Plutónium (lat. Plutónium, symbol Pu) je rádioaktívny chemický prvok s atómovým číslom 94 a atómovou hmotnosťou 244,064. Plutónium je prvkom skupiny III periodickej tabuľky Dmitrija Ivanoviča Mendelejeva a patrí do rodiny aktinidov. Plutónium je ťažký (hustota za normálnych podmienok 19,84 g/cm³) krehký rádioaktívny kov strieborno-bielej farby.

Plutónium nemá stabilné izotopy. Zo sto možných izotopov plutónia bolo syntetizovaných dvadsaťpäť. Študovali sa jadrové vlastnosti pätnástich z nich (hmotnostné čísla 232-246). Štyri našli praktické uplatnenie. Najdlhšie žijúce izotopy sú 244Pu (polčas rozpadu 8,26-107 rokov), 242Pu (polčas rozpadu 3,76-105 rokov), 239Pu (polčas rozpadu 2,41-104 rokov), 238Pu (polčas rozpadu 87,74 rokov) - žiariče a 241Pu (polčas rozpadu 14 rokov) - β-emitor. V prírode sa plutónium vyskytuje v zanedbateľných množstvách v uránových rudách (239Pu); vzniká z uránu pod vplyvom neutrónov, ktorých zdrojom sú reakcie prebiehajúce pri interakcii α-častíc s ľahkými prvkami (vrátane rúd), samovoľné štiepenie jadier uránu a kozmické žiarenie.

Deväťdesiaty štvrtý prvok objavila skupina amerických vedcov - Glenn Seaborg, Kennedy, Edwin McMillan a Arthur Wahl v roku 1940 v Berkeley (na Kalifornskej univerzite) pri bombardovaní cieľa oxidu uránu (U3O8) vysoko zrýchlenými jadrami deutéria. (deuteróny) zo šesťdesiatpalcového cyklotrónu. V máji 1940 vlastnosti plutónia predpovedal Louis Turner.

V decembri 1940 bol objavený izotop plutónia Pu-238 s polčasom rozpadu ~90 rokov, po ktorom o rok neskôr nasledoval dôležitejší Pu-239 s polčasom rozpadu ~24 000 rokov.

Edwin MacMillan v roku 1948 navrhol pomenovať chemický prvok plutónium na počesť objavu novej planéty Pluto a analogicky s neptúniom, ktoré bolo pomenované po objavení Neptúna.

Kovové plutónium (izotop 239Pu) sa používa v jadrových zbraniach a slúži ako jadrové palivo v energetických reaktoroch pracujúcich na tepelných a najmä rýchlych neutrónoch. Kritická hmotnosť pre 239Pu ako kov je 5,6 kg. Izotop 239Pu je okrem iného východiskovým materiálom na výrobu transplutóniových prvkov v jadrových reaktoroch. Izotop 238Pu sa používa v malých jadrových zdrojoch energie používaných vo vesmírnom výskume, ako aj v ľudských srdcových stimulantoch.

Plutónium-242 je dôležité ako „surovina“ pre relatívne rýchlu akumuláciu vyšších transuránových prvkov v jadrových reaktoroch. δ-stabilizované zliatiny plutónia sa používajú pri výrobe palivových článkov, pretože majú lepšie metalurgické vlastnosti v porovnaní s čistým plutóniom, ktoré pri zahrievaní prechádza fázovými prechodmi. Oxidy plutónia sa používajú ako zdroj energie pre vesmírne technológie a nachádzajú svoje uplatnenie v palivových tyčiach.

Všetky zlúčeniny plutónia sú jedovaté, čo je dôsledkom α-žiarenia. Častice alfa predstavujú vážne nebezpečenstvo, ak je ich zdroj v tele infikovanej osoby, poškodzujú okolité tkanivo tela. Gama žiarenie z plutónia nie je pre telo nebezpečné. Stojí za zváženie, že rôzne izotopy plutónia majú rôznu toxicitu, napríklad typické reaktorové plutónium je 8-10-krát toxickejšie ako čisté 239Pu, keďže v ňom dominujú nuklidy 240Pu, ktoré je silným zdrojom alfa žiarenia. Plutónium je najrádiotoxickejší prvok zo všetkých aktinidov, nepovažuje sa však za najnebezpečnejší prvok, pretože rádium je takmer tisíckrát nebezpečnejšie ako najjedovatejší izotop plutónia - 239Pu.

Biologické vlastnosti

Plutónium koncentrujú morské organizmy: akumulačný koeficient tohto rádioaktívneho kovu (pomer koncentrácií v tele a vo vonkajšom prostredí) pre riasy je 1000-9000, pre planktón - približne 2300, pre hviezdice - asi 1000, pre mäkkýše - do 380, pre svaly, kosti, pečeň a žalúdok rýb - 5, 570, 200 a 1060, v tomto poradí. Suchozemské rastliny absorbujú plutónium hlavne cez koreňový systém a akumulujú ho na 0,01 % svojej hmoty. V ľudskom tele sa deväťdesiaty štvrtý prvok zadržiava najmä v kostre a pečeni, odkiaľ sa takmer nevylučuje (najmä z kostí).

Plutónium je vysoko toxické a jeho chemická nebezpečnosť (ako každého iného ťažkého kovu) je oveľa slabšia (z chemického hľadiska je aj jedovatý ako olovo.) v porovnaní s jeho rádioaktívnou toxicitou, ktorá je dôsledkom alfa žiarenia. Okrem toho majú α-častice relatívne nízku penetračnú schopnosť: pre 239Pu je rozsah α-častíc vo vzduchu 3,7 cm a v mäkkom biologickom tkanive 43 μm. Alfa častice preto predstavujú vážne nebezpečenstvo, ak je ich zdroj v tele infikovanej osoby. Zároveň poškodzujú tkanivá tela obklopujúce prvok.

Zároveň γ-lúče a neutróny, ktoré plutónium tiež vyžaruje a ktoré sú schopné prenikať do tela zvonka, nie sú veľmi nebezpečné, pretože ich hladina je príliš nízka na to, aby spôsobili ujmu na zdraví. Plutónium patrí do skupiny prvkov s obzvlášť vysokou rádiotoxicitou. Zároveň majú rôzne izotopy plutónia rôznu toxicitu, napríklad typické reaktorové plutónium je 8-10-krát toxickejšie ako čisté 239Pu, keďže v ňom dominujú nuklidy 240Pu, ktoré sú silným zdrojom alfa žiarenia.

Pri požití vodou a potravou je plutónium menej toxické ako látky ako kofeín, niektoré vitamíny, pseudoefedrín a mnohé rastliny a huby. To je vysvetlené skutočnosťou, že tento prvok je zle absorbovaný gastrointestinálnym traktom, aj keď je dodávaný vo forme rozpustnej soli, tá istá soľ je viazaná obsahom žalúdka a čriev. Avšak požitie 0,5 gramu jemne rozomletého alebo rozpusteného plutónia môže mať za následok smrť v dôsledku akútneho ožiarenia tráviaceho traktu v priebehu dní alebo týždňov (pre kyanid je táto hodnota 0,1 gramu).

Z hľadiska inhalácie je plutónium obyčajný toxín (približne ekvivalentný ortuťovým parám). Pri vdýchnutí je plutónium karcinogénne a môže spôsobiť rakovinu pľúc. Takže pri vdýchnutí sto miligramov plutónia vo forme častíc optimálnej veľkosti na zadržiavanie v pľúcach (1-3 mikróny) vedie k smrti na pľúcny edém za 1-10 dní. Dávka dvadsať miligramov vedie k úmrtiu na fibrózu približne za mesiac. Menšie dávky vedú k chronickej karcinogénnej otrave. Nebezpečenstvo vdýchnutia plutónia do tela sa zvyšuje v dôsledku skutočnosti, že plutónium je náchylné na tvorbu aerosólov.

Aj keď ide o kov, je dosť prchavý. Krátky pobyt kovu v miestnosti výrazne zvyšuje jeho koncentráciu vo vzduchu. Plutónium, ktoré vstupuje do pľúc, sa čiastočne usadzuje na povrchu pľúc, čiastočne prechádza do krvi a potom do lymfy a kostnej drene. Väčšina (približne 60 %) končí v kostnom tkanive, 30 % v pečeni a len 10 % sa vylúči prirodzene. Množstvo plutónia, ktoré vstupuje do tela, závisí od veľkosti častíc aerosólu a rozpustnosti v krvi.

Plutónium vstupujúce do ľudského tela tak či onak má podobné vlastnosti ako trojmocné železo, preto sa plutónium po preniknutí do obehového systému začína koncentrovať v tkanivách obsahujúcich železo: kostná dreň, pečeň, slezina. Telo vníma plutónium ako železo, preto proteín transferín berie plutónium namiesto železa, v dôsledku čoho sa zastaví prenos kyslíka v tele. Mikrofágy prenášajú plutónium do lymfatických uzlín. Plutóniu, ktoré sa dostane do tela, trvá veľmi dlho, kým sa z tela odstráni – do 50 rokov sa z tela odstráni len 80 %. Polčas rozpadu z pečene je 40 rokov. Pre kostné tkanivo je polčas rozpadu plutónia 80-100 rokov, v skutočnosti je koncentrácia prvku 94 v kostiach konštantná.

Počas druhej svetovej vojny a po jej skončení robili vedci pracujúci v projekte Manhattan, ako aj vedci z Tretej ríše a iných výskumných organizácií pokusy s použitím plutónia na zvieratách a ľuďoch. Štúdie na zvieratách ukázali, že niekoľko miligramov plutónia na kilogram tkaniva je smrteľná dávka. Použitie plutónia u ľudí pozostávalo z obyčajnej intramuskulárnej injekcie 5 mcg plutónia chronicky chorým pacientom. Nakoniec sa zistilo, že smrteľná dávka pre pacienta je jeden mikrogram plutónia a že plutónium je nebezpečnejšie ako rádium a má tendenciu sa hromadiť v kostiach.

Ako je známe, plutónium je prvok, ktorý sa v prírode prakticky nevyskytuje. V dôsledku jadrových testov v rokoch 1945-1963 sa ho však dostalo do atmosféry asi päť ton. Celkové množstvo plutónia uvoľneného do atmosféry v dôsledku jadrových testov pred 80. rokmi sa odhaduje na 10 ton. Podľa niektorých odhadov pôda v Spojených štátoch obsahuje v priemere 2 milicurie (28 mg) plutónia na km2 spadu a výskyt plutónia v Tichom oceáne je zvýšený v porovnaní s celkovou distribúciou jadrových materiálov na Zemi.

Najnovší fenomén je spojený s americkým jadrovým testovaním na Marshallových ostrovoch v tichomorskom testovacom mieste v polovici 50. rokov minulého storočia. Doba zotrvania plutónia v povrchových vodách oceánu sa pohybuje od 6 do 21 rokov, avšak aj po tomto období plutónium padá na dno spolu s biogénnymi časticami, z ktorých sa v dôsledku mikrobiálneho rozkladu redukuje na rozpustné formy.

Globálne znečistenie deväťdesiatym štvrtým prvkom je spojené nielen s jadrovými testami, ale aj s nehodami vo výrobe a zariadeniach interagujúcich s týmto prvkom. A tak v januári 1968 v Grónsku havarovalo americké letectvo B-52 nesúce štyri jadrové hlavice. V dôsledku výbuchu boli nálože zničené a plutónium uniklo do oceánu.

Ďalší prípad rádioaktívnej kontaminácie životného prostredia v dôsledku havárie sa stal so sovietskou kozmickou loďou Kosmos-954 24. januára 1978. V dôsledku nekontrolovaného deorbitu spadol na kanadské územie satelit s jadrovým zdrojom energie na palube. V dôsledku havárie sa do životného prostredia dostalo viac ako kilogram plutónia-238, ktoré sa rozprestieralo na ploche asi 124 000 m².

Najstrašnejším príkladom havarijného úniku rádioaktívnych látok do životného prostredia je nehoda v jadrovej elektrárni v Černobyle, ku ktorej došlo 26. apríla 1986. V dôsledku zničenia štvrtej elektrárne sa do životného prostredia na ploche asi 2200 km² uvoľnilo 190 ton rádioaktívnych látok (vrátane izotopov plutónia).

Uvoľňovanie plutónia do životného prostredia nie je spojené len s nehodami spôsobenými človekom. Sú známe prípady úniku plutónia z laboratórnych aj výrobných podmienok. Známych je viac ako dvadsať náhodných únikov z laboratórií 235U a 239Pu. V rokoch 1953-1978. nehody viedli k strate 0,81 (Mayak, 15. marca 1953) až 10,1 kg (Tomsk, 13. decembra 1978) 239Pu. Priemyselné incidenty mali za následok celkovo dve úmrtia v Los Alamos (21. augusta 1945 a 21. mája 1946) v dôsledku dvoch nehôd a straty 6,2 kg plutónia. V meste Sarov v rokoch 1953 a 1963. mimo jadrového reaktora spadlo približne 8 a 17,35 kg. Jeden z nich viedol v roku 1953 k zničeniu jadrového reaktora.

Keď sa jadro 238Pu štiepi s neutrónmi, uvoľní sa 200 MeV energie, čo je 50 miliónov krát viac ako pri najznámejšej exotermickej reakcii: C + O2 → CO2. „Spaľovaním“ v jadrovom reaktore jeden gram plutónia produkuje 2 107 kcal - to je energia obsiahnutá v 4 tonách uhlia. Náprstok plutóniového paliva v energetickom ekvivalente môže zodpovedať štyridsiatim vagónom dobrého palivového dreva!

Predpokladá sa, že „prírodný izotop“ plutónia (244Pu) je izotopom s najdlhšou životnosťou zo všetkých transuránových prvkov. Jeho polčas rozpadu je 8,26∙107 rokov. Vedci sa už dlho snažia získať izotop transuránového prvku, ktorý by existoval dlhšie ako 244Pu – veľké nádeje sa v tomto smere vkladali do 247Cm. Po jeho syntéze sa však ukázalo, že polčas rozpadu tohto prvku je len 14 miliónov rokov.

Príbeh

V roku 1934 skupina vedcov pod vedením Enrica Fermiho urobila vyhlásenie, že počas vedeckej práce na univerzite v Ríme objavili chemický prvok s poradovým číslom 94. Na Fermiho naliehanie bol prvok pomenovaný hesperium, vedec bol presvedčený, že objavil nový prvok, ktorý sa teraz nazýva plutónium, čo naznačuje existenciu transuránových prvkov a stal sa ich teoretickým objaviteľom. Fermi obhajoval túto hypotézu vo svojej Nobelovej prednáške v roku 1938. Až po objavení jadrového štiepenia nemeckými vedcami Ottom Frischom a Fritzom Strassmannom bol Fermi nútený urobiť poznámku v tlačenej verzii vydanej v Štokholme v roku 1939, ktorá naznačuje potrebu prehodnotiť „celý problém transuránových prvkov“. Faktom je, že práca Frischa a Strassmanna ukázala, že aktivita, ktorú Fermi objavil vo svojich experimentoch, bola spôsobená práve štiepením, a nie objavom transuránových prvkov, ako predtým veril.

Koncom roku 1940 bol objavený nový prvok, deväťdesiaty štvrtý. Stalo sa to v Berkeley na Kalifornskej univerzite. Bombardovaním oxidu uránu (U3O8) ťažkými vodíkovými jadrami (deuterónmi) objavila skupina amerických rádiochemikov pod vedením Glenna T. Seaborga dovtedy neznámy žiarič alfa častíc s polčasom rozpadu 90 rokov. Ukázalo sa, že tento žiarič je izotop prvku č. 94 s hmotnostným číslom 238. Tak sa 14. decembra 1940 získali prvé mikrogramové množstvá plutónia spolu s prímesou ďalších prvkov a ich zlúčenín.

Počas experimentu uskutočneného v roku 1940 sa zistilo, že počas jadrovej reakcie sa najskôr vytvorí izotop neptúnia-238 s krátkym polčasom rozpadu (polčas 2,117 dňa) a z neho plutónium-238:

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

Dlhé a namáhavé chemické pokusy na oddelenie nového prvku od nečistôt trvali dva mesiace. Existenciu nového chemického prvku potvrdili v noci z 23. na 24. februára 1941 G. T. Seaborg, E. M. Macmillan, J. W. Kennedy a A. C. Wall štúdiom jeho prvých chemických vlastností - schopnosti mať aspoň dve oxidácie. štátov. O niečo neskôr ako na konci experimentov sa zistilo, že tento izotop nie je štiepny, a preto je pre ďalšie štúdium nezaujímavý. Čoskoro (marec 1941) Kennedy, Seaborg, Segre a Wahl syntetizovali dôležitejší izotop, plutónium-239, ožiarením uránu vysoko zrýchlenými neutrónmi v cyklotróne. Tento izotop vzniká rozpadom neptúnia-239, vyžaruje alfa lúče a má polčas rozpadu 24 000 rokov. Prvá čistá zlúčenina prvku bola získaná v roku 1942 a prvé hmotnostné množstvá kovového plutónia boli získané v roku 1943.

Názov nového prvku 94 navrhol v roku 1948 MacMillan, ktorý pár mesiacov pred objavom plutónia spolu s F. Eibelsonom získal prvý prvok ťažší ako urán – prvok č.93, ktorý dostal na počesť pomenovanie neptúnium. planéty Neptún - prvej za Uránom. Analogicky sa rozhodli nazvať prvok č. 94 plutónium, keďže planéta Pluto je druhá po Uráne. Seaborg zase navrhol nazvať nový prvok „plútiom“, ale potom si uvedomil, že názov neznie veľmi dobre v porovnaní s „plutóniom“. Okrem toho navrhol ďalšie názvy pre nový prvok: ultimium, extermium, kvôli chybnému úsudku v tom čase, že plutónium sa stane posledným chemickým prvkom v periodickej tabuľke prvkov. V dôsledku toho bol prvok nazvaný „plutónium“ na počesť objavu poslednej planéty v slnečnej sústave.

Byť v prírode

Polčas rozpadu najdlhšieho izotopu plutónia je 75 miliónov rokov. Tento údaj je veľmi pôsobivý, avšak vek Galaxie sa meria na miliardy rokov. Z toho vyplýva, že primárne izotopy deväťdesiateho štvrtého prvku, ktoré vznikli počas veľkej syntézy prvkov Vesmíru, nemali šancu prežiť dodnes. To však neznamená, že na Zemi vôbec nie je plutónium. Neustále sa tvorí v uránových rudách. Zachytením neutrónov z kozmického žiarenia a neutrónov produkovaných spontánnym štiepením jadier 238U sa niektoré - veľmi málo - atómy tohto izotopu premenia na atómy 239U. Jadrá tohto prvku sú veľmi nestabilné, emitujú elektróny a tým zvyšujú svoj náboj a dochádza k tvorbe neptunia, prvého transuránového prvku. 239Np je tiež nestabilný, jeho jadrá tiež emitujú elektróny, takže len za 56 hodín sa polovica 239Np zmení na 239Pu.

Polčas rozpadu tohto izotopu je už veľmi dlhý a dosahuje 24 000 rokov. V priemere je obsah 239Pu približne 400 000-krát menší ako obsah rádia. Preto je mimoriadne ťažké nielen ťažiť, ale dokonca aj odhaliť „pozemské“ plutónium. Malé množstvá 239 Pu – časti na bilión – a produkty rozpadu možno nájsť v uránových rudách, napríklad v prírodnom jadrovom reaktore v Oklo, Gabon (západná Afrika). Takzvaný „prírodný jadrový reaktor“ sa považuje za jediný na svete, v ktorom v súčasnosti v geosfére vznikajú aktinidy a ich štiepne produkty. Podľa moderných odhadov sa v tejto oblasti pred niekoľkými miliónmi rokov odohrala samoudržiavacia reakcia s uvoľňovaním tepla, ktorá trvala viac ako pol milióna rokov.

Takže už vieme, že v uránových rudách v dôsledku zachytávania neutrónov jadrami uránu vzniká neptúnium (239Np), ktorého β-produktom rozpadu je prírodné plutónium-239. Vďaka špeciálnym prístrojom - hmotnostným spektrometrom - bola v prekambrickom bastnaesite (cerová ruda) objavená prítomnosť plutónia-244 (244Pu), ktoré má najdlhší polčas rozpadu - približne 80 miliónov rokov. V prírode sa 244Pu nachádza prevažne vo forme oxidu (PuO2), ktorý je ešte menej rozpustný vo vode ako piesok (kremeň). Keďže relatívne dlho žijúci izotop plutónia-240 (240Pu) je v rozpadovom reťazci plutónia-244, dochádza k jeho rozpadu, ale vyskytuje sa veľmi zriedkavo (1 prípad z 10 000). Veľmi malé množstvá plutónia-238 (238Pu) sú spôsobené veľmi zriedkavým dvojitým beta rozpadom materského izotopu, uránu-238, ktorý sa našiel v uránových rudách.

Stopy izotopov 247Pu a 255Pu sa našli v prachu zozbieranom po výbuchoch termonukleárnych bômb.

Minimálne množstvá plutónia by mohli byť hypoteticky prítomné v ľudskom tele, vzhľadom na to, že sa vykonalo veľké množstvo jadrových testov tak či onak súvisiacich s plutóniom. Plutónium sa hromadí najmä v kostre a pečeni, odkiaľ sa prakticky nevylučuje. Okrem toho prvok deväťdesiatštyri akumulujú morské organizmy; Pozemné rastliny absorbujú plutónium hlavne cez koreňový systém.

Ukazuje sa, že umelo syntetizované plutónium v ​​prírode stále existuje, tak prečo sa neťaží, ale získava umelo? Faktom je, že koncentrácia tohto prvku je príliš nízka. O ďalšom rádioaktívnom kove - rádiu sa hovorí: „gram produkcie - rok práce“ a rádium v ​​prírode je 400 000-krát viac ako plutónium! Z tohto dôvodu je mimoriadne ťažké nielen ťažiť, ale dokonca aj odhaliť „pozemské“ plutónium. Stalo sa tak až po preštudovaní fyzikálnych a chemických vlastností plutónia vyrobeného v jadrových reaktoroch.

Aplikácia

Izotop 239Pu (spolu s U) sa používa ako jadrové palivo v energetických reaktoroch pracujúcich na tepelných a rýchlych neutrónoch (hlavne), ako aj pri výrobe jadrových zbraní.

Približne pol tisícky jadrových elektrární na celom svete generuje približne 370 GW elektriny (alebo 15 % z celkovej svetovej produkcie elektriny). Plutónium-236 sa používa pri výrobe atómových elektrických batérií, ktorých životnosť dosahuje päť a viac rokov, používajú sa v generátoroch prúdu, ktoré stimulujú srdce (kardiostimulátory). 238Pu sa používa v malých jadrových zdrojoch energie používaných vo vesmírnom výskume. Plutónium-238 je teda zdrojom energie pre sondy New Horizons, Galileo a Cassini, rover Curiosity a ďalšie kozmické lode.

Jadrové zbrane využívajú plutónium-239, pretože tento izotop je jediným vhodným nuklidom na použitie v jadrovej bombe. Okrem toho častejšie používanie plutónia-239 v jadrových bombách je spôsobené skutočnosťou, že plutónium zaberá menší objem v sfére (kde sa nachádza jadro bomby), a preto je možné získať výbušnú silu bomby. nehnuteľnosť.

Schéma, podľa ktorej dochádza k jadrovému výbuchu plutónia, spočíva v návrhu samotnej bomby, ktorej jadro pozostáva z gule naplnenej 239Pu. V momente zrážky so zemou je guľa vďaka dizajnu a vďaka výbušnine obklopujúcej túto guľu stlačená na milión atmosfér. Po náraze sa jadro roztiahne v objeme a hustote v najkratšom možnom čase - desiatky mikrosekúnd, zostava preskočí kritickým stavom s tepelnými neutrónmi a prejde do superkritického stavu s rýchlymi neutrónmi - začína jadrová reťazová reakcia za účasti neutrónov a jadier prvku. Posledný výbuch jadrovej bomby uvoľní teploty rádovo v desiatkach miliónov stupňov.

Izotopy plutónia našli svoje využitie pri syntéze prvkov transplutónia (vedľa plutónia). Napríklad v národnom laboratóriu Oak Ridge sa s dlhodobým neutrónovým ožiarením získajú 239Pu, 24496Cm, 24296Cm, 24997Bk, 25298Cf, 25399Es a 257100Fm. Rovnakým spôsobom sa v roku 1944 prvýkrát získalo americium 24195Am. V roku 2010 slúžil ako zdroj ununquadia oxid plutónia-242 bombardovaný iónmi vápnika-48.

δ-stabilizované zliatiny plutónia sa používajú pri výrobe palivových tyčí, pretože majú výrazne lepšie metalurgické vlastnosti v porovnaní s čistým plutóniom, ktoré pri zahrievaní prechádza fázovými prechodmi a je veľmi krehkým a nespoľahlivým materiálom. Zliatiny plutónia s inými prvkami (intermetalické zlúčeniny) sa zvyčajne získavajú priamou interakciou prvkov v požadovaných pomeroch, pričom sa používa najmä oblúkové tavenie niekedy sa nestabilné zliatiny získavajú nanášaním rozprašovaním alebo ochladzovaním tavenín.

Hlavnými priemyselnými legovacími prvkami pre plutónium sú gálium, hliník a železo, hoci plutónium je schopné vytvárať zliatiny a medziprodukty s väčšinou kovov so zriedkavými výnimkami (draslík, sodík, lítium, rubídium, horčík, vápnik, stroncium, bárium, európium a ytterbium). . Žiaruvzdorné kovy: molybdén, niób, chróm, tantal a volfrám sú rozpustné v tekutom plutóniu, ale takmer nerozpustné alebo mierne rozpustné v pevnom plutóniu. Indium, kremík, zinok a zirkónium sú schopné pri rýchlom ochladení vytvárať metastabilné δ-plutónium (δ"-fáza). Gálium, hliník, amerícium, skandium a cér môžu stabilizovať δ-plutónium pri izbovej teplote.

Veľké množstvá holmia, hafnia a tália umožňujú skladovanie určitého množstva δ-plutónia pri izbovej teplote. Neptúnium je jediný prvok, ktorý dokáže stabilizovať α-plutónium pri vysokých teplotách. Titán, hafnium a zirkónium pri rýchlom ochladení stabilizujú štruktúru β-plutónia pri izbovej teplote. Použitie takýchto zliatin je veľmi rôznorodé. Napríklad zliatina plutónium-gálium sa používa na stabilizáciu δ fázy plutónia, ktorá zabraňuje fázovému prechodu α-δ. ternárna zliatina plutónium-gálium-kobalt (PuGaCo5) je supravodivá zliatina pri 18,5 K. Existuje množstvo zliatin (plutónium-zirkónium, plutónium-cér a plutónium-cér-kobalt), ktoré sa používajú ako jadrové palivo.

Výroba

Priemyselné plutónium sa vyrába dvoma spôsobmi. Ide buď o ožarovanie 238U jadier obsiahnutých v jadrových reaktoroch, alebo o separáciu rádiochemickými metódami (spoluzrážanie, extrakcia, iónová výmena a pod.) plutónia od uránu, transuránových prvkov a štiepnych produktov obsiahnutých vo vyhoretom palive.

V prvom prípade sa najpraktickejší izotop 239Pu (zmiešaný s malou prímesou 240Pu) vyrába v jadrových reaktoroch za účasti jadier uránu a neutrónov pomocou β-rozpadu a za účasti izotopov neptúnia ako medziproduktu štiepenia:

23892U + 21D → 23893Np + 210n;

23893Np → 23894Pu

β-rozpad

V tomto procese deuterón vstupuje do uránu-238, čo vedie k vytvoreniu neptúnia-238 a dvoch neutrónov. Neptúnium-238 sa potom spontánne štiepi a emituje beta-mínus častice, ktoré tvoria plutónium-238.

Typicky je obsah 239Pu v zmesi 90-95%, 240Pu je 1-7%, obsah ostatných izotopov nepresahuje desatiny percenta. Izotopy s dlhými polčasmi - 242Pu a 244Pu sa získajú predĺženým ožiarením neutrónmi 239Pu. Navyše výťažok 242Pu je niekoľko desiatok percent a 244Pu je zlomok percenta obsahu 242Pu. Malé množstvá izotopovo čistého plutónia-238 sa tvoria, keď je neptúnium-237 ožiarené neutrónmi. Ľahké izotopy plutónia s hmotnostnými číslami 232-237 sa zvyčajne získavajú v cyklotróne ožiarením izotopov uránu α-časticami.

Druhý spôsob priemyselnej výroby 239Pu využíva proces Purex, založený na extrakcii tributylfosfátom v ľahkom riedidle. V prvom cykle sa Pu a U spoločne čistia zo štiepnych produktov a potom sa oddelia. V druhom a treťom cykle sa plutónium ďalej čistí a koncentruje. Schéma takéhoto procesu je založená na rozdiele vlastností tetra- a šesťmocných zlúčenín separovaných prvkov.

Najprv sa demontujú vyhoreté palivové tyče a fyzikálnymi a chemickými prostriedkami sa odstráni plášť obsahujúci vyhorené plutónium a urán. Potom sa vyťažené jadrové palivo rozpustí v kyseline dusičnej. Koniec koncov, pri rozpustení je to silné oxidačné činidlo a oxiduje sa urán, plutónium a nečistoty. Atómy plutónia s nulovou mocnosťou sa premenia na Pu+6 a rozpustia sa plutónium aj urán. Z takéhoto roztoku sa deväťdesiaty štvrtý prvok redukuje oxidom siričitým na trojmocný stav a potom sa vyzráža fluoridom lantanitým (LaF3).

Okrem plutónia však sediment obsahuje neptúnium a prvky vzácnych zemín, ale väčšina (urán) zostáva v roztoku. Potom sa plutónium opäť oxiduje na Pu+6 a opäť sa pridá fluorid lantanitý. Teraz sa prvky vzácnych zemín vyzrážajú a plutónium zostáva v roztoku. Ďalej sa neptúnium oxiduje na štvormocný stav bromičnanom draselným, pretože toto činidlo nemá žiadny vplyv na plutónium, potom počas sekundárneho zrážania rovnakým fluoridom lantanitým prechádza trojmocné plutónium do zrazeniny a neptúnium zostáva v roztoku. Konečnými produktmi takýchto operácií sú zlúčeniny obsahujúce plutónium - oxid PuO2 alebo fluoridy (PuF3 alebo PuF4), z ktorých sa získava kovové plutónium (redukciou parou bária, vápnika alebo lítia).

Čistejšie plutónium sa dá dosiahnuť elektrolytickou rafináciou pyrochemicky vyrobeného kovu, ktorá sa robí v elektrolytických článkoch pri 700 °C s elektrolytom draslíka, sodíka a chloridu plutónia pomocou volfrámovej alebo tantalovej katódy. Plutónium získané týmto spôsobom má čistotu 99,99 %.

Na výrobu veľkého množstva plutónia sa stavajú množivé reaktory, takzvané „chovateľské“ (z anglického slovesa množiť sa – množiť sa). Tieto reaktory dostali svoje meno vďaka schopnosti produkovať štiepny materiál v množstvách prevyšujúcich náklady na získanie tohto materiálu. Rozdiel medzi reaktormi tohto typu a ostatnými je v tom, že neutróny v nich nie sú spomalené (nemá moderátor napr. grafit), aby ich čo najviac reagovalo s 238U.

Po reakcii sa vytvorí 239U atómov, ktoré následne tvoria 239Pu. Jadro takéhoto reaktora, obsahujúce PuO2 v ochudobnenom oxide uránovom (UO2), je obklopené plášťom z ešte viac ochudobneného oxidu uranového-238 (238UO2), v ktorom vzniká 239Pu. Kombinované použitie 238U a 235U umožňuje „chovateľom“ vyrábať 50-60-krát viac energie z prírodného uránu ako iné reaktory. Tieto reaktory však majú veľkú nevýhodu – palivové tyče musia byť chladené iným médiom ako vodou, čo znižuje ich energiu. Preto bolo rozhodnuté použiť ako chladivo tekutý sodík.

Výstavba takýchto reaktorov v Spojených štátoch amerických začala po skončení 2. svetovej vojny ZSSR a Veľká Británia začali s ich výstavbou až v 50. rokoch 20. storočia.

Fyzikálne vlastnosti

Plutónium je veľmi ťažký (hustota pri normálnej úrovni 19,84 g/cm³) striebristý kov, v čistenom stave veľmi podobný niklu, ale na vzduchu plutónium rýchlo oxiduje, bledne, vytvára dúhový film, najskôr svetložltý, potom sa zmení na tmavofialový . Keď dôjde k silnej oxidácii, na povrchu kovu sa objaví olivovozelený oxidový prášok (PuO2).

Plutónium je vysoko elektronegatívny a reaktívny kov, mnohokrát dokonca viac ako urán. Má sedem alotropných modifikácií (α, β, γ, δ, δ", ε a ζ), ktoré sa menia v určitom rozsahu teplôt a pri určitom rozsahu tlaku. Pri izbovej teplote je plutónium vo forme α - to je najbežnejšia alotropná modifikácia pre plutónium V alfa fáze je čisté plutónium krehké a dosť tvrdé - táto štruktúra je tvrdá asi ako sivá liatina, pokiaľ nie je legovaná inými kovmi, čo dodá zliatine ťažnosť a mäkkosť , v tejto najhustejšej forme je plutónium šiestym najhustejším prvkom (ťažšie sú len osmium, irídium, platina, rénium a neptunium) sú sprevádzané prudkými zmenami hustoty napr 480 °C sa nerozpína, ako iné kovy, ale sťahuje sa (delta fázy " a "delta prime") Pri roztavení (prechod z fázy epsilon do kvapalnej fázy) sa plutónium tiež zmršťuje, čo umožňuje neroztopené plutónium. plavák.

Plutónium má veľké množstvo nezvyčajných vlastností: má najnižšiu tepelnú vodivosť zo všetkých kovov – pri 300 K je 6,7 W/(m K); plutónium má najnižšiu elektrickú vodivosť; V kvapalnej fáze je plutónium najviskóznejší kov. Odpor deväťdesiateho štvrtého prvku pri izbovej teplote je pre kov veľmi vysoký a táto vlastnosť sa bude zvyšovať s klesajúcou teplotou, čo nie je typické pre kovy. Túto „anomáliu“ možno vysledovať až do teploty 100 K – pod touto značkou sa elektrický odpor zníži. Od 20 K však začne odpor opäť narastať v dôsledku radiačnej aktivity kovu.

Plutónium má najvyšší elektrický odpor zo všetkých študovaných aktinoidov (doteraz), ktorý je 150 μΩ cm (pri 22 °C). Tento kov má nízku teplotu topenia (640 °C) a nezvyčajne vysokú teplotu varu (3 227 °C). Tekuté plutónium, ktoré je bližšie k bodu topenia, má v porovnaní s inými kovmi veľmi vysokú viskozitu a povrchové napätie.

Plutónium je vďaka svojej rádioaktivite teplé na dotyk. Veľký kus plutónia v tepelnom obale sa zahreje na teplotu presahujúcu bod varu vody! Okrem toho plutónium v ​​dôsledku svojej rádioaktivity prechádza v priebehu času zmenami vo svojej kryštálovej mriežke - dochádza k určitému druhu žíhania v dôsledku samoožiarenia v dôsledku zvýšenia teploty nad 100 K.

Prítomnosť veľkého počtu alotropných modifikácií v plutóniu spôsobuje, že je ťažké spracovať a vyvinúť kov v dôsledku fázových prechodov. Už vieme, že vo forme alfa má 94. prvok podobné vlastnosti ako liatina, má však tendenciu meniť sa a premieňať na tvárny materiál a pri vyšších teplotných rozsahoch vytvárať tvárnu β-formu. Plutónium vo forme δ je zvyčajne stabilné pri teplotách medzi 310 °C a 452 °C, ale môže existovať pri izbovej teplote, ak je dopované nízkymi percentami hliníka, céru alebo gália. Po legovaní s týmito kovmi možno plutónium použiť pri zváraní. Vo všeobecnosti má delta forma výraznejšie vlastnosti kovu - je blízka hliníku v pevnosti a kujnosti.

Chemické vlastnosti

Chemické vlastnosti deväťdesiateho štvrtého prvku sú v mnohom podobné vlastnostiam jeho predchodcov v periodickej tabuľke – uránu a neptúnia. Plutónium je pomerne aktívny kov, tvorí zlúčeniny s oxidačným stavom od +2 do +7. Vo vodných roztokoch prvok vykazuje nasledujúce oxidačné stavy: Pu (III), ako Pu3+ (existuje v kyslých vodných roztokoch, má svetlofialovú farbu); Pu (IV), ako Pu4+ (čokoládový odtieň); Pu (V), ako Pu02+ (svetlý roztok); Pu (VI), ako PuO22+ (svetlooranžový roztok) a Pu(VII), ako PuO53- (zelený roztok).

Navyše tieto ióny (okrem PuO53-) môžu byť v roztoku súčasne v rovnováhe, čo sa vysvetľuje prítomnosťou 5f elektrónov, ktoré sa nachádzajú v lokalizovanej a delokalizovanej zóne elektrónového orbitálu. Pri pH 5-8 dominuje Pu(IV), ktorý je spomedzi ostatných valencií (oxidačných stavov) najstabilnejší. Plutóniové ióny všetkých oxidačných stavov sú náchylné na hydrolýzu a tvorbu komplexov. Schopnosť vytvárať takéto zlúčeniny sa zvyšuje v sérii Pu5+

Kompaktné plutónium pomaly oxiduje na vzduchu a pokryje sa dúhovým, mastným filmom oxidu. Známe sú nasledovné oxidy plutónia: PuO, Pu2O3, PuO2 a fáza rôzneho zloženia Pu2O3 - Pu4O7 (Berthollides). V prítomnosti malého množstva vlhkosti sa výrazne zvyšuje rýchlosť oxidácie a korózie. Ak je kov dostatočne dlho vystavený malému množstvu vlhkého vzduchu, na jeho povrchu sa vytvorí oxid plutónový (PuO2). Pri nedostatku kyslíka môže vzniknúť aj jeho dihydrid (PuH2). Prekvapivo, plutónium hrdzavie oveľa rýchlejšie v atmosfére inertného plynu (ako je argón) s vodnou parou ako v suchom vzduchu alebo čistom kyslíku. V skutočnosti je táto skutočnosť ľahko vysvetliteľná - priamym pôsobením kyslíka sa na povrchu plutónia vytvorí vrstva oxidu, ktorá bráni ďalšej oxidácii za prítomnosti vlhkosti vzniká sypká zmes oxidu a hydridu. Mimochodom, vďaka tomuto povlaku sa kov stáva samozápalným, to znamená, že je schopný samovznietenia, z tohto dôvodu sa kovové plutónium zvyčajne spracováva v inertnej atmosfére argónu alebo dusíka. Kyslík je zároveň ochrannou látkou a zabraňuje pôsobeniu vlhkosti na kov.

Deväťdesiaty štvrtý prvok reaguje s kyselinami, kyslíkom a ich parami, nie však so zásadami. Plutónium je vysoko rozpustné iba vo veľmi kyslom prostredí (napríklad kyselina chlorovodíková HCl) a je tiež rozpustné v chlorovodíku, jodovodíku, bromovodíku, 72 % kyseline chloristej, 85 % kyseline ortofosforečnej H3PO4, koncentrovanom CCl3COOH, kyseline sulfámovej a varu koncentrovaná kyselina dusičná. Plutónium sa v alkalických roztokoch výrazne nerozpúšťa.

Keď sú roztoky obsahujúce štvormocné plutónium vystavené alkáliám, vyzráža sa zrazenina hydroxidu plutónia Pu(OH)4 xH2O, ktorý má zásadité vlastnosti. Keď sú roztoky solí obsahujúcich PuO2+ vystavené alkáliám, vyzráža sa amfotérny hydroxid PuO2OH. Odpovedajú na to soli - plutonity, napríklad Na2Pu2O6.

Plutóniové soli sa po kontakte s neutrálnymi alebo alkalickými roztokmi ľahko hydrolyzujú a vytvárajú nerozpustný hydroxid plutónia. Koncentrované roztoky plutónia sú nestabilné v dôsledku rádiolytického rozkladu vedúceho k zrážaniu.

Popis plutónia

Plutónium(Plutónium) je strieborný ťažký chemický prvok, rádioaktívny kov s atómovým číslom 94, ktorý je v periodickej tabuľke označený symbolom Pu.

Tento elektronegatívny aktívny chemický prvok patrí do skupiny aktinoidov s atómovou hmotnosťou 244,0642 a podobne ako neptúnium, ktoré dostalo svoj názov na počesť rovnomennej planéty, aj táto chemikália vďačí za svoj názov planéte Pluto, pretože predchodcovia rádioaktívneho prvku v Mendelejevovej periodickej tabuľke chemických prvkov sú a neptúnium, ktoré boli tiež pomenované podľa vzdialených kozmických planét v našej Galaxii.

Pôvod plutónia

Prvok plutónium prvýkrát objavila v roku 1940 na Kalifornskej univerzite skupina rádiológov a vedeckých výskumníkov G. Seaborg, E. McMillan, Kennedy, A. Walch pri bombardovaní uránového terča z cyklotrónu deuterónmi – jadrami ťažkého vodíka.

V decembri toho istého roku vedci objavili izotop plutónia– Pu-238, ktorého polčas rozpadu je viac ako 90 rokov, a zistilo sa, že pod vplyvom zložitých jadrových chemických reakcií sa spočiatku vyrába izotop neptunium-238, po ktorom sa už tvorí izotop plutónium-238.

Začiatkom roku 1941 vedci objavili plutónium 239 s dobou rozpadu 25 000 rokov. Izotopy plutónia môžu mať v jadre rôzny obsah neutrónov.

Čistá zlúčenina prvku bola získaná až na konci roku 1942. Vždy, keď rádiológovia objavili nový izotop, vždy merali polčasy rozpadu izotopov.

V súčasnosti sa izotopy plutónia, ktorých je celkovo 15, líšia v trvaní času polovičný život. Práve s týmto prvkom sú spojené veľké nádeje a vyhliadky, no zároveň aj vážne obavy ľudstva.

Plutónium má podstatne väčšiu aktivitu ako napríklad urán a je jednou z najdrahších technicky dôležitých a významných látok chemickej povahy.

Napríklad cena gramu plutónia je niekoľkonásobne vyššia ako jeden gram alebo iných rovnako cenných kovov.

Výroba a ťažba plutónia sa považuje za nákladnú a cena jedného gramu kovu v súčasnosti s istotou zostáva na úrovni približne 4 000 amerických dolárov.

Ako sa získava plutónium? Výroba plutónia

Výroba chemického prvku prebieha v jadrových reaktoroch, v ktorých sa štiepi urán pod vplyvom zložitých chemických a technologických procesov.

Urán a plutónium sú hlavné, hlavné zložky pri výrobe atómového (jadrového) paliva.

Ak je potrebné získať veľké množstvo rádioaktívneho prvku, používa sa metóda ožarovania transuránových prvkov, ktoré je možné získať z vyhoreného jadrového paliva a ožarovanie uránom. Komplexné chemické reakcie umožňujú oddelenie kovu od uránu.

Na získanie izotopov, konkrétne plutónia-238 a plutónia-239 na zbrane, čo sú medziprodukty rozpadu, sa používa ožarovanie neptúnia-237 neutrónmi.

Malý zlomok plutónia-244, ktorý je izotopom s najdlhšou životnosťou vďaka svojmu dlhému polčasu rozpadu, bol objavený v cérovej rude, ktorá sa pravdepodobne zachovala z obdobia vzniku našej planéty Zem. Tento rádioaktívny prvok sa v prírode prirodzene nevyskytuje.

Základné fyzikálne vlastnosti a charakteristiky plutónia

Plutónium je pomerne ťažký rádioaktívny chemický prvok so striebristou farbou, ktorý svieti len po prečistení. Jadrový hmotnosť kovového plutónia rovná 244 a. jesť.

Pre svoju vysokú rádioaktivitu je tento prvok teplý na dotyk a dokáže sa zahriať na teplotu, ktorá presahuje teplotu varu vody.

Plutónium pod vplyvom atómov kyslíka rýchlo stmavne a pokryje sa dúhovým tenkým filmom, ktorý má spočiatku svetložltý a potom bohatý alebo hnedý odtieň.

Pri silnej oxidácii dochádza k tvorbe prášku PuO2 na povrchu prvku. Tento typ chemického kovu podlieha silným oxidačným procesom a korózii aj pri nízkej úrovni vlhkosti.

Aby sa zabránilo korózii a oxidácii kovového povrchu, je potrebné zariadenie na sušenie. Fotografia plutónia si môžete pozrieť nižšie.

Plutónium je štvormocný chemický kov, ktorý sa dobre a rýchlo rozpúšťa v jodovodíkových látkach a kyslom prostredí, napríklad v kyseline chlórnej.

Kovové soli sa rýchlo neutralizujú v neutrálnych médiách a alkalických roztokoch za vzniku nerozpustného hydroxidu plutónia.

Teplota, pri ktorej sa plutónium topí, je 641 stupňov Celzia, bod varu je 3230 stupňov.

Pod vplyvom vysokých teplôt dochádza k neprirodzeným zmenám hustoty kovu. Plutónium má vo svojej forme rôzne fázy a má šesť kryštálových štruktúr.

Pri prechode medzi fázami dochádza k výrazným zmenám objemu prvku. Prvok získava svoju najhustejšiu formu v šiestej fáze alfa (posledná fáza prechodu), pričom jediné veci ťažšie ako kov v tomto stave sú neptúnium a rádium.

Pri roztavení prvok podlieha silnému stlačeniu, takže kov môže plávať na povrchu vody a iných neagresívnych kvapalných médií.

Napriek tomu, že tento rádioaktívny prvok patrí do skupiny chemických kovov, prvok je dosť prchavý a keď je v uzavretom priestore počas krátkej doby, jeho koncentrácia vo vzduchu sa niekoľkonásobne zvyšuje.

Medzi hlavné fyzikálne vlastnosti kovu patrí: nízky stupeň, úroveň tepelnej vodivosti všetkých existujúcich a známych chemických prvkov, nízka úroveň elektrickej vodivosti v kvapalnom stave, plutónium je jedným z najviskóznejších kovov.

Stojí za zmienku, že akékoľvek zlúčeniny plutónia sú toxické, jedovaté a predstavujú vážne nebezpečenstvo žiarenia pre ľudské telo, ku ktorému dochádza v dôsledku aktívneho alfa žiarenia, preto všetky práce musia byť vykonávané s maximálnou starostlivosťou a len v špeciálnych oblekoch s chemickou ochranou. .

Viac o vlastnostiach a teóriách vzniku unikátneho kovu sa dočítate v knihe Obruchev "Plutonia"" Autor V.A. Obruchev pozýva čitateľov, aby sa ponorili do úžasného a jedinečného sveta fantastickej krajiny Plutónia, ktorá sa nachádza hlboko v útrobách Zeme.

Aplikácie plutónia

Priemyselný chemický prvok sa zvyčajne klasifikuje na plutónium na úrovni zbraní a reaktora („energetická kvalita“).

Na výrobu jadrových zbraní je teda zo všetkých existujúcich izotopov prípustné použiť len plutónium 239, ktoré by nemalo obsahovať viac ako 4,5 % plutónia 240, pretože podlieha samovoľnému štiepeniu, čo značne komplikuje výrobu vojenských projektilov. .

Plutónium-238 sa používa na prevádzku malých rádioizotopových zdrojov elektrickej energie, napríklad ako zdroj energie pre vesmírnu techniku.

Pred niekoľkými desaťročiami sa plutónium používalo v medicíne v kardiostimulátoroch (zariadeniach na udržiavanie srdcového rytmu).

Prvá atómová bomba vytvorená na svete mala plutóniovú náplň. Jadrové plutónium(Pu 239) je žiadaný ako jadrové palivo na zabezpečenie fungovania energetických reaktorov. Tento izotop tiež slúži ako zdroj na výrobu transplutóniových prvkov v reaktoroch.

Ak porovnáme jadrové plutónium s čistým kovom, izotop má vyššie kovové parametre a nemá prechodné fázy, preto je široko používaný v procese získavania palivových prvkov.

Oxidy izotopu Plutónium 242 sú tiež žiadané ako zdroj energie pre vesmírne smrtiace jednotky, zariadenia a palivové tyče.

Plutónium na úrovni zbraní je prvok, ktorý je prezentovaný vo forme kompaktného kovu, ktorý obsahuje najmenej 93 % izotopu Pu239.

Tento typ rádioaktívneho kovu sa používa pri výrobe rôznych typov jadrových zbraní.

Plutónium pre zbrane sa vyrába v špecializovaných priemyselných jadrových reaktoroch, ktoré pracujú s prírodným alebo nízko obohateným uránom v dôsledku zachytávania neutrónov.

Plutónium, prvok číslo 94, objavili Glenn Seaborg, Edwin McMillan, Kennedy a Arthur Wahl v roku 1940 v Berkeley bombardovaním uránového cieľa deuterónmi zo šesťdesiatpalcového cyklotrónu. V máji 1940 vlastnosti plutónia predpovedal Louis Turner.

V decembri 1940 bol objavený izotop plutónia Pu-238 s polčasom rozpadu ~90 rokov, po ktorom o rok neskôr nasledoval dôležitejší Pu-239 s polčasom rozpadu ~24 000 rokov.

Pu-239 je prítomný v prírodnom uráne vo forme stôp (množstvo je jeden diel na 1015 vzniká tam v dôsledku záchytu neutrónu jadrom U-238). Extrémne malé množstvo Pu-244 (najdlhší izotop plutónia s polčasom rozpadu 80 miliónov rokov) sa našlo v cérovej rude, ktorá zrejme zostala pri formovaní Zeme.

Celkovo je známych 15 izotopov plutónia, pričom všetky sú rádioaktívne. Najvýznamnejšie pre konštrukciu jadrových zbraní:
Pu238 -> (86 rokov, alfa rozpad) -> U234
Pu239 -> (24 360 rokov, alfa rozpad) -> U235
Pu240 -> (6580 rokov, rozpad alfa) -> U236
Pu241 -> (14,0 rokov, beta rozpad) -> Am241
Pu242 -> (370 000 rokov, alfa rozpad) -> U238 Fyzikálne vlastnosti plutónia

Plutónium je veľmi ťažký strieborný kov, ktorý sa po čerstvom spracovaní leskne ako nikel. Je to extrémne elektronegatívny, chemicky reaktívny prvok, oveľa viac ako urán. Rýchlo vybledne a vytvorí dúhový film (ako dúhový olejový film), spočiatku svetložltý, nakoniec sa zmení na tmavofialový. Ak je oxidácia dosť silná, na jej povrchu sa objaví olivovozelený oxidový prášok (PuO2).

Plutónium ľahko oxiduje a rýchlo koroduje aj v prítomnosti miernej vlhkosti. Zvláštne je, že v atmosfére inertného plynu s vodnou parou hrdzavie oveľa rýchlejšie ako v suchom vzduchu alebo čistom kyslíku. Dôvodom je, že priamym pôsobením kyslíka sa na povrchu plutónia vytvorí oxidová vrstva, ktorá bráni ďalšej oxidácii. Vystavenie vlhkosti vytvára sypkú zmes oxidu a hydridu. Aby sa zabránilo oxidácii a korózii, je potrebná sušiaca pec.

Plutónium má štyri valencie, III-VI. Dobre sa rozpúšťa len vo veľmi kyslom prostredí, ako je kyselina dusičná alebo chlorovodíková, dobre sa rozpúšťa aj v kyseline jodovodíkovej a chloristej. Plutóniové soli sa po kontakte s neutrálnymi alebo alkalickými roztokmi ľahko hydrolyzujú a vytvárajú nerozpustný hydroxid plutónia. Koncentrované roztoky plutónia sú nestabilné v dôsledku rádiolytického rozkladu vedúceho k zrážaniu.

Plutónium je vďaka svojej rádioaktivite teplé na dotyk. Veľký kus plutónia v tepelne izolovanom plášti sa zahreje na teplotu presahujúcu bod varu vody.

Základné fyzikálne vlastnosti plutónia:
Teplota topenia: 641 °C;
Teplota varu: 3232 °C;
Hustota: 19,84 (vo fáze alfa).

Plutónium má mnoho špecifických vlastností. Má najnižšiu tepelnú vodivosť zo všetkých kovov, najnižšiu elektrickú vodivosť, s výnimkou mangánu (podľa iných zdrojov je stále najnižšia zo všetkých kovov). Vo svojej kvapalnej fáze je to najviskóznejší kov.

Pri zmene teploty plutónium podlieha najzávažnejším a neprirodzeným zmenám hustoty. Plutónium má šesť rôznych fáz (kryštálových štruktúr) v tuhej forme, viac ako ktorýkoľvek iný prvok (v skutočnosti, prísnejšie povedané, je ich sedem). Niektoré prechody medzi fázami sú sprevádzané dramatickými zmenami objemu. V dvoch z týchto fáz – delta a delta prime – má plutónium jedinečnú vlastnosť, že sa pri zvyšovaní teploty zmršťuje a v ostatných má extrémne vysoký teplotný koeficient rozťažnosti. Pri roztavení sa plutónium zmršťuje, čo umožňuje neroztopenému plutóniu plávať. Vo svojej najhustejšej forme, vo fáze alfa, je plutónium šiestym najhustejším prvkom (ťažšie sú len osmium, irídium, platina, rénium a neptúnium). Vo fáze alfa je čisté plutónium krehké, existujú však flexibilné zliatiny.

	Pu	94			Plutónium
					t o kip. (o C)	3350	Krokový oxid	od +3 do +7
					t o float (o C)	640	Hustota	19860
	5f 6 7s 2				OEO	1,2	v zemi štekať	-

Element č. 94 je spojený s veľmi veľkými nádejami a veľmi veľkými obavami pre ľudstvo.

Na začiatku boli protóny – galaktický vodík. V dôsledku jeho stlačenia a následných jadrových reakcií vznikli tie najneuveriteľnejšie „ingoty“ nukleónov. Medzi týmito „ingotmi“ boli zjavne tie, ktoré obsahovali 94 protónov. Odhady teoretikov naznačujú, že asi sto nukleónových útvarov, ktoré zahŕňajú 94 protónov a 107 až 206 neutrónov, je natoľko stabilných, že ich možno považovať za jadrá izotopov prvku č.94.

Ale všetky tieto izotopy - hypotetické aj skutočné - nie sú také stabilné, aby prežili dodnes od vzniku prvkov slnečnej sústavy. Polčas rozpadu najdlhšieho izotopu prvku č.94 je 75 miliónov rokov. Vek Galaxie sa meria v miliardách rokov. V dôsledku toho „prvotné“ plutónium nemalo šancu prežiť dodnes. Ak vznikol počas veľkej syntézy prvkov vesmíru, potom tie jeho prastaré atómy dávno „vymreli“, rovnako ako vyhynuli dinosaury a mamuty.

V 20. storočí nášho letopočtu bol tento prvok znovu vytvorený. Zo sto možných izotopov plutónia bolo syntetizovaných dvadsaťpäť. Študovali sa jadrové vlastnosti pätnástich z nich. Štyri našli praktické uplatnenie.

Odo dňa, keď sa k vedcom dostali prvé jadrá prvku č.94, ubehlo 34 rokov. V decembri 1940 pri ožarovaní uránu ťažkými vodíkovými jadrami skupina amerických rádiochemikov pod vedením Glenna T. Seaborga objavila dovtedy neznámy žiarič alfa častíc. s polčasom rozpadu 90 rokov. Tento žiarič sa ukázal byť izotopom prvku č. 94 s hmotnostným číslom 238. V tom istom roku, ale o niekoľko mesiacov skôr, získali E. M. McMillan a F. Abelson prvý prvok ťažší ako urán – prvok č. Tento prvok sa nazýval neptunium a 94. - plutónium. Historik určite povie, že tieto mená majú pôvod v rímskej mytológii, ale v podstate pôvod týchto mien nie je skôr mytologický, ale astronomický.

Astronomická paralela

Prvok, ktorý zaberá bunku 92 periodickej tabuľky, objavil Martin Klaproth v roku 1789 a pomenoval ho urán po najvzdialenejšej planéte, ktorá bola vtedy známa (prvýkrát ho pozoroval slávny astronóm William Herschel v roku 1781, osem rokov pred Klaprothovým objavom.)

Urán nebol poslednou planétou v slnečnej sústave. Obežná dráha Neptúna prechádza ešte ďalej od Slnka, ale Neptún nie je posledný, za ním nasleduje Pluto, planéta, o ktorej sa dodnes takmer nič nevie... Podobná štruktúra je pozorovaná na „ľavom boku“ periodickej tabuľky: urán - neptunium - plutónium , ľudstvo však vie o plutóniu oveľa viac ako o Plutu. Mimochodom, astronómovia objavili Pluto len desať rokov pred syntézou plutónia - takmer rovnaké časové obdobie delilo objavy Herschela a Klaprotha.

Hádanky pre kryptografov

Prvý izotop prvku č. 94, plutónium-238, dnes našiel praktické využitie. Ale na začiatku 40-tych rokov o tom ani neuvažovali. Plutónium-238 je možné získať v množstvách, ktoré sú praktické, iba ak sa spoľahneme na výkonný jadrový priemysel. V tom čase to bolo len v plienkach. Ale už bolo jasné, že uvoľnením energie obsiahnutej v jadrách ťažkých rádioaktívnych prvkov je možné získať zbrane nevídanej sily. Objavil sa projekt Manhattan Project, ktorý so slávnou oblasťou New Yorku nemal spoločné len meno. Toto bol všeobecný názov pre všetky práce súvisiace s vytvorením prvých atómových bômb v Spojených štátoch. Vedúcim projektu Manhattan nebol vedec, ale vojenský muž, generál Groves, ktorý „láskavo“ nazval svojich vysoko vzdelaných zverencov „rozbitými hrncami“.

Vedúci „projektu“ sa o plutónium-238 nezaujímali. Jeho jadrá, ako aj jadrá všetkých izotopov plutónia s párnymi hmotnostnými číslami, nízkoenergetické neutróny (Nízkoenergetické neutróny nazývame neutróny, ktorých energia nepresahuje 10 keV. Neutróny s energiou meranou v zlomkoch elektrónvoltu sa nazývajú tepelné a najpomalšie neutróny - s energiou menšou ako 0,005 eV — chladný. Ak je energia neutrónu väčšia ako 100 keV, potom sa takýto neutrón už považuje za rýchly.) neštiepia sa, teda nemohol slúžiť ako jadrová výbušnina. Napriek tomu sa prvé nie príliš jasné správy o prvkoch č. 93 a 94 objavili v tlači až na jar 1942.

Ako sa to dá vysvetliť? Fyzici pochopili: syntéza izotopov plutónia s nepárnymi hmotnostnými číslami bola otázkou času a nie príliš dlho. Očakávalo sa, že nepárne izotopy, ako napríklad urán-235, budú schopné podporovať jadrovú reťazovú reakciu. Niektorí ľudia v nich videli potenciálne jadrové výbušniny, ktoré ešte nedostali. A plutónium, žiaľ, tieto nádeje odôvodnilo.

Vo vtedajšom šifrovaní sa prvok č. 94 nenazýval inak ako... meď. A keď vznikla potreba samotnej medi (ako konštrukčného materiálu pre niektoré časti), potom sa v kódoch spolu s „meďou“ objavila „pravá meď“.

"Strom poznania dobra a zla"

V roku 1941 bol objavený najdôležitejší izotop plutónia – izotop s hmotnostným číslom 239. A takmer okamžite sa potvrdila predpoveď teoretikov: jadrá plutónia-239 boli štiepené tepelnými neutrónmi. Navyše pri ich štiepení nevzniklo o nič menej neutrónov ako pri štiepení uránu-235. Okamžite boli načrtnuté spôsoby, ako získať tento izotop vo veľkých množstvách...

Prešli roky. Teraz už nie je pre nikoho tajomstvom, že jadrové bomby uložené v arzenáloch sú naplnené plutóniom-239 a že ich je dosť, týchto bômb, aby, ako sa hovorí, „spôsobili nenapraviteľné škody“ všetkému životu na Zemi.

Existuje rozšírený názor, že ľudstvo sa zjavne ponáhľalo s objavom jadrovej reťazovej reakcie (ktorej nevyhnutným dôsledkom bolo vytvorenie jadrovej bomby). Môžete myslieť inak alebo predstierať, že rozmýšľate inak – je príjemnejšie byť optimistom. Optimisti však nevyhnutne čelia aj otázke zodpovednosti vedcov. Pamätáme si triumfálny júnový deň roku 1954, deň, keď prvá jadrová elektráreň v Obninsku zapla prúd. Nemôžeme však zabudnúť na augustové ráno 1945 – „ráno Hirošimy“, „čierny deň Alberta Einsteina“... Tí, ktorí majú dnes sedemdesiat a viac rokov, si pamätajú prvé povojnové roky a nekontrolovateľné atómové vydieranie – základ americkej politiky v tých rokoch. Nezažilo však ľudstvo v nasledujúcich rokoch veľa problémov?

Tieto obavy boli navyše mnohonásobne umocnené vedomím, že ak by vypukla nová svetová vojna, určite by boli použité jadrové zbrane.

Tu sa môžete pokúsiť dokázať, že objav plutónia nepridal ľudstvu strach, že naopak, bol iba užitočný.

Povedzme, že sa stalo, že z nejakého dôvodu alebo, ako sa hovorilo za starých čias, z vôle Božej, bolo plutónium pre vedcov nedostupné. Znížili by sa potom naše obavy a obavy? Nič sa nestalo. Jadrové bomby by sa vyrábali z uránu-235 (a nie v menšom množstve ako z plutónia) a tieto bomby by „zožrali“ ešte väčšie časti rozpočtov ako teraz.

Bez plutónia by však nebola žiadna perspektíva mierového využívania jadrovej energie vo veľkom meradle. Na „mierový atóm“ by jednoducho nebolo dosť uránu-235. Zlo, ktoré na ľudstvo spôsobilo objavenie jadrovej energie, by nebolo, ani čiastočne, vyvážené úspechmi „dobrého atómu“.

Ako merať, s čím porovnávať

Keď je jadro plutónia-239 rozdelené neutrónmi na dva fragmenty približne rovnakej hmotnosti, uvoľní sa asi 200 MeV energie. To je 50 miliónov krát viac energie uvoľnenej pri najznámejšej exotermickej reakcii C + O 2 = CO 2 . „Spaľovaním“ v jadrovom reaktore gram plutónia produkuje 2,10 7 kilokalórií. Aby sme neporušili tradíciu (a v populárnych článkoch sa energia jadrového paliva zvyčajne meria v nesystémových jednotkách – tonách uhlia, benzínu, trinitrotoluénu a pod.), ešte podotýkame: ide o energiu obsiahnutú v štyroch tonách uhlia. A obyčajný náprstok obsahuje množstvo plutónia, ktoré sa energeticky rovná štyridsiatim vozom dobrého brezového palivového dreva.

Rovnaká energia sa uvoľňuje pri štiepení jadier uránu-235 neutrónmi. Ale väčšina prírodného uránu (99,3%!) je izotop 238 U, ktorý sa dá využiť len premenou uránu na plutónium...

Energia kameňov

Zhodnoťme energetické zdroje obsiahnuté v prírodných zásobách uránu.

Urán je stopový prvok a nachádza sa takmer všade. Kto navštívil napríklad Karéliu, zrejme si spomenie na žulové balvany a pobrežné útesy. Málokto však vie, že tona žuly obsahuje v priemere 4 až 10 gramov uránu. Žuly tvoria takmer 20 % hmotnosti zemskej kôry. Ak počítame len urán-235, tak tona žuly obsahuje 6 · 10 6 kilokalórií energie. Je to veľa, ale...

Na spracovanie žuly a extrakciu uránu z nej je potrebné vynaložiť ešte väčšie množstvo energie – asi 10 6 -10 7 kilokalórií. Teraz, ak by bolo možné použiť ako zdroj energie nielen urán-235, ale aj urán-238, potom by sa žula dala považovať minimálne za potenciálnu energetickú surovinu. Potom by energia získaná z tony kameňa už predstavovala 8 · 10 7 až 2 · 10 8 kcal. To zodpovedá 16-40 tonám uhlia. A v tomto prípade by žula mohla ľuďom poskytnúť takmer miliónkrát viac energie ako všetky zásoby chemického paliva na Zemi.

Ale jadrá uránu-238 sa neštiepia neutrónmi. Tento izotop je pre jadrovú energiu nepoužiteľný. Presnejšie povedané, bolo by zbytočné, keby sa nedalo premeniť na plutónium-239. A čo je obzvlášť dôležité: na túto jadrovú transformáciu nie je potrebné vynaložiť prakticky žiadnu energiu – práve naopak, energia sa v tomto procese vyrába!

Pokúsme sa zistiť, ako sa to deje, ale najprv pár slov o prirodzenom plutóniu.

400 tisíc krát menej ako rádium

Už bolo povedané, že izotopy plutónia sa nezachovali od syntézy prvkov pri vzniku našej planéty. To však neznamená, že na Zemi nie je plutónium. Neustále sa tvorí v uránových rudách. Zachytením neutrónov z kozmického žiarenia a neutrónov produkovaných spontánnym štiepením jadier uránu-238 sa niektoré - veľmi málo - atómy tohto izotopu premenia na atómy uránu-239. Tieto jadrá sú veľmi nestabilné, emitujú elektróny a tým zvyšujú svoj náboj. Vzniká neptúnium, prvý transuránový prvok. Neptúnium-239 je tiež vysoko nestabilné a jeho jadrá emitujú elektróny. Len za 56 hodín sa polovica neptúnia-239 zmení na plutónium-239, ktorého polčas je už dosť dlhý - 24 tisíc rokov.

Prečo sa plutónium neťaží z uránových rúd? Nízka, príliš nízka koncentrácia. „Gram produkcie je rok práce“ – ide o rádium a rudy obsahujú 400-tisíckrát menej plutónia ako rádia. Preto je mimoriadne ťažké nielen ťažiť, ale dokonca aj odhaliť „pozemské“ plutónium. Stalo sa tak až po preštudovaní fyzikálnych a chemických vlastností plutónia vyrobeného v jadrových reaktoroch.

Kedy 2,70 >> 2,23(pamätajte, že v matematike znak >> znamená „oveľa viac“)

Plutónium sa akumuluje v jadrových reaktoroch (donedávna sa tieto zariadenia nazývali aj jadrové kotly). V silných neutrónových prúdoch prebieha rovnaká reakcia ako v uránových rudách, ale rýchlosť tvorby a akumulácie plutónia v reaktore je oveľa vyššia - miliarda miliárd krát. Pre reakciu premeny balastného uránu-238 na energeticky kvalitné plutónium-239 sú vytvorené optimálne (v rámci prijateľných) podmienok.

Ak reaktor pracuje na tepelných neutrónoch (pripomeňme, že ich rýchlosť je asi dvetisíc metrov za sekundu a ich energia je zlomok elektrónvoltu), potom sa z prírodnej zmesi izotopov uránu získa o niečo menšie množstvo plutónia, a získa sa množstvo „vyhoreného“ uránu-235. Trochu, ale menej, plus nevyhnutné straty plutónia počas jeho chemickej separácie od ožiareného uránu. Jadrová reťazová reakcia sa navyše v prírodnej zmesi izotopov uránu udržiava len dovtedy, kým sa nespotrebuje malá časť uránu-235. Z toho vyplýva logický záver: „tepelný“ reaktor využívajúci prírodný urán – hlavný typ v súčasnosti prevádzkovaných reaktorov – nemôže zabezpečiť rozšírenú reprodukciu jadrového paliva. Ale čo je potom sľubné? Aby sme odpovedali na túto otázku, porovnajme priebeh jadrovej reťazovej reakcie v uráne-235 a plutóniu-239 a zaveďme do našich diskusií ďalší fyzikálny koncept.

Najdôležitejšou charakteristikou akéhokoľvek jadrového paliva je priemerný počet neutrónov emitovaných po tom, čo jadro zachytilo jeden neutrón. Fyzici to nazývajú číslo eta, označované gréckym písmenom h. V „tepelných“ reaktoroch na urán sa pozoruje nasledujúci vzorec: každý neutrón „vygeneruje“ v priemere 2,08 neutrónov (h = 2,08). Plutónium umiestnené v takomto reaktore pod vplyvom tepelných neutrónov dáva h=2,03. Existujú však aj reaktory pracujúce na rýchlych neutrónoch. Do takéhoto reaktora je zbytočné nakladať prírodnú zmes izotopov uránu: reťazová reakcia nenastane. Ak je však „surovina“ obohatená o urán-235, môže sa vyvinúť aj v „rýchlom“ reaktore. V tomto prípade sa h už bude rovnať 2,23. A plutónium, vystavené ohňu rýchlych neutrónov, dá h rovné 2,70. Budeme mať k dispozícii „pol neutróny navyše“. A to vôbec nie je málo.

Pozrime sa, na čo sa minú výsledné neutróny. V každom reaktore je potrebný jeden neutrón na udržanie jadrovej reťazovej reakcie. 0,1 neutrónu je absorbovaných konštrukčnými materiálmi zariadenia. „Prebytok“ sa používa na akumuláciu plutónia-239. V jednom prípade je „prebytok“ 1,13, v druhom je 1,60. Po „spálení“ kilogramu plutónia v „rýchlom“ reaktore sa uvoľní energia 2,25 × 10 7 a nahromadí sa 1,6 kg plutónia. A urán v „rýchlom“ reaktore poskytne rovnakú energiu a 1,1 kg nového jadrového paliva. V oboch prípadoch je evidentná rozšírená reprodukcia. Netreba však zabúdať ani na ekonomiku.

Z mnohých technických dôvodov trvá reprodukčný cyklus plutónia niekoľko rokov. Povedzme päť rokov. To znamená, že množstvo plutónia za rok sa zvýši len o 2%, ak h = 2,23, a o 12%, ak h = 2,7! Jadrové palivo je kapitál a každý kapitál by mal priniesť povedzme 5 % ročne. V prvom prípade ide o veľké straty a v druhom o veľké zisky. Tento primitívny príklad ilustruje „váhu“ každej desatiny čísla h v probléme jadrovej energie.

Dôležité je aj niečo iné. Jadrová energia musí držať krok s rastúcim dopytom po energii. Výpočty ukazujú: táto podmienka je v budúcnosti splnená až vtedy, keď sa h priblíži k trom. Ak rozvoj zdrojov jadrovej energie zaostáva za energetickými potrebami spoločnosti, potom ostanú dve možnosti: buď „spomaliť pokrok“, alebo odobrať energiu z iných zdrojov.

A tu by bolo potrebné vyvrátiť mylnú predstavu spôsobenú do istej miery populárno-náučnou literatúrou.

Protilátka termonukleárnej fúzie

Je známe, že gram látky zreagovanej v hypotetickom termonukleárnom reaktore poskytne energiu niekoľkonásobne väčšiu ako gram plutónia štiepeného dnes v skutočnom jadrovom reaktore. Ešte viac energie sa uvoľní pri interakcii gramu elektrónov a pozitrónov. Elektrón-pozitrónové elektrárne však v súčasnosti „stavajú“ iba autori sci-fi. Ale o termonukleárnych energetických zariadeniach sa niekedy hovorí ako o takmer hotovej veci. Skutočne, keď fyzici len málo rozumeli tomu, čo sa deje v plazme, zdalo sa, že sa chystá vytvoriť riadený zdroj termonukleárnej energie. Navyše, každý deň máme pred očami veľkolepý príklad fungujúceho termonukleárneho reaktora – Slnko. Intenzívne štúdie plazmy poskytli veľa informácií o procesoch vyskytujúcich sa v látke, ktorá vstúpila do svojho štvrtého stavu. Jedným z výsledkov tejto práce bolo jasné pochopenie, že vytvorenie umelej verzie našej hviezdy nie je také jednoduché, ako sa zdalo. Dnes ešte nie je načrtnutý ani reálny spôsob riešenia tohto problému. V každom prípade sa nádeje na blízky rozvoj termonukleárnej energetiky rozplynuli. Samozrejme, príde čas, keď sa sprístupní energia svetelných jadier. Ale ako a kedy sa to urobí? Na túto otázku sa zatiaľ nedá odpovedať.

Zhrnúť. Energia ťažkých jadier je realitou, jej rozvoju stoja v ceste len technické ťažkosti a v tomto smere sa urobilo veľa. Termonukleárna fúzia na energetické účely je stále zásadne nevyriešený problém. Z toho vyplýva záver: plutónium, ako hlavný energetický materiál budúcnosti, zatiaľ nemá vážnejšieho konkurenta, energetické zdroje ukryté v zásobách uránu sú zatiaľ jediným zdrojom jadrovej energie, ktorý si dnes ľudstvo skutočne dokáže osvojiť. Kľúčom k týmto zdrojom je izotop prvku č.94 s hmotnostným číslom 239.

Extrakcia

Keď sa v dôsledku jadrových reakcií v uráne nahromadí potrebné množstvo plutónia, treba ho oddeliť nielen od samotného uránu, ale aj od štiepnych fragmentov – uránu aj plutónia, ktoré spália v reťazovej jadrovej reakcii. Okrem toho uránovo-plutóniová hmota obsahuje aj určité množstvo neptúnia. Najťažšie je oddeliť plutónium od neptúnia a prvky vzácnych zemín (lantanoidy). Plutónium, ako chemický prvok, malo do istej miery smolu. Z pohľadu chemika je hlavným prvkom jadrovej energie len jeden zo štrnástich aktinoidov. Rovnako ako prvky vzácnych zemín, všetky prvky aktíniovej série sú si navzájom veľmi podobné v chemických vlastnostiach, štruktúra vonkajších elektrónových obalov atómov všetkých prvkov od aktínia po 103 je rovnaká. Ešte nepríjemnejšie je, že chemické vlastnosti aktinoidov sú podobné vlastnostiam prvkov vzácnych zemín a medzi štiepnymi fragmentmi uránu a plutónia je lantanoidov viac než dosť. Ale prvok 94 môže byť v piatich valenčných stavoch a to „sladká pilulka“ - pomáha oddeliť plutónium od uránových a štiepnych fragmentov.

Valencia plutónia sa pohybuje od troch do siedmich. Chemicky najstabilnejšími (a teda najbežnejšími a najštudovanejšími) zlúčeninami sú štvormocné plutónium.

Separácia aktinoidov s podobnými chemickými vlastnosťami – uránu, neptúnia a plutónia – môže byť založená na rozdiele vlastností ich tetra- a šesťmocných zlúčenín. Najprv sa uránové tyče rozpustia v kyseline dusičnej. Kyselina dusičná je po rozpustení silné oxidačné činidlo a oxiduje sa urán, plutónium a nečistoty. Atómy nulového mocného plutónia sa premieňajú na ióny Pu 6+. Plutónium sa rozpúšťa spolu s uránom. Z tohto roztoku sa redukuje do trojmocného stavu oxidom siričitým a potom sa vyzráža fluoridom lantanitým. Okrem plutónia sediment obsahuje neptunium a prvky vzácnych zemín. Ale väčšina látky, urán, zostáva v roztoku a je oddelená od plutónia.

Výsledná zrazenina sa opäť rozpustí a neptúnium sa oxiduje do štvormocného stavu bromičnanom draselným. Toto činidlo nemá žiadny vplyv na plutónium a počas sekundárneho zrážania rovnakým LaF 3 prechádza trojmocné plutónium do zrazeniny a neptúnium zostáva v roztoku.

Na oddelenie darovaných fragmentov sa plutónium opäť oxiduje do hexavadentného stavu a opäť sa pridá fluorid lantanitý. Teraz sa prvky vzácnych zemín vyzrážajú a plutónium zostáva v roztoku...

Z mnohých v súčasnosti známych spôsobov izolácie plutónia treba spomenúť extrakciu plutónia organickými rozpúšťadlami a izoláciu plutónia na iónomeničových kolónach. Tieto metódy sa zdajú byť najsľubnejšie pre chemikov pracujúcich s plutóniom.

Kovové

Teraz konečne o kove. Izolácia zlúčenín plutónia z roztoku nie je náročná úloha. Existujú desiatky spôsobov, ako to urobiť. Potom sa výsledné zlúčeniny plutónia premenia na chemicky čistý tetrafluorid PuF4, ktorý sa redukuje parami bária pri 1200 °C. Takto sa získava čisté plutónium. Toto však ešte nie je konštrukčný materiál: palivové články jadrových reaktorov (alebo dokonca časti atómovej bomby) z neho nemožno vyrobiť. prečo? Minimálne potrebujete „prázdno“ - odliatok. Pri výrobe produktov plutónia sa používa predovšetkým metóda odlievania. Teplota topenia kovového plutónia - 640 ° C - je celkom dosiahnuteľná, ale...

Po vyliatí roztaveného plutónia z téglika do požadovanej formy ju začnú ochladzovať na izbovú teplotu - počas procesu tuhnutia sa v odliatku určite objavia trhliny. Možno chladenie ide príliš rýchlo? Bez ohľadu na to, ako sa režimy zmenili, odliatok bol vždy zničený. To znamená, že problém nie je v teplotnom režime. čo sa stane potom?

V tekutom kove sa atómy pohybujú náhodne. S klesajúcou teplotou, keď kov začína tuhnúť, už atómy vibrujú okolo centier umiestnených v presne definovanom poradí, napríklad vo vrcholoch kociek, štvorstenov atď., v závislosti od kryštalickej štruktúry konkrétneho kovu.

V kryštáloch sú atómy zvyčajne zbalené hustejšie ako v kvapalinách. Väčšina látok, okrem ľadu, tlačiarenskej zliatiny jeleňa a niekoľkých ďalších, pri tvrdnutí zmenšuje objem - zvyšuje sa ich hustota.

Plutónium začína tuhnúť pri teplote 640 °C a jeho atómy tvoria kryštálovú mriežku vo forme kociek. Keď teplota klesá, hustota kovu sa postupne zvyšuje. Potom však teplota dosiahla 480 ° C a potom náhle hustota plutónia prudko klesla. Dôvody tejto anomálie boli objavené pomerne rýchlo: pri tejto teplote sa atómy plutónia preskupujú v kryštálovej mriežke. Stáva sa tetragonálnym a veľmi „voľným“. Takéto plutónium môže plávať vo vlastnej tavenine, ako ľad na vode.

Teplota naďalej klesá, teraz dosiahla 451 ° C a atómy opäť vytvorili kubickú mriežku, ktorá sa však nachádza vo väčšej vzdialenosti od seba ako v prvom prípade. Pri ďalšom ochladzovaní sa mriežka stáva najskôr ortorombickou, potom monoklinickou. Celkovo tvorí plutónium šesť rôznych kryštalických foriem. Dva z nich sa vyznačujú pozoruhodnou vlastnosťou - negatívnym koeficientom tepelnej rozťažnosti: so zvyšujúcou sa teplotou sa kov nerozťahuje, ale zmršťuje. Úplne nezvyčajné správanie!

Keď teplota dosiahne 122 °C a atómy plutónia po šiestykrát preusporiadajú svoje rady, hustota sa zmení obzvlášť dramaticky - zo 17,77 na 19,82 g/cm3. Viac ako 10%! V súlade s tým sa objem ingotu znižuje. Ak by kov mohol stále odolávať napätiam, ktoré vznikli pri iných prechodoch, potom je v tomto momente deštrukcia nevyhnutná.

Ako potom vyrobiť súčiastku z tohto úžasného kovu? Metalurgovia legujú plutónium (pridávajú k nemu malé množstvá potrebných prvkov) a získavajú odliatky bez jedinej praskliny. Používajú sa na výrobu plutóniových náloží do jadrových bômb. Hmotnosť náplne (určuje ju predovšetkým kritická hmotnosť izotopu) je 5-6 kilogramov. Pokojne by sa zmestil do kocky s veľkosťou hrany 10 centimetrov.

Ťažké izotopy

Plutónium-239 obsahuje v malom množstve aj vyššie izotopy tohto prvku – s hmotnostnými číslami 240 a 241. Izotop 240 Pu je prakticky nepoužiteľný – v plutóniu je balastom. Z 241 sa získava amerícium - prvok č. 95. V čistej forme, bez prímesí iných izotopov, možno plutónium-240 a plutónium-241 získať elektromagnetickou separáciou plutónia nahromadeného v reaktore. Predtým sa plutónium dodatočne ožaruje neutrónovými tokmi s presne definovanými charakteristikami. To všetko je samozrejme veľmi komplikované, najmä preto, že plutónium je nielen rádioaktívne, ale aj veľmi toxické. Práca s ním si vyžaduje mimoriadnu opatrnosť.

Jeden z najzaujímavejších izotopov plutónia, 242 Pu, sa dá vyrobiť dlhým ožarovaním 239 Pu v tokoch neutrónov. 242 Pu veľmi zriedkavo zachytáva neutróny, a preto „vyhorí“ v reaktore pomalšie ako iné izotopy; pretrváva aj po tom, čo sa zvyšné izotopy plutónia takmer úplne zmenili na fragmenty alebo sa zmenili na plutónium-242.

Plutónium-242 je dôležité ako „surovina“ pre relatívne rýchlu akumuláciu vyšších transuránových prvkov v jadrových reaktoroch. Ak sa plutónium-239 ožaruje v bežnom reaktore, potom bude trvať asi 20 rokov, kým sa nahromadia mikrogramové množstvá, napríklad California-251 z gramov plutónia.

Skrátiť čas akumulácie vyšších izotopov je možné zvýšením intenzity toku neutrónov v reaktore. To je to, čo robia, ale potom nemôžete ožarovať veľké množstvo plutónia-239. Koniec koncov, tento izotop je rozdelený neutrónmi a pri intenzívnych tokoch sa uvoľňuje príliš veľa energie. Ďalšie ťažkosti vznikajú pri chladení nádoby a reaktora. Aby sa predišlo týmto ťažkostiam, bolo by potrebné znížiť množstvo ožiareného plutónia. V dôsledku toho by výťažok kalifornia bol opäť mizivý. Začarovaný kruh!

Plutónium-242 nie je štiepiteľné tepelnými neutrónmi , a vo veľkých množstvách môžu byť ožiarené intenzívnymi neutrónovými tokmi... Preto sú v reaktoroch všetky prvky od kalifornia po einsteinium „vyrobené“ z tohto izotopu a akumulované v hmotnostných množstvách.

Nie najťažšie, ale najdlhšie žilo

Vždy, keď sa vedcom podarilo získať nový izotop plutónia, zmeral sa polčas rozpadu jeho jadier. Polčasy rozpadu izotopov ťažkých rádioaktívnych jadier s párnymi hmotnostnými číslami sa pravidelne menia. (To sa nedá povedať o nepárnych izotopoch.)

Pozrite sa na graf, ktorý ukazuje závislosť polčasu rozpadu párnych izotopov plutónia od hmotnostného čísla. S nárastom hmotnosti sa zvyšuje aj „životnosť“ izotopu. Pred niekoľkými rokmi bolo vrcholom tohto grafu plutónium-242. A ako potom bude táto krivka prebiehať - s ďalším nárastom hmotnostného čísla? Do bodu 1, ktorý zodpovedá životnosti 30 miliónov rokov, alebo do bodu 2, ktorý už zodpovedá 300 miliónom rokov? Odpoveď na túto otázku bola pre geovedy veľmi dôležitá. V prvom prípade, ak pred piatimi miliardami rokov Zem pozostávala výlučne z 244 Pu, teraz v celej svojej hmotnosti by na Zemi zostal iba jeden atóm plutónia-244. Ak je druhý predpoklad pravdivý, potom sa plutónium-244 môže nachádzať na Zemi v koncentráciách, ktoré by sa už dali zistiť. Ak by sme mali to šťastie nájsť tento izotop na Zemi, veda by dostala tie najcennejšie informácie o procesoch, ktoré prebiehali pri formovaní našej planéty.

Pred niekoľkými rokmi stáli vedci pred otázkou: stojí za to hľadať ťažké plutónium na Zemi? Aby sme na ňu odpovedali, bolo potrebné najskôr určiť polčas rozpadu plutónia-244. Túto hodnotu teoretici nedokázali vypočítať s požadovanou presnosťou. Všetka nádej bola len na experiment.

Plutónium-244 sa nahromadilo v jadrovom reaktore. Prvok č. 95, amerícium (izotop 243 Am), bol ožiarený. Po zachytení neutrónu sa tento izotop zmenil na amerícium-244; amerícium sa v jednom z desaťtisíc prípadov zmenilo na plutónium-244.

Prípravok plutónia-244 bol izolovaný zo zmesi amerícia a kúria. Vzorka vážila len niekoľko milióntin gramu. Na určenie polčasu rozpadu tohto zaujímavého izotopu však stačili. Ukázalo sa, že sa rovná 75 miliónom rokov. Plutónium-244 zostalo na Zemi o niečo málo, pretože prvky boli syntetizované v koncentráciách, ktoré je možné ešte stále detegovať.

Vedci urobili veľa pokusov nájsť izotop transuránového prvku, ktorý žije dlhšie ako 244 Pu. Všetky pokusy však zostali márne. Svojho času sa nádeje vkladali do kúria-247, no po nahromadení tohto izotopu v reaktore sa ukázalo, že jeho polčas rozpadu je len 14 miliónov rokov. Nebolo možné prekonať rekord plutónia-244 - je to najdlhšia životnosť zo všetkých izotopov transuránových prvkov.

Dokonca aj ťažšie izotopy plutónia podliehajú beta rozpadu a ich životnosť sa pohybuje od niekoľkých dní do niekoľkých desatín sekundy. S istotou vieme, že všetky izotopy plutónia vznikajú pri termonukleárnych výbuchoch, až do 257 Pu. Ich životnosť je však desatiny sekundy a mnohé izotopy plutónia s krátkou životnosťou ešte neboli študované.

Možnosti prvého izotopu

A nakoniec - o plutóniu-238 - úplne prvom z „umelo vyrobených“ izotopov plutónia, izotopu, ktorý sa spočiatku zdal neperspektívny. V skutočnosti je to veľmi zaujímavý izotop. Podlieha rozpadu alfa, to znamená, že jeho jadrá spontánne emitujú častice alfa - jadrá hélia. Častice alfa generované jadrami plutónia nesú vysokú energiu; rozptýlená v hmote sa táto energia mení na teplo. Aká veľká je táto energia? Pri rozpade jedného atómového jadra plutónia-238 sa uvoľní šesť miliónov elektrónvoltov. Pri chemickej reakcii sa rovnaká energia uvoľní, keď sa oxiduje niekoľko miliónov atómov. Zdroj elektriny obsahujúci jeden kilogram plutónia-238 vyvinie tepelný výkon 560 wattov. Maximálny výkon zdroja chemického prúdu rovnakej hmotnosti je 5 wattov.

Existuje mnoho žiaričov s podobnými energetickými charakteristikami, ale jedna vlastnosť plutónia-238 robí tento izotop nevyhnutným. Alfa rozpad je zvyčajne sprevádzaný silným gama žiarením, prenikajúcim cez veľké vrstvy hmoty. 238 Pu je výnimkou. Energia gama lúčov sprevádzajúcich rozpad jej jadier je nízka a nie je ťažké sa pred ňou chrániť: žiarenie je absorbované tenkostennou nádobou. Pravdepodobnosť spontánneho štiepenia jadier tohto izotopu je tiež nízka. Preto našiel uplatnenie nielen v súčasných zdrojoch, ale aj v medicíne. Batérie obsahujúce plutónium-238 slúžia ako zdroj energie v špeciálnych kardiostimulátoroch. Bol vytvorený projekt umelého srdca so zdrojom izotopov. Všetky tieto potreby si budú vyžadovať niekoľko ton „ľahkého“ plutónia v nasledujúcich troch až štyroch rokoch.

Ale 238 Pu nie je najľahší známy izotop prvku č. 94. Izotopy plutónia boli získané s hmotnostnými číslami od 232 do 237. Polčas rozpadu najľahšieho izotopu je 36 minút.

Plutónium je veľká téma. Chcel som vám povedať to najdôležitejšie z najdôležitejších vecí. Koniec koncov, už sa stalo štandardnou frázou, že chémia plutónia bola študovaná oveľa lepšie ako chémia takých „starých“ prvkov, ako je železo. O jadrových vlastnostiach plutónia boli napísané celé knihy. Metalurgia plutónia je ďalším úžasným odvetvím ľudského poznania... Preto by ste si nemali myslieť, že po prečítaní tohto príbehu ste sa skutočne naučili plutónium - najdôležitejší kov 20. storočia.

(Pu) je strieborno-biely rádioaktívny kov zo skupiny aktinidov, teplý na dotyk (vďaka svojej rádioaktivite. Prirodzene sa vyskytuje vo veľmi malých množstvách v uranitovej smoli a iných uránových a cérových rudách, značné množstvá sa vyrábajú umelo. Asi 5 ton Plutónium sa dostalo do atmosféry v dôsledku jadrových testov.
Príbeh
Objavený v roku 1940 Glennom Seaborgom, Edwinom McMillanom, Kennedym a Arthurom Wahlom v roku 1940 v Berkeley (USA) pri bombardovaní uránového cieľa deuterónmi urýchlenými v cyklotróne.
pôvod mena
Plutónium bolo pomenované podľa planéty Pluto, keďže predchádzajúci objavený chemický prvok sa volal Neptúnium.
Potvrdenie
Plutónium sa vyrába v jadrových reaktoroch.
Izotop 238 U, ktorý tvorí väčšinu prírodného uránu, nie je na štiepenie príliš vhodný. Pre jadrové reaktory je urán mierne obohatený, ale podiel 235 U v jadrovom palive zostáva malý (približne 5 %). Hlavná časť v palivových tyčiach je 238 U. Počas prevádzky jadrového reaktora časť jadier 238 U zachytáva neutróny a mení sa na 239 Pu, ktoré možno neskôr izolovať.

Je pomerne ťažké izolovať plutónium medzi produktmi jadrových reakcií, pretože plutónium (ako urán, tórium, neptunium) patrí k aktinoidom, ktoré sú svojimi chemickými vlastnosťami veľmi podobné. Úlohu komplikuje skutočnosť, že produkty rozpadu obsahovali prvky vzácnych zemín, ktorých chemické vlastnosti sú tiež podobné plutóniu. Používajú sa tradičné rádiochemické metódy – zrážanie, extrakcia, iónová výmena atď. Finálnym produktom tejto viacstupňovej technológie sú oxidy plutónia PuO 2 alebo fluoridy (PuF 3, PuF 4).
Plutónium sa extrahuje metódou Metallothermy (redukcia aktívnych kovov z oxidov a solí vo vákuu):

PuF4+2 Ba = 2BaF2 + Pu

Izotopy
Je známych viac ako tucet izotopov plutónia, všetky sú rádioaktívne.
Najdôležitejší izotop 239 Pu, schopné jadrového štiepenia a jadrových reťazových reakcií. Je to jediný izotop vhodný na použitie v jadrových zbraniach. Má lepšie charakteristiky absorpcie a rozptylu neutrónov ako urán-235, počet neutrónov na štiepenie (asi 3 oproti 2,3), a teda nižšiu kritickú hmotnosť. Jeho polčas rozpadu je asi 24 tisíc rokov. O ostatných izotopoch plutónia sa uvažuje predovšetkým z hľadiska ich škodlivosti pre primárne (zbraňové) použitie.
izotop 238 Pu má silnú alfa rádioaktivitu a v dôsledku toho značnú tvorbu tepla (567 W / kg). To je problematické pre použitie v jadrových zbraniach, ale má využitie v jadrových batériách. Takmer všetky kozmické lode, ktoré preleteli za obežnú dráhu Marsu, majú rádioizotopové reaktory využívajúce 238 Pu. V reaktorovom plutóniu je podiel tohto izotopu veľmi malý.
izotop 240 Pu je hlavným kontaminantom plutónia na zbrane. Má vysokú rýchlosť samovoľného rozpadu a vytvára vysoké neutrónové pozadie, čo značne komplikuje detonáciu jadrových náloží. Predpokladá sa, že jeho podiel na zbraniach by nemal presiahnuť 7%.
241 Pu má nízke neutrónové pozadie a miernu tepelnú emisiu. Jeho podiel je o niečo menší ako 1% a neovplyvňuje vlastnosti plutónia na výrobu zbraní. 1914 sa však svojim polčasom rozpadu mení na amerícium-241, ktoré generuje veľa tepla, čo môže spôsobiť problém s prehrievaním nábojov.
242 Pu má veľmi malý prierez pre reakciu zachytávania neutrónov a hromadí sa v jadrových reaktoroch, aj keď vo veľmi malých množstvách (menej ako 0,1 %). Neovplyvňuje vlastnosti plutónia používaného na zbrane. Používa sa hlavne na ďalšie jadrové reakcie pri syntéze transplutóniových prvkov: tepelné neutróny nespôsobujú jadrové štiepenie, takže akékoľvek množstvo tohto izotopu môže byť ožiarené silnými neutrónovými tokmi.
Ostatné izotopy plutónia sú extrémne zriedkavé a nemajú žiadny vplyv na výrobu jadrových zbraní. Ťažké izotopy sa tvoria vo veľmi malých množstvách, majú krátku životnosť (menej ako niekoľko dní alebo hodín) a prostredníctvom beta rozpadu sa premieňajú na zodpovedajúce izotopy amerícia. Medzi nimi vyniká 244 Pu– jeho polčas rozpadu je asi 82 ​​miliónov rokov. Je to najviac izotopov zo všetkých transuránových prvkov.
Aplikácia
Na konci roku 1995 svet vyprodukoval asi 1 270 ton plutónia, z toho 257 ton na vojenské účely, pre ktoré je vhodný iba izotop 239 Pu. Je možné použiť 239 Pu ako palivo v jadrových reaktoroch, ale z ekonomického hľadiska je horšie ako urán. Náklady na prepracovanie jadrového paliva na extrakciu plutónia sú oveľa vyššie ako náklady na nízko obohatený (~ 5 % 235 U) urán. Iba Japonsko má program na energetické využitie plutónia.
Alotropické modifikácie
V tuhej forme má plutónium sedem alotropných modifikácií (avšak fázy a a a 1 sa niekedy kombinujú a považujú sa za jednu fázu). Pri izbovej teplote je plutónium kryštalická štruktúra tzv ?-fáza. Atómy sú spojené kovalentnou väzbou (namiesto kovovej väzby), takže fyzikálne vlastnosti sú bližšie k minerálom ako k kovom. Je to tvrdý, krehký materiál, ktorý sa láme v určitých smeroch. Má nízku tepelnú vodivosť medzi všetkými kovmi, nízku elektrickú vodivosť, s výnimkou mangánu. ?-fázu nemožno spracovať pomocou konvenčných kovových technológií.
Keď sa teplota zmení, plutónium prechádza reštrukturalizáciou a zažíva mimoriadne silné zmeny. Niektoré prechody medzi fázami sú sprevádzané jednoducho výraznými zmenami objemu. V dvoch z týchto fáz (a a p1) má plutónium jedinečnú vlastnosť - negatívny teplotný koeficient rozťažnosti, t.j. s rastúcou teplotou sa sťahuje.
V gama a delta fáze má plutónium obvyklé vlastnosti kovov, najmä kujnosť. V delta fáze však plutónium vykazuje nestabilitu. Pod miernym tlakom sa snaží usadiť do hustej (25%) alfa fázy. Táto vlastnosť sa využíva v implozívnych zariadeniach jadrových zbraní.
V čistom plutóniu pri tlakoch nad 1 kilobar delta fáza vôbec neexistuje. Pri tlaku nad 30 kilobarov existujú iba alfa a beta fázy.
Metalurgia plutónia
Plutónium je možné stabilizovať v delta fáze pri normálnom tlaku a teplote miestnosti vytvorením zliatiny s trojmocnými kovmi ako je gálium, hliník, cér, indium v ​​koncentrácii niekoľkých molárnych percent. Práve v tejto forme sa plutónium používa v jadrových zbraniach.
Ozbrojené plutónium
Na výrobu jadrových zbraní je potrebné dosiahnuť čistotu požadovaného izotopu (235 U alebo 239 Pu) viac ako 90 %. Vytvorenie nálože z uránu si vyžaduje mnoho krokov obohacovania (pretože podiel 235 U v prírodnom uráne je menší ako 1 %), zatiaľ čo podiel 239 Pu v reaktorovom plutóniu je zvyčajne od 50 % do 80 % (t.j. takmer 100-krát viac). A v niektorých prevádzkových režimoch reaktora je možné získať plutónium obsahujúce viac ako 90% 239 Pu - takéto plutónium nevyžaduje obohacovanie a môže sa použiť priamo na výrobu jadrových zbraní.
Biologická úloha
Plutónium je jednou z najtoxickejších známych látok. Toxicita plutónia nie je spôsobená ani tak jeho chemickými vlastnosťami (hoci plutónium je možno rovnako toxické ako akýkoľvek ťažký kov), ale skôr jeho alfa rádioaktivitou. Alfa častice zadržia aj tenké vrstvy materiálov alebo látok. Povedzme, že niekoľko milimetrov kože úplne pohltí ich tok a ochráni vnútorné orgány. Ale častice alfa sú mimoriadne škodlivé pre tkanivá, s ktorými prichádzajú do kontaktu. Plutónium teda predstavuje vážne nebezpečenstvo, ak sa dostane do tela. V gastrointestinálnom trakte sa veľmi zle vstrebáva, aj keď sa tam dostane v rozpustnej forme. Ale požitie pol gramu plutónia môže viesť k smrti v priebehu niekoľkých týždňov v dôsledku akútneho ožiarenia tráviaceho traktu.
Vdýchnutie desatiny gramu plutóniového prachu má za následok smrť na pľúcny edém do desiatich dní. Inhalácia dávky 20 mg vedie k úmrtiu na fibrózu do jedného mesiaca. Menšie dávky spôsobujú karcinogénny účinok. Požitie 1 mcg plutónia zvyšuje pravdepodobnosť rakoviny pľúc o 1%. Preto 100 mikrogramov plutónia v tele takmer zaručuje vznik rakoviny (do desiatich rokov, aj keď k poškodeniu tkaniva môže dôjsť aj skôr).
V biologických systémoch je plutónium zvyčajne v oxidačnom stave +4 a vykazuje podobnosť so železom. Keď sa dostane do krvi, s najväčšou pravdepodobnosťou sa bude koncentrovať v tkanivách obsahujúcich železo: kostná dreň, pečeň, slezina. Ak sa čo i len 1-2 mikrogramy plutónia usadia v kostnej dreni, imunita sa výrazne zhorší. Obdobie odstránenia plutónia z kostného tkaniva je 80-100 rokov, t.j. zostane tam prakticky po celý život.
Medzinárodná komisia pre rádiologickú ochranu stanovila maximálny ročný príjem plutónia na 280 nanogramov.