Nimetty Pluton planeetan mukaan, kuten Plutoniumin edeltäjät jaksollisessa taulukossa - uraani ja neptunium, joiden nimet tulivat myös planeetoilta Uranus ja Neptunus. Plutonium-isotoopit tunnetaan massaluvuilla 232-246. Isotooppeja 247 Pu ja 255 Pu löydettiin lämpöydinpommien räjähdyksen jälkeen kerätystä pölystä. Plutoniumin pisin elänyt isotooppi on α-radioaktiivinen 244 Pu (puoliintumisaika T ½ noin 7,5 10 7 vuotta). Kaikkien Plutonium-isotooppien T½-arvot ovat paljon pienempiä kuin Maan ikä, ja siksi kaikki primaarinen Plutonium (joka oli planeetallamme muodostumisen aikana) hajosi täysin. Pieniä määriä 239 Pu:ta muodostuu kuitenkin jatkuvasti 239 Np:n β-hajoamisen aikana, mikä puolestaan tapahtuu uraanin ydinreaktiossa neutronien (esimerkiksi kosmisen säteen neutronien) kanssa. Siksi uraanimalmeista löytyy jäämiä plutoniumista.
Plutonium on kiiltävä valkoinen metalli, jonka lämpötila vaihtelee huoneenlämpötilasta 640 °C:seen (t pl), ja sitä on kuusi allotrooppista muunnelmaa. Plutoniumin allotrooppisiin muutoksiin liittyy äkillisiä tiheyden muutoksia. Metallisen plutoniumin ainutlaatuinen ominaisuus on, että 310 - 480 °C kuumennettaessa se ei laajene muiden metallien tapaan, vaan supistuu. Pu-atomin kolmen ulomman elektronikuoren konfiguraatio on 5s 2 5p 6 5d 10 5f 6 6s 2 6p 2 7s 2. Plutoniumin kemialliset ominaisuudet ovat monella tapaa samanlaisia kuin sen edeltäjien jaksollisessa taulukossa - uraanin ja neptuniumin - ominaisuudet. Plutonium muodostaa yhdisteitä, joiden hapetusaste on +2 - +7. Oksidit PuO, Pu 2O 3, Pu0 2 ja faasi, jonka koostumus vaihtelee Pu 2O 3 - Pu 4O 7, tunnetaan. Halogeeneja sisältävissä yhdisteissä plutoniumilla on yleensä hapetusaste +3, mutta myös halogenidit PuF 4, PuF 6 ja PuCl 4 tunnetaan. Liuoksissa Plutonium esiintyy muodoissa Pu 3+, Pu 4+, PuO 2 (plutonyyli-ioni), PuO 2+ (plutonyyli-ioni) ja PuO s 3-, mikä vastaa hapettumisasteita +3 - +7. Nämä ionit (paitsi PuO 3-5) voivat olla liuoksessa samanaikaisesti tasapainossa. Kaikkien hapetusasteiden plutoniumionit ovat alttiita hydrolyysille ja kompleksien muodostumiselle.
Kaikista plutoniumin isotoopeista tärkein on α-radioaktiivinen 239 Pu (T ½ = 2,4 10 4 vuotta). 239 Pu-ytimet kykenevät ketjufissioreaktioon neutronien vaikutuksesta, joten 239 Pu:ta voidaan käyttää atomienergian lähteenä (1 g 239 Pu:n fissiossa vapautuva energia vastaa palamisen aikana vapautuvaa lämpöä 4000 kg hiiltä). Neuvostoliitossa ensimmäiset 239 Pu:n tuotantokokeet aloitettiin akateemikoiden I. V. Khlopinin johdolla. Ensimmäistä kertaa Neuvostoliitossa plutonium eristettiin neutronilla säteilytetystä uraanista vuonna 1945. Laajat tutkimukset Plutoniumin ominaisuuksista suoritettiin erittäin lyhyessä ajassa, ja vuonna 1949 ensimmäinen Plutoniumin radiokemiallisen erottamisen laitos aloitti toimintansa Neuvostoliitossa.
239 Pu:n teollinen tuotanto perustuu 238 U:n ytimien vuorovaikutukseen ydinreaktoreissa olevien neutronien kanssa. Myöhempi Pu:n erottaminen U:sta, Np:stä ja erittäin radioaktiivisista fissiotuotteista suoritetaan radiokemiallisilla menetelmillä (yhteisaostus, uutto, ioninvaihto ja muut). Plutoniummetallia saadaan yleensä pelkistämällä PuF 3 , PuF 4 tai PuCO 2 barium-, kalsium- tai litiumhöyryllä. Halkeavana materiaalina 238 Pu:ta käytetään ydinreaktoreissa sekä atomi- ja lämpöydinpommeissa. 238 Pu-isotooppia käytetään atomisähköakkujen valmistukseen, joiden käyttöikä on 5 vuotta tai enemmän. Tällaisia akkuja voidaan käyttää esimerkiksi virtageneraattoreissa, jotka stimuloivat sydäntä.
Plutonium kehossa. Meren eliöt väkevöivät plutoniumia: sen kertymiskerroin (eli pitoisuuksien suhde kehossa ja ulkoisessa ympäristössä) leville on 1000-9000, planktonille (sekoitetulle) - noin 2300, nilviäisille - jopa 380, meritähtille - noin 1000, kalojen lihaksille, luille, maksalle ja mahalle - 5, 570, 200 ja 1060. Maakasvit imevät plutoniumia pääasiassa juurijärjestelmän kautta ja keräävät sitä 0,01 prosenttiin massastaan. Ihmiskehossa plutonium jää pääasiassa luustoon ja maksaan, josta se ei juurikaan erity (etenkin luista). Myrkyllisin 239 Pu aiheuttaa hematopoieettisia häiriöitä, osteosarkoomia ja keuhkosyöpää. 1900-luvun 70-luvulta lähtien plutoniumin osuus biosfäärin radioaktiivisesta saastumisesta on kasvanut (täten plutoniumin aiheuttama meren selkärangattomien säteily on suurempi kuin 90 Sr:n ja 137 Cs:n vuoksi).
Plutoniumin, alkuaine numero 94, löysivät Glenn Seaborg, Edwin McMillan, Kennedy ja Arthur Wahl vuonna 1940 Berkeleyssä pommittamalla uraanikohdetta kuudenkymmenen tuuman syklotronin deuteroneilla. Toukokuussa 1940 Lewis 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 oli 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, joka 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.
