Ang Plutonium (Latin Plutonium, na tinutukoy ng simbolong Pu) ay isang radioactive na elemento ng kemikal na may atomic number 94 at atomic weight 244.064. Ang Plutonium ay isang elemento ng pangkat III ng pana-panahong sistema ng Dmitry Ivanovich Mendeleev, ay kabilang sa pamilya ng actinides. Ang plutonium ay isang mabigat (densidad sa ilalim ng normal na mga kondisyon 19.84 g/cm³), malutong, pilak-puting radioactive na metal.

Ang plutonium ay walang matatag na isotopes. Sa daang posibleng isotopes ng plutonium, dalawampu't lima ang na-synthesize. Labinlima sa mga ito ay pinag-aralan para sa mga katangiang nuklear (mass number 232-246). Apat ang nakahanap ng praktikal na aplikasyon. Ang pinakamahabang buhay na isotopes - 244Pu (kalahating buhay 8.26.107 taon), 242Pu (kalahating buhay 3.76 105 taon), 239Pu (kalahating buhay 2.41 104 taon), 238Pu (kalahating buhay 87.74 taon) at α-emitters 241Pu (kalahating buhay 14 na taon) - β-emitter. Sa kalikasan, ang plutonium ay nangyayari sa mga bakas na halaga sa uranium ores (239Pu); ito ay nabuo mula sa uranium sa ilalim ng pagkilos ng mga neutron, ang mga pinagmumulan nito ay mga reaksyong nagaganap sa panahon ng pakikipag-ugnayan ng α-particle na may mga light elements (na bahagi ng ores), kusang fission ng uranium nuclei at cosmic radiation.

Ang siyamnapu't apat na elemento ay natuklasan ng isang grupo ng mga Amerikanong siyentipiko - sina Glenn Seaborg, Kennedy, Edwin McMillan at Arthur Wahl noong 1940 sa Berkeley (sa Unibersidad ng California) habang binobomba ang isang target ng uranium oxide (U3O8) ng napakabilis na deuterium nuclei (deuterons) mula sa isang animnapung pulgadang cyclotron. Noong Mayo 1940, ang mga katangian ng plutonium ay hinulaan ni Louis Turner.

Noong Disyembre 1940, natuklasan ang plutonium isotope na Pu-238, na may kalahating buhay na ~90 taon, makalipas ang isang taon - ang mas mahalagang Pu-239 na may kalahating buhay na ~24,000 taon.

Si Edwin Macmillan noong 1948 ay iminungkahi na pangalanan ang elementong kemikal na plutonium bilang parangal sa pagkatuklas ng bagong planetang Pluto at sa pamamagitan ng pagkakatulad sa neptunium, na pinangalanan pagkatapos ng pagtuklas ng Neptune.

Ang metallic plutonium (isotope 239Pu) ay ginagamit sa mga sandatang nuklear at nagsisilbing nuclear fuel para sa mga power reactor na tumatakbo sa thermal at lalo na sa mga fast neutron. Ang kritikal na masa para sa 239Pu sa anyo ng metal ay 5.6 kg. Sa iba pang mga bagay, ang 239Pu isotope ay ang panimulang materyal para sa produksyon ng mga elemento ng transplutonium sa mga nuclear reactor. Ang 238Pu isotope ay ginagamit sa maliliit na nuclear na pinagmumulan ng electric current na ginagamit sa pananaliksik sa kalawakan, gayundin sa mga stimulator ng aktibidad ng puso ng tao.

Ang Plutonium-242 ay mahalaga bilang isang "hilaw na materyal" para sa medyo mabilis na akumulasyon ng mas mataas na mga elemento ng transuranium sa mga nuclear reactor. Ang δ-stabilized plutonium alloys ay ginagamit sa paggawa ng mga fuel cell, dahil mayroon silang mas mahusay na mga katangian ng metalurhiko kumpara sa purong plutonium, na sumasailalim sa mga phase transition kapag pinainit. Ang mga plutonium oxide ay ginagamit bilang pinagkukunan ng enerhiya para sa teknolohiya sa espasyo at ginagamit sa mga fuel rod.

Ang lahat ng plutonium compound ay nakakalason, na bunga ng α-radiation. Ang mga particle ng alpha ay nagdudulot ng malubhang panganib kung ang pinagmulan nito ay nasa katawan ng isang taong nahawahan, sinisira nila ang mga tisyu ng katawan na nakapalibot sa elemento. Ang plutonium gamma radiation ay hindi nakakapinsala sa katawan. Ito ay nagkakahalaga ng pagsasaalang-alang na ang iba't ibang isotopes ng plutonium ay may iba't ibang toxicity, halimbawa, ang tipikal na reactor-grade plutonium ay 8-10 beses na mas nakakalason kaysa sa purong 239Pu, dahil ito ay pinangungunahan ng 240Pu nuclides, na isang malakas na mapagkukunan ng alpha radiation. Ang plutonium ay ang pinaka-radiotoxic na elemento sa lahat ng actinides, gayunpaman, ito ay itinuturing na malayo sa pinaka-mapanganib na elemento, dahil ang radium ay halos isang libong beses na mas mapanganib kaysa sa pinaka-nakakalason na isotope ng plutonium - 239Pu.

Mga katangian ng biyolohikal

Ang plutonium ay puro ng mga marine organism: ang accumulation coefficient ng radioactive metal na ito (ang ratio ng mga konsentrasyon sa katawan at sa panlabas na kapaligiran) para sa algae ay 1000-9000, para sa plankton - humigit-kumulang 2300, para sa starfish - tungkol sa 1000, para sa mollusks - hanggang 380, para sa mga kalamnan, buto , atay at tiyan ng isda - 5, 570, 200 at 1060, ayon sa pagkakabanggit. Ang mga terrestrial na halaman ay sumisipsip ng plutonium pangunahin sa pamamagitan ng root system at naiipon ito hanggang sa 0.01% ng kanilang masa. Sa katawan ng tao, ang siyamnapu't apat na elemento ay pinanatili pangunahin sa balangkas at atay, mula sa kung saan ito ay halos hindi pinalabas (lalo na mula sa mga buto).

Ang plutonium ay lubhang nakakalason, at ang panganib sa kemikal nito (tulad ng ibang mabibigat na metal) ay mas mahina (mula sa kemikal na pananaw, ito ay lason din tulad ng tingga.) Kung ihahambing sa radioactive toxicity nito, na resulta ng alpha radiation. Bukod dito, ang mga α-particle ay may medyo mababang penetrating power: para sa 239Pu, ang hanay ng mga α-particle sa hangin ay 3.7 cm, at sa malambot na biological tissue 43 microns. Samakatuwid, ang mga α-particle ay nagdudulot ng malubhang panganib kung ang pinagmulan nito ay nasa katawan ng nahawahan. Sa paggawa nito, sinisira nila ang mga nakapaligid na tisyu ng katawan.

Kasabay nito, ang mga γ-ray at neutron, na naglalabas din ng plutonium at nagagawang tumagos sa katawan mula sa labas, ay hindi masyadong mapanganib, dahil ang kanilang antas ay masyadong mababa upang magdulot ng pinsala sa kalusugan. Ang plutonium ay kabilang sa pangkat ng mga elemento na may mataas na radiotoxicity. Kasabay nito, ang iba't ibang isotopes ng plutonium ay may iba't ibang toxicity, halimbawa, ang tipikal na reactor-grade plutonium ay 8-10 beses na mas nakakalason kaysa sa purong 239Pu, dahil ito ay pinangungunahan ng 240Pu nuclides, na isang malakas na mapagkukunan ng alpha radiation.

Kapag kinuha sa tubig at pagkain, ang plutonium ay hindi gaanong nakakalason kaysa sa mga sangkap tulad ng caffeine, ilang bitamina, pseudoephedrine, at maraming halaman at fungi. Ito ay dahil sa ang katunayan na ang elementong ito ay hindi gaanong hinihigop ng gastrointestinal tract, kahit na kinuha sa anyo ng isang natutunaw na asin, ang mismong asin na ito ay nakatali sa mga nilalaman ng tiyan at bituka. Gayunpaman, ang paglunok ng 0.5 gramo ng pinong hinati o natunaw na plutonium ay maaaring humantong sa kamatayan mula sa matinding digestive irradiation sa mga araw o linggo (para sa cyanide, ang halagang ito ay 0.1 gramo).

Mula sa punto ng view ng paglanghap, ang plutonium ay isang ordinaryong lason (humigit-kumulang na tumutugma sa mercury vapor). Kapag nalalanghap, ang plutonium ay carcinogenic at maaaring magdulot ng kanser sa baga. Kaya, kapag ang isang daang milligrams ng plutonium ay nilalanghap sa anyo ng mga particle ng pinakamainam na sukat para sa pagpapanatili sa baga (1-3 microns), ito ay humahantong sa kamatayan mula sa pulmonary edema sa 1-10 araw. Ang isang dosis ng dalawampung milligrams ay humahantong sa kamatayan mula sa fibrosis sa halos isang buwan. Ang mas maliit na dosis ay humahantong sa talamak na carcinogenic poisoning. Ang panganib ng paglanghap ng plutonium sa katawan ay tumaas dahil sa ang katunayan na ang plutonium ay may posibilidad na bumuo ng mga aerosol.

Sa kabila ng pagiging isang metal, ito ay lubhang pabagu-bago. Ang isang maikling pananatili ng metal sa silid ay makabuluhang pinatataas ang konsentrasyon nito sa hangin. Sa sandaling nasa baga, ang plutonium ay bahagyang naninirahan sa ibabaw ng baga, bahagyang pumasa sa dugo, at pagkatapos ay sa lymph at bone marrow. Karamihan (mga 60%) ay napupunta sa tissue ng buto, 30% sa atay at 10% lamang ang natural na nailalabas. Ang dami ng plutonium na natutunaw ay depende sa laki ng mga particle ng aerosol at ang solubility sa dugo.

Ang plutonium na pumapasok sa katawan ng tao sa isang paraan o iba ay katulad sa mga katangian ng ferric iron, samakatuwid, kapag pumapasok ito sa sistema ng sirkulasyon, ang plutonium ay nagsisimulang tumutok sa mga tisyu na naglalaman ng bakal: bone marrow, atay, pali. Nakikita ng katawan ang plutonium bilang bakal, samakatuwid, ang transferrin na protina ay kumukuha ng plutonium sa halip na bakal, na humihinto sa paglipat ng oxygen sa katawan. Ang mga microphage ay nagpapakalat ng plutonium sa pamamagitan ng mga lymph node. Ang plutonium na pumasok sa katawan ay tinanggal mula dito sa napakatagal na panahon - sa loob ng 50 taon, 80% lamang ang aalisin sa katawan. Ang pag-aalis ng kalahating buhay mula sa atay ay 40 taon. Para sa tissue ng buto, ang kalahating buhay ng plutonium ay 80-100 taon, sa katunayan, ang konsentrasyon ng siyamnapu't apat na elemento sa mga buto ay pare-pareho.

Sa buong World War II at pagkatapos nito, ang mga siyentipiko na nagtatrabaho sa Manhattan Project, pati na rin ang mga siyentipiko mula sa Third Reich at iba pang mga organisasyon ng pananaliksik, ay nagsagawa ng mga eksperimento gamit ang plutonium sa mga hayop at tao. Ipinakita ng mga pag-aaral ng hayop na ang ilang milligrams ng plutonium bawat kilo ng tissue ay isang nakamamatay na dosis. Ang paggamit ng plutonium sa mga tao ay binubuo sa katotohanan na ang mga pasyenteng may malalang sakit ay karaniwang tinuturok ng intramuscularly na may 5 micrograms ng plutonium. Sa huli, napag-alaman na ang nakamamatay na dosis para sa isang pasyente ay isang microgram ng plutonium, at ang plutonium ay mas mapanganib kaysa sa radium at madaling maipon sa mga buto.

Tulad ng alam mo, ang plutonium ay isang elemento na halos wala sa kalikasan. Gayunpaman, humigit-kumulang limang tonelada nito ang pinakawalan sa atmospera bilang resulta ng mga pagsubok na nuklear noong panahon ng 1945-1963. Ang kabuuang halaga ng plutonium na inilabas sa atmospera dahil sa nuclear testing bago ang 1980s ay tinatayang nasa 10 tonelada. Ayon sa ilang mga pagtatantya, ang lupa sa United States of America ay naglalaman ng average na 2 millicuries (28 mg) ng plutonium kada km2 mula sa fallout, at ang presensya ng plutonium sa Karagatang Pasipiko ay tumaas kumpara sa kabuuang pamamahagi ng mga nuclear materials sa lupa.

Ang huling kababalaghan ay nauugnay sa pagsasagawa ng mga pagsubok sa nuklear ng US sa teritoryo ng Marshall Islands sa lugar ng pagsubok sa Pasipiko noong kalagitnaan ng 1950s. Ang oras ng paninirahan ng plutonium sa ibabaw ng tubig ng karagatan ay mula 6 hanggang 21 taon, gayunpaman, kahit na pagkatapos ng panahong ito, ang plutonium ay bumabagsak sa ilalim kasama ng mga biogenic na particle, kung saan ito ay naibalik sa mga natutunaw na anyo bilang resulta ng microbial decomposition .

Ang polusyon sa mundo ng siyamnapu't apat na elemento ay nauugnay hindi lamang sa mga pagsubok na nuklear, kundi pati na rin sa mga aksidente sa produksyon at kagamitan na nakikipag-ugnayan sa elementong ito. Kaya noong Enero 1968, bumagsak sa Greenland ang isang US Air Force B-52 na may dalang apat na nuclear warhead. Bilang resulta ng pagsabog, nawasak ang mga singil at tumagas ang plutonium sa karagatan.

Ang isa pang kaso ng radioactive contamination ng kapaligiran bilang resulta ng isang aksidente ay naganap sa Soviet spacecraft Kosmos-954 noong Enero 24, 1978. Bilang resulta ng hindi makontrol na de-orbit, nahulog sa teritoryo ng Canada ang isang satellite na may nakasakay na nuclear power source. Ang aksidente ay naglabas ng higit sa isang kilo ng plutonium-238 sa kapaligiran, na kumalat sa isang lugar na humigit-kumulang 124,000 m².

Ang pinaka-kahila-hilakbot na halimbawa ng hindi sinasadyang paglabas ng mga radioactive substance sa kapaligiran ay ang aksidente sa Chernobyl nuclear power plant, na naganap noong Abril 26, 1986. Bilang resulta ng pagkasira ng ika-apat na yunit ng kuryente, 190 tonelada ng mga radioactive substance (kabilang ang plutonium isotopes) ay pinakawalan sa kapaligiran sa isang lugar na halos 2200 km².

Ang paglabas ng plutonium sa kapaligiran ay nauugnay hindi lamang sa mga aksidenteng gawa ng tao. Ang mga kaso ng pagtagas ng plutonium ay kilala, kapwa mula sa mga kondisyon ng laboratoryo at pabrika. Mahigit dalawampung hindi sinasadyang pagtagas mula sa 235U at 239Pu na mga laboratoryo ang kilala. Noong 1953-1978. ang mga kaso ng emerhensiya ay humantong sa pagkawala ng 0.81 (Mayak, Marso 15, 1953) hanggang 10.1 kg (Tomsk, Disyembre 13, 1978) 239Pu. Ang mga insidente sa mga industriyal na negosyo ay nagresulta sa pagkamatay ng dalawang tao sa lungsod ng Los Alamos (Agosto 21, 1945 at Mayo 21, 1946) dahil sa dalawang aksidente at pagkawala ng 6.2 kg ng plutonium. Sa lungsod ng Sarov noong 1953 at 1963. humigit-kumulang 8 at 17.35 kg ang nahulog sa labas ng nuclear reactor. Ang isa sa mga ito ay humantong sa pagkawasak ng isang nuclear reactor noong 1953.

Kapag ang 238Pu nucleus ay na-fission ng mga neutron, ang enerhiya ay inilalabas sa halagang 200 MeV, na 50 milyong beses na mas mataas kaysa sa pinakasikat na exothermic na reaksyon: C + O2 → CO2. "Pagsunog" sa isang nuclear reactor, ang isang gramo ng plutonium ay nagbibigay ng 2,107 kcal - ito ang enerhiya na nilalaman sa 4 na tonelada ng karbon. Ang isang didal ng plutonium fuel sa mga tuntunin ng enerhiya ay maaaring itumbas sa apatnapung bagonload ng magandang kahoy na panggatong!

Ang "natural na isotope" ng plutonium (244Pu) ay pinaniniwalaan na ang pinakamahabang buhay na isotope ng lahat ng elemento ng transuranium. Ang kalahating buhay nito ay 8.26∙107 taon. Matagal nang sinusubukan ng mga siyentipiko na makakuha ng isotope ng isang elemento ng transuranium na iiral nang mas mahaba kaysa sa 244Pu - ang mataas na pag-asa sa bagay na ito ay naka-pin sa 247Cm. Gayunpaman, pagkatapos ng synthesis nito, lumabas na ang kalahating buhay ng elementong ito ay 14 milyong taon lamang.

Kwento

Noong 1934, isang grupo ng mga siyentipiko na pinamumunuan ni Enrico Fermi ang gumawa ng pahayag na sa kurso ng gawaing pang-agham sa Unibersidad ng Roma, natuklasan nila ang isang elemento ng kemikal na may serial number na 94. Sa pagpupumilit ni Fermi, ang elemento ay pinangalanang hesperium, ang kumbinsido ang siyentipiko na natuklasan niya ang isang bagong elemento, na ngayon ay tinatawag na plutonium, kaya gumawa ng isang pagpapalagay tungkol sa pagkakaroon ng mga elemento ng transuranium at naging kanilang theoretical discoverer. Ipinagtanggol ni Fermi ang hypothesis na ito sa kanyang Nobel lecture noong 1938. Pagkatapos lamang ng pagtuklas ng nuclear fission ng mga Aleman na siyentipiko na sina Otto Frisch at Fritz Strassmann, napilitan si Fermi na gumawa ng isang tala sa nakalimbag na bersyon, na inilathala sa Stockholm noong 1939, na nagpapahiwatig ng pangangailangan na baguhin ang "buong problema ng mga elemento ng transuranium." Ang katotohanan ay ang gawain nina Frisch at Strassmann ay nagpakita na ang aktibidad na natuklasan ni Fermi sa kanyang mga eksperimento ay dahil mismo sa fission, at hindi sa pagtuklas ng mga elemento ng transuranium, tulad ng dati niyang pinaniniwalaan.

Ang bago, ang siyamnapu't apat na elemento, ay natuklasan sa pagtatapos ng 1940. Nangyari ito sa Berkeley sa Unibersidad ng California. Nang bombahin ang uranium oxide (U3O8) na may mabigat na hydrogen nuclei (deuterons), natuklasan ng isang grupo ng mga Amerikanong radiochemist na pinamumunuan ni Glenn T. Seaborg ang isang hindi pa kilalang alpha particle emitter na may kalahating buhay na 90 taon. Ang emitter na ito ay naging isotope ng elemento No. 94 na may mass number na 238. Kaya, noong Disyembre 14, 1940, ang unang microgram na dami ng plutonium ay nakuha, kasama ang isang admixture ng iba pang mga elemento at ang kanilang mga compound.

Sa kurso ng isang eksperimento na isinagawa noong 1940, natagpuan na sa panahon ng patuloy na reaksyong nuklear, ang panandaliang isotope neptunium-238 (kalahating buhay 2.117 araw) ay unang nakuha, at ang plutonium-238 ay nakuha na mula dito:

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

Ang mahaba at matrabahong mga eksperimento sa kemikal upang paghiwalayin ang isang bagong elemento mula sa mga dumi ay tumagal ng dalawang buwan. Ang pagkakaroon ng isang bagong elemento ng kemikal ay nakumpirma noong gabi ng Pebrero 23-24, 1941 ni G.T. Seaborg, E.M. ng hindi bababa sa dalawang estado ng oksihenasyon. Ilang sandali pagkatapos ng pagtatapos ng mga eksperimento, natagpuan na ang isotope na ito ay hindi fissile, at, samakatuwid, hindi kawili-wili para sa karagdagang pag-aaral. Di-nagtagal (Marso 1941) na-synthesize nina Kennedy, Seaborg, Segré at Wahl ang mas mahalagang isotope plutonium-239 sa pamamagitan ng pag-irradiate ng uranium na may napakabilis na mga neutron sa isang cyclotron. Ang isotope na ito ay ginawa ng pagkabulok ng neptunium-239, naglalabas ng mga alpha ray, at may kalahating buhay na 24,000 taon. Ang unang purong compound ng elemento ay nakuha noong 1942, at ang unang plutonium metal ayon sa timbang ay nakuha noong 1943.

Ang pangalan ng bagong elemento 94 ay iminungkahi noong 1948 ni Macmillan, na, ilang buwan bago ang pagtuklas ng plutonium, kasama si F. Aibelson, ay nakatanggap ng unang elemento na mas mabigat kaysa sa uranium - elemento No. 93, na pinangalanang neptunium bilang parangal. ng planetang Neptune - ang una sa likod ng Uranus. Sa pamamagitan ng pagkakatulad, ang elementong Blg. 94 ay tinawag na plutonium, dahil ang planetang Pluto ay ang pangalawang planeta sa likod ng Uranus. Kaugnay nito, iminungkahi ni Seaborg na tawagan ang bagong elemento na "plutonium", ngunit pagkatapos ay natanto na ang pangalan ay hindi masyadong magandang tunog kumpara sa "plutonium". Bilang karagdagan, naglagay siya ng iba pang mga pangalan para sa bagong elemento: ultimium, extermium, dahil sa maling paghatol noong panahong ang plutonium ang magiging huling elemento ng kemikal sa periodic table. Bilang resulta, ang elemento ay pinangalanang "plutonium" bilang parangal sa pagkatuklas ng huling planeta sa solar system.

Ang pagiging likas

Ang kalahating buhay ng pinakamahabang buhay na isotope ng plutonium ay 75 milyong taon. Ang figure ay napaka-kahanga-hanga, gayunpaman, ang edad ng Galaxy ay sinusukat sa bilyun-bilyong taon. Mula dito ay sumusunod na ang pangunahing isotopes ng siyamnapu't apat na elemento, na nabuo sa panahon ng mahusay na synthesis ng mga elemento ng Uniberso, ay walang pagkakataon na mabuhay hanggang sa araw na ito. Gayunpaman, hindi ito nangangahulugan na walang plutonium sa Earth. Ito ay patuloy na nabuo sa uranium ores. Sa pamamagitan ng pagkuha ng cosmic radiation neutrons at neutrons na ginawa ng spontaneous (spontaneous) fission ng 238U nuclei, ang ilan - napakakaunting - atoms ng isotope na ito ay nagiging 239U atoms. Ang nuclei ng elementong ito ay napaka hindi matatag, naglalabas sila ng mga electron at sa gayon ay nagdaragdag ng kanilang singil, ang pagbuo ng neptunium, ang unang elemento ng transuranium, ay nangyayari. Ang 239Np ay hindi rin matatag, ang nuclei nito ay naglalabas din ng mga electron, kaya sa loob lamang ng 56 na oras kalahati ng 239Np ay nagiging 239Pu.

Ang kalahating buhay ng isotope na ito ay medyo mahaba, sa 24,000 taon. Sa karaniwan, ang nilalaman ng 239Pu ay halos 400,000 beses na mas mababa kaysa sa radium. Samakatuwid, hindi lamang upang kunin - kahit na upang makita ang "terrestrial" plutonium ay lubhang mahirap. Maliit na halaga ng 239Pu - isang trilyon - at mga produktong nabubulok ay matatagpuan sa uranium ores, halimbawa, sa isang natural na nuclear reactor sa Oklo, Gabon (West Africa). Ang tinatawag na "natural nuclear reactor" ay itinuturing na ang tanging isa sa mundo kung saan ang pagbuo ng mga actinides at ang kanilang mga produkto ng fission sa geosphere ay kasalukuyang nagaganap. Ayon sa modernong mga pagtatantya, ang isang self-sustaining reaksyon sa pagpapalabas ng init ay naganap sa rehiyong ito ilang milyong taon na ang nakalilipas, na tumagal ng higit sa kalahating milyong taon.

Kaya, alam na natin na sa uranium ores, bilang resulta ng pagkuha ng mga neutron sa pamamagitan ng uranium nuclei, nabuo ang neptunium (239Np), ang produkto ng β-decay na kung saan ay natural na plutonium-239. Salamat sa mga espesyal na instrumento - mass spectrometers, ang pagkakaroon ng plutonium-244 (244Pu), na may pinakamahabang kalahating buhay - mga 80 milyong taon, ay nakita sa Precambrian bastnaesite (sa cerium ore). Sa likas na katangian, ang 244Pu ay pangunahing nangyayari sa anyo ng dioxide (PuO2), na hindi gaanong natutunaw sa tubig kaysa sa buhangin (quartz). Dahil ang medyo mahabang buhay na isotope plutonium-240 (240Pu) ay nasa decay chain ng plutonium-244, ang pagkabulok nito ay nagaganap, ngunit ito ay napakabihirang nangyayari (1 kaso kada 10,000). Ang napakaliit na halaga ng plutonium-238 (238Pu) ay tumutukoy sa napakabihirang double beta decay ng parent isotope, uranium-238, na natagpuan sa uranium ores.

Ang mga bakas ng isotopes na 247Pu at 255Pu ay natagpuan sa alikabok na nakolekta pagkatapos ng mga pagsabog ng mga thermonuclear bomb.

Ang pinakamaliit na halaga ng plutonium ay maaaring hypothetically na matatagpuan sa katawan ng tao, dahil ang isang malaking bilang ng mga nuclear test ay isinagawa sa isang paraan o iba pang nauugnay sa plutonium. Ang plutonium ay naipon pangunahin sa balangkas at atay, mula sa kung saan ito ay halos hindi nailalabas. Bilang karagdagan, ang siyamnapu't apat na elemento ay naipon ng mga organismo sa dagat; Ang mga terrestrial na halaman ay sumisipsip ng plutonium pangunahin sa pamamagitan ng root system.

Lumalabas na ang artipisyal na synthesized plutonium ay umiiral pa rin sa kalikasan, kaya bakit hindi ito mina, ngunit nakuha nang artipisyal? Ang katotohanan ay ang konsentrasyon ng elementong ito ay masyadong mababa. Sinasabi nila ang tungkol sa isa pang radioactive metal - radium: "sa isang gramo ng produksyon - sa isang taon ng trabaho", at ang radium sa kalikasan ay 400,000 beses na higit sa plutonium! Para sa kadahilanang ito, hindi lamang upang kunin - kahit na upang makita ang "terrestrial" plutonium ay lubhang mahirap. Ito ay ginawa lamang pagkatapos na pag-aralan ang pisikal at kemikal na katangian ng plutonium na nakuha sa mga nuclear reactor.

Aplikasyon

Ang 239Pu isotope (kasama ang U) ay ginagamit bilang nuclear fuel sa mga power reactor na tumatakbo sa thermal at fast neutrons (pangunahin), gayundin sa paggawa ng mga sandatang nuklear.

Humigit-kumulang 500 nuclear power plant sa buong mundo ang bumubuo ng humigit-kumulang 370 GW ng kuryente (o 15% ng kabuuang henerasyon ng kuryente sa mundo). Ang Plutonium-236 ay ginagamit sa paggawa ng mga atomic electric na baterya, ang buhay ng serbisyo na umabot sa limang taon o higit pa, ginagamit ang mga ito sa kasalukuyang mga generator na nagpapasigla sa puso (mga pacemaker). Ginagamit ang 238Pu sa maliliit na pinagmumulan ng nuclear power na ginagamit sa pananaliksik sa kalawakan. Kaya plutonium-238 ang pinagmumulan ng kuryente para sa New Horizons, Galileo at Cassini probes, Curiosity rover at iba pang spacecraft.

Sa mga sandatang nuklear, ginagamit ang plutonium-239, dahil ang isotope na ito ay ang tanging angkop na nuclide para gamitin sa isang bombang nuklear. Bilang karagdagan, ang mas madalas na paggamit ng plutonium-239 sa mga bombang nuklear ay dahil sa ang katunayan na ang plutonium ay sumasakop sa isang mas maliit na dami sa globo (kung saan matatagpuan ang core ng bomba), samakatuwid, ang isa ay maaaring makakuha ng paputok na kapangyarihan ng bomba dahil sa ari-arian na ito.

Ang pamamaraan kung saan ang isang nuclear explosion ay nangyayari na kinasasangkutan ng plutonium ay nakasalalay sa disenyo ng bomba mismo, ang core nito ay binubuo ng isang globo na puno ng 239Pu. Sa sandali ng epekto sa lupa, ang globo ay na-compress sa isang milyong atmospheres dahil sa istraktura at dahil sa paputok na nakapalibot sa globo na ito. Matapos ang epekto, ang nucleus ay lumalawak sa dami at density sa pinakamaikling oras - sampung microsecond, ang pagpupulong ay dumulas sa kritikal na estado sa mga thermal neutron at napupunta sa supercritical na estado sa mabilis na mga neutron - isang nuclear chain reaction ay nagsisimula sa paglahok ng mga neutron at nuclei ng elemento. Sa huling pagsabog ng isang bombang nuklear, ang isang temperatura ng pagkakasunud-sunod ng sampu-sampung milyong degree ay pinakawalan.

Ang isotopes ng plutonium ay natagpuan ang kanilang aplikasyon sa synthesis ng transplutonium (kasunod ng plutonium) na mga elemento. Halimbawa, sa Oak Ridge National Laboratory, ang pangmatagalang neutron irradiation na may 239Pu ay gumagawa ng 24496Cm, 24296Cm, 24997Bk, 25298Cf, 25399Es, at 257100Fm. Ang Americium 24195Am ay nakuha sa parehong paraan noong 1944 sa unang pagkakataon. Noong 2010, ang plutonium-242 oxide na binomba ng calcium-48 ions ay nagsilbing source ng ununquadium.

Ang δ-stabilized plutonium alloys ay ginagamit sa paggawa ng mga fuel rod, dahil ang mga ito ay may makabuluhang mas mahusay na mga katangian ng metal kumpara sa purong plutonium, na sumasailalim sa mga phase transition kapag pinainit at ito ay isang napaka malutong at hindi mapagkakatiwalaang materyal. Ang mga haluang metal ng plutonium sa iba pang mga elemento (intermetallic compound) ay karaniwang nakuha sa pamamagitan ng direktang pakikipag-ugnayan ng mga elemento sa kinakailangang mga ratio, pangunahin ang arc melting ay ginagamit, kung minsan ang mga hindi matatag na haluang metal ay nakuha sa pamamagitan ng spray deposition o paglamig ng mga natutunaw.

Ang mga pangunahing elemento ng pang-industriya na haluang metal para sa plutonium ay gallium, aluminyo at bakal, bagaman ang plutonium ay nagagawang bumuo ng mga haluang metal at intermediate compound na may karamihan sa mga metal na may mga bihirang eksepsiyon (potassium, sodium, lithium, rubidium, magnesium, calcium, strontium, barium, europium at ytterbium ). Mga refractory na metal: ang molibdenum, niobium, chromium, tantalum at tungsten ay natutunaw sa likidong plutonium, ngunit halos hindi matutunaw o bahagyang natutunaw sa solid plutonium. Ang indium, silicon, zinc, at zirconium ay may kakayahang bumuo ng metastable δ-plutonium (δ"-phase) sa mabilis na paglamig. Ang gallium, aluminum, americium, scandium, at cerium ay maaaring magpatatag ng δ-plutonium sa temperatura ng silid.

Ang malalaking halaga ng holmium, hafnium at thallium ay ginagawang posible na panatilihin ang ilang δ-plutonium sa temperatura ng silid. Ang Neptunium ay ang tanging elemento na makapagpapatatag ng α-plutonium sa mataas na temperatura. Ang titanium, hafnium at zirconium ay nagpapatatag ng istraktura ng β-plutonium sa temperatura ng silid sa mabilis na paglamig. Ang paggamit ng naturang mga haluang metal ay medyo magkakaibang. Halimbawa, ang isang plutonium-gallium alloy ay ginagamit upang patatagin ang δ phase ng plutonium, na umiiwas sa α-δ phase transition. Ang plutonium-gallium-cobalt ternary alloy (PuGaCo5) ay isang superconducting alloy sa 18.5 K. Mayroong bilang ng mga haluang metal (plutonium-zirconium, plutonium-cerium at plutonium-cerium-cobalt) na ginagamit bilang nuclear fuel.

Produksyon

Ang komersyal na plutonium ay nakuha sa dalawang paraan. Ito ay alinman sa pag-iilaw ng 238U nuclei na nakapaloob sa mga nuclear reactor, o ang paghihiwalay sa pamamagitan ng mga radiochemical na pamamaraan (coprecipitation, extraction, ion exchange, atbp.) ng plutonium mula sa uranium, transuranium elements at fission na mga produkto na nilalaman sa ginastos na gasolina.

Sa unang kaso, ang 239Pu isotope na pinakamahalaga sa pagsasanay (sa isang halo na may maliit na admixture na 240Pu) ay ginawa sa mga nuclear reactor na may partisipasyon ng uranium at neutron nuclei gamit ang β-decay at may partisipasyon ng neptunium isotopes bilang intermediate produkto ng fission:

23892U + 21D → 23893Np + 210n;

23893Np → 23894Pu

β--pagkabulok

Sa prosesong ito, ang isang deuteron ay pumapasok sa uranium-238, na nagreresulta sa pagbuo ng neptunium-238 at dalawang neutron. Susunod, ang neptunium-238 ay kusang nag-fission, na naglalabas ng mga beta-minus na particle, na bumubuo ng plutonium-238.

Karaniwan ang nilalaman ng 239Pu sa pinaghalong ay 90-95%, 240Pu-1-7%, ang nilalaman ng iba pang mga isotopes ay hindi lalampas sa ikasampu ng isang porsyento. Ang mga isotopes na may mahabang kalahating buhay - 242Pu at 244Pu ay nakukuha sa pamamagitan ng matagal na pag-iilaw na may 239Pu neutron. Bukod dito, ang 242Pu yield ay ilang sampu-sampung porsyento, at ang 244Pu ay isang fraction ng isang porsyento ng 242Pu content. Ang mga maliliit na halaga ng isotopically pure plutonium-238 ay nabuo kapag ang neptunium-237 ay na-irradiated ng mga neutron. Ang mga light isotopes ng plutonium na may mass number na 232-237 ay karaniwang nakukuha sa isang cyclotron sa pamamagitan ng pag-irradiate ng uranium isotopes na may α-particles.

Ang pangalawang paraan para sa pang-industriyang produksyon ng 239Pu ay gumagamit ng proseso ng Purex batay sa pagkuha ng tributyl phosphate sa isang light diluent. Sa unang cycle, ang Pu at U ay magkasamang nililinis mula sa mga produktong fission, at pagkatapos ay pinaghihiwalay ang mga ito. Sa ikalawa at ikatlong cycle, ang plutonium ay sumasailalim sa karagdagang paglilinis at konsentrasyon. Ang pamamaraan ng naturang proseso ay batay sa pagkakaiba sa mga katangian ng tetra- at hexavalent compound ng mga elementong ihihiwalay.

Sa una, ang mga ginastos na fuel rod ay binubuwag at ang cladding na naglalaman ng ginugol na plutonium at uranium ay tinanggal sa pamamagitan ng pisikal at kemikal na paraan. Susunod, ang nakuhang nuclear fuel ay natunaw sa nitric acid. Pagkatapos ng lahat, ito ay isang malakas na ahente ng oxidizing kapag natunaw, at ang uranium, plutonium, at mga impurities ay na-oxidized. Zero-valence plutonium atoms ay na-convert sa Pu + 6, at parehong plutonium at uranium ay dissolved. Mula sa solusyon na ito, ang siyamnapu't apat na elemento ay nabawasan sa trivalent na estado na may sulfur dioxide, at pagkatapos ay namuo ng lanthanum fluoride (LaF3).

Gayunpaman, ang precipitate, bilang karagdagan sa plutonium, ay naglalaman ng neptunium at bihirang mga elemento ng lupa, ngunit ang bulk (uranium) ay nananatili sa solusyon. Susunod, ang plutonium ay muling na-oxidize sa Pu + 6 at ang lanthanum fluoride ay idinagdag muli. Ngayon ang mga bihirang-earth na elemento ay pumapasok sa precipitate, at ang plutonium ay nananatili sa solusyon. Susunod, ang neptunium ay na-oxidized sa isang tetravalent state na may potassium bromate, dahil ang reagent na ito ay hindi kumikilos sa plutonium, at sa panahon ng pangalawang pag-ulan na may parehong lanthanum fluoride, trivalent plutonium precipitates, at neptunium ay nananatili sa solusyon. Ang mga huling produkto ng naturang operasyon ay mga compound na naglalaman ng plutonium - PuO2 dioxide o fluoride (PuF3 o PuF4), kung saan (sa pamamagitan ng pagbawas sa barium, calcium o lithium vapor) metallic plutonium ay nakuha.

Ang mas purong plutonium ay maaaring makamit sa pamamagitan ng electrolytic refining ng pyrochemically produced metal, na isinasagawa sa electrolysis cells sa temperatura na 700 ° C na may electrolyte ng potassium, sodium at plutonium chloride gamit ang tungsten o tantalum cathode. Ang plutonium kaya nakuha ay may kadalisayan ng 99.99%.

Upang makakuha ng malaking dami ng plutonium, itinatayo ang mga breeder reactor, ang tinatawag na "breeders" (mula sa English verb to breed - to multiply). Nakuha ng mga reactor na ito ang kanilang pangalan dahil sa kanilang kakayahang makakuha ng fissile material sa halagang lampas sa halaga ng materyal na ito para sa pagkuha. Ang pagkakaiba sa pagitan ng mga reactor ng ganitong uri mula sa iba ay ang mga neutron sa kanila ay hindi pinabagal (walang moderator, halimbawa, grapayt) upang tumugon hangga't maaari sa 238U.

Pagkatapos ng reaksyon, nabuo ang 239U atoms, na kalaunan ay bumubuo ng 239Pu. Ang core ng naturang reactor, na naglalaman ng PuO2 sa naubos na uranium dioxide (UO2), ay napapalibutan ng isang shell ng mas naubos na uranium-238 dioxide (238UO2), kung saan nabuo ang 239Pu. Ang magkasanib na paggamit ng 238U at 235U ay nagpapahintulot sa "bredders" na makagawa ng enerhiya mula sa natural na uranium ng 50-60 beses na higit pa kaysa sa iba pang mga reactor. Gayunpaman, ang mga reactor na ito ay may malaking disbentaha - ang mga fuel rod ay dapat palamigin ng isang daluyan maliban sa tubig, na binabawasan ang kanilang enerhiya. Samakatuwid, napagpasyahan na gumamit ng likidong sodium bilang isang coolant.

Ang pagtatayo ng naturang mga reaktor sa Estados Unidos ng Amerika ay nagsimula pagkatapos ng pagtatapos ng Ikalawang Digmaang Pandaigdig, sinimulan ng USSR at Great Britain ang kanilang paglikha noong 1950s lamang.

Mga Katangiang Pisikal

Ang plutonium ay isang napakabigat (density sa n.a. 19.84 g / cm³) na kulay-pilak na metal, na halos kapareho ng nikel sa purified state, gayunpaman, ang plutonium ay mabilis na nag-oxidize sa hangin, nabubulok, na bumubuo ng isang iridescent film, una ay dilaw na dilaw, pagkatapos ay nagiging dark purple. . Sa malakas na oksihenasyon, lumilitaw ang isang olive-green oxide powder (PuO2) sa ibabaw ng metal.

Ang plutonium ay isang napaka-electronegative at reaktibong metal, maraming beses na higit pa kaysa sa uranium. Mayroon itong pitong allotropic modification (α, β, γ, δ, δ", ε at ζ), na nagbabago sa isang tiyak na hanay ng temperatura at sa isang tiyak na hanay ng presyon. Sa temperatura ng silid, ang plutonium ay nasa α-form - ito ay ang pinakakaraniwang allotropic modification para sa plutonium Sa alpha phase, ang purong plutonium ay malutong at medyo matigas - ang istrakturang ito ay halos kasing tigas ng gray na cast iron maliban kung ito ay pinaghalo sa iba pang mga metal upang gawing ductile at malambot ang haluang metal. (Osmium lang, iridium , mas mabigat ang platinum, rhenium, at neptunium kaysa rito.) Ang karagdagang allotropic transformations ng plutonium ay sinamahan ng biglaang pagbabago sa density. at delta-prim. Kapag natunaw (transition mula sa epsilon phase patungo sa liquid phase), ang plutonium ay kumukuha din, nagpapahintulot sa hindi natunaw na plutonium na lumutang.

Ang plutonium ay nakikilala sa pamamagitan ng isang malaking bilang ng mga hindi pangkaraniwang katangian: mayroon itong pinakamababang thermal conductivity ng lahat ng mga metal - sa 300 K ito ay 6.7 W / (m K); Ang plutonium ay may pinakamababang electrical conductivity; sa likidong bahagi nito, ang plutonium ang pinakamalapot na metal. Ang resistivity ng siyamnapu't apat na elemento sa temperatura ng silid ay napakataas para sa isang metal, at ang tampok na ito ay tataas sa pagbaba ng temperatura, na hindi karaniwan para sa mga metal. Ang ganitong "anomalya" ay maaaring masubaybayan hanggang sa temperatura na 100 K - sa ibaba ng markang ito, bababa ang electrical resistance. Gayunpaman, mula sa marka ng 20 K, ang paglaban ay muling nagsisimulang tumaas dahil sa aktibidad ng radiation ng metal.

Ang plutonium ay may pinakamataas na electrical resistivity ng anumang actinide na pinag-aralan (sa ngayon), na 150 µΩ cm (sa 22°C). Ang metal na ito ay may mababang punto ng pagkatunaw (640°C) at isang hindi karaniwang mataas na punto ng kumukulo (3227°C). Mas malapit sa punto ng pagkatunaw, ang likidong plutonium ay may napakataas na lagkit at tensyon sa ibabaw kumpara sa ibang mga metal.

Dahil sa radyaktibidad nito, ang plutonium ay mainit sa pagpindot. Ang isang malaking piraso ng plutonium sa isang thermal jacket ay pinainit sa isang temperatura na lumampas sa kumukulong punto ng tubig! Bilang karagdagan, dahil sa radioactivity nito, ang plutonium ay sumasailalim sa mga pagbabago sa kristal na sala-sala nito sa paglipas ng panahon - isang uri ng pagsusubo ay nangyayari dahil sa pag-iilaw sa sarili dahil sa pagtaas ng temperatura sa itaas 100 K.

Ang pagkakaroon ng malaking bilang ng mga allotropic modification sa plutonium ay ginagawa itong mahirap na iproseso at i-roll out dahil sa mga phase transition. Alam na natin na sa alpha form ang siyamnapu't-apat na elemento ay katulad sa mga katangian ng cast iron, gayunpaman, mayroon itong pag-aari ng pagbabago at pag-on sa isang ductile na materyal, at bumubuo ng isang malleable na β-form sa mas mataas na mga saklaw ng temperatura. Ang plutonium sa anyong δ ay karaniwang stable sa mga temperatura sa pagitan ng 310°C at 452°C, ngunit maaaring umiral sa temperatura ng silid kung doped na may mababang porsyento ng aluminum, cerium, o gallium. Dahil pinaghalo sa mga metal na ito, maaaring gamitin ang plutonium sa hinang. Sa pangkalahatan, ang delta form ay may mas malinaw na mga katangian ng metal - ito ay malapit sa aluminyo sa mga tuntunin ng lakas at kakayahan sa forging.

Mga katangian ng kemikal

Ang mga kemikal na katangian ng siyamnapu't apat na elemento sa maraming paraan ay katulad ng mga katangian ng mga nauna nito sa periodic system - uranium at neptunium. Ang plutonium ay isang medyo aktibong metal; ito ay bumubuo ng mga compound na may mga estado ng oksihenasyon mula +2 hanggang +7. Sa mga may tubig na solusyon, ang elemento ay nagpapakita ng mga sumusunod na estado ng oksihenasyon: Pu (III), bilang Pu3+ (umiiral sa acidic aqueous solution, ay may mapusyaw na kulay ube); Pu (IV), bilang Pu4+ (chocolate shade); Pu (V), bilang PuO2+ (malinaw na solusyon); Pu(VI) bilang PuO22+ (light orange solution) at Pu(VII) bilang PuO53- (green solution).

Bukod dito, ang mga ion na ito (maliban sa PuO53-) ay maaaring nasa solusyon nang sabay-sabay sa ekwilibriyo, na ipinaliwanag sa pamamagitan ng pagkakaroon ng 5f-electrons, na matatagpuan sa naisalokal at delokalisado na zone ng electron orbital. Sa pH 5-8, nangingibabaw ang Pu (IV), na siyang pinaka-matatag sa iba pang mga valence (mga estado ng oksihenasyon). Ang mga plutonium ions ng lahat ng mga estado ng oksihenasyon ay madaling kapitan ng hydrolysis at kumplikadong pagbuo. Ang kakayahang bumuo ng mga naturang compound ay tumataas sa seryeng Pu5+

Ang compact plutonium ay dahan-dahang nag-oxidize sa hangin, na natatakpan ng isang iridescent oily film ng oxide. Ang mga sumusunod na plutonium oxide ay kilala: PuO, Pu2O3, PuO2 at ang bahagi ng variable na komposisyon Pu2O3 - Pu4O7 (berthollides). Sa pagkakaroon ng isang maliit na halaga ng kahalumigmigan, ang rate ng oksihenasyon at kaagnasan ay tumataas nang malaki. Kung ang metal ay nakalantad sa maliit na halaga ng maalinsangang hangin sa loob ng mahabang panahon, ang plutonium dioxide (PuO2) ay nabubuo sa ibabaw nito. Sa kakulangan ng oxygen, maaari ding mabuo ang dihydride nito (PuH2). Nakakagulat, ang plutonium ay mas mabilis na kinakalawang sa isang inert na gas (hal., argon) na may singaw ng tubig kaysa sa tuyong hangin o purong oxygen. Sa katunayan, ang katotohanang ito ay madaling ipaliwanag - ang direktang pagkilos ng oxygen ay bumubuo ng isang layer ng oksido sa ibabaw ng plutonium, na pumipigil sa karagdagang oksihenasyon, ang pagkakaroon ng kahalumigmigan ay gumagawa ng isang maluwag na halo ng oxide at hydride. Sa pamamagitan ng paraan, salamat sa gayong patong, ang metal ay nagiging pyrophoric, iyon ay, ito ay may kakayahang kusang pagkasunog, para sa kadahilanang ito, ang metal na plutonium, bilang panuntunan, ay naproseso sa isang hindi gumagalaw na kapaligiran ng argon o nitrogen. Kasabay nito, ang oxygen ay isang proteksiyon na sangkap at pinipigilan ang kahalumigmigan na maapektuhan ang metal.

Ang siyamnapu't apat na elemento ay tumutugon sa mga acid, oxygen at kanilang mga singaw, ngunit hindi sa alkalis. Ang plutonium ay lubos na natutunaw lamang sa napakaasim na media (halimbawa, hydrochloric acid HCl), at natutunaw din sa hydrogen chloride, hydrogen iodide, hydrogen bromide, 72% perchloric acid, 85% phosphoric acid H3PO4, concentrated CCl3COOH, sulfamic acid at boiling concentrated nitric acid. Ang plutonium ay hindi kapansin-pansing natutunaw sa mga solusyon sa alkali.

Kapag ang alkalis ay kumikilos sa mga solusyon na naglalaman ng tetravalent plutonium, isang precipitate ng plutonium hydroxide Pu(OH)4 xH2O, na may mga pangunahing katangian, ay namuo. Kapag ang alkalis ay kumikilos sa mga solusyon ng mga asin na naglalaman ng PuO2+, ang amphoteric hydroxide na PuO2OH ay namuo. Ang mga asin ay tumutugma dito - plutonites, halimbawa, Na2Pu2O6.

Ang mga plutonium salt ay madaling mag-hydrolyze kapag nadikit sa mga neutral o alkaline na solusyon, na lumilikha ng hindi matutunaw na plutonium hydroxide. Ang mga puro plutonium na solusyon ay hindi matatag dahil sa radiolytic decomposition na humahantong sa pag-ulan.

Plutonium
atomic number	94
Hitsura ng isang simpleng sangkap
Mga katangian ng atom
Mass ng atom (molar mass)	244.0642 a. e. m. (/mol)
Radius ng atom	151 pm
Enerhiya ng ionization (unang elektron)	491.9(5.10) kJ/mol (eV)
Electronic na pagsasaayos	5f 6 7s 2
Mga katangian ng kemikal
covalent radius	n/a pm
Ion radius	(+4e) 93 (+3e) 108 pm
Electronegativity (ayon kay Pauling)	1,28
Potensyal ng elektrod	Pu ← Pu 4+ -1.25V Pu←Pu 3+ -2.0V Pu ← Pu 2+ -1.2V
Mga estado ng oksihenasyon	6, 5, 4, 3
Thermodynamic properties ng isang simpleng substance
Densidad	19.84 /cm³
Kapasidad ng init ng molar	32.77 J /( mol)
Thermal conductivity	(6.7) W /( )
Temperaturang pantunaw	914
Natutunaw na init	2.8 kJ/mol
Temperatura ng kumukulo	3505
Init ng pagsingaw	343.5 kJ / mol
Dami ng molar	12.12 cm³/mol
Ang kristal na sala-sala ng isang simpleng sangkap
Istraktura ng sala-sala	monoclinic
Mga parameter ng sala-sala	a=6.183 b=4.822 c=10.963 β=101.8
c/a ratio	—
Temperatura ni Debye	162

Plutonium- isang radioactive na elemento ng kemikal ng pangkat ng actinide, na malawakang ginagamit sa paggawa mga sandatang nuklear(ang tinatawag na "weapon-grade plutonium"), gayundin (sa eksperimento) bilang isang nuclear fuel para sa mga nuclear reactor para sa sibil at layunin ng pananaliksik. Ang unang artipisyal na elemento na nakuha sa dami na magagamit para sa pagtimbang (1942).

Ang talahanayan sa kanan ay nagpapakita ng mga pangunahing katangian ng α-Pu, ang pangunahing allotropic modification ng plutonium, sa temperatura ng silid at normal na presyon.

Kasaysayan ng plutonium

Ang plutonium isotope 238 Pu ay unang artipisyal na nakuha noong Pebrero 23, 1941 ng isang grupo ng mga Amerikanong siyentipiko na pinamumunuan ni Glenn Seaborg sa pamamagitan ng irradiating nuclei. uranium mga deuteron. Kapansin-pansin na ang plutonium ay natuklasan sa kalikasan lamang pagkatapos ng artipisyal na produksyon: ang hindi gaanong halaga ng 239 Pu ay karaniwang matatagpuan sa uranium ores bilang isang produkto ng radioactive transformation ng uranium.

Paghahanap ng plutonium sa kalikasan

Sa uranium ores, bilang resulta ng pagkuha ng mga neutron (halimbawa, mga neutron mula sa cosmic radiation) ng uranium nuclei, neptunium(239 Np), na ang produkto ng β-decay ay natural na plutonium-239. Gayunpaman, ang plutonium ay nabuo sa mga mikroskopikong dami (0.4-15 bahagi ng Pu bawat 10 12 bahagi ng U) na ang pagkuha nito mula sa uranium ores ay wala sa tanong.

pinagmulan ng pangalan plutonium

Noong 1930, ang astronomikal na mundo ay nasasabik sa kahanga-hangang balita: isang bagong planeta ang natuklasan, ang pagkakaroon nito ay matagal nang pinag-uusapan ni Percival Lovell, isang astronomo, mathematician at may-akda ng mga kamangha-manghang sanaysay sa buhay sa Mars. Batay sa mga pangmatagalang obserbasyon ng mga paggalaw uranium at Neptune Napagpasyahan ni Lovell na sa kabila ng Neptune sa solar system ay dapat mayroong isa pa, ang ikasiyam na planeta, apatnapung beses na mas malayo sa Araw kaysa sa Earth.

Ang planetang ito, ang mga elemento ng orbit kung saan kinakalkula ni Lovell noong 1915, ay natuklasan sa mga larawang photographic na kinunan noong Enero 21, 23 at 29, 1930 ng astronomer na si K. Tombo sa Flagstaff Observatory ( USA) . Pinangalanan ang planeta Pluto. Sa pangalan ng planetang ito, na matatagpuan sa solar system na lampas sa Neptune, ang ika-94 na elemento ay pinangalanang plutonium, na artipisyal na nakuha sa pagtatapos ng 1940 mula sa nuclei mga atomo uranium isang grupo ng mga Amerikanong siyentipiko na pinamumunuan ni G. Seaborg.

Mga Katangiang Pisikal plutonium

Mayroong 15 isotopes ng plutonium - Sa pinakamalaking dami, ang mga isotopes na may mga numero ng masa mula 238 hanggang 242 ay nakuha:

238 Pu -> (kalahating buhay 86 taon, pagkabulok ng alpha) -> 234 U,

Ang isotope na ito ay ginagamit halos eksklusibo sa space RTG, halimbawa, sa lahat ng mga device na lumipad sa kabila ng orbit ng Mars.

239 Pu -> (half-life 24,360 taon, alpha decay) -> 235 U,

Ang isotope na ito ay pinakaangkop para sa disenyo ng mga sandatang nuklear at mabilis na neutron nuclear reactor.

240 Pu -> (half-life 6580 years, alpha decay) -> 236 U, 241 Pu -> (half-life 14.0 years, beta decay) -> 241 Am, 242 Pu -> (half-life 370,000 years, alpha -pagkabulok) -> 238 U

Ang tatlong isotopes na ito ay hindi seryosong pang-industriya na kahalagahan, ngunit sila ay nakukuha bilang mga by-product kapag ang enerhiya ay nakuha sa nuclear reactors sa uranium, sa pamamagitan ng sunud-sunod na pagkuha ng ilang neutron ng uranium-238 nuclei. Ang isotope 242 ay pinakakapareho sa nuclear properties sa uranium-238. Ang Americium-241, na ginawa ng pagkabulok ng 241 isotope, ay ginamit sa mga smoke detector.

Ang plutonium ay kawili-wili dahil sumasailalim ito sa anim na yugto ng paglipat mula sa temperatura ng solidification hanggang sa temperatura ng silid, higit sa anumang elemento ng kemikal. Sa huli, ang densidad ay biglang tumaas ng 11%, bilang isang resulta, ang plutonium castings ay pumutok. Ang alpha phase ay matatag sa temperatura ng silid, ang mga katangian nito ay ibinibigay sa talahanayan. Para sa aplikasyon, ang delta phase, na may mas mababang density, at isang cubic body-centered na sala-sala ay mas maginhawa. Ang plutonium sa delta phase ay napaka-ductile, habang ang alpha phase ay malutong. Upang patatagin ang plutonium sa bahagi ng delta, ginagamit ang alloying na may mga trivalent na metal (ginamit ang gallium sa mga unang singil sa nuklear).

Paggamit ng plutonium

Ang unang plutonium-based nuclear charge ay pinasabog noong Hulyo 16, 1945 sa Alamogordo test site (test code-named "Trinity").

Ang biological na papel ng plutonium

Ang plutonium ay lubhang nakakalason; Ang MPC para sa 239 Pu sa mga open water body at sa hangin ng nagtatrabaho na lugar ay 81.4 at 3.3*10 −5 Bq/l, ayon sa pagkakabanggit. Karamihan sa mga isotopes ng plutonium ay may mataas na density ng ionization at isang maikling daanan ng particle, kaya ang toxicity nito ay hindi dahil sa mga kemikal na katangian nito (marahil, sa bagay na ito, ang plutonium ay hindi mas nakakalason kaysa sa iba pang mabibigat na metal), ngunit sa epekto ng ionizing sa ang mga nakapaligid na tisyu ng katawan. Ang plutonium ay kabilang sa pangkat ng mga elemento na may mataas na radiotoxicity. Sa katawan, ang plutonium ay gumagawa ng malalaking hindi maibabalik na pagbabago sa balangkas, atay, pali, bato, at nagiging sanhi ng kanser. Ang maximum na pinapayagang nilalaman ng plutonium sa katawan ay hindi dapat lumampas sa ikasampu ng isang microgram.

Mga gawaing masining na may kaugnayan sa tema plutonium

- Ginamit ang Plutonium para sa De Lorean DMC-12 machine sa pelikulang Back to the Future bilang panggatong para sa nagtitipon ng daloy upang maglakbay patungo sa hinaharap o sa nakaraan.

- Plutonium ang singil ng atomic bomb na pinasabog ng mga terorista sa Denver, USA, sa gawa ni Tom Clancy na "All the fears of the world"

- Kenzaburo Oe "Pinchrunner's Notes"

- Noong 2006, inilabas ng kumpanyang "Beacon Pictures" ang pelikulang "Plutonium-239" ( "Pu-239")

Chemistry

Ang Plutonium Pu - elemento No. 94 ay nauugnay sa napakataas na pag-asa at napakataas na takot sa sangkatauhan. Ngayon ito ay isa sa pinakamahalaga, estratehikong mahalaga, mga elemento. Ito ang pinakamahal sa mga teknikal na mahahalagang metal - ito ay mas mahal kaysa sa pilak, ginto at platinum. Siya ay tunay na mahalaga.

Background at kasaysayan

Sa simula mayroong mga proton - galactic hydrogen. Bilang resulta ng compression nito at kasunod na mga reaksyong nuklear, nabuo ang pinaka-hindi kapani-paniwalang "mga ingots" ng mga nucleon. Kabilang sa mga ito, ang mga "ingots" na ito ay, tila, naglalaman ng 94 na proton bawat isa. Ang mga pagtatantya ng mga theoreticians ay nagmumungkahi na ang tungkol sa 100 nucleon formations, na kinabibilangan ng 94 protons at mula 107 hanggang 206 neutrons, ay napakatatag na maaari silang ituring na isotope nuclei ng elemento No. 94.
Ngunit ang lahat ng isotopes na ito - hypothetical at real - ay hindi masyadong matatag na mapangalagaan hanggang sa araw na ito mula sa sandaling nabuo ang mga elemento ng solar system. Ang kalahating buhay ng pinakamahabang buhay na isotope ng elemento No. 94 ay 81 milyong taon. Ang edad ng kalawakan ay sinusukat sa bilyun-bilyong taon. Dahil dito, ang "orihinal" na plutonium ay walang pagkakataon na mabuhay hanggang sa araw na ito. Kung ito ay nabuo sa panahon ng mahusay na synthesis ng mga elemento ng Uniberso, kung gayon ang mga sinaunang atomo nito ay "namatay" matagal na ang nakalipas, tulad ng mga dinosaur at mammoth na namatay.
Noong XX siglo. bagong panahon, AD, ang elementong ito ay muling nilikha. Sa 100 posibleng isotopes ng plutonium, 25 ang na-synthesize. 15 sa kanila ay pinag-aralan para sa kanilang mga nuclear properties. Apat ang nakahanap ng praktikal na aplikasyon. At kakabukas lang nito. Noong Disyembre 1940, habang nag-iilaw ng uranium na may mabigat na hydrogen nuclei, natuklasan ng isang grupo ng mga Amerikanong radiochemist na pinamumunuan ni Glenn T. Seaborg ang isang hindi pa kilalang alpha particle emitter na may kalahating buhay na 90 taon. Ang emitter na ito ay naging isotope ng elemento No. 94 na may mass number na 238. Sa parehong taon, ngunit ilang buwan na ang nakalipas, E.M. Macmillan at F. Abelson ay tumanggap ng unang elementong mas mabigat kaysa sa uranium - elemento No. 93. Ang elementong ito ay tinatawag na neptunium, at ang ika-94 - plutonium. Tiyak na sasabihin ng mananalaysay na ang mga pangalang ito ay nagmula sa mitolohiyang Romano, ngunit sa esensya ang pinagmulan ng mga pangalang ito ay sa halip ay hindi mitolohiko, ngunit astronomiko.
Ang mga Elemento Blg. 92 at 93 ay pinangalanan sa malayong mga planeta ng solar system - Uranus at Neptune, ngunit ang Neptune ay hindi ang huli sa solar system, ang orbit ng Pluto ay namamalagi pa - isang planeta na halos wala pang nalalaman hanggang ngayon. ... Ang isang katulad na konstruksiyon ay naobserbahan din natin sa "kaliwang gilid" ng periodic table: uranium - neptunium - plutonium, gayunpaman, ang sangkatauhan ay higit na nakakaalam tungkol sa plutonium kaysa sa Pluto. Sa pamamagitan ng paraan, natuklasan ng mga astronomo ang Pluto sampung taon lamang bago ang synthesis ng plutonium - halos parehong yugto ng panahon ang naghihiwalay sa mga pagtuklas ng Uranus - ang planeta at uranium - ang elemento.

Mga bugtong para sa ransomware

Ang unang isotope ng elemento No. 94, plutonium-238, ay natagpuan na ngayon ang praktikal na aplikasyon. Ngunit noong unang bahagi ng 1940s, hindi man lang nila ito inisip. Posibleng makakuha ng plutonium-238 sa dami ng praktikal na interes lamang sa pamamagitan ng pag-asa sa isang malakas na industriya ng nukleyar. Noong panahong iyon, nagsisimula pa lang siya. Ngunit malinaw na sa pamamagitan ng pagpapakawala ng enerhiya na nilalaman sa nuclei ng mabibigat na radioactive na elemento, posible na makakuha ng mga sandata ng walang uliran na kapangyarihan. Lumitaw ang Manhattan Project, na walang iba kundi isang pangalan na karaniwan sa kilalang lugar ng New York. Ito ang pangkalahatang pangalan para sa lahat ng gawaing nauugnay sa paglikha ng mga unang bombang atomika sa Estados Unidos. Ang pinuno ng Manhattan Project ay hindi isang siyentipiko, ngunit isang militar na lalaki - si General Groves, na "magiliw" na tinawag ang kanyang mataas na pinag-aralan na mga ward na "sirang kaldero".
Ang mga pinuno ng "proyekto" ay hindi interesado sa plutonium-238. Ang nuclei nito, bilang, sa katunayan, ang nuclei ng lahat ng plutonium isotopes na may pantay na mga numero ng masa, ay hindi nag-fission sa mga neutron na mababa ang enerhiya, kaya hindi ito maaaring magsilbi bilang isang nuclear explosive. Gayunpaman, ang unang hindi masyadong mauunawaan na mga ulat tungkol sa mga elemento Blg. 93 at 94 ay lumabas lamang sa print noong tagsibol ng 1942.
Paano ito maipapaliwanag? Naunawaan ng mga physicist: ang synthesis ng plutonium isotopes na may kakaibang mga numero ng masa ay isang bagay ng oras, at hindi malayo. Ang mga kakaibang isotopes ay inaasahang, tulad ng uranium-235, ay makapagpapanatili ng isang nuclear chain reaction. Sa kanila, hindi pa natatanggap, ang ilang mga tao ay nakakita ng isang potensyal na nuclear explosive. At ang mga pag-asa na ito plutonium, sa kasamaang-palad, makatwiran.
Sa mga cipher noong panahong iyon, ang elementong No. 94 ay tinawag na walang iba kundi ... tanso. At kapag ang pangangailangan ay lumitaw para sa tanso mismo (bilang isang istrukturang materyal para sa ilang mga bahagi), pagkatapos ay sa pag-encrypt, kasama ang "tanso", "tunay na tanso" ay lumitaw.

"Puno ng Kaalaman ng Mabuti at Masama"

Noong 1941, natuklasan ang pinakamahalagang isotope ng plutonium, isang isotope na may mass number na 239. At halos kaagad na nakumpirma ang hula ng mga theorist: ang nuclei ng plutonium-239 ay na-fission sa mga thermal neutron. Bukod dito, sa proseso ng kanilang fission, walang mas kaunting bilang ng mga neutron ang ipinanganak kaysa sa fission ng uranium-235. Ang mga paraan ng pagkuha ng isotope na ito sa maraming dami ay agad na binalangkas ...
Lumipas ang mga taon. Ngayon ay hindi lihim sa sinuman na ang mga bombang nuklear na nakaimbak sa mga arsenal ay pinalamanan ng plutonium-239 at ang mga bombang ito ay sapat na upang maging sanhi ng hindi maibabalik na pinsala sa lahat ng buhay sa Earth.
Ito ay malawak na pinaniniwalaan na sa pagtuklas ng isang nuclear chain reaction (ang hindi maiiwasang kahihinatnan nito ay ang paglikha ng isang nuclear bomb), ang sangkatauhan ay malinaw na nagmamadali. Maaari kang mag-isip nang iba o magkunwaring nag-iisip nang iba - mas kaaya-aya ang maging optimist. Ngunit kahit na ang mga optimista ay hindi maiiwasang nahaharap sa tanong ng responsibilidad ng mga siyentipiko. Naaalala natin ang matagumpay na araw noong Hunyo 1954, ang araw kung kailan nagbigay ng kuryente ang unang nuclear power plant sa Obninsk. Ngunit hindi natin malilimutan ang umaga ng Agosto ng 1945 - "umaga ng Hiroshima", "araw ng tag-ulan ni Albert Einstein"... Naaalala natin ang mga unang taon pagkatapos ng digmaan at walang pigil na atomic blackmail - ang batayan ng patakaran ng Amerika noong mga taong iyon. Ngunit nagtiis ba ang sangkatauhan ng kaunting pagkabalisa sa mga sumunod na taon? Bukod dito, ang mga alalahaning ito ay pinarami ng pagkaunawa na kung sumiklab ang isang bagong digmaang pandaigdig, ang mga sandatang nuklear ay gagamitin.
Dito maaari mong subukang patunayan na ang pagtuklas ng plutonium ay hindi nagdagdag sa mga takot ng sangkatauhan, na, sa kabaligtaran, ito ay kapaki-pakinabang lamang.
Ipagpalagay na nangyari na sa ilang kadahilanan, o, tulad ng sasabihin nila noong unang panahon, sa kalooban ng Diyos, ang plutonium ay hindi magagamit sa mga siyentipiko. Mababawasan ba ang ating mga takot at pangamba? Walang nangyari. Ang mga bombang nuklear ay gagawin mula sa uranium-235 (at hindi bababa sa dami kaysa mula sa plutonium), at ang mga bombang ito ay "kakain" ng mas malalaking bahagi ng mga badyet kaysa sa ginagawa nila ngayon.
Ngunit kung walang plutonium, walang mga prospect para sa mapayapang paggamit ng nuclear energy sa isang malaking sukat. Para sa isang "mapayapang atom" ay kulang na lang ang uranium-235. Ang kasamaan na naidulot sa sangkatauhan sa pamamagitan ng pagtuklas ng enerhiyang nuklear ay hindi magiging balanse, kahit na bahagyang, sa pamamagitan ng mga nagawa ng "mabuting atom".

Paano sukatin, kung ano ang ihahambing

Kapag ang isang plutonium-239 nucleus ay nahati ng mga neutron sa dalawang fragment ng humigit-kumulang pantay na masa, humigit-kumulang 200 MeV ng enerhiya ang inilalabas. Ito ay 50 milyong beses na mas maraming enerhiya na inilabas sa pinakatanyag na exothermic na reaksyon na С + O 2 = СO 2 . "Pagsunog" sa isang nuclear reactor, ang isang gramo ng plutonium ay nagbibigay ng 2,107 kcal. Upang hindi lumabag sa mga tradisyon (at sa mga sikat na artikulo, ang enerhiya ng nuclear fuel ay karaniwang sinusukat sa mga off-system unit - tonelada ng karbon, gasolina, trinitrotoluene, atbp.), tandaan din namin: ito ang enerhiya na nasa 4 na tonelada ng karbon. At sa isang ordinaryong didal ay inilalagay ang halaga ng plutonium, energetically katumbas ng apatnapung carloads ng magandang birch panggatong.
Ang parehong enerhiya ay inilabas sa panahon ng fission ng uranium-235 nuclei ng mga neutron. Ngunit ang karamihan ng natural na uranium (99.3%!) ay ang isotope 238 U, na magagamit lamang sa pamamagitan ng pag-convert ng uranium sa plutonium ...

Enerhiya ng bato

Suriin natin ang mga mapagkukunan ng enerhiya na nakapaloob sa mga likas na reserba ng uranium.
Ang uranium ay isang nakakalat na elemento, at ito ay halos lahat ng dako. Ang sinumang bumisita, halimbawa, si Karelia, ay tiyak na naaalala ang mga batong granite at mga bato sa baybayin. Ngunit kakaunti ang nakakaalam na mayroong hanggang 25 g ng uranium sa isang toneladang granite. Ang mga granite ay bumubuo ng halos 20% ng bigat ng crust ng lupa. Kung bibilangin lamang natin ang uranium-235, kung gayon ang 3.5-105 kcal ng enerhiya ay nakapaloob sa isang toneladang granite. Ang dami, pero...
Ang pagproseso ng granite at ang pagkuha ng uranium mula dito ay nangangailangan ng mas malaking halaga ng enerhiya - mga 106-107 kcal/t. Ngayon, kung posible na gamitin hindi lamang ang uranium-235, kundi pati na rin ang uranium-238 bilang isang mapagkukunan ng enerhiya, kung gayon ang granite ay maaaring ituring na hindi bababa sa isang potensyal na hilaw na materyal ng enerhiya. Kung gayon ang enerhiya na nakuha mula sa isang toneladang bato ay mula sa 8-107 hanggang 5-108 kcal. Ito ay katumbas ng 16-100 tonelada ng karbon. At sa kasong ito, ang granite ay maaaring magbigay sa mga tao ng halos isang milyong beses na mas maraming enerhiya kaysa sa lahat ng mga reserbang kemikal na panggatong sa Earth.
Ngunit ang uranium-238 nuclei ay hindi nag-fission ng mga neutron. Para sa nuclear energy, ang isotope na ito ay walang silbi. Mas tiyak, ito ay magiging walang silbi kung hindi ito maaaring gawing plutonium-239. At kung ano ang lalong mahalaga: halos hindi na kailangang gumastos ng enerhiya sa pagbabagong nuklear na ito - sa kabaligtaran, ang enerhiya ay ginawa sa prosesong ito!
Subukan nating alamin kung paano ito nangyayari, ngunit una ng ilang mga salita tungkol sa natural na plutonium.

400 libong beses na mas maliit kaysa sa radium

Nasabi na na ang plutonium isotopes ay hindi pa napreserba mula noong synthesis ng mga elemento sa panahon ng pagbuo ng ating planeta. Ngunit hindi ito nangangahulugan na walang plutonium sa Earth.
Ito ay nabuo sa lahat ng oras sa uranium ores. Ang pagkuha ng cosmic radiation neutrons at neutrons na ginawa ng spontaneous (spontaneous) fission ng uranium-238 nuclei, ang ilan - napakakaunting - atoms ng isotope na ito ay nagiging uranium-239 atoms. Ang mga nuclei na ito ay napaka hindi matatag, naglalabas sila ng mga electron at sa gayon ay pinapataas ang kanilang singil. Nabuo ang Neptunium - ang unang elemento ng transuranium. Ang Neptunium-239 ay napaka-unstable din, at ang nuclei nito ay naglalabas ng mga electron. Sa loob lamang ng 56 na oras, ang kalahati ng neptunium-239 ay nagiging plutonium-239, ang kalahating buhay na kung saan ay medyo mahaba - 24 libong taon.
Bakit hindi mina ang plutonium mula sa uranium ores?? Maliit, masyadong mababa ang konsentrasyon. "Ang produksyon bawat gramo ay paggawa bawat taon" - ito ay tungkol sa radium, at ang plutonium sa ores ay 400 libong beses na mas mababa kaysa sa radium. Samakatuwid, hindi lamang upang kunin - kahit na upang makita ang "terrestrial" plutonium ay lubhang mahirap. Ito ay ginawa lamang pagkatapos na pag-aralan ang pisikal at kemikal na katangian ng plutonium na nakuha sa mga nuclear reactor.
Ang plutonium ay naipon sa mga nuclear reactor. Sa malakas na neutron fluxes, ang parehong reaksyon ay nangyayari tulad ng sa uranium ores, ngunit ang rate ng pagbuo at akumulasyon ng plutonium sa reactor ay mas mataas - isang bilyong bilyong beses. Para sa reaksyon ng pag-convert ng ballast uranium-238 sa power-grade plutonium-239, ang pinakamainam (sa loob ng katanggap-tanggap) na mga kondisyon ay nilikha.
Kung ang reactor ay nagpapatakbo sa mga thermal neutron (tandaan na ang kanilang bilis ay halos 2000 m bawat segundo, at ang enerhiya ay mga fraction ng isang electron volt), kung gayon ang isang halaga ng plutonium ay nakuha mula sa isang natural na pinaghalong uranium isotopes, bahagyang mas mababa kaysa sa halaga. ng "nasunog" na uranium-235. Hindi gaano, ngunit mas kaunti, kasama ang hindi maiiwasang pagkawala ng plutonium sa panahon ng paghihiwalay ng kemikal nito mula sa irradiated uranium. Bilang karagdagan, ang isang nuclear chain reaction ay nagpapatuloy sa isang natural na pinaghalong uranium isotopes hanggang sa ang maliit na bahagi ng uranium-235 ay maubos. Kaya't ang konklusyon ay lohikal: ang isang "thermal" na reaktor sa natural na uranium - ang pangunahing uri ng kasalukuyang nagpapatakbo ng mga reaktor - ay hindi masisiguro ang pinalawak na pagpaparami ng nuclear fuel. Ngunit kung gayon ano ang hinaharap? Upang masagot ang tanong na ito, ihambing natin ang kurso ng isang nuclear chain reaction sa uranium-235 at plutonium-239 at ipakilala ang isa pang pisikal na konsepto sa ating pangangatwiran.
Ang pinakamahalagang katangian ng anumang nuclear fuel ay ang average na bilang ng mga neutron na ibinubuga pagkatapos makuha ng nucleus ang isang neutron. Tinatawag ito ng mga physicist bilang eta number at ipinapahiwatig ito ng Greek letter c. Sa "thermal" uranium reactors, ang sumusunod na pattern ay sinusunod: bawat neutron ay bumubuo ng average na 2.08 neutrons (η=2.08). Ang plutonium na inilagay sa naturang reactor sa ilalim ng pagkilos ng mga thermal neutron ay nagbibigay ng η=2.03. Ngunit mayroon ding mga reactor na tumatakbo sa mga mabilis na neutron. Walang silbi ang pag-load ng natural na pinaghalong uranium isotopes sa naturang reactor: hindi magsisimula ang chain reaction. Ngunit kung ang "mga hilaw na materyales" ay pinayaman ng uranium-235, ito ay magagawa sa isang "mabilis" na reaktor. Sa kasong ito, ang c ay magiging katumbas ng 2.23. At ang plutonium, na inilagay sa ilalim ng apoy na may mabilis na mga neutron, ay magbibigay ng n katumbas ng 2.70. Magkakaroon tayo ng "dagdag na buong neutron" sa ating pagtatapon. At ito ay hindi sapat.

Tingnan natin kung ano ang ginagastos ng mga natanggap na neutron. Sa anumang reaktor, isang neutron ang kailangan upang mapanatili ang isang nuclear chain reaction. Ang 0.1 neutron ay hinihigop ng mga istrukturang materyales ng pasilidad. Ang "labis" ay napupunta sa akumulasyon ng plutonium-239. Sa isang kaso, ang "labis" ay 1.13, sa isa pa - 1.60. Matapos ang "pagsunog" ng isang kilo ng plutonium sa "mabilis" na reaktor, ang napakalaking enerhiya ay inilabas at 1.6 kg ng plutonium ay naipon. At ang uranium sa isang "mabilis" na reaktor ay magbibigay ng parehong enerhiya at 1.1 kg ng bagong nuclear fuel. Sa parehong mga kaso, ang pinalawak na pagpaparami ay makikita. Ngunit hindi natin dapat kalimutan ang tungkol sa ekonomiya.
Dahil sa isang bilang ng mga teknikal na dahilan, ang plutonium breeding cycle ay tumatagal ng ilang taon. Sabihin na nating limang taon. Nangangahulugan ito na ang halaga ng plutonium ay tataas lamang ng 2% bawat taon kung η=2.23, at ng 12% kung η=2.7! Ang nuclear fuel ay kapital, at anumang kapital ay dapat magbunga, sabihin nating, 5% kada taon. Sa unang kaso, may malaking pagkalugi, at sa pangalawa - malaking kita. Ang primitive na halimbawang ito ay naglalarawan ng "bigat" ng bawat ikasampung numero sa nuclear power.
Ang isa pang bagay ay mahalaga din. Ang lakas ng nuklear ay dapat makasabay sa paglaki ng pangangailangan sa enerhiya. Ipinapakita ng mga kalkulasyon na ang kanyang kalagayan ay magagawa lamang sa hinaharap kapag ang η ay lumalapit sa tatlo. Kung ang pag-unlad ng mga mapagkukunan ng enerhiyang nuklear ay nahuhuli sa mga pangangailangan ng lipunan para sa enerhiya, magkakaroon ng dalawang paraan: alinman sa "pabagalin ang pag-unlad", o kumuha ng enerhiya mula sa ilang iba pang mga mapagkukunan. Ang mga ito ay kilala: thermonuclear fusion, ang enerhiya ng pagpuksa ng bagay at antimatter, ngunit hindi pa magagamit sa teknikal. At hindi alam kung kailan sila magiging tunay na pinagmumulan ng enerhiya para sa sangkatauhan. At ang enerhiya ng mabibigat na nuclei ay matagal nang naging realidad para sa atin, at ngayon ang plutonium, bilang pangunahing "supplier" ng atomic energy, ay walang malubhang kakumpitensya, maliban, marahil, uranium-233.

Ang kabuuan ng maraming teknolohiya

Kapag ang kinakailangang halaga ng plutonium ay naipon sa uranium bilang isang resulta ng mga reaksyong nukleyar, dapat itong ihiwalay hindi lamang mula sa uranium mismo, kundi pati na rin sa mga fragment ng fission - parehong uranium at plutonium, na nasunog sa isang nuclear chain reaction. Bilang karagdagan, mayroong isang tiyak na halaga ng neptunium sa uranium-plutonium mass. Ang pinakamahirap na bagay ay ang paghiwalayin ang plutonium mula sa neptunium at mga bihirang elemento ng lupa (lanthanides). Ang plutonium bilang isang kemikal na elemento ay medyo malas. Mula sa pananaw ng isang chemist, ang pangunahing elemento ng nuclear energy ay isa lamang sa labing-apat na actinides. Tulad ng mga bihirang elemento ng lupa, ang lahat ng mga elemento ng serye ng actinium ay napakalapit sa bawat isa sa mga katangian ng kemikal, ang istraktura ng mga panlabas na shell ng elektron ng mga atomo ng lahat ng mga elemento mula actinium hanggang 103 ay pareho. Mas hindi kanais-nais na ang mga kemikal na katangian ng actinides ay katulad ng mga bihirang elemento ng lupa, at kabilang sa mga fission fragment ng uranium at plutonium ay mayroong higit sa sapat na lanthanides. Ngunit sa kabilang banda, ang ika-94 na elemento ay maaaring nasa limang estado ng valence, at ito ay "pinatamis ang pill" - nakakatulong ito upang paghiwalayin ang plutonium mula sa parehong uranium at fission fragment.
Ang valency ng plutonium ay nag-iiba mula tatlo hanggang pito. Ang mga compound ng tetravalent plutonium ay kemikal ang pinaka-matatag (at, dahil dito, ang pinakakaraniwan at pinaka-pinag-aralan).
Ang paghihiwalay ng mga actinides na may katulad na kemikal - uranium, neptunium at plutonium - ay maaaring batay sa pagkakaiba sa mga katangian ng kanilang tetra- at hexavalent compound.

Hindi na kailangang ilarawan nang detalyado ang lahat ng mga yugto ng paghihiwalay ng kemikal ng plutonium at uranium. Karaniwan, ang kanilang paghihiwalay ay nagsisimula sa paglusaw ng mga uranium bar sa nitric acid, pagkatapos kung saan ang uranium, neptunium, plutonium at mga elemento ng fragment na nakapaloob sa solusyon ay "hiniwalay", gamit ang tradisyonal na mga pamamaraan ng radiochemical para dito - pag-ulan, pagkuha, pagpapalitan ng ion at iba pa. . Ang panghuling mga produkto na naglalaman ng plutonium ng multi-stage na teknolohiyang ito ay ang dioxide PuO 2 o fluoride nito - PuF 3 o PuF 4 . Ang mga ito ay nabawasan sa metal na may barium, calcium, o lithium vapors. Gayunpaman, ang plutonium na nakuha sa mga prosesong ito ay hindi angkop para sa papel na ginagampanan ng isang istrukturang materyal - imposibleng gumawa ng mga elemento ng gasolina ng mga nuclear power reactor mula dito, imposibleng magsumite ng singil ng isang atomic bomb. Bakit? Ang punto ng pagkatunaw ng plutonium - 640 ° C lamang - ay lubos na makakamit.
Anuman ang "ultra-sparing" na mga kondisyon ay ginagamit upang i-cast ang mga bahagi mula sa purong plutonium, ang mga bitak ay palaging lilitaw sa mga casting sa panahon ng solidification. Sa 640°C, ang solidifying plutonium ay bumubuo ng isang cubic crystal lattice. Habang bumababa ang temperatura, unti-unting tumataas ang density ng metal. Ngunit pagkatapos ay ang temperatura ay umabot sa 480 ° C, at pagkatapos ay biglang bumaba ang density ng plutonium nang husto. Ang mga dahilan para sa anomalyang ito ay hinukay nang mabilis: sa temperatura na ito, ang mga atomo ng plutonium ay muling inayos sa kristal na sala-sala. Ito ay nagiging tetragonal at napaka "maluwag". Ang gayong plutonium ay maaaring lumutang sa sarili nitong pagkatunaw, tulad ng yelo sa tubig.
Ang temperatura ay patuloy na bumabagsak, ngayon ay umabot na sa 451 ° C, at ang mga atomo ay muling nabuo ng isang kubiko na sala-sala, ngunit matatagpuan sa isang mas malaking distansya mula sa bawat isa kaysa sa unang kaso. Sa karagdagang paglamig, ang sala-sala ay nagiging unang orthorhombic, pagkatapos ay monoclinic. Sa kabuuan, ang plutonium ay bumubuo ng anim na magkakaibang anyo ng kristal! Dalawa sa kanila ay may kapansin-pansing pag-aari - isang negatibong koepisyent ng thermal expansion: sa pagtaas ng temperatura, ang metal ay hindi lumalawak, ngunit nagkontrata.
Kapag ang temperatura ay umabot sa 122°C at muling inayos ng mga atomo ng plutonium ang kanilang mga hilera sa ikaanim na pagkakataon, ang densidad ay nagbabago lalo na nang malakas - mula 17.77 hanggang 19.82 g/cm 3 . Higit sa 10%!
Alinsunod dito, ang dami ng ingot ay bumababa. Kung ang metal ay makatiis pa rin sa mga stress na lumitaw sa iba pang mga paglipat, kung gayon sa sandaling ito ay hindi maiiwasan ang pagkawasak.
Paano, kung gayon, gumawa ng mga bahagi mula sa kamangha-manghang metal na ito? Ang mga metallurgist ay haluang plutonium (magdagdag ng maliit na halaga ng mga kinakailangang elemento dito) at kumuha ng mga casting nang walang isang crack. Ginagamit ang mga ito upang gumawa ng mga singil sa plutonium para sa mga bombang nuklear. Ang bigat ng singil (pangunahin itong tinutukoy ng kritikal na masa ng isotope) ay 5-6 kg. Madali itong magkasya sa isang kubo na may sukat ng rib na 10 cm.

Mabibigat na isotopes ng plutonium

Ang Plutonium-239 ay naglalaman din ng isang maliit na halaga ng mas mataas na isotopes ng elementong ito - na may mass number na 240 at 241. Ang 240 Pu isotope ay halos walang silbi - ito ay ballast sa plutonium. Mula sa ika-241, nakuha ang americium - elemento No. 95. Sa dalisay nitong anyo, nang walang paghahalo ng iba pang isotopes, ang plutonium-240 at plutonium-241 ay maaaring makuha sa pamamagitan ng electromagnetic separation ng plutonium na naipon sa reaktor. Bago ito, ang plutonium ay karagdagang irradiated na may neutron fluxes na may mahigpit na tinukoy na mga katangian. Siyempre, ang lahat ng ito ay napaka-komplikado, lalo na dahil ang plutonium ay hindi lamang radioactive, ngunit napaka-nakakalason din. Ang pagtatrabaho dito ay nangangailangan ng matinding pag-iingat.
Ang isa sa mga pinaka-kagiliw-giliw na isotopes ng plutonium, 242 Pu, ay maaaring makuha sa pamamagitan ng pag-iilaw ng 239 Pu sa mahabang panahon sa mga neutron flux. 242 Ang Pu ay napakabihirang kumukuha ng mga neutron at samakatuwid ay "nasusunog" sa reaktor nang mas mabagal kaysa sa ibang isotopes; ito ay nagpapatuloy kahit na ang natitirang isotopes ng plutonium ay halos ganap na naipasa sa mga fragment o naging plutonium-242.
Ang Plutonium-242 ay mahalaga bilang isang "hilaw na materyal" para sa medyo mabilis na akumulasyon ng mas mataas na mga elemento ng transuranium sa mga nuclear reactor. Kung ang plutonium-239 ay na-irradiated sa isang conventional reactor, aabutin ng humigit-kumulang 20 taon upang makaipon ng mga microgram na halaga ng plutonium mula sa gramo, halimbawa, californium-252.
Posibleng bawasan ang oras ng akumulasyon ng mas mataas na isotopes sa pamamagitan ng pagtaas ng intensity ng neutron flux sa reactor. Ginagawa nila ito, ngunit pagkatapos ay imposibleng mag-irradiate ng malaking halaga ng plutonium-239. Pagkatapos ng lahat, ang isotope na ito ay nahahati sa mga neutron, at masyadong maraming enerhiya ang inilabas sa matinding daloy. Mayroong karagdagang mga paghihirap sa paglamig ng reaktor. Upang maiwasan ang mga komplikasyon na ito, ang halaga ng irradiated plutonium ay kailangang bawasan. Dahil dito, muling magiging miserable ang output ng California. Vicious circle!
Ang Plutonium-242 ay hindi fissile ng mga thermal neutron, at maaari itong ma-irradiated sa malalaking dami sa matinding neutron fluxes ... Samakatuwid, sa mga reactor, ang lahat ng mga elemento mula sa americium hanggang fermium ay "ginawa" mula sa isotope na ito at maipon sa dami ng timbang.
Sa tuwing nagtagumpay ang mga siyentipiko sa pagkuha ng bagong isotope ng plutonium, sinusukat nila ang kalahating buhay ng nuclei nito. Ang kalahating buhay ng mga isotopes ng mabibigat na radioactive nuclei na may pantay na mga numero ng masa ay regular na nagbabago. (Ang parehong ay hindi masasabi para sa mga kakaibang isotopes.)
Habang tumataas ang masa, tumataas din ang "habambuhay" ng isotope. Ilang taon na ang nakalilipas, ang plutonium-242 ang pinakamataas na punto sa graph na ito. At pagkatapos ay paano pupunta ang curve na ito - na may karagdagang pagtaas sa mass number? Sa puntong 1, na katumbas ng habambuhay na 30 milyong taon, o sa puntong 2, na tumutugma na sa 300 milyong taon? Ang sagot sa tanong na ito ay napakahalaga para sa mga geosciences. Sa unang kaso, kung 5 bilyong taon na ang nakalilipas ang Earth ay ganap na binubuo ng 244 Pu, ngayon ay isang atom na lamang ng plutonium-244 ang mananatili sa buong masa ng Earth. Kung tama ang pangalawang palagay, kung gayon ang plutonium-244 ay maaaring nasa Earth sa mga konsentrasyon na maaaring matukoy na. Kung tayo ay sapat na mapalad na mahanap ang isotope na ito sa Earth, matatanggap ng agham ang pinakamahalagang impormasyon tungkol sa mga prosesong naganap sa panahon ng pagbuo ng ating planeta.

Mga kalahating buhay ng ilang isotopes ng plutonium

Ilang taon na ang nakalilipas, ang mga siyentipiko ay nahaharap sa tanong: sulit bang subukang makahanap ng mabigat na plutonium sa Earth? Upang masagot ito, kinakailangan una sa lahat upang matukoy ang kalahating buhay ng plutonium-244. Hindi makalkula ng mga teorista ang halagang ito nang may kinakailangang katumpakan. Ang lahat ng pag-asa ay para lamang sa eksperimento.
Ang Plutonium-244 ay naipon sa isang nuclear reactor. Ang Element No. 95, americium (isotope 243 Am), ay na-irradiated. Ang pagkakaroon ng pagkuha ng isang neutron, ang isotope na ito ay dumaan sa americium-244; americium-244 sa isa sa 10 libong kaso na naipasa sa plutonium-244.
Ang paghahanda ng plutonium-244 ay nahiwalay sa pinaghalong americium at curium. Ang sample ay tumimbang lamang ng ilang milyon ng isang gramo. Ngunit sapat na ang mga ito upang matukoy ang kalahating buhay ng pinakakawili-wiling isotope na ito. Ito ay naging katumbas ng 75 milyong taon. Nang maglaon, tinukoy ng iba pang mga mananaliksik ang kalahating buhay ng plutonium-244, ngunit hindi gaanong - 81 milyong taon. Noong 1971, ang mga bakas ng isotope na ito ay natagpuan sa rare earth mineral bastnäsite.
Ang mga siyentipiko ay gumawa ng maraming mga pagtatangka upang mahanap ang isang isotope ng isang elemento ng transuranium na nabubuhay nang mas mahaba kaysa sa 244 Pu. Ngunit ang lahat ng mga pagtatangka ay walang kabuluhan. Sa isang pagkakataon, ang pag-asa ay inilagay sa curium-247, ngunit pagkatapos na maipon ang isotope na ito sa isang reaktor, lumabas na ang kalahating buhay nito ay 16 milyong taon lamang. Hindi posible na talunin ang rekord para sa plutonium-244 - ito ang pinakamahabang buhay sa lahat ng isotopes ng mga elemento ng transuranium.
Kahit na ang mas mabibigat na isotopes ng plutonium ay napapailalim sa beta decay, at ang kanilang mga buhay ay mula sa ilang araw hanggang sa ilang ikasampu ng isang segundo. Alam nating tiyak na ang lahat ng isotopes ng plutonium, hanggang sa 257 Pu, ay nabuo sa mga pagsabog ng thermonuclear. Ngunit ang kanilang buhay ay ikasampu ng isang segundo, at maraming panandaliang isotopes ng plutonium ang hindi pa napag-aaralan.

Mga posibilidad ng unang plutonium isotope

At sa wakas - tungkol sa plutonium-238 - ang pinakauna sa "gawa ng tao" na isotopes ng plutonium, isang isotope na sa una ay tila hindi kapani-paniwala. Ito ay talagang isang napaka-kagiliw-giliw na isotope. Ito ay napapailalim sa pagkabulok ng alpha, ibig sabihin, ang nuclei nito ay kusang naglalabas ng mga particle ng alpha - helium nuclei. Ang mga particle ng alpha na nabuo ng nuclei ng plutonium-238 ay nagdadala ng maraming enerhiya; nawala sa bagay, ang enerhiya na ito ay na-convert sa init. Gaano kalaki ang enerhiya na ito? Anim na milyong electron volts ang pinakawalan kapag ang isang atomic nucleus ng plutonium-238 ay nabulok. Sa isang kemikal na reaksyon, ang parehong enerhiya ay inilabas kapag ang ilang milyong mga atomo ay na-oxidized. Ang isang mapagkukunan ng kuryente na naglalaman ng isang kilo ng plutonium-238 ay nagkakaroon ng thermal power na 560 watts. Ang pinakamataas na kapangyarihan ng kasalukuyang pinagmumulan ng kemikal ng parehong masa ay 5 watts.
Mayroong maraming mga emitters na may katulad na mga katangian ng enerhiya, ngunit ang isang tampok ng plutonium-238 ay gumagawa ng isotope na ito na kailangang-kailangan. Karaniwan, ang pagkabulok ng alpha ay sinamahan ng malakas na radiation ng gamma na tumagos sa malalaking kapal ng bagay. Ang 238 Pu ay isang exception. Ang enerhiya ng gamma quanta na kasama ng pagkabulok ng nuclei nito ay mababa, at hindi mahirap ipagtanggol laban dito: ang radiation ay sinisipsip ng isang lalagyan na may manipis na pader. Maliit din ang posibilidad ng kusang nuclear fission ng isotope na ito. Samakatuwid, natagpuan nito ang aplikasyon hindi lamang sa kasalukuyang mga mapagkukunan, kundi pati na rin sa gamot. Ang mga baterya na may plutonium-238 ay nagsisilbing mapagkukunan ng enerhiya sa mga espesyal na stimulator para sa puso.
Ngunit ang 238 Pu ay hindi ang pinakamagaan sa mga kilalang isotopes ng elemento No.

Ang plutonium ay isang malaking paksa. Narito ang pinakamahalaga sa pinakamahalaga. Pagkatapos ng lahat, ito ay naging isang karaniwang parirala na ang kimika ng plutonium ay pinag-aralan nang mas mahusay kaysa sa kimika ng naturang "lumang" elemento bilang bakal. Ang buong mga libro ay isinulat tungkol sa mga nuklear na katangian ng plutonium. Ang plutonium metalurgy ay isa pang kamangha-manghang seksyon ng kaalaman ng tao... Samakatuwid, hindi mo dapat isipin na pagkatapos basahin ang kuwentong ito, talagang natutunan mo ang plutonium - ang pinakamahalagang metal ng ika-20 siglo.

• PAANO GINAGAWA ANG PLUTONIUM. Ang radioactive at nakakalason na plutonium ay nangangailangan ng espesyal na pangangalaga sa panahon ng transportasyon. Ang isang lalagyan ay partikular na idinisenyo para sa transportasyon nito - isang lalagyan na hindi bumagsak kahit na sa panahon ng mga aksidente sa paglipad. Ito ay ginawa sa medyo simple: ito ay isang makapal na pader na hindi kinakalawang na sisidlan na napapalibutan ng isang mahogany shell. Malinaw, sulit ang plutonium, ngunit isipin kung gaano kakapal ang mga pader kung alam mo na ang isang lalagyan para sa pagdadala lamang ng dalawang kilo ng plutonium ay tumitimbang ng 225 kg!
• LASON AT ANTIDOTE. Noong Oktubre 20, 1977, iniulat ng Agence France-Presse na natagpuan ang isang tambalang kemikal na maaaring mag-alis ng plutonium sa katawan ng tao. Pagkalipas ng ilang taon, medyo marami ang nalaman tungkol sa tambalang ito. Ang kumplikadong tambalang ito ay isang linear carboxylase catechinamide, isang sangkap ng klase ng chelate (mula sa Greek - "hela" - isang claw). Nasa claw ng kemikal na ito kung saan nakuha ang atom ng plutonium, libre man o nakagapos. Sa mga daga ng laboratoryo, hanggang sa 70% ng hinihigop na plutonium ay tinanggal mula sa katawan sa tulong ng sangkap na ito. Ito ay pinaniniwalaan na sa hinaharap ang tambalang ito ay makakatulong sa pagkuha ng plutonium mula sa parehong pang-industriya na basura at nuclear fuel.

Natuklasan ang plutonium sa pagtatapos ng 1940 sa Unibersidad ng California. Na-synthesize ito nina McMillan, Kennedy at Wahl sa pamamagitan ng pagbomba sa uranium oxide (U 3 O 8) na may deuterium nuclei (deuterons) na malakas na pinabilis sa isang cyclotron. Nang maglaon, natagpuan na ang reaksyong nuklear na ito ay unang gumagawa ng panandaliang isotope neptunium-238, at mula dito ay plutonium-238 na may kalahating buhay na halos 50 taon. Makalipas ang isang taon, na-synthesize nina Kennedy, Seaborg, Segre, at Wahl ang mas mahalagang isotope, plutonium-239, sa pamamagitan ng pag-irradiate ng uranium na may napakabilis na mga neutron sa isang cyclotron. Ang plutonium-239 ay nabuo mula sa pagkabulok ng neptunium-239; naglalabas ito ng mga alpha ray at may kalahating buhay na 24,000 taon. Ang isang purong plutonium compound ay unang nakuha noong 1942. Pagkatapos ay nalaman na mayroong natural na plutonium na matatagpuan sa uranium ores, lalo na sa ores, mga deposito sa Congo.

Ang pangalan ng elemento ay iminungkahi noong 1948: Tinawag ni McMillan ang unang transuranic element na neptunium dahil sa katotohanan na ang planetang Neptune ang una sa kabila ng Uranus. Sa pamamagitan ng pagkakatulad, nagpasya silang tawagan ang elementong 94 plutonium, dahil ang planetang Pluto ay ang pangalawang planeta pagkatapos ng Uranus. Ang Pluto, na natuklasan noong 1930, ay nakuha ang pangalan nito mula sa pangalan ng diyos na si Pluto, ang pinuno ng underworld sa Greek mythology. Sa simula ng siglo XIX. Iminungkahi ni Clark na pangalanan ang elementong barium plutonium, na hinango ang pangalang ito nang direkta mula sa pangalan ng diyos na si Pluto, ngunit hindi tinanggap ang kanyang panukala.

Si Enrico Fermi, kasama ang kanyang mga katuwang sa Unibersidad ng Roma, ay nag-ulat na natuklasan nila ang isang elemento ng kemikal na may atomic number na 94 noong 1934. Pinangalanan ni Fermi ang elementong ito na hesperium, sa paniniwalang natuklasan niya ang elementong tinatawag na ngayon na plutonium, kaya ginawa ang pagpapalagay tungkol sa pagkakaroon ng mga elemento ng transuranium at naging kanilang theoretical discoverer. Siya ay sumunod sa posisyon na ito sa kanyang Nobel lecture noong 1938, gayunpaman, nang malaman ang tungkol sa pagtuklas ng nuclear fission nina Otto Frisch at Fritz Strassmann, napilitan siyang gumawa ng isang tala sa nakalimbag na bersyon, na inilathala sa Stockholm noong 1939, na nagpapahiwatig ng pangangailangan. upang baguhin ang "buong problema ng mga transuranic na elemento." Ang gawain ng mga siyentipikong Aleman ay nagpakita na ang aktibidad na nakita ni Fermi sa kanyang mga eksperimento ay dahil mismo sa fission, at hindi sa pagtuklas ng mga elemento ng transuranium, tulad ng dati niyang pinaniniwalaan.

Cyclotron sa Berkeley, ginamit upang makagawa ng neptunium at plutonium.

Ang pagtuklas ng plutonium ng isang grupo ng mga empleyado ng Unibersidad ng California sa Berkeley, na pinamumunuan ni G. T. Seaborg, ay ginawa gamit ang isang 60-pulgadang cyclotron, na nasa pagtatapon ng unibersidad. Ang unang pambobomba ng triuranium-238 octoxide na may mga deuteron ay pinabilis sa isang cyclotron hanggang 14-22 MeV at dumaan sa 0.002 pulgadang makapal na aluminum foil ay ginawa noong Disyembre 14, 1940. Ang paghahambing ng mga sample na nakuha at may edad sa loob ng 2.3 araw sa nakahiwalay na bahagi ng purong neptunium, nakita ng mga siyentipiko ang isang makabuluhang pagkakaiba sa kanilang mga aktibidad sa alpha at iminungkahi na ang pagtaas nito pagkatapos ng 2 araw ay dahil sa impluwensya ng isang bagong elemento na isang anak ng neptunium. Ang karagdagang pisikal at kemikal na pag-aaral ay nagpatuloy sa loob ng 2 buwan. Noong gabi ng Pebrero 23-24, 1941, isang mapagpasyang eksperimento ang isinagawa sa oksihenasyon ng iminungkahing elemento gamit ang peroxide disulfate ions at silver ions bilang isang katalista, na nagpakita na ang neptunium-238, pagkatapos ng dalawang araw, ay sumasailalim sa beta-minus. pagkabulok, at bumubuo ng elementong kemikal bilang 94 sa sumusunod na reaksyon:

23892U → 23893Np → 23894Pu

Si Glenn Theodore Seaborg, kasama ang mga collaborator sa Berkeley, ay nag-synthesize ng plutonium sa unang pagkakataon. Siya ang pinuno o pangunahing miyembro ng mga pangkat na nakatanggap ng walong higit pang elemento: Am, Cm, Bk, Cf, Es, Fm, Md, No. Ang elementong seaborgium ay ipinangalan sa kanya. Sina Edwin Macmillan at Glenn Seaborg ay ginawaran ng Nobel Prize noong 1951 para sa "pag-aaral ng kimika ng mga elemento ng transuranium".

Kaya, ang pagkakaroon ng isang bagong elemento ng kemikal ay kinumpirma ni G. T. Seaborg, E. M. Macmillan, J. W. Kennedy, at A. C. Wall sa pamamagitan ng pag-aaral ng mga unang katangian ng kemikal nito - ang kakayahang magkaroon ng hindi bababa sa dalawang estado ng oksihenasyon.

Maya-maya, napag-alaman na ang isotope na ito ay non-fissile, at samakatuwid ay hindi kawili-wili para sa karagdagang pananaliksik para sa mga layuning militar, dahil ang threshold nuclei ay hindi maaaring magsilbing batayan para sa isang fission chain reaction. Napagtatanto ito, itinuro ng mga nuclear physicist ng US ang kanilang mga pagsisikap na makuha ang fissile isotope-239. Noong Marso 1941, ang 1.2 kg ng pinakadalisay na asin ng uranium, na na-immured sa isang malaking bloke ng paraffin, ay binomba ng mga neutron sa isang cyclotron. Ang pambobomba ng uranium nuclei ay tumagal ng dalawang araw, bilang isang resulta kung saan humigit-kumulang 0.5 micrograms ng plutonium-239 ang nakuha. Ang hitsura ng isang bagong elemento, tulad ng hinulaang ng teorya, ay sinamahan ng isang stream ng mga particle ng alpha.

Noong Marso 28, 1941, ang mga eksperimento na isinagawa ay nagpakita na ang Pu ay may kakayahang fission sa ilalim ng pagkilos ng mga mabagal na neutron, na may isang cross section na napakalaking lumalampas sa cross section para sa U, at ang mga neutron na nakuha sa proseso ng fission ay angkop para sa pagkuha ng pagsunod sa mga aksyon ng nuclear fission, iyon ay, pinapayagan nila ang isa na umasa sa pagpapatupad ng isang chain nuclear reaction. Mula sa sandaling iyon, nagsimula ang mga eksperimento sa paglikha ng isang plutonium nuclear bomb at ang pagtatayo ng mga reactor para sa pag-unlad nito. Ang unang purong compound ng elemento ay nakuha noong 1942, at ang unang plutonium metal sa timbang noong 1943.

Ang isang papel na isinumite para sa publikasyon sa journal Physical Review noong Marso 1941 ay inilarawan ang isang paraan para sa pagkuha at pag-aaral ng elemento. Gayunpaman, ang paglalathala ng dokumentong ito ay itinigil pagkatapos matanggap ang data na ang bagong elemento ay maaaring gamitin sa isang bombang nuklear. Ang paglalathala ng gawain ay naganap isang taon pagkatapos ng Ikalawang Digmaang Pandaigdig para sa mga kadahilanang pangseguridad at may ilang mga pagsasaayos.

Sa Third Reich, ang mga atomic na mananaliksik ay hindi rin nanatiling hindi aktibo. Sa laboratoryo ng Manfred von Arden, ang mga pamamaraan ay binuo upang makuha ang ika-94 na elemento. Noong Agosto 1941, natapos ng physicist na si Fritz Houtermans ang kanyang lihim na ulat na "On the Question of Unleashing Nuclear Chain Reactions." Sa loob nito, itinuro niya ang mga teoretikal na posibilidad para sa paggawa ng isang bagong paputok mula sa natural na uranium sa isang uranium na "boiler".

pinagmulan ng pangalan

Sa tulong ng astrograph na ito, nakuha ang mga unang larawan ng Pluto.

Noong 1930, natuklasan ang isang bagong planeta, ang pagkakaroon nito ay matagal nang pinag-uusapan ni Percival Lovell, isang astronomo, mathematician at may-akda ng mga kamangha-manghang sanaysay sa buhay sa Mars. Sa batayan ng maraming mga taon ng mga obserbasyon ng mga paggalaw ng Uranus at Neptune, dumating siya sa konklusyon na sa likod ng Neptune sa solar system ay dapat mayroong isa pang, ikasiyam na planeta, na matatagpuan apatnapung beses na mas malayo sa Araw kaysa sa Earth. Ang mga elemento ng orbit ng bagong planeta ay kinakalkula niya noong 1915. Natuklasan ang Pluto sa mga litratong kinunan noong Enero 21, 23 at 29, 1930 ng astronomer na si Clyde Tombaugh sa Lowell Observatory sa Flagstaff. Ang planeta ay natuklasan noong Pebrero 18, 1930. Ang pangalan ng planeta ay ibinigay ng isang labing-isang taong gulang na batang babae mula sa Oxford, Venetia Burney. Sa mitolohiyang Griyego, si Hades ang diyos ng underworld.

Ang unang nakalimbag na pagbanggit ng terminong plutonium ay nagsimula noong Marso 21, 1942. Ang pangalan ng ika-94 na elemento ng kemikal ay iminungkahi nina Arthur Wahl at Glenn Seaborg. Noong 1948, iminungkahi ni Edwin Macmillan na ang ika-93 na elemento ng kemikal ay pinangalanang neptunium, dahil ang Neptune ang unang planeta sa kabila ng Uranus. Sa pamamagitan ng pagkakatulad, ang plutonium ay pinangalanan pagkatapos ng pangalawang planeta sa kabila ng Uranus, ang Pluto. Ang pagkatuklas ng plutonium ay naganap 10 taon pagkatapos ng pagkatuklas ng dwarf planeta.

Sa una, iminungkahi ni Seaborg na tawagan ang bagong elemento na "plutium", ngunit kalaunan ay nagpasya na ang pangalang "plutonium" ay mas maganda ang tunog. Upang italaga ang elemento, pabiro siyang nagbigay ng dalawang titik na "Pu" - ang pagtatalaga na ito ay tila sa kanya ang pinaka-katanggap-tanggap sa periodic table. Iminungkahi din ni Seaborg ang ilang iba pang variant ng mga pangalan, halimbawa, ultimium, extermia. Gayunpaman, dahil sa maling kuru-kuro noong panahong ang plutonium ang magiging huling elemento ng kemikal sa periodic table, ang elemento ay pinangalanang "plutonium" pagkatapos ng pagtuklas ng huling planeta sa solar system.

Unang pag-aaral

Pagkatapos ng ilang buwan ng paunang pananaliksik, ang kimika ng plutonium ay nagsimulang ituring na katulad ng uranium. Ang karagdagang pananaliksik ay ipinagpatuloy sa lihim na laboratoryo ng metalurhiko sa Unibersidad ng Chicago. Salamat kina Cunningham at Werner, noong Agosto 18, 1942, ang unang microgram ng purong plutonium compound ay nahiwalay mula sa 90 kg ng uranyl nitrate na na-irradiated ng mga neutron sa isang cyclotron. Noong Setyembre 10, 1942 - makalipas ang isang buwan, kung saan nadagdagan ng mga siyentipiko ang dami ng tambalan - naganap ang isang pagtimbang. Ang makasaysayang sample na ito ay tumitimbang ng 2.77 micrograms at binubuo ng plutonium dioxide; kasalukuyang nakaimbak sa Lawrence Hall, Berkeley. Sa pagtatapos ng 1942, 500 micrograms ng asin ng elemento ang naipon. Para sa mas detalyadong pag-aaral ng bagong elemento sa Estados Unidos, ilang grupo ang nabuo:

• isang pangkat ng mga siyentipiko na dapat na ihiwalay ang purong plutonium sa pamamagitan ng mga kemikal na pamamaraan,
• isang pangkat na nag-aral ng gawi ng plutonium sa mga solusyon, kabilang ang pag-aaral ng mga estado ng oksihenasyon nito, mga potensyal ng ionization, at mga kinetika ng reaksyon,
• isang pangkat na nag-aral ng kimika ng kumplikadong pagbuo ng mga ion ng plutonium; at iba pang mga grupo.

Ipinakita ng pananaliksik na ang plutonium ay matatagpuan sa mga estado ng oksihenasyon sa pagitan ng 3 at 6, at ang mas mababang mga estado ng oksihenasyon ay karaniwang mas matatag kaysa sa neptunium. Kasabay nito, ang pagkakatulad ng mga kemikal na katangian ng plutonium at neptunium ay itinatag. Noong 1942, natuklasan ni Stan Thomson, isang miyembro ng grupo ni Glenn Seaborg, na ang tetravalent plutonium ay nakuha sa maraming dami kapag inilagay sa isang acidic na solusyon sa pagkakaroon ng bismuth phosphate. Kasunod nito, humantong ito sa pag-aaral at aplikasyon ng pamamaraang bismuth-phosphate para sa pagkuha ng plutonium. Noong Nobyembre 1943, ang ilang halaga ng plutonium fluoride ay pinaghiwalay upang makakuha ng purong sample ng elemento sa anyo ng ilang micrograms ng pinong pulbos. Kasunod nito, nakuha ang mga sample na makikita sa mata.

Ang unang cyclotron sa USSR ay ginamit upang makagawa ng plutonium.

Sa USSR, ang mga unang eksperimento sa pagkuha ng Pu ay sinimulan noong 1943-1944. sa ilalim ng gabay ng mga akademiko na sina I. V. Kurchatov at V. G. Khlopin. Sa isang maikling panahon, ang malawak na pag-aaral ng mga katangian ng plutonium ay isinagawa sa USSR. Sa simula ng 1945, sa unang cyclotron sa Europa, na itinayo noong 1937 sa Radium Institute, ang unang sample ng Sobyet ng plutonium ay nakuha sa pamamagitan ng neutron irradiation ng uranium nuclei. Sa lungsod ng Ozyorsk, mula noong 1945, nagsimula ang pagtatayo ng unang pang-industriya na nuclear reactor para sa paggawa ng plutonium, ang unang bagay ng Mayak Production Association, na inilunsad noong Hunyo 19, 1948.

Produksyon sa Manhattan Project

Ang pinakamahalagang lokasyon para sa Manhattan Project.

Ang Manhattan Project ay nagmula sa sulat ni Einstein kay Roosevelt. Iginuhit ng liham ang pansin ng pangulo sa katotohanan na ang Nazi Germany ay nagsasagawa ng aktibong pananaliksik, bilang isang resulta kung saan maaari itong makakuha ng isang bomba atomika. Noong Agosto 1939, hiniling ni Leo Sillard sa kanyang kaibigan na si Albert Einstein na pumirma ng isang liham. Bilang resulta ng positibong tugon ni Franklin Roosevelt, ang Manhattan Project ay kasunod na nabuo sa Estados Unidos.

Noong Ikalawang Digmaang Pandaigdig, ang layunin ng proyekto ay lumikha ng isang bombang nuklear. Ang draft na atomic program, kung saan nabuo ang Manhattan Project, ay naaprubahan at sabay na nilikha sa pamamagitan ng utos ng Pangulo ng Estados Unidos noong Oktubre 9, 1941. Sinimulan ng Manhattan Project ang mga aktibidad nito noong Agosto 12, 1942. Ang tatlong pangunahing layunin nito ay:

• Paggawa ng plutonium sa Hanford complex
• Pagpapayaman ng uranium sa Oak Ridge, Tennessee
• Pananaliksik sa larangan ng mga sandatang nuklear at istruktura ng bombang atomika sa Los Alamos National Laboratory

Isang commemorative na larawan ng mga siyentipiko na nakibahagi sa Chicago Woodpile-1. Front row, pangalawa mula sa kanan: Leo Sillard; una mula sa kaliwa: Enrico Fermi.

Ang unang nuclear reactor na gumawa ng malalaking dami ng elemento kumpara sa mga cyclotron ay ang Chicago Woodpile-1. Pumasok ito sa serbisyo noong 2 Disyembre 1942 salamat kina Enrico Fermi at Leo Sillard; Sa araw na ito, naganap ang unang self-sustaining nuclear chain reaction. Ang Uranium-238 at uranium-235 ay ginamit upang makagawa ng plutonium-239. Ang reaktor ay itinayo sa ilalim ng mga kinatatayuan sa Stagg Field sa Unibersidad ng Chicago. Binubuo ito ng 6 na tonelada ng uranium metal, 34 na tonelada ng uranium oxide, at 400 tonelada ng "black bricks" ng graphite. Ang tanging bagay na maaaring huminto sa isang nuclear chain reaction ay cadmium rods, na kumukuha ng thermal neutrons nang maayos at, bilang isang resulta, ay maaaring maiwasan ang isang posibleng insidente. Dahil sa kakulangan ng proteksyon sa radiation at paglamig, ang karaniwang kapangyarihan nito ay 0.5 ... 200 watts lamang.

Mga manggagawa sa X-10 Graphite Reactor.

Ang pangalawang reactor na naging posible upang makagawa ng plutonium-239 ay ang X-10 Graphite Reactor. Ito ay inilagay sa operasyon noong Nobyembre 4, 1943 sa lungsod ng Oak Ridge, ito ay kasalukuyang matatagpuan sa teritoryo ng Oak Ridge National Laboratory. Ang reaktor na ito ay ang pangalawa sa mundo pagkatapos ng Chicago Woodpile-1 at ang unang reaktor na ginawa sa pagpapatuloy ng Manhattan Project. Ang reaktor ay ang unang hakbang patungo sa paglikha ng mas makapangyarihang mga nuclear reactor, iyon ay, ito ay eksperimental. Ang pagtatapos ng kanyang trabaho ay dumating noong 1963; bukas sa publiko mula noong 1980s at isa sa pinakamatandang nuclear reactor sa mundo.

Noong Abril 5, 1944, natanggap ni Emilio Segre ang mga unang sample ng plutonium na ginawa sa X-10 reactor. Sa loob ng 10 araw, natuklasan niya na ang konsentrasyon ng plutonium-240 sa reactor ay napakataas kumpara sa mga cyclotron. Ang isotope na ito ay may napakataas na kakayahan sa kusang fission, bilang isang resulta kung saan ang pangkalahatang background ng neutron irradiation ay tumataas. Sa batayan na ito, napagpasyahan na ang paggamit ng high-purity na plutonium sa isang uri ng kanyon na bombang nuklear, lalo na sa Khudoy bomb, ay maaaring humantong sa napaaga na pagsabog. Dahil sa ang katunayan na ang teknolohiya ng pag-unlad ng mga bombang nuklear ay bumuti nang higit pa, natagpuan na para sa isang singil sa nukleyar na pinakamahusay na gumamit ng nuclear matter sa anyo ng mga sphere.

Konstruksyon ng Reactor B, ang unang nuclear reactor na may kakayahang gumawa ng plutonium sa isang pang-industriyang sukat.

Ang unang komersyal na Pu production nuclear reactor ay Reactor B, na matatagpuan sa USA. Nagsimula ang konstruksyon noong Hunyo 1943 at natapos noong Setyembre 1944. Ang lakas ng reactor ay 250 MW. Sa unang pagkakataon, ginamit ang tubig bilang coolant sa reactor na ito. Ang Reactor B ay gumawa ng plutonium-239, na unang ginamit sa Trinity test. Ang mga nukleyar na materyales na nakuha mula sa reaktor na ito ay ginamit sa bombang ibinagsak sa Nagasaki noong Agosto 9, 1945. Ang itinayong reaktor ay sarado noong Pebrero 1968 at matatagpuan sa disyerto na rehiyon ng Washington State, malapit sa lungsod ng Richland.

Hanford complex. Ang mga reactor B, D, F, atbp ay matatagpuan sa tabi ng ilog sa itaas na bahagi ng scheme.

Sa panahon ng Manhattan Project, maraming lugar ang nilikha sa Hanford complex para sa pagtanggap, pag-iimbak, pagproseso at paggamit ng mga nukleyar na materyales. Ang mga libingan na ito ay naglalaman ng humigit-kumulang 205 kg ng plutonium isotopes. Maramihang mga lugar ang nabuo upang mag-imbak ng siyam na nuclear reactor na gumawa ng elemento ng kemikal, ang maraming mga gusaling pantulong na dumidumi sa kapaligiran. Ang iba sa mga lugar na ito ay nilikha na may layuning paghiwalayin ang plutonium at uranium mula sa mga impurities sa pamamagitan ng kemikal na paraan. Matapos ang pagsasara ng complex na ito, higit sa 20 tonelada ng plutonium sa mga ligtas na anyo ang itinapon.

Noong 2004, bilang resulta ng mga paghuhukay, natuklasan ang mga libing sa teritoryo ng Hanford complex. Kabilang sa mga ito ay natagpuan ang mga armas-grade plutonium, na nasa isang glass vessel. Ang sample na ito ng weapons-grade plutonium ay napatunayang pinakamatagal ang buhay at sinuri ng Pacific National Laboratory. Ang mga resulta ay nagpakita na ang sample na ito ay nilikha sa X-10 graphite reactor noong 1944.

Ang isa sa mga kalahok sa proyekto ay kasangkot sa lihim na paglipat ng mga guhit sa mga prinsipyo ng pagtatayo ng uranium at plutonium bomb, pati na rin ang mga sample ng uranium-235 at plutonium-239.

Trinity and the Fat Man

Ang unang nuclear test, na tinatawag na Trinity, noong Hulyo 16, 1945, malapit sa Alamogordo, New Mexico, ay gumamit ng plutonium bilang nuclear charge. Gumamit ang Thing ng mga maginoo na lente upang i-compress ang plutonium sa isang kritikal na masa. Ginawa ang device na ito upang subukan ang isang bagong uri ng nuclear bomb na "Fat Man" batay sa plutonium. Kasabay nito, ang mga neutron ay nagsimulang dumaloy mula sa Hedgehog para sa isang nuclear reaction. Ang aparato ay ginawa mula sa polonium at beryllium; ang mapagkukunang ito ay ginamit sa unang henerasyon ng mga bombang nuklear, dahil sa oras na iyon ang komposisyon na ito ay itinuturing na tanging mapagkukunan ng mga neutron. Ang lahat ng komposisyon na ito ay naging posible upang makamit ang isang malakas na pagsabog ng nuklear. Ang kabuuang masa ng bomba na ginamit sa Trinity nuclear test ay 6 tonelada, bagaman ang core ng bomba ay naglalaman lamang ng 6.2 kg ng plutonium, at ang tinantyang altitude para sa pagsabog sa ibabaw ng lungsod ay 225-500 m. Humigit-kumulang 20% ​​ng plutonium na ginamit. sa bombang ito ay 20,000 tonelada sa katumbas ng TNT.

Ang bomba ng Fat Man ay ibinagsak sa Nagasaki noong Agosto 9, 1945. Bilang resulta ng pagsabog, 70 libong tao ang agad na namatay at isa pang 100 libo ang nasugatan. Ito ay may katulad na mekanismo: ang isang core na gawa sa plutonium ay inilagay sa isang spherical aluminyo na shell, na napapalibutan ng mga kemikal na pampasabog. Sa panahon ng pagsabog ng shell, ang singil ng plutonium ay na-compress mula sa lahat ng panig at ang density nito ay lumago sa kritikal, pagkatapos ay nagsimula ang isang nuclear chain reaction. Ang Malysh, na ibinagsak sa Hiroshima tatlong araw bago nito, ay gumamit ng uranium-235 ngunit hindi plutonium. Nilagdaan ng Japan ang isang kasunduan sa pagsuko noong Agosto 15. Pagkatapos ng mga kasong ito, isang mensahe ang nai-publish sa media tungkol sa paggamit ng isang bagong kemikal na radioactive na elemento - plutonium.

malamig na digmaan

Malaking dami ng plutonium ang ginawa noong Cold War ng US at USSR. Ang mga reaktor ng US sa Savannah River Site at Hanford ay gumawa ng 103 tonelada ng plutonium noong panahon ng digmaan, habang ang USSR ay gumawa ng 170 tonelada ng armas-grade plutonium. Ngayon, humigit-kumulang 20 tonelada ng plutonium ang ginawa sa nuclear power bilang isang by-product ng nuclear reactions. Para sa bawat 1,000 tonelada ng plutonium sa imbakan, mayroong 200 tonelada ng plutonium na nakuhang muli mula sa mga nuclear reactor. Para sa 2007, tinantya ng SIIM ang plutonium ng mundo sa 500 tonelada, na halos pantay na nahahati sa mga armas at pangangailangan sa enerhiya.

Ang iminungkahing layout ng nuclear waste storage tunnel sa Yucca Mountain Repository.

Kaagad pagkatapos ng pagtatapos ng Cold War, lahat ng nuclear stockpile ay naging problema sa paglaganap. Halimbawa, sa Estados Unidos, ang dalawang toneladang bloke ay pinagsama mula sa plutonium na nakuha mula sa mga sandatang nuklear, kung saan ang elemento ay nasa anyo ng inert plutonium oxide. Ang mga bloke na ito ay pinakinang ng borosilicate glass na may admixture ng zirconium at gadolinium. Pagkatapos ang mga bloke na ito ay natatakpan ng hindi kinakalawang na asero at inilibing sa lupa sa lalim na 4 km. Hindi pinahintulutan ng lokal at estadong awtoridad ng US na mag-imbak ng nuclear waste sa Yucca Mountain. Noong Marso 2010, nagpasya ang mga awtoridad ng US na bawiin ang lisensya para sa karapatang mag-imbak ng nuclear waste. Iminungkahi ni Barack Obama na suriin ang patakaran ng pag-iimbak ng basura at magbigay ng mga rekomendasyon para sa pagbuo ng mga bagong epektibong pamamaraan para sa pamamahala ng ginastos na gasolina at basura.

mga medikal na eksperimento

Sa buong Ikalawang Digmaang Pandaigdig at pagkatapos nito, ang mga siyentipiko ay nagsagawa ng mga eksperimento sa mga hayop at tao, na nag-inject ng mga dosis ng plutonium sa intravenously. Ipinakita ng mga pag-aaral ng hayop na ang ilang milligrams ng plutonium bawat kilo ng tissue ay isang nakamamatay na dosis. Ang "standard" na dosis ay 5 micrograms ng plutonium, at noong 1945 ang figure na ito ay nabawasan sa 1 microgram dahil sa ang katunayan na ang plutonium ay may posibilidad na maipon sa mga buto at samakatuwid ay mas mapanganib kaysa sa radium.

Labingwalong tao na pagsusuri ng plutonium ang isinagawa nang walang paunang pahintulot, upang malaman kung saan at paano nakakonsentra ang plutonium sa katawan ng tao, at upang bumuo ng mga pamantayan para sa ligtas na paghawak nito. Ang mga unang lugar kung saan isinagawa ang mga eksperimento bilang bahagi ng Manhattan Project ay: Hanford, Berkeley, Los Alamos, Chicago, Oak Ridge, Rochester.