Plutonium (Latin Plutonium, simbol Pu) adalah unsur kimia radioaktif dengan nomor atom 94 dan berat atom 244.064. Plutonium adalah unsur golongan III tabel periodik Dmitry Ivanovich Mendeleev dan termasuk dalam keluarga aktinida. Plutonium adalah logam radioaktif rapuh yang berat (densitas dalam kondisi normal 19,84 g/cm³) dan berwarna putih keperakan.

Plutonium tidak memiliki isotop stabil. Dari seratus kemungkinan isotop plutonium, dua puluh lima telah disintesis. Sifat nuklir dari lima belas di antaranya dipelajari (nomor massa 232-246). Empat telah menemukan penerapan praktis. Isotop yang berumur terpanjang adalah 244Pu (waktu paruh 8,26-107 tahun), 242Pu (waktu paruh 3,76-105 tahun), 239Pu (waktu paruh 2,41-104 tahun), 238Pu (waktu paruh 87,74 tahun) - α- emitor dan 241Pu (waktu paruh 14 tahun) - β-emitor. Di alam, plutonium terdapat dalam jumlah yang dapat diabaikan dalam bijih uranium (239Pu); itu terbentuk dari uranium di bawah pengaruh neutron, yang sumbernya adalah reaksi yang terjadi selama interaksi partikel α dengan unsur ringan (termasuk bijih), fisi spontan inti uranium dan radiasi kosmik.

Unsur kesembilan puluh empat ditemukan oleh sekelompok ilmuwan Amerika - Glenn Seaborg, Kennedy, Edwin McMillan dan Arthur Wahl pada tahun 1940 di Berkeley (di Universitas California) ketika mengebom target uranium oksida ( U3O8) dengan inti deuterium yang dipercepat (deuteron) dari siklotron enam puluh inci. Pada bulan Mei 1940, sifat-sifat plutonium diprediksi oleh Lewis Turner.

Pada bulan Desember 1940, isotop plutonium Pu-238 ditemukan, dengan waktu paruh ~90 tahun, diikuti setahun kemudian oleh Pu-239 yang lebih penting dengan waktu paruh ~24.000 tahun.

Edwin MacMillan pada tahun 1948 mengusulkan untuk memberi nama unsur kimia plutonium untuk menghormati penemuan planet baru Pluto dan dengan analogi dengan neptunium, yang dinamai berdasarkan penemuan Neptunus.

Plutonium logam (isotop 239Pu) digunakan dalam senjata nuklir dan berfungsi sebagai bahan bakar nuklir dalam reaktor daya yang beroperasi pada neutron termal dan terutama neutron cepat. Massa kritis 239Pu sebagai logam adalah 5,6 kg. Isotop 239Pu antara lain merupakan bahan awal produksi unsur transplutonium pada reaktor nuklir. Isotop 238Pu digunakan dalam sumber tenaga nuklir berukuran kecil yang digunakan dalam penelitian luar angkasa, serta stimulan jantung manusia.

Plutonium-242 penting sebagai “bahan mentah” untuk akumulasi unsur transuranium tingkat tinggi yang relatif cepat dalam reaktor nuklir. Paduan plutonium yang distabilkan δ digunakan dalam pembuatan sel bahan bakar, karena memiliki sifat metalurgi yang lebih baik dibandingkan dengan plutonium murni, yang mengalami transisi fase saat dipanaskan. Plutonium oksida digunakan sebagai sumber energi untuk teknologi luar angkasa dan diterapkan pada batang bahan bakar.

Semua senyawa plutonium beracun, akibat radiasi α. Partikel alfa menimbulkan bahaya serius jika sumbernya ada di tubuh orang yang terinfeksi; partikel tersebut merusak jaringan di sekitar tubuh. Radiasi gamma dari plutonium tidak berbahaya bagi tubuh. Perlu dipertimbangkan bahwa isotop plutonium yang berbeda memiliki toksisitas yang berbeda, misalnya, plutonium reaktor pada umumnya 8-10 kali lebih beracun daripada 239Pu murni, karena didominasi oleh nuklida 240Pu, yang merupakan sumber radiasi alfa yang kuat. Plutonium adalah unsur paling radiotoksik dari semua aktinida, namun dianggap jauh dari unsur paling berbahaya, karena radium hampir seribu kali lebih berbahaya daripada isotop plutonium paling beracun - 239Pu.

Sifat biologis

Plutonium terkonsentrasi oleh organisme laut: koefisien akumulasi logam radioaktif ini (rasio konsentrasi dalam tubuh dan lingkungan luar) untuk alga adalah 1000-9000, untuk plankton - sekitar 2300, untuk bintang laut - sekitar 1000, untuk moluska - hingga 380, untuk otot, tulang, hati dan perut ikan - masing-masing 5, 570, 200 dan 1060. Tumbuhan darat menyerap plutonium terutama melalui sistem perakaran dan mengakumulasikannya hingga 0,01% massanya. Dalam tubuh manusia, unsur kesembilan puluh empat disimpan terutama di kerangka dan hati, dari mana unsur tersebut hampir tidak dikeluarkan (terutama dari tulang).

Plutonium sangat beracun, dan bahaya kimianya (seperti logam berat lainnya) jauh lebih lemah (dari sudut pandang kimia, ia juga beracun seperti timbal.) dibandingkan dengan toksisitas radioaktifnya, yang merupakan akibat dari radiasi alfa. Selain itu, partikel α memiliki kemampuan penetrasi yang relatif rendah: untuk 239Pu, kisaran partikel α di udara adalah 3,7 cm, dan di jaringan biologis lunak 43 μm. Oleh karena itu, partikel alfa menimbulkan bahaya serius jika sumbernya ada di tubuh orang yang terinfeksi. Pada saat yang sama, mereka merusak jaringan tubuh di sekitar elemen tersebut.

Pada saat yang sama, sinar-γ dan neutron, yang juga dipancarkan plutonium dan mampu menembus tubuh dari luar, tidak terlalu berbahaya, karena kadarnya terlalu rendah untuk membahayakan kesehatan. Plutonium termasuk dalam kelompok unsur dengan radiotoksisitas yang sangat tinggi. Pada saat yang sama, isotop plutonium yang berbeda memiliki toksisitas yang berbeda, misalnya, plutonium reaktor pada umumnya 8-10 kali lebih beracun daripada 239Pu murni, karena didominasi oleh nuklida 240Pu, yang merupakan sumber radiasi alfa yang kuat.

Ketika tertelan melalui air dan makanan, plutonium kurang beracun dibandingkan zat seperti kafein, beberapa vitamin, pseudoefedrin, dan banyak tumbuhan dan jamur. Hal ini dijelaskan oleh fakta bahwa unsur ini kurang diserap oleh saluran pencernaan, bahkan ketika disuplai dalam bentuk garam yang larut, garam yang sama ini terikat oleh isi lambung dan usus. Namun, konsumsi 0,5 gram plutonium yang dipecah atau dilarutkan dapat mengakibatkan kematian akibat iradiasi pencernaan akut dalam beberapa hari atau minggu (untuk sianida nilainya adalah 0,1 gram).

Dari sudut pandang penghirupan, plutonium adalah racun biasa (kira-kira setara dengan uap merkuri). Jika terhirup, plutonium bersifat karsinogenik dan dapat menyebabkan kanker paru-paru. Jadi, bila dihirup, seratus miligram plutonium dalam bentuk partikel dengan ukuran optimal untuk disimpan di paru-paru (1-3 mikron) menyebabkan kematian akibat edema paru dalam 1-10 hari. Dosis dua puluh miligram menyebabkan kematian akibat fibrosis dalam waktu sekitar satu bulan. Dosis yang lebih kecil menyebabkan keracunan karsinogenik kronis. Bahaya terhirupnya plutonium ke dalam tubuh semakin meningkat karena plutonium rentan terhadap pembentukan aerosol.

Meskipun merupakan logam, namun cukup fluktuatif. Kehadiran logam dalam waktu singkat di dalam ruangan secara signifikan meningkatkan konsentrasinya di udara. Plutonium yang masuk ke paru-paru sebagian mengendap di permukaan paru-paru, sebagian masuk ke dalam darah, kemudian ke getah bening dan sumsum tulang. Sebagian besar (sekitar 60%) berakhir di jaringan tulang, 30% di hati dan hanya 10% yang diekskresikan secara alami. Jumlah plutonium yang masuk ke dalam tubuh bergantung pada ukuran partikel aerosol dan kelarutannya dalam darah.

Plutonium yang masuk ke dalam tubuh manusia dalam satu atau lain cara memiliki sifat yang mirip dengan besi besi, oleh karena itu, ketika menembus ke dalam sistem peredaran darah, plutonium mulai terkonsentrasi di jaringan yang mengandung zat besi: sumsum tulang, hati, limpa. Tubuh menganggap plutonium sebagai zat besi, oleh karena itu, protein transferin mengambil plutonium sebagai pengganti zat besi, akibatnya transfer oksigen dalam tubuh terhenti. Mikrofag membawa plutonium ke kelenjar getah bening. Plutonium yang masuk ke dalam tubuh membutuhkan waktu yang sangat lama untuk dikeluarkan darinya - dalam waktu 50 tahun, hanya 80% yang akan dikeluarkan dari tubuh. Waktu paruh dari hati adalah 40 tahun. Untuk jaringan tulang, waktu paruh plutonium adalah 80-100 tahun; faktanya, konsentrasi unsur sembilan puluh empat dalam tulang adalah konstan.

Sepanjang Perang Dunia II dan setelah berakhirnya, para ilmuwan yang bekerja di Proyek Manhattan, serta ilmuwan dari Third Reich dan organisasi penelitian lainnya, melakukan eksperimen menggunakan plutonium pada hewan dan manusia. Penelitian pada hewan menunjukkan bahwa beberapa miligram plutonium per kilogram jaringan adalah dosis yang mematikan. Penggunaan plutonium pada manusia biasanya terdiri dari 5 mcg plutonium yang disuntikkan secara intramuskular ke pasien sakit kronis. Akhirnya ditentukan bahwa dosis yang mematikan bagi pasien adalah satu mikrogram plutonium, dan plutonium itu lebih berbahaya daripada radium dan cenderung menumpuk di tulang.

Seperti diketahui, plutonium merupakan unsur yang praktis tidak ada di alam. Namun, sekitar lima ton di antaranya terlepas ke atmosfer akibat uji coba nuklir pada periode 1945-1963. Jumlah total plutonium yang dilepaskan ke atmosfer akibat uji coba nuklir sebelum tahun 1980-an diperkirakan mencapai 10 ton. Berdasarkan beberapa perkiraan, tanah di Amerika Serikat mengandung rata-rata 2 milicurie (28 mg) plutonium per km2 curah hujan, dan keberadaan plutonium di Samudera Pasifik meningkat dibandingkan dengan keseluruhan distribusi bahan nuklir di bumi.

Fenomena terbaru terkait dengan uji coba nuklir AS di Kepulauan Marshall di Pacific Test Site pada pertengahan tahun 1950-an. Waktu tinggal plutonium di permukaan air laut berkisar antara 6 hingga 21 tahun, namun, bahkan setelah periode ini, plutonium jatuh ke dasar bersama dengan partikel biogenik, yang kemudian direduksi menjadi bentuk larut sebagai akibat dari penguraian mikroba.

Polusi global dengan unsur kesembilan puluh empat dikaitkan tidak hanya dengan uji coba nuklir, tetapi juga dengan kecelakaan produksi dan peralatan yang berinteraksi dengan unsur ini. Jadi pada bulan Januari 1968, sebuah B-52 Angkatan Udara AS yang membawa empat hulu ledak nuklir jatuh di Greenland. Akibat ledakan tersebut, muatannya hancur dan plutonium bocor ke laut.

Kasus kontaminasi radioaktif terhadap lingkungan lainnya akibat kecelakaan terjadi pada pesawat ruang angkasa Soviet Kosmos-954 pada 24 Januari 1978. Akibat deorbit yang tidak terkendali, sebuah satelit dengan sumber tenaga nuklir jatuh ke wilayah Kanada. Akibat kecelakaan tersebut, lebih dari satu kilogram plutonium-238 terlepas ke lingkungan, tersebar di area seluas sekitar 124.000 m².

Contoh terburuk dari kebocoran darurat zat radioaktif ke lingkungan adalah kecelakaan di pembangkit listrik tenaga nuklir Chernobyl yang terjadi pada tanggal 26 April 1986. Akibat hancurnya unit tenaga keempat, 190 ton zat radioaktif (termasuk isotop plutonium) dilepaskan ke lingkungan di area seluas sekitar 2.200 km².

Pelepasan plutonium ke lingkungan tidak hanya terkait dengan kejadian yang disebabkan oleh manusia. Diketahui kasus kebocoran plutonium, baik dari kondisi laboratorium maupun pabrik. Lebih dari dua puluh kebocoran yang tidak disengaja dari laboratorium 235U dan 239Pu diketahui. Selama tahun 1953-1978. Kecelakaan menyebabkan kerugian 0,81 (Mayak, 15 Maret 1953) menjadi 10,1 kg (Tomsk, 13 Desember 1978) 239Pu. Insiden industri mengakibatkan total dua kematian di Los Alamos (21 Agustus 1945 dan 21 Mei 1946) akibat dua kecelakaan dan hilangnya 6,2 kg plutonium. Di kota Sarov pada tahun 1953 dan 1963. sekitar 8 dan 17,35 kg jatuh di luar reaktor nuklir. Salah satunya berujung pada hancurnya reaktor nuklir pada tahun 1953.

Ketika inti 238Pu fisi dengan neutron, energi 200 MeV dilepaskan, yang 50 juta kali lebih banyak daripada reaksi eksotermik paling terkenal: C + O2 → CO2. “Pembakaran” dalam reaktor nuklir, satu gram plutonium menghasilkan 2.107 kkal - ini adalah energi yang terkandung dalam 4 ton batubara. Satu bidal bahan bakar plutonium yang setara dengan energi dapat setara dengan empat puluh gerbong kayu bakar yang baik!

“Isotop alami” plutonium (244Pu) diyakini sebagai isotop yang berumur paling lama dari semua unsur transuranium. Waktu paruhnya adalah 8,26∙107 tahun. Para ilmuwan telah lama mencoba untuk mendapatkan isotop unsur transuranium yang berumur lebih panjang dari 244Pu - harapan besar dalam hal ini disematkan pada 247Cm. Namun setelah disintesis ternyata waktu paruh unsur ini hanya 14 juta tahun.

Cerita

Pada tahun 1934, sekelompok ilmuwan yang dipimpin oleh Enrico Fermi membuat pernyataan bahwa selama karya ilmiah di Universitas Roma mereka telah menemukan unsur kimia dengan nomor seri 94. Atas desakan Fermi, unsur tersebut diberi nama hesperium, ilmuwan tersebut yakin bahwa dia telah menemukan unsur baru, yang sekarang disebut plutonium, sehingga menunjukkan adanya unsur transuranium dan menjadi penemu teoretisnya. Fermi mempertahankan hipotesis ini dalam kuliah Nobelnya pada tahun 1938. Baru setelah penemuan fisi nuklir oleh ilmuwan Jerman Otto Frisch dan Fritz Strassmann, Fermi terpaksa membuat catatan dalam versi cetak yang diterbitkan di Stockholm pada tahun 1939 yang menunjukkan perlunya mempertimbangkan kembali “seluruh masalah unsur transuranium”. Faktanya adalah karya Frisch dan Strassmann menunjukkan bahwa aktivitas yang ditemukan Fermi dalam eksperimennya justru disebabkan oleh fisi, dan bukan karena penemuan unsur transuranium, seperti yang diyakininya sebelumnya.

Unsur baru, unsur kesembilan puluh empat, ditemukan pada akhir tahun 1940. Itu terjadi di Berkeley di Universitas California. Dengan membombardir uranium oksida (U3O8) dengan inti hidrogen berat (deuteron), sekelompok ahli radiokimia Amerika yang dipimpin oleh Glenn T. Seaborg menemukan pemancar partikel alfa yang sebelumnya tidak diketahui dengan waktu paruh 90 tahun. Emitor ini ternyata adalah isotop unsur No. 94 dengan nomor massa 238. Jadi, pada tanggal 14 Desember 1940, plutonium dalam jumlah mikrogram pertama diperoleh bersama dengan campuran unsur lain dan senyawanya.

Selama percobaan yang dilakukan pada tahun 1940, ditemukan bahwa selama reaksi nuklir, isotop neptunium-238 berumur pendek pertama kali diproduksi (waktu paruh 2,117 hari), dan darinya plutonium-238:

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

Eksperimen kimia yang panjang dan melelahkan untuk memisahkan unsur baru dari pengotor berlangsung selama dua bulan. Keberadaan unsur kimia baru dikonfirmasi pada malam tanggal 23-24 Februari 1941 oleh G. T. Seaborg, E. M. Macmillan, J. W. Kennedy dan A. C. Wall melalui studi sifat kimia pertamanya - kemampuan untuk memiliki setidaknya dua oksidasi negara bagian. Beberapa saat setelah percobaan berakhir, diketahui bahwa isotop ini non-fisil, dan oleh karena itu, tidak menarik untuk dipelajari lebih lanjut. Segera (Maret 1941), Kennedy, Seaborg, Segre dan Wahl mensintesis isotop yang lebih penting, plutonium-239, dengan menyinari uranium dengan neutron yang dipercepat dalam siklotron. Isotop ini terbentuk dari peluruhan neptunium-239, memancarkan sinar alfa dan memiliki waktu paruh 24.000 tahun. Senyawa murni pertama dari unsur tersebut diperoleh pada tahun 1942, dan jumlah berat logam plutonium pertama diperoleh pada tahun 1943.

Nama unsur baru 94 diusulkan pada tahun 1948 oleh MacMillan, yang, beberapa bulan sebelum penemuan plutonium, bersama dengan F. Eibelson, memperoleh unsur pertama yang lebih berat dari uranium - unsur No. 93, yang diberi nama neptunium untuk menghormati dari planet Neptunus - yang pertama setelah Uranus. Dengan analogi, mereka memutuskan untuk menyebut unsur No. 94 plutonium, karena planet Pluto berada di urutan kedua setelah Uranus. Pada gilirannya, Seaborg mengusulkan untuk menamai unsur baru tersebut dengan “plutium”, namun kemudian menyadari bahwa nama tersebut tidak terdengar bagus jika dibandingkan dengan “plutonium”. Selain itu, ia mengajukan nama lain untuk unsur baru tersebut: ultimium, extermium, karena penilaian yang salah pada saat itu bahwa plutonium akan menjadi unsur kimia terakhir dalam tabel periodik. Hasilnya, unsur tersebut diberi nama “plutonium” untuk menghormati penemuan planet terakhir di tata surya.

Berada di alam

Waktu paruh isotop plutonium yang berumur paling lama adalah 75 juta tahun. Angka tersebut sangat mengesankan, namun usia Galaksi diukur dalam miliaran tahun. Oleh karena itu, isotop utama dari unsur kesembilan puluh empat, yang terbentuk selama sintesis besar-besaran unsur-unsur Alam Semesta, tidak memiliki peluang untuk bertahan hingga hari ini. Namun, ini tidak berarti bahwa tidak ada plutonium sama sekali di bumi. Itu terus-menerus terbentuk dalam bijih uranium. Dengan menangkap neutron dari radiasi kosmik dan neutron yang dihasilkan oleh fisi spontan inti 238U, beberapa - sangat sedikit - atom dari isotop ini berubah menjadi atom 239U. Inti unsur ini sangat tidak stabil, mereka memancarkan elektron dan dengan demikian meningkatkan muatannya, dan neptunium, unsur transuranium pertama, terbentuk. 239Np juga tidak stabil, intinya juga memancarkan elektron, sehingga hanya dalam waktu 56 jam setengah dari 239Np berubah menjadi 239Pu.

Waktu paruh isotop ini sudah sangat lama yaitu mencapai 24.000 tahun. Rata-rata, kandungan 239Pu kira-kira 400.000 kali lebih sedikit dibandingkan radium. Oleh karena itu, sangat sulit tidak hanya untuk menambang, tetapi bahkan untuk mendeteksi plutonium “terestrial”. Sejumlah kecil 239Pu - bagian per triliun - dan produk peluruhan dapat ditemukan dalam bijih uranium, misalnya di reaktor nuklir alami di Oklo, Gabon (Afrika Barat). Apa yang disebut “reaktor nuklir alami” dianggap sebagai satu-satunya di dunia di mana aktinida dan produk fisinya saat ini terbentuk di geosfer. Menurut perkiraan modern, reaksi berkelanjutan dengan pelepasan panas terjadi di wilayah ini beberapa juta tahun yang lalu, yang berlangsung lebih dari setengah juta tahun.

Jadi, kita telah mengetahui bahwa dalam bijih uranium, sebagai hasil penangkapan neutron oleh inti uranium, terbentuk neptunium (239Np), produk peluruhannya adalah plutonium-239 alami. Berkat instrumen khusus - spektrometer massa - keberadaan plutonium-244 (244Pu), yang memiliki waktu paruh terpanjang - sekitar 80 juta tahun, ditemukan di bastnaesit Prakambrium (bijih cerium). Di alam, 244Pu ditemukan terutama dalam bentuk dioksida (PuO2), yang bahkan lebih sulit larut dalam air dibandingkan pasir (kuarsa). Karena isotop plutonium-240 (240Pu) yang berumur relatif panjang berada dalam rantai peluruhan plutonium-244, peluruhannya memang terjadi, tetapi hal ini sangat jarang terjadi (1 kasus dalam 10.000). Jumlah plutonium-238 (238Pu) yang sangat kecil disebabkan oleh peluruhan beta ganda yang sangat langka dari isotop induknya, uranium-238, yang ditemukan dalam bijih uranium.

Jejak isotop 247Pu dan 255Pu ditemukan dalam debu yang dikumpulkan setelah ledakan bom termonuklir.

Plutonium dalam jumlah kecil secara hipotetis mungkin ada dalam tubuh manusia, mengingat sejumlah besar uji coba nuklir telah dilakukan dengan satu atau lain cara terkait dengan plutonium. Plutonium terakumulasi terutama di kerangka dan hati, dari mana ia praktis tidak dikeluarkan. Selain itu, unsur sembilan puluh empat diakumulasikan oleh organisme laut; Tumbuhan darat menyerap plutonium terutama melalui sistem perakaran.

Ternyata plutonium hasil sintesis buatan masih ada di alam, lalu mengapa tidak ditambang, melainkan diperoleh secara artifisial? Faktanya adalah konsentrasi unsur ini terlalu rendah. Tentang logam radioaktif lainnya - radium, mereka berkata: "satu gram produksi - satu tahun kerja", dan radium di alam 400.000 kali lebih banyak daripada plutonium! Karena alasan ini, sangat sulit tidak hanya untuk menambang, tetapi bahkan untuk mendeteksi plutonium “terestrial”. Hal ini dilakukan hanya setelah sifat fisik dan kimia plutonium yang diproduksi di reaktor nuklir dipelajari.

Aplikasi

Isotop 239Pu (bersama dengan U) digunakan sebagai bahan bakar nuklir dalam reaktor daya yang beroperasi pada neutron termal dan cepat (terutama), serta dalam pembuatan senjata nuklir.

Sekitar setengah ribu pembangkit listrik tenaga nuklir di seluruh dunia menghasilkan sekitar 370 GW listrik (atau 15% dari total produksi listrik dunia). Plutonium-236 digunakan dalam pembuatan baterai listrik atom, yang masa pakainya mencapai lima tahun atau lebih, digunakan dalam generator arus yang merangsang jantung (alat pacu jantung). 238Pu digunakan dalam sumber tenaga nuklir berukuran kecil yang digunakan dalam penelitian luar angkasa. Dengan demikian, plutonium-238 adalah sumber tenaga untuk wahana New Horizons, Galileo dan Cassini, penjelajah Curiosity, dan pesawat ruang angkasa lainnya.

Senjata nuklir menggunakan plutonium-239 karena isotop ini adalah satu-satunya nuklida yang cocok untuk digunakan dalam bom nuklir. Selain itu, semakin seringnya penggunaan plutonium-239 dalam bom nuklir disebabkan oleh fakta bahwa plutonium menempati volume yang lebih sedikit di dalam bola (tempat inti bom berada), sehingga daya ledak bom dapat diperoleh karena hal ini. Properti.

Skema terjadinya ledakan nuklir yang melibatkan plutonium terletak pada desain bom itu sendiri, yang intinya terdiri dari bola berisi 239Pu. Pada saat bertabrakan dengan tanah, bola tersebut dikompresi hingga satu juta atmosfer karena desain dan bahan peledak yang mengelilingi bola tersebut. Setelah tumbukan, inti mengembang dalam volume dan kepadatan dalam waktu sesingkat mungkin - puluhan mikrodetik, rakitan melompati keadaan kritis dengan neutron termal dan masuk ke keadaan superkritis dengan neutron cepat - reaksi berantai nuklir dimulai dengan partisipasi dari neutron dan inti unsur. Ledakan terakhir bom nuklir melepaskan suhu puluhan juta derajat.

Isotop plutonium telah menemukan kegunaannya dalam sintesis unsur transplutonium (di samping plutonium). Misalnya di Laboratorium Nasional Oak Ridge, dengan iradiasi neutron jangka panjang diperoleh 239Pu, 24496Cm, 24296Cm, 24997Bk, 25298Cf, 25399Es dan 257100Fm. Dengan cara yang sama, americium 24195Am pertama kali diperoleh pada tahun 1944. Pada tahun 2010, plutonium-242 oksida yang dibombardir dengan ion kalsium-48 menjadi sumber ununquadium.

Paduan plutonium yang distabilkan δ digunakan dalam pembuatan batang bahan bakar karena memiliki sifat metalurgi yang jauh lebih baik dibandingkan dengan plutonium murni, yang mengalami transisi fase saat dipanaskan dan merupakan bahan yang sangat rapuh dan tidak dapat diandalkan. Paduan plutonium dengan unsur lain (senyawa intermetalik) biasanya diperoleh melalui interaksi langsung unsur-unsur dalam proporsi yang diperlukan, sedangkan peleburan busur terutama digunakan; kadang-kadang paduan yang tidak stabil diperoleh dengan pengendapan semprotan atau pendinginan lelehan.

Unsur paduan industri utama untuk plutonium adalah galium, aluminium, dan besi, meskipun plutonium mampu membentuk paduan dan zat antara dengan sebagian besar logam dengan pengecualian yang jarang (kalium, natrium, litium, rubidium, magnesium, kalsium, strontium, barium, europium, dan ytterbium) . Logam tahan api: molibdenum, niobium, kromium, tantalum, dan tungsten larut dalam plutonium cair, tetapi hampir tidak larut atau sedikit larut dalam plutonium padat. Indium, silikon, seng dan zirkonium mampu membentuk δ-plutonium (δ"-fase) yang metastabil ketika didinginkan dengan cepat. Gallium, aluminium, amerisium, skandium dan cerium dapat menstabilkan δ-plutonium pada suhu kamar.

Holmium, hafnium, dan talium dalam jumlah besar memungkinkan sebagian δ-plutonium disimpan pada suhu kamar. Neptunium adalah satu-satunya unsur yang dapat menstabilkan α-plutonium pada suhu tinggi. Titanium, hafnium dan zirkonium menstabilkan struktur β-plutonium pada suhu kamar ketika didinginkan dengan cepat. Penerapan paduan tersebut cukup beragam. Misalnya, paduan plutonium-gallium digunakan untuk menstabilkan fase δ plutonium, yang menghindari transisi fase α-δ. Paduan terner plutonium-gallium-kobalt (PuGaCo5) adalah paduan superkonduktor pada 18,5 K. Ada sejumlah paduan (plutonium-zirkonium, plutonium-cerium, dan plutonium-cerium-kobalt) yang digunakan sebagai bahan bakar nuklir.

Produksi

Plutonium industri diproduksi dengan dua cara. Ini bisa berupa iradiasi inti 238U yang terkandung dalam reaktor nuklir, atau pemisahan plutonium dari uranium, unsur transuranik, dan produk fisi yang terkandung dalam bahan bakar bekas dengan metode radiokimia (pengendapan bersama, ekstraksi, pertukaran ion, dll.).

Dalam kasus pertama, isotop paling praktis 239Pu (dicampur dengan campuran kecil 240Pu) diproduksi di reaktor nuklir dengan partisipasi inti uranium dan neutron menggunakan peluruhan β dan dengan partisipasi isotop neptunium sebagai produk fisi antara:

23892U + 21D → 23893Np + 210n;

23893Np → 23894Pu

peluruhan β

Dalam proses ini, deuteron memasuki uranium-238, menghasilkan pembentukan neptunium-238 dan dua neutron. Neptunium-238 kemudian secara spontan melakukan fisi, memancarkan partikel beta-minus yang membentuk plutonium-238.

Biasanya kandungan 239Pu dalam campuran adalah 90-95%, 240Pu 1-7%, kandungan isotop lain tidak melebihi sepersepuluh persen. Isotop dengan waktu paruh yang panjang - 242Pu dan 244Pu diperoleh dengan iradiasi berkepanjangan dengan neutron 239Pu. Selain itu, hasil 242Pu adalah beberapa puluh persen, dan 244Pu hanyalah sebagian kecil dari persentase kandungan 242Pu. Sejumlah kecil plutonium-238 yang murni secara isotop terbentuk ketika neptunium-237 diiradiasi dengan neutron. Isotop ringan plutonium dengan nomor massa 232-237 biasanya diperoleh dalam siklotron dengan menyinari isotop uranium dengan partikel α.

Metode produksi industri 239Pu yang kedua menggunakan proses Purex, berdasarkan ekstraksi dengan tributil fosfat dalam pengencer ringan. Pada siklus pertama, Pu dan U dimurnikan bersama dari produk fisi dan kemudian dipisahkan. Pada siklus kedua dan ketiga, plutonium selanjutnya dimurnikan dan dipekatkan. Skema proses tersebut didasarkan pada perbedaan sifat senyawa tetra dan heksavalen dari unsur-unsur yang dipisahkan.

Awalnya, batang bahan bakar bekas dibongkar dan lapisan yang mengandung plutonium dan uranium bekas dihilangkan dengan cara fisik dan kimia. Selanjutnya, bahan bakar nuklir yang diekstraksi dilarutkan dalam asam nitrat. Bagaimanapun, ini adalah zat pengoksidasi kuat ketika dilarutkan, dan uranium, plutonium, dan pengotor teroksidasi. Atom plutonium dengan valensi nol diubah menjadi Pu+6, dan plutonium dan uranium dilarutkan. Dari larutan tersebut, unsur kesembilan puluh empat direduksi menjadi keadaan trivalen dengan sulfur dioksida dan kemudian diendapkan dengan lantanum fluorida (LaF3).

Namun, selain plutonium, sedimennya mengandung unsur neptunium dan tanah jarang, tetapi sebagian besar (uranium) tetap berada dalam larutan. Selanjutnya, plutonium dioksidasi lagi menjadi Pu+6 dan ditambahkan lagi lantanum fluorida. Sekarang unsur tanah jarang mengendap, dan plutonium tetap berada dalam larutan. Selanjutnya, neptunium dioksidasi menjadi keadaan tetravalen dengan kalium bromat, karena reagen ini tidak berpengaruh pada plutonium, kemudian selama pengendapan sekunder dengan lantanum fluorida yang sama, plutonium trivalen menjadi endapan, dan neptunium tetap berada dalam larutan. Produk akhir dari operasi tersebut adalah senyawa yang mengandung plutonium - PuO2 dioksida atau fluorida (PuF3 atau PuF4), dari mana plutonium logam diperoleh (dengan reduksi dengan uap barium, kalsium atau litium).

Plutonium yang lebih murni dapat diperoleh dengan pemurnian elektrolitik logam yang diproduksi secara pirokimia, yang dilakukan dalam sel elektrolisis pada suhu 700°C dengan elektrolit kalium, natrium, dan plutonium klorida menggunakan katoda tungsten atau tantalum. Plutonium yang diperoleh dengan cara ini memiliki kemurnian 99,99%.

Untuk menghasilkan plutonium dalam jumlah besar, dibangun reaktor pemulia, yang disebut “peternak” (dari kata kerja bahasa Inggris to berkembang biak - berkembang biak). Reaktor ini mendapatkan namanya karena kemampuannya menghasilkan bahan fisil dalam jumlah yang melebihi biaya untuk memperoleh bahan tersebut. Perbedaan reaktor jenis ini dengan reaktor lainnya adalah neutron yang ada di dalamnya tidak diperlambat (tidak ada moderator, misalnya grafit) agar sebanyak mungkin neutron dapat bereaksi dengan 238U.

Setelah reaksi terbentuk atom 239U, yang selanjutnya membentuk 239Pu. Inti reaktor semacam itu, yang mengandung PuO2 dalam uranium dioksida terdeplesi (UO2), dikelilingi oleh cangkang uranium dioksida-238 (238UO2) yang lebih terdeplesi, di mana 239Pu terbentuk. Penggunaan gabungan 238U dan 235U memungkinkan “peternak” menghasilkan energi 50-60 kali lebih banyak dari uranium alam dibandingkan reaktor lainnya. Namun, reaktor ini memiliki kelemahan besar - batang bahan bakar harus didinginkan dengan media selain air, sehingga mengurangi energinya. Oleh karena itu, diputuskan untuk menggunakan natrium cair sebagai pendingin.

Pembangunan reaktor semacam itu di Amerika Serikat dimulai setelah berakhirnya Perang Dunia II; Uni Soviet dan Inggris baru memulai pembangunannya pada tahun 1950-an.

Properti fisik

Plutonium adalah logam keperakan yang sangat berat (kepadatan pada tingkat normal 19,84 g/cm³), dalam keadaan murni sangat mirip dengan nikel, tetapi di udara plutonium dengan cepat teroksidasi, memudar, membentuk lapisan warna-warni, mula-mula berwarna kuning muda, kemudian berubah menjadi ungu tua . Ketika oksidasi parah terjadi, bubuk oksida hijau zaitun (PuO2) muncul di permukaan logam.

Plutonium adalah logam yang sangat elektronegatif dan reaktif, bahkan jauh lebih elektronegatif dibandingkan uranium. Ia memiliki tujuh modifikasi alotropik (α, β, γ, δ, δ", ε dan ζ), yang berubah dalam kisaran suhu tertentu dan pada kisaran tekanan tertentu. Pada suhu kamar, plutonium berada dalam bentuk α - ini adalah modifikasi alotropik yang paling umum untuk plutonium Dalam fase alfa, plutonium murni rapuh dan cukup keras - struktur ini kira-kira sekeras besi cor kelabu, kecuali jika dipadukan dengan logam lain, yang akan memberikan keuletan dan kelembutan pada paduan tersebut , dalam bentuk terpadat ini, plutonium adalah unsur terpadat keenam (hanya osmium, iridium, platinum, renium, dan neptunium yang lebih berat). Transformasi alotropik plutonium lebih lanjut disertai dengan perubahan kepadatan yang tiba-tiba 480 ° C, ia tidak memuai, seperti logam lainnya, tetapi berkontraksi (fase delta). " dan "delta prime") Ketika meleleh (transisi dari fase epsilon ke fase cair), plutonium juga berkontraksi, memungkinkan plutonium yang tidak meleleh menjadi cair. mengambang.

Plutonium memiliki sejumlah sifat yang tidak biasa: ia memiliki konduktivitas termal terendah dari semua logam - pada 300 K adalah 6,7 W/(m K); plutonium memiliki konduktivitas listrik terendah; Dalam fase cairnya, plutonium adalah logam paling kental. Resistivitas unsur kesembilan puluh empat pada suhu kamar sangat tinggi untuk suatu logam, dan fitur ini akan meningkat seiring dengan penurunan suhu, yang tidak khas untuk logam. “Anomali” ini dapat ditelusuri hingga suhu 100 K - di bawah tanda ini hambatan listrik akan berkurang. Namun, mulai 20 K resistensi mulai meningkat lagi karena aktivitas radiasi logam.

Plutonium memiliki resistivitas listrik tertinggi dari semua aktinida yang dipelajari (sejauh ini), yaitu 150 μΩ cm (pada 22 °C). Logam ini memiliki titik leleh yang rendah (640 °C) dan titik didih yang sangat tinggi (3.227 °C). Mendekati titik leleh, plutonium cair memiliki viskositas dan tegangan permukaan yang sangat tinggi dibandingkan logam lainnya.

Karena radioaktivitasnya, plutonium terasa hangat saat disentuh. Sepotong besar plutonium dalam cangkang termal dipanaskan hingga suhu melebihi titik didih air! Selain itu, karena radioaktivitasnya, plutonium mengalami perubahan kisi kristalnya seiring waktu - semacam anil terjadi akibat iradiasi sendiri akibat kenaikan suhu di atas 100 K.

Kehadiran sejumlah besar modifikasi alotropik dalam plutonium membuatnya menjadi logam yang sulit untuk diproses dan dikeluarkan karena transisi fase. Kita telah mengetahui bahwa dalam bentuk alfa, unsur kesembilan puluh empat memiliki sifat yang mirip dengan besi tuang, namun cenderung berubah dan berubah menjadi bahan yang ulet, dan membentuk bentuk β yang dapat ditempa pada rentang suhu yang lebih tinggi. Plutonium dalam bentuk δ biasanya stabil pada suhu antara 310 °C dan 452 °C, tetapi dapat ada pada suhu kamar jika diolah dengan aluminium, serium, atau galium dalam persentase yang rendah. Ketika dicampur dengan logam-logam ini, plutonium dapat digunakan dalam pengelasan. Secara umum, bentuk delta memiliki karakteristik logam yang lebih menonjol - ia mendekati aluminium dalam hal kekuatan dan kemampuan tempa.

Sifat kimia

Sifat kimia unsur kesembilan puluh empat dalam banyak hal mirip dengan sifat pendahulunya dalam tabel periodik - uranium dan neptunium. Plutonium adalah logam yang cukup aktif; ia membentuk senyawa dengan bilangan oksidasi dari +2 hingga +7. Dalam larutan air, unsur menunjukkan bilangan oksidasi berikut: Pu (III), sebagai Pu3+ (ada dalam larutan asam, mempunyai warna ungu muda); Pu (IV), sebagai Pu4+ (warna coklat); Pu (V), sebagai PuO2+ (larutan ringan); Pu(VI), sebagai PuO22+ (larutan jingga muda) dan Pu(VII), sebagai PuO53- (larutan hijau).

Selain itu, ion-ion ini (kecuali PuO53-) dapat berada dalam kesetimbangan secara bersamaan dalam larutan, yang dijelaskan oleh adanya elektron 5f, yang terletak di zona orbital elektron yang terlokalisasi dan terdelokalisasi. Pada pH 5-8, Pu(IV) mendominasi, yang paling stabil di antara valensi (bilangan oksidasi) lainnya. Ion plutonium dari semua bilangan oksidasi rentan terhadap hidrolisis dan pembentukan kompleks. Kemampuan membentuk senyawa tersebut meningkat pada seri Pu5+

Plutonium padat perlahan teroksidasi di udara, menjadi tertutup lapisan oksida berminyak berwarna-warni. Oksida plutonium berikut diketahui: PuO, Pu2O3, PuO2 dan fase dengan komposisi variabel Pu2O3 - Pu4O7 (Berthollides). Dengan adanya sedikit uap air, laju oksidasi dan korosi meningkat secara signifikan. Jika suatu logam terkena sedikit udara lembab dalam waktu yang cukup lama, plutonium dioksida (PuO2) akan terbentuk di permukaannya. Dengan kekurangan oksigen, dihidridanya (PuH2) juga dapat terbentuk. Anehnya, plutonium berkarat lebih cepat di atmosfer gas inert (seperti argon) dengan uap air dibandingkan di udara kering atau oksigen murni. Faktanya, fakta ini mudah dijelaskan - aksi langsung oksigen membentuk lapisan oksida pada permukaan plutonium, yang mencegah oksidasi lebih lanjut; adanya uap air menghasilkan campuran oksida dan hidrida yang lepas; Omong-omong, berkat lapisan ini, logam menjadi piroforik, yaitu mampu terbakar secara spontan; oleh karena itu, plutonium logam biasanya diproses dalam atmosfer inert argon atau nitrogen. Pada saat yang sama, oksigen adalah zat pelindung dan mencegah kelembapan mempengaruhi logam.

Unsur kesembilan puluh empat bereaksi dengan asam, oksigen dan uapnya, tetapi tidak dengan basa. Plutonium sangat larut hanya dalam media yang sangat asam (misalnya asam klorida HCl), dan juga larut dalam hidrogen klorida, hidrogen iodida, hidrogen bromida, asam perklorat 72%, asam ortofosfat 85% H3PO4, CCl3COOH pekat, asam sulfamat dan titik didih. asam nitrat pekat. Plutonium tidak terlalu larut dalam larutan alkali.

Ketika larutan yang mengandung plutonium tetravalen terkena basa, endapan plutonium hidroksida Pu(OH)4 xH2O, yang memiliki sifat basa, akan mengendap. Ketika larutan garam yang mengandung PuO2+ terkena basa, hidroksida amfoter PuO2OH mengendap. Dijawab oleh garam - plutonit, misalnya Na2Pu2O6.

Garam plutonium mudah terhidrolisis jika bersentuhan dengan larutan netral atau basa, menghasilkan plutonium hidroksida yang tidak larut. Larutan plutonium pekat tidak stabil karena dekomposisi radiolitik yang menyebabkan pengendapan.

Deskripsi plutonium

Plutonium(Plutonium) adalah unsur kimia berat berwarna keperakan, logam radioaktif dengan nomor atom 94, yang dalam tabel periodik ditandai dengan simbol Pu.

Unsur kimia aktif elektronegatif ini termasuk dalam kelompok aktinida dengan massa atom 244,0642, dan, seperti neptunium, yang mendapatkan namanya untuk menghormati planet dengan nama yang sama, bahan kimia ini mendapatkan namanya dari planet Pluto, sejak pendahulunya. Salah satu unsur radioaktif dalam tabel periodik unsur kimia Mendeleev adalah dan neptunium, yang juga dinamai berdasarkan planet kosmik jauh di Galaksi kita.

Asal usul plutonium

Elemen plutonium pertama kali ditemukan pada tahun 1940 di Universitas California oleh sekelompok ahli radiologi dan peneliti ilmiah G. Seaborg, E. McMillan, Kennedy, A. Walch ketika membombardir target uranium dari siklotron dengan deuteron - inti hidrogen berat.

Pada bulan Desember tahun yang sama, para ilmuwan menemukan isotop plutonium– Pu-238, yang waktu paruhnya lebih dari 90 tahun, dan ditemukan bahwa di bawah pengaruh reaksi kimia nuklir yang kompleks, isotop neptunium-238 awalnya diproduksi, setelah itu isotop tersebut sudah terbentuk plutonium-238.

Pada awal tahun 1941, para ilmuwan menemukan plutonium 239 dengan masa peluruhan 25.000 tahun. Isotop plutonium dapat memiliki kandungan neutron yang berbeda di dalam intinya.

Senyawa murni unsur tersebut baru diperoleh pada akhir tahun 1942. Setiap kali ilmuwan radiologi menemukan isotop baru, mereka selalu mengukur waktu paruh isotop tersebut.

Saat ini, isotop plutonium yang totalnya ada 15, berbeda durasi waktunya setengah hidup. Dengan elemen inilah harapan dan prospek besar dikaitkan, tetapi pada saat yang sama, ketakutan yang serius terhadap umat manusia.

Plutonium memiliki aktivitas yang jauh lebih besar daripada, misalnya, uranium dan merupakan salah satu zat kimia yang penting secara teknis dan signifikan yang paling mahal.

Misalnya, harga satu gram plutonium beberapa kali lebih mahal daripada satu gram, , atau logam lain yang sama berharganya.

Produksi dan ekstraksi plutonium dianggap mahal, dan harga satu gram logam di zaman kita tetap berada di kisaran 4.000 dolar AS.

Bagaimana plutonium diperoleh? Produksi plutonium

Produksi unsur kimia terjadi di reaktor nuklir, di dalamnya uranium dipecah di bawah pengaruh proses kimia dan teknologi kompleks yang saling terkait.

Uranium dan plutonium merupakan komponen utama dan utama dalam produksi bahan bakar atom (nuklir).

Jika perlu untuk memperoleh unsur radioaktif dalam jumlah besar, digunakan metode iradiasi unsur transuranik, yang dapat diperoleh dari bahan bakar nuklir bekas dan iradiasi uranium. Reaksi kimia yang kompleks memungkinkan logam dipisahkan dari uranium.

Untuk memperoleh isotop yaitu plutonium-238 dan plutonium-239 tingkat senjata yang merupakan produk peluruhan antara, digunakan iradiasi neptunium-237 dengan neutron.

Sebagian kecil plutonium-244, yang merupakan isotop dengan umur terpanjang karena waktu paruhnya yang panjang, ditemukan dalam bijih cerium, yang kemungkinan besar terawetkan dari pembentukan planet Bumi kita. Unsur radioaktif ini tidak terdapat secara alami di alam.

Sifat fisik dasar dan karakteristik plutonium

Plutonium merupakan unsur kimia radioaktif yang cukup berat dengan warna keperakan yang hanya bersinar jika dimurnikan. Nuklir massa logam plutonium sama dengan 244 a. makan.

Karena radioaktivitasnya yang tinggi, unsur ini terasa hangat saat disentuh dan dapat memanas hingga suhu yang melebihi titik didih air.

Plutonium, di bawah pengaruh atom oksigen, dengan cepat menjadi gelap dan ditutupi dengan lapisan tipis warna-warni yang awalnya berwarna kuning muda, dan kemudian menjadi kaya atau coklat.

Dengan oksidasi kuat, bubuk PuO2 terbentuk pada permukaan unsur. Jenis logam kimia ini mengalami proses oksidasi dan korosi yang kuat bahkan pada tingkat kelembapan yang rendah.

Untuk mencegah korosi dan oksidasi pada permukaan logam, diperlukan fasilitas pengeringan. Foto plutonium dapat dilihat di bawah ini.

Plutonium adalah logam kimia tetravalen; ia larut dengan baik dan cepat dalam zat hidroiodik dan lingkungan asam, misalnya dalam asam klorat.

Garam logam dengan cepat dinetralkan dalam media netral dan larutan basa, membentuk plutonium hidroksida yang tidak larut.

Suhu leleh plutonium adalah 641 derajat Celcius, titik didih 3230 derajat.

Di bawah pengaruh suhu tinggi, terjadi perubahan kepadatan logam yang tidak wajar. Berdasarkan bentuknya, plutonium memiliki berbagai fase dan memiliki enam struktur kristal.

Selama transisi antar fase, terjadi perubahan signifikan pada volume elemen. Unsur tersebut memperoleh bentuk terpadatnya pada fase alfa keenam (tahap terakhir transisi), sedangkan satu-satunya benda yang lebih berat daripada logam dalam keadaan ini adalah neptunium dan radium.

Ketika dicairkan, unsur tersebut mengalami kompresi yang kuat, sehingga logam tersebut dapat mengapung di permukaan air dan media cair non-agresif lainnya.

Meskipun unsur radioaktif ini termasuk dalam golongan logam kimia, namun unsur tersebut cukup mudah menguap, dan bila berada di ruang tertutup dalam waktu singkat, konsentrasinya di udara meningkat beberapa kali lipat.

Sifat fisik utama logam meliputi: derajat rendah, tingkat konduktivitas termal dari semua unsur kimia yang ada dan diketahui, tingkat konduktivitas listrik yang rendah dalam keadaan cair, plutonium adalah salah satu logam yang paling kental.

Perlu dicatat bahwa setiap senyawa plutonium bersifat racun, beracun dan menimbulkan bahaya serius radiasi pada tubuh manusia, yang terjadi karena radiasi alfa aktif, oleh karena itu semua pekerjaan harus dilakukan dengan sangat hati-hati dan hanya dalam pakaian khusus dengan perlindungan bahan kimia. .

Anda dapat membaca lebih lanjut tentang sifat-sifat dan teori asal usul logam unik di buku Obruchev "Plutonia"" Penulis V.A. Obruchev mengajak pembaca untuk terjun ke dunia menakjubkan dan unik dari negara Plutonia yang fantastis, yang terletak jauh di dalam perut bumi.

Penerapan plutonium

Unsur kimia industri biasanya diklasifikasikan menjadi plutonium tingkat senjata dan tingkat reaktor (“tingkat energi”).

Jadi, untuk produksi senjata nuklir, dari semua isotop yang ada, hanya diperbolehkan menggunakan plutonium 239, yang tidak boleh mengandung lebih dari 4,5% plutonium 240, karena dapat mengalami fisi spontan, yang secara signifikan mempersulit produksi proyektil militer. .

Plutonium-238 digunakan untuk pengoperasian sumber energi listrik radioisotop berukuran kecil, misalnya sebagai sumber energi untuk teknologi luar angkasa.

Beberapa dekade yang lalu, plutonium digunakan dalam pengobatan alat pacu jantung (alat untuk menjaga ritme jantung).

Bom atom pertama yang dibuat di dunia memiliki muatan plutonium. Plutonium nuklir(Pu 239) dibutuhkan sebagai bahan bakar nuklir untuk menjamin berfungsinya reaktor daya. Isotop ini juga berfungsi sebagai sumber produksi unsur transplutonium dalam reaktor.

Jika kita membandingkan plutonium nuklir dengan logam murni, maka isotopnya memiliki parameter logam yang lebih tinggi dan tidak memiliki fase transisi, sehingga banyak digunakan dalam proses perolehan unsur bahan bakar.

Oksida isotop Plutonium 242 juga dibutuhkan sebagai sumber tenaga untuk unit, peralatan, dan batang bahan bakar yang mematikan di luar angkasa.

Plutonium tingkat senjata adalah unsur yang disajikan dalam bentuk logam kompak yang mengandung setidaknya 93% isotop Pu239.

Jenis logam radioaktif ini digunakan dalam produksi berbagai jenis senjata nuklir.

Plutonium tingkat senjata diproduksi di reaktor nuklir industri khusus yang beroperasi dengan bahan bakar uranium alam atau uranium yang diperkaya rendah sebagai hasil penangkapan neutron.

Plutonium, unsur nomor 94, ditemukan oleh Glenn Seaborg, Edwin McMillan, Kennedy, dan Arthur Wahl pada tahun 1940 di Berkeley dengan membombardir target uranium dengan deuteron dari siklotron enam puluh inci. Pada bulan Mei 1940, sifat-sifat plutonium diprediksi oleh Lewis Turner.

Pada bulan Desember 1940, isotop plutonium Pu-238 ditemukan, dengan waktu paruh ~90 tahun, diikuti setahun kemudian oleh Pu-239 yang lebih penting dengan waktu paruh ~24.000 tahun.

Pu-239 terdapat dalam uranium alam dalam bentuk jejak (jumlahnya satu bagian per 1015); terbentuk di sana sebagai hasil penangkapan neutron oleh inti U-238; Pu-244 dalam jumlah yang sangat kecil (isotop plutonium yang berumur paling lama, dengan waktu paruh 80 juta tahun) telah ditemukan dalam bijih cerium, yang tampaknya merupakan sisa dari pembentukan bumi.

Ada total 15 isotop plutonium yang diketahui, semuanya bersifat radioaktif. Yang paling penting untuk desain senjata nuklir:
Pu238 -> (86 tahun, peluruhan alfa) -> U234
Pu239 -> (24.360 tahun, peluruhan alfa) -> U235
Pu240 -> (6580 tahun, peluruhan alfa) -> U236
Pu241 -> (14,0 tahun, peluruhan beta) -> Am241
Pu242 -> (370.000 tahun, peluruhan alfa) -> U238 Sifat fisik plutonium

Plutonium adalah logam berwarna keperakan yang sangat berat, berkilau seperti nikel ketika baru dimurnikan. Ia merupakan unsur yang sangat elektronegatif dan reaktif secara kimia, lebih elektronegatif dibandingkan uranium. Dengan cepat memudar membentuk lapisan warna-warni (seperti lapisan minyak warna-warni), awalnya berwarna kuning muda, akhirnya berubah menjadi ungu tua. Jika oksidasi cukup parah, muncul bubuk oksida hijau zaitun (PuO2) di permukaannya.

Plutonium mudah teroksidasi dan cepat terkorosi bahkan dengan sedikit kelembapan. Anehnya, ia berkarat jauh lebih cepat di atmosfer gas inert dengan uap air dibandingkan di udara kering atau oksigen murni. Alasannya adalah aksi langsung oksigen membentuk lapisan oksida pada permukaan plutonium, yang mencegah oksidasi lebih lanjut. Paparan kelembapan menghasilkan campuran oksida dan hidrida yang longgar. Oven pengering diperlukan untuk mencegah oksidasi dan korosi.

Plutonium memiliki empat valensi, III-VI. Ia larut dengan baik hanya dalam media yang sangat asam, seperti asam nitrat atau asam klorida; ia juga larut dengan baik dalam asam hidroiodik dan perklorat. Garam plutonium mudah terhidrolisis jika bersentuhan dengan larutan netral atau basa, menghasilkan plutonium hidroksida yang tidak larut. Larutan plutonium pekat tidak stabil karena dekomposisi radiolitik yang menyebabkan pengendapan.

Karena radioaktivitasnya, plutonium terasa hangat saat disentuh. Sepotong besar plutonium dalam cangkang yang terisolasi secara termal dipanaskan hingga suhu melebihi titik didih air.

Sifat fisik dasar plutonium:
Titik lebur: 641 °C;
Titik didih: 3232 °C;
Kepadatan: 19,84 (dalam fase alfa).

Plutonium memiliki banyak sifat khusus. Ia memiliki konduktivitas termal terendah dari semua logam, konduktivitas listrik terendah, kecuali mangan (menurut sumber lain, ia masih yang terendah dari semua logam). Dalam fase cairnya, ini adalah logam paling kental.

Ketika suhu berubah, plutonium mengalami perubahan kepadatan yang paling parah dan tidak alami. Plutonium memiliki enam fase berbeda (struktur kristal) dalam bentuk padat, lebih banyak daripada unsur lainnya (sebenarnya, dengan istilah yang lebih ketat, ada tujuh). Beberapa transisi antar fase disertai dengan perubahan volume yang dramatis. Dalam dua fase ini - delta dan delta prima - plutonium memiliki sifat unik yaitu berkontraksi seiring dengan peningkatan suhu, dan pada fase lainnya ia memiliki koefisien muai suhu yang sangat tinggi. Ketika meleleh, plutonium berkontraksi, sehingga plutonium yang tidak meleleh dapat mengapung. Dalam bentuk terpadatnya, fase alfa, plutonium adalah unsur terpadat keenam (hanya osmium, iridium, platinum, renium, dan neptunium yang lebih berat). Pada fase alfa, plutonium murni bersifat rapuh, tetapi terdapat paduan yang fleksibel.

	Pu	94			Plutonium
					untuk tidur. (o C)	3350	Langkah oksida	dari +3 hingga +7
					untuk mengapung (o C)	640	Kepadatan	19860
	5f 6 7s 2				oeo	1,2	di tanah kulit pohon	-

Elemen No. 94 dikaitkan dengan harapan yang sangat besar dan ketakutan yang sangat besar terhadap umat manusia.

Pada awalnya ada proton - hidrogen galaksi. Sebagai hasil dari kompresi dan reaksi nuklir selanjutnya, “batang” nukleon yang paling menakjubkan terbentuk. Diantaranya, “batang” ini, tampaknya ada yang mengandung 94 proton. Perkiraan para ahli teori menunjukkan bahwa sekitar seratus formasi nukleon, yang mencakup 94 proton dan 107 hingga 206 neutron, sangat stabil sehingga dapat dianggap sebagai inti isotop unsur No. 94.

Namun semua isotop ini - baik hipotetis maupun nyata - tidak begitu stabil untuk bertahan hingga hari ini sejak terbentuknya unsur-unsur tata surya. Waktu paruh isotop unsur No. 94 yang berumur paling lama adalah 75 juta tahun. Usia Galaksi diukur dalam miliaran tahun. Akibatnya, plutonium “primordial” tidak memiliki peluang untuk bertahan hingga hari ini. Jika ia terbentuk selama sintesis besar-besaran unsur-unsur Alam Semesta, maka atom-atom purba itu “punah” sejak lama, sama seperti punahnya dinosaurus dan mammoth.

Pada abad ke-20 M, elemen ini diciptakan kembali. Dari seratus kemungkinan isotop plutonium, dua puluh lima telah disintesis. Sifat nuklir dari lima belas di antaranya dipelajari. Empat telah menemukan penerapan praktis.

34 tahun telah berlalu sejak inti pertama unsur No. 94 mencapai para ilmuwan. Pada bulan Desember 1940, saat menyinari uranium dengan inti hidrogen berat, sekelompok ahli radiokimia Amerika yang dipimpin oleh Glenn T. Seaborg menemukan pemancar partikel alfa yang sebelumnya tidak diketahui. dengan waktu paruh 90 tahun. Emitor ini ternyata merupakan isotop unsur No. 94 dengan nomor massa 238. Pada tahun yang sama, namun beberapa bulan sebelumnya, E. M. McMillan dan F. Abelson memperoleh unsur pertama yang lebih berat dari uranium - unsur No. Unsur ini disebut neptunium, dan unsur ke-94 disebut plutonium. Sejarawan pasti akan mengatakan bahwa nama-nama ini berasal dari mitologi Romawi, tetapi pada hakikatnya asal usul nama-nama ini bukan bersifat mitologis, melainkan astronomis.

Paralel astronomi

Unsur, yang menempati sel 92 tabel periodik, ditemukan oleh Martin Klaproth pada tahun 1789 dan diberi nama uranium sesuai dengan nama planet terjauh yang diketahui (pertama kali diamati oleh astronom terkenal William Herschel pada tahun 1781, delapan tahun sebelum penemuan Klaproth.)

Uranus bukanlah planet terakhir di tata surya. Orbit Neptunus bergerak lebih jauh dari Matahari, tetapi Neptunus bukanlah yang terakhir, diikuti oleh Pluto, sebuah planet yang hampir tidak ada yang diketahui... Struktur serupa diamati di "sayap kiri" tabel periodik: uranium - neptunium - plutonium , namun umat manusia mengetahui lebih banyak tentang plutonium daripada tentang Pluto. Omong-omong, para astronom menemukan Pluto hanya sepuluh tahun sebelum sintesis plutonium - periode waktu yang hampir sama memisahkan penemuan Herschel dan Klaproth.

Teka-teki untuk kriptografer

Isotop pertama unsur No. 94, plutonium-238, telah digunakan secara praktis saat ini. Namun di awal tahun 40an mereka bahkan tidak memikirkannya. Dimungkinkan untuk memperoleh plutonium-238 dalam jumlah yang praktis hanya dengan mengandalkan industri nuklir yang kuat. Pada saat itu, ia masih dalam masa pertumbuhan. Namun sudah jelas bahwa dengan melepaskan energi yang terkandung dalam inti unsur radioaktif berat, senjata dengan kekuatan yang belum pernah terjadi sebelumnya dapat diperoleh. Proyek Manhattan muncul, yang tidak lebih dari nama yang sama dengan kawasan New York yang terkenal. Ini adalah nama umum untuk semua pekerjaan yang berkaitan dengan pembuatan bom atom pertama di Amerika Serikat. Pemimpin Proyek Manhattan bukanlah seorang ilmuwan, melainkan seorang militer—Jenderal Groves, yang “dengan penuh kasih sayang” menyebut anak buahnya yang berpendidikan tinggi sebagai “pecahan pot”.

Para pemimpin “proyek” tidak tertarik pada plutonium-238. Intinya, seperti inti semua isotop plutonium dengan nomor massa genap, neutron berenergi rendah (neutron berenergi rendah kita sebut neutron yang energinya tidak melebihi 10 keV. Neutron dengan energi diukur dalam pecahan elektron-volt disebut termal, dan neutron paling lambat - dengan energi kurang dari 0,005 eV — dingin. Jika energi neutron lebih dari 100 keV, maka neutron tersebut sudah dianggap cepat.) tidak melakukan fisi, sehingga tidak dapat berfungsi sebagai bahan peledak nuklir. Namun demikian, laporan pertama yang tidak terlalu jelas tentang unsur No. 93 dan 94 baru muncul di media cetak pada musim semi tahun 1942.

Bagaimana hal ini dapat dijelaskan? Fisikawan memahami: sintesis isotop plutonium dengan nomor massa ganjil hanya tinggal menunggu waktu, dan tidak terlalu lama. Isotop aneh diharapkan, seperti uranium-235, mampu mendukung reaksi berantai nuklir. Beberapa orang melihatnya sebagai bahan peledak nuklir yang potensial, namun belum diterima. Dan sayangnya plutonium membenarkan harapan ini.

Dalam enkripsi pada waktu itu, elemen No. 94 disebut tidak lebih dari... tembaga. Dan ketika muncul kebutuhan akan tembaga itu sendiri (sebagai bahan konstruksi untuk beberapa bagian), maka dalam kode tersebut, bersama dengan “tembaga”, muncul “tembaga asli”.

"Pohon Pengetahuan Baik dan Jahat"

Pada tahun 1941, isotop plutonium yang paling penting ditemukan - sebuah isotop dengan nomor massa 239. Dan prediksi para ahli teori segera terkonfirmasi: inti plutonium-239 difisi oleh neutron termal. Selain itu, selama fisinya, jumlah neutron yang dihasilkan tidak lebih sedikit dibandingkan dengan fisi uranium-235. Cara memperoleh isotop ini dalam jumlah banyak segera diuraikan...

Bertahun-tahun telah berlalu. Sekarang bukan rahasia lagi bagi siapa pun bahwa bom nuklir yang disimpan di gudang senjata berisi plutonium-239 dan jumlahnya cukup banyak, bom-bom ini, yang, seperti yang mereka katakan, “menyebabkan kerusakan yang tidak dapat diperbaiki” pada semua kehidupan di Bumi.

Ada kepercayaan luas bahwa umat manusia jelas-jelas sedang terburu-buru dengan penemuan reaksi berantai nuklir (konsekuensi yang tak terelakkan adalah terciptanya bom nuklir). Anda dapat berpikir secara berbeda atau berpura-pura berpikir secara berbeda—menjadi orang yang optimis akan lebih menyenangkan. Namun kaum optimis juga menghadapi pertanyaan tentang tanggung jawab ilmuwan. Kita ingat hari kemenangan di bulan Juni 1954, hari ketika pembangkit listrik tenaga nuklir pertama di Obninsk menyalakan arus. Tapi kita tidak bisa melupakan pagi bulan Agustus 1945 - "pagi Hiroshima", "hari kelam Albert Einstein"... Mereka yang berusia tujuh puluh atau lebih saat ini mengingat tahun-tahun pertama pascaperang dan pemerasan atom yang merajalela - dasarnya kebijakan Amerika pada tahun-tahun itu. Namun bukankah umat manusia mengalami banyak masalah di tahun-tahun berikutnya?

Terlebih lagi, kekhawatiran ini semakin diperparah oleh kesadaran bahwa jika terjadi perang dunia baru, senjata nuklir pasti akan digunakan.

Di sini Anda dapat mencoba membuktikan bahwa penemuan plutonium tidak menambah ketakutan umat manusia, malah sebaliknya hanya bermanfaat.

Katakanlah kebetulan karena alasan tertentu atau, seperti yang mereka katakan di masa lalu, atas kehendak Tuhan, plutonium tidak dapat diakses oleh para ilmuwan. Apakah ketakutan dan kekhawatiran kita akan berkurang? Tidak terjadi apa-apa. Bom nuklir akan dibuat dari uranium-235 (dan jumlahnya tidak lebih sedikit dari plutonium), dan bom-bom ini akan “memakan” anggaran yang lebih besar dibandingkan sekarang.

Namun tanpa plutonium, tidak akan ada prospek penggunaan energi nuklir secara damai dalam skala besar. Jumlah uranium-235 tidak akan cukup untuk sebuah “atom damai”. Kejahatan yang menimpa umat manusia akibat penemuan energi nuklir tidak akan bisa diimbangi, bahkan sebagian, dengan pencapaian “atom yang baik”.

Bagaimana mengukurnya, dengan apa membandingkannya

Ketika inti plutonium-239 dipecah oleh neutron menjadi dua fragmen dengan massa yang kira-kira sama, sekitar 200 MeV energi dilepaskan. Ini berarti 50 juta kali lebih banyak energi yang dilepaskan dalam reaksi eksotermik paling terkenal, C + O 2 = CO 2. “Pembakaran” dalam reaktor nuklir, satu gram plutonium menghasilkan 2·10 7 kilokalori. Agar tidak melanggar tradisi (dan dalam artikel populer energi bahan bakar nuklir biasanya diukur dalam satuan non-sistemik - ton batu bara, bensin, trinitrotoluena, dll.), kami juga mencatat: ini adalah energi yang terkandung dalam empat ton bahan bakar nuklir. batu bara. Dan bidal biasa mengandung sejumlah plutonium yang secara energi setara dengan empat puluh muatan kayu bakar birch yang baik.

Energi yang sama dilepaskan selama fisi inti uranium-235 oleh neutron. Namun sebagian besar uranium alam (99,3%!) adalah isotop 238 U, yang hanya dapat digunakan dengan mengubah uranium menjadi plutonium...

Energi batu

Mari kita evaluasi sumber daya energi yang terkandung dalam cadangan alam uranium.

Uranium adalah elemen jejak dan ditemukan hampir di mana-mana. Siapapun yang pernah berkunjung ke Karelia, misalnya, pasti akan mengingat bongkahan batu granit dan tebing pantai. Namun hanya sedikit orang yang mengetahui bahwa satu ton granit rata-rata mengandung 4 hingga 10 gram uranium. Granit membentuk hampir 20% berat kerak bumi. Jika kita hanya menghitung uranium-235, maka satu ton granit mengandung energi 6 · 10 6 kilokalori. Memang banyak, tapi...

Untuk memproses granit dan mengekstrak uranium darinya, Anda perlu mengeluarkan lebih banyak energi - sekitar 10 6 -10 7 kilokalori. Kini, jika dimungkinkan untuk menggunakan tidak hanya uranium-235, tetapi juga uranium-238 sebagai sumber energi, maka granit setidaknya dapat dianggap sebagai bahan baku energi yang potensial. Maka energi yang diperoleh dari satu ton batu sudah berjumlah 8 · 10 7 hingga 2 · 10 8 kilokalori. Ini setara dengan 16-40 ton batu bara. Dan dalam hal ini, granit dapat memberi manusia energi hampir satu juta kali lebih banyak daripada seluruh cadangan bahan bakar kimia di Bumi.

Namun inti uranium-238 tidak mengalami fisi oleh neutron. Isotop ini tidak berguna untuk energi nuklir. Lebih tepatnya, percuma jika tidak bisa diubah menjadi plutonium-239. Dan yang paling penting: praktis tidak ada energi yang perlu dikeluarkan untuk transformasi nuklir ini - sebaliknya, energi dihasilkan dalam proses ini!

Mari kita coba mencari tahu bagaimana hal ini terjadi, tetapi pertama-tama, beberapa kata tentang plutonium alami.

400 ribu kali lebih kecil dari radium

Telah dikatakan bahwa isotop plutonium belum terawetkan sejak sintesis unsur-unsur selama pembentukan planet kita. Namun bukan berarti tidak ada plutonium di bumi. Itu terbentuk sepanjang waktu dalam bijih uranium. Dengan menangkap neutron dari radiasi kosmik dan neutron yang dihasilkan oleh fisi spontan inti uranium-238, beberapa - sangat sedikit - atom dari isotop ini berubah menjadi atom uranium-239. Inti-inti ini sangat tidak stabil; mereka memancarkan elektron dan dengan demikian meningkatkan muatannya. Neptunium, unsur transuranium pertama, terbentuk. Neptunium-239 juga sangat tidak stabil, dan intinya memancarkan elektron. Hanya dalam 56 jam, setengah dari neptunium-239 berubah menjadi plutonium-239, yang waktu paruhnya sudah cukup lama - 24 ribu tahun.

Mengapa plutonium tidak diekstraksi dari bijih uranium? Konsentrasi rendah, terlalu rendah. “Satu gram produksi adalah satu tahun kerja” - ini tentang radium, dan bijihnya mengandung plutonium 400 ribu kali lebih sedikit daripada radium. Oleh karena itu, sangat sulit tidak hanya untuk menambang, tetapi bahkan untuk mendeteksi plutonium “terestrial”. Hal ini dilakukan hanya setelah sifat fisik dan kimia plutonium yang diproduksi di reaktor nuklir dipelajari.

Kapan 2.70 >> 2.23(ingat bahwa dalam matematika tanda >> berarti “lebih banyak”)

Plutonium terakumulasi dalam reaktor nuklir (sampai saat ini, instalasi ini juga disebut boiler nuklir). Dalam aliran neutron yang kuat, reaksi yang sama terjadi seperti pada bijih uranium, tetapi laju pembentukan dan akumulasi plutonium dalam reaktor jauh lebih tinggi - satu miliar miliar kali lipat. Untuk reaksi pengubahan pemberat uranium-238 menjadi plutonium-239 tingkat energi, kondisi optimal (dalam batas yang dapat diterima) diciptakan.

Jika reaktor beroperasi dengan neutron termal (ingat bahwa kecepatannya sekitar dua ribu meter per detik, dan energinya hanya sepersekian elektron volt), maka dari campuran alami isotop uranium, diperoleh jumlah plutonium yang sedikit lebih kecil, dan jumlah uranium-235 yang “terbakar” diperoleh. Sedikit, tapi lebih sedikit, ditambah hilangnya plutonium yang tak terelakkan selama pemisahan kimianya dari uranium yang diiradiasi. Selain itu, reaksi berantai nuklir dipertahankan dalam campuran alami isotop uranium hanya sampai sebagian kecil uranium-235 dikonsumsi. Oleh karena itu kesimpulan logisnya: reaktor “termal” yang menggunakan uranium alam - jenis utama reaktor yang beroperasi saat ini - tidak dapat menjamin perluasan reproduksi bahan bakar nuklir. Tapi apa yang menjanjikan? Untuk menjawab pertanyaan ini, mari kita bandingkan jalannya reaksi berantai nuklir pada uranium-235 dan plutonium-239 dan perkenalkan konsep fisika lain ke dalam diskusi kita.

Karakteristik paling penting dari setiap bahan bakar nuklir adalah jumlah rata-rata neutron yang dipancarkan setelah inti atom menangkap satu neutron. Fisikawan menyebutnya nomor eta, dilambangkan dengan huruf Yunani h. Dalam reaktor “termal” berbahan bakar uranium, pola berikut diamati: setiap neutron “menghasilkan” rata-rata 2,08 neutron (h = 2,08). Plutonium yang ditempatkan dalam reaktor seperti itu di bawah pengaruh neutron termal menghasilkan h=2,03. Tapi ada juga reaktor yang beroperasi dengan neutron cepat. Tidak ada gunanya memuat campuran alami isotop uranium ke dalam reaktor seperti itu: reaksi berantai tidak akan terjadi. Namun jika “bahan mentah” tersebut diperkaya dengan uranium-235, maka bahan tersebut juga dapat dikembangkan dalam reaktor “cepat”. Dalam hal ini, h sudah sama dengan 2,23. Dan plutonium, yang terkena tembakan neutron cepat, akan menghasilkan h sama dengan 2,70. Kita akan memiliki “setengah neutron ekstra” yang kita miliki. Dan ini tidak sedikit.

Mari kita lihat untuk apa neutron yang dihasilkan digunakan. Dalam reaktor apa pun, satu neutron diperlukan untuk mempertahankan reaksi berantai nuklir. 0,1 neutron diserap oleh bahan struktur instalasi. “Kelebihannya” digunakan untuk mengakumulasi plutonium-239. Dalam satu kasus, "kelebihan" adalah 1,13, di kasus lain - 1,60. Setelah “pembakaran” satu kilogram plutonium dalam reaktor “cepat”, energi sebesar 2,25 × 10 7 dilepaskan dan 1,6 kg plutonium terakumulasi. Dan uranium dalam reaktor “cepat” akan menghasilkan energi yang sama dan 1,1 kg bahan bakar nuklir baru. Dalam kedua kasus tersebut, reproduksi yang diperluas terlihat jelas. Namun kita tidak boleh melupakan perekonomian.

Karena sejumlah alasan teknis, siklus reproduksi plutonium memakan waktu beberapa tahun. Katakanlah lima tahun. Artinya jumlah plutonium per tahun hanya akan meningkat sebesar 2% jika h = 2,23, dan sebesar 12% jika h = 2,7! Bahan bakar nuklir adalah modal, dan modal apa pun harus menghasilkan, katakanlah, 5% per tahun. Dalam kasus pertama, ada kerugian besar, dan dalam kasus kedua, ada keuntungan besar. Contoh primitif ini menggambarkan “bobot” setiap sepersepuluh angka h dalam permasalahan energi nuklir.

Ada hal lain yang juga penting. Tenaga nuklir harus mengimbangi pertumbuhan permintaan energi. Perhitungan menunjukkan: kondisi ini terpenuhi di masa depan hanya jika h mendekati tiga. Jika pengembangan sumber energi nuklir tertinggal dari kebutuhan energi masyarakat, maka hanya ada dua pilihan yang tersisa: “memperlambat kemajuan” atau mengambil energi dari sumber lain.

Dan di sini kita perlu menghilangkan kesalahpahaman yang sampai batas tertentu disebabkan oleh literatur ilmiah populer.

Antioda terhadap fusi termonuklir

Diketahui bahwa satu gram zat yang direaksikan dalam reaktor termonuklir hipotetis akan menghasilkan energi beberapa kali lebih besar daripada satu gram plutonium yang difisi dalam reaktor nuklir nyata saat ini. Lebih banyak energi akan dilepaskan selama interaksi satu gram elektron dan positron. Namun, pembangkit listrik elektron-positron saat ini “dibangun” hanya oleh penulis fiksi ilmiah. Namun perangkat energi termonuklir terkadang dianggap sebagai kesepakatan yang hampir selesai. Memang benar, ketika fisikawan kurang memahami apa yang terjadi di dalam plasma, tampaknya sumber energi termonuklir yang terkendali akan segera tercipta. Terlebih lagi, setiap hari di depan mata kita ada contoh luar biasa dari reaktor termonuklir yang beroperasi - Matahari. Studi intensif terhadap plasma telah memberikan banyak wawasan tentang proses yang terjadi pada suatu zat yang telah memasuki keadaan keempat. Salah satu hasil dari penelitian ini adalah pemahaman yang jelas bahwa membuat versi buatan bintang kita tidak semudah kelihatannya. Saat ini, bahkan cara nyata untuk memecahkan masalah ini belum ditemukan. Bagaimanapun, harapan untuk pengembangan energi termonuklir dalam waktu dekat telah hilang. Tentu saja, akan tiba saatnya energi inti cahaya tersedia. Namun bagaimana dan kapan hal ini akan dilakukan? Pertanyaan ini belum bisa dijawab.

Meringkaskan. Energi inti berat adalah kenyataan, hanya kesulitan teknis yang menghalangi perkembangannya, dan banyak yang telah dilakukan ke arah ini. Fusi termonuklir untuk keperluan energi masih merupakan masalah mendasar yang belum terselesaikan. Oleh karena itu kesimpulannya: plutonium, sebagai bahan energi utama masa depan, belum memiliki pesaing yang serius; sumber daya energi yang tersembunyi dalam cadangan uranium sejauh ini merupakan satu-satunya sumber energi nuklir yang benar-benar dapat dikuasai umat manusia saat ini. Kunci sumber daya ini adalah isotop unsur No. 94 dengan nomor massa 239.

Ekstraksi

Ketika, sebagai akibat dari reaksi nuklir, jumlah plutonium yang dibutuhkan telah terakumulasi dalam uranium, ia harus dipisahkan tidak hanya dari uranium itu sendiri, tetapi juga dari pecahan fisi - baik uranium maupun plutonium, yang terbakar dalam reaksi berantai nuklir. Selain itu, massa uranium-plutonium juga mengandung sejumlah neptunium. Yang paling sulit dipisahkan adalah plutonium dari neptunium dan unsur tanah jarang (lantanida). Plutonium, sebagai unsur kimia, sampai batas tertentu kurang beruntung. Dari sudut pandang ahli kimia, unsur utama energi nuklir hanyalah salah satu dari empat belas aktinida. Seperti unsur tanah jarang, semua unsur deret aktinium sangat mirip satu sama lain dalam sifat kimianya; struktur kulit elektron terluar atom semua unsur dari aktinium hingga 103 adalah sama. Yang lebih tidak menyenangkan lagi adalah sifat kimia aktinida mirip dengan sifat unsur tanah jarang, dan di antara fragmen fisi uranium dan plutonium terdapat lebih dari cukup lantanida. Tapi unsur 94 bisa berada dalam lima keadaan valensi, dan ini “mempermanis pil” - membantu memisahkan plutonium dari uranium dan fragmen fisi.

Valensi plutonium bervariasi dari tiga hingga tujuh. Secara kimia, senyawa yang paling stabil (dan karenanya paling umum dan paling banyak dipelajari) adalah plutonium tetravalen.

Pemisahan aktinida yang memiliki sifat kimia serupa - uranium, neptunium, dan plutonium - dapat didasarkan pada perbedaan sifat senyawa tetra dan heksavalennya. Pertama, batangan uranium dilarutkan dalam asam nitrat. Asam nitrat adalah zat pengoksidasi kuat ketika terlarut dan uranium, plutonium, dan pengotor teroksidasi. Atom plutonium bervalensi nol diubah menjadi ion Pu 6+. Plutonium larut bersama uranium. Dari larutan ini direduksi menjadi keadaan trivalen dengan sulfur dioksida dan kemudian diendapkan dengan lantanum fluorida. Selain plutonium, sedimennya mengandung unsur neptunium dan tanah jarang. Namun sebagian besar materinya, uranium, tetap berada dalam larutan dan dipisahkan dari plutonium.

Endapan yang dihasilkan dilarutkan kembali dan neptunium dioksidasi menjadi bentuk tetravalen dengan kalium bromat. Reagen ini tidak berpengaruh pada plutonium, dan selama pengendapan sekunder dengan LaF 3 yang sama, plutonium trivalen menjadi endapan, dan neptunium tetap berada dalam larutan.

Untuk memisahkan fragmen sumbangan, plutonium dioksidasi lagi menjadi keadaan heksavaden dan lantanum fluorida ditambahkan lagi. Sekarang unsur tanah jarang mengendap, dan plutonium tetap berada dalam larutan...

Dari sekian banyak metode yang diketahui saat ini untuk mengisolasi plutonium, perlu disebutkan ekstraksi plutonium dengan pelarut organik dan isolasi plutonium pada kolom penukar ion. Metode ini tampaknya paling menjanjikan bagi ahli kimia yang bekerja dengan plutonium.

Logam

Sekarang, akhirnya, tentang logam. Mengisolasi senyawa plutonium dari larutan bukanlah tugas yang sulit. Ada banyak cara untuk melakukan ini. Kemudian senyawa plutonium yang dihasilkan diubah menjadi PuF 4 tetrafluorida murni secara kimia, yang direduksi dengan uap barium pada 1200°C. Ini adalah bagaimana plutonium murni diperoleh. Namun bahan ini belum menjadi bahan struktural: elemen bahan bakar reaktor tenaga nuklir (atau bahkan bagian dari bom atom) tidak dapat dibuat dari bahan tersebut. Mengapa? Minimal, Anda memerlukan "kosong" - casting. Dalam pembuatan produk plutonium, metode pengecoran terutama digunakan. Titik leleh logam plutonium - 640 ° C - cukup dapat dicapai, tapi...

Setelah menuangkan plutonium cair dari wadah ke dalam cetakan yang diinginkan, mereka mulai mendinginkannya hingga suhu kamar - selama proses pemadatan, retakan pasti akan muncul pada pengecoran. Mungkin pendinginannya terlalu cepat? Tidak peduli bagaimana rezim diubah, castingnya selalu dihancurkan. Artinya masalahnya bukan pada rezim suhu. Lalu apa yang terjadi?

Dalam logam cair, atom bergerak secara acak. Ketika suhu menurun, ketika logam mulai mengeras, atom-atom sudah bergetar di sekitar pusat-pusat yang terletak dalam urutan yang ditentukan secara ketat, misalnya, pada simpul kubus, tetrahedron, dll., tergantung pada struktur kristal logam tertentu.

Dalam kristal, atom biasanya tersusun lebih padat dibandingkan dalam cairan. Sebagian besar zat, tidak termasuk es, paduan pencetakan hart dan beberapa lainnya, ketika mengeras, volumenya berkurang - kepadatannya meningkat.

Plutonium mulai mengeras pada suhu 640 ° C, dan atom-atomnya membentuk kisi kristal berbentuk kubus. Ketika suhu menurun, kepadatan logam secara bertahap meningkat. Namun kemudian suhu mencapai 480°C, dan tiba-tiba kepadatan plutonium turun tajam. Alasan anomali ini ditemukan dengan cukup cepat: pada suhu ini, atom plutonium tersusun ulang dalam kisi kristal. Ini menjadi tetragonal dan sangat “longgar”. Plutonium semacam itu bisa mengapung di lelehannya sendiri, seperti es di air.

Suhu terus turun, sekarang telah mencapai 451 ° C, dan atom-atom kembali membentuk kisi kubik, tetapi jaraknya lebih jauh satu sama lain dibandingkan pada kasus pertama. Dengan pendinginan lebih lanjut, kisi-kisi tersebut mula-mula menjadi ortorombik, kemudian monoklinik. Secara total, plutonium membentuk enam bentuk kristal berbeda. Dua di antaranya dibedakan oleh sifat yang luar biasa - koefisien muai panas negatif: dengan meningkatnya suhu, logam tidak memuai, tetapi berkontraksi. Perilaku yang benar-benar tidak biasa!

Ketika suhu mencapai 122° C dan atom plutonium menyusun ulang barisannya untuk keenam kalinya, kepadatannya berubah secara dramatis - dari 17,77 menjadi 19,82 g/cm 3 . Lebih dari 10%! Dengan demikian, volume ingot berkurang. Jika logam masih mampu menahan tekanan yang timbul pada transisi lain, maka kehancuran tidak dapat dihindari pada saat ini.

Lalu bagaimana cara membuat bagian dari logam yang menakjubkan ini? Ahli metalurgi memadukan plutonium (menambahkan sejumlah kecil elemen yang diperlukan ke dalamnya) dan mendapatkan coran tanpa satu retakan pun. Mereka digunakan untuk membuat bahan plutonium untuk bom nuklir. Berat muatan (terutama ditentukan oleh massa kritis isotop) adalah 5-6 kilogram. Itu bisa dengan mudah masuk ke dalam kubus dengan ukuran tepi 10 sentimeter.

Isotop berat

Plutonium-239 juga mengandung sejumlah kecil isotop yang lebih tinggi dari unsur ini - dengan nomor massa 240 dan 241. Isotop 240 Pu praktis tidak berguna - ia merupakan pemberat plutonium. Dari 241 diperoleh amerisium - unsur No. 95. Dalam bentuknya yang murni, tanpa campuran isotop lain, plutonium-240 dan plutonium-241 dapat diperoleh dengan pemisahan elektromagnetik dari plutonium yang terakumulasi dalam reaktor. Sebelumnya, plutonium juga diiradiasi dengan fluks neutron dengan karakteristik yang ditentukan secara ketat. Tentu saja semua ini sangat rumit, apalagi plutonium tidak hanya bersifat radioaktif, tetapi juga sangat beracun. Bekerja dengannya membutuhkan kehati-hatian yang ekstrim.

Salah satu isotop plutonium yang paling menarik, 242 Pu, dapat diproduksi dengan menyinari 239 Pu dalam fluks neutron dalam waktu lama. 242 Pu sangat jarang menangkap neutron dan oleh karena itu “terbakar” di dalam reaktor lebih lambat dibandingkan isotop lainnya; ia tetap ada bahkan setelah sisa isotop plutonium hampir seluruhnya berubah menjadi fragmen atau berubah menjadi plutonium-242.

Plutonium-242 penting sebagai “bahan mentah” untuk akumulasi unsur transuranium tingkat tinggi yang relatif cepat dalam reaktor nuklir. Jika plutonium-239 diiradiasi dalam reaktor konvensional, maka diperlukan waktu sekitar 20 tahun untuk mengakumulasi sejumlah mikrogram, misalnya California-251 dari gram plutonium.

Waktu akumulasi isotop yang lebih tinggi dapat dikurangi dengan meningkatkan intensitas fluks neutron dalam reaktor. Inilah yang mereka lakukan, tetapi Anda tidak dapat menyinari plutonium-239 dalam jumlah besar. Bagaimanapun, isotop ini terbagi oleh neutron, dan terlalu banyak energi yang dilepaskan dalam aliran yang intens. Kesulitan tambahan timbul pada pendinginan wadah dan reaktor. Untuk menghindari kesulitan ini, jumlah plutonium yang diiradiasi perlu dikurangi. Akibatnya, hasil kalifornium kembali menjadi sedikit. Lingkaran setan!

Plutonium-242 tidak dapat difisilkan oleh neutron termal; , dan dalam jumlah besar dapat diiradiasi dalam fluks neutron yang intens... Oleh karena itu, dalam reaktor, semua unsur dari californium hingga einsteinium “terbuat” dari isotop ini dan terakumulasi dalam jumlah berat.

Bukan yang terberat, tapi umurnya paling lama

Setiap kali para ilmuwan berhasil memperoleh isotop plutonium baru, waktu paruh intinya diukur. Waktu paruh isotop inti radioaktif berat dengan jumlah massa genap berubah secara teratur. (Hal ini tidak dapat dikatakan untuk isotop ganjil.)

Lihatlah grafik yang menunjukkan ketergantungan waktu paruh isotop plutonium genap pada nomor massa. Seiring bertambahnya massa, “masa hidup” isotop juga meningkat. Beberapa tahun lalu, titik puncak grafik ini adalah plutonium-242. Lalu bagaimana kurva ini akan berlanjut - dengan peningkatan lebih lanjut dalam nomor massa? Ke poin 1, yang setara dengan masa hidup 30 juta tahun, atau ke poin 2, yang setara dengan 300 juta tahun? Jawaban atas pertanyaan ini sangat penting bagi ilmu geosains. Dalam kasus pertama, jika lima miliar tahun yang lalu Bumi seluruhnya terdiri dari 244 Pu, kini seluruh massanya hanya akan tersisa satu atom plutonium-244 di Bumi. Jika asumsi kedua benar, maka plutonium-244 mungkin ada di bumi dalam konsentrasi yang sudah dapat dideteksi. Jika kita cukup beruntung menemukan isotop ini di Bumi, sains akan menerima informasi paling berharga tentang proses yang terjadi selama pembentukan planet kita.

Beberapa tahun yang lalu, para ilmuwan dihadapkan pada pertanyaan: apakah pantas untuk mencoba menemukan plutonium berat di bumi? Untuk menjawabnya, pertama-tama perlu ditentukan waktu paruh plutonium-244. Para ahli teori tidak dapat menghitung nilai ini dengan akurasi yang diperlukan. Semua harapan hanya untuk eksperimen.

Plutonium-244 terakumulasi dalam reaktor nuklir. Unsur No. 95, amerisium (isotop 243 Am), diiradiasi. Setelah menangkap sebuah neutron, isotop ini berubah menjadi amerisium-244; amerisium dalam satu dari sepuluh ribu kasus berubah menjadi plutonium-244.

Sediaan plutonium-244 diisolasi dari campuran amerisium dan curium. Sampel tersebut beratnya hanya sepersejuta gram. Tapi mereka cukup untuk menentukan waktu paruh isotop menarik ini. Ternyata sama dengan 75 juta tahun. Plutonium-244 tidak lagi tersisa di Bumi karena unsur-unsurnya disintesis dalam konsentrasi yang masih dapat dideteksi.

Para ilmuwan telah melakukan banyak upaya untuk menemukan isotop unsur transuranium yang hidup lebih lama dari 244 Pu. Namun semua upaya tetap sia-sia. Suatu saat harapan ditempatkan pada curium-247, namun setelah isotop ini terakumulasi di dalam reaktor, ternyata waktu paruhnya hanya 14 juta tahun. Tidak mungkin memecahkan rekor plutonium-244 - ini adalah isotop unsur transuranium yang berumur paling lama.

Isotop plutonium yang lebih berat pun mengalami peluruhan beta, dan masa hidupnya berkisar antara beberapa hari hingga sepersepuluh detik. Kita tahu pasti bahwa semua isotop plutonium terbentuk selama ledakan termonuklir, hingga 257 Pu. Namun masa hidup mereka hanya sepersepuluh detik, dan banyak isotop plutonium berumur pendek yang belum dipelajari.

Kemungkinan isotop pertama

Dan terakhir - tentang plutonium-238 - isotop plutonium “Buatan Manusia” yang pertama, sebuah isotop yang pada awalnya tampak tidak menjanjikan. Ini sebenarnya adalah isotop yang sangat menarik. Ia mengalami peluruhan alfa, yaitu intinya secara spontan memancarkan partikel alfa - inti helium. Partikel alfa yang dihasilkan oleh inti plutonium membawa energi tinggi; hilang dalam materi, energi ini berubah menjadi panas. Seberapa besar energi ini? Enam juta elektron volt dilepaskan dari peluruhan satu inti atom plutonium-238. Dalam reaksi kimia, energi yang sama dilepaskan ketika beberapa juta atom dioksidasi. Sumber listrik yang mengandung satu kilogram plutonium-238 menghasilkan daya termal sebesar 560 watt. Daya maksimum sumber arus kimia dengan berat yang sama adalah 5 watt.

Ada banyak penghasil emisi dengan karakteristik energi serupa, tetapi salah satu ciri plutonium-238 menjadikan isotop ini sangat diperlukan. Peluruhan alfa biasanya disertai dengan radiasi gamma yang kuat, menembus lapisan materi yang besar. 238 Pu adalah pengecualian. Energi sinar gamma yang menyertai peluruhan intinya rendah, dan tidak sulit untuk melindunginya: radiasi diserap oleh wadah berdinding tipis. Kemungkinan terjadinya fisi spontan inti isotop ini juga rendah. Oleh karena itu, penerapannya tidak hanya dalam sumber-sumber terkini, tetapi juga dalam pengobatan. Baterai yang mengandung plutonium-238 berfungsi sebagai sumber energi dalam stimulator jantung khusus. Proyek jantung buatan dengan sumber isotop telah dibuat. Semua kebutuhan ini akan membutuhkan beberapa ton plutonium “ringan” dalam tiga hingga empat tahun ke depan.

Namun 238 Pu bukanlah isotop paling ringan yang diketahui dari unsur No. 94; isotop plutonium telah diperoleh dengan nomor massa dari 232 hingga 237. Waktu paruh isotop paling ringan adalah 36 menit.

Plutonium adalah topik besar. Saya ingin memberi tahu Anda hal yang paling penting dari hal yang paling penting. Lagi pula, sudah menjadi ungkapan standar bahwa kimia plutonium telah dipelajari jauh lebih baik daripada kimia unsur-unsur “tua” seperti besi. Banyak buku telah ditulis tentang sifat nuklir plutonium. Metalurgi plutonium adalah cabang pengetahuan manusia yang menakjubkan... Oleh karena itu, Anda tidak boleh berpikir bahwa setelah membaca cerita ini, Anda benar-benar mempelajari plutonium - logam terpenting abad ke-20.

(Pu) adalah logam radioaktif berwarna putih keperakan dari golongan aktinida, hangat saat disentuh (karena radioaktivitasnya. Ditemukan secara alami dalam jumlah yang sangat kecil dalam pitch uranit dan bijih uranium dan cerium lainnya, sejumlah besar diproduksi secara artifisial. Sekitar 5 ton plutonium dilepaskan ke atmosfer sebagai akibat dari uji coba nuklir.
Cerita
Ditemukan pada tahun 1940 oleh Glenn Seaborg, Edwin McMillan, Kennedy dan Arthur Wahl pada tahun 1940 di Berkeley (AS) selama pemboman target uranium dengan deuteron yang dipercepat dalam siklotron.
asal usul nama
Nama Plutonium diambil dari nama planet Pluto, karena unsur kimia yang ditemukan sebelumnya disebut Neptunium.
Kuitansi
Plutonium diproduksi di reaktor nuklir.
Isotop 238 U, yang merupakan bagian terbesar dari uranium alam, sangat tidak cocok untuk fisi. Untuk reaktor nuklir, uranium sedikit diperkaya, namun porsi 235 U dalam bahan bakar nuklir masih kecil (sekitar 5%). Bagian utama dalam batang bahan bakar adalah 238 U. Selama pengoperasian reaktor nuklir, sebagian dari inti 238 U menangkap neutron dan berubah menjadi 239 Pu, yang nantinya dapat diisolasi.

Agak sulit untuk mengisolasi plutonium di antara produk reaksi nuklir, karena plutonium (seperti uranium, thorium, neptunium) termasuk dalam aktinida yang memiliki sifat kimia yang sangat mirip. Tugas ini diperumit oleh fakta bahwa di antara produk peluruhan terdapat unsur tanah jarang, yang sifat kimianya juga mirip dengan plutonium. Metode radiokimia tradisional digunakan - pengendapan, ekstraksi, pertukaran ion, dll. Produk akhir dari teknologi multitahap ini adalah plutonium oksida PuO 2 atau fluorida (PuF 3, PuF 4).
Plutonium diekstraksi menggunakan metode Metallothermy (reduksi logam aktif dari oksida dan garam dalam ruang hampa):

PuF 4 +2 Ba = 2BaF 2 + Pu

Isotop
Lebih dari selusin isotop plutonium diketahui, semuanya radioaktif.
Isotop yang paling penting 239Pu, mampu melakukan fisi nuklir dan reaksi berantai nuklir. Ini adalah satu-satunya isotop yang cocok untuk digunakan dalam senjata nuklir. Ia memiliki karakteristik penyerapan dan hamburan neutron yang lebih baik daripada uranium-235, jumlah neutron per fisi (sekitar 3 berbanding 2,3) dan, karenanya, massa kritis yang lebih rendah. Waktu paruhnya sekitar 24 ribu tahun. Isotop plutonium lainnya dipertimbangkan terutama dari sudut pandang bahayanya untuk penggunaan utama (senjata).
Isotop 238Pu memiliki radioaktivitas alfa yang kuat dan, sebagai konsekuensinya, menghasilkan panas yang signifikan (567 W/kg). Ini bermasalah untuk digunakan dalam senjata nuklir, tetapi dapat diterapkan pada baterai nuklir. Hampir semua pesawat ruang angkasa yang terbang melampaui orbit Mars memiliki reaktor radioisotop yang menggunakan 238 Pu. Dalam reaktor plutonium, proporsi isotop ini sangat kecil.
Isotop 240Pu merupakan kontaminan utama plutonium tingkat senjata. Ia memiliki tingkat peluruhan spontan yang tinggi dan menciptakan latar belakang neutron yang tinggi, yang secara signifikan mempersulit peledakan muatan nuklir. Diyakini bahwa pangsa senjatanya tidak boleh melebihi 7%.
241Pu memiliki latar belakang neutron rendah dan emisi termal sedang. Porsinya sedikit kurang dari 1% dan tidak mempengaruhi sifat plutonium tingkat senjata. Namun, dengan waktu paruhnya, 1914 berubah menjadi amerisium-241, yang menghasilkan banyak panas, yang dapat menimbulkan masalah panas berlebih pada muatan.
242Pu mempunyai penampang yang sangat kecil untuk reaksi penangkapan neutron dan terakumulasi dalam reaktor nuklir meskipun dalam jumlah yang sangat kecil (kurang dari 0,1%). Hal ini tidak mempengaruhi sifat plutonium tingkat senjata. Ini digunakan terutama untuk reaksi nuklir lebih lanjut dalam sintesis unsur transplutonium: neutron termal tidak menyebabkan fisi nuklir, sehingga berapa pun jumlah isotop ini dapat diiradiasi dengan fluks neutron yang kuat.
Isotop plutonium lainnya sangat langka dan tidak berpengaruh pada pembuatan senjata nuklir. Isotop berat terbentuk dalam jumlah yang sangat kecil, mempunyai masa hidup yang pendek (kurang dari beberapa hari atau jam) dan, melalui peluruhan beta, diubah menjadi isotop amerisium yang sesuai. Diantaranya menonjol 244Pu– waktu paruhnya sekitar 82 juta tahun. Ini adalah isotop paling banyak dari semua unsur transuranium.
Aplikasi
Pada akhir tahun 1995, dunia telah memproduksi sekitar 1.270 ton plutonium, 257 ton di antaranya untuk keperluan militer, dan hanya isotop 239 Pu yang cocok untuk digunakan. 239 Pu dapat digunakan sebagai bahan bakar di reaktor nuklir, tetapi secara ekonomi lebih rendah dibandingkan uranium. Biaya pemrosesan ulang bahan bakar nuklir untuk mengekstrak plutonium jauh lebih besar dibandingkan biaya uranium yang diperkaya rendah (~5% 235 U). Hanya Jepang yang memiliki program penggunaan energi plutonium.
Modifikasi alotropik
Dalam bentuk padat, plutonium memiliki tujuh modifikasi alotropik (namun, fase ? dan ? 1 terkadang digabungkan dan dianggap sebagai satu fase). Pada suhu kamar, plutonium berbentuk struktur kristal yang disebut ?-fase. Atom-atom dihubungkan melalui ikatan kovalen (bukan ikatan logam), sehingga sifat fisiknya lebih mirip mineral daripada logam. Ini adalah bahan yang keras dan rapuh yang pecah ke arah tertentu. Ia memiliki konduktivitas termal yang rendah di antara semua logam, konduktivitas listrik yang rendah, kecuali mangan. Fase ? tidak dapat diproses menggunakan teknologi logam konvensional.
Ketika suhu berubah, plutonium mengalami restrukturisasi dan mengalami perubahan yang sangat kuat. Beberapa transisi antar fase disertai dengan perubahan volume yang mencolok. Dalam dua fase ini (? dan?1) plutonium memiliki sifat unik - koefisien muai suhu negatif, yaitu. ia berkontraksi dengan meningkatnya suhu.
Dalam fase gamma dan delta, plutonium menunjukkan sifat-sifat logam yang biasa, khususnya kelenturan. Namun, pada fase delta, plutonium menunjukkan ketidakstabilan. Di bawah sedikit tekanan, ia mencoba untuk menetap dalam fase alfa yang padat (25%). Properti ini digunakan dalam perangkat ledakan senjata nuklir.
Pada plutonium murni pada tekanan di atas 1 kilobar, fase delta tidak ada sama sekali. Pada tekanan di atas 30 kilobar, hanya fase alfa dan beta yang ada.
Metalurgi plutonium
Plutonium dapat distabilkan dalam fase delta pada tekanan normal dan suhu kamar dengan membentuk paduan dengan logam trivalen seperti galium, aluminium, cerium, indium dalam konsentrasi beberapa persen mol. Dalam bentuk inilah plutonium digunakan dalam senjata nuklir.
Plutonium yang dipersenjatai
Untuk memproduksi senjata nuklir, diperlukan kemurnian isotop yang diinginkan (235 U atau 239 Pu) lebih dari 90%. Pembuatan muatan dari uranium memerlukan banyak langkah pengayaan (karena proporsi 235 U dalam uranium alam kurang dari 1%), sedangkan proporsi 239 Pu dalam plutonium reaktor biasanya berkisar antara 50% hingga 80% (yaitu hampir 100 kali lebih banyak). Dan dalam beberapa mode operasi reaktor dimungkinkan untuk memperoleh plutonium yang mengandung lebih dari 90% 239 Pu - plutonium tersebut tidak memerlukan pengayaan dan dapat digunakan langsung untuk pembuatan senjata nuklir.
Peran biologis
Plutonium adalah salah satu zat paling beracun yang diketahui. Toksisitas plutonium bukan disebabkan oleh sifat kimianya (walaupun plutonium mungkin sama beracunnya dengan logam berat lainnya), melainkan karena radioaktivitas alfanya. Partikel alfa tertahan bahkan oleh lapisan tipis bahan atau kain. Katakanlah, beberapa milimeter kulit akan menyerap alirannya sepenuhnya, melindungi organ dalam. Tapi partikel alfa sangat merusak jaringan yang bersentuhan dengannya. Jadi, plutonium menimbulkan bahaya serius jika masuk ke dalam tubuh. Ini diserap dengan sangat buruk di saluran pencernaan, bahkan jika sampai di sana dalam bentuk larut. Namun menelan setengah gram plutonium dapat menyebabkan kematian dalam beberapa minggu karena paparan akut pada saluran pencernaan.
Menghirup sepersepuluh gram debu plutonium menyebabkan kematian akibat edema paru dalam waktu sepuluh hari. Menghirup dosis 20 mg menyebabkan kematian akibat fibrosis dalam waktu satu bulan. Dosis yang lebih kecil menyebabkan efek karsinogenik. Menelan 1 mcg plutonium meningkatkan kemungkinan kanker paru-paru sebesar 1%. Oleh karena itu, 100 mikrogram plutonium dalam tubuh hampir menjamin berkembangnya kanker (dalam sepuluh tahun, meskipun kerusakan jaringan dapat terjadi lebih awal).
Dalam sistem biologis, plutonium biasanya berada pada bilangan oksidasi +4 dan menunjukkan kemiripan dengan besi. Begitu berada di dalam darah, kemungkinan besar akan terkonsentrasi di jaringan yang mengandung zat besi: sumsum tulang, hati, limpa. Jika 1-2 mikrogram plutonium mengendap di sumsum tulang, kekebalan akan menurun secara signifikan. Jangka waktu penghilangan plutonium dari jaringan tulang adalah 80-100 tahun, yaitu. dia akan tetap di sana praktis sepanjang hidupnya.
Komisi Internasional untuk Perlindungan Radiologi telah menetapkan serapan plutonium tahunan maksimum sebesar 280 nanogram.