Plutonijs (latīņu Plutonium, simbols Pu) ir radioaktīvs ķīmiskais elements ar atomskaitli 94 un atommasu 244,064. Plutonijs ir Dmitrija Ivanoviča Mendeļejeva periodiskās tabulas III grupas elements un pieder aktinīdu ģimenei. Plutonijs ir smags (blīvums normālos apstākļos 19,84 g/cm³) trausls radioaktīvs metāls sudrabaini baltā krāsā.

Plutonijam nav stabilu izotopu. No simts iespējamajiem plutonija izotopiem ir sintezēti divdesmit pieci. Tika pētītas piecpadsmit no tām kodolīpašības (masas skaitļi 232-246). Četri ir atraduši praktisku pielietojumu. Visilgāk dzīvojošie izotopi ir 244Pu (pusperiods 8,26-107 gadi), 242Pu (pusperiods 3,76-105 gadi), 239Pu (pusperiods 2,41-104 gadi), 238Pu (pusperiods 87,74 gadi) - izstarotāji un 241Pu (pussabrukšanas periods 14 gadi) - β-izstarotājs. Dabā plutonijs ir sastopams nelielos daudzumos urāna rūdās (239Pu); tas veidojas no urāna neitronu ietekmē, kuru avoti ir reakcijas, kas notiek α-daļiņu mijiedarbības laikā ar vieglajiem elementiem (iekļautas rūdās), urāna kodolu spontāna skaldīšanās un kosmiskais starojums.

Deviņdesmit ceturto elementu atklāja amerikāņu zinātnieku grupa Glens Sīborgs, Kenedijs, Edvins Makmilans un Arturs Vāls 1940. gadā Bērklijā (Kalifornijas Universitātē), bombardējot urāna oksīda (U3O8) mērķi ar ļoti paātrinātiem deitērija kodoliem. (deuteroni) no sešdesmit collu ciklotrona. 1940. gada maijā plutonija īpašības paredzēja Lūiss Tērners.

1940. gada decembrī tika atklāts plutonija izotops Pu-238, kura pussabrukšanas periods ir ~90 gadi, bet gadu vēlāk sekoja svarīgākais Pu-239 ar ~24 000 gadu pussabrukšanas periodu.

Edvīns Makmilans 1948. gadā ierosināja ķīmisko elementu nosaukt par plutoniju par godu jaunās planētas Plutona atklāšanai un pēc analoģijas ar neptūniju, kas tika nosaukts pēc Neptūna atklāšanas.

Metāliskais plutonijs (239Pu izotops) tiek izmantots kodolieročos un kalpo kā kodoldegviela jaudas reaktoros, kas darbojas uz termiskiem un īpaši ātriem neitroniem. Kritiskā masa 239Pu kā metālam ir 5,6 kg. Cita starpā 239Pu izotops ir izejmateriāls transplutonija elementu ražošanai kodolreaktoros. 238Pu izotops tiek izmantots maza izmēra kodolenerģijas avotos, ko izmanto kosmosa izpētē, kā arī cilvēka sirds stimulatoros.

Plutonijs-242 ir svarīgs kā “izejviela” relatīvi ātrai augstāku transurāna elementu uzkrāšanai kodolreaktoros. δ-stabilizētus plutonija sakausējumus izmanto kurināmā elementu ražošanā, jo tiem ir labākas metalurģiskās īpašības salīdzinājumā ar tīru plutoniju, kuram karsējot notiek fāzu pārejas. Plutonija oksīdi tiek izmantoti kā enerģijas avots kosmosa tehnoloģijām un tiek izmantoti degvielas stieņos.

Visi plutonija savienojumi ir indīgi, kas ir α-starojuma sekas. Alfa daļiņas rada nopietnus draudus, ja to avots atrodas inficētas personas ķermenī, tās bojā apkārtējos ķermeņa audus. Gamma starojums no plutonija nav bīstams ķermenim. Ir vērts ņemt vērā, ka dažādiem plutonija izotopiem ir atšķirīga toksicitāte, piemēram, tipisks reaktora plutonijs ir 8-10 reizes toksiskāks nekā tīrs 239Pu, jo tajā dominē 240Pu nuklīdi, kas ir spēcīgs alfa starojuma avots. Plutonijs ir radiotoksiskākais elements no visiem aktinīdiem, tomēr tas tiek uzskatīts par tālu no visbīstamākā elementa, jo rādijs ir gandrīz tūkstoš reižu bīstamāks par plutonija indīgāko izotopu - 239Pu.

Bioloģiskās īpašības

Plutoniju koncentrē jūras organismi: šī radioaktīvā metāla uzkrāšanās koeficients (koncentrāciju attiecība organismā un ārējā vidē) aļģēm ir 1000-9000, planktonam - aptuveni 2300, jūras zvaigznēm - aptuveni 1000, gliemjiem - līdz 380, zivīm muskuļiem, kauliem, aknām un kuņģim - attiecīgi 5, 570, 200 un 1060. Sauszemes augi plutoniju absorbē galvenokārt caur sakņu sistēmu un uzkrāj to līdz 0,01% no to masas. Cilvēka organismā deviņdesmit ceturtais elements tiek saglabāts galvenokārt skeletā un aknās, no kurienes tas gandrīz netiek izvadīts (īpaši no kauliem).

Plutonijs ir ļoti toksisks, un tā ķīmiskā bīstamība (tāpat kā jebkura cita smaga metāla) ir daudz vājāka (no ķīmiskā viedokļa tas ir arī indīgs kā svins.) salīdzinājumā ar radioaktīvo toksicitāti, kas ir alfa starojuma sekas. Turklāt α-daļiņām ir salīdzinoši zema iespiešanās spēja: attiecībā uz 239Pu α-daļiņu diapazons gaisā ir 3,7 cm, bet mīkstajos bioloģiskajos audos - 43 μm. Tāpēc alfa daļiņas rada nopietnus draudus, ja to avots atrodas inficētas personas ķermenī. Tajā pašā laikā tie bojā ķermeņa audus, kas ieskauj elementu.

Tajā pašā laikā γ stari un neitroni, ko izstaro arī plutonijs un kas spēj iekļūt organismā no ārpuses, nav īpaši bīstami, jo to līmenis ir pārāk zems, lai nodarītu kaitējumu veselībai. Plutonijs pieder pie elementu grupas ar īpaši augstu radiotoksicitāti. Tajā pašā laikā dažādiem plutonija izotopiem ir atšķirīga toksicitāte, piemēram, tipisks reaktora plutonijs ir 8-10 reizes toksiskāks nekā tīrs 239Pu, jo tajā dominē 240Pu nuklīdi, kas ir spēcīgs alfa starojuma avots.

Norijot ar ūdeni un pārtiku, plutonijs ir mazāk toksisks nekā tādas vielas kā kofeīns, daži vitamīni, pseidoefedrīns un daudzi augi un sēnītes. Tas izskaidrojams ar to, ka šis elements slikti uzsūcas kuņģa-zarnu traktā, pat ja to piegādā šķīstoša sāls veidā, šo pašu sāli saista kuņģa un zarnu saturs. Tomēr 0,5 gramu smalki sadalīta vai izšķīdināta plutonija uzņemšana var izraisīt nāvi no akūtas gremošanas trakta apstarošanas dažu dienu vai nedēļu laikā (cianīdam šī vērtība ir 0,1 grams).

No inhalācijas viedokļa plutonijs ir parasts toksīns (aptuveni līdzvērtīgs dzīvsudraba tvaikiem). Ieelpojot, plutonijs ir kancerogēns un var izraisīt plaušu vēzi. Tātad, ieelpojot, simts miligrami plutonija daļiņu veidā, kuru izmērs ir optimāls aizturei plaušās (1–3 mikroni), izraisa nāvi no plaušu tūskas 1–10 dienu laikā. Divdesmit miligramu deva izraisa nāvi no fibrozes apmēram mēneša laikā. Mazākas devas izraisa hronisku kancerogēnu saindēšanos. Plutonija ieelpošanas risks organismā palielinās tāpēc, ka plutonijs ir pakļauts aerosolu veidošanās iespējai.

Lai gan tas ir metāls, tas ir diezgan nepastāvīgs. Īsa metāla uzturēšanās telpā ievērojami palielina tā koncentrāciju gaisā. Plutonijs, kas nonāk plaušās, daļēji nosēžas uz plaušu virsmas, daļēji nokļūst asinīs un pēc tam limfā un kaulu smadzenēs. Lielākā daļa (apmēram 60%) nonāk kaulaudos, 30% aknās un tikai 10% izdalās dabiski. Plutonija daudzums, kas nonāk organismā, ir atkarīgs no aerosola daļiņu lieluma un šķīdības asinīs.

Plutonijs, kas tādā vai citādā veidā nonāk cilvēka organismā, pēc īpašībām ir līdzīgs dzelzs dzelzs, tāpēc, iekļūstot asinsrites sistēmā, plutonijs sāk koncentrēties dzelzi saturošajos audos: kaulu smadzenēs, aknās, liesā. Organisms plutoniju uztver kā dzelzi, tāpēc transferīna proteīns dzelzs vietā uzņem plutoniju, kā rezultātā skābekļa pārnešana organismā apstājas. Mikrofāgi pārnes plutoniju uz limfmezgliem. Plutonijs, kas nonāk organismā, ļoti ilgi tiek izvadīts no tā – 50 gadu laikā no organisma tiks izvadīti tikai 80%. Pusperiods no aknām ir 40 gadi. Kaulu audiem plutonija pussabrukšanas periods ir 80–100 gadi, faktiski deviņdesmit ceturtā elementa koncentrācija kaulos ir nemainīga.

Visā Otrā pasaules kara laikā un pēc tā beigām Manhetenas projektā strādājošie zinātnieki, kā arī Trešā Reiha un citu pētniecības organizāciju zinātnieki veica eksperimentus, izmantojot plutoniju ar dzīvniekiem un cilvēkiem. Pētījumi ar dzīvniekiem liecina, ka daži miligrami plutonija uz kilogramu audu ir nāvējoša deva. Plutonija lietošana cilvēkiem parasti sastāvēja no 5 mikrogramu plutonija, kas intramuskulāri tika injicēts hroniski slimiem pacientiem. Galu galā tika noteikts, ka nāvējošā deva pacientam bija viens mikrograms plutonija un ka plutonijs bija bīstamāks par rādiju un mēdz uzkrāties kaulos.

Kā zināms, plutonijs ir elements, kas dabā praktiski nav sastopams. Tomēr aptuveni piecas tonnas no tā tika izlaistas atmosfērā kodolizmēģinājumu rezultātā laika posmā no 1945. līdz 1963. gadam. Kopējais plutonija daudzums, kas atmosfērā tika izlaists kodolizmēģinājumu dēļ pirms 80. gadiem, tiek lēsts 10 tonnu apmērā. Pēc dažiem aprēķiniem, augsne Amerikas Savienotajās Valstīs satur vidēji 2 milikūriju (28 mg) plutonija uz km2 nokrišņu, un plutonija sastopamība Klusajā okeānā ir paaugstināta salīdzinājumā ar kopējo kodolmateriālu izplatību uz Zemes.

Jaunākā parādība ir saistīta ar ASV kodolizmēģinājumiem Māršala salās Klusā okeāna izmēģinājumu poligonā 1950. gadu vidū. Plutonija uzturēšanās laiks virszemes okeāna ūdeņos svārstās no 6 līdz 21 gadam, tomēr arī pēc šī perioda plutonijs kopā ar biogēnām daļiņām nokrīt dibenā, no kura mikrobu sadalīšanās rezultātā tiek rediģēts līdz šķīstošām formām.

Globālais piesārņojums ar deviņdesmit ceturto elementu ir saistīts ne tikai ar kodolizmēģinājumiem, bet arī ar negadījumiem ražošanā un iekārtās, kas mijiedarbojas ar šo elementu. Tātad 1968. gada janvārī Grenlandē nogāzās ASV gaisa spēku lidmašīna B-52 ar četrām kodolgalviņām. Sprādziena rezultātā lādiņi tika iznīcināti un plutonijs noplūda okeānā.

Vēl viens radioaktīvā vides piesārņojuma gadījums avārijas rezultātā notika ar padomju kosmosa kuģi Kosmos-954 1978. gada 24. janvārī. Nekontrolēta deorbīta rezultātā Kanādas teritorijā iekrita satelīts ar kodolenerģijas avotu uz klāja. Negadījuma rezultātā vidē nonāca vairāk nekā kilograms plutonija-238, kas izplatījās aptuveni 124 000 m² platībā.

Briesmīgākais piemērs radioaktīvo vielu avārijas noplūdei vidē ir avārija Černobiļas atomelektrostacijā, kas notika 1986. gada 26. aprīlī. Ceturtā energobloka iznīcināšanas rezultātā vidē aptuveni 2200 km² platībā nonāca 190 tonnas radioaktīvo vielu (ieskaitot plutonija izotopus).

Plutonija nokļūšana vidē ir saistīta ne tikai ar cilvēka izraisītiem incidentiem. Ir zināmi plutonija noplūdes gadījumi gan laboratorijas, gan rūpnīcas apstākļos. Ir zināmas vairāk nekā divdesmit nejaušas noplūdes no 235U un 239Pu laboratorijām. Laikā 1953.-1978. negadījumu rezultātā tika zaudēts no 0,81 (Majaka, 1953. gada 15. martā) līdz 10,1 kg (Tomska, 1978. gada 13. decembris) 239Pu. Rūpniecisko incidentu rezultātā Losalamosā kopumā gāja bojā divi cilvēki (1945. gada 21. augustā un 1946. gada 21. maijā) divu negadījumu un 6,2 kg plutonija zuduma dēļ. Sarovas pilsētā 1953. un 1963. gadā. aptuveni 8 un 17,35 kg izkrita ārpus kodolreaktora. Viens no tiem noveda pie kodolreaktora iznīcināšanas 1953. gadā.

Kad 238Pu kodols sadalās ar neitroniem, izdalās 200 MeV enerģijas, kas ir 50 miljonus reižu vairāk nekā slavenākā eksotermiskā reakcija: C + O2 → CO2. “Sadedzinot” kodolreaktorā, viens grams plutonija rada 2107 kcal - tā ir enerģija, ko satur 4 tonnas ogļu. Plutonija degvielas uzpirkstenis enerģijas ekvivalentā var būt līdzvērtīgs četrdesmit vagoniem labas malkas!

Tiek uzskatīts, ka plutonija “dabiskais izotops” (244 Pu) ir visilgāk dzīvojošais visu transurāna elementu izotops. Tā pussabrukšanas periods ir 8,26∙107 gadi. Zinātnieki jau ilgu laiku ir mēģinājuši iegūt transurāna elementa izotopu, kas pastāvētu ilgāk par 244Pu - lielas cerības šajā ziņā tika liktas uz 247 cm. Tomēr pēc tā sintēzes izrādījās, ka šī elementa pussabrukšanas periods ir tikai 14 miljoni gadu.

Stāsts

1934. gadā Enriko Fermi vadītā zinātnieku grupa nāca klajā ar paziņojumu, ka zinātniskā darba laikā Romas Universitātē viņi ir atklājuši ķīmisku elementu ar sērijas numuru 94. Pēc Fermi uzstājības elementu nosauca par hesperiju, zinātnieks bija pārliecināts, ka viņš bija atklājis jaunu elementu, ko tagad sauc par plutoniju, tādējādi liekot domāt par transurāna elementu esamību un kļūstot par to teorētisko atklājēju. Fermi aizstāvēja šo hipotēzi savā Nobela lekcijā 1938. gadā. Tikai pēc tam, kad vācu zinātnieki Otto Frisch un Fritz Strasmann atklāja kodola skaldīšanu, Fermi 1939. gadā Stokholmā publicētajā drukātajā versijā bija spiests izdarīt piezīmi, norādot, ka ir jāpārskata "visa transurāna elementu problēma". Fakts ir tāds, ka Friša un Štrasmana darbs parādīja, ka Fermi viņa eksperimentos atklātā aktivitāte bija saistīta tieši ar skaldīšanu, nevis ar transurāna elementu atklāšanu, kā viņš iepriekš uzskatīja.

Jauns elements — deviņdesmit ceturtais — tika atklāts 1940. gada beigās. Tas notika Bērklijā Kalifornijas Universitātē. Bombardējot urāna oksīdu (U3O8) ar smagajiem ūdeņraža kodoliem (deuteroniem), amerikāņu radioķīmiķu grupa Glenna T. Sīborga vadībā atklāja iepriekš nezināmu alfa daļiņu emitētāju, kura pussabrukšanas periods ir 90 gadi. Šis emitētājs izrādījās elementa Nr.94 izotops ar masas skaitli 238. Tā 1940.gada 14.decembrī kopā ar citu elementu un to savienojumu piejaukumu tika iegūti pirmie plutonija mikrogramu daudzumi.

1940. gadā veiktā eksperimenta laikā tika konstatēts, ka kodolreakcijas laikā vispirms tiek ražots īslaicīgs neptūnija-238 izotops (pusperiods 2,117 dienas), bet no tā - plutonijs-238:

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

Ilgi un darbietilpīgi ķīmiskie eksperimenti, lai atdalītu jauno elementu no piemaisījumiem, ilga divus mēnešus. Jauna ķīmiskā elementa esamību naktī no 1941. gada 23. uz 24. februāri apstiprināja G. T. Sīborgs, E. M. Makmilans, Dž. V. Kenedijs un A. K. Vols, pētot tā pirmās ķīmiskās īpašības – spēju piedzīvot vismaz divas oksidācijas. štatos. Nedaudz vēlāk par eksperimentu beigām tika konstatēts, ka šis izotops nav skaldāms un tāpēc neinteresants tālākai izpētei. Drīz (1941. gada martā) Kenedijs, Sīborgs, Segre un Vāls sintezēja svarīgāku izotopu plutoniju-239, apstarojot urānu ar ļoti paātrinātiem neitroniem ciklotronā. Šis izotops veidojas neptūnija-239 sabrukšanas rezultātā, izstaro alfa starus, un tā pussabrukšanas periods ir 24 000 gadu. Pirmais tīrais elementa savienojums tika iegūts 1942. gadā, un pirmie svara daudzumi metāliskā plutonija tika iegūti 1943. gadā.

Nosaukumu jaunajam elementam 94 1948. gadā ierosināja Makmilans, kurš dažus mēnešus pirms plutonija atklāšanas kopā ar F. Eibelsonu ieguva pirmo par urānu smagāku elementu - elementu Nr.93, ko par godu nosauca par neptūniju. planētas Neptūns - pirmā aiz Urāna. Pēc analoģijas viņi nolēma elementu Nr. 94 saukt par plutoniju, jo planēta Plutons ir otrā aiz Urāna. Savukārt Seaborg ierosināja jauno elementu saukt par "plutoniju", bet tad saprata, ka nosaukums neizklausās īpaši labi salīdzinājumā ar "plutoniju". Turklāt viņš jaunajam elementam izvirzīja citus nosaukumus: ultimium, extermium, jo ​​tajā laikā tika pieņemts kļūdains spriedums, ka plutonijs kļūs par pēdējo ķīmisko elementu periodiskajā tabulā. Rezultātā elements tika nosaukts par "plutoniju" par godu pēdējās planētas atklāšanai Saules sistēmā.

Atrodoties dabā

Visilgākā plutonija izotopa pussabrukšanas periods ir 75 miljoni gadu. Skaitlis ir ļoti iespaidīgs, tomēr Galaktikas vecums mērāms miljardos gadu. No tā izriet, ka deviņdesmit ceturtā elementa primārajiem izotopiem, kas izveidojās Visuma elementu lielās sintēzes laikā, nebija nekādu izredžu izdzīvot līdz mūsdienām. Un tomēr tas nenozīmē, ka uz Zemes vispār nav plutonija. Tas pastāvīgi veidojas urāna rūdās. Uztverot neitronus no kosmiskā starojuma un neitronus, kas rodas spontānās 238U kodolu skaldīšanas rezultātā, daži - ļoti nedaudzi - šī izotopa atomi pārvēršas par 239U atomiem. Šī elementa kodoli ir ļoti nestabili, tie izstaro elektronus un tādējādi palielina to lādiņu, un veidojas neptūnijs, pirmais transurāna elements. Arī 239Np ir nestabils, tā kodoli izstaro arī elektronus, tāpēc tikai 56 stundās puse no 239Np pārvēršas par 239Pu.

Šī izotopa pussabrukšanas periods jau ir ļoti garš un sasniedz 24 000 gadu. Vidēji 239Pu saturs ir aptuveni 400 000 reižu mazāks nekā rādija saturs. Tāpēc ir ārkārtīgi grūti ne tikai iegūt, bet pat atklāt “sauszemes” plutoniju. Nelielus daudzumus 239Pu — daļas uz triljonu — un sabrukšanas produktus var atrast urāna rūdās, piemēram, dabiskajā kodolreaktorā Oklo, Gabonā (Rietumāfrikā). Tā dēvētais “dabiskais kodolreaktors” tiek uzskatīts par vienīgo pasaulē, kura ģeosfērā šobrīd veidojas aktinīdi un to skaldīšanās produkti. Pēc mūsdienu aplēsēm šajā reģionā pirms vairākiem miljoniem gadu notika pašpietiekama reakcija ar siltuma izdalīšanos, kas ilga vairāk nekā pusmiljonu gadu.

Tātad, mēs jau zinām, ka urāna rūdās, neitronu uztveršanas rezultātā ar urāna kodoliem, veidojas neptūnijs (239Np), kura β-sabrukšanas produkts ir dabiskais plutonijs-239. Pateicoties īpašiem instrumentiem - masas spektrometriem - prekembrija bastnezitā (cērija rūda) tika atklāta plutonija-244 (244Pu) klātbūtne, kam ir visilgākais pussabrukšanas periods - aptuveni 80 miljoni gadu. Dabā 244Pu galvenokārt atrodams dioksīda (PuO2) veidā, kas ūdenī šķīst pat mazāk nekā smiltis (kvarcs). Tā kā salīdzinoši ilgmūžīgais izotops plutonijs-240 (240Pu) atrodas plutonija-244 sabrukšanas ķēdē, tā sabrukšana notiek, taču tas notiek ļoti reti (1 gadījums no 10 000). Ļoti mazs plutonija-238 (238Pu) daudzums ir radies ļoti reti sastopamā sākotnējā izotopa urāna-238 dubultās beta sabrukšanas dēļ, kas tika atrasts urāna rūdās.

Izotopu 247Pu un 255Pu pēdas tika atrastas putekļos, kas savākti pēc kodolbumbu sprādzieniem.

Cilvēka organismā hipotētiski varētu atrasties minimāls plutonija daudzums, ņemot vērā to, ka ir veikts milzīgs skaits kodolizmēģinājumu vienā vai otrā veidā saistībā ar plutoniju. Plutonijs uzkrājas galvenokārt skeletā un aknās, no kurienes tas praktiski netiek izvadīts. Turklāt deviņdesmit ceturto elementu uzkrāj jūras organismi; Sauszemes augi plutoniju absorbē galvenokārt caur sakņu sistēmu.

Izrādās, mākslīgi sintezēts plutonijs dabā joprojām pastāv, tad kāpēc tas netiek iegūts, bet gan iegūts mākslīgi? Fakts ir tāds, ka šī elementa koncentrācija ir pārāk zema. Par citu radioaktīvo metālu - rādiju viņi saka: "grams ražošanas - darba gads", un rādija dabā ir 400 000 reižu vairāk nekā plutonija! Šī iemesla dēļ ir ārkārtīgi grūti ne tikai iegūt, bet pat noteikt “sauszemes” plutoniju. Tas tika darīts tikai pēc tam, kad tika pētītas kodolreaktoros ražotā plutonija fizikālās un ķīmiskās īpašības.

Pieteikums

239Pu izotops (kopā ar U) tiek izmantots kā kodoldegviela reaktoros, kas darbojas uz termiskiem un ātriem neitroniem (galvenokārt), kā arī kodolieroču ražošanā.

Apmēram pustūkstotis atomelektrostaciju visā pasaulē saražo aptuveni 370 GW elektroenerģijas (jeb 15% no pasaules kopējās elektroenerģijas ražošanas). Plutoniju-236 izmanto atomelektrisko akumulatoru ražošanā, kuru kalpošanas laiks sasniedz piecus un vairāk gadus, tos izmanto strāvas ģeneratoros, kas stimulē sirdsdarbību (elektrokardiostimulatoros). 238Pu izmanto maza izmēra kodolenerģijas avotos, ko izmanto kosmosa izpētē. Tādējādi plutonijs-238 ir enerģijas avots zondēm New Horizons, Galileo un Cassini, roveram Curiosity un citiem kosmosa kuģiem.

Kodolieročos izmanto plutoniju-239, jo šis izotops ir vienīgais piemērotais nuklīds izmantošanai kodolbumbā. Turklāt plutonija-239 biežāka izmantošana kodolbumbās ir saistīta ar to, ka plutonijs sfērā (kur atrodas bumbas kodols) aizņem mazāku tilpumu, līdz ar to var iegūt bumbas sprādzienbīstamību. īpašums.

Shēma, kurā notiek kodolsprādziens, kurā iesaistīts plutonijs, ir pašas bumbas konstrukcijā, kuras kodols sastāv no sfēras, kas piepildīta ar 239Pu. Sadursmes brīdī ar zemi sfēra ir saspiesta līdz miljonam atmosfērām, pateicoties konstrukcijai un pateicoties sprāgstvielai, kas ieskauj šo sfēru. Pēc trieciena kodols izplešas pēc tilpuma un blīvuma pēc iespējas īsākā laikā - desmitiem mikrosekunžu laikā, mezgls lec cauri kritiskajam stāvoklim ar termiskajiem neitroniem un pāriet superkritiskajā stāvoklī ar ātrajiem neitroniem - sākas kodola ķēdes reakcija, kurā piedalās elementa neitroni un kodoli. Kodolbumbas pēdējais sprādziens atbrīvo temperatūru desmitiem miljonu grādu robežās.

Plutonija izotopi ir atraduši savu izmantošanu transplutonija (blakus plutonija) elementu sintēzē. Piemēram, Oak Ridge Nacionālajā laboratorijā ar ilgstošu neitronu apstarošanu tiek iegūti 239Pu, 24496Cm, 24296Cm, 24997Bk, 25298Cf, 25399E un 257100Fm. Tādā pašā veidā americium 24195Am pirmo reizi tika iegūts 1944. gadā. 2010. gadā plutonija-242 oksīds, kas bombardēts ar kalcija-48 joniem, kalpoja par ununkvadija avotu.

δ-Stabilizētie plutonija sakausējumi tiek izmantoti degvielas stieņu ražošanā, jo tiem ir ievērojami labākas metalurģiskās īpašības salīdzinājumā ar tīru plutoniju, kas karsējot piedzīvo fāzu pārejas un ir ļoti trausls un neuzticams materiāls. Plutonija sakausējumi ar citiem elementiem (intermetāliskajiem savienojumiem) parasti tiek iegūti elementu tiešā mijiedarbībā vajadzīgajās proporcijās, savukārt loka kausēšanu dažkārt iegūst, izsmidzinot vai atdzesējot kausējumus.

Galvenie plutonija rūpnieciskie leģējošie elementi ir gallijs, alumīnijs un dzelzs, lai gan plutonijs spēj veidot sakausējumus un starpproduktus ar lielāko daļu metālu ar retiem izņēmumiem (kālijs, nātrijs, litijs, rubīdijs, magnijs, kalcijs, stroncijs, bārijs, eiropijs un iterbijs). . Ugunsizturīgie metāli: molibdēns, niobijs, hroms, tantals un volframs šķīst šķidrā plutonijā, bet gandrīz nešķīst vai nedaudz šķīst cietā plutonijā. Indijs, silīcijs, cinks un cirkonijs ātri atdzesējot spēj veidot metastabilu δ-plutoniju (δ"-fāzi). Gallijs, alumīnijs, amerīcijs, skandijs un cērijs var stabilizēt δ-plutoniju istabas temperatūrā.

Lieli holmija, hafnija un tallija daudzumi ļauj uzglabāt δ-plutoniju istabas temperatūrā. Neptūnijs ir vienīgais elements, kas spēj stabilizēt α-plutoniju augstā temperatūrā. Titāns, hafnijs un cirkonijs stabilizē β-plutonija struktūru istabas temperatūrā, ātri atdzesējot. Šādu sakausējumu pielietojumi ir diezgan dažādi. Piemēram, plutonija-gallija sakausējums tiek izmantots, lai stabilizētu plutonija δ fāzi, kas ļauj izvairīties no α-δ fāzes pārejas. Plutonija-gallija-kobalta trīskāršais sakausējums (PuGaCo5) ir supravadošs sakausējums 18,5 K temperatūrā. Ir vairāki sakausējumi (plutonija-cirkonija, plutonija-cērija un plutonija-cērija-kobalta), ko izmanto kā kodoldegvielu.

Ražošana

Rūpniecisko plutoniju ražo divos veidos. Tā ir vai nu kodolreaktoros esošo 238U kodolu apstarošana, vai plutonija atdalīšana ar radioķīmiskām metodēm (kopizgulsnēšana, ekstrakcija, jonu apmaiņa utt.) no urāna, transurāna elementiem un skaldīšanas produktiem, ko satur lietotā kodoldegviela.

Pirmajā gadījumā vispraktiskākais izotops 239Pu (sajaukts ar nelielu 240Pu piejaukumu) tiek ražots kodolreaktoros ar urāna kodolu un neitronu piedalīšanos, izmantojot β-sabrukšanu un ar neptūnija izotopu piedalīšanos kā sadalīšanās starpproduktu:

23892U + 21D → 23893Np + 210n;

23893Np → 23894Pu

β-sabrukšana

Šajā procesā deuterons nonāk urānā-238, kā rezultātā veidojas neptūnijs-238 un divi neitroni. Pēc tam neptūnijs-238 spontāni sadalās, izdalot beta-mīnus daļiņas, kas veido plutoniju-238.

Parasti 239Pu saturs maisījumā ir 90-95%, 240Pu ir 1-7%, citu izotopu saturs nepārsniedz procenta desmitdaļas. Izotopus ar ilgu pussabrukšanas periodu - 242Pu un 244Pu iegūst, ilgstoši apstarojot ar 239Pu neitroniem. Turklāt 242Pu iznākums ir vairāki desmiti procentu, un 244Pu ir daļa no procenta no 242Pu satura. Neliels daudzums izotopiski tīra plutonija-238 veidojas, neptūniju-237 apstarojot ar neitroniem. Plutonija gaišos izotopus ar masas numuriem 232-237 parasti iegūst ciklotronā, apstarojot urāna izotopus ar α-daļiņām.

Otrajā 239Pu rūpnieciskās ražošanas metodē tiek izmantots Purex process, kura pamatā ir ekstrakcija ar tributilfosfātu vieglā atšķaidītājā. Pirmajā ciklā Pu un U kopīgi attīra no skaldīšanas produktiem un pēc tam atdala. Otrajā un trešajā ciklā plutonijs tiek tālāk attīrīts un koncentrēts. Šāda procesa shēma balstās uz atdalāmo elementu tetra- un sešvērtīgo savienojumu īpašību atšķirību.

Sākotnēji izlietotās degvielas stieņi tiek demontēti un apšuvums, kas satur izlietoto plutoniju un urānu, tiek noņemts ar fizikāliem un ķīmiskiem līdzekļiem. Pēc tam ekstrahēto kodoldegvielu izšķīdina slāpekļskābē. Galu galā tas ir spēcīgs oksidētājs, kad tas ir izšķīdināts, un tiek oksidēts urāns, plutonijs un piemaisījumi. Plutonija atomi ar nulles valenci tiek pārvērsti par Pu+6, un tiek izšķīdināts gan plutonijs, gan urāns. No šāda šķīduma deviņdesmit ceturtais elements tiek reducēts līdz trīsvērtīgajam stāvoklim ar sēra dioksīdu un pēc tam izgulsnēts ar lantāna fluorīdu (LaF3).

Tomēr nogulumos papildus plutonijai ir neptūnijs un retzemju elementi, bet lielākā daļa (urāns) paliek šķīdumā. Pēc tam plutoniju atkal oksidē līdz Pu+6 un atkal pievieno lantāna fluorīdu. Tagad retzemju elementi nogulsnējas, un plutonijs paliek šķīdumā. Pēc tam neptūnijs tiek oksidēts četrvērtīgā stāvoklī ar kālija bromātu, jo šis reaģents neietekmē plutoniju, tad otrreizējās izgulsnēšanas laikā ar to pašu lantāna fluorīdu trīsvērtīgais plutonijs pāriet nogulsnēs, un neptūnijs paliek šķīdumā. Šādu darbību galaprodukti ir plutoniju saturoši savienojumi - PuO2 dioksīds vai fluorīdi (PuF3 vai PuF4), no kuriem iegūst metālisku plutoniju (reducējot ar bārija, kalcija vai litija tvaikiem).

Tīrāku plutoniju var iegūt, elektrolītiski attīrot piroķīmiski ražoto metālu, ko veic elektrolīzes šūnās 700°C temperatūrā ar kālija, nātrija un plutonija hlorīda elektrolītu, izmantojot volframa vai tantala katodu. Šādā veidā iegūtā plutonija tīrība ir 99,99%.

Lai ražotu lielu daudzumu plutonija, tiek būvēti selekcijas reaktori, tā sauktie “selekcionāri” (no angļu valodas darbības vārda audzēt - vairoties). Šie reaktori ieguva savu nosaukumu, pateicoties to spējai ražot skaldāmo materiālu daudzumos, kas pārsniedz šī materiāla iegūšanas izmaksas. Atšķirība starp šāda veida reaktoriem no citiem ir tāda, ka neitroni tajos netiek palēnināti (nav moderatora, piemēram, grafīta), lai pēc iespējas vairāk no tiem reaģētu ar 238U.

Pēc reakcijas veidojas 239U atomi, kas pēc tam veido 239Pu. Šāda reaktora serdi, kas satur PuO2 noplicinātā urāna dioksīdā (UO2), ieskauj vēl vairāk noplicināta urāna dioksīda-238 (238UO2) apvalks, kurā veidojas 239Pu. Kombinētā 238U un 235U izmantošana ļauj “selekcionāriem” no dabiskā urāna ražot 50–60 reizes vairāk enerģijas nekā citos reaktoros. Tomēr šiem reaktoriem ir liels trūkums - degvielas stieņi ir jādzesē ar citu vidi, nevis ūdeni, kas samazina to enerģiju. Tāpēc tika nolemts kā dzesēšanas šķidrumu izmantot šķidro nātriju.

Šādu reaktoru būvniecība Amerikas Savienotajās Valstīs sākās pēc Otrā pasaules kara beigām. PSRS un Lielbritānija sāka būvēt tikai 50. gados.

Fizikālās īpašības

Plutonijs ir ļoti smags (blīvums normālā līmenī 19,84 g/cm³) sudrabains metāls, attīrītā stāvoklī ļoti līdzīgs niķelim, bet gaisā plutonijs ātri oksidējas, izbalo, veidojot zaigojošu plēvi, vispirms gaiši dzeltenu, pēc tam pārvēršoties tumši violetā krāsā. . Kad notiek spēcīga oksidēšanās, uz metāla virsmas parādās olīvzaļa oksīda pulveris (PuO2).

Plutonijs ir ļoti elektronegatīvs un reaktīvs metāls, daudzkārt vairāk pat nekā urāns. Tam ir septiņas allotropās modifikācijas (α, β, γ, δ, δ", ε un ζ), kas mainās noteiktā temperatūras diapazonā un noteiktā spiediena diapazonā.Istabas temperatūrā plutonijs ir α formā - tas ir visizplatītākā plutonija alotropā modifikācija Alfa fāzē tīrs plutonijs ir trausls un diezgan ciets – šī struktūra ir aptuveni tikpat cieta kā pelēkais čuguns, ja vien tas nav leģēts ar citiem metāliem, kas sakausējumam piešķirs elastību un maigumu , šajā blīvākajā formā plutonijs ir sestais blīvākais elements (smagāki ir tikai osmijs, irīdijs, platīns, rēnijs un neptūnijs, ko papildina pēkšņas blīvuma izmaiņas). 480 ° C, tas neizplešas, tāpat kā citi metāli, bet saraujas (delta fāzes " un "delta prime"). Izkusis (pārejot no epsilona fāzes uz šķidro fāzi), plutonijs arī saraujas, ļaujot neizkusušam plutonijam saplūst. peldēt.

Plutonijam piemīt liels skaits neparastu īpašību: tam ir viszemākā siltumvadītspēja no visiem metāliem - pie 300 K tas ir 6,7 W/(m K); plutonijam ir viszemākā elektriskā vadītspēja; Šķidrā fāzē plutonijs ir viskozākais metāls. Deviņdesmit ceturtā elementa pretestība istabas temperatūrā metālam ir ļoti augsta, un šī īpašība palielināsies, pazeminoties temperatūrai, kas metāliem nav raksturīgi. Šo “anomaliju” var izsekot līdz pat 100 K temperatūrai – zem šīs atzīmes elektriskā pretestība samazināsies. Tomēr no 20 K pretestība atkal sāk palielināties metāla starojuma aktivitātes dēļ.

Plutonijam ir lielākā elektriskā pretestība no visiem pētītajiem aktinīdiem (līdz šim), kas ir 150 μΩ cm (pie 22 °C). Šim metālam ir zema kušanas temperatūra (640 °C) un neparasti augsta viršanas temperatūra (3227 °C). Tuvāk kušanas temperatūrai šķidrajam plutonijam ir ļoti augsta viskozitāte un virsmas spraigums salīdzinājumā ar citiem metāliem.

Radioaktivitātes dēļ plutonijs ir silts uz tausti. Liels plutonija gabals termiskajā apvalkā tiek uzkarsēts līdz temperatūrai, kas pārsniedz ūdens viršanas temperatūru! Turklāt plutonija radioaktivitātes dēļ laika gaitā notiek izmaiņas tā kristāliskajā režģī - notiek sava veida atkausēšana, ko izraisa pašatstarošana, temperatūras paaugstināšanās virs 100 K dēļ.

Liela skaita alotropo modifikāciju klātbūtne plutonijā padara to par grūti apstrādājamu un izrullējamu metālu fāzu pāreju dēļ. Mēs jau zinām, ka alfa formā deviņdesmit ceturtais elements pēc īpašībām ir līdzīgs čugunam, tomēr tam ir tendence mainīties un pārvērsties par kaļamu materiālu un veidot kaļamu β-formu augstākos temperatūras diapazonos. Plutonijs δ formā parasti ir stabils temperatūrā no 310 °C līdz 452 °C, bet var pastāvēt istabas temperatūrā, ja tas ir leģēts ar nelielu alumīnija, cērija vai gallija procentuālo daudzumu. Ja plutoniju sakausē ar šiem metāliem, to var izmantot metināšanā. Kopumā delta formai ir izteiktākas metāla īpašības - tas ir tuvu alumīnijam pēc stiprības un kaļjamības.

Ķīmiskās īpašības

Deviņdesmit ceturtā elementa ķīmiskās īpašības daudzējādā ziņā ir līdzīgas tā priekšgājēju īpašībām periodiskajā tabulā - urānam un neptūnijai. Plutonijs ir diezgan aktīvs metāls, kas veido savienojumus ar oksidācijas pakāpi no +2 līdz +7. Ūdens šķīdumos elementam ir šādi oksidācijas stāvokļi: Pu (III), kā Pu3+ (pastāv skābos ūdens šķīdumos, ir gaiši purpursarkanā krāsā); Pu (IV), kā Pu4+ (šokolādes tonis); Pu (V), kā PuO2+ (viegls šķīdums); Pu (VI), kā PuO22+ (gaiši oranžs šķīdums) un Pu(VII), kā PuO53- (zaļš šķīdums).

Turklāt šie joni (izņemot PuO53-) vienlaikus var būt līdzsvarā šķīdumā, kas izskaidrojams ar 5f elektronu klātbūtni, kas atrodas elektronu orbitāles lokalizētajā un delokalizētajā zonā. Pie pH 5-8 dominē Pu(IV), kas ir visstabilākais starp citām valencēm (oksidācijas stāvokļiem). Visu oksidācijas pakāpju plutonija joni ir pakļauti hidrolīzei un kompleksu veidošanai. Iespēja veidot šādus savienojumus palielinās Pu5+ sērijā

Kompaktais plutonijs lēnām oksidējas gaisā, pārklājoties ar zaigojošu, eļļainu oksīda plēvi. Ir zināmi šādi plutonija oksīdi: PuO, Pu2O3, PuO2 un mainīga sastāva fāze Pu2O3 - Pu4O7 (Berthollīdi). Neliela mitruma daudzuma klātbūtnē ievērojami palielinās oksidācijas un korozijas ātrums. Ja metāls pietiekami ilgi tiek pakļauts nelielam mitra gaisa daudzumam, uz tā virsmas veidojas plutonija dioksīds (PuO2). Ar skābekļa trūkumu var veidoties arī tā dihidrīds (PuH2). Pārsteidzoši, ka plutonijs rūsē daudz ātrāk inertas gāzes (piemēram, argona) atmosfērā ar ūdens tvaikiem nekā sausā gaisā vai tīrā skābeklī. Faktiski šis fakts ir viegli izskaidrojams - skābekļa tiešās iedarbības rezultātā plutonija virsmā veidojas oksīda slānis, kas novērš turpmāku oksidēšanos, veidojot irdenu oksīda un hidrīda maisījumu. Starp citu, pateicoties šim pārklājumam, metāls kļūst pirofors, tas ir, šī iemesla dēļ metālisks plutonijs parasti tiek apstrādāts inertā argona vai slāpekļa atmosfērā. Tajā pašā laikā skābeklis ir aizsargājoša viela un neļauj mitrumam ietekmēt metālu.

Deviņdesmit ceturtais elements reaģē ar skābēm, skābekli un to tvaikiem, bet ne ar sārmiem. Plutonijs labi šķīst tikai ļoti skābā vidē (piemēram, sālsskābes HCl), kā arī šķīst hlorūdeņradi, jodūdeņradi, bromūdeņradi, 72% perhlorskābi, 85% ortofosforskābi H3PO4, koncentrētu CCl3COOH, sulfamīnskābi un vārot. koncentrēta slāpekļskābe. Plutonijs sārmu šķīdumos manāmi nešķīst.

Ja četrvērtīgo plutoniju saturošus šķīdumus pakļauj sārmu iedarbībai, izgulsnējas plutonija hidroksīda Pu(OH)4 xH2O nogulsnes, kurām piemīt bāzes īpašības. Ja PuO2+ saturošu sāļu šķīdumus pakļauj sārmiem, izgulsnējas amfoteriskais hidroksīds PuO2OH. Uz to atbild sāļi – plutonīti, piemēram, Na2Pu2O6.

Plutonija sāļi viegli hidrolizējas, nonākot saskarē ar neitrāliem vai sārmainiem šķīdumiem, radot nešķīstošu plutonija hidroksīdu. Koncentrēti plutonija šķīdumi ir nestabili radiolītiskās sadalīšanās dēļ, kas izraisa nokrišņus.

Plutonija apraksts

Plutonijs(Plutonijs) ir sudrabaini smagais ķīmiskais elements, radioaktīvs metāls ar atomskaitli 94, kas periodiskajā tabulā apzīmēts ar simbolu Pu.

Šis elektronnegatīvi aktīvais ķīmiskais elements pieder aktinīdu grupai ar atommasu 244,0642, un, tāpat kā neptūnijs, kas savu nosaukumu ieguvis par godu tāda paša nosaukuma planētai, šī ķīmiskā viela ir parādā savu nosaukumu planētai Plutons, jo tās priekšteči. No radioaktīvā elementa Mendeļejeva ķīmisko elementu periodiskajā tabulā ir un neptūnijs, kas arī tika nosaukti pēc mūsu galaktikas tālajām kosmiskajām planētām.

Plutonija izcelsme

Elements plutonijs pirmo reizi 1940. gadā Kalifornijas Universitātē atklāja radiologu un zinātnisko pētnieku grupa G. Seaborgs, E. Makmilans, Kenedijs, A. Vols, bombardējot urāna mērķi no ciklotrona ar deuteroniem – smagajiem ūdeņraža kodoliem.

Tā paša gada decembrī zinātnieki atklāja plutonija izotops– Pu-238, kura pussabrukšanas periods ir vairāk nekā 90 gadi, un tika konstatēts, ka sarežģītu kodolķīmisko reakciju ietekmē sākotnēji rodas neptūnija-238 izotops, pēc kura izotops jau veidojas. plutonijs-238.

1941. gada sākumā zinātnieki atklāja plutonijs 239 ar sabrukšanas periodu 25 000 gadu. Plutonija izotopiem kodolā var būt atšķirīgs neitronu saturs.

Tīrs elementa savienojums tika iegūts tikai 1942. gada beigās. Katru reizi, kad radioloģiskie zinātnieki atklāja jaunu izotopu, viņi vienmēr mērīja izotopu pussabrukšanas periodus.

Šobrīd plutonija izotopi, kuru kopumā ir 15, atšķiras pēc laika ilguma Pus dzīve. Tieši ar šo elementu ir saistītas lielas cerības un izredzes, bet tajā pašā laikā nopietnas bailes no cilvēces.

Plutonijam ir ievērojami lielāka aktivitāte nekā, piemēram, urānam, un tā ir viena no dārgākajām tehniski svarīgākajām un nozīmīgākajām ķīmiskās dabas vielām.

Piemēram, viena grama plutonija izmaksas ir vairākas reizes lielākas par vienu gramu vai citu tikpat vērtīgu metālu.

Plutonija ražošana un ieguve tiek uzskatīta par dārgu, un viena grama metāla izmaksas mūsu laikā pārliecinoši saglabājas aptuveni 4000 ASV dolāru apmērā.

Kā iegūst plutoniju? Plutonija ražošana

Ķīmiskā elementa ražošana notiek kodolreaktoros, kuros sarežģītu ķīmisku un tehnoloģisku savstarpēji saistītu procesu ietekmē tiek sadalīts urāns.

Urāns un plutonijs ir galvenās, galvenās sastāvdaļas atomu (kodoldegvielas) ražošanā.

Ja nepieciešams iegūt lielu daudzumu radioaktīvā elementa, izmanto transurānu elementu apstarošanas metodi, ko var iegūt no izlietotās kodoldegvielas un urāna apstarošanas. Sarežģītas ķīmiskās reakcijas ļauj atdalīt metālu no urāna.

Lai iegūtu izotopus, proti, plutoniju-238 un ieročiem paredzētu plutoniju-239, kas ir sabrukšanas starpprodukti, tiek izmantota neptūnija-237 apstarošana ar neitroniem.

Neliela plutonija-244 daļa, kas ir visilgāk dzīvojošais izotops tā garā pussabrukšanas perioda dēļ, tika atklāta cērija rūdā, kas, iespējams, ir saglabājusies no mūsu planētas Zeme veidošanās. Dabā šis radioaktīvais elements nav sastopams.

Plutonija fizikālās pamatīpašības un īpašības

Plutonijs ir diezgan smags radioaktīvs ķīmiskais elements ar sudrabainu krāsu, kas spīd tikai pēc attīrīšanas. Kodolenerģija metāla plutonija masa vienāds ar 244 a. ēst.

Pateicoties augstajai radioaktivitātei, šis elements ir silts uz tausti un var uzkarst līdz temperatūrai, kas pārsniedz ūdens viršanas temperatūru.

Plutonijs skābekļa atomu ietekmē ātri kļūst tumšāks un pārklājas ar zaigojošu plānu plēvi, kas sākotnēji ir gaiši dzeltena un pēc tam bagātīga vai brūna.

Ar spēcīgu oksidāciju elementa virsmā veidojas PuO2 pulveris. Šāda veida ķīmiskais metāls ir pakļauts spēcīgiem oksidācijas procesiem un korozijai pat zemā mitruma līmenī.

Lai novērstu metāla virsmas koroziju un oksidēšanos, ir nepieciešama žāvēšanas iekārta. Foto ar plutoniju var apskatīt zemāk.

Plutonijs ir četrvērtīgs ķīmisks metāls, tas labi un ātri šķīst jodūdeņraža vielās un skābā vidē, piemēram, hlorskābē.

Metālu sāļi tiek ātri neitralizēti neitrālā vidē un sārmainos šķīdumos, veidojot nešķīstošu plutonija hidroksīdu.

Temperatūra, kurā plutonijs kūst, ir 641 grāds pēc Celsija, viršanas temperatūra ir 3230 grādi.

Augstas temperatūras ietekmē notiek nedabiskas metāla blīvuma izmaiņas. Savā formā plutonijam ir dažādas fāzes un sešas kristāla struktūras.

Pārejas laikā starp fāzēm notiek būtiskas elementa tilpuma izmaiņas. Elements iegūst visblīvāko formu sestajā alfa fāzē (pēdējā pārejas posmā), savukārt vienīgās lietas, kas šajā stāvoklī ir smagākas par metālu, ir neptūnijs un rādijs.

Izkausējot, elements tiek pakļauts spēcīgai saspiešanai, tāpēc metāls var peldēt uz ūdens virsmas un citām neagresīvām šķidrām vidēm.

Neskatoties uz to, ka šis radioaktīvais elements pieder ķīmisko metālu grupai, elements ir diezgan gaistošs, un, īslaicīgi atrodoties slēgtā telpā, tā koncentrācija gaisā palielinās vairākas reizes.

Metāla galvenās fizikālās īpašības ir: zema pakāpe, visu esošo un zināmo ķīmisko elementu siltumvadītspējas līmenis, zems elektriskās vadītspējas līmenis šķidrā stāvoklī, plutonijs ir viens no viskozākajiem metāliem.

Ir vērts atzīmēt, ka jebkuri plutonija savienojumi ir toksiski, indīgi un rada nopietnus cilvēka ķermeņa starojuma draudus, kas rodas aktīvā alfa starojuma dēļ, tāpēc visi darbi jāveic ar vislielāko rūpību un tikai īpašos tērpos ar ķīmisko aizsardzību. .

Vairāk par unikāla metāla īpašībām un izcelsmes teorijām varat lasīt grāmatā Obručevs "Plutonija"" Autors V.A. Obručevs aicina lasītājus ienirt fantastiskās valsts Plutonijas pārsteidzošajā un unikālajā pasaulē, kas atrodas dziļi Zemes zarnās.

Plutonija pielietojumi

Rūpniecisko ķīmisko elementu parasti iedala ieroču kvalitātes un reaktora klases (“enerģijas kvalitātes”) plutonijā.

Tādējādi kodolieroču ražošanai no visiem esošajiem izotopiem ir atļauts izmantot tikai plutoniju 239, kas nedrīkst saturēt vairāk par 4,5% plutonija 240, jo tas ir pakļauts spontānai skaldīšanai, kas ievērojami sarežģī militāro lādiņu ražošanu. .

Plutonijs-238 tiek izmantots maza izmēra radioizotopu elektroenerģijas avotu darbībai, piemēram, kā enerģijas avots kosmosa tehnoloģijām.

Pirms vairākām desmitgadēm plutonijs tika izmantots medicīnā elektrokardiostimulatoros (ierīcēs sirds ritma uzturēšanai).

Pirmajai pasaulē radītajai atombumbai bija plutonija lādiņš. Kodolplutonijs(Pu 239) ir pieprasīta kā kodoldegviela, lai nodrošinātu spēkstaciju reaktoru darbību. Šis izotops kalpo arī kā avots transplutonija elementu ražošanai reaktoros.

Ja salīdzinām kodolplutoniju ar tīru metālu, izotopam ir augstāki metāliskie parametri un tam nav pārejas fāžu, tāpēc to plaši izmanto degvielas elementu iegūšanas procesā.

Plutonija 242 izotopa oksīdi ir pieprasīti arī kā enerģijas avots kosmosa nāvējošām vienībām, iekārtām un degvielas stieņiem.

Ieroču klases plutonijs ir elements, kas ir kompakta metāla veidā, kas satur vismaz 93% Pu239 izotopa.

Šāda veida radioaktīvo metālu izmanto dažādu veidu kodolieroču ražošanā.

Ieroču kvalitātes plutonijs tiek ražots specializētos rūpnieciskos kodolreaktoros, kas neitronu uztveršanas rezultātā darbojas ar dabisko vai mazbagātinātu urānu.

Plutoniju, elementu ar numuru 94, atklāja Glens Sīborgs, Edvins Makmilans, Kenedijs un Arturs Vāls 1940. gadā Bērklijā, bombardējot urāna mērķi ar deuteroniem no sešdesmit collu ciklotrona. 1940. gada maijā plutonija īpašības paredzēja Lūiss Tērners.

1940. gada decembrī tika atklāts plutonija izotops Pu-238, kura pussabrukšanas periods ir ~90 gadi, bet gadu vēlāk sekoja svarīgākais Pu-239 ar ~24 000 gadu pussabrukšanas periodu.

Pu-239 atrodas dabiskajā urānā pēdu veidā (daudzums ir viena daļa uz 1015, tas veidojas U-238 kodola neitrona uztveršanas rezultātā). Ļoti mazs daudzums Pu-244 (ilgāk dzīvojošais plutonija izotops, kura pussabrukšanas periods ir 80 miljoni gadu) ir atrasts cērija rūdā, kas acīmredzot palicis pāri no Zemes veidošanās.

Kopumā ir zināmi 15 plutonija izotopi, un tie visi ir radioaktīvi. Nozīmīgākie kodolieroču projektēšanā:
Pu238 -> (86 gadi, alfa sabrukums) -> U234
Pu239 -> (24 360 gadi, alfa sabrukšana) -> U235
Pu240 -> (6580 gadi, alfa sabrukšana) -> U236
Pu241 -> (14,0 gadi, beta sabrukšana) -> Am241
Pu242 -> (370 000 gadu, alfa sabrukšana) -> U238 Plutonija fizikālās īpašības

Plutonijs ir ļoti smags sudrabains metāls, kas svaigi attīrīts ir spīdīgs kā niķelis. Tas ir ārkārtīgi elektronegatīvs, ķīmiski reaģējošs elements, daudz vairāk nekā urāns. Tas ātri izbalē, veidojot zaigojošu plēvi (piemēram, zaigojošu eļļas plēvi), kas sākotnēji ir gaiši dzeltena, beidzot kļūst tumši violeta. Ja oksidēšanās ir diezgan spēcīga, uz tās virsmas parādās olīvzaļa oksīda pulveris (PuO2).

Plutonijs viegli oksidējas un ātri korodē pat neliela mitruma klātbūtnē. Savādi, ka inertas gāzes atmosfērā ar ūdens tvaikiem tas sarūsē daudz ātrāk nekā sausā gaisā vai tīrā skābeklī. Iemesls tam ir tas, ka skābekļa tieša iedarbība uz plutonija virsmas veido oksīda slāni, kas novērš turpmāku oksidēšanos. Mitruma iedarbība rada vaļīgu oksīda un hidrīda maisījumu. Lai novērstu oksidēšanos un koroziju, ir nepieciešama žāvēšanas krāsns.

Plutonijam ir četras valences, III-VI. Tas labi šķīst tikai ļoti skābā vidē, piemēram, slāpekļskābē vai sālsskābē, tas labi šķīst arī jodūdeņražskābē un perhlorskābē. Plutonija sāļi viegli hidrolizējas, nonākot saskarē ar neitrāliem vai sārmainiem šķīdumiem, radot nešķīstošu plutonija hidroksīdu. Koncentrēti plutonija šķīdumi ir nestabili radiolītiskās sadalīšanās dēļ, kas izraisa nokrišņus.

Radioaktivitātes dēļ plutonijs ir silts uz tausti. Lielu plutonija gabalu termiski izolētā apvalkā uzkarsē līdz temperatūrai, kas pārsniedz ūdens viršanas temperatūru.

Plutonija galvenās fizikālās īpašības:
Kušanas temperatūra: 641 °C;
Vārīšanās temperatūra: 3232 °C;
Blīvums: 19,84 (alfa fāzē).

Plutonijam ir daudz specifisku īpašību. Tam ir viszemākā siltumvadītspēja no visiem metāliem, zemākā elektrovadītspēja, izņemot mangānu (saskaņā ar citiem avotiem tā joprojām ir zemākā no visiem metāliem). Šķidrā fāzē tas ir viskozākais metāls.

Mainoties temperatūrai, plutonijs piedzīvo vissmagākās un nedabiskākās blīvuma izmaiņas. Plutonijam ir sešas dažādas fāzes (kristālu struktūras) cietā formā, vairāk nekā jebkuram citam elementam (patiesībā, pēc stingrākiem noteikumiem, ir septiņas). Dažas pārejas starp fāzēm pavada dramatiskas apjoma izmaiņas. Divās no šīm fāzēm - delta un delta prime - plutonijam ir unikāla īpašība sarauties, paaugstinoties temperatūrai, un pārējās tam ir ārkārtīgi augsts temperatūras izplešanās koeficients. Izkausējot, plutonijs saraujas, ļaujot neizkusušajam plutonijam peldēt. Blīvākajā formā, alfa fāzē, plutonijs ir sestais blīvākais elements (smagāki ir tikai osmijs, irīdijs, platīns, rēnijs un neptūnijs). Alfa fāzē tīrs plutonijs ir trausls, taču pastāv elastīgi sakausējumi.

	Pu	94			Plutonijs
					t o kip. (o C)	3350	Pakāpju oksīds	no +3 līdz +7
					t o peldēt (o C)	640	Blīvums	19860
	5f 6 7s 2				OEO	1,2	zemē mizu	-

Elements Nr.94 cilvēcei saistās ar ļoti lielām cerībām un ļoti lielām bailēm.

Sākumā bija protoni – galaktikas ūdeņradis. Tās saspiešanas un sekojošo kodolreakciju rezultātā izveidojās visneticamākie nukleonu “lietņi”. Starp tiem, šiem "lietņiem", acīmredzot bija tādi, kas satur 94 protonus. Teorētiķu aplēses liecina, ka aptuveni simts nukleonu veidojumu, kas ietver 94 protonus un no 107 līdz 206 neitronus, ir tik stabili, ka tos var uzskatīt par elementa Nr.94 izotopu kodoliem.

Bet visi šie izotopi – hipotētiskie un reālie – nav tik stabili, lai izdzīvotu līdz mūsdienām kopš Saules sistēmas elementu veidošanās. Elementa Nr.94 visilgākā izotopa pussabrukšanas periods ir 75 miljoni gadu. Galaktikas vecums mērāms miljardos gadu. Līdz ar to “sākotnējam” plutonijam nebija izredžu izdzīvot līdz mūsdienām. Ja tas radās lielās Visuma elementu sintēzes laikā, tad tie senie tā atomi “izmira” jau sen, tāpat kā izmira dinozauri un mamuti.

Mūsu ēras 20. gadsimtā šis elements tika izveidots no jauna. No simts iespējamajiem plutonija izotopiem ir sintezēti divdesmit pieci. Tika pētītas piecpadsmit no tām kodolīpašības. Četri ir atraduši praktisku pielietojumu.

Pagājuši 34 gadi kopš dienas, kad pie zinātniekiem nonāca pirmie elementa Nr.94 kodoli. 1940. gada decembrī, apstarojot urānu ar smagajiem ūdeņraža kodoliem, amerikāņu radioķīmiķu grupa Glenna T. Sīborga vadībā atklāja iepriekš nezināmu alfa daļiņu emitētāju. ar pussabrukšanas periodu 90 gadi. Šis emitētājs izrādījās elementa Nr.94 izotops ar masas skaitli 238. Tajā pašā gadā, bet dažus mēnešus agrāk E. M. Makmilans un F. Abelsons ieguva pirmo par urānu smagāku elementu – elementu Nr.93. Šo elementu sauca par neptūniju, bet 94. - par plutoniju. Vēsturnieks noteikti teiks, ka šie vārdi cēlušies romiešu mitoloģijā, taču pēc būtības šo vārdu izcelsme drīzāk nav mitoloģiska, bet gan astronomiska.

Astronomiskā paralēle

Elementu, kas aizņem periodiskās tabulas 92. šūnu, atklāja Martins Klaprots 1789. gadā un nosauca par urānu pēc tobrīd zināmās attālākās planētas (to pirmo reizi novēroja slavenais astronoms Viljams Heršels 1781. gadā, astoņus gadus pirms Klaprota atklāšanas).

Urāns nebija pēdējā planēta Saules sistēmā. Neptūna orbīta iet vēl tālāk no Saules, taču Neptūns nav pēdējais, tam seko Plutons, planēta, par kuru vēl gandrīz nekas nav zināms... Līdzīga struktūra ir novērojama arī periodiskās tabulas “kreisajā flangā”: urāns - neptūnijs - plutonijs, tomēr cilvēce par plutoniju zina daudz vairāk nekā par Plutonu. Starp citu, astronomi atklāja Plutonu tikai desmit gadus pirms plutonija sintēzes - gandrīz tāds pats laika posms šķīra Heršela un Klaprota atklājumus.

Mīklas kriptogrāfiem

Pirmais elementa Nr.94 izotops plutonijs-238 mūsdienās ir atradis praktisku pielietojumu. Bet 40. gadu sākumā viņi par to pat nedomāja. Ir iespējams iegūt plutoniju-238 praktiski interesējošos daudzumos, tikai paļaujoties uz spēcīgo kodolrūpniecību. Tolaik tas bija tikai sākuma stadijā. Taču jau bija skaidrs, ka, atbrīvojot smago radioaktīvo elementu kodolos ietverto enerģiju, iespējams iegūt bezprecedenta jaudas ieročus. Parādījās Manhetenas projekts, kuram nebija nekas vairāk kā kopīgs nosaukums ar slaveno Ņujorkas apkaimi. Šis bija vispārējais nosaukums visiem darbiem, kas saistīti ar pirmo atombumbu izveidi Amerikas Savienotajās Valstīs. Manhetenas projekta vadītājs nebija zinātnieks, bet gan militārists — ģenerālis Grovss, kurš savus augsti izglītotos lādiņus “sirsnīgi” nosauca par “salauztiem katliem”.

“Projekta” vadītājus neinteresēja plutonijs-238. Tās kodoli, tāpat kā visu plutonija izotopu kodoli ar pāra masas skaitļiem, zemas enerģijas neitroni (Par zemas enerģijas neitroniem mēs saucam neitronus, kuru enerģija nepārsniedz 10 keV. Neitronus ar enerģiju mēra elektronu voltu daļās sauc par termiskiem, bet lēnākos neitronus - ar enerģiju, kas mazāka par 0,005 eV — auksts. Ja neitrona enerģija ir lielāka par 100 keV, tad šāds neitros jau tiek uzskatīts par ātru.) nesadalās, tāpēc tas nevarētu kalpot kā kodolsprāgstviela. Tomēr pirmie ne pārāk skaidrie ziņojumi par elementiem Nr.93 un 94 drukātā veidā parādījās tikai 1942.gada pavasarī.

Kā mēs to varam izskaidrot? Fiziķi saprata: plutonija izotopu ar nepāra masas skaitļiem sintēze bija laika jautājums un ne pārāk ilga. Paredzams, ka nepāra izotopi, piemēram, urāns-235, spēs atbalstīt kodola ķēdes reakciju. Daži cilvēki tos uzskatīja par potenciālām kodolsprāgstvielām, kuras vēl nebija saņemtas. Un plutonijs diemžēl attaisnoja šīs cerības.

Tā laika šifrēšanā elements Nr.94 netika saukts nekas vairāk kā... vara. Un, kad radās nepieciešamība pēc paša vara (kā dažu detaļu būvmateriāla), tad kodos līdzās “varam” parādījās “īsts varš”.

"Labā un ļaunā atziņas koks"

1941. gadā tika atklāts vissvarīgākais plutonija izotops - izotops ar masas skaitli 239. Un gandrīz uzreiz apstiprinājās teorētiķu prognoze: plutonija-239 kodoli tika sadalīti termisko neitronu ietekmē. Turklāt to skaldīšanas laikā radās ne mazāk neitronu nekā urāna-235 skaldīšanas laikā. Tūlīt tika ieskicēti veidi, kā iegūt šo izotopu lielos daudzumos...

Ir pagājuši gadi. Tagad nevienam nav noslēpums, ka arsenālos glabātās kodolbumbas ir piepildītas ar plutoniju-239 un ka to, šo bumbu ir pietiekami daudz, lai, kā saka, “nodarītu neatgriezenisku kaitējumu” visai dzīvībai uz Zemes.

Pastāv plaši izplatīts uzskats, ka cilvēce nepārprotami steidzās ar kodolķēdes reakcijas atklāšanu (tās neizbēgamās sekas bija kodolbumbas radīšana). Jūs varat domāt savādāk vai izlikties, ka domājat savādāk — patīkamāk ir būt optimistam. Taču arī optimisti neizbēgami saskaras ar jautājumu par zinātnieku atbildību. Mēs atceramies triumfējošo 1954. gada jūnija dienu, dienu, kad pirmā atomelektrostacija Obņinskā ieslēdza strāvu. Bet mēs nevaram aizmirst 1945. gada augusta rītu - "Hirosimas rītu", "Alberta Einšteina melno dienu"... Tie, kuriem šodien ir septiņdesmit vai vecāki, atceras pirmos pēckara gadus un nikno atomu šantāžu - pamatu. Amerikas politiku šajos gados. Bet vai turpmākajos gados cilvēce nav piedzīvojusi daudz nepatikšanas?

Turklāt šīs bažas daudzkārt pastiprināja apziņa, ka jauna pasaules kara gadījumā noteikti tiks izmantoti kodolieroči.

Šeit jūs varat mēģināt pierādīt, ka plutonija atklāšana neradīja cilvēcei bailes, ka, gluži pretēji, tas bija tikai noderīgi.

Teiksim, gadījās, ka nez kāpēc vai, kā senos laikos teica, pēc Dieva gribas, plutonijs zinātniekiem bija nepieejams. Vai tad mūsu bailes un bažas mazinātos? Nekas nav noticis. Kodolbumbas tiktu izgatavotas no urāna-235 (un ne mazākā daudzumā kā no plutonija), un šīs bumbas "apēstu" vēl lielāku budžeta daļu nekā tagad.

Bet bez plutonija nebūtu izredžu kodolenerģijas plašā mērogā izmantot miermīlīgiem mērķiem. Urāna-235 vienkārši nepietiktu "mierīgam atomam". Ļaunums, ko cilvēcei nodarījis kodolenerģijas atklāšana, pat daļēji netiktu līdzsvarots ar “labā atoma” sasniegumiem.

Kā izmērīt, ar ko salīdzināt

Kad plutonija-239 kodolu neitroni sadala divos aptuveni vienādas masas fragmentos, atbrīvojas aptuveni 200 MeV enerģijas. Tas ir 50 miljonus reižu vairāk enerģijas, kas izdalās slavenākajā eksotermiskajā reakcijā C + O 2 = CO 2. “Sadedzinot” kodolreaktorā, grams plutonija rada 2,107 kilokalorijas. Lai nepārkāptu tradīcijas (un populāros rakstos kodoldegvielas enerģiju parasti mēra nesistēmiskās mērvienībās - ogļu, benzīna, trinitrotoluola u.c. tonnās), mēs arī atzīmējam: tā ir enerģija, ko satur četras tonnas ogles. Un parastais uzpirkstenis satur tādu plutonija daudzumu, kas enerģētiski atbilst četrdesmit autokravām labas bērza malkas.

Tāda pati enerģija tiek atbrīvota urāna-235 kodolu sadalīšanās laikā ar neitroniem. Bet lielākā daļa dabiskā urāna (99,3%!) ir izotops 238 U, ko var izmantot, tikai pārvēršot urānu par plutoniju...

Akmeņu enerģija

Novērtēsim dabiskajās urāna rezervēs esošos energoresursus.

Urāns ir mikroelements un atrodams gandrīz visur. Ikviens, kurš ir apmeklējis, piemēram, Karēliju, droši vien atcerēsies granīta laukakmeņus un piekrastes klintis. Taču daži cilvēki zina, ka tonnā granīta vidēji ir no 4 līdz 10 gramiem urāna. Granīti veido gandrīz 20% no zemes garozas svara. Ja rēķinām tikai urānu-235, tad tonnā granīta ir 6 · 10 6 kilokalorijas enerģijas. Tas ir daudz, bet...

Lai apstrādātu granītu un no tā iegūtu urānu, nepieciešams iztērēt vēl lielāku enerģijas daudzumu - apmēram 10 6 -10 7 kilokalorijas. Tagad, ja kā enerģijas avotu būtu iespējams izmantot ne tikai urānu-235, bet arī urānu-238, tad granītu varētu uzskatīt vismaz par potenciālu enerģijas izejvielu. Tad no tonnas akmens iegūtā enerģija jau būtu no 8 · 10 7 līdz 2 · 10 8 kilokalorijām. Tas atbilst 16–40 tonnām ogļu. Un šajā gadījumā granīts varētu nodrošināt cilvēkiem gandrīz miljons reižu vairāk enerģijas nekā visas ķīmiskās degvielas rezerves uz Zemes.

Bet urāna-238 kodoli nesadalās ar neitroniem. Šis izotops ir nederīgs kodolenerģijai. Precīzāk, tas būtu bezjēdzīgi, ja to nevarētu pārvērst par plutoniju-239. Un kas ir īpaši svarīgi: šai kodolpārveidei praktiski nav jātērē enerģija - tieši otrādi, šajā procesā tiek ražota enerģija!

Mēģināsim izdomāt, kā tas notiek, bet vispirms daži vārdi par dabisko plutoniju.

400 tūkstošus reižu mazāks par rādiju

Jau tika teikts, ka plutonija izotopi nav saglabājušies kopš elementu sintēzes mūsu planētas veidošanās laikā. Bet tas nenozīmē, ka uz Zemes nav plutonija. Tas visu laiku veidojas urāna rūdās. Uztverot neitronus no kosmiskā starojuma un neitronus, kas rodas urāna-238 kodolu spontānās skaldīšanas rezultātā, daži - ļoti nedaudzi - šī izotopa atomi pārvēršas par urāna-239 atomiem. Šie kodoli ir ļoti nestabili, tie izstaro elektronus un tādējādi palielina to lādiņu. Veidojas neptūnijs, pirmais transurāna elements. Neptūnijs-239 ir arī ļoti nestabils, un tā kodoli izstaro elektronus. Tikai 56 stundu laikā puse no neptūnija-239 pārvēršas par plutoniju-239, kura pussabrukšanas periods jau ir diezgan garš - 24 tūkstoši gadu.

Kāpēc plutonijs netiek iegūts no urāna rūdām? Zema, pārāk zema koncentrācija. “Grams ražošanas ir darba gads” - tas ir aptuveni rādijs, un rūdas satur 400 tūkstošus reižu mazāk plutonija nekā rādijs. Tāpēc ir ārkārtīgi grūti ne tikai iegūt, bet pat atklāt “sauszemes” plutoniju. Tas tika darīts tikai pēc tam, kad tika pētītas kodolreaktoros ražotā plutonija fizikālās un ķīmiskās īpašības.

Kad 2,70 >> 2,23(atcerieties, ka matemātikā zīme >> nozīmē "daudz vairāk")

Plutonijs tiek uzkrāts kodolreaktoros (līdz nesen šīs iekārtas sauca arī par kodolkatliem). Spēcīgās neitronu plūsmās notiek tāda pati reakcija kā urāna rūdās, taču plutonija veidošanās un uzkrāšanās ātrums reaktorā ir daudz lielāks - miljardu miljardu reižu. Balasta urāna-238 pārvēršanas reakcijai par enerģētisko plutoniju-239 tiek radīti optimāli (pieļaujamā robežās) apstākļi.

Ja reaktors darbojas uz termiskiem neitroniem (atgādinām, ka to ātrums ir aptuveni divi tūkstoši metru sekundē, un to enerģija ir daļa no elektronvolta), tad no dabīgā urāna izotopu maisījuma iegūst nedaudz mazāku daudzumu plutonija, un tiek iegūts “izdegušais” urāna-235 daudzums. Nedaudz, bet mazāk, plus neizbēgamie plutonija zudumi ķīmiskās atdalīšanas laikā no apstarotā urāna. Turklāt kodola ķēdes reakcija tiek uzturēta dabiskajā urāna izotopu maisījumā tikai līdz tiek patērēta neliela urāna-235 daļa. No tā izriet loģisks secinājums: “termiskais” reaktors, kurā tiek izmantots dabīgais urāns – galvenais pašlaik darbojošos reaktoru veids – nevar nodrošināt paplašinātu kodoldegvielas reprodukciju. Bet kas tad ir daudzsološs? Lai atbildētu uz šo jautājumu, salīdzināsim kodola ķēdes reakcijas gaitu urānā-235 un plutonijā-239 un ieviesīsim mūsu diskusijās citu fizisku jēdzienu.

Jebkuras kodoldegvielas vissvarīgākā īpašība ir vidējais neitronu skaits, kas emitēti pēc tam, kad kodols ir notvēris vienu neitronu. Fiziķi to sauc par eta skaitli, ko apzīmē ar grieķu burtu h. Urāna “termiskajos” reaktoros tiek novērota šāda shēma: katrs neitrons “ģenerē” vidēji 2,08 neitronus (h = 2,08). Plutonijs, kas ievietots šādā reaktorā termisko neitronu ietekmē, dod h=2,03. Bet ir arī reaktori, kas darbojas ar ātriem neitroniem. Ir bezjēdzīgi ielādēt dabisku urāna izotopu maisījumu šādā reaktorā: ķēdes reakcija nenotiks. Bet, ja “izejviela” ir bagātināta ar urānu-235, tā var attīstīties arī “ātrā” reaktorā. Šajā gadījumā h jau būs vienāds ar 2,23. Un plutonijs, kas pakļauts ātrai neitronu uguns iedarbībai, dos h vienādu ar 2,70. Mūsu rīcībā būs “papildu pusneitroni”. Un tas nebūt nav maz.

Apskatīsim, kam tiek tērēti iegūtie neitroni. Jebkurā reaktorā ir nepieciešams viens neitrons, lai uzturētu kodola ķēdes reakciju. Iekārtas konstrukcijas materiāli absorbē 0,1 neitronu. “Pārpalikumu” izmanto, lai uzkrātu plutoniju-239. Vienā gadījumā “pārsniegums” ir 1,13, otrā - 1,60. Pēc kilograma plutonija “sadedzināšanas” “ātrā” reaktorā tiek atbrīvota enerģija 2,25 × 10 7 un uzkrājas 1,6 kg plutonija. Un urāns “ātrā” reaktorā dos tādu pašu enerģiju un 1,1 kg jaunas kodoldegvielas. Abos gadījumos ir redzama paplašināta reprodukcija. Bet mēs nedrīkstam aizmirst par ekonomiku.

Vairāku tehnisku iemeslu dēļ plutonija vairošanās cikls ilgst vairākus gadus. Teiksim, piecus gadus. Tas nozīmē, ka plutonija daudzums gadā pieaugs tikai par 2%, ja h = 2,23, un par 12%, ja h = 2,7! Kodoldegviela ir kapitāls, un jebkuram kapitālam vajadzētu dot, teiksim, 5% gadā. Pirmajā gadījumā ir lieli zaudējumi, bet otrajā - liela peļņa. Šis primitīvais piemērs ilustrē katras desmitās daļas h “svaru” kodolenerģijas problēmā.

Svarīgs ir arī kaut kas cits. Kodolenerģijai ir jāiet kopsolī ar pieaugošo enerģijas pieprasījumu. Aprēķini liecina: šis nosacījums turpmāk izpildās tikai tad, kad h tuvojas trim. Ja kodolenerģijas avotu attīstība atpaliek no sabiedrības enerģijas vajadzībām, tad paliks divas iespējas: vai nu “palēnināt progresu”, vai paņemt enerģiju no kādiem citiem avotiem.

Un te būtu nepieciešams kliedēt maldīgo priekšstatu, ko zināmā mērā rada populārzinātniskā literatūra.

Antiode pret kodolsintēzi

Ir zināms, ka grams vielas, kas reaģējusi hipotētiskā kodoltermiskā reaktorā, dos vairākas reizes lielāku enerģiju nekā šodien īstā kodolreaktorā sašķeltā plutonija grams. Vēl vairāk enerģijas izdalīsies grama elektronu un pozitronu mijiedarbības laikā. Tomēr elektronu-pozitronu spēkstacijas pašlaik “būvē” tikai zinātniskās fantastikas rakstnieki. Bet par kodolenerģijas ierīcēm dažreiz tiek runāts kā par gandrīz pabeigtu darījumu. Patiešām, kad fiziķiem bija maz izpratnes par to, kas notiek plazmā, šķita, ka tiks izveidots kontrolēts kodoltermiskās enerģijas avots. Turklāt katru dienu mūsu acu priekšā ir lielisks darbojoša kodoltermiskā reaktora piemērs - Saule. Intensīvie plazmas pētījumi ir devuši lielu ieskatu par procesiem, kas notiek vielā, kas nonākusi ceturtajā stāvoklī. Viens no šī darba rezultātiem bija skaidra izpratne par to, ka radīt mākslīgu mūsu zvaigznes versiju nav tik vienkārši, kā šķita. Šodien pat reāls veids, kā atrisināt šo problēmu, vēl nav ieskicēts. Jebkurā gadījumā cerības uz kodoltermiskās enerģijas tuvu attīstību ir zudušas. Protams, pienāks laiks, kad kļūs pieejama gaismas kodolu enerģija. Bet kā un kad tas tiks darīts? Uz šo jautājumu vēl nevar atbildēt.

Apkopojiet. Smago kodolu enerģija ir realitāte, tās attīstībai traucē tikai tehniskas grūtības, un šajā virzienā ir izdarīts ļoti daudz. Kodoltermiskā kodolsintēze enerģijas nolūkos joprojām ir fundamentāli neatrisināta problēma. No tā izriet secinājums: plutonijam kā galvenajam nākotnes enerģētiskajam materiālam vēl nav nopietnu konkurentu urāna rezervēs paslēptie energoresursi pagaidām ir vienīgais kodolenerģijas avots, ko cilvēce mūsdienās var reāli apgūt. Šo resursu atslēga ir elementa Nr.94 izotops ar masas numuru 239.

Ekstrakcija

Kad kodolreakciju rezultātā urānā ir uzkrājies nepieciešamais plutonija daudzums, tas ir jāatdala ne tikai no paša urāna, bet arī no kodola ķēdes reakcijā sadedzinātiem skaldīšanas fragmentiem - gan urāna, gan plutonija. Turklāt urāna-plutonija masā ir arī noteikts daudzums neptūnija. Visgrūtāk atdalīt plutoniju no neptūnija un retzemju elementiem (lantanīdiem). Plutonijam kā ķīmiskajam elementam zināmā mērā nav veicies. No ķīmiķa viedokļa kodolenerģijas galvenais elements ir tikai viens no četrpadsmit aktinīdiem. Tāpat kā retzemju elementi, visi aktīnija sērijas elementi ķīmisko īpašību ziņā ir ļoti līdzīgi visu elementu atomu ārējo elektronu apvalku struktūrai no aktīnija līdz 103. Vēl nepatīkamāk ir tas, ka aktinīdu ķīmiskās īpašības ir līdzīgas retzemju elementu īpašībām, un starp urāna un plutonija skaldīšanas fragmentiem ir vairāk nekā pietiekami daudz lantanīdu. Bet elements 94 var būt piecos valences stāvokļos, un tas "saldinās tableti" - tas palīdz atdalīt plutoniju gan no urāna, gan no skaldīšanas fragmentiem.

Plutonija valence svārstās no trīs līdz septiņām. Ķīmiski visstabilākie (un līdz ar to visizplatītākie un visvairāk pētītie) savienojumi ir četrvērtīgais plutonijs.

Aktinīdu ar līdzīgām ķīmiskajām īpašībām - urāna, neptūnija un plutonija - atdalīšanas pamatā var būt to tetra- un sešvērtīgo savienojumu īpašību atšķirības. Pirmkārt, urāna stieņus izšķīdina slāpekļskābē. Slāpekļskābe ir spēcīgs oksidētājs, kad tiek izšķīdināts un oksidēts urāns, plutonijs un piemaisījumi. Nulles vērtības plutonija atomi tiek pārvērsti Pu 6+ jonos. Plutonijs izšķīst kopā ar urānu. No šī šķīduma to reducē līdz trīsvērtīgajam stāvoklim ar sēra dioksīdu un pēc tam izgulsnē ar lantāna fluorīdu. Papildus plutonijam nogulumos ir neptūnijs un retzemju elementi. Bet lielākā daļa vielas, urāns, paliek šķīdumā un tiek atdalīta no plutonija.

Iegūtās nogulsnes atkal izšķīdina un neptūniju oksidē līdz četrvērtīgam stāvoklim ar kālija bromātu. Šis reaģents neietekmē plutoniju, un sekundārās izgulsnēšanas laikā ar to pašu LaF 3 trīsvērtīgais plutonijs pāriet nogulsnēs, un neptūnijs paliek šķīdumā.

Lai atdalītu ziedošanas fragmentus, plutoniju atkal oksidē līdz heksavadentam un atkal pievieno lantāna fluorīdu. Tagad retzemju elementi nogulsnējas, un plutonijs paliek šķīdumā...

No daudzajām pašlaik zināmajām plutonija izolēšanas metodēm ir jāpiemin plutonija ekstrakcija ar organiskiem šķīdinātājiem un plutonija izolēšana uz jonu apmaiņas kolonnām. Šīs metodes šķiet daudzsološākās ķīmiķiem, kas strādā ar plutoniju.

Metāls

Tagad beidzot par metālu. Plutonija savienojumu izdalīšana no šķīduma nav grūts uzdevums. Ir desmitiem veidu, kā to izdarīt. Pēc tam iegūtie plutonija savienojumi tiek pārvērsti ķīmiski tīrā PuF 4 tetrafluorīdā, kas tiek reducēts ar bārija tvaikiem 1200 ° C temperatūrā. Tādā veidā tiek iegūts tīrs plutonijs. Bet tas vēl nav strukturāls materiāls: no tā nevar izgatavot kodolreaktoru degvielas elementus (vai pat atombumbas daļas). Kāpēc? Vismaz jums ir nepieciešams “tukšs” - lējums. Plutonija izstrādājumu ražošanā galvenokārt izmanto liešanas metodi. Metāliskā plutonija kušanas temperatūra - 640 ° C - ir diezgan sasniedzama, bet...

Pēc izkausētā plutonija ieliešanas no tīģeļa vēlamajā veidnē viņi sāk to atdzesēt līdz istabas temperatūrai - sacietēšanas procesā lējumā noteikti parādīsies plaisas. Varbūt dzesēšana notiek pārāk ātri? Neatkarīgi no tā, kā tika mainīti režīmi, lējums vienmēr tika iznīcināts. Tas nozīmē, ka problēma nav temperatūras režīmā. Kas tad notiek?

Šķidrā metālā atomi pārvietojas nejauši. Temperatūrai pazeminoties, metālam sākot sacietēt, atomi jau vibrē ap centriem, kas atrodas stingri noteiktā secībā, piemēram, kubu, tetraedru u.c. virsotnēs atkarībā no konkrētā metāla kristāliskās struktūras.

Kristālos atomi parasti ir iepakoti blīvāk nekā šķidrumos. Lielākajai daļai vielu, izņemot ledu, apdrukas sakausējumu un dažas citas, sacietējot, samazinās apjoms - palielinās to blīvums.

Plutonijs sāk sacietēt 640 ° C temperatūrā, un tā atomi veido kristāla režģi kubu veidā. Pazeminoties temperatūrai, metāla blīvums pakāpeniski palielinās. Bet tad temperatūra sasniedza 480°C, un tad pēkšņi plutonija blīvums strauji pazeminās. Šīs anomālijas cēloņi tika atklāti diezgan ātri: šajā temperatūrā plutonija atomi tiek pārkārtoti kristāla režģī. Tas kļūst tetragonāls un ļoti “vaļīgs”. Šāds plutonijs var peldēt savā kausējumā, piemēram, ledus uz ūdens.

Temperatūra turpina kristies, tagad tā ir sasniegusi 451 ° C, un atomi atkal izveidoja kubisku režģi, bet atrodas lielākā attālumā viens no otra nekā pirmajā gadījumā. Ar turpmāku dzesēšanu režģis vispirms kļūst ortorombisks, pēc tam monoklīnisks. Kopumā plutonijs veido sešas dažādas kristāliskas formas. Divas no tām izceļas ar ievērojamu īpašību - negatīvu termiskās izplešanās koeficientu: paaugstinoties temperatūrai, metāls nevis izplešas, bet saraujas. Pilnīgi neparasta uzvedība!

Kad temperatūra sasniedz 122°C un plutonija atomi sesto reizi pārkārto savas rindas, blīvums mainās īpaši krasi - no 17,77 līdz 19,82 g/cm 3 . Vairāk nekā 10%! Attiecīgi lietņa tilpums samazinās. Ja metāls joprojām spēj izturēt spriegumus, kas radās citās pārejās, tad šobrīd iznīcināšana ir neizbēgama.

Kā tad izgatavot detaļu no šī apbrīnojamā metāla? Metalurgi sakausē plutoniju (pievienojot tam nelielu daudzumu nepieciešamo elementu) un iegūst lējumus bez nevienas plaisas. Tos izmanto, lai ražotu plutonija lādiņus kodolbumbām. Lādiņa svars (to galvenokārt nosaka izotopa kritiskā masa) ir 5-6 kilogrami. Tas varētu viegli iekļauties kubā, kura malas izmērs ir 10 centimetri.

Smagie izotopi

Plutonijs-239 nelielā daudzumā satur arī augstākus šī elementa izotopus - ar masas skaitļiem 240 un 241. Izotops 240 Pu ir praktiski nederīgs - tas ir balasts plutonijā. No 241 iegūst amerīciju - elementu Nr.95. Tīrā veidā, bez citu izotopu piejaukšanas, plutoniju-240 un plutoniju-241 var iegūt, elektromagnētiski atdalot reaktorā uzkrāto plutoniju. Pirms tam plutoniju papildus apstaro ar neitronu plūsmām ar stingri noteiktām īpašībām. Protams, tas viss ir ļoti sarežģīti, jo īpaši tāpēc, ka plutonijs ir ne tikai radioaktīvs, bet arī ļoti toksisks. Darbs ar to prasa īpašu piesardzību.

Vienu no interesantākajiem plutonija izotopiem 242 Pu var iegūt, ilgstoši apstarojot 239 Pu neitronu plūsmās. 242 Pu ļoti reti uztver neitronus un tāpēc “izdeg” reaktorā lēnāk nekā citi izotopi; tas saglabājas pat pēc tam, kad atlikušie plutonija izotopi ir gandrīz pilnībā pārvērtušies par fragmentiem vai pārvērtušies par plutoniju-242.

Plutonijs-242 ir svarīgs kā “izejviela” relatīvi ātrai augstāku transurāna elementu uzkrāšanai kodolreaktoros. Ja plutoniju-239 apstaro parastā reaktorā, tad būs nepieciešami aptuveni 20 gadi, lai no gramiem plutonija uzkrātu mikrogramu daudzumu, piemēram, Kalifornijas-251.

Augstāku izotopu uzkrāšanās laiku iespējams samazināt, palielinot neitronu plūsmas intensitāti reaktorā. To viņi dara, bet tad jūs nevarat apstarot lielu daudzumu plutonija-239. Galu galā šis izotops ir sadalīts ar neitroniem, un intensīvās plūsmās tiek atbrīvots pārāk daudz enerģijas. Papildu grūtības rodas ar tvertnes un reaktora dzesēšanu. Lai izvairītos no šīm grūtībām, būtu nepieciešams samazināt apstarotā plutonija daudzumu. Līdz ar to kalifornija raža atkal kļūtu niecīga. Apburtais loks!

Plutonijs-242 nav skaldāms ar termiskiem neitroniem , un lielos daudzumos var apstarot intensīvās neitronu plūsmās... Tāpēc reaktoros no šī izotopa tiek “izgatavoti” visi elementi no kalifornija līdz einšteinijam un uzkrāti svara daudzumos.

Nevis smagākais, bet visilgāk nodzīvojis

Katru reizi, kad zinātniekiem izdevās iegūt jaunu plutonija izotopu, tika mērīts tā kodolu pussabrukšanas periods. Smago radioaktīvo kodolu izotopu pussabrukšanas periodi ar pāra masas skaitļiem regulāri mainās. (To nevar teikt par nepāra izotopiem.)

Apskatiet grafiku, kas parāda plutonija pāra izotopu pussabrukšanas perioda atkarību no masas skaitļa. Palielinoties masai, palielinās arī izotopa “dzīves ilgums”. Pirms vairākiem gadiem šī grafika augstākais punkts bija plutonijs-242. Un kā tad ies šī līkne – ar tālāku masas skaita pieaugumu? Uz 1. punktu, kas atbilst 30 miljonu gadu mūžam, vai uz 2. punktu, kas atbilst 300 miljoniem gadu? Atbilde uz šo jautājumu bija ļoti svarīga ģeozinātnēm. Pirmajā gadījumā, ja pirms pieciem miljardiem gadu Zeme pilnībā sastāvēja no 244 Pu, tagad visā tās masā uz Zemes paliktu tikai viens plutonija-244 atoms. Ja otrais pieņēmums ir patiess, tad plutonijs-244 uz Zemes var atrasties tādā koncentrācijā, kādu jau varētu noteikt. Ja mums palaimētos atrast šo izotopu Zemē, zinātne saņemtu visvērtīgāko informāciju par procesiem, kas notika mūsu planētas veidošanās laikā.

Pirms dažiem gadiem zinātnieki saskārās ar jautājumu: vai ir vērts mēģināt atrast smago plutoniju uz Zemes? Lai uz to atbildētu, vispirms bija jānosaka plutonija-244 pussabrukšanas periods. Teorētiķi nevarēja aprēķināt šo vērtību ar nepieciešamo precizitāti. Visas cerības bija tikai eksperimentam.

Plutonijs-244 uzkrāts kodolreaktorā. Elements Nr. 95, amerīcijs (izotops 243 Am), tika apstarots. Satverot neitronu, šis izotops pārvērtās par amerīciju-244; americijs vienā no desmit tūkstošiem gadījumu pārvērtās par plutoniju-244.

Plutonija-244 preparāts tika izolēts no amerīcija un kūrija maisījuma. Paraugs svēra tikai dažas miljondaļas grama. Bet ar tiem bija pietiekami, lai noteiktu šī interesantā izotopa pussabrukšanas periodu. Izrādījās, ka tas ir vienāds ar 75 miljoniem gadu. Plutonijs-244 nedaudz atpalika, lai paliktu uz Zemes, jo elementi tika sintezēti koncentrācijās, kuras joprojām var noteikt.

Zinātnieki ir veikuši daudzus mēģinājumus atrast transurāna elementa izotopu, kas dzīvo ilgāk par 244 Pu. Bet visi mēģinājumi palika veltīgi. Savulaik cerības tika liktas uz kūriju-247, taču pēc šī izotopa uzkrāšanās reaktorā izrādījās, ka tā pussabrukšanas periods ir tikai 14 miljoni gadu. Plutonija-244 rekordu pārspēt neizdevās - tas ir visilgāk dzīvojošais no visiem transurāna elementu izotopiem.

Pat smagākos plutonija izotopos notiek beta sabrukšana, un to dzīves ilgums svārstās no dažām dienām līdz dažām sekundes desmitdaļām. Mēs noteikti zinām, ka visi plutonija izotopi veidojas kodoltermisko sprādzienu laikā, līdz 257 Pu. Bet to dzīves ilgums ir sekundes desmitdaļas, un daudzi īslaicīgi plutonija izotopi vēl nav pētīti.

Pirmā izotopa iespējas

Un visbeidzot - par plutoniju-238 - pašu pirmo no “cilvēka radītajiem” plutonija izotopiem, izotopu, kas sākumā šķita neperspektīvs. Tas patiesībā ir ļoti interesants izotops. Tas ir pakļauts alfa sabrukšanai, tas ir, tā kodoli spontāni izdala alfa daļiņas - hēlija kodolus. Alfa daļiņas, ko rada plutonija kodoli, nes lielu enerģiju; izkliedēta matērijā, šī enerģija pārvēršas siltumā. Cik liela ir šī enerģija? Viena plutonija-238 atoma kodola sabrukšanas rezultātā tiek atbrīvoti seši miljoni elektronvoltu. Ķīmiskajā reakcijā tāda pati enerģija tiek atbrīvota, kad tiek oksidēti vairāki miljoni atomu. Elektrības avots, kas satur vienu kilogramu plutonija-238, attīsta 560 vatu siltuma jaudu. Tāda paša svara ķīmiskā strāvas avota maksimālā jauda ir 5 vati.

Ir daudz emitentu ar līdzīgām enerģijas īpašībām, taču viena plutonija-238 iezīme padara šo izotopu neaizstājamu. Alfa sabrukšanu parasti pavada spēcīgs gamma starojums, kas iekļūst cauri lieliem matērijas slāņiem. 238 Pu ir izņēmums. Gamma staru enerģija, kas pavada tā kodolu sabrukšanu, ir zema, un pret to nav grūti aizsargāties: starojumu absorbē plānsienu trauks. Arī šī izotopa kodolu spontānas sadalīšanās iespējamība ir zema. Tāpēc tas ir atradis pielietojumu ne tikai pašreizējos avotos, bet arī medicīnā. Baterijas, kas satur plutoniju-238, kalpo kā enerģijas avots īpašos sirds stimulatoros. Ir izveidots mākslīgās sirds projekts ar izotopu avotu. Visām šīm vajadzībām nākamajos trīs līdz četros gados būs vajadzīgas vairākas tonnas “vieglā” plutonija.

Taču 238 Pu nav vieglākais zināmais elementa Nr. 94 izotops. Ir iegūti plutonija izotopi ar masas skaitļiem no 232 līdz 237. Vieglākā izotopa pussabrukšanas periods ir 36 minūtes.

Plutonijs ir liela tēma. Es gribēju jums pastāstīt vissvarīgāko no vissvarīgākajām lietām. Galu galā tas jau ir kļuvis par standarta frāzi, ka plutonija ķīmija ir pētīta daudz labāk nekā tādu “veco” elementu kā dzelzs ķīmija. Par plutonija kodolīpašībām ir uzrakstītas veselas grāmatas. Plutonija metalurģija ir vēl viena pārsteidzoša cilvēces zināšanu nozare... Tāpēc nevajadzētu domāt, ka pēc šī stāsta izlasīšanas jūs patiesi uzzinājāt plutoniju - nozīmīgāko 20. gadsimta metālu.

(Pu) ir sudrabaini balts aktinīdu grupas radioaktīvs metāls, uz tausti silts (sakarā ar radioaktivitāti. Dabā ļoti mazos daudzumos sastopams urāna piķos un citās urāna un cērija rūdās, ievērojams daudzums tiek ražots mākslīgi. Apmēram 5 tonnas kodolizmēģinājumu rezultātā atmosfērā nonāca plutonijs.
Stāsts
To 1940. gadā atklāja Glens Sīborgs, Edvins Makmilans, Kenedijs un Arturs Vāls 1940. gadā Bērklijā (ASV), bombardējot urāna mērķi ar ciklotronā paātrinātiem deuteroniem.
vārda izcelsme
Plutonijs tika nosaukts planētas Plutona vārdā, jo iepriekš atklātais ķīmiskais elements tika saukts par Neptūniju.
Kvīts
Plutoniju ražo kodolreaktoros.
Izotops 238 U, kas veido lielāko daļu dabiskā urāna, nav īpaši piemērots skaldīšanai. Kodolreaktoriem urāns ir nedaudz bagātināts, bet 235 U daļa kodoldegvielā joprojām ir neliela (apmēram 5%). Galvenā daļa degvielas stieņos ir 238 U. Kodolreaktora darbības laikā daļa no 238 U kodoliem uztver neitronus un pārvēršas par 239 Pu, ko vēlāk var izolēt.

Ir diezgan grūti izdalīt plutoniju starp kodolreakciju produktiem, jo ​​plutonijs (tāpat kā urāns, torijs, neptūnijs) pieder aktinīdiem, kuriem ķīmiskās īpašības ir ļoti līdzīgas. Uzdevumu sarežģī fakts, ka starp sabrukšanas produktiem bija retzemju elementi, kuru ķīmiskās īpašības arī ir līdzīgas plutonijam. Tiek izmantotas tradicionālās radioķīmiskās metodes - izgulsnēšana, ekstrakcija, jonu apmaiņa u.c. Šīs daudzpakāpju tehnoloģijas galaprodukts ir plutonija oksīdi PuO 2 jeb fluorīdi (PuF 3, PuF 4).
Plutoniju ekstrahē, izmantojot metalotermijas metodi (aktīvo metālu reducēšana no oksīdiem un sāļiem vakuumā):

PuF 4 +2 Ba = 2BaF 2 + Pu

Izotopi
Ir zināmi vairāk nekā desmiti plutonija izotopu, un tie visi ir radioaktīvi.
Vissvarīgākais izotops 239 Pu, spēj veikt kodola skaldīšanu un kodola ķēdes reakcijas. Tas ir vienīgais izotops, kas piemērots izmantošanai kodolieročos. Tam ir labāki neitronu absorbcijas un izkliedes raksturlielumi nekā urānam-235, neitronu skaits skaldīšanās laikā (apmēram 3 pret 2,3) un attiecīgi mazāka kritiskā masa. Tā pussabrukšanas periods ir aptuveni 24 tūkstoši gadu. Citi plutonija izotopi tiek aplūkoti galvenokārt no to kaitīguma viedokļa primārai (ieroču) lietošanai.
Izotops 238 Pu ir spēcīga alfa radioaktivitāte un līdz ar to ievērojama siltuma ražošana (567 W/kg). Tas ir problemātiski izmantošanai kodolieročos, taču to var izmantot kodolbaterijās. Gandrīz visos kosmosa kuģos, kas ir lidojuši ārpus Marsa orbītas, ir radioizotopu reaktori, kas izmanto 238 Pu. Reaktora plutonijā šī izotopa īpatsvars ir ļoti mazs.
Izotops 240 Pu ir galvenais ieroču kvalitātes plutonija piesārņotājs. Tam ir augsts spontānas sabrukšanas ātrums un tas rada augstu neitronu fonu, kas ievērojami sarežģī kodollādiņu detonāciju. Tiek uzskatīts, ka tā daļai ieročos nevajadzētu pārsniegt 7%.
241 Pu ir zems neitronu fons un mērena termiskā emisija. Tā daļa ir nedaudz mazāka par 1% un neietekmē ieroču kvalitātes plutonija īpašības. Tomēr ar savu pussabrukšanas periodu 1914 pārvēršas par amerīciju-241, kas rada daudz siltuma, kas var radīt problēmas ar lādiņu pārkaršanu.
242 Pu ir ļoti mazs neitronu uztveršanas reakcijas šķērsgriezums un uzkrājas kodolreaktoros, lai gan ļoti mazos daudzumos (mazāk nekā 0,1%). Tas neietekmē ieroču kvalitātes plutonija īpašības. To galvenokārt izmanto tālākām kodolreakcijām transplutonija elementu sintēzē: termiskie neitroni neizraisa kodola skaldīšanu, tāpēc jebkuru šī izotopa daudzumu var apstarot ar spēcīgām neitronu plūsmām.
Citi plutonija izotopi ir ārkārtīgi reti, un tiem nav ietekmes uz kodolieroču ražošanu. Smagie izotopi veidojas ļoti mazos daudzumos, tiem ir īss kalpošanas laiks (mazāk nekā dažas dienas vai stundas), un beta sabrukšanas rezultātā tie tiek pārveidoti par attiecīgajiem amerīcija izotopiem. Starp tiem izceļas 244 Pu– tā pussabrukšanas periods ir aptuveni 82 miljoni gadu. Tas ir visvairāk izotops no visiem transurāna elementiem.
Pieteikums
1995. gada beigās pasaulē bija saražotas aptuveni 1270 tonnas plutonija, no kurām 257 tonnas bija paredzētas militārām vajadzībām, kurām ir piemērots tikai 239 Pu izotops. Kodolreaktoros kā degvielu ir iespējams izmantot 239 Pu, taču tas ekonomiskā ziņā ir zemāks par urānu. Kodoldegvielas pārstrādes izmaksas, lai iegūtu plutoniju, ir daudz lielākas nekā mazbagātināta (~5% 235 U) urāna izmaksas. Tikai Japānai ir programma plutonija enerģijas izmantošanai.
Allotropās modifikācijas
Cietā veidā plutonijam ir septiņas allotropās modifikācijas (tomēr fāzes α un α 1 dažreiz tiek apvienotas un uzskatītas par vienu fāzi). Istabas temperatūrā plutonijs ir kristāliska struktūra, ko sauc ?-fāze. Atomi ir savienoti ar kovalento saiti (metāla saites vietā), tāpēc fizikālās īpašības ir tuvākas minerāliem nekā metāliem. Tas ir ciets, trausls materiāls, kas plīst noteiktos virzienos. Tam ir zema siltumvadītspēja starp visiem metāliem, zema elektrovadītspēja, izņemot mangānu. α-fāzi nevar apstrādāt, izmantojot parastās metāla tehnoloģijas.
Mainoties temperatūrai, plutonijs tiek pārstrukturēts un piedzīvo ārkārtīgi spēcīgas izmaiņas. Dažas pārejas starp fāzēm pavada vienkārši pārsteidzošas skaļuma izmaiņas. Divās no šīm fāzēm (? un?1) plutonijam ir unikāla īpašība - negatīvs temperatūras izplešanās koeficients, t.i. tas saraujas, palielinoties temperatūrai.
Gamma un delta fāzēs plutonijs uzrāda parastās metālu īpašības, jo īpaši kaļamību. Tomēr delta fāzē plutonijs uzrāda nestabilitāti. Zem neliela spiediena tas mēģina nosēsties blīvā (25%) alfa fāzē. Šo īpašību izmanto kodolieroču sabrukšanas ierīcēs.
Tīrā plutonijā pie spiediena virs 1 kilobāra delta fāze vispār nepastāv. Spiedienā virs 30 kilobāriem pastāv tikai alfa un beta fāzes.
Plutonija metalurģija
Plutoniju var stabilizēt delta fāzē normālā spiedienā un istabas temperatūrā, veidojot sakausējumu ar trīsvērtīgiem metāliem, piemēram, galliju, alumīniju, cēriju, indiju vairāku molprocentu koncentrācijā. Tieši šādā formā plutoniju izmanto kodolieročos.
Apbruņots plutonijs
Lai ražotu kodolieročus, ir jāsasniedz vēlamā izotopa (235 U vai 239 Pu) tīrība vairāk nekā 90%. Lai izveidotu lādiņus no urāna, ir nepieciešami daudzi bagātināšanas posmi (jo 235 U īpatsvars dabiskajā urānā ir mazāks par 1%), savukārt 239 Pu īpatsvars reaktora plutonijā parasti ir no 50% līdz 80% (t.i., gandrīz 100 reizes vairāk). Un dažos reaktora darbības režīmos ir iespējams iegūt plutoniju, kas satur vairāk nekā 90% 239 Pu - šāds plutonijs nav jābagātina, un to var tieši izmantot kodolieroču ražošanai.
Bioloģiskā loma
Plutonijs ir viena no toksiskākajām zināmajām vielām. Plutonija toksicitāti nosaka ne tik daudz tā ķīmiskās īpašības (lai gan plutonijs, iespējams, ir tikpat toksisks kā jebkurš smagais metāls), bet gan tā alfa radioaktivitāte. Alfa daļiņas saglabā pat plāni materiālu vai audumu slāņi. Teiksim, daži milimetri ādas pilnībā absorbēs to plūsmu, aizsargājot iekšējos orgānus. Bet alfa daļiņas ir ārkārtīgi kaitīgas audiem, ar kuriem tās nonāk saskarē. Tātad plutonijs rada nopietnas briesmas, ja tas nonāk organismā. Tas ļoti slikti uzsūcas kuņģa-zarnu traktā, pat ja tas tur nokļūst šķīstošā veidā. Bet pusgrama plutonija uzņemšana var izraisīt nāvi dažu nedēļu laikā akūtas gremošanas trakta apstarošanas dēļ.
Desmitās daļas grama plutonija putekļu ieelpošana izraisa nāvi no plaušu tūskas desmit dienu laikā. 20 mg devas ieelpošana izraisa nāvi no fibrozes mēneša laikā. Mazākas devas izraisa kancerogēnu efektu. 1 mikrograma plutonija uzņemšana palielina plaušu vēža iespējamību par 1%. Tāpēc 100 mikrogrami plutonija organismā gandrīz garantē vēža attīstību (desmit gadu laikā, lai gan audu bojājumi var rasties agrāk).
Bioloģiskās sistēmās plutonijs parasti ir +4 oksidācijas stāvoklī un uzrāda līdzību ar dzelzi. Nokļūstot asinīs, tas, visticamāk, koncentrēsies audos, kas satur dzelzi: kaulu smadzenēs, aknās, liesā. Ja kaulu smadzenēs nogulsnējas kaut 1-2 mikrogrami plutonija, imunitāte būtiski pasliktināsies. Plutonija izvadīšanas periods no kaulaudiem ir 80-100 gadi, t.i. viņš tur paliks praktiski visu mūžu.
Starptautiskā radioloģiskās aizsardzības komisija ir noteikusi maksimālo ikgadējo plutonija uzņemšanu 280 nanogramu apmērā.