Descrierea plutoniului

Plutoniu(Plutoniul) este un element chimic argintiu greu, un metal radioactiv cu număr atomic 94, care este desemnat în tabelul periodic prin simbolul Pu.

Acest element chimic activ electronegativ aparține grupului de actinide cu o masă atomică de 244,0642 și, la fel ca neptuniul, care și-a primit numele în onoarea planetei cu același nume, această substanță chimică își datorează numele planetei Pluto, încă de la predecesori. ale elementului radioactiv din tabelul periodic al elementelor chimice al lui Mendeleev sunt și neptuniu, care au fost, de asemenea, numite după planetele cosmice îndepărtate din galaxia noastră.

Originea plutoniului

Element plutoniu a fost descoperit pentru prima dată în 1940 la Universitatea din California de un grup de radiologi și cercetători științifici G. Seaborg, E. McMillan, Kennedy, A. Walch când bombarda o țintă de uraniu de la un ciclotron cu deuteroni - nuclee grele de hidrogen.

În decembrie același an, oamenii de știință au descoperit izotop de plutoniu– Pu-238, al cărui timp de înjumătățire este de peste 90 de ani și s-a constatat că sub influența reacțiilor chimice nucleare complexe se produce inițial izotopul neptunium-238, după care izotopul este deja format plutoniu-238.

La începutul anului 1941, oamenii de știință au descoperit plutoniu 239 cu o perioadă de decădere de 25.000 de ani. Izotopii plutoniului pot avea conținut diferit de neutroni în nucleu.

Un compus pur al elementului a fost obținut abia la sfârșitul anului 1942. De fiecare dată când oamenii de știință radiologi au descoperit un nou izotop, au măsurat întotdeauna timpul de înjumătățire al izotopilor.

În prezent, izotopii de plutoniu, dintre care sunt 15 în total, diferă în ceea ce privește durata de timp jumătate de viață. Cu acest element sunt asociate mari speranțe și perspective, dar, în același timp, temeri serioase ale umanității.

Plutoniul are o activitate semnificativ mai mare decât, de exemplu, uraniul și este una dintre cele mai scumpe substanțe importante din punct de vedere tehnic și semnificative de natură chimică.

De exemplu, costul unui gram de plutoniu este de câteva ori mai mare decât un gram, , sau alte metale la fel de valoroase.

Producția și extracția plutoniului este considerată costisitoare, iar costul unui gram de metal în vremea noastră rămâne cu încredere la aproximativ 4.000 de dolari SUA.

Cum se obține plutoniul? Producția de plutoniu

Producerea elementului chimic are loc în reactoare nucleare, în interiorul cărora uraniul este divizat sub influența unor procese chimice și tehnologice complexe, interdependente.

Uraniul și plutoniul sunt principalele componente ale producției de combustibil atomic (nuclear).

Dacă este necesară obținerea unei cantități mari de element radioactiv, se utilizează metoda de iradiere a elementelor transuranice, care poate fi obținută din combustibil nuclear uzat și iradierea uraniului. Reacțiile chimice complexe permit separarea metalului de uraniu.

Pentru a obține izotopi, și anume plutoniu-238 și plutoniu-239 de calitate pentru arme, care sunt produse intermediare de degradare, se folosește iradierea neptuniului-237 cu neutroni.

O mică fracțiune de plutoniu-244, care este cel mai longeviv izotop datorită timpului său lung de înjumătățire, a fost descoperită în minereul de ceriu, care este probabil păstrat de la formarea planetei noastre Pământ. Acest element radioactiv nu se găsește în mod natural în natură.

Proprietățile fizice de bază și caracteristicile plutoniului

Plutoniul este un element chimic radioactiv destul de greu, cu o culoare argintie, care strălucește doar atunci când este purificat. Nuclear masa de plutoniu metalic egal cu 244 a. mânca.

Datorită radioactivității sale ridicate, acest element este cald la atingere și se poate încălzi până la o temperatură care depășește temperatura de fierbere a apei.

Plutoniul, sub influența atomilor de oxigen, se întunecă rapid și devine acoperit cu o peliculă subțire irizată de galben deschis inițial, apoi o nuanță bogată sau maro.

Cu oxidare puternică, pe suprafața elementului are loc formarea de pulbere de PuO2. Acest tip de metal chimic este supus unor procese puternice de oxidare și coroziune chiar și la niveluri scăzute de umiditate.

Pentru a preveni coroziunea și oxidarea suprafeței metalice, este necesară o instalație de uscare. Fotografie cu plutoniu poate fi vizualizat mai jos.

Plutoniul este un metal chimic tetravalent; se dizolvă bine și rapid în substanțe iodhidrice și medii acide, de exemplu, în acid cloric.

Sărurile metalice sunt rapid neutralizate în medii cu reacție neutră, soluții alcaline, formând în același timp hidroxid de plutoniu insolubil.

Temperatura la care se topește plutoniul este de 641 de grade Celsius, punctul de fierbere este de 3230 de grade.

Sub influența temperaturilor ridicate, apar modificări nenaturale ale densității metalului. În forma sa, plutoniul are diverse faze și are șase structuri cristaline.

În timpul tranziției între faze, apar modificări semnificative ale volumului elementului. Elementul capătă cea mai densă formă în a șasea fază alfa (ultima etapă a tranziției), în timp ce singurele lucruri mai grele decât metalul în această stare sunt neptuniul și radiul.

Când este topit, elementul suferă o comprimare puternică, astfel încât metalul poate pluti pe suprafața apei și a altor medii lichide neagresive.

În ciuda faptului că acest element radioactiv aparține grupului de metale chimice, elementul este destul de volatil, iar atunci când se află într-un spațiu închis pe o perioadă scurtă de timp, concentrația sa în aer crește de câteva ori.

Principalele proprietăți fizice ale metalului includ: gradul scăzut, nivelul de conductivitate termică a tuturor elementelor chimice existente și cunoscute, nivelul scăzut de conductivitate electrică; în stare lichidă, plutoniul este unul dintre cele mai vâscoase metale.

Este de remarcat faptul că orice compuși ai plutoniului sunt toxici, otrăvitori și prezintă un pericol grav de radiație pentru corpul uman, care apare din cauza radiațiilor alfa active, prin urmare toate lucrările trebuie efectuate cu cea mai mare grijă și numai în costume speciale cu protecție chimică. .

Puteți citi mai multe despre proprietățile și teoriile despre originea unui metal unic în carte Obruchev „Plutonia”" Autorul V.A. Obruchev invită cititorii să se cufunde în lumea uimitoare și unică a țării fantastice Plutonia, care este situată adânc în măruntaiele Pământului.

Aplicații ale plutoniului

Elementul chimic industrial este de obicei clasificat în plutoniu de calitate pentru arme și de calitate pentru reactor („de calitate energetică”).

Astfel, pentru producția de arme nucleare, dintre toți izotopii existenți, este permisă utilizarea numai a plutoniului 239, care nu trebuie să conțină mai mult de 4,5% plutoniu 240, deoarece este supus fisiunii spontane, ceea ce complică semnificativ producția de proiectile militare. .

Plutoniu-238 este utilizat pentru operarea surselor de radioizotopi de dimensiuni mici de energie electrică, de exemplu, ca sursă de energie pentru tehnologia spațială.

Cu câteva decenii în urmă, plutoniul era folosit în medicină în stimulatoare cardiace (dispozitive pentru menținerea ritmului cardiac).

Prima bombă atomică creată în lume avea o încărcătură de plutoniu. Plutoniu nuclear(Pu 239) este solicitat ca combustibil nuclear pentru a asigura funcționarea reactoarelor de putere. Acest izotop servește și ca sursă pentru producerea elementelor de transplutoniu în reactoare.

Dacă comparăm plutoniul nuclear cu metalul pur, izotopul are parametri metalici mai mari și nu are faze de tranziție, deci este utilizat pe scară largă în procesul de obținere a elementelor combustibile.

Oxizii izotopului Plutoniu 242 sunt, de asemenea, solicitați ca sursă de energie pentru unitățile, echipamentele și barele de combustibil letale în spațiu.

Plutoniu de calitate pentru arme este un element care se prezintă sub forma unui metal compact care conține cel puțin 93% izotopul Pu239.

Acest tip de metal radioactiv este utilizat în producția de diferite tipuri de arme nucleare.

Plutoniul de calitate pentru arme este produs în reactoare nucleare industriale specializate care funcționează cu uraniu natural sau slab îmbogățit ca urmare a captării neutronilor.

Există 15 izotopi cunoscuți ai plutoniului. Cel mai important dintre acestea este Pu-239 cu un timp de înjumătățire de 24.360 de ani. Greutatea specifică a plutoniului este de 19,84 la o temperatură de 25°C. Metalul începe să se topească la o temperatură de 641°C și fierbe la 3232°C. Valența sa este 3, 4, 5 sau 6.

Metalul are o nuanță argintie și devine galben atunci când este expus la oxigen. Plutoniul este un metal reactiv chimic și se dizolvă ușor în acid clorhidric concentrat, acid percloric și acid iodhidric. În timpul degradarii, metalul eliberează energie termică.

Plutoniul este a doua actinidă transuranică descoperită. În natură, acest metal poate fi găsit în cantități mici în minereurile de uraniu.

Plutoniul este otrăvitor și necesită o manipulare atentă. Cel mai fisionabil izotop al plutoniului a fost folosit ca armă nucleară. În special, a fost folosit într-o bombă care a fost aruncată asupra orașului japonez Nagasaki.

Aceasta este o otravă radioactivă care se acumulează în măduva osoasă. Mai multe accidente, unele fatale, au avut loc în timpul experimentelor pe oameni pentru a studia plutoniul. Este important ca plutoniul să nu atingă masa critică. În soluție, plutoniul formează o masă critică mai repede decât în ​​stare solidă.

Numărul atomic 94 înseamnă că toți atomii de plutoniu sunt 94. În aer, oxidul de plutoniu se formează pe suprafața metalului. Acest oxid este piroforic, așa că plutoniul mocnit va pâlpâi ca cenușa.

Există șase forme alotrope de plutoniu. A șaptea formă apare la temperaturi ridicate.

Într-o soluție apoasă, plutoniul își schimbă culoarea. Pe suprafața metalului apar diverse nuanțe pe măsură ce acesta se oxidează. Procesul de oxidare este instabil și culoarea plutoniului se poate schimba brusc.

Spre deosebire de majoritatea substanțelor, plutoniul devine mai dens atunci când este topit. În stare topită, acest element este mai vâscos decât alte metale.

Metalul este folosit în izotopii radioactivi din generatoarele termoelectrice care alimentează navele spațiale. În medicină, este utilizat în producția de stimulatoare cardiace electronice.

Inhalarea vaporilor de plutoniu este periculoasă pentru sănătate. În unele cazuri, acest lucru poate provoca cancer pulmonar. Plutoniul inhalat are un gust metalic.

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

Plutoniul nu are izotopi stabili. Din cei o sută de izotopi posibili ai plutoniului, douăzeci și cinci au fost sintetizați. Au fost studiate proprietățile nucleare a cincisprezece dintre ele (numerele de masă 232-246). Patru au găsit aplicație practică. Cei mai longeviv izotopi sunt 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) - α- emițători și 241Pu (timp de înjumătățire 14 ani) - β-emițător. În natură, plutoniul se găsește în cantități neglijabile în minereurile de uraniu (239Pu); se formează din uraniu sub influența neutronilor, ale căror surse sunt reacții care apar în timpul interacțiunii particulelor α cu elementele ușoare (incluse în 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), când 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 Lewis Turner.

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

Edwin MacMillan a propus în 1948 să denumească elementul chimic plutoniu în onoarea descoperirii noii planete Pluto și prin analogie cu neptuniul, care a fost numit după descoperirea lui Neptun.

Plutoniul metalic (izotop 239Pu) este folosit în armele nucleare și servește drept combustibil nuclear în reactoarele de putere care funcționează pe neutroni termici și în special pe neutroni rapizi. Masa critică pentru 239Pu ca 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 de energie nucleară de dimensiuni mici utilizate în cercetarea spațială, precum și în stimulentele cardiace umane.

Plutoniul-242 este important ca „materie primă” pentru acumularea relativ rapidă de elemente transuraniu superioare în reactoarele nucleare. Aliajele de plutoniu δ-stabilizate sunt utilizate 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 își găsesc aplicația 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 daunează țesutului înconjurător al corpului. Radiația gamma de la plutoniu nu este periculoasă pentru organism. Merită să luăm în considerare faptul că diferiți izotopi ai plutoniului au toxicități diferite, de exemplu, plutoniul tipic din reactorul 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 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 organism 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 absorb 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 capacitate de penetrare relativ scăzută: pentru 239Pu, intervalul de particule α în aer este de 3,7 cm, iar în țesutul biologic moale de 43 μm. Prin urmare, particulele alfa reprezintă un pericol grav dacă sursa lor se află în corpul unei persoane infectate. În același timp, ele dăunează țesuturilor corpului din jurul elementului.

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 unui grup de elemente cu radiotoxicitate deosebit de ridicată. În același timp, diferiți izotopi ai plutoniului au toxicitate diferită, de exemplu, plutoniul tipic din 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.

Când este ingerat prin apă și alimente, plutoniul este mai puțin toxic decât substanțe precum cofeina, unele vitamine, pseudoefedrina și multe plante și ciuperci. Acest lucru se explică prin faptul că acest element este slab absorbit de tractul gastrointestinal, chiar și atunci când este furnizat sub formă de sare solubilă, aceeași 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 moartea prin iradiere digestivă acută în câteva zile sau săptămâni (pentru cianura această valoare este de 0,1 grame).

Din punct de vedere al inhalării, plutoniul este o toxină obișnuită (aproximativ echivalentă cu vaporii de mercur). Când este inhalat, plutoniul este cancerigen și poate provoca cancer pulmonar. Deci, atunci când sunt inhalate, o sută de miligrame de plutoniu sub formă de particule de dimensiune optimă pentru reținerea în plămâni (1-3 microni) 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. Pericolul inhalării plutoniului în organism crește datorită faptului că plutoniul este predispus la formarea de aerosoli.

Chiar dacă este un metal, este destul de volatil. O scurtă ședere de metal într-o cameră crește semnificativ concentrația acestuia în aer. Plutoniul care intră în plămâni se așează parțial pe suprafața plămânilor, trece parțial în sânge și apoi în limfă și măduva osoasă. Majoritatea (aproximativ 60%) ajung în țesutul osos, 30% în ficat și doar 10% se excretă în mod natural. Cantitatea de plutoniu care intră în organism 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, pătrunzând în sistemul circulator, plutoniul începe să se concentreze în țesuturile care conțin fier: măduvă osoasă, ficat, splină. Organismul percepe plutoniul ca fier, prin urmare, proteina transferină ia plutoniu în loc de fier, drept urmare transferul de oxigen în organism se oprește. Microfagele transportă plutoniu la ganglionii limfatici. Plutoniul care intră în organism durează foarte mult pentru a fi îndepărtat din organism - în 50 de ani, doar 80% vor fi îndepărtați din organism. Timpul de înjumătățire din ficat este de 40 de ani. Pentru țesutul osos, timpul de înjumătățire al plutoniului este de 80-100 de ani; de fapt, concentrația elementului nouăzeci și patru din oase este constantă.

Pe parcursul celui de-al Doilea Război Mondial și după încheierea acestuia, oamenii de știință care lucrau în Proiectul Manhattan, precum și oamenii de știință din cel de-al Treilea Reich și 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 injectarea intramusculară a 5 mcg de plutoniu la pacienții cu boli cronice. În cele din urmă, s-a stabilit că doza letală pentru un pacient era de un microgram de plutoniu și că plutoniul era mai periculos decât radiul și avea tendința de a se acumula în oase.

După cum se știe, plutoniul este un element 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 din cauza testelor nucleare înainte de anii 1980 este estimată la 10 tone. Potrivit unor estimări, solul din Statele Unite conține o medie de 2 milicurii (28 mg) de plutoniu per km2 de precipitații, iar apariția plutoniului în Oceanul Pacific este ridicată în raport cu distribuția globală a materialelor nucleare pe pământ.

Cel mai recent fenomen este asociat cu testele nucleare ale SUA în Insulele Marshall la locul de testare din Pacific la mijlocul anilor 1950. Timpul de rezidență al plutoniului în apele oceanice de suprafață variază 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 redus la forme solubile ca urmare a descompunerii microbiene.

Poluarea globală cu al nouăzeci și patrulea element 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 deorbite necontrolate, un satelit cu o sursă de energie nucleară la bord a căzut pe teritoriul canadian. În urma accidentului, mai mult de un kilogram de plutoniu-238 a fost eliberat în mediu, răspândindu-se pe o suprafață de aproximativ 124.000 m².

Cel mai teribil exemplu de scurgere de urgență a substanțelor 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 nu este asociată doar cu incidente 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 din laboratoarele 235U și 239Pu. În perioada 1953-1978. accidentele au dus la o pierdere de 0,81 (Mayak, 15 martie 1953) la 10,1 kg (Tomsk, 13 decembrie 1978) 239Pu. Incidentele industriale s-au soldat cu un total de două morți la Los Alamos (21 august 1945 și 21 mai 1946) din cauza a două accidente și a pierderii 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 un nucleu de 238Pu fisiune cu neutroni, se eliberează 200 MeV de energie, care este de 50 de milioane de ori mai mult decât cea mai cunoscută reacție exotermă: C + O2 → CO2. „Arzând” într-un reactor nuclear, un gram de plutoniu produce 2.107 kcal - aceasta este energia conținută în 4 tone de cărbune. Un degetar de combustibil plutoniu în echivalent energie poate fi echivalent cu patruzeci de vagoane 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 au încercat de mult timp să obțină un izotop al unui element transuraniu care ar exista mai mult de 244Pu - mari speranțe în acest sens erau 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 că în timpul lucrărilor științifice de 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 el descoperise un nou element, care se numește acum plutoniu, sugerând astfel existența elementelor transuraniu 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 forțat să facă o notă în versiunea tipărită publicată la Stockholm în 1939, indicând necesitatea reconsiderării „întreaga problemă 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.

Un nou element, al nouăzeci și patrulea, a fost descoperit la sfârșitul anului 1940. S-a întâmplat în Berkeley, la Universitatea din California. Bombardând 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 izotopul elementului nr. 94 cu un număr de masă de 238. Astfel, la 14 decembrie 1940, au fost obținute primele cantități de micrograme de plutoniu împreună cu un amestec de alte elemente și compușii acestora.

În timpul unui experiment efectuat în 1940, s-a constatat că, în timpul unei reacții nucleare, este produs mai întâi izotopul de scurtă durată neptunium-238 (timp de înjumătățire 2,117 zile), iar din acesta plutoniu-238:

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

Experimentele chimice lungi și laborioase pentru a separa noul element de impurități au durat două luni. Existența unui nou element chimic a fost confirmată în noaptea de 23 spre 24 februarie 1941 de G. T. Seaborg, E. M. Macmillan, J. W. Kennedy și A. C. Wall prin studiul primelor sale proprietăți chimice - capacitatea de a poseda cel puțin două oxidari. state. Puțin mai târziu de sfârșitul experimentelor, s-a stabilit că acest izotop este nefisil și, prin urmare, neinteresant pentru studii ulterioare. Curând (martie 1941), Kennedy, Seaborg, Segre și Wahl au sintetizat un izotop mai important, plutoniul-239, prin iradierea uraniului cu neutroni foarte accelerați într-un ciclotron. Acest izotop se formează prin descompunerea 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 primele cantități în greutate de plutoniu metalic au fost obținute în 1943.

Denumirea noului element 94 a fost propusă în 1948 de MacMillan, care, cu câteva luni înainte de descoperirea plutoniului, împreună cu F. Eibelson, au obținut primul element mai greu decât uraniul - elementul nr. 93, care a fost numit în cinstea neptuniului. a planetei Neptun – primul dincolo de Uranus. Prin analogie, au decis să numească elementul nr. 94 plutoniu, deoarece planeta Pluto este a doua după Uranus. La rândul său, Seaborg a propus să numească noul element „plutoniu”, dar apoi și-a dat seama că numele nu suna foarte bine în comparație cu „plutoniu”. În plus, a propus și alte denumiri pentru noul element: ultimium, extermium, din cauza judecății eronate la acea vreme că plutoniul va deveni 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 lung 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 din radiația cosmică și a neutronilor produși prin fisiunea 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 astfel își măresc sarcina și 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 foarte lung și se ridică 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, este extrem de dificil nu numai să extragi, ci chiar să detectezi plutoniul „terestre”. Cantități mici de 239Pu - părți per trilion - și produse de degradare pot fi găsite în minereurile de uraniu, de exemplu în reactorul nuclear natural de la Oklo, Gabon (Africa de Vest). Așa-numitul „reactor nuclear natural” este considerat a fi singurul din lume în care actinidele și produsele lor de fisiune se formează în prezent în geosferă. Potrivit estimărilor moderne, în această regiune a avut loc în urmă cu câteva milioane de ani o reacție auto-susținută cu degajarea de căldură, care a durat mai bine de jumătate de milion de ani.

Deci, știm deja că în minereurile de uraniu, ca urmare a captării neutronilor de către nucleele de uraniu, se formează neptuniu (239Np), al cărui produs de descompunere 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 descoperită în bastnaezita precambriană (minereu de ceriu). În natură, 244Pu se găsește predominant 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 acestuia are loc, dar acest lucru se întâmplă foarte rar (1 caz din 10.000). Cantități foarte mici de plutoniu-238 (238Pu) se datorează descompunerii duble beta foarte rare 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 ar putea fi prezente 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, elementul nouăzeci și patru 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. Despre un alt metal radioactiv - radiul se spune: „un gram de producție - un an de muncă”, iar radiul în natură este de 400.000 de ori mai abundent decât plutoniul! Din acest motiv, este extrem de dificil nu numai să extragi, ci chiar să detectezi plutoniul „terestre”. Acest lucru a fost făcut numai după ce au fost studiate proprietățile fizice și chimice ale plutoniului produs 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 armelor nucleare.

Aproximativ o jumătate de mie de centrale nucleare din întreaga lume generează aproximativ 370 GW de energie electrică (sau 15% din producția totală de energie electrică a lumii). 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 de dimensiuni mici utilizate în cercetarea spațială. Astfel, plutoniul-238 este sursa de energie pentru sondele New Horizons, Galileo și Cassini, roverul Curiosity și alte nave spațiale.

Armele nucleare folosesc plutoniu-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 mai puțin volum în sferă (unde se află miezul bombei), prin urmare, puterea explozivă a bombei poate fi câștigată datorită acestui fapt. proprietate.

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

Izotopii de plutoniu și-au găsit utilizarea în sinteza elementelor de transplutoniu (lângă plutoniu). De exemplu, la Laboratorul Național Oak Ridge, se obțin iradiere cu neutroni pe termen lung de 239Pu, 24496Cm, 24296Cm, 24997Bk, 25298Cf, 25399Es și 257100Fm. În același mod, americiu 24195Am a fost obținut pentru prima dată în 1944. În 2010, oxidul de plutoniu-242 bombardat cu ioni de calciu-48 a servit drept sursă pentru 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 proporțiile necesare, în timp ce topirea cu arc este utilizată în principal; uneori aliajele instabile sunt obținute 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 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") atunci când sunt răcite rapid. Galiul, aluminiul, americiul, scandiul și ceriul pot stabiliza 5-plutoniul la temperatura camerei.

Cantități mari de holmiu, hafniu și taliu permit păstrarea 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 atunci când sunt răcite rapid. Aplicațiile unor astfel de aliaje sunt destul de diverse. 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 industrial este produs în două moduri. Aceasta este fie iradierea nucleelor ​​de 238U conținute în reactoarele nucleare, fie separarea prin metode radiochimice (co-precipitare, extracție, schimb de ioni etc.) a plutoniului din uraniu, elemente transuranice și produse de fisiune conținute în combustibilul uzat.

În primul caz, cel mai practic izotop 239Pu (amestecat cu un mic amestec de 240Pu) este produs în reactoare nucleare cu participarea nucleelor ​​de uraniu și a neutronilor folosind degradarea β și cu participarea izotopilor de neptuniu ca produs intermediar 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. Neptunium-238 apoi fisiune spontan, emițând particule beta-minus care formează plutoniu-238.

De obicei, conținutul de 239Pu din amestec este de 90-95%, 240Pu este de 1-7%, conținutul de alți izotopi nu depășește zecimi de procent. 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 separați. În al doilea și al treilea ciclu, plutoniul este în continuare purificat și concentrat. Schema unui astfel de proces se bazează pe diferența dintre proprietățile compușilor tetra- și hexavalenți ai elementelor care sunt 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. Dintr-o astfel de 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, pe lângă plutoniu, sedimentul conține neptuniu și elemente de pământuri rare, dar cea mai mare parte (uraniul) rămâne în soluție. Apoi, plutoniul este din nou oxidat la Pu+6 și se adaugă din nou fluorură de lantan. Acum elementele pământurilor rare precipită, iar plutoniul rămâne în soluție. Apoi, neptuniul este oxidat în stare tetravalentă cu bromat de potasiu, deoarece acest reactiv nu are efect asupra plutoniului, apoi în timpul precipitării secundare cu aceeași fluorură de lantan, plutoniul trivalent trece într-un precipitat, iar neptuniul rămâne în soluție. Produșii finali ai unor astfel de operațiuni sunt compuși cu conținut de plutoniu - dioxid sau fluoruri de PuO2 (PuF3 sau PuF4), din care se obține plutoniu metalic (prin reducere cu vapori de bariu, calciu sau litiu).

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

Pentru a produce 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 produce material fisionabil în cantități care depășesc costul de obținere a acestui material. Diferența dintre reactoarele de acest tip și altele este că neutronii din ele nu sunt încetiniți (nu există moderator, de exemplu, grafit) pentru ca cât mai mulți dintre ei să reacționeze 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 sărăcit-238 (238UO2), în care se formează 239Pu. Utilizarea combinată a 238U și 235U permite „crescătorilor” să producă de 50-60 de ori mai multă energie din uraniu natural decât alte reactoare. Cu toate acestea, aceste reactoare au un mare dezavantaj - barele de combustibil trebuie să fie răcite printr-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 construcția abia în anii 1950.

Proprietăți fizice

Plutoniul este un metal argintiu foarte greu (densitate la nivel normal 19,84 g/cm³), într-o stare purificată foarte asemănătoare cu nichelul, dar în aer plutoniul se oxidează rapid, se estompează, formând o peliculă irizată, mai întâi galben deschis, apoi transformându-se în violet închis. . Când are loc o oxidare severă, pe suprafața metalului apare o pulbere de oxid verde măsline (PuO2).

Plutoniul este un metal foarte electronegativ și reactiv, de multe ori mai mult chiar decât 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 aproximativ la fel de dură ca fonta cenușie, cu excepția cazului în care este aliată cu alte metale, ceea ce va da aliajului ductilitate și moliciune. în această formă cu cea mai mare densitate, plutoniul este al șaselea element cel mai dens (Numai osmiul, iridiul, platina, reniul și neptuniul sunt mai grele. Transformările alotropice ulterioare ale plutoniului sunt însoțite de modificări bruște ale densității. De exemplu, atunci când sunt încălzite de la 310 la 480 ° C , nu se dilată, ca și alte metale, ci se contractă (faze delta „ și „delta prim”) Când este topit (tranziție de la faza epsilon la faza lichidă), plutoniul se contractă și el, permițând plutoniului netopit să plutească.

Plutoniul are 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. Această „anomalie” poate fi urmărită până la o temperatură de 100 K - sub acest semn, rezistența electrică va scădea. Cu toate acestea, de la 20 K rezistența începe să crească din nou datorită activității de radiație a metalului.

Plutoniul are cea mai mare rezistivitate electrică dintre toate actinidele studiate (până în prezent), care este de 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 sale, plutoniul este cald la atingere. O bucată mare de plutoniu într-o carcasă 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 alotrope în plutoniu face ca acesta să fie 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, tinde să se schimbe și să se transforme într-un material ductil și să formeze 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. Atunci când este aliat cu aceste metale, plutoniul poate fi folosit la sudare. În general, forma deltă are caracteristici mai pronunțate ale unui metal - este aproape de aluminiu ca rezistență și forjabilitate.

Proprietăți chimice

Proprietățile chimice ale celui de-al nouăzeci și patrulea element sunt în multe privințe similare cu proprietățile predecesorilor săi din tabelul 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 ușoară); Pu (VI), ca PuO22+ (soluție portocalie deschis) și Pu(VII), ca PuO53- (soluție verde).

Mai mult, acești ioni (cu excepția PuO53-) pot fi simultan în echilibru în soluție, ceea ce se explică prin prezența electronilor 5f, care sunt localizați în zona localizată și delocalizată a orbitalului electronic. 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 de oxid irizată, uleioasă. Sunt cunoscuți următorii oxizi de plutoniu: PuO, Pu2O3, PuO2 și o fază de compoziție variabilă Pu2O3 - Pu4O7 (Berthollides). În prezența unor cantități mici de umiditate, rata de oxidare și coroziune crește semnificativ. Dacă un metal este expus la cantități mici de aer umed timp suficient, pe suprafața sa se formează dioxid de plutoniu (PuO2). Cu o lipsă de oxigen, se poate forma și dihidrida sa (PuH2). În mod surprinzător, plutoniul ruginește mult mai repede într-o atmosferă de gaz inert (cum ar fi argonul) 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 împiedică oxidarea ulterioară; prezența umidității produce un amestec liber de oxid și hidrură. Apropo, datorită acestei acoperiri, metalul devine piroforic, adică este capabil de ardere spontană; din acest motiv, plutoniul metalic este de obicei prelucrat 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 HCl) și este, de asemenea, solubil în acid clorhidric, iodură de hidrogen, bromură de hidrogen, acid percloric 72%, acid ortofosforic 85% H3PO4, CCl3COOH concentrat, acid sulfamic și fierbere. acid azotic concentrat. Plutoniul nu se dizolvă vizibil în soluții alcaline.

Când soluțiile care conțin plutoniu tetravalent sunt expuse la alcalii, un precipitat de hidroxid de plutoniu Pu(OH)4 xH2O, care are proprietăți bazice, precipită. Când soluțiile de săruri care conțin PuO2+ sunt expuse la alcalii, hidroxidul amfoter PuO2OH precipită. Acesta este răspuns de săruri - 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.

Acest metal este numit prețios, dar nu pentru frumusețea sa, ci pentru caracterul de neînlocuit. În tabelul periodic al lui Mendeleev, acest element ocupă celula numărul 94. Cu el oamenii de știință își pun cele mai mari speranțe și plutoniul îl numesc cel mai periculos metal pentru umanitate.

Plutoniu: descriere

În aparență, este un metal alb-argintiu. Este radioactiv și poate fi reprezentat sub formă de 15 izotopi cu timpi de înjumătățire diferit, de exemplu:

• Pu-238 – aproximativ 90 de ani
• Pu-239 – aproximativ 24 de mii de ani
• Pu-240 – 6580 ani
• Pu-241 – 14 ani
• Pu-242 – 370 mii ani
• Pu-244 – aproximativ 80 de milioane de ani

Acest metal nu poate fi extras din minereu, deoarece este un produs al transformării radioactive a uraniului.

Cum se obține plutoniul?

Producția de plutoniu necesită fisiunea uraniului, care se poate face doar în reactoare nucleare. Dacă vorbim despre prezența elementului Pu în scoarța terestră, atunci pentru 4 milioane de tone de minereu de uraniu va exista doar 1 gram de plutoniu pur. Și acest gram se formează prin captarea naturală a neutronilor de către nucleele de uraniu. Astfel, pentru a obține acest combustibil nuclear (de obicei izotopul 239-Pu) într-o cantitate de câteva kilograme, este necesară realizarea unui proces tehnologic complex într-un reactor nuclear.

Proprietățile plutoniului

Plutoniul metal radioactiv are următoarele proprietăți fizice:

• densitate 19,8 g/cm3
• punctul de topire – 641°C
• punctul de fierbere – 3232°C
• conductivitate termică (la 300 K) – 6,74 W/(m K)

Plutoniul este radioactiv, motiv pentru care este cald la atingere. Mai mult, acest metal se caracterizează prin cea mai scăzută conductivitate termică și electrică. Plutoniul lichid este cel mai vâscos dintre toate metalele existente.

Cea mai mică modificare a temperaturii plutoniului duce la o schimbare instantanee a densității substanței. În general, masa plutoniului este în continuă schimbare, deoarece nucleele acestui metal sunt într-o stare de fisiune constantă în nuclee mai mici și neutroni. Masa critică a plutoniului este numele dat masei minime a unei substanțe fisionabile la care fisiunea (o reacție nucleară în lanț) rămâne posibilă. De exemplu, masa critică a plutoniului de calitate pentru arme este de 11 kg (pentru comparație, masa critică a uraniului foarte îmbogățit este de 52 kg).

Uraniul și plutoniul sunt principalii combustibili nucleari. Pentru a obține plutoniu în cantități mari, se folosesc două tehnologii:

• iradierea cu uraniu
• iradierea elementelor transuraniu obținute din combustibilul uzat

Ambele metode presupun separarea plutoniului și uraniului ca rezultat al unei reacții chimice.

Pentru a obține plutoniu-238 pur, se utilizează iradierea cu neutroni a neptuniului-237. Același izotop este implicat în crearea plutoniului-239 de calitate pentru arme; în special, este un produs de degradare intermediară. 1 milion de dolari este prețul pentru 1 kg de plutoniu-238.

Izotopul plutoniului 238 Pu a fost obținut pentru prima dată artificial pe 23 februarie 1941 de un grup de oameni de știință americani condus de G. Seaborg prin iradierea nucleelor ​​de uraniu cu deuteroni. Abia atunci a fost descoperit plutoniul în natură: 239 Pu se găsește de obicei în cantități neglijabile în minereurile de uraniu ca produs al transformării radioactive a uraniului. Plutoniul este primul element artificial obținut în cantități disponibile pentru cântărire (1942) și primul a cărui producție a început la scară industrială.
Numele elementului continuă tema astronomică: poartă numele lui Pluto, a doua planetă după Uranus.

Fiind în natură, primind:

În minereurile de uraniu, ca urmare a captării neutronilor (de exemplu, neutroni din radiația cosmică) de către nucleele de uraniu, se formează neptuniu (239 Np), produsul b- a cărui descompunere este plutoniul natural-239. Cu toate acestea, plutoniul se formează în cantități atât de microscopice (0,4-15 părți Pu per 10 12 părți U), încât extracția sa din minereurile de uraniu este exclusă.
Plutoniul este produs în reactoare 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 energetică-239, sunt create condiții optime (în limita acceptabile).
Plutoniul-244 s-a acumulat și într-un reactor nuclear. Izotopul elementului nr. 95 - americiu, 243 Am a capturat un neutron și s-a transformat în americiu-244; americiu-244 s-a transformat în curiu, dar într-unul din 10 mii de cazuri a avut loc o tranziție în plutoniu-244. Un preparat de plutoniu-244 cântărind doar câteva milionimi de gram a fost izolat dintr-un amestec de americiu și curiu. Dar au fost suficiente pentru a determina timpul de înjumătățire al acestui izotop interesant - 75 de milioane de ani. Mai târziu a fost rafinat și s-a dovedit a fi egal cu 82,8 milioane de ani. În 1971, au fost găsite urme ale acestui izotop în bastnäsite-ul mineral de pământuri rare. 244 Pu este cel mai longeviv dintre toți izotopii elementelor transuraniului.

Proprietăți fizice:

Metal alb-argintiu, are 6 modificări alotropice. Punct de topire 637°C, punctul de fierbere - 3235°C. Densitate: 19,82 g/cm3.

Proprietăți chimice:

Plutoniul este capabil să reacționeze cu oxigenul pentru a forma oxid (IV), care, la fel ca toate primele șapte actinide, are un caracter de bază slab.
Pu + O 2 = PuO 2
Reacționează cu acizi sulfuric, clorhidric, percloric diluați.
Pu + 2HCI(p) = PuCI2 + H2; Pu + 2H2SO4 = Pu(SO4)2 + 2H2
Nu reacționează cu acizii azotic și sulfuric concentrat. Valența plutoniului variază de la trei la șapte. Din punct de vedere chimic, cei mai stabili (și, prin urmare, cei mai comuni și mai studiați) compuși sunt plutoniul tetravalent. Separarea actinidelor cu proprietăți chimice similare - uraniu, neptunium și plutoniu - se poate baza pe diferența dintre proprietățile compușilor lor tetra- și hexavalenți.

Cele mai importante conexiuni:

Oxid de plutoniu (IV)., PuO 2 , are un caracter de bază slab.
...
...

Aplicație:

Plutoniul a fost utilizat pe scară largă în producția de arme nucleare (așa-numitul „plutoniu de calitate pentru arme”). Primul dispozitiv nuclear pe bază de plutoniu a fost detonat pe 16 iulie 1945 la locul de testare Alamogordo (test cu nume de cod Trinity).
Este folosit (experimental) ca combustibil nuclear pentru reactoare nucleare în scopuri civile și de cercetare.
Plutoniul-242 este important ca „materie primă” pentru acumularea relativ rapidă de elemente 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, de exemplu, California-251 din grame de plutoniu. Plutoniul-242 nu este fisionabil de neutroni termici și chiar și în cantități mari poate fi iradiat în fluxuri intense de neutroni. Prin urmare, în reactoare, toate elementele de la californiu la einsteiniu sunt „fabricate” din acest izotop și acumulate în cantități de greutate.

Kovalenko O.A.
Universitatea de Stat HF ​​Tyumen

Surse:
„Sustanțele chimice nocive: Substanțe radioactive” Director L. 1990 p. 197
Rabinovici V.A., Khavin Z.Ya. „A short chemical reference book” L.: Chemistry, 1977 p. 90, 306-307.
ÎN. Beckman. Plutoniu. (manual, 2009)