Plutoniul (în latină Plutoniu, notat cu simbolul Pu) este un element chimic radioactiv cu număr atomic 94 și greutate atomică 244,064. Plutoniul este un element din grupa III a sistemului periodic al lui Dmitri Ivanovici Mendeleev, aparține familiei actinidelor. Plutoniul este un metal radioactiv greu (densitate în condiții normale 19,84 g/cm³), fragil, alb-argintiu.

Plutoniul nu are izotopi stabili. Din cei o sută de izotopi posibili ai plutoniului, douăzeci și cinci au fost sintetizați. Cincisprezece dintre ele au fost studiate pentru proprietăți nucleare (numerele de masă 232-246). Patru au găsit aplicații practice. Cei mai longeviv izotopi - 244Pu (timp de înjumătățire 8,26,107 ani), 242Pu (timp de înjumătățire 3,76 105 ani), 239Pu (timp de înjumătățire 2,41 104 ani), 238Pu (timp de înjumătățire 87,74 ani) - și α-emițători 241Pu (timp de înjumătățire 14 ani) - emițător β. În natură, plutoniul se găsește în urme în minereurile de uraniu (239Pu); se formează din uraniu sub acțiunea neutronilor, ale căror surse sunt reacții care au loc în timpul interacțiunii particulelor α cu elementele ușoare (care fac parte din minereuri), fisiunea spontană a nucleelor ​​de uraniu și radiația cosmică.

Al nouăzeci și patrulea element a fost descoperit de un grup de oameni de știință americani - Glenn Seaborg, Kennedy, Edwin McMillan și Arthur Wahl în 1940 la Berkeley (la Universitatea din California) în timp ce bombarda o țintă de oxid de uraniu (U3O8) de nuclee de deuteriu foarte accelerate. (deuteroni) dintr-un ciclotron de șaizeci de inci. În mai 1940, proprietățile plutoniului au fost prezise de Louis Turner.

În decembrie 1940, a fost descoperit izotopul plutoniului Pu-238, cu un timp de înjumătățire de ~90 de ani, un an mai târziu - cel mai important Pu-239 cu un timp de înjumătățire de ~24.000 de ani.

Edwin Macmillan în 1948 a sugerat ca elementul chimic să fie numit plutoniu în onoarea descoperirii noii planete Pluto și prin analogie cu neptuniul, care a fost numit după descoperirea lui Neptun.

Plutoniul metalic (izotopul 239Pu) este folosit în armele nucleare și servește drept combustibil nuclear pentru reactoarele de putere care funcționează pe neutroni termici și mai ales rapid. Masa critică pentru 239Pu sub formă de metal este de 5,6 kg. Printre altele, izotopul 239Pu este materia primă pentru producerea elementelor de transplutoniu în reactoarele nucleare. Izotopul 238Pu este utilizat în sursele nucleare de dimensiuni mici de curent electric utilizate în cercetarea spațială, precum și în stimulatorii activității cardiace umane.

Plutoniul-242 este important ca „materie primă” pentru acumularea relativ rapidă a elementelor transuraniu superioare în reactoarele nucleare. Aliajele de plutoniu δ-stabilizate sunt folosite la fabricarea pilelor de combustie, deoarece au proprietăți metalurgice mai bune în comparație cu plutoniul pur, care suferă tranziții de fază atunci când este încălzit. Oxizii de plutoniu sunt folosiți ca sursă de energie pentru tehnologia spațială și sunt utilizați în barele de combustibil.

Toți compușii plutoniului sunt otrăvitori, ceea ce este o consecință a radiațiilor α. Particulele alfa reprezintă un pericol grav dacă sursa lor se află în corpul unei persoane infectate, ele dăunează țesuturilor corpului din jurul elementului. Radiația gamma de plutoniu nu este dăunătoare organismului. Merită să luăm în considerare faptul că diferiți izotopi ai plutoniului au toxicitate diferită, de exemplu, plutoniul tipic pentru reactor este de 8-10 ori mai toxic decât 239Pu pur, deoarece este dominat de nuclizii 240Pu, care este o sursă puternică de radiație alfa. Plutoniul este cel mai radiotoxic element dintre toate actinidele, cu toate acestea, este considerat departe de a fi cel mai periculos element, deoarece radiul este de aproape o mie de ori mai periculos decât cel mai otrăvitor izotop al plutoniului - 239Pu.

Proprietăți biologice

Plutoniul este concentrat de organismele marine: coeficientul de acumulare al acestui metal radioactiv (raportul dintre concentrațiile din corp și din mediul extern) pentru alge este de 1000-9000, pentru plancton - aproximativ 2300, pentru stele de mare - aproximativ 1000, pentru moluște - până la 380, pentru mușchi, oase, ficat și stomac de pește - 5, 570, 200 și, respectiv, 1060. Plantele terestre asimilează plutoniul în principal prin sistemul radicular și îl acumulează până la 0,01% din masa lor. În corpul uman, al nouăzeci și patrulea element este reținut în principal în schelet și ficat, de unde aproape că nu este excretat (în special din oase).

Plutoniul este foarte toxic, iar pericolul său chimic (ca orice alt metal greu) este mult mai slab (din punct de vedere chimic, este și otrăvitor ca plumbul.) În comparație cu toxicitatea sa radioactivă, care este o consecință a radiației alfa. Mai mult, particulele α au o putere de penetrare relativ scăzută: pentru 239Pu, intervalul de particule α în aer este de 3,7 cm, iar în țesutul biologic moale de 43 microni. Prin urmare, particulele α reprezintă un pericol grav dacă sursa lor se află în corpul bolnavului. Făcând acest lucru, ele dăunează țesuturilor înconjurătoare ale corpului.

În același timp, razele γ și neutronii, pe care le emite și plutoniul și care sunt capabili să pătrundă în organism din exterior, nu sunt foarte periculoși, deoarece nivelul lor este prea scăzut pentru a dăuna sănătății. Plutoniul aparține grupului de elemente cu radiotoxicitate deosebit de ridicată. În același timp, diferiți izotopi ai plutoniului au toxicitate diferită, de exemplu, plutoniul tipic pentru reactor este de 8-10 ori mai toxic decât 239Pu pur, deoarece este dominat de nuclizii 240Pu, care este o sursă puternică de radiație alfa.

Atunci când este luat în apă și alimente, plutoniul este mai puțin toxic decât substanțe precum cofeina, anumite vitamine, pseudoefedrina și multe plante și ciuperci. Acest lucru se datorează faptului că acest element este slab absorbit de tractul gastrointestinal, chiar și atunci când este luat sub formă de sare solubilă, tocmai această sare este legată de conținutul stomacului și intestinelor. Cu toate acestea, ingestia a 0,5 grame de plutoniu fin divizat sau dizolvat poate duce la moarte prin iradiere digestivă acută în zile sau săptămâni (pentru cianura, această valoare este de 0,1 grame).

Din punct de vedere al inhalării, plutoniul este o toxină obișnuită (corespunde aproximativ vaporilor de mercur). Când este inhalat, plutoniul este cancerigen și poate provoca cancer pulmonar. Deci, atunci când o sută de miligrame de plutoniu sunt inhalate sub formă de particule de dimensiune optimă pentru reținerea în plămâni (1-3 microni), aceasta duce la moartea edemului pulmonar în 1-10 zile. O doză de douăzeci de miligrame duce la deces din cauza fibrozei în aproximativ o lună. Dozele mai mici conduc la intoxicații cronice cancerigene. Riscul de inhalare a plutoniului în organism este crescut datorită faptului că plutoniul tinde să formeze aerosoli.

În ciuda faptului că este un metal, este foarte volatil. O scurtă ședere a metalului în cameră crește semnificativ concentrația acestuia în aer. Odată ajuns în plămâni, plutoniul se așează parțial pe suprafața plămânilor, trece parțial în sânge și apoi în limfă și măduva osoasă. Majoritatea (aproximativ 60%) merg la țesutul osos, 30% la ficat și doar 10% se excretă în mod natural. Cantitatea de plutoniu ingerată depinde de dimensiunea particulelor de aerosoli și de solubilitatea în sânge.

Plutoniul care pătrunde într-un fel sau altul în corpul uman este similar în proprietăți cu fierul feric, prin urmare, atunci când intră în sistemul circulator, plutoniul începe să se concentreze în țesuturile care conțin fier: măduva osoasă, ficat, splină. Organismul percepe plutoniul ca fier, prin urmare, proteina transferină ia plutoniu în loc de fier, ceea ce oprește transferul de oxigen în organism. Microfagele dispersează plutoniul prin ganglionii limfatici. Plutoniul care a intrat în corp este îndepărtat din acesta pentru o perioadă foarte lungă de timp - peste 50 de ani, doar 80% vor fi îndepărtați din corp. Timpul de înjumătățire prin eliminare din ficat este de 40 de ani. Pentru țesutul osos, timpul de înjumătățire al plutoniului este de 80-100 de ani, de fapt, concentrația celui de-al nouăzeci și patrulea element din oase este constantă.

De-a lungul celui de-al Doilea Război Mondial și după acesta, oamenii de știință care lucrau în Proiectul Manhattan, precum și oameni de știință din al Treilea Reich și din alte organizații de cercetare, au efectuat experimente folosind plutoniu pe animale și oameni. Studiile pe animale au arătat că câteva miligrame de plutoniu per kilogram de țesut reprezintă o doză letală. Utilizarea plutoniului la om a constat în faptul că bolnavii cronici li s-au injectat de obicei intramuscular 5 micrograme de plutoniu. În cele din urmă, s-a constatat că doza letală pentru un pacient este de un microgram de plutoniu și că plutoniul este mai periculos decât radiul și predispus să se acumuleze în oase.

După cum știți, plutoniul este un element care este practic absent în natură. Cu toate acestea, aproximativ cinci tone din acesta au fost eliberate în atmosferă ca urmare a testelor nucleare din perioada 1945-1963. Cantitatea totală de plutoniu eliberată în atmosferă ca urmare a testelor nucleare înainte de anii 1980 este estimată la 10 tone. Potrivit unor estimări, solul din Statele Unite ale Americii conține în medie 2 milicurii (28 mg) de plutoniu pe km2 din precipitații, iar prezența plutoniului în Oceanul Pacific este crescută în comparație cu distribuția totală a materialelor nucleare pe Pământ.

Acest din urmă fenomen este asociat cu desfășurarea testelor nucleare americane pe teritoriul Insulelor Marshall, în locul de testare din Pacific, la mijlocul anilor 1950. Timpul de rezidență al plutoniului în apele de suprafață ale oceanului este de la 6 la 21 de ani, cu toate acestea, chiar și după această perioadă, plutoniul cade la fund împreună cu particulele biogene, din care este restabilit în forme solubile ca urmare a descompunerii microbiene. .

Poluarea mondială cu elementul nouăzeci și patru este asociată nu numai cu testele nucleare, ci și cu accidentele în producție și echipamentele care interacționează cu acest element. Așadar, în ianuarie 1968, un B-52 al forțelor aeriene americane care transporta patru focoase nucleare s-a prăbușit în Groenlanda. Ca urmare a exploziei, încărcăturile au fost distruse și plutoniul s-a scurs în ocean.

Un alt caz de contaminare radioactivă a mediului ca urmare a unui accident a avut loc cu nava spațială sovietică Kosmos-954 la 24 ianuarie 1978. Ca urmare a unei dezorbite necontrolate, un satelit cu o sursă de energie nucleară la bord a căzut pe teritoriul canadian. Accidentul a eliberat mai mult de un kilogram de plutoniu-238 în mediu, extinzându-se pe o suprafață de aproximativ 124.000 m².

Cel mai teribil exemplu de eliberare accidentală de substanțe radioactive în mediu este accidentul de la centrala nucleară de la Cernobîl, care a avut loc la 26 aprilie 1986. Ca urmare a distrugerii celei de-a patra unități de putere, 190 de tone de substanțe radioactive (inclusiv izotopi de plutoniu) au fost eliberate în mediu pe o suprafață de aproximativ 2200 km².

Eliberarea de plutoniu în mediu este asociată nu numai cu accidente provocate de om. Sunt cunoscute cazuri de scurgeri de plutoniu, atât din condiții de laborator, cât și din fabrică. Sunt cunoscute peste douăzeci de scurgeri accidentale de la laboratoarele 235U și 239Pu. În perioada 1953-1978. cazurile de urgență au dus la o pierdere de 0,81 (Mayak, 15 martie 1953) la 10,1 kg (Tomsk, 13 decembrie 1978) 239Pu. Incidentele de la întreprinderile industriale s-au soldat cu moartea a două persoane în orașul Los Alamos (21 august 1945 și 21 mai 1946) din cauza a două accidente și pierderea a 6,2 kg de plutoniu. În orașul Sarov în 1953 și 1963. aproximativ 8 și 17,35 kg au căzut în afara reactorului nuclear. Una dintre ele a dus la distrugerea unui reactor nuclear în 1953.

Când nucleul de 238Pu este fisionat de neutroni, energie este eliberată în cantitate de 200 MeV, care este de 50 de milioane de ori mai mult decât în ​​timpul celei mai faimoase reacții exoterme: C + O2 → CO2. „Arzând” într-un reactor nuclear, un gram de plutoniu dă 2.107 kcal - aceasta este energia conținută în 4 tone de cărbune. Un degetar de combustibil plutoniu din punct de vedere al energiei poate fi echivalat cu patruzeci de vagoane încărcate de lemn de foc bun!

Se crede că „izotopul natural” al plutoniului (244Pu) este cel mai longeviv izotop dintre toate elementele transuraniului. Timpul său de înjumătățire este de 8,26∙107 ani. Oamenii de știință încearcă de multă vreme să obțină un izotop al unui element transuraniu care ar exista mai mult de 244Pu - mari speranțe în acest sens au fost puse pe 247Cm. Cu toate acestea, după sinteza sa, s-a dovedit că timpul de înjumătățire al acestui element este de numai 14 milioane de ani.

Poveste

În 1934, un grup de oameni de știință condus de Enrico Fermi a făcut o declarație conform căreia, în cursul lucrărilor științifice la Universitatea din Roma, au descoperit un element chimic cu numărul de serie 94. La insistențele lui Fermi, elementul a fost numit hesperium, Omul de știință era convins că a descoperit un nou element, care se numește acum plutoniu, făcând astfel o presupunere cu privire la existența elementelor transuraniului și devenind descoperitorul lor teoretic. Fermi a apărat această ipoteză în prelegerea sa Nobel din 1938. Abia după descoperirea fisiunii nucleare de către oamenii de știință germani Otto Frisch și Fritz Strassmann, Fermi a fost nevoit să facă o notă în versiunea tipărită, publicată la Stockholm în 1939, indicând necesitatea revizuirii „întregii probleme a elementelor transuraniului”. Cert este că lucrările lui Frisch și Strassmann au arătat că activitatea descoperită de Fermi în experimentele sale s-a datorat tocmai fisiunii, și nu descoperirii elementelor transuraniu, așa cum credea el anterior.

Cel nou, al nouăzeci și patrulea element, a fost descoperit la sfârșitul anului 1940. S-a întâmplat în Berkeley, la Universitatea din California. Când bombardează oxidul de uraniu (U3O8) cu nuclee grele de hidrogen (deuteroni), un grup de radiochimiști americani condus de Glenn T. Seaborg a descoperit un emițător de particule alfa necunoscut anterior, cu un timp de înjumătățire de 90 de ani. Acest emițător s-a dovedit a fi un izotop al elementului nr. 94 cu un număr de masă de 238. Astfel, la 14 decembrie 1940 s-au obținut primele cantități de micrograme de plutoniu, împreună cu un amestec de alte elemente și compușii acestora.

În cursul unui experiment efectuat în 1940, s-a constatat că în timpul reacției nucleare în curs de desfășurare, este obținut mai întâi izotopul de scurtă durată neptunium-238 (timp de înjumătățire 2,117 zile), iar plutoniul-238 este deja obținut din acesta:

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

Experimentele chimice lungi și laborioase pentru a separa un nou element de impurități au durat două luni. Existența unui nou element chimic a fost confirmată în noaptea de 23-24 februarie 1941 de G.T.Seaborg, E.M., cel puțin două stări de oxidare. Puțin după încheierea experimentelor, s-a constatat că acest izotop este nefisil și, prin urmare, neinteresant pentru studii ulterioare. Curând (martie 1941) Kennedy, Seaborg, Segré și Wahl au sintetizat cel mai important izotop plutoniu-239 prin iradierea uraniului cu neutroni foarte accelerați într-un ciclotron. Acest izotop este produs prin degradarea neptuniului-239, emite raze alfa și are un timp de înjumătățire de 24.000 de ani. Primul compus pur al elementului a fost obținut în 1942, iar primul plutoniu metal în greutate a fost obținut în 1943.

Denumirea noului element 94 a fost propusă în 1948 de Macmillan, care, cu câteva luni înainte de descoperirea plutoniului, împreună cu F. Aibelson, a primit primul element mai greu decât uraniul - elementul Nr. 93, care a fost numit neptunium în cinste a planetei Neptun – primul în spatele lui Uranus. Prin analogie, elementul nr. 94 a fost numit plutoniu, deoarece planeta Pluto este a doua planetă în spatele lui Uranus. La rândul său, Seaborg a sugerat numirea noului element „plutoniu”, dar apoi și-a dat seama că numele nu sună foarte bine în comparație cu „plutoniu”. În plus, a propus și alte denumiri pentru noul element: ultimium, extermium, din cauza judecății eronate de la acea vreme că plutoniul ar fi ultimul element chimic din tabelul periodic. Drept urmare, elementul a fost numit „plutoniu” în onoarea descoperirii ultimei planete din sistemul solar.

Fiind în natură

Timpul de înjumătățire al celui mai longeviv izotop al plutoniului este de 75 de milioane de ani. Cifra este foarte impresionantă, totuși, vârsta Galaxiei se măsoară în miliarde de ani. De aici rezultă că izotopii primari ai celui de-al nouăzeci și patrulea element, formați în timpul marii sinteze a elementelor Universului, nu au avut nicio șansă să supraviețuiască până în ziua de azi. Și totuși, asta nu înseamnă că nu există deloc plutoniu pe Pământ. Se formează constant în minereurile de uraniu. Prin captarea neutronilor radiațiilor cosmice și a neutronilor produși prin fisiunea spontană (spontană) a nucleelor ​​de 238U, unii - foarte puțini - atomi ai acestui izotop se transformă în atomi de 239U. Nucleele acestui element sunt foarte instabile, emit electroni și, prin urmare, își măresc sarcina, are loc formarea neptuniului, primul element transuraniu. 239Np este, de asemenea, instabil, nucleele sale emit și electroni, așa că în doar 56 de ore jumătate din 239Np se transformă în 239Pu.

Timpul de înjumătățire al acestui izotop este deja destul de lung, la 24.000 de ani. În medie, conținutul de 239Pu este de aproximativ 400.000 de ori mai mic decât cel al radiului. Prin urmare, nu doar extragerea – chiar și detectarea plutoniului „terestre” este extrem de dificilă. Cantități mici de 239Pu - o trilionime - și produse de degradare pot fi găsite în minereurile de uraniu, de exemplu, într-un reactor nuclear natural din Oklo, Gabon (Africa de Vest). Așa-numitul „reactor nuclear natural” este considerat singurul din lume în care are loc în prezent formarea actinidelor și a produselor lor de fisiune în geosferă. Conform estimărilor moderne, în această regiune a avut loc în urmă cu câteva milioane de ani o reacție de auto-susținere cu degajarea de căldură, care a durat mai bine de jumătate de milion de ani.

Așadar, știm deja că în minereurile de uraniu, ca urmare a captării neutronilor de către nucleele de uraniu, se formează neptuniu (239Np), al cărui produs al dezintegrarii β este plutoniul-239 natural. Datorită instrumentelor speciale - spectrometre de masă, prezența plutoniului-244 (244Pu), care are cel mai lung timp de înjumătățire - aproximativ 80 de milioane de ani, a fost detectată în bastnaezita precambriană (în minereul de ceriu). În natură, 244Pu apare în principal sub formă de dioxid (PuO2), care este chiar mai puțin solubil în apă decât nisipul (cuarț). Deoarece izotopul cu viață relativ lungă plutoniu-240 (240Pu) se află în lanțul de descompunere a plutoniului-244, descompunerea lui are loc, dar acest lucru se întâmplă foarte rar (1 caz la 10.000). Cantități foarte mici de plutoniu-238 (238Pu) se referă la descompunerea dublă beta foarte rară a izotopului părinte, uraniu-238, care a fost găsit în minereurile de uraniu.

Urme ale izotopilor 247Pu și 255Pu au fost găsite în praful colectat după exploziile bombelor termonucleare.

Cantități minime de plutoniu pot fi găsite ipotetic în corpul uman, având în vedere că au fost efectuate într-un fel sau altul un număr imens de teste nucleare legate de plutoniu. Plutoniul se acumulează în principal în schelet și ficat, de unde practic nu este excretat. În plus, al nouăzeci și patrulea element este acumulat de organismele marine; plantele terestre absorb plutoniul în principal prin sistemul radicular.

Se pare că plutoniul sintetizat artificial mai există în natură, așa că de ce nu este extras, ci obținut artificial? Cert este că concentrația acestui element este prea scăzută. Se spune despre un alt metal radioactiv - radiul: „într-un gram de producție - într-un an de muncă”, iar radiul în natură este de 400.000 de ori mai mult decât plutoniul! Din acest motiv, nu doar extragerea – chiar și detectarea plutoniului „terestre” este extrem de dificilă. Acest lucru s-a făcut numai după ce au fost studiate proprietățile fizice și chimice ale plutoniului obținut în reactoarele nucleare.

Aplicație

Izotopul 239Pu (împreună cu U) este folosit ca combustibil nuclear în reactoarele de putere care funcționează pe neutroni termici și rapizi (în principal), precum și în fabricarea de arme nucleare.

Aproximativ 500 de centrale nucleare din întreaga lume generează aproximativ 370 GW de energie electrică (sau 15% din producția totală de energie electrică la nivel mondial). Plutoniul-236 este folosit la fabricarea bateriilor electrice atomice, a căror durată de viață ajunge la cinci ani sau mai mult, ele sunt utilizate în generatoarele de curent care stimulează inima (stimulatoare cardiace). 238Pu este utilizat în sursele de energie nucleară mici utilizate în cercetarea spațială. Prin urmare, plutoniul-238 este sursa de energie pentru sondele New Horizons, Galileo și Cassini, roverul Curiosity și alte nave spațiale.

În armele nucleare, se folosește plutoniul-239, deoarece acest izotop este singurul nuclid potrivit pentru utilizarea într-o bombă nucleară. În plus, utilizarea mai frecventă a plutoniului-239 în bombe nucleare se datorează faptului că plutoniul ocupă un volum mai mic în sferă (unde se află miezul bombei), prin urmare, se poate câștiga în puterea explozivă a bombei datorită la această proprietate.

Schema prin care are loc o explozie nucleară care implică plutoniu se află în designul bombei în sine, al cărei miez constă dintr-o sferă umplută cu 239Pu. În momentul impactului cu solul, sfera este comprimată la un milion de atmosfere datorită structurii și datorită explozivului care înconjoară această sferă. După impact, nucleul se extinde în volum și densitate în cel mai scurt timp - zece microsecunde, ansamblul trece prin starea critică pe neutronii termici și intră în starea supercritică pe neutronii rapizi - o reacție nucleară în lanț începe cu participarea neutronilor și nucleele elementului. În explozia finală a unei bombe nucleare, se eliberează o temperatură de ordinul a zeci de milioane de grade.

Izotopii plutoniului și-au găsit aplicația în sinteza elementelor transplutoniului (urmând plutoniu). De exemplu, în Laboratorul Național Oak Ridge, iradierea pe termen lung cu neutroni cu 239Pu produce 24496Cm, 24296Cm, 24997Bk, 25298Cf, 25399Es și 257100Fm. Americiul 24195Am a fost obținut în același mod în 1944 pentru prima dată. În 2010, oxidul de plutoniu-242 bombardat cu ioni de calciu-48 a servit ca sursă de ununquadium.

Aliajele de plutoniu δ-stabilizate sunt folosite la fabricarea barelor de combustibil, deoarece au proprietăți metalurgice semnificativ mai bune în comparație cu plutoniul pur, care suferă tranziții de fază atunci când este încălzit și este un material foarte fragil și nesigur. Aliajele de plutoniu cu alte elemente (compuși intermetalici) se obțin de obicei prin interacțiunea directă a elementelor în raporturile necesare, se folosește în principal topirea cu arc, uneori aliajele instabile se obțin prin depunerea prin pulverizare sau răcirea topiturii.

Principalele elemente industriale de aliere pentru plutoniu sunt galiul, aluminiul și fierul, deși plutoniul este capabil să formeze aliaje și compuși intermediari cu majoritatea metalelor, cu rare excepții (potasiu, sodiu, litiu, rubidiu, magneziu, calciu, stronțiu, bariu, europiu și itterbiu). ). Metale refractare: molibdenul, niobiul, cromul, tantalul și wolframul sunt solubile în plutoniul lichid, dar aproape insolubile sau ușor solubile în plutoniul solid. Indiul, siliciul, zincul și zirconiul sunt capabili să formeze 5-plutoniu metastabil (faza δ") la răcirea rapidă. Galiul, aluminiul, americiul, scandiul și ceriul pot stabiliza 5-plutoniul la temperatura camerei.

Cantități mari de holmiu, hafniu și taliu fac posibilă menținerea unei cantități de δ-plutoniu la temperatura camerei. Neptuniul este singurul element care poate stabiliza α-plutoniul la temperaturi ridicate. Titanul, hafniul și zirconiul stabilizează structura β-plutoniului la temperatura camerei prin răcire rapidă. Utilizarea unor astfel de aliaje este destul de diversă. De exemplu, un aliaj plutoniu-galiu este utilizat pentru a stabiliza faza δ a plutoniului, ceea ce evită tranziția de fază α-δ. Aliajul ternar plutoniu-galiu-cobalt (PuGaCo5) este un aliaj supraconductor la 18,5 K. Există o serie de aliaje (plutoniu-zirconiu, plutoniu-ceriu și plutoniu-ceriu-cobalt) care sunt folosite ca combustibil nuclear.

Productie

Plutoniul comercial se obține în două moduri. Aceasta este fie iradierea nucleelor ​​de 238U conținute în reactoarele nucleare, fie separarea prin metode radiochimice (coprecipitare, extracție, schimb de ioni etc.) a plutoniului din uraniu, elemente transuraniu și produse de fisiune conținute în combustibilul uzat.

În primul caz, izotopul 239Pu cel mai semnificativ în practică (într-un amestec cu un mic amestec de 240Pu) este produs în reactoare nucleare cu participarea nucleelor ​​de uraniu și neutroni folosind degradarea β și cu participarea izotopilor de neptuniu ca intermediar. produs de fisiune:

23892U + 21D → 23893Np + 210n;

23893Np → 23894Pu

β--degradare

În acest proces, un deuteron intră în uraniu-238, rezultând formarea neptuniului-238 și a doi neutroni. Apoi, neptuniul-238 fisiune spontan, emițând particule beta-minus, care formează plutoniu-238.

De obicei, conținutul de 239Pu din amestec este de 90-95%, 240Pu-1-7%, conținutul de alți izotopi nu depășește zecimi de procente. Izotopii cu timpi de înjumătățire mare - 242Pu și 244Pu sunt obținuți prin iradiere prelungită cu neutroni 239Pu. În plus, randamentul de 242Pu este de câteva zeci de procente, iar 244Pu este o fracțiune de procent din conținutul de 242Pu. Cantități mici de plutoniu-238 izotopic pur se formează atunci când neptuniul-237 este iradiat cu neutroni. Izotopii ușori ai plutoniului cu numere de masă 232-237 sunt obținuți de obicei într-un ciclotron prin iradierea izotopilor de uraniu cu particule α.

A doua metodă de producție industrială a 239Pu utilizează procesul Purex bazat pe extracția cu tributil fosfat într-un diluant ușor. În primul ciclu, Pu și U sunt purificați împreună din produsele de fisiune și apoi sunt separați. În al doilea și al treilea ciclu, plutoniul este supus unei purificări și concentrări ulterioare. Schema unui astfel de proces se bazează pe diferența dintre proprietățile compușilor tetra- și hexavalenți ai elementelor care trebuie separate.

Inițial, barele de combustibil uzat sunt demontate, iar placarea care conține plutoniu și uraniu uzat este îndepărtată prin mijloace fizice și chimice. Apoi, combustibilul nuclear extras este dizolvat în acid azotic. La urma urmei, este un agent oxidant puternic atunci când este dizolvat, iar uraniul, plutoniul și impuritățile sunt oxidate. Atomii de plutoniu cu valență zero sunt transformați în Pu + 6 și atât plutoniul, cât și uraniul sunt dizolvate. Din această soluție, al nouăzeci și patrulea element este redus la starea trivalentă cu dioxid de sulf și apoi precipitat cu fluorură de lantan (LaF3).

Cu toate acestea, precipitatul, pe lângă plutoniu, conține neptuniu și elemente de pământuri rare, dar cea mai mare parte (uraniul) rămâne în soluție. Apoi, plutoniul este reoxidat la Pu + 6 și se adaugă din nou fluorură de lantan. Acum elementele din pământuri rare trec în precipitat, iar plutoniul rămâne în soluție. În continuare, neptuniul este oxidat în stare tetravalentă cu bromat de potasiu, deoarece acest reactiv nu acționează asupra plutoniului, apoi în timpul precipitării secundare cu aceeași fluorură de lantan plutoniul trivalent precipită, iar neptuniul rămâne în soluție. Produșii finali ai unor astfel de operațiuni sunt compuși cu conținut de plutoniu - dioxid de PuO2 sau fluoruri (PuF3 sau PuF4), din care (prin reducerea cu vapori de bariu, calciu sau litiu) se obține plutoniu metalic.

Se poate obține plutoniu mai pur prin rafinarea electrolitică a metalului produs pirochimic, care se realizează în celule de electroliză la o temperatură de 700 ° C cu un electrolit de clorură de potasiu, sodiu și plutoniu folosind un catod de wolfram sau tantal. Plutoniul astfel obtinut are o puritate de 99,99%.

Pentru a obține cantități mari de plutoniu se construiesc reactoare de reproducere, așa-numitele „crescători” (de la verbul englezesc to breed - a multiplica). Aceste reactoare și-au primit numele datorită capacității lor de a obține material fisionabil într-o cantitate care depășește costul acestui material pentru obținere. Diferența dintre reactoare de acest tip față de restul este că neutronii din ele nu sunt încetiniți (nu există moderator, de exemplu, grafit) pentru a reacționa cât mai mult cu 238U.

După reacție, se formează atomi de 239U, care ulterior formează 239Pu. Miezul unui astfel de reactor, care conține PuO2 în dioxid de uraniu sărăcit (UO2), este înconjurat de un înveliș de dioxid de uraniu 238 (238UO2) și mai sărăcit, în care se formează 239Pu. Utilizarea în comun a 238U și 235U permite „crescătorilor” să producă energie din uraniu natural de 50-60 de ori mai mult decât alte reactoare. Cu toate acestea, aceste reactoare au un mare dezavantaj - barele de combustibil trebuie să fie răcite cu un alt mediu decât apa, ceea ce le reduce energia. Prin urmare, s-a decis să se utilizeze sodiu lichid ca lichid de răcire.

Construcția unor astfel de reactoare în Statele Unite ale Americii a început după sfârșitul celui de-al doilea război mondial, URSS și Marea Britanie și-au început crearea abia în anii 1950.

Proprietăți fizice

Plutoniul este un metal argintiu foarte greu (densitate la n.a. 19,84 g/cm³), foarte asemănător cu nichelul în stare purificată, totuși, plutoniul se oxidează rapid în aer, se pătește, formând o peliculă irizată, mai întâi galben deschis, apoi transformându-se în violet închis. . Cu oxidare puternică, pe suprafața metalului apare o pulbere de oxid verde-măslin (PuO2).

Plutoniul este un metal foarte electronegativ și reactiv, de multe ori mai mult decât chiar uraniul. Are șapte modificări alotropice (α, β, γ, δ, δ", ε și ζ), care se modifică într-un anumit interval de temperatură și la un anumit interval de presiune. La temperatura camerei, plutoniul este în formă α - aceasta este cea mai comună modificare alotropică pentru plutoniu În faza alfa, plutoniul pur este fragil și destul de dur - această structură este la fel de dură ca fonta cenușie, cu excepția cazului în care este aliată cu alte metale pentru a face aliajul ductil și moale (doar osmiul, iridiul). , platina, reniul și neptuniul sunt mai grele decât acesta.) Transformările alotropice ulterioare ale plutoniului sunt însoțite de modificări bruște de densitate și delta-prim. Când este topit (tranziția de la faza epsilon la faza lichidă), plutoniul se contractă, de asemenea, lăsând plutoniul netopit să plutească.

Plutoniul se distinge printr-un număr mare de proprietăți neobișnuite: are cea mai scăzută conductivitate termică dintre toate metalele - la 300 K este de 6,7 W / (m K); plutoniul are cea mai scăzută conductivitate electrică; în faza sa lichidă, plutoniul este cel mai vâscos metal. Rezistivitatea celui de-al nouăzeci și patrulea element la temperatura camerei este foarte mare pentru un metal, iar această caracteristică va crește odată cu scăderea temperaturii, ceea ce nu este tipic pentru metale. O astfel de „anomalie” poate fi urmărită până la o temperatură de 100 K - sub acest marcaj, rezistența electrică va scădea. Cu toate acestea, de la marca de 20 K, rezistența începe din nou să crească din cauza activității de radiație a metalului.

Plutoniul are cea mai mare rezistivitate electrică dintre orice actinidă studiată (până în prezent), la 150 µΩ cm (la 22°C). Acest metal are un punct de topire scăzut (640°C) și un punct de fierbere neobișnuit de ridicat (3227°C). Mai aproape de punctul de topire, plutoniul lichid are o vâscozitate și o tensiune superficială foarte ridicate în comparație cu alte metale.

Datorită radioactivității, plutoniul este cald la atingere. O bucată mare de plutoniu într-o manta termică este încălzită la o temperatură care depășește punctul de fierbere al apei! În plus, datorită radioactivității sale, plutoniul suferă modificări în rețeaua sa cristalină în timp - apare un fel de recoacere din cauza autoiradierii din cauza creșterii temperaturii peste 100 K.

Prezența unui număr mare de modificări alotropice în plutoniu face ca acesta să fie un metal dificil de prelucrat și lansat din cauza tranzițiilor de fază. Știm deja că în forma alfa, al nouăzeci și patrulea element are proprietăți similare cu fonta, cu toate acestea, are proprietatea de a se schimba și de a se transforma într-un material ductil și de a forma o formă β maleabilă la intervale de temperatură mai ridicate. Plutoniul sub forma δ este de obicei stabil la temperaturi cuprinse între 310°C și 452°C, dar poate exista la temperatura camerei dacă este dopat cu procente mici de aluminiu, ceriu sau galiu. Fiind aliat cu aceste metale, plutoniul poate fi folosit la sudare. În general, forma delta are caracteristici metalice mai pronunțate - este aproape de aluminiu în ceea ce privește rezistența și capacitatea de forjare.

Proprietăți chimice

Proprietățile chimice ale celui de-al nouăzeci și patrulea element sunt în multe privințe similare cu proprietățile predecesorilor săi din sistemul periodic - uraniu și neptuniu. Plutoniul este un metal destul de activ; formează compuși cu stări de oxidare de la +2 la +7. În soluții apoase, elementul prezintă următoarele stări de oxidare: Pu (III), ca Pu3+ (există în soluții apoase acide, are o culoare violet deschis); Pu (IV), ca Pu4+ (nuanta de ciocolata); Pu (V), ca PuO2+ (soluție limpede); Pu(VI) ca PuO22+ (soluție portocalie deschis) și Pu(VII) ca PuO53- (soluție verde).

Mai mult, acești ioni (cu excepția PuO53-) pot fi în soluție simultan în echilibru, ceea ce se explică prin prezența electronilor 5f, care sunt localizați în zona localizată și delocalizată a orbitalului electronului. La pH 5-8 domină Pu (IV), care este cea mai stabilă dintre celelalte valențe (stări de oxidare). Ionii de plutoniu din toate stările de oxidare sunt predispuși la hidroliză și la formarea complexului. Capacitatea de a forma astfel de compuși crește în seria Pu5+

Plutoniul compact se oxidează lent în aer, devenind acoperit cu o peliculă uleioasă irizată de oxid. Sunt cunoscuți următorii oxizi de plutoniu: PuO, Pu2O3, PuO2 și faza de compoziție variabilă Pu2O3 - Pu4O7 (berthollide). În prezența unei cantități mici de umiditate, rata de oxidare și coroziune crește semnificativ. Dacă metalul este expus la cantități mici de aer umed timp suficient de lung, la suprafața sa se formează dioxid de plutoniu (PuO2). Cu o lipsă de oxigen, se poate forma și dihidrura sa (PuH2). În mod surprinzător, plutoniul ruginește mult mai repede într-un gaz inert (de exemplu, argon) cu vapori de apă decât în ​​aer uscat sau oxigen pur. De fapt, acest fapt este ușor de explicat - acțiunea directă a oxigenului formează un strat de oxid pe suprafața plutoniului, care previne oxidarea ulterioară, prezența umidității produce un amestec liber de oxid și hidrură. Apropo, datorită tocmai unei astfel de acoperiri, metalul devine piroforic, adică este capabil de ardere spontană, din acest motiv, plutoniul metalic, de regulă, este procesat într-o atmosferă inertă de argon sau azot. În același timp, oxigenul este o substanță protectoare și împiedică umiditatea să afecteze metalul.

Al nouăzeci și patrulea element reacționează cu acizii, oxigenul și vaporii acestora, dar nu și cu alcalii. Plutoniul este foarte solubil numai în medii foarte acide (de exemplu, acid clorhidric HCI) și, de asemenea, se dizolvă în acid clorhidric, iodură de hidrogen, bromură de hidrogen, acid percloric 72%, acid fosforic 85% H3PO4, CCl3COOH concentrat, acid sulfamic și concentrat la fierbere. acid azotic. Plutoniul nu se dizolvă vizibil în soluții alcaline.

Când alcalii acționează asupra soluțiilor care conțin plutoniu tetravalent, un precipitat de hidroxid de plutoniu Pu(OH)4 xH2O, care are proprietăți de bază, precipită. Când alcaliile acționează asupra soluțiilor de săruri care conțin PuO2+, hidroxidul amfoter PuO2OH precipită. Sărurile îi corespund - plutonite, de exemplu, Na2Pu2O6.

Sărurile de plutoniu se hidrolizează ușor la contactul cu soluții neutre sau alcaline, creând hidroxid de plutoniu insolubil. Soluțiile concentrate de plutoniu sunt instabile din cauza descompunerii radiolitice care duce la precipitații.

Plutoniu
numar atomic	94
Aspectul unei substanțe simple
Proprietățile atomului
Masă atomică (Masă molară)	244,0642 a. e. m. (/mol)
Raza atomului	ora 151
Energie de ionizare (primul electron)	491,9(5,10) kJ/mol (eV)
Configuratie electronica	5f 6 7s 2
Proprietăți chimice
raza covalentă	n/a pm
Raza ionică	(+4e) 93 (+3e) 108 pm
Electronegativitatea (după Pauling)	1,28
Potențialul electrodului	Pu ← Pu 4+ -1.25V Pu←Pu 3+ -2.0V Pu ← Pu 2+ -1,2V
Stări de oxidare	6, 5, 4, 3
Proprietățile termodinamice ale unei substanțe simple
Densitate	19,84 /cm³
Capacitate de căldură molară	32,77 J/( mol)
Conductivitate termică	(6,7) W /( )
Temperatură de topire	914
Căldura de topire	2,8 kJ/mol
Temperatura de fierbere	3505
Căldura de evaporare	343,5 kJ/mol
Volumul molar	12,12 cm³/mol
Rețeaua cristalină a unei substanțe simple
Structură cu zăbrele	monoclinic
Parametrii rețelei	a=6,183 b=4,822 c=10,963 β=101,8
raport c/a	—
Debye temperatura	162

Plutoniu- un element chimic radioactiv din grupa actinidelor, utilizat pe scară largă în producție arme nucleare(așa-numitul „plutoniu de calitate pentru arme”), precum și (experimental) ca combustibil nuclear pentru reactoare nucleare în scopuri civile și de cercetare. Primul element artificial obţinut în cantităţi disponibile pentru cântărire (1942).

Tabelul din dreapta arată principalele proprietăți ale α-Pu, principala modificare alotropică a plutoniului, la temperatura camerei și presiunea normală.

Istoria plutoniului

Izotopul plutoniului 238 Pu a fost obținut pentru prima dată artificial pe 23 februarie 1941 de un grup de oameni de știință americani conduși de Glenn Seaborg prin iradierea nucleelor. uraniu deuteroni. Este de remarcat faptul că plutoniul a fost descoperit în natură numai după producția artificială: cantități neglijabile de 239 Pu se găsesc de obicei în minereurile de uraniu ca produs al transformării radioactive a uraniului.

Găsirea plutoniului în natură

În minereurile de uraniu, ca urmare a captării de neutroni (de exemplu, neutroni din radiația cosmică) de către nucleele de uraniu, neptuniu(239 Np), al cărui produs de descompunere β este plutoniul-239 natural. Cu toate acestea, plutoniul se formează în cantități atât de microscopice (0,4-15 părți de Pu la 10 12 părți de U), încât extracția sa din minereurile de uraniu este exclusă.

originea numelui plutoniu

În 1930, lumea astronomică a fost încântată de vestea remarcabilă: fusese descoperită o nouă planetă, despre existența căreia Percival Lovell, astronom, matematician și autor de eseuri fantastice despre viața de pe Marte, vorbise de mult timp. Pe baza observațiilor pe termen lung ale mișcărilor uraniuși Neptun Lovell a ajuns la concluzia că dincolo de Neptun în sistemul solar trebuie să existe o altă planetă, a noua planetă, de patruzeci de ori mai departe de Soare decât Pământ.

Această planetă, ale cărei elemente ale orbitei le-a calculat Lovell încă din 1915, a fost descoperită pe imaginile fotografice realizate pe 21, 23 și 29 ianuarie 1930 de astronomul K. Tombo la Observatorul Flagstaff ( STATELE UNITE ALE AMERICII) . Planeta a fost numită Pluton. După numele acestei planete, situată în sistemul solar dincolo de Neptun, al 94-lea element a fost denumit plutoniu, obținut artificial la sfârșitul anului 1940 din nuclee. atomi uraniu un grup de oameni de știință americani conduși de G. Seaborg.

Proprietăți fizice plutoniu

Există 15 izotopi ai plutoniului - În cele mai mari cantități, se obțin izotopi cu numere de masă de la 238 la 242:

238 Pu -> (timp de înjumătățire 86 ani, dezintegrare alfa) -> 234 U,

Acest izotop este folosit aproape exclusiv în RTG-urile spațiale, de exemplu, pe toate dispozitivele care au zburat dincolo de orbita lui Marte.

239 Pu -> (timp de înjumătățire 24.360 ani, dezintegrare alfa) -> 235 U,

Acest izotop este cel mai potrivit pentru proiectarea de arme nucleare și reactoare nucleare cu neutroni rapidi.

240 Pu -> (timp de înjumătățire 6580 ani, dezintegrare alfa) -> 236 U, 241 Pu -> (timp de înjumătățire 14,0 ani, dezintegrare beta) -> 241 Am, 242 Pu -> (timp de înjumătățire 370.000 de ani, alfa -degradare) -> 238 U

Acești trei izotopi nu au o importanță industrială serioasă, dar se obțin ca subproduse atunci când se obține energie în reactoare nucleare pe uraniu, prin captarea succesivă a mai multor neutroni de către nucleele de uraniu-238. Izotopul 242 este cel mai asemănător în proprietăți nucleare cu uraniul-238. Americiul-241, produs prin degradarea izotopului 241, a fost folosit în detectoarele de fum.

Plutoniul este interesant prin faptul că suferă șase tranziții de fază de la temperatura de solidificare la temperatura camerei, mai mult decât orice alt element chimic. Cu acesta din urmă, densitatea crește brusc cu 11%, ca urmare, piepturile turnate de plutoniu se fisurează. Faza alfa este stabilă la temperatura camerei, ale cărei caracteristici sunt date în tabel. Pentru aplicare, faza delta, care are o densitate mai mică, și o rețea cubică centrată pe corp sunt mai convenabile. Plutoniul din faza delta este foarte ductil, în timp ce faza alfa este fragilă. Pentru stabilizarea plutoniului în faza delta se folosește alierea cu metale trivalente (găliul a fost folosit în primele încărcări nucleare).

Utilizarea plutoniului

Prima încărcătură nucleară pe bază de plutoniu a fost detonată pe 16 iulie 1945 la locul de testare Alamogordo (test cu nume de cod „Trinity”).

Rolul biologic al plutoniului

Plutoniul este foarte toxic; MPC pentru 239 Pu în corpurile de apă deschise și în aerul spațiilor de lucru este de 81,4 și, respectiv, 3,3*10 −5 Bq/l. Majoritatea izotopilor de plutoniu au o densitate mare de ionizare și un traseu scurt al particulelor, astfel încât toxicitatea sa se datorează nu atât proprietăților sale chimice (probabil, în acest sens, plutoniul nu este mai toxic decât alte metale grele), cât efectului ionizant asupra țesuturile din jur ale corpului. Plutoniul aparține grupului de elemente cu radiotoxicitate deosebit de ridicată. În organism, plutoniul produce modificări mari ireversibile la nivelul scheletului, ficatului, splinei, rinichilor și provoacă cancer. Conținutul maxim permis de plutoniu în organism nu trebuie să depășească zecimi de microgram.

Lucrări artistice legate de tematică plutoniu

- Plutoniul a fost folosit pentru mașina De Lorean DMC-12 din filmul Back to the Future ca combustibil pentru acumulatorul de flux pentru a călători în viitor sau în trecut.

- Plutoniul a fost încărcătura bombei atomice explodate de teroriști în Denver, SUA, în lucrarea „Toate temerile lumii” a lui Tom Clancy.

- Kenzaburo Oe „Notele lui Pinchrunner”

- În 2006, compania „Beacon Pictures” a lansat filmul „Plutonium-239” ( "Pu-239")

Chimie

Plutoniul Pu - elementul nr. 94 este asociat cu speranțe foarte mari și temeri foarte mari ale omenirii. Astăzi este unul dintre cele mai importante, importante din punct de vedere strategic, elemente. Acesta este cel mai scump dintre metalele importante din punct de vedere tehnic - este mult mai scump decât argintul, aurul și platina. El este cu adevărat prețios.

Context și istorie

La început au existat protoni - hidrogen galactic. Ca urmare a comprimării sale și a reacțiilor nucleare ulterioare, s-au format cele mai incredibile „lingouri” de nucleoni. Printre ei, aceste „lingouri”, conțineau, aparent, câte 94 de protoni. Estimările teoreticienilor sugerează că aproximativ 100 de formațiuni de nucleoni, care includ 94 de protoni și de la 107 la 206 neutroni, sunt atât de stabile încât pot fi considerate nuclee izotopice ale elementului nr. 94.
Dar toți acești izotopi – ipotetici și reali – nu sunt atât de stabili încât să fie păstrați până în zilele noastre din momentul în care s-au format elementele sistemului solar. Timpul de înjumătățire al celui mai lung izotop al elementului nr. 94 este de 81 de milioane de ani. Vârsta galaxiei este măsurată în miliarde de ani. În consecință, plutoniul „original” nu a avut nicio șansă de a supraviețui până în ziua de azi. Dacă s-a format în timpul marii sinteze a elementelor Universului, atunci acei atomi străvechi ai acestuia „s-au stins” cu mult timp în urmă, la fel cum dinozaurii și mamuții s-au stins.
În secolul XX. noua era, AD, acest element a fost recreat. Din 100 de posibili izotopi ai plutoniului, au fost sintetizați 25. 15 dintre ei au fost studiați pentru proprietățile lor nucleare. Patru au găsit aplicații practice. Și a fost deschis abia de curând. În decembrie 1940, în timp ce iradiază uraniu cu nuclee grele de hidrogen, un grup de radiochimiști americani condus de Glenn T. Seaborg a descoperit un emițător de particule alfa necunoscut până acum, cu un timp de înjumătățire de 90 de ani. Acest emițător s-a dovedit a fi un izotop al elementului nr. 94 cu un număr de masă de 238. În același an, dar cu câteva luni mai devreme, E.M. Macmillan și F. Abelson au primit primul element mai greu decât uraniul - elementul nr. 93. Acest element a fost numit neptunium, iar al 94-lea - plutoniu. Istoricul va spune cu siguranță că aceste nume își au originea în mitologia romană, dar, în esență, originea acestor nume nu este mai degrabă mitologică, ci astronomică.
Elementele nr. 92 și 93 poartă numele planetelor îndepărtate ale sistemului solar - Uranus și Neptun, dar Neptun nu este ultimul din sistemul solar, orbita lui Pluto se află și mai departe - o planetă despre care până acum nu se știe aproape nimic. ... O construcție similară observăm și pe „flancul stâng” al tabelului periodic: uraniu - neptunium - plutoniu, totuși, omenirea știe mult mai multe despre plutoniu decât despre Pluto. Apropo, astronomii l-au descoperit pe Pluto cu doar zece ani înainte de sinteza plutoniului - aproape aceeași perioadă de timp a separat descoperirile lui Uranus - planeta și uraniul - elementul.

Ghicitori pentru ransomware

Primul izotop al elementului nr. 94, plutoniul-238, și-a găsit acum aplicație practică. Dar la începutul anilor 1940, nici nu s-au gândit la asta. Este posibil să obțineți plutoniu-238 în cantități de interes practic doar bazându-vă pe o industrie nucleară puternică. La acea vreme, ea tocmai începea. Dar era deja clar că prin eliberarea energiei conținute în nucleele elementelor radioactive grele, se putea obține arme de o putere fără precedent. A apărut Proiectul Manhattan, neavând decât un nume în comun cu cunoscuta zonă a New York-ului. Acesta a fost denumirea generală pentru toate lucrările legate de crearea primelor bombe atomice în Statele Unite. Șeful Proiectului Manhattan nu era un om de știință, ci un militar - generalul Groves, care și-a numit „afecționat” secțiile de înaltă educație „oale sparte”.
Liderii „proiectului” nu erau interesați de plutoniu-238. Nucleele sale, ca, într-adevăr, nucleele tuturor izotopilor de plutoniu cu numere de masă par, nu se fisiază cu neutroni de energie scăzută, așa că nu ar putea servi ca explozibil nuclear. Cu toate acestea, primele rapoarte nu foarte inteligibile despre elementele nr. 93 și 94 au apărut tipărite abia în primăvara anului 1942.
Cum poate fi explicat acest lucru? Fizicienii au înțeles: sinteza izotopilor de plutoniu cu numere de masă impare este o chestiune de timp și nu departe. Se aștepta ca izotopii ciudați, precum uraniul-235, să poată susține o reacție nucleară în lanț. În ele, neprimite încă, unii oameni au văzut un potențial exploziv nuclear. Și aceste speranțe plutoniu, din păcate, justificată.
În cifrurile de atunci, elementul nr. 94 nu se numea nimic mai mult decât... cupru. Și când a apărut nevoia de cupru în sine (ca material structural pentru unele părți), atunci în criptare, împreună cu „cuprul”, a apărut „cuprul autentic”.

„Arborele cunoașterii binelui și răului”

În 1941, a fost descoperit cel mai important izotop al plutoniului, un izotop cu un număr de masă de 239. Și aproape imediat a fost confirmată predicția teoreticienilor: nucleele plutoniului-239 fisionate cu neutroni termici. Mai mult, în procesul de fisiune a acestora, s-a născut nu mai puțin număr de neutroni decât în ​​fisiunea uraniului-235. Au fost imediat conturate modalități de obținere a acestui izotop în cantități mari...
Au trecut anii. Acum nu este un secret pentru nimeni că bombele nucleare stocate în arsenale sunt umplute cu plutoniu-239 și că aceste bombe sunt suficiente pentru a provoca daune ireparabile întregii vieți de pe Pământ.
Se crede pe scară largă că, odată cu descoperirea unei reacții nucleare în lanț (a cărei consecință inevitabilă a fost crearea unei bombe nucleare), omenirea s-a grăbit în mod clar. Poți să gândești diferit sau să te prefaci că gândești diferit – este mai plăcut să fii optimist. Dar chiar și optimiștii se confruntă inevitabil cu problema responsabilității oamenilor de știință. Ne amintim de ziua triumfătoare din iunie 1954, ziua în care prima centrală nucleară din Obninsk a dat energie electrică. Dar nu putem uita dimineața de august a anului 1945 – „dimineața Hiroshima”, „ziua ploioasă a lui Albert Einstein”... Ne amintim primii ani postbelici și șantajul atomic nestăpânit – baza politicii americane a acelor ani. Dar a îndurat omenirea puține anxietăți în anii următori? Mai mult, aceste griji au fost multiplicate prin conștientizarea că, dacă va izbucni un nou război mondial, vor fi folosite arme nucleare.
Aici puteți încerca să demonstrați că descoperirea plutoniului nu s-a adăugat la temerile omenirii, că, dimpotrivă, a fost doar util.
Să presupunem că s-a întâmplat ca dintr-un motiv oarecare sau, după cum se spunea în vremuri, prin voia lui Dumnezeu, plutoniul nu era disponibil oamenilor de știință. Ar scădea atunci fricile și fricile noastre? Nu s-a intamplat nimic. Bombele nucleare ar fi făcute din uraniu-235 (și în cantitate nu mai mică decât din plutoniu), iar aceste bombe ar „mânca” părți și mai mari din bugete decât o fac acum.
Dar fără plutoniu, nu ar exista perspective de utilizare pașnică a energiei nucleare la scară largă. Pentru un „atom pașnic” pur și simplu nu ar fi suficient uraniu-235. Răul adus omenirii prin descoperirea energiei nucleare nu ar fi echilibrat, chiar dacă doar parțial, de realizările „atomului bun”.

Cum să măsori, cu ce să compari

Când un nucleu de plutoniu-239 este divizat de neutroni în două fragmente de masă aproximativ egală, se eliberează aproximativ 200 MeV de energie. Aceasta este de 50 de milioane de ori mai multă energie eliberată în cea mai cunoscută reacție exotermă С + O 2 = СO 2 . „Arzând” într-un reactor nuclear, un gram de plutoniu dă 2.107 kcal. Pentru a nu încălca tradițiile (și în articolele populare, energia combustibilului nuclear este de obicei măsurată în unități în afara sistemului - tone de cărbune, benzină, trinitrotoluen etc.), remarcăm și: aceasta este energia conținută în 4 tone. de cărbune. Și într-un degetar obișnuit se pune cantitatea de plutoniu, echivalentă energetic cu patruzeci de mașini de lemn de foc bun de mesteacăn.
Aceeași energie este eliberată în timpul fisiunii nucleelor ​​de uraniu-235 de către neutroni. Dar cea mai mare parte a uraniului natural (99,3%!) este izotopul 238 U, care poate fi folosit doar prin transformarea uraniului în plutoniu...

Energie de piatră

Să evaluăm resursele energetice conținute în rezervele naturale de uraniu.
Uraniul este un element împrăștiat și este practic peste tot. Oricine a vizitat, de exemplu, Karelia, și-a amintit cu siguranță bolovanii de granit și stâncile de coastă. Dar puțini oameni știu că există până la 25 g de uraniu într-o tonă de granit. Granitele reprezintă aproape 20% din greutatea scoarței terestre. Dacă numărăm doar uraniul-235, atunci 3,5-105 kcal de energie sunt conținute într-o tonă de granit. Este mult, dar...
Prelucrarea granitului și extragerea uraniului din acesta necesită o cantitate și mai mare de energie - aproximativ 106-107 kcal/t. Acum, dacă ar fi posibil să se folosească nu numai uraniul-235, ci și uraniul-238 ca sursă de energie, atunci granitul ar putea fi considerat cel puțin ca o materie primă energetică potențială. Atunci energia obținută dintr-o tonă de piatră ar fi deja de la 8-107 la 5-108 kcal. Acest lucru este echivalent cu 16-100 de tone de cărbune. Și în acest caz, granitul ar putea oferi oamenilor de aproape un milion de ori mai multă energie decât toate rezervele de combustibil chimic de pe Pământ.
Dar nucleele de uraniu-238 nu se fisiunea de neutroni. Pentru energia nucleară, acest izotop este inutil. Mai exact, ar fi inutil dacă nu ar putea fi transformat în plutoniu-239. Și ceea ce este deosebit de important: practic nu este nevoie să cheltuiești energie pentru această transformare nucleară - dimpotrivă, în acest proces se produce energie!
Să încercăm să ne dăm seama cum se întâmplă acest lucru, dar mai întâi câteva cuvinte despre plutoniul natural.

De 400 de mii de ori mai mic decât radiul

S-a spus deja că izotopii de plutoniu nu s-au păstrat de la sinteza elementelor în timpul formării planetei noastre. Dar asta nu înseamnă că nu există plutoniu pe Pământ.
Se formează tot timpul în minereurile de uraniu. Captând neutronii radiațiilor cosmice și neutronii produși prin fisiunea spontană (spontană) a nucleelor ​​de uraniu-238, unii - foarte puțini - atomi ai acestui izotop se transformă în atomi de uraniu-239. Aceste nuclee sunt foarte instabile, emit electroni și, prin urmare, își măresc sarcina. Se formează neptuniul - primul element transuraniu. Neptunium-239 este, de asemenea, foarte instabil, iar nucleele sale emit electroni. În doar 56 de ore, jumătate din neptunium-239 se transformă în plutoniu-239, al cărui timp de înjumătățire este deja destul de lung - 24 de mii de ani.
De ce nu se extrage plutoniul din minereurile de uraniu?? Concentrație mică, prea mică. „Producția pe gram este forță de muncă pe an” - este vorba despre radiu, iar plutoniul din minereuri este de 400 de mii de ori mai puțin decât radiu. Prin urmare, nu doar extragerea – chiar și detectarea plutoniului „terestre” este extrem de dificilă. Acest lucru s-a făcut numai după ce au fost studiate proprietățile fizice și chimice ale plutoniului obținut în reactoarele nucleare.
Plutoniul se acumulează în reactoarele nucleare. În fluxurile puternice de neutroni, are loc aceeași reacție ca și în minereurile de uraniu, dar rata de formare și acumulare a plutoniului în reactor este mult mai mare - de un miliard de miliard de ori. Pentru reacția de transformare a uraniului de balast-238 în plutoniu de calitate superioară-239, sunt create condiții optime (în limita acceptabile).
Dacă reactorul funcționează pe neutroni termici (amintim că viteza lor este de aproximativ 2000 m pe secundă, iar energia este fracțiuni de electron volt), atunci se obține o cantitate de plutoniu dintr-un amestec natural de izotopi de uraniu, puțin mai mică decât cantitatea de uraniu „ars”-235. Nu mult, dar mai puțin, plus pierderile inevitabile de plutoniu în timpul separării sale chimice de uraniul iradiat. În plus, o reacție nucleară în lanț continuă într-un amestec natural de izotopi de uraniu numai până când se epuizează o mică fracțiune de uraniu-235. Prin urmare, concluzia este logică: un reactor „termic” pe uraniu natural – principalul tip de reactoare care funcționează în prezent – ​​nu poate asigura reproducerea extinsă a combustibilului nuclear. Dar atunci care este viitorul? Pentru a răspunde la această întrebare, să comparăm cursul unei reacții nucleare în lanț în uraniu-235 și plutoniu-239 și să introducem încă un concept fizic în raționamentul nostru.
Cea mai importantă caracteristică a oricărui combustibil nuclear este numărul mediu de neutroni emiși după ce nucleul a capturat un neutron. Fizicienii îl numesc numărul eta și îl notează cu litera greacă c. În reactoarele cu uraniu „termic” se observă următorul model: fiecare neutron generează în medie 2,08 neutroni (η=2,08). Plutoniul plasat într-un astfel de reactor sub acțiunea neutronilor termici dă η=2,03. Dar există și reactoare care funcționează pe neutroni rapizi. Este inutil să încărcați un amestec natural de izotopi de uraniu într-un astfel de reactor: reacția în lanț nu va începe. Dar dacă „materiile prime” sunt îmbogățite cu uraniu-235, acesta se va putea dezvolta într-un reactor „rapid”. În acest caz, c va fi deja egal cu 2,23. Iar plutoniul, pus sub foc cu neutroni rapizi, va da n egal cu 2,70. Vom avea la dispoziție „un neutron plin în plus”. Și acest lucru nu este suficient.

Să vedem pe ce sunt cheltuiți neutronii primiți. În orice reactor, un neutron este necesar pentru a menține o reacție nucleară în lanț. 0,1 neutron este absorbit de materialele structurale ale instalației. „Excesul” merge la acumularea de plutoniu-239. Într-un caz, „excesul” este 1,13, în celălalt - 1,60. După „arderea” unui kilogram de plutoniu în reactorul „rapid” se eliberează energie colosală și se acumulează 1,6 kg de plutoniu. Iar uraniul dintr-un reactor „rapid” va oferi aceeași energie și 1,1 kg de combustibil nuclear nou. În ambele cazuri, reproducerea extinsă este evidentă. Dar nu trebuie să uităm de economie.
Din mai multe motive tehnice, ciclul de reproducere a plutoniului durează câțiva ani. Să zicem cinci ani. Aceasta înseamnă că cantitatea de plutoniu va crește doar cu 2% pe an dacă η=2,23, și cu 12% dacă η=2,7! Combustibilul nuclear este capital și orice capital trebuie să producă, să zicem, 5% pe an. În primul caz, există pierderi mari, iar în al doilea - profituri mari. Acest exemplu primitiv ilustrează „greutatea” fiecărui al zecelea număr în energia nucleară.
Un alt lucru este, de asemenea, important. Energia nucleară trebuie să țină pasul cu creșterea cererii de energie. Calculele arată că starea lui este fezabilă în viitor numai atunci când η se apropie de trei. Dacă dezvoltarea surselor de energie nucleară rămâne în urmă cu nevoile societății de energie, atunci vor exista două moduri: fie „încetiniți progresul”, fie luați energie din alte surse. Sunt cunoscute: fuziunea termonucleară, energia de anihilare a materiei și antimateriei, dar nu sunt încă disponibile din punct de vedere tehnic. Și nu se știe când vor fi adevărate surse de energie pentru omenire. Iar energia nucleelor ​​grele a devenit de mult o realitate pentru noi, iar astăzi plutoniul, ca principal „furnizor” de energie atomică, nu are concurenți serioși, cu excepția, poate, a uraniului-233.

Suma multor tehnologii

Când cantitatea necesară de plutoniu se acumulează în uraniu ca urmare a reacțiilor nucleare, aceasta trebuie separată nu numai de uraniul în sine, ci și de fragmentele de fisiune - atât uraniu, cât și plutoniu, arse într-o reacție nucleară în lanț. În plus, există o anumită cantitate de neptuniu în masa de uraniu-plutoniu. Cel mai dificil lucru este să separați plutoniul de neptuniu și elementele pământurilor rare (lantanide). Plutoniul ca element chimic este oarecum ghinionist. Din punctul de vedere al unui chimist, elementul principal al energiei nucleare este doar unul dintre cele paisprezece actinide. La fel ca elementele pământurilor rare, toate elementele seriei actiniului sunt foarte apropiate unele de altele în proprietăți chimice, structura învelișurilor de electroni exterioare ale atomilor tuturor elementelor de la actiniu la 103 este aceeași. Este și mai neplăcut că proprietățile chimice ale actinidelor sunt asemănătoare cu cele ale elementelor pământurilor rare, iar printre fragmentele de fisiune ale uraniului și plutoniului există mai mult decât suficiente lantanide. Dar, pe de altă parte, al 94-lea element poate fi în cinci stări de valență, iar acest lucru „îndulcește pastila” - ajută la separarea plutoniului atât de uraniu, cât și de fragmentele de fisiune.
Valența plutoniului variază de la trei la șapte. Compușii plutoniului tetravalent sunt cei mai stabili din punct de vedere chimic (și, în consecință, cei mai obișnuiți și mai studiati).
Separarea actinidelor similare din punct de vedere chimic - uraniu, neptunium și plutoniu - se poate baza pe diferența dintre proprietățile compușilor lor tetra- și hexavalenți.

Nu este nevoie să descriem în detaliu toate etapele separării chimice a plutoniului și uraniului. De obicei, separarea lor începe cu dizolvarea barelor de uraniu în acid azotic, după care uraniul, neptuniul, plutoniul și elementele de fragment conținute în soluție sunt „separate”, folosind metode radiochimice tradiționale pentru aceasta - precipitare, extracție, schimb ionic și altele. . Produsele finali care conțin plutoniu ale acestei tehnologii în mai multe etape sunt dioxidul său PuO 2 sau fluorurile - PuF 3 sau PuF 4 . Ele sunt reduse la metal cu vapori de bariu, calciu sau litiu. Cu toate acestea, plutoniul obținut în aceste procese nu este potrivit pentru rolul unui material structural - este imposibil să faci elemente de combustibil ale reactoarelor nucleare din acesta, este imposibil să arunci o încărcare a unei bombe atomice. De ce? Punctul de topire al plutoniului - doar 640 ° C - este destul de realizabil.
Indiferent de condițiile „ultra-economice” folosite pentru turnarea pieselor din plutoniu pur, fisurile vor apărea întotdeauna în piese turnate în timpul solidificării. La 640°C, plutoniul care se solidifică formează o rețea cristalină cubică. Pe măsură ce temperatura scade, densitatea metalului crește treptat. Dar apoi temperatura a atins 480 ° C, iar apoi brusc densitatea plutoniului scade brusc. Motivele acestei anomalii au fost dezgropate destul de repede: la această temperatură, atomii de plutoniu sunt rearanjați în rețeaua cristalină. Devine tetragonală și foarte „laxă”. Un astfel de plutoniu poate pluti în propria sa topire, ca gheața pe apă.
Temperatura continuă să scadă, acum a ajuns la 451 ° C, iar atomii au format din nou o rețea cubică, dar situată la o distanță mai mare unul de celălalt decât în ​​primul caz. Odată cu răcirea ulterioară, rețeaua devine mai întâi ortorombic, apoi monoclinic. În total, plutoniul formează șase forme cristaline diferite! Două dintre ele au o proprietate remarcabilă - un coeficient negativ de dilatare termică: odată cu creșterea temperaturii, metalul nu se dilată, ci se contractă.
Când temperatura atinge 122°C și atomii de plutoniu își rearanjează rândurile pentru a șasea oară, densitatea se modifică deosebit de puternic - de la 17,77 la 19,82 g/cm 3 . Mai mult de 10%!
În consecință, volumul lingoului scade. Dacă metalul ar putea rezista în continuare la tensiunile care au apărut la alte tranziții, atunci în acest moment distrugerea este inevitabilă.
Cum, atunci, să faceți piese din acest metal uimitor? Metalurgiștii aliază plutoniu (adaugă cantități mici din elementele necesare) și obțin piese turnate fără o singură fisură. Sunt folosite pentru a produce încărcături de plutoniu pentru bombe nucleare. Greutatea sarcinii (este determinată în primul rând de masa critică a izotopului) este de 5-6 kg. S-ar potrivi cu ușurință într-un cub cu mărimea coastelor de 10 cm.

Izotopi grei ai plutoniului

Plutoniul-239 conține, de asemenea, o cantitate mică de izotopi superiori ai acestui element - cu numerele de masă 240 și 241. Izotopul 240 Pu este practic inutil - este balast în plutoniu. Din 241 se obține americiu - elementul nr. 95. În forma sa pură, fără amestec de alți izotopi, plutoniul-240 și plutoniul-241 pot fi obținute prin separarea electromagnetică a plutoniului acumulat în reactor. Înainte de aceasta, plutoniul este iradiat suplimentar cu fluxuri de neutroni cu caracteristici strict definite. Desigur, toate acestea sunt foarte complicate, mai ales că plutoniul nu este doar radioactiv, ci și foarte toxic. Lucrul cu acesta necesită prudență extremă.
Unul dintre cei mai interesanți izotopi ai plutoniului, 242 Pu, poate fi obținut prin iradierea mult timp a 239 Pu în fluxuri de neutroni. 242 Pu captează foarte rar neutroni și, prin urmare, „se arde” în reactor mai lent decât alți izotopi; persistă chiar și după ce izotopii rămași de plutoniu au trecut aproape complet în fragmente sau s-au transformat în plutoniu-242.
Plutoniul-242 este important ca „materie primă” pentru acumularea relativ rapidă a elementelor transuraniu superioare în reactoarele nucleare. Dacă plutoniul-239 este iradiat într-un reactor convențional, atunci va dura aproximativ 20 de ani pentru a acumula cantități de micrograme de plutoniu din grame, de exemplu, californiu-252.
Este posibil să se reducă timpul de acumulare a izotopilor superiori prin creșterea intensității fluxului de neutroni în reactor. Ei fac acest lucru, dar apoi este imposibil să iradieze o cantitate mare de plutoniu-239. La urma urmei, acest izotop este împărțit de neutroni și prea multă energie este eliberată în fluxuri intense. Există dificultăți suplimentare cu răcirea reactorului. Pentru a evita aceste complicații, cantitatea de plutoniu iradiat ar trebui redusă. În consecință, producția din California ar fi din nou mizerabilă. Cerc vicios!
Plutoniul-242 nu este fisionabil de neutroni termici și poate fi iradiat în cantități mari în fluxuri intense de neutroni... Prin urmare, în reactoare, toate elementele de la americiu la fermiu sunt „fabricate” din acest izotop și se acumulează în cantități de greutate.
Ori de câte ori oamenii de știință au reușit să obțină un nou izotop de plutoniu, au măsurat timpul de înjumătățire al nucleelor ​​acestuia. Timpurile de înjumătățire ale izotopilor nucleelor ​​radioactive grele cu numere de masă par se schimbă în mod regulat. (Nu același lucru se poate spune despre izotopii ciudați.)
Pe măsură ce masa crește, la fel crește „durata de viață” a izotopului. Acum câțiva ani, plutoniul-242 era cel mai înalt punct de pe acest grafic. Și atunci cum va merge această curbă - cu o creștere suplimentară a numărului de masă? La punctul 1, care corespunde unei durate de viață de 30 de milioane de ani, sau la punctul 2, care corespunde deja la 300 de milioane de ani? Răspunsul la această întrebare a fost foarte important pentru geoștiințe. În primul caz, dacă în urmă cu 5 miliarde de ani Pământul era format în întregime din 244 Pu, acum doar un atom de plutoniu-244 ar rămâne în întreaga masă a Pământului. Dacă a doua ipoteză este corectă, atunci plutoniul-244 poate fi pe Pământ în concentrații care ar putea fi deja detectate. Dacă am fi destul de norocoși să găsim acest izotop pe Pământ, știința ar primi cele mai valoroase informații despre procesele care au avut loc în timpul formării planetei noastre.

Timpurile de înjumătățire ale unor izotopi ai plutoniului

În urmă cu câțiva ani, oamenii de știință s-au confruntat cu întrebarea: merită să încercați să găsiți plutoniu greu pe Pământ? Pentru a răspunde, a fost necesar în primul rând să se determine timpul de înjumătățire al plutoniului-244. Teoreticienii nu au putut calcula această valoare cu precizia necesară. Toată speranța era doar pentru experiment.
Plutoniu-244 acumulat într-un reactor nuclear. Elementul nr. 95, americiu (izotop 243 Am), a fost iradiat. După ce a capturat un neutron, acest izotop a trecut în americiu-244; americiu-244 într-unul din cele 10 mii de cazuri a trecut în plutoniu-244.
Un preparat de plutoniu-244 a fost izolat dintr-un amestec de americiu și curiu. Eșantionul cântărea doar câteva milioane de grame. Dar au fost suficiente pentru a determina timpul de înjumătățire al acestui cel mai interesant izotop. S-a dovedit a fi egal cu 75 de milioane de ani. Mai târziu, alți cercetători au precizat timpul de înjumătățire al plutoniului-244, dar nu cu mult - 81 de milioane de ani. În 1971, au fost găsite urme ale acestui izotop în bastnäsite-ul mineral de pământuri rare.
Oamenii de știință au făcut multe încercări de a găsi un izotop al unui element transuraniu care trăiește mai mult de 244 Pu. Dar toate încercările au fost în zadar. La un moment dat, s-au pus speranțe pe curium-247, dar după ce acest izotop a fost acumulat într-un reactor, s-a dovedit că timpul său de înjumătățire a fost de numai 16 milioane de ani. Nu a fost posibil să se bată recordul pentru plutoniu-244 - este cel mai longeviv dintre toți izotopii elementelor transuraniului.
Chiar și izotopii mai grei ai plutoniului sunt supuși descompunerii beta, iar durata lor de viață variază de la câteva zile la câteva zecimi de secundă. Știm cu siguranță că toți izotopii plutoniului, până la 257 Pu, se formează în explozii termonucleare. Dar durata lor de viață este de zecimi de secundă, iar mulți izotopi de scurtă durată ai plutoniului nu au fost încă studiați.

Posibilitățile primului izotop de plutoniu

Și, în sfârșit, despre plutoniu-238, primul dintre izotopii „făcuți de om” ai plutoniului, un izotop care la început părea nepromițător. De fapt, este un izotop foarte interesant. Este supus dezintegrarii alfa, adică nucleele sale emit în mod spontan particule alfa - nuclee de heliu. Particulele alfa generate de nucleele plutoniului-238 transportă multă energie; disipată în materie, această energie este transformată în căldură. Cât de mare este această energie? Șase milioane de electroni volți sunt eliberați atunci când un nucleu atomic de plutoniu-238 se descompune. Într-o reacție chimică, aceeași energie este eliberată atunci când câteva milioane de atomi sunt oxidați. O sursă de energie electrică care conține un kilogram de plutoniu-238 dezvoltă o putere termică de 560 de wați. Puterea maximă a unei surse de curent chimic de aceeași masă este de 5 wați.
Există mulți emițători cu caracteristici energetice similare, dar o caracteristică a plutoniului-238 face ca acest izotop să fie indispensabil. De obicei, dezintegrarea alfa este însoțită de radiații gamma puternice care pătrund prin grosimi mari de materie. 238 Pu este o excepție. Energia cuantelor gamma care însoțește degradarea nucleelor ​​sale este scăzută și nu este dificil să te aperi împotriva ei: radiația este absorbită de un recipient cu pereți subțiri. Probabilitatea fisiunii nucleare spontane a acestui izotop este, de asemenea, mică. Prin urmare, și-a găsit aplicație nu numai în sursele actuale, ci și în medicină. Bateriile cu plutoniu-238 servesc ca sursă de energie în stimulatoarele cardiace speciale.
Dar 238 Pu nu este cel mai ușor dintre izotopii cunoscuți ai elementului nr. 94, s-au obținut izotopi de plutoniu cu numere de masă de la 232 la 237. Timpul de înjumătățire al celui mai ușor izotop este de 36 de minute.

Plutoniul este un subiect important. Iată cel mai important dintre cei mai importanți. La urma urmei, a devenit deja o frază standard că chimia plutoniului a fost studiată mult mai bine decât chimia unor astfel de elemente „vechi” precum fierul. S-au scris cărți întregi despre proprietățile nucleare ale plutoniului. Metalurgia plutoniului este o altă secțiune uimitoare a cunoștințelor umane... Prin urmare, nu ar trebui să vă gândiți că, după ce ați citit această poveste, ați învățat cu adevărat plutoniul - cel mai important metal al secolului al XX-lea.

• CUM SE REALIZĂ PLUTONIUL. Plutoniul radioactiv și toxic necesită îngrijire specială în timpul transportului. Un container a fost conceput special pentru transportul său - un container care nu se prăbușește nici măcar în timpul accidentelor aviatice. Este realizat destul de simplu: este un vas din oțel inoxidabil cu pereți groși, înconjurat de o coajă de mahon. Evident că plutoniul merită, dar imaginează-ți cât de groși trebuie să fie pereții dacă știi că un container pentru transportul de doar două kilograme de plutoniu cântărește 225 kg!
• OTRAVĂ ȘI ANTIDOT. La 20 octombrie 1977, Agence France-Presse a raportat că a fost găsit un compus chimic care ar putea elimina plutoniul din corpul uman. Câțiva ani mai târziu, s-au cunoscut destul de multe despre acest compus. Acest compus complex este o catechinamidă carboxilază liniară, o substanță din clasa chelaților (din greacă - "hela" - o gheară). În această gheară chimică este capturat atomul de plutoniu, liber sau legat. La șoarecii de laborator, până la 70% din plutoniul absorbit a fost îndepărtat din organism cu ajutorul acestei substanțe. Se crede că în viitor acest compus va ajuta la extragerea plutoniului atât din deșeurile industriale, cât și din combustibilul nuclear.

Plutoniul a fost descoperit la sfârșitul anului 1940 la Universitatea din California. A fost sintetizat de McMillan, Kennedy și Wahl prin bombardarea oxidului de uraniu (U 3 O 8) cu nuclee de deuteriu (deuteroni) puternic accelerate într-un ciclotron. Mai târziu s-a constatat că această reacție nucleară produce mai întâi izotopul de scurtă durată neptunium-238, iar din acesta deja plutoniu-238 cu un timp de înjumătățire de aproximativ 50 de ani. Un an mai târziu, Kennedy, Seaborg, Segre și Wahl au sintetizat cel mai important izotop, plutoniul-239, prin iradierea uraniului cu neutroni foarte accelerați într-un ciclotron. Plutoniul-239 se formează din degradarea neptuniului-239; emite raze alfa și are un timp de înjumătățire de 24.000 de ani. Un compus pur de plutoniu a fost obținut pentru prima dată în 1942. Apoi a devenit cunoscut faptul că există plutoniu natural găsit în minereurile de uraniu, în special în minereuri, zăcăminte din Congo.

Denumirea elementului a fost propusă în 1948: McMillan a numit primul element transuranic neptunium datorită faptului că planeta Neptun este prima dincolo de Uranus. Prin analogie, au decis să numească elementul 94 plutoniu, deoarece planeta Pluto este a doua planetă după Uranus. Pluto, descoperit în 1930, și-a primit numele de la numele zeului Pluto, conducătorul lumii interlope în mitologia greacă. La începutul secolului al XIX-lea. Clark a propus să denumească elementul bariu plutoniu, derivând acest nume direct din numele zeului Pluto, dar propunerea sa nu a fost acceptată.

Enrico Fermi, împreună cu colaboratorii săi de la Universitatea din Roma, au raportat că au descoperit un element chimic cu număr atomic 94 în 1934. Fermi a numit acest element hesperium, crezând că a descoperit elementul numit acum plutoniu, făcând astfel presupunerea despre existența elementelor transuraniu și devenind descoperitorul teoretic al acestora. El a aderat la această poziție în prelegerea sa Nobel din 1938, însă, după ce a aflat despre descoperirea fisiunii nucleare de către Otto Frisch și Fritz Strassmann, a fost nevoit să facă o notă în versiunea tipărită, publicată la Stockholm în 1939, indicând necesitatea să revizuiască „întreaga problemă a elementelor transuranice”. Lucrările oamenilor de știință germani au arătat că activitatea detectată de Fermi în experimentele sale s-a datorat tocmai fisiunii, și nu descoperirii elementelor transuraniu, așa cum crezuse el anterior.

Ciclotron la Berkeley, folosit pentru a produce neptuniu și plutoniu.

Descoperirea plutoniului de către un grup de angajați ai Universității din California din Berkeley, condus de G. T. Seaborg, a fost făcută folosind un ciclotron de 60 de inci, care a fost la dispoziția universității. Primul bombardament de triuraniu-238 octoxid cu deuteroni a accelerat într-un ciclotron la 14-22 MeV și trecând printr-o folie de aluminiu cu o grosime de 0,002 inci a fost făcut pe 14 decembrie 1940. Comparând probele obținute și îmbătrânite timp de 2,3 zile cu fracția izolată de neptuniu pur, oamenii de știință au descoperit o diferență semnificativă în activitățile lor alfa și au sugerat că creșterea acesteia după 2 zile se datorează influenței unui nou element care este un copil al neptuniului. Studiile fizice și chimice suplimentare au continuat timp de 2 luni. În noaptea de 23-24 februarie 1941 s-a efectuat un experiment decisiv privind oxidarea elementului propus folosind ionii de peroxid disulfat și ionii de argint ca catalizator, care a arătat că neptuniul-238, după două zile, suferă beta-minus. se descompune și formează un element chimic cu numărul 94 în următoarea reacție:

23892U → 23893Np → 23894Pu

Glenn Theodore Seaborg, împreună cu colaboratorii de la Berkeley, au sintetizat plutoniu pentru prima dată. A fost liderul sau membrul cheie al echipelor care au primit încă opt elemente: Am, Cm, Bk, Cf, Es, Fm, Md, No. Elementul seaborgium poartă numele lui. Edwin Macmillan și Glenn Seaborg au primit Premiul Nobel în 1951 pentru „studiul chimiei elementelor transuraniului”.

Astfel, existența unui nou element chimic a fost confirmată de G. T. Seaborg, E. M. Macmillan, J. W. Kennedy și A. C. Wall prin studierea primelor sale proprietăți chimice - capacitatea de a avea cel puțin două stări de oxidare.

Puțin mai târziu, s-a constatat că acest izotop este nefisionabil și, prin urmare, neinteresant pentru cercetări ulterioare în scopuri militare, deoarece nucleele de prag nu pot servi ca bază pentru o reacție în lanț de fisiune. Dându-și seama de acest lucru, fizicienii nucleari americani și-au îndreptat eforturile spre obținerea izotopului fisionabil-239. În martie 1941, 1,2 kg din cea mai pură sare de uraniu, înfundată într-un bloc mare de parafină, au fost bombardate cu neutroni într-un ciclotron. Bombardarea nucleelor ​​de uraniu a durat două zile, în urma cărora s-au obţinut aproximativ 0,5 micrograme de plutoniu-239. Apariția unui nou element, așa cum a prezis teoria, a fost însoțită de un flux de particule alfa.

La 28 martie 1941, experimentele efectuate au arătat că Pu este capabil de fisiune sub acțiunea neutronilor lenți, cu o secțiune transversală depășind foarte semnificativ secțiunea transversală pentru U, iar neutronii obținuți în procesul de fisiune sunt pretați pentru obținerea în urma actelor de fisiune nucleară, adică permit să se bazeze pe implementarea unei reacții nucleare în lanț. Din acel moment, au început experimentele privind crearea unei bombe nucleare cu plutoniu și construcția de reactoare pentru dezvoltarea acesteia. Primul compus pur al elementului a fost obținut în 1942, iar primul metal plutoniu în greutate în 1943.

O lucrare trimisă spre publicare în revista Physical Review în martie 1941 descria o metodă de obținere și studiere a elementului. Cu toate acestea, publicarea acestui document a fost oprită după ce au fost primite date că noul element ar putea fi folosit într-o bombă nucleară. Publicarea lucrării a avut loc la un an după cel de-al Doilea Război Mondial din motive de securitate și cu unele ajustări.

În cel de-al treilea Reich, nici cercetătorii atomici nu au rămas inactivi. În laboratorul lui Manfred von Arden s-au dezvoltat metode pentru obținerea celui de-al 94-lea element. În august 1941, fizicianul Fritz Houtermans și-a finalizat raportul secret „Cu privire la problema declanșării reacțiilor nucleare în lanț”. În acesta, el a evidențiat posibilitățile teoretice pentru fabricarea unui nou exploziv din uraniu natural într-un „cazan” de uraniu.

originea numelui

Cu ajutorul acestui astrograf au fost obținute primele imagini cu Pluto.

În 1930, a fost descoperită o nouă planetă, despre a cărei existență a fost mult timp vorbită de Percival Lovell, astronom, matematician și autor de eseuri fantastice despre viața de pe Marte. Pe baza multor ani de observații ale mișcărilor lui Uranus și Neptun, el a ajuns la concluzia că în spatele lui Neptun în sistemul solar trebuie să existe o altă planetă, a noua, situată de patruzeci de ori mai departe de Soare decât Pământ. Elementele orbitei noii planete au fost calculate de el în 1915. Pluto a fost descoperit în fotografiile făcute pe 21, 23 și 29 ianuarie 1930 de astronomul Clyde Tombaugh la Observatorul Lowell din Flagstaff. Planeta a fost descoperită pe 18 februarie 1930. Numele planetei a fost dat de o școală de unsprezece ani din Oxford, Venetia Burney. În mitologia greacă, Hades este zeul lumii interlope.

Prima mențiune tipărită a termenului plutoniu datează din 21 martie 1942. Numele celui de-al 94-lea element chimic a fost propus de Arthur Wahl și Glenn Seaborg. În 1948, Edwin Macmillan a sugerat ca cel de-al 93-lea element chimic să fie numit neptunium, deoarece Neptun este prima planetă dincolo de Uranus. Prin analogie, plutoniul a fost numit după a doua planetă dincolo de Uranus, Pluto. Descoperirea plutoniului a avut loc la 10 ani de la descoperirea planetei pitice.

Inițial, Seaborg a sugerat numirea noului element „plutoniu”, dar mai târziu a decis că numele „plutoniu” suna mai bine. Pentru a desemna elementul, a dat în glumă două litere „Pu” - această denumire i s-a părut cea mai acceptabilă din tabelul periodic. Seaborg a sugerat și alte variante de nume, de exemplu ultimium, extermia. Cu toate acestea, din cauza concepției greșite de la acea vreme că plutoniul ar fi ultimul element chimic din tabelul periodic, elementul a fost numit „plutoniu” după descoperirea ultimei planete din sistemul solar.

Primele studii

După câteva luni de cercetări inițiale, chimia plutoniului a început să fie considerată similară cu cea a uraniului. Au continuat cercetările ulterioare la laboratorul metalurgic secret de la Universitatea din Chicago. Datorită lui Cunningham și Werner, pe 18 august 1942, primul microgram de compus pur de plutoniu a fost izolat din 90 kg de nitrat de uranil iradiat cu neutroni într-un ciclotron. La 10 septembrie 1942 - o lună mai târziu, timp în care oamenii de știință au crescut cantitatea de compus - a avut loc o cântărire. Această probă istorică cântărea 2,77 micrograme și era formată din dioxid de plutoniu; depozitat în prezent în Lawrence Hall, Berkeley. Până la sfârșitul anului 1942, s-au acumulat 500 de micrograme de sare a elementului. Pentru un studiu mai detaliat al noului element în Statele Unite, s-au format mai multe grupuri:

• un grup de oameni de știință care trebuia să izoleze plutoniul pur prin metode chimice,
• un grup care a studiat comportamentul plutoniului în soluții, inclusiv studiul stărilor sale de oxidare, potențialelor de ionizare și cineticii reacțiilor,
• un grup care a studiat chimia formării complexe a ionilor de plutoniu și alte grupuri.

Cercetările au arătat că plutoniul poate fi găsit în stări de oxidare între 3 și 6 și că stările inferioare de oxidare tind să fie mai stabile decât neptuniul. În același timp, a fost stabilită similitudinea proprietăților chimice ale plutoniului și neptuniului. În 1942, Stan Thomson, membru al grupului lui Glenn Seaborg, a descoperit că plutoniul tetravalent se obținea în cantități mari atunci când se afla în soluție acidă în prezența fosfatului de bismut. Ulterior, aceasta a condus la studiul și aplicarea metodei bismut-fosfat pentru extracția plutoniului. În noiembrie 1943, unele cantități de fluorură de plutoniu au fost separate pentru a obține o probă pură a elementului sub formă de câteva micrograme de pulbere fină. Ulterior, s-au obtinut mostre ce puteau fi vazute cu ochiul liber.

Primul ciclotron din URSS producea plutoniu.

În URSS, primele experimente privind obținerea Pu au fost începute în 1943-1944. sub îndrumarea academicienilor I. V. Kurchatov și V. G. Khlopin. În scurt timp, în URSS au fost efectuate studii ample asupra proprietăților plutoniului. La începutul anului 1945, la primul ciclotron din Europa, construit în 1937 la Institutul Radium, prima probă sovietică de plutoniu a fost obținută prin iradierea cu neutroni a nucleelor ​​de uraniu. În orașul Ozyorsk, din 1945, a început construcția primului reactor nuclear industrial pentru producția de plutoniu, primul obiect al Asociației de Producție Mayak, care a fost lansat la 19 iunie 1948.

Producție în proiectul Manhattan

Cele mai importante locații pentru Proiectul Manhattan.

Proiectul Manhattan provine din scrisoarea lui Einstein către Roosevelt. Scrisoarea a atras atenția președintelui asupra faptului că Germania nazistă efectua cercetări active, în urma cărora ar putea achiziționa în curând o bombă atomică. În august 1939, Leo Sillard i-a cerut prietenului său Albert Einstein să semneze o scrisoare. Ca urmare a răspunsului pozitiv al lui Franklin Roosevelt, Proiectul Manhattan a fost ulterior format în Statele Unite.

În timpul celui de-al Doilea Război Mondial, scopul proiectului a fost crearea unei bombe nucleare. Proiectul de program atomic, din care s-a format Proiectul Manhattan, a fost aprobat și simultan creat prin decret al președintelui Statelor Unite pe 9 octombrie 1941. Proiectul Manhattan și-a început activitățile pe 12 august 1942. Cele trei obiective principale ale sale au fost:

• Producția de plutoniu la complexul Hanford
• Îmbogățirea uraniului la Oak Ridge, Tennessee
• Cercetări în domeniul armelor nucleare și al structurii bombei atomice la Laboratorul Național Los Alamos

O fotografie comemorativă a oamenilor de știință care au luat parte la Chicago Woodpile-1. Rândul din față, al doilea din dreapta: Leo Sillard; primul din stânga: Enrico Fermi.

Primul reactor nuclear care a produs cantități mari de element în comparație cu ciclotronii a fost Chicago Woodpile-1. A intrat în funcțiune la 2 decembrie 1942 datorită lui Enrico Fermi și Leo Sillard; În această zi, a avut loc prima reacție nucleară în lanț auto-susținută. Uraniul-238 și uraniul-235 au fost folosite pentru a produce plutoniu-239. Reactorul a fost construit sub tribunele de la Stagg Field de la Universitatea din Chicago. Era format din 6 tone de uraniu metalic, 34 de tone de oxid de uraniu și 400 de tone de „cărămizi negre” de grafit. Singurul lucru care putea opri o reacție nucleară în lanț au fost tijele de cadmiu, care captează bine neutronii termici și, ca urmare, pot preveni un posibil incident. Din cauza lipsei de protecție împotriva radiațiilor și de răcire, puterea sa obișnuită a fost de doar 0,5 ... 200 de wați.

Lucrători la reactorul de grafit X-10.

Al doilea reactor care a făcut posibilă producerea plutoniului-239 a fost reactorul de grafit X-10. A fost dat în funcțiune la 4 noiembrie 1943 în orașul Oak Ridge, în prezent aflându-se pe teritoriul Laboratorului Național Oak Ridge. Acest reactor a fost al doilea din lume după Chicago Woodpile-1 și primul reactor creat în continuarea Proiectului Manhattan. Reactorul a fost primul pas spre crearea unor reactoare nucleare mai puternice, adică a fost experimental. Sfârșitul lucrării sale a venit în 1963; deschis publicului din anii 1980 și este unul dintre cele mai vechi reactoare nucleare din lume.

Pe 5 aprilie 1944, Emilio Segre a primit primele mostre de plutoniu produse în reactorul X-10. În 10 zile, el a descoperit că concentrația de plutoniu-240 în reactor era foarte mare în comparație cu ciclotronii. Acest izotop are o capacitate foarte mare de fisiune spontană, drept urmare fondul general al iradierii cu neutroni crește. Pe această bază, s-a ajuns la concluzia că utilizarea plutoniului de înaltă puritate într-o bombă nucleară de tip tun, în special în bomba Khudoy, ​​ar putea duce la detonare prematură. Datorită faptului că tehnologia de dezvoltare a bombelor nucleare s-a îmbunătățit din ce în ce mai mult, s-a constatat că pentru o sarcină nucleară cel mai bine este să folosiți materia nucleară sub formă de sfere.

Construcția Reactorului B, primul reactor nuclear capabil să producă plutoniu la scară industrială.

Primul reactor nuclear comercial de producție Pu este Reactor B, situat în SUA. Construcția a început în iunie 1943 și s-a încheiat în septembrie 1944. Puterea reactorului a fost de 250 MW. Pentru prima dată, apa a fost folosită ca lichid de răcire în acest reactor. Reactorul B a produs plutoniu-239, care a fost folosit pentru prima dată în testul Trinity. Materialele nucleare obținute din acest reactor au fost folosite în bomba aruncată pe Nagasaki la 9 august 1945. Reactorul construit a fost închis în februarie 1968 și este situat în regiunea deșertică a statului Washington, în apropiere de orașul Richland.

Complexul Hanford. Reactoarele B, D, F etc. sunt situate de-a lungul râului în partea superioară a schemei.

În timpul Proiectului Manhattan, în complexul Hanford au fost create multe zone pentru primirea, depozitarea, prelucrarea și utilizarea materialelor nucleare. Aceste locuri de înmormântare conțin aproximativ 205 kg de izotopi de plutoniu. Au fost formate mai multe zone pentru a stoca cele nouă reactoare nucleare care au produs elementul chimic, numeroase clădiri auxiliare care au poluat mediul. Alte dintre aceste zone au fost create cu scopul de a separa plutoniul și uraniul de impurități prin mijloace chimice. După închiderea acestui complex, au fost eliminate peste 20 de tone de plutoniu în forme sigure.

În 2004, în urma săpăturilor, pe teritoriul complexului Hanford au fost descoperite înmormântări. Printre ei a fost găsit plutoniu de calitate pentru arme, care se afla într-un vas de sticlă. Acest eșantion de plutoniu pentru arme s-a dovedit a fi cel mai longeviv și a fost examinat de Laboratorul Național Pacific. Rezultatele au arătat că această probă a fost creată pe reactorul de grafit X-10 în 1944.

Unul dintre participanții la proiect a fost implicat în transferul secret de desene pe principiile construcției bombelor cu uraniu și plutoniu, precum și mostre de uraniu-235 și plutoniu-239.

Trinity și omul gras

Primul test nuclear, numit Trinity, pe 16 iulie 1945, lângă Alamogordo, New Mexico, a folosit plutoniu ca încărcătură nucleară. The Thing a folosit lentile convenționale pentru a comprima plutoniul la o masă critică. Acest dispozitiv a fost creat pentru a testa un nou tip de bombă nucleară „Fat Man” pe bază de plutoniu. În același timp, neutronii au început să curgă din Arici pentru o reacție nucleară. Dispozitivul a fost fabricat din poloniu și beriliu; această sursă a fost folosită în prima generație de bombe nucleare, deoarece la acea vreme această compoziție era considerată singura sursă de neutroni. Toată această compoziție a făcut posibilă realizarea unei explozii nucleare puternice. Masa totală a bombei utilizate în testul nuclear Trinity a fost de 6 tone, deși miezul bombei conținea doar 6,2 kg de plutoniu, iar altitudinea estimată pentru explozia deasupra orașului a fost de 225-500 m. Aproximativ 20% din plutoniul utilizat în această bombă erau 20.000 de tone în echivalent TNT.

Bomba Fat Man a fost aruncată pe Nagasaki la 9 august 1945. În urma exploziei, 70 de mii de oameni au fost uciși pe loc și alte 100 de mii au fost răniți.A avut un mecanism similar: un miez din plutoniu a fost plasat într-o sferă. carcasă de aluminiu, care era înconjurată de explozibili chimici. În timpul detonării carcasei, sarcina de plutoniu a fost comprimată din toate părțile, iar densitatea sa a depășit-o pe cea critică, după care a început o reacție nucleară în lanț. Malysh, aruncat pe Hiroshima cu trei zile mai devreme, folosea uraniu-235, dar nu plutoniu. Japonia a semnat un acord de capitulare pe 15 august. După aceste cazuri, în mass-media a fost publicat un mesaj despre utilizarea unui nou element chimic radioactiv - plutoniul.

război rece

În timpul Războiului Rece au fost produse cantități mari de plutoniu de către SUA și URSS. Reactoarele americane de la Savannah River Site și Hanford au produs 103 tone de plutoniu în timpul războiului, în timp ce URSS a produs 170 de tone de plutoniu pentru arme. Astăzi, aproximativ 20 de tone de plutoniu sunt produse în energia nucleară ca produs secundar al reacțiilor nucleare. Pentru fiecare 1.000 de tone de plutoniu depozitate, sunt recuperate 200 de tone de plutoniu din reactoarele nucleare. Pentru 2007, SIIM a estimat plutoniul mondial la 500 de tone, care este împărțit aproximativ în mod egal în nevoi de arme și energie.

Dispunerea propusă a tunelului de stocare a deșeurilor nucleare la depozitul Yucca Mountain.

Imediat după încheierea Războiului Rece, toate stocurile nucleare au devenit o problemă de proliferare. De exemplu, în Statele Unite, blocuri de două tone au fost topite din plutoniu extras din arme nucleare, în care elementul este sub formă de oxid de plutoniu inert. Aceste blocuri sunt glazurate cu sticlă borosilicată cu un amestec de zirconiu și gadoliniu. Apoi aceste blocuri au fost acoperite cu oțel inoxidabil și îngropate în pământ la o adâncime de 4 km. Autoritățile locale și de stat din SUA nu au permis depozitarea deșeurilor nucleare în Muntele Yucca. În martie 2010, autoritățile americane au decis să retragă licența pentru dreptul de depozitare a deșeurilor nucleare. Barack Obama a propus să revizuiască politica de depozitare a deșeurilor și să ofere recomandări pentru dezvoltarea de noi metode eficiente de gestionare a combustibilului uzat și a deșeurilor.

experimente medicale

Pe tot parcursul celui de-al Doilea Război Mondial și după acesta, oamenii de știință au efectuat experimente pe animale și oameni, injectând intravenos doze de plutoniu. Studiile pe animale au arătat că câteva miligrame de plutoniu per kilogram de țesut reprezintă o doză letală. Doza „standard” a fost de 5 micrograme de plutoniu, iar în 1945 această cifră a fost redusă la 1 microgram datorită faptului că plutoniul tinde să se acumuleze în oase și, prin urmare, este mai periculos decât radiul.

Optsprezece teste umane de plutoniu au fost efectuate fără acordul prealabil, pentru a afla unde și cum este concentrat plutoniul în corpul uman și pentru a dezvolta standarde pentru manipularea în siguranță a acestuia. Primele locuri în care au fost efectuate experimente în cadrul Proiectului Manhattan au fost: Hanford, Berkeley, Los Alamos, Chicago, Oak Ridge, Rochester.