A fost descoperit în anii 1940-41 de oamenii de știință americani G. Seaborg, E. McMillan, J. Kennedy și A. Wahl, care au obținut izotopul 238 Pu ca urmare a iradierii uraniului cu nuclee grele de hidrogen - deuteroni. Numit după planeta Pluto, ca și predecesorii lui Plutoniu în tabelul periodic - uraniu și neptuniu, ale căror nume provin și de la planetele Uranus și Neptun. Izotopii de plutoniu sunt cunoscuți cu numere de masă de la 232 la 246. Urme ale izotopilor 247 Pu și 255 Pu au fost găsite în praful colectat după exploziile bombelor termonucleare. Cel mai lung izotop al plutoniului este α-radioactiv 244 Pu (timp de înjumătățire T ½ aproximativ 7,5 10 7 ani). Valorile T ½ ale tuturor izotopilor de plutoniu sunt mult mai mici decât vârsta Pământului și, prin urmare, tot plutoniul primar (care a existat pe planeta noastră în timpul formării sale) s-a degradat complet. Cu toate acestea, cantități mici de 239 Pu se formează în mod constant în timpul dezintegrarii β a 239 Np, care, la rândul său, are loc în timpul reacției nucleare a uraniului cu neutronii (de exemplu, neutronii din radiația cosmică). Prin urmare, urme de plutoniu se găsesc în minereurile de uraniu.
Plutoniul este un metal alb strălucitor, la temperaturi de la temperatura camerei până la 640 ° C (t pl) există în șase modificări alotropice. Transformările alotropice ale plutoniului sunt însoțite de modificări bruște ale densității. O caracteristică unică a plutoniului metalic este că atunci când este încălzit de la 310 la 480 °C, nu se extinde ca alte metale, ci se contractă. Configurația celor trei învelișuri electronice exterioare ale atomului de Pu este 5s 2 5p 6 5d 10 5f 6 6s 2 6p 2 7s 2. Proprietățile chimice ale plutoniului sunt în multe privințe similare cu proprietățile predecesorilor săi din tabelul periodic - uraniu și neptuniu. Plutoniul formează compuși cu stări de oxidare de la +2 la +7. Sunt cunoscuţi oxizii PuO, Pu 2 O 3, PuO 2 şi faza de compoziţie variabilă Pu 2 O 3 - Pu 4 O 7. În compușii cu halogeni, plutoniul prezintă de obicei starea de oxidare +3, dar se cunosc și halogenurile PuF 4, PuF 6 și PuCl 4. În soluții, plutoniul există sub formele Pu 3+, Pu 4+, PuO 2 (ion plutonil), PuO 2+ (ion plutonil) și PuO s 3-, corespunzătoare stărilor de oxidare de la +3 la +7. Acești ioni (cu excepția PuO 3-5) pot fi în soluție în același timp în echilibru. Ionii de plutoniu din toate stările de oxidare sunt predispuși la hidroliză și la formarea complexului.
Dintre toți izotopii plutoniului, cel mai important este α-radioactiv 239 Pu (T ½ = 2,4 10 4 ani). Nucleele 239 Pu sunt capabile de o reacție de fisiune în lanț sub influența neutronilor, prin urmare 239 Pu poate fi folosit ca sursă de energie atomică (energia eliberată în timpul fisiunii a 1 g de 239 Pu este echivalentă cu căldura degajată în timpul arderii). de 4000 kg cărbune). În URSS, primele experimente privind producția de 239 Pu au început în 1943-44 sub conducerea academicienilor I.V. Kurchatov și V.G. Khlopin. Pentru prima dată în URSS, plutoniul a fost izolat din uraniul iradiat cu neutroni în 1945. Studii ample ale proprietăților plutoniului au fost efectuate într-un timp extrem de scurt, iar în 1949 a început să funcționeze prima instalație pentru separarea radiochimică a plutoniului în URSS.
Producția industrială de 239 Pu se bazează pe interacțiunea nucleelor de 238 U cu neutronii din reactoarele nucleare. Separarea ulterioară a Pu de U, Np și produse de fisiune foarte radioactive se realizează prin metode radiochimice (co-precipitare, extracție, schimb ionic și altele). Plutoniul metal se obține de obicei prin reducerea PuF 3 , PuF 4 sau PuCO 2 cu vapori de bariu, calciu sau litiu. Ca material fisionabil, 238 Pu este folosit în reactoare nucleare și în bombe atomice și termonucleare. Izotopul 238 Pu este utilizat pentru fabricarea bateriilor electrice atomice, a căror durată de viață ajunge la 5 ani sau mai mult. Astfel de baterii pot fi folosite, de exemplu, în generatoarele de curent care stimulează inima.
Plutoniu în organism. Plutoniul este concentrat de organisme marine: coeficientul său de acumulare (adică raportul dintre concentrațiile din corp și din mediul extern) pentru alge este de 1000-9000, pentru plancton (mixt) - aproximativ 2300, pentru moluște - până la 380, pentru stele de mare - aproximativ 1000, pentru mușchi, oase, ficat și stomac de pește - 5, 570, 200 și, respectiv, 1060. Plantele terestre absorb plutoniul în principal prin sistemul radicular și îl acumulează până la 0,01% din masa lor. În corpul uman, plutoniul este reținut în principal în schelet și ficat, de unde aproape că nu este excretat (în special din oase). Cel mai toxic 239 Pu cauzează tulburări hematopoietice, osteosarcoame și cancer pulmonar. Începând cu anii 70 ai secolului XX, ponderea Plutoniului în contaminarea radioactivă a biosferei a crescut (astfel, iradierea nevertebratelor marine datorită Plutoniului devine mai mare decât datorată 90 Sr și 137 Cs).
Plutoniul (în latină Plutoniu, simbol Pu) este un element chimic radioactiv cu număr atomic 94 și greutate atomică 244,064. Plutoniul este un element al grupului III al tabelului periodic al lui Dmitri Ivanovici Mendeleev și aparține familiei actinidelor. Plutoniul este un metal radioactiv greu (densitate în condiții normale 19,84 g/cm³) fragil, de culoare alb-argintiu.
Plutoniul nu are izotopi stabili. Din cei o sută de izotopi posibili ai plutoniului, douăzeci și cinci au fost sintetizați. Au fost studiate proprietățile nucleare a cincisprezece dintre ele (numerele de masă 232-246). Patru au găsit aplicație practică. Cei mai longeviv izotopi sunt 244Pu (timp de înjumătățire 8,26-107 ani), 242Pu (timp de înjumătățire 3,76-105 ani), 239Pu (timp de înjumătățire 2,41-104 ani), 238Pu (timp de înjumătățire 87,74 ani) - α- emițători și 241Pu (timp de înjumătățire 14 ani) - β-emițător. În natură, plutoniul se găsește în cantități neglijabile în minereurile de uraniu (239Pu); se formează din uraniu sub influența neutronilor, ale căror surse sunt reacții care apar în timpul interacțiunii particulelor α cu elementele ușoare (incluse în minereuri), fisiunea spontană a nucleelor de uraniu și radiația cosmică.
Al nouăzeci și patrulea element a fost descoperit de un grup de oameni de știință americani - Glenn Seaborg, Kennedy, Edwin McMillan și Arthur Wahl în 1940 la Berkeley (la Universitatea din California), când bombarda o țintă de oxid de uraniu (U3O8) de nuclee de deuteriu foarte accelerate. (deuteroni) dintr-un ciclotron de șaizeci de inci. În mai 1940, proprietățile plutoniului au fost prezise de Lewis Turner.
În decembrie 1940, a fost descoperit izotopul plutoniului Pu-238, cu un timp de înjumătățire de ~90 de ani, urmat un an mai târziu de cel mai important Pu-239, cu un timp de înjumătățire de ~24.000 de ani.
Edwin MacMillan a propus în 1948 să denumească elementul chimic plutoniu în onoarea descoperirii noii planete Pluto și prin analogie cu neptuniul, care a fost numit după descoperirea lui Neptun.
Plutoniul metalic (izotop 239Pu) este folosit în armele nucleare și servește drept combustibil nuclear în reactoarele de putere care funcționează pe neutroni termici și în special pe neutroni rapizi. Masa critică pentru 239Pu ca metal este de 5,6 kg. Printre altele, izotopul 239Pu este materia primă pentru producerea elementelor de transplutoniu în reactoarele nucleare. Izotopul 238Pu este utilizat în sursele de energie nucleară de dimensiuni mici utilizate în cercetarea spațială, precum și în stimulentele cardiace umane.
Plutoniul-242 este important ca „materie primă” pentru acumularea relativ rapidă de elemente transuraniu superioare în reactoarele nucleare. Aliajele de plutoniu δ-stabilizate sunt utilizate la fabricarea pilelor de combustie, deoarece au proprietăți metalurgice mai bune în comparație cu plutoniul pur, care suferă tranziții de fază atunci când este încălzit. Oxizii de plutoniu sunt folosiți ca sursă de energie pentru tehnologia spațială și își găsesc aplicația în barele de combustibil.
Toți compușii plutoniului sunt otrăvitori, ceea ce este o consecință a radiațiilor α. Particulele alfa reprezintă un pericol grav dacă sursa lor se află în corpul unei persoane infectate; ele dăunează țesutului înconjurător al corpului. Radiația gamma de la plutoniu nu este periculoasă pentru organism. Merită să luăm în considerare faptul că diferiți izotopi ai plutoniului au toxicități diferite, de exemplu, plutoniul tipic din reactorul este de 8-10 ori mai toxic decât 239Pu pur, deoarece este dominat de nuclizii 240Pu, care este o sursă puternică de radiație alfa. Plutoniul este cel mai radiotoxic element dintre toate actinidele, cu toate acestea, este considerat departe de cel mai periculos element, deoarece radiul este de aproape o mie de ori mai periculos decât cel mai otrăvitor izotop al plutoniului - 239Pu.
Proprietăți biologice
Plutoniul este concentrat de organismele marine: coeficientul de acumulare al acestui metal radioactiv (raportul dintre concentrațiile din organism și din mediul extern) pentru alge este de 1000-9000, pentru plancton - aproximativ 2300, pentru stele de mare - aproximativ 1000, pentru moluște - până la 380, pentru mușchi, oase, ficat și stomac de pește - 5, 570, 200 și, respectiv, 1060. Plantele terestre absorb plutoniul în principal prin sistemul radicular și îl acumulează până la 0,01% din masa lor. În corpul uman, al nouăzeci și patrulea element este reținut în principal în schelet și ficat, de unde aproape că nu este excretat (în special din oase).
Plutoniul este foarte toxic, iar pericolul său chimic (ca orice alt metal greu) este mult mai slab (din punct de vedere chimic, este și otrăvitor ca plumbul.) în comparație cu toxicitatea sa radioactivă, care este o consecință a radiației alfa. Mai mult, particulele α au o capacitate de penetrare relativ scăzută: pentru 239Pu, intervalul de particule α în aer este de 3,7 cm, iar în țesutul biologic moale de 43 μm. Prin urmare, particulele alfa reprezintă un pericol grav dacă sursa lor se află în corpul unei persoane infectate. În același timp, ele dăunează țesuturilor corpului din jurul elementului.
În același timp, razele γ și neutronii, pe care le emite și plutoniul și care sunt capabili să pătrundă în organism din exterior, nu sunt foarte periculoși, deoarece nivelul lor este prea scăzut pentru a dăuna sănătății. Plutoniul aparține unui grup de elemente cu radiotoxicitate deosebit de ridicată. În același timp, diferiți izotopi ai plutoniului au toxicitate diferită, de exemplu, plutoniul tipic din reactor este de 8-10 ori mai toxic decât 239Pu pur, deoarece este dominat de nuclizii 240Pu, care este o sursă puternică de radiație alfa.
Când este ingerat prin apă și alimente, plutoniul este mai puțin toxic decât substanțe precum cofeina, unele vitamine, pseudoefedrina și multe plante și ciuperci. Acest lucru se explică prin faptul că acest element este slab absorbit de tractul gastrointestinal, chiar și atunci când este furnizat sub formă de sare solubilă, aceeași sare este legată de conținutul stomacului și intestinelor. Cu toate acestea, ingestia a 0,5 grame de plutoniu fin divizat sau dizolvat poate duce la moartea prin iradiere digestivă acută în câteva zile sau săptămâni (pentru cianura această valoare este de 0,1 grame).
Din punct de vedere al inhalării, plutoniul este o toxină obișnuită (aproximativ echivalentă cu vaporii de mercur). Când este inhalat, plutoniul este cancerigen și poate provoca cancer pulmonar. Deci, atunci când sunt inhalate, o sută de miligrame de plutoniu sub formă de particule de dimensiune optimă pentru reținerea în plămâni (1-3 microni) duce la moartea edemului pulmonar în 1-10 zile. O doză de douăzeci de miligrame duce la deces din cauza fibrozei în aproximativ o lună. Dozele mai mici conduc la intoxicații cronice cancerigene. Pericolul inhalării plutoniului în organism crește datorită faptului că plutoniul este predispus la formarea de aerosoli.
Chiar dacă este un metal, este destul de volatil. O scurtă ședere de metal într-o cameră crește semnificativ concentrația acestuia în aer. Plutoniul care intră în plămâni se așează parțial pe suprafața plămânilor, trece parțial în sânge și apoi în limfă și măduva osoasă. Majoritatea (aproximativ 60%) ajung în țesutul osos, 30% în ficat și doar 10% se excretă în mod natural. Cantitatea de plutoniu care intră în organism depinde de dimensiunea particulelor de aerosoli și de solubilitatea în sânge.
Plutoniul care pătrunde într-un fel sau altul în corpul uman este similar în proprietăți cu fierul feric, prin urmare, pătrunzând în sistemul circulator, plutoniul începe să se concentreze în țesuturile care conțin fier: măduvă osoasă, ficat, splină. Organismul percepe plutoniul ca fier, prin urmare, proteina transferină ia plutoniu în loc de fier, drept urmare transferul de oxigen în organism se oprește. Microfagele transportă plutoniu la ganglionii limfatici. Plutoniul care intră în organism durează foarte mult pentru a fi îndepărtat din organism - în 50 de ani, doar 80% vor fi îndepărtați din organism. Timpul de înjumătățire din ficat este de 40 de ani. Pentru țesutul osos, timpul de înjumătățire al plutoniului este de 80-100 de ani; de fapt, concentrația elementului nouăzeci și patru din oase este constantă.
Pe parcursul celui de-al Doilea Război Mondial și după încheierea acestuia, oamenii de știință care lucrau în Proiectul Manhattan, precum și oamenii de știință din cel de-al Treilea Reich și alte organizații de cercetare, au efectuat experimente folosind plutoniu pe animale și oameni. Studiile pe animale au arătat că câteva miligrame de plutoniu per kilogram de țesut reprezintă o doză letală. Utilizarea plutoniului la om a constat în injectarea intramusculară a 5 mcg de plutoniu la pacienții cu boli cronice. În cele din urmă, s-a stabilit că doza letală pentru un pacient era de un microgram de plutoniu și că plutoniul era mai periculos decât radiul și avea tendința de a se acumula în oase.
După cum se știe, plutoniul este un element practic absent în natură. Cu toate acestea, aproximativ cinci tone din acesta au fost eliberate în atmosferă ca urmare a testelor nucleare din perioada 1945-1963. Cantitatea totală de plutoniu eliberată în atmosferă din cauza testelor nucleare înainte de anii 1980 este estimată la 10 tone. Potrivit unor estimări, solul din Statele Unite conține o medie de 2 milicurii (28 mg) de plutoniu per km2 de precipitații, iar apariția plutoniului în Oceanul Pacific este ridicată în raport cu distribuția globală a materialelor nucleare pe pământ.
Cel mai recent fenomen este asociat cu testele nucleare ale SUA în Insulele Marshall la locul de testare din Pacific la mijlocul anilor 1950. Timpul de rezidență al plutoniului în apele oceanice de suprafață variază de la 6 la 21 de ani, cu toate acestea, chiar și după această perioadă, plutoniul cade la fund împreună cu particulele biogene, din care este redus la forme solubile ca urmare a descompunerii microbiene.
Poluarea globală cu al nouăzeci și patrulea element este asociată nu numai cu testele nucleare, ci și cu accidentele în producție și echipamentele care interacționează cu acest element. Așadar, în ianuarie 1968, un B-52 al forțelor aeriene americane care transporta patru focoase nucleare s-a prăbușit în Groenlanda. Ca urmare a exploziei, încărcăturile au fost distruse și plutoniul s-a scurs în ocean.
Un alt caz de contaminare radioactivă a mediului ca urmare a unui accident a avut loc cu nava spațială sovietică Kosmos-954 la 24 ianuarie 1978. Ca urmare a unei deorbite necontrolate, un satelit cu o sursă de energie nucleară la bord a căzut pe teritoriul canadian. În urma accidentului, mai mult de un kilogram de plutoniu-238 a fost eliberat în mediu, răspândindu-se pe o suprafață de aproximativ 124.000 m².
Cel mai teribil exemplu de scurgere de urgență a substanțelor radioactive în mediu este accidentul de la centrala nucleară de la Cernobîl, care a avut loc la 26 aprilie 1986. Ca urmare a distrugerii celei de-a patra unități de putere, 190 de tone de substanțe radioactive (inclusiv izotopi de plutoniu) au fost eliberate în mediu pe o suprafață de aproximativ 2200 km².
Eliberarea de plutoniu în mediu nu este asociată doar cu incidente provocate de om. Sunt cunoscute cazuri de scurgeri de plutoniu, atât din condiții de laborator, cât și din fabrică. Sunt cunoscute peste douăzeci de scurgeri accidentale din laboratoarele 235U și 239Pu. În perioada 1953-1978. accidentele au dus la o pierdere de 0,81 (Mayak, 15 martie 1953) la 10,1 kg (Tomsk, 13 decembrie 1978) 239Pu. Incidentele industriale s-au soldat cu un total de două morți la Los Alamos (21 august 1945 și 21 mai 1946) din cauza a două accidente și a pierderii a 6,2 kg de plutoniu. În orașul Sarov în 1953 și 1963. aproximativ 8 și 17,35 kg au căzut în afara reactorului nuclear. Una dintre ele a dus la distrugerea unui reactor nuclear în 1953.
Când un nucleu de 238Pu fisiune cu neutroni, se eliberează 200 MeV de energie, care este de 50 de milioane de ori mai mult decât cea mai cunoscută reacție exotermă: C + O2 → CO2. „Arzând” într-un reactor nuclear, un gram de plutoniu produce 2.107 kcal - aceasta este energia conținută în 4 tone de cărbune. Un degetar de combustibil plutoniu în echivalent energie poate fi echivalent cu patruzeci de vagoane de lemn de foc bun!
Se crede că „izotopul natural” al plutoniului (244Pu) este cel mai longeviv izotop dintre toate elementele transuraniului. Timpul său de înjumătățire este de 8,26∙107 ani. Oamenii de știință au încercat de mult timp să obțină un izotop al unui element transuraniu care ar exista mai mult de 244Pu - mari speranțe în acest sens erau puse pe 247Cm. Cu toate acestea, după sinteza sa, s-a dovedit că timpul de înjumătățire al acestui element este de numai 14 milioane de ani.
Poveste
În 1934, un grup de oameni de știință condus de Enrico Fermi a făcut o declarație că în timpul lucrărilor științifice de la Universitatea din Roma au descoperit un element chimic cu numărul de serie 94. La insistențele lui Fermi, elementul a fost numit hesperium, omul de știință era convins că el descoperise un nou element, care se numește acum plutoniu, sugerând astfel existența elementelor transuraniu și devenind descoperitorul lor teoretic. Fermi a apărat această ipoteză în prelegerea sa Nobel din 1938. Abia după descoperirea fisiunii nucleare de către oamenii de știință germani Otto Frisch și Fritz Strassmann, Fermi a fost forțat să facă o notă în versiunea tipărită publicată la Stockholm în 1939, indicând necesitatea reconsiderării „întreaga problemă a elementelor transuraniului”. Cert este că lucrările lui Frisch și Strassmann au arătat că activitatea descoperită de Fermi în experimentele sale s-a datorat tocmai fisiunii, și nu descoperirii elementelor transuraniu, așa cum credea el anterior.
Un nou element, al nouăzeci și patrulea, a fost descoperit la sfârșitul anului 1940. S-a întâmplat în Berkeley, la Universitatea din California. Bombardând oxidul de uraniu (U3O8) cu nuclee grele de hidrogen (deuteroni), un grup de radiochimiști americani condus de Glenn T. Seaborg a descoperit un emițător de particule alfa necunoscut anterior, cu un timp de înjumătățire de 90 de ani. Acest emițător s-a dovedit a fi izotopul elementului nr. 94 cu un număr de masă de 238. Astfel, la 14 decembrie 1940, au fost obținute primele cantități de micrograme de plutoniu împreună cu un amestec de alte elemente și compușii acestora.
În timpul unui experiment efectuat în 1940, s-a constatat că, în timpul unei reacții nucleare, este produs mai întâi izotopul de scurtă durată neptunium-238 (timp de înjumătățire 2,117 zile), iar din acesta plutoniu-238:
23392U (d,2n) → 23893Np → (β−) 23894Pu
Experimentele chimice lungi și laborioase pentru a separa noul element de impurități au durat două luni. Existența unui nou element chimic a fost confirmată în noaptea de 23 spre 24 februarie 1941 de G. T. Seaborg, E. M. Macmillan, J. W. Kennedy și A. C. Wall prin studiul primelor sale proprietăți chimice - capacitatea de a poseda cel puțin două oxidari. state. Puțin mai târziu de sfârșitul experimentelor, s-a stabilit că acest izotop este nefisil și, prin urmare, neinteresant pentru studii ulterioare. Curând (martie 1941), Kennedy, Seaborg, Segre și Wahl au sintetizat un izotop mai important, plutoniul-239, prin iradierea uraniului cu neutroni foarte accelerați într-un ciclotron. Acest izotop se formează prin descompunerea neptuniului-239, emite raze alfa și are un timp de înjumătățire de 24.000 de ani. Primul compus pur al elementului a fost obținut în 1942, iar primele cantități în greutate de plutoniu metalic au fost obținute în 1943.
Denumirea noului element 94 a fost propusă în 1948 de MacMillan, care, cu câteva luni înainte de descoperirea plutoniului, împreună cu F. Eibelson, au obținut primul element mai greu decât uraniul - elementul nr. 93, care a fost numit în cinstea neptuniului. a planetei Neptun – primul dincolo de Uranus. Prin analogie, au decis să numească elementul nr. 94 plutoniu, deoarece planeta Pluto este a doua după Uranus. La rândul său, Seaborg a propus să numească noul element „plutoniu”, dar apoi și-a dat seama că numele nu suna foarte bine în comparație cu „plutoniu”. În plus, a propus și alte denumiri pentru noul element: ultimium, extermium, din cauza judecății eronate la acea vreme că plutoniul va deveni ultimul element chimic din tabelul periodic. Drept urmare, elementul a fost numit „plutoniu” în onoarea descoperirii ultimei planete din sistemul solar.
Fiind în natură
Timpul de înjumătățire al celui mai lung izotop al plutoniului este de 75 de milioane de ani. Cifra este foarte impresionantă, totuși, vârsta Galaxiei se măsoară în miliarde de ani. De aici rezultă că izotopii primari ai celui de-al nouăzeci și patrulea element, formați în timpul marii sinteze a elementelor Universului, nu au avut nicio șansă să supraviețuiască până în ziua de azi. Și totuși, asta nu înseamnă că nu există deloc plutoniu pe Pământ. Se formează constant în minereurile de uraniu. Prin captarea neutronilor din radiația cosmică și a neutronilor produși prin fisiunea spontană a nucleelor de 238U, unii - foarte puțini - atomi ai acestui izotop se transformă în atomi de 239U. Nucleele acestui element sunt foarte instabile, emit electroni și astfel își măresc sarcina și are loc formarea neptuniului, primul element transuraniu. 239Np este, de asemenea, instabil, nucleele sale emit și electroni, așa că în doar 56 de ore jumătate din 239Np se transformă în 239Pu.
Timpul de înjumătățire al acestui izotop este deja foarte lung și se ridică la 24.000 de ani. În medie, conținutul de 239Pu este de aproximativ 400.000 de ori mai mic decât cel al radiului. Prin urmare, este extrem de dificil nu numai să extragi, ci chiar să detectezi plutoniul „terestre”. Cantități mici de 239Pu - părți per trilion - și produse de degradare pot fi găsite în minereurile de uraniu, de exemplu în reactorul nuclear natural de la Oklo, Gabon (Africa de Vest). Așa-numitul „reactor nuclear natural” este considerat a fi singurul din lume în care actinidele și produsele lor de fisiune se formează în prezent în geosferă. Potrivit estimărilor moderne, în această regiune a avut loc în urmă cu câteva milioane de ani o reacție auto-susținută cu degajarea de căldură, care a durat mai bine de jumătate de milion de ani.
Deci, știm deja că în minereurile de uraniu, ca urmare a captării neutronilor de către nucleele de uraniu, se formează neptuniu (239Np), al cărui produs de descompunere β este plutoniul-239 natural. Datorită instrumentelor speciale - spectrometre de masă - prezența plutoniului-244 (244Pu), care are cel mai lung timp de înjumătățire - aproximativ 80 de milioane de ani, a fost descoperită în bastnaezita precambriană (minereu de ceriu). În natură, 244Pu se găsește predominant sub formă de dioxid (PuO2), care este chiar mai puțin solubil în apă decât nisipul (cuarț). Deoarece izotopul cu viață relativ lungă plutoniu-240 (240Pu) se află în lanțul de descompunere a plutoniului-244, descompunerea acestuia are loc, dar acest lucru se întâmplă foarte rar (1 caz din 10.000). Cantități foarte mici de plutoniu-238 (238Pu) se datorează descompunerii duble beta foarte rare a izotopului părinte, uraniu-238, care a fost găsit în minereurile de uraniu.
Urme ale izotopilor 247Pu și 255Pu au fost găsite în praful colectat după exploziile bombelor termonucleare.
Cantități minime de plutoniu ar putea fi prezente ipotetic în corpul uman, având în vedere că au fost efectuate într-un fel sau altul un număr imens de teste nucleare legate de plutoniu. Plutoniul se acumulează în principal în schelet și ficat, de unde practic nu este excretat. În plus, elementul nouăzeci și patru este acumulat de organismele marine; Plantele terestre absorb plutoniul în principal prin sistemul radicular.
Se pare că plutoniul sintetizat artificial mai există în natură, așa că de ce nu este extras, ci obținut artificial? Cert este că concentrația acestui element este prea scăzută. Despre un alt metal radioactiv - radiul se spune: „un gram de producție - un an de muncă”, iar radiul în natură este de 400.000 de ori mai abundent decât plutoniul! Din acest motiv, este extrem de dificil nu numai să extragi, ci chiar să detectezi plutoniul „terestre”. Acest lucru a fost făcut numai după ce au fost studiate proprietățile fizice și chimice ale plutoniului produs în reactoarele nucleare.
Aplicație
Izotopul 239Pu (împreună cu U) este folosit ca combustibil nuclear în reactoarele de putere care funcționează pe neutroni termici și rapizi (în principal), precum și în fabricarea armelor nucleare.
Aproximativ o jumătate de mie de centrale nucleare din întreaga lume generează aproximativ 370 GW de energie electrică (sau 15% din producția totală de energie electrică a lumii). Plutoniul-236 este folosit la fabricarea bateriilor electrice atomice, a căror durată de viață ajunge la cinci ani sau mai mult, ele sunt utilizate în generatoarele de curent care stimulează inima (stimulatoare cardiace). 238Pu este utilizat în sursele de energie nucleară de dimensiuni mici utilizate în cercetarea spațială. Astfel, plutoniul-238 este sursa de energie pentru sondele New Horizons, Galileo și Cassini, roverul Curiosity și alte nave spațiale.
Armele nucleare folosesc plutoniu-239, deoarece acest izotop este singurul nuclid potrivit pentru utilizarea într-o bombă nucleară. În plus, utilizarea mai frecventă a plutoniului-239 în bombe nucleare se datorează faptului că plutoniul ocupă mai puțin volum în sferă (unde se află miezul bombei), prin urmare, puterea explozivă a bombei poate fi câștigată datorită acestui fapt. proprietate.
Schema prin care are loc o explozie nucleară care implică plutoniu constă în designul bombei în sine, al cărei miez constă dintr-o sferă umplută cu 239Pu. În momentul ciocnirii cu solul, sfera este comprimată la un milion de atmosfere datorită designului și datorită explozivului care înconjoară această sferă. După impact, miezul se extinde în volum și densitate în cel mai scurt timp posibil - zeci de microsecunde, ansamblul trece prin starea critică cu neutroni termici și intră în starea supercritică cu neutroni rapidi - începe o reacție nucleară în lanț cu participarea neutronii și nucleele elementului. Explozia finală a unei bombe nucleare eliberează temperaturi de ordinul a zeci de milioane de grade.
Izotopii de plutoniu și-au găsit utilizarea în sinteza elementelor de transplutoniu (lângă plutoniu). De exemplu, la Laboratorul Național Oak Ridge, se obțin iradiere cu neutroni pe termen lung de 239Pu, 24496Cm, 24296Cm, 24997Bk, 25298Cf, 25399Es și 257100Fm. În același mod, americiu 24195Am a fost obținut pentru prima dată în 1944. În 2010, oxidul de plutoniu-242 bombardat cu ioni de calciu-48 a servit drept sursă pentru ununquadium.
Aliajele de plutoniu δ-stabilizate sunt folosite la fabricarea barelor de combustibil, deoarece au proprietăți metalurgice semnificativ mai bune în comparație cu plutoniul pur, care suferă tranziții de fază atunci când este încălzit și este un material foarte fragil și nesigur. Aliajele de plutoniu cu alte elemente (compuși intermetalici) se obțin de obicei prin interacțiunea directă a elementelor în proporțiile necesare, în timp ce topirea cu arc este utilizată în principal; uneori aliajele instabile sunt obținute prin depunerea prin pulverizare sau răcirea topiturii.
Principalele elemente industriale de aliere pentru plutoniu sunt galiul, aluminiul și fierul, deși plutoniul este capabil să formeze aliaje și intermediari cu majoritatea metalelor, cu rare excepții (potasiu, sodiu, litiu, rubidiu, magneziu, calciu, stronțiu, bariu, europiu și itterbiu) . Metale refractare: molibdenul, niobiul, cromul, tantalul și wolframul sunt solubile în plutoniul lichid, dar aproape insolubile sau ușor solubile în plutoniul solid. Indiul, siliciul, zincul și zirconiul sunt capabili să formeze 5-plutoniu metastabil (faza δ") atunci când sunt răcite rapid. Galiul, aluminiul, americiul, scandiul și ceriul pot stabiliza 5-plutoniul la temperatura camerei.
Cantități mari de holmiu, hafniu și taliu permit păstrarea unei cantități de δ-plutoniu la temperatura camerei. Neptuniul este singurul element care poate stabiliza α-plutoniul la temperaturi ridicate. Titanul, hafniul și zirconiul stabilizează structura β-plutoniului la temperatura camerei atunci când sunt răcite rapid. Aplicațiile unor astfel de aliaje sunt destul de diverse. De exemplu, un aliaj plutoniu-galiu este utilizat pentru a stabiliza faza δ a plutoniului, ceea ce evită tranziția de fază α-δ. Aliajul ternar plutoniu-galiu-cobalt (PuGaCo5) este un aliaj supraconductor la 18,5 K. Există o serie de aliaje (plutoniu-zirconiu, plutoniu-ceriu și plutoniu-ceriu-cobalt) care sunt folosite ca combustibil nuclear.
Productie
Plutoniul industrial este produs în două moduri. Aceasta este fie iradierea nucleelor de 238U conținute în reactoarele nucleare, fie separarea prin metode radiochimice (co-precipitare, extracție, schimb de ioni etc.) a plutoniului din uraniu, elemente transuranice și produse de fisiune conținute în combustibilul uzat.
În primul caz, cel mai practic izotop 239Pu (amestecat cu un mic amestec de 240Pu) este produs în reactoare nucleare cu participarea nucleelor de uraniu și neutroni folosind degradarea β și cu participarea izotopilor de neptuniu ca produs intermediar de fisiune:
23892U + 21D → 23893Np + 210n;
23893Np → 23894Pu
β-degradare
În acest proces, un deuteron intră în uraniu-238, rezultând formarea neptuniului-238 și a doi neutroni. Neptunium-238 apoi fisiune spontan, emițând particule beta-minus care formează plutoniu-238.
De obicei, conținutul de 239Pu din amestec este de 90-95%, 240Pu este de 1-7%, conținutul de alți izotopi nu depășește zecimi de procent. Izotopii cu timpi de înjumătățire mare - 242Pu și 244Pu sunt obținuți prin iradiere prelungită cu neutroni 239Pu. În plus, randamentul de 242Pu este de câteva zeci de procente, iar 244Pu este o fracțiune de procent din conținutul de 242Pu. Cantități mici de plutoniu-238 izotopic pur se formează atunci când neptuniul-237 este iradiat cu neutroni. Izotopii ușori ai plutoniului cu numere de masă 232-237 sunt obținuți de obicei într-un ciclotron prin iradierea izotopilor de uraniu cu particule α.
A doua metodă de producție industrială a 239Pu utilizează procesul Purex, bazat pe extracția cu tributil fosfat într-un diluant ușor. În primul ciclu, Pu și U sunt purificați împreună din produsele de fisiune și apoi separați. În al doilea și al treilea ciclu, plutoniul este în continuare purificat și concentrat. Schema unui astfel de proces se bazează pe diferența dintre proprietățile compușilor tetra- și hexavalenți ai elementelor care sunt separate.
Inițial, barele de combustibil uzat sunt demontate, iar placarea care conține plutoniu și uraniu uzat este îndepărtată prin mijloace fizice și chimice. Apoi, combustibilul nuclear extras este dizolvat în acid azotic. La urma urmei, este un agent oxidant puternic atunci când este dizolvat, iar uraniul, plutoniul și impuritățile sunt oxidate. Atomii de plutoniu cu valență zero sunt transformați în Pu+6 și atât plutoniul, cât și uraniul sunt dizolvate. Dintr-o astfel de soluție, al nouăzeci și patrulea element este redus la starea trivalentă cu dioxid de sulf și apoi precipitat cu fluorură de lantan (LaF3).
Cu toate acestea, pe lângă plutoniu, sedimentul conține neptuniu și elemente de pământuri rare, dar cea mai mare parte (uraniul) rămâne în soluție. Apoi, plutoniul este din nou oxidat la Pu+6 și se adaugă din nou fluorură de lantan. Acum elementele pământurilor rare precipită, iar plutoniul rămâne în soluție. Apoi, neptuniul este oxidat în stare tetravalentă cu bromat de potasiu, deoarece acest reactiv nu are efect asupra plutoniului, apoi în timpul precipitării secundare cu aceeași fluorură de lantan, plutoniul trivalent trece într-un precipitat, iar neptuniul rămâne în soluție. Produșii finali ai unor astfel de operațiuni sunt compuși cu conținut de plutoniu - dioxid sau fluoruri de PuO2 (PuF3 sau PuF4), din care se obține plutoniu metalic (prin reducere cu vapori de bariu, calciu sau litiu).
Plutoniul mai pur poate fi obținut prin rafinarea electrolitică a metalului produs pirochimic, care se face în celule de electroliză la 700° C cu un electrolit de clorură de potasiu, sodiu și plutoniu folosind un catod de tungsten sau tantal. Plutoniul astfel obtinut are o puritate de 99,99%.
Pentru a produce cantități mari de plutoniu, se construiesc reactoare de reproducere, așa-numitele „crescători” (de la verbul englezesc to breed - a multiplica). Aceste reactoare și-au primit numele datorită capacității lor de a produce material fisionabil în cantități care depășesc costul de obținere a acestui material. Diferența dintre reactoarele de acest tip și altele este că neutronii din ele nu sunt încetiniți (nu există moderator, de exemplu, grafit) pentru ca cât mai mulți dintre ei să reacționeze cu 238U.
După reacție, se formează atomi de 239U, care ulterior formează 239Pu. Miezul unui astfel de reactor, care conține PuO2 în dioxid de uraniu sărăcit (UO2), este înconjurat de un înveliș de dioxid de uraniu sărăcit-238 (238UO2), în care se formează 239Pu. Utilizarea combinată a 238U și 235U permite „crescătorilor” să producă de 50-60 de ori mai multă energie din uraniu natural decât alte reactoare. Cu toate acestea, aceste reactoare au un mare dezavantaj - barele de combustibil trebuie să fie răcite printr-un alt mediu decât apa, ceea ce le reduce energia. Prin urmare, s-a decis să se utilizeze sodiu lichid ca lichid de răcire.
Construcția unor astfel de reactoare în Statele Unite ale Americii a început după sfârșitul celui de-al Doilea Război Mondial; URSS și Marea Britanie și-au început construcția abia în anii 1950.
Proprietăți fizice
Plutoniul este un metal argintiu foarte greu (densitate la nivel normal 19,84 g/cm³), într-o stare purificată foarte asemănătoare cu nichelul, dar în aer plutoniul se oxidează rapid, se estompează, formând o peliculă irizată, mai întâi galben deschis, apoi transformându-se în violet închis. . Când are loc o oxidare severă, pe suprafața metalului apare o pulbere de oxid verde măsline (PuO2).
Plutoniul este un metal foarte electronegativ și reactiv, de multe ori mai mult chiar decât uraniul. Are șapte modificări alotropice (α, β, γ, δ, δ", ε și ζ), care se modifică într-un anumit interval de temperatură și la un anumit interval de presiune. La temperatura camerei, plutoniul este în formă α - aceasta este cea mai comună modificare alotropică pentru plutoniu În faza alfa, plutoniul pur este fragil și destul de dur - această structură este aproximativ la fel de dură ca fonta cenușie, cu excepția cazului în care este aliată cu alte metale, ceea ce va da aliajului ductilitate și moliciune. în această formă cu cea mai mare densitate, plutoniul este al șaselea element cel mai dens (Numai osmiul, iridiul, platina, reniul și neptuniul sunt mai grele. Transformările alotropice ulterioare ale plutoniului sunt însoțite de modificări bruște ale densității. De exemplu, atunci când sunt încălzite de la 310 la 480 ° C , nu se dilată, ca și alte metale, ci se contractă (faze delta „ și „delta prim”) Când este topit (tranziție de la faza epsilon la faza lichidă), plutoniul se contractă și el, permițând plutoniului netopit să plutească.
Plutoniul are un număr mare de proprietăți neobișnuite: are cea mai scăzută conductivitate termică dintre toate metalele - la 300 K este de 6,7 W/(m K); plutoniul are cea mai scăzută conductivitate electrică; În faza sa lichidă, plutoniul este cel mai vâscos metal. Rezistivitatea celui de-al nouăzeci și patrulea element la temperatura camerei este foarte mare pentru un metal, iar această caracteristică va crește odată cu scăderea temperaturii, ceea ce nu este tipic pentru metale. Această „anomalie” poate fi urmărită până la o temperatură de 100 K - sub acest marcaj, rezistența electrică va scădea. Cu toate acestea, de la 20 K rezistența începe să crească din nou datorită activității de radiație a metalului.
Plutoniul are cea mai mare rezistivitate electrică dintre toate actinidele studiate (până în prezent), care este de 150 μΩ cm (la 22 °C). Acest metal are un punct de topire scăzut (640 °C) și un punct de fierbere neobișnuit de ridicat (3227 °C). Mai aproape de punctul de topire, plutoniul lichid are o vâscozitate și o tensiune superficială foarte ridicate în comparație cu alte metale.
Datorită radioactivității sale, plutoniul este cald la atingere. O bucată mare de plutoniu într-o carcasă termică este încălzită la o temperatură care depășește punctul de fierbere al apei! În plus, datorită radioactivității sale, plutoniul suferă modificări în rețeaua sa cristalină în timp - apare un fel de recoacere din cauza autoiradierii din cauza creșterii temperaturii peste 100 K.
Prezența unui număr mare de modificări alotrope în plutoniu face ca acesta să fie dificil de prelucrat și lansat din cauza tranzițiilor de fază. Știm deja că în forma alfa, al nouăzeci și patrulea element are proprietăți similare cu fonta, cu toate acestea, tinde să se schimbe și să se transforme într-un material ductil și să formeze o formă β maleabilă la intervale de temperatură mai ridicate. Plutoniul sub forma δ este de obicei stabil la temperaturi cuprinse între 310 °C și 452 °C, dar poate exista la temperatura camerei dacă este dopat cu procente mici de aluminiu, ceriu sau galiu. Atunci când este aliat cu aceste metale, plutoniul poate fi folosit la sudare. În general, forma deltă are caracteristici mai pronunțate ale unui metal - este aproape de aluminiu ca rezistență și forjabilitate.
Proprietăți chimice
Proprietățile chimice ale celui de-al nouăzeci și patrulea element sunt în multe privințe similare cu proprietățile predecesorilor săi din tabelul periodic - uraniu și neptuniu. Plutoniul este un metal destul de activ; formează compuși cu stări de oxidare de la +2 la +7. În soluții apoase, elementul prezintă următoarele stări de oxidare: Pu (III), ca Pu3+ (există în soluții apoase acide, are o culoare violet deschis); Pu (IV), ca Pu4+ (nuanta de ciocolata); Pu (V), ca PuO2+ (soluție ușoară); Pu (VI), ca PuO22+ (soluție portocalie deschis) și Pu(VII), ca PuO53- (soluție verde).
Mai mult, acești ioni (cu excepția PuO53-) pot fi simultan în echilibru în soluție, ceea ce se explică prin prezența electronilor 5f, care sunt localizați în zona localizată și delocalizată a orbitalului electronic. La pH 5-8, domină Pu(IV), care este cea mai stabilă dintre celelalte valențe (stări de oxidare). Ionii de plutoniu din toate stările de oxidare sunt predispuși la hidroliză și la formarea complexului. Capacitatea de a forma astfel de compuși crește în seria Pu5+
Plutoniul compact se oxidează lent în aer, devenind acoperit cu o peliculă de oxid irizată, uleioasă. Sunt cunoscuți următorii oxizi de plutoniu: PuO, Pu2O3, PuO2 și o fază de compoziție variabilă Pu2O3 - Pu4O7 (Berthollides). În prezența unor cantități mici de umiditate, rata de oxidare și coroziune crește semnificativ. Dacă un metal este expus la cantități mici de aer umed timp suficient, pe suprafața sa se formează dioxid de plutoniu (PuO2). Cu o lipsă de oxigen, se poate forma și dihidrida sa (PuH2). În mod surprinzător, plutoniul ruginește mult mai repede într-o atmosferă de gaz inert (cum ar fi argonul) cu vapori de apă decât în aer uscat sau oxigen pur. De fapt, acest fapt este ușor de explicat - acțiunea directă a oxigenului formează un strat de oxid pe suprafața plutoniului, care împiedică oxidarea ulterioară; prezența umidității produce un amestec liber de oxid și hidrură. Apropo, datorită acestei acoperiri, metalul devine piroforic, adică este capabil de ardere spontană; din acest motiv, plutoniul metalic este de obicei prelucrat într-o atmosferă inertă de argon sau azot. În același timp, oxigenul este o substanță protectoare și împiedică umiditatea să afecteze metalul.
Al nouăzeci și patrulea element reacționează cu acizii, oxigenul și vaporii acestora, dar nu și cu alcalii. Plutoniul este foarte solubil numai în medii foarte acide (de exemplu, acid clorhidric HCl) și este, de asemenea, solubil în acid clorhidric, iodură de hidrogen, bromură de hidrogen, acid percloric 72%, acid ortofosforic 85% H3PO4, CCl3COOH concentrat, acid sulfamic și fierbere. acid azotic concentrat. Plutoniul nu se dizolvă vizibil în soluții alcaline.
Când soluțiile care conțin plutoniu tetravalent sunt expuse la alcalii, un precipitat de hidroxid de plutoniu Pu(OH)4 xH2O, care are proprietăți bazice, precipită. Când soluțiile de săruri care conțin PuO2+ sunt expuse la alcalii, hidroxidul amfoter PuO2OH precipită. Acesta este răspuns de săruri - plutonite, de exemplu, Na2Pu2O6.
Sărurile de plutoniu se hidrolizează ușor la contactul cu soluții neutre sau alcaline, creând hidroxid de plutoniu insolubil. Soluțiile concentrate de plutoniu sunt instabile din cauza descompunerii radiolitice care duce la precipitații.
(Pu) este un metal radioactiv alb-argintiu din grupa actinidelor, cald la atingere (datorită radioactivității sale. Găsit în mod natural în cantități foarte mici în smoală de uranit și alte minereuri de uraniu și ceriu, cantități semnificative sunt produse artificial. Aproximativ 5 tone de plutoniu au fost eliberate în atmosferă în urma testelor nucleare.Poveste
Descoperit în 1940 de Glenn Seaborg, Edwin McMillan, Kennedy și Arthur Wahl în 1940 la Berkeley (SUA) în timpul bombardării unei ținte de uraniu cu deuteroni accelerați într-un ciclotron.
originea numelui
Plutoniul a primit numele planetei Pluto, deoarece elementul chimic descoperit anterior a fost numit Neptunium.
Chitanță
Plutoniul este produs în reactoare nucleare.
Izotopul 238 U, care constituie cea mai mare parte a uraniului natural, nu este foarte potrivit pentru fisiune. Pentru reactoarele nucleare, uraniul este ușor îmbogățit, dar ponderea de 235 U în combustibilul nuclear rămâne mică (aproximativ 5%). Partea principală din barele de combustibil este 238 U. În timpul funcționării unui reactor nuclear, o parte din nucleele de 238 U captează neutroni și se transformă în 239 Pu, care poate fi ulterior izolat.
Este destul de dificil să izolați plutoniul printre produșii reacțiilor nucleare, deoarece plutoniul (cum ar fi uraniul, toriu, neptuniul) aparține actinidelor care sunt foarte asemănătoare ca proprietăți chimice. Sarcina este complicată de faptul că printre produsele de descompunere au conținut elemente de pământ rare, ale căror proprietăți chimice sunt, de asemenea, similare cu plutoniul. Se folosesc metode radiochimice tradiționale – precipitare, extracție, schimb ionic etc. Produsul final al acestei tehnologii în mai multe etape sunt oxizii de plutoniu PuO 2 sau fluorurile (PuF 3, PuF 4).
Plutoniul este extras prin metoda metalotermiei (reducerea metalelor active din oxizi și săruri în vid):
PuF4 +2 Ba = 2BaF2 + Pu
Izotopi
Sunt cunoscuți mai mult de o duzină de izotopi ai plutoniului, toți sunt radioactivi.
Cel mai important izotop 239 Pu, capabile de fisiune nucleară și reacții nucleare în lanț. Este singurul izotop potrivit pentru utilizarea în arme nucleare. Are caracteristici de absorbție și împrăștiere a neutronilor mai bune decât uraniul-235, numărul de neutroni pe fisiune (aproximativ 3 față de 2,3) și, în consecință, o masă critică mai mică. Timpul său de înjumătățire este de aproximativ 24 de mii de ani. Alți izotopi ai plutoniului sunt considerați în primul rând din punctul de vedere al nocivității lor pentru utilizarea primară (arme).
Izotop 238 Pu are o radioactivitate alfa puternică și, în consecință, o generare semnificativă de căldură (567 W/kg). Acest lucru este problematic pentru utilizarea în arme nucleare, dar are aplicații în bateriile nucleare. Aproape toate navele spațiale care au zburat dincolo de orbita lui Marte au reactoare cu radioizotopi care utilizează 238 Pu. În plutoniu din reactor, proporția acestui izotop este foarte mică.
Izotop 240 Pu este principalul contaminant al plutoniului de calitate pentru arme. Are o rată ridicată de descompunere spontană și creează un fundal neutronic ridicat, ceea ce complică semnificativ detonarea sarcinilor nucleare. Se crede că ponderea sa în arme nu ar trebui să depășească 7%.
241 Pu are un fond de neutroni scăzut și o emisie termică moderată. Cota sa este puțin mai mică de 1% și nu afectează proprietățile plutoniului de calitate pentru arme. Cu toate acestea, cu timpul său de înjumătățire, 1914 se transformă în americiu-241, care generează multă căldură, ceea ce poate crea o problemă cu supraîncălzirea încărcărilor.
242 Pu are o secțiune transversală foarte mică pentru reacția de captare a neutronilor și se acumulează în reactoare nucleare, deși în cantități foarte mici (sub 0,1%). Nu afectează proprietățile plutoniului de calitate pentru arme. Este folosit în principal pentru reacții nucleare ulterioare în sinteza elementelor transplutoniului: neutronii termici nu provoacă fisiune nucleară, astfel încât orice cantități din acest izotop pot fi iradiate cu fluxuri puternice de neutroni.
Alți izotopi ai plutoniului sunt extrem de rari și nu au niciun efect asupra fabricării armelor nucleare. Izotopii grei se formează în cantități foarte mici, au o durată de viață scurtă (mai puțin de câteva zile sau ore) și, prin dezintegrare beta, sunt transformați în izotopii corespunzători ai americiului. Printre acestea se remarcă 244 Pu– timpul său de înjumătățire este de aproximativ 82 de milioane de ani. Este cel mai izotop dintre toate elementele transuraniu.
Aplicație
La sfârșitul anului 1995, lumea producea aproximativ 1.270 de tone de plutoniu, dintre care 257 de tone erau pentru uz militar, pentru care este potrivit doar izotopul 239 Pu. Este posibil să se folosească 239 Pu ca combustibil în reactoarele nucleare, dar este inferior uraniului din punct de vedere economic. Costul reprocesării combustibilului nuclear pentru extragerea plutoniului este mult mai mare decât costul uraniului slab îmbogățit (~5% 235 U). Doar Japonia are un program pentru utilizarea energetică a plutoniului.
Modificări alotropice
În formă solidă, plutoniul are șapte modificări alotropice (cu toate acestea, fazele ? și ? 1 sunt uneori combinate și considerate o singură fază). La temperatura camerei, plutoniul este o structură cristalină numită ?-fază. Atomii sunt legați printr-o legătură covalentă (în loc de o legătură metalică), astfel încât proprietățile fizice sunt mai apropiate de minerale decât de metale. Este un material dur, casant, care se rupe în anumite direcții. Are conductivitate termică scăzută între toate metalele, conductivitate electrică scăzută, cu excepția manganului. Faza a nu poate fi procesată folosind tehnologii metalice convenționale.
Când temperatura se schimbă, plutoniul suferă o restructurare și suferă modificări extrem de puternice. Unele tranziții între faze sunt însoțite de schimbări pur și simplu uimitoare ale volumului. În două dintre aceste faze (? și?1) plutoniul are o proprietate unică - un coeficient de dilatare negativ al temperaturii, adică. se contractă odată cu creșterea temperaturii.
În fazele gamma și delta, plutoniul prezintă proprietățile obișnuite ale metalelor, în special maleabilitatea. Cu toate acestea, în faza deltă, plutoniul prezintă instabilitate. Sub o presiune ușoară, încearcă să se stabilească într-o fază alfa densă (25%). Această proprietate este utilizată în dispozitivele de implozie ale armelor nucleare.
În plutoniu pur la presiuni de peste 1 kilobar, faza delta nu există deloc. La presiuni de peste 30 kilobari, există doar fazele alfa și beta.
Metalurgia plutoniului
Plutoniul poate fi stabilizat în faza delta la presiune normală și temperatura camerei prin formarea unui aliaj cu metale trivalente precum galiu, aluminiu, ceriu, indiu într-o concentrație de câteva procente molare. În această formă, plutoniul este folosit în armele nucleare.
Plutoniu armat
Pentru a produce arme nucleare, este necesar să se obțină o puritate a izotopului dorit (235 U sau 239 Pu) de peste 90%. Crearea încărcărilor din uraniu necesită mai multe etape de îmbogățire (deoarece proporția de 235 U în uraniul natural este mai mică de 1%), în timp ce proporția de 239 Pu în plutoniul din reactor este de obicei de la 50% la 80% (adică de aproape 100 de ori mai mult). Și în unele moduri de funcționare a reactoarelor este posibil să se obțină plutoniu care conține mai mult de 90% 239 Pu - un astfel de plutoniu nu necesită îmbogățire și poate fi utilizat direct pentru fabricarea armelor nucleare.
Rolul biologic
Plutoniul este una dintre cele mai toxice substanțe cunoscute. Toxicitatea plutoniului se datorează nu atât proprietăților sale chimice (deși plutoniul este poate la fel de toxic ca orice metal greu), ci mai degrabă radioactivității sale alfa. Particulele alfa sunt reținute chiar și de straturi subțiri de materiale sau țesături. Să zicem, câțiva milimetri de piele își vor absorbi complet fluxul, protejând organele interne. Dar particulele alfa sunt extrem de dăunătoare țesuturilor cu care intră în contact. Deci, plutoniul prezintă un pericol grav dacă pătrunde în organism. Este foarte slab absorbit în tractul gastrointestinal, chiar dacă ajunge acolo sub formă solubilă. Dar ingerarea a jumătate de gram de plutoniu poate duce la moarte în câteva săptămâni din cauza expunerii acute a tractului digestiv.
Inhalarea unei zecimi de gram de praf de plutoniu duce la moartea din cauza edemului pulmonar în zece zile. Inhalarea unei doze de 20 mg duce la deces din cauza fibrozei într-o lună. Dozele mai mici provoacă un efect cancerigen. Ingestia a 1 mcg de plutoniu crește probabilitatea de cancer pulmonar cu 1%. Prin urmare, 100 de micrograme de plutoniu în organism aproape garantează dezvoltarea cancerului (în decurs de zece ani, deși leziunile tisulare pot apărea mai devreme).
În sistemele biologice, plutoniul este de obicei în starea de oxidare +4 și prezintă asemănări cu fierul. Odată ajuns în sânge, cel mai probabil se va concentra în țesuturile care conțin fier: măduvă osoasă, ficat, splină. Dacă chiar și 1-2 micrograme de plutoniu se instalează în măduva osoasă, imunitatea se va deteriora semnificativ. Perioada de îndepărtare a plutoniului din țesutul osos este de 80-100 de ani, adică. el va rămâne acolo practic toată viața.
Comisia Internațională pentru Protecție Radiologică a stabilit consumul maxim anual de plutoniu la 280 de nanograme.
Acest metal este numit prețios, dar nu pentru frumusețea sa, ci pentru caracterul de neînlocuit. În tabelul periodic al lui Mendeleev, acest element ocupă celula numărul 94. Cu el oamenii de știință își pun cele mai mari speranțe și plutoniul îl numesc cel mai periculos metal pentru umanitate.
Plutoniu: descriere
În aparență, este un metal alb-argintiu. Este radioactiv și poate fi reprezentat sub formă de 15 izotopi cu timpi de înjumătățire diferit, de exemplu:
- Pu-238 – aproximativ 90 de ani
- Pu-239 – aproximativ 24 de mii de ani
- Pu-240 – 6580 ani
- Pu-241 – 14 ani
- Pu-242 – 370 mii ani
- Pu-244 – aproximativ 80 de milioane de ani
Acest metal nu poate fi extras din minereu, deoarece este un produs al transformării radioactive a uraniului.
Cum se obține plutoniul?
Producția de plutoniu necesită fisiunea uraniului, care se poate face doar în reactoare nucleare. Dacă vorbim despre prezența elementului Pu în scoarța terestră, atunci pentru 4 milioane de tone de minereu de uraniu va exista doar 1 gram de plutoniu pur. Și acest gram se formează prin captarea naturală a neutronilor de către nucleele de uraniu. Astfel, pentru a obține acest combustibil nuclear (de obicei izotopul 239-Pu) într-o cantitate de câteva kilograme, este necesară realizarea unui proces tehnologic complex într-un reactor nuclear.
Proprietățile plutoniului
Plutoniul metal radioactiv are următoarele proprietăți fizice:
- densitate 19,8 g/cm3
- punctul de topire – 641°C
- punctul de fierbere – 3232°C
- conductivitate termică (la 300 K) – 6,74 W/(m K)
Plutoniul este radioactiv, motiv pentru care este cald la atingere. Mai mult, acest metal se caracterizează prin cea mai scăzută conductivitate termică și electrică. Plutoniul lichid este cel mai vâscos dintre toate metalele existente.
Cea mai mică modificare a temperaturii plutoniului duce la o schimbare instantanee a densității substanței. În general, masa plutoniului este în continuă schimbare, deoarece nucleele acestui metal sunt într-o stare de fisiune constantă în nuclee mai mici și neutroni. Masa critică a plutoniului este numele dat masei minime a unei substanțe fisionabile la care fisiunea (o reacție nucleară în lanț) rămâne posibilă. De exemplu, masa critică a plutoniului de calitate pentru arme este de 11 kg (pentru comparație, masa critică a uraniului foarte îmbogățit este de 52 kg).
Uraniul și plutoniul sunt principalii combustibili nucleari. Pentru a obține plutoniu în cantități mari, se folosesc două tehnologii:
- iradierea cu uraniu
- iradierea elementelor transuraniu obținute din combustibilul uzat
Ambele metode presupun separarea plutoniului și uraniului ca rezultat al unei reacții chimice.
Pentru a obține plutoniu-238 pur, se utilizează iradierea cu neutroni a neptuniului-237. Același izotop este implicat în crearea plutoniului-239 de calitate pentru arme; în special, este un produs de degradare intermediară. 1 milion de dolari este prețul pentru 1 kg de plutoniu-238.
Chimie
Plutoniul Pu - elementul nr. 94 este asociat cu speranțe foarte mari și temeri foarte mari față de umanitate. În zilele noastre este unul dintre cele mai importante, importante elemente strategice. Este cel mai scump dintre metalele importante din punct de vedere tehnic - este mult mai scump decât argintul, aurul și platina. El este cu adevărat prețios.
Context și istorie
La început au existat protoni - hidrogen galactic. Ca urmare a comprimării sale și a reacțiilor nucleare ulterioare, s-au format cele mai incredibile „lingouri” de nucleoni. Printre ei, aceste „lingouri”, se pare că erau cele care conțineau 94 de protoni. Estimările teoreticienilor sugerează că aproximativ 100 de formațiuni de nucleoni, care includ 94 de protoni și de la 107 la 206 neutroni, sunt atât de stabile încât pot fi considerate nucleele izotopilor elementului nr. 94.
Dar toți acești izotopi – ipotetici și reali – nu sunt atât de stabili încât să supraviețuiască până în zilele noastre de la formarea elementelor sistemului solar. Timpul de înjumătățire al celui mai lung izotop al elementului nr. 94 este de 81 de milioane de ani. Vârsta galaxiei este măsurată în miliarde de ani. În consecință, plutoniul „primordial” nu a avut nicio șansă de a supraviețui până în prezent. Dacă s-a format în timpul marii sinteze a elementelor Universului, atunci acei atomi străvechi ai lui au „dispărut” cu mult timp în urmă, la fel cum dinozaurii și mamuții au dispărut.
În secolul al XX-lea noua era, AD, acest element a fost recreat. Din cei 100 posibili de izotopi ai plutoniului au fost sintetizați 25. Au fost studiate proprietățile nucleare a 15 dintre ei. Patru au găsit aplicație practică. Și a fost deschis destul de recent. În decembrie 1940, când uraniul a fost iradiat cu nuclee grele de hidrogen, un grup de radiochimiști americani condus de Glenn T. Seaborg a descoperit un emițător de particule alfa necunoscut anterior, cu un timp de înjumătățire de 90 de ani. Acest emițător s-a dovedit a fi izotopul elementului nr. 94 cu un număr de masă de 238. În același an, dar cu câteva luni mai devreme, E.M. McMillan și F. Abelson au obținut primul element mai greu decât uraniul, elementul numărul 93. Acest element a fost numit neptunium, iar elementul 94 a fost numit plutoniu. Istoricul va spune cu siguranță că aceste nume își au originea în mitologia romană, dar, în esență, originea acestor nume nu este mai degrabă mitologică, ci astronomică.
Elementele nr. 92 și 93 poartă numele planetelor îndepărtate ale sistemului solar - Uranus și Neptun, dar Neptun nu este ultimul din sistemul solar, chiar mai departe se află orbita lui Pluto - o planetă despre care încă nu se știe aproape nimic. .. O construcție similară Vedem și pe „flancul stâng” al tabelului periodic: uraniu - neptunium - plutoniu, totuși, omenirea știe mult mai multe despre plutoniu decât despre Pluto. Apropo, astronomii l-au descoperit pe Pluto cu doar zece ani înainte de sinteza plutoniului - aproape aceeași perioadă de timp a separat descoperirile lui Uranus - planeta și uraniul - elementul.
Ghicitori pentru criptografi
Primul izotop al elementului nr. 94, plutoniul-238, și-a găsit aplicație practică în zilele noastre. Dar la începutul anilor 40 nici măcar nu s-au gândit la asta. Este posibil să obțineți plutoniu-238 în cantități de interes practic doar bazându-vă pe puternica industrie nucleară. Pe vremea aceea era abia la început. Dar era deja clar că prin eliberarea energiei conținute în nucleele elementelor radioactive grele, se putea obține arme de o putere fără precedent. A apărut Proiectul Manhattan, care nu avea altceva decât un nume în comun cu celebra zonă New York. Acesta a fost numele general pentru toate lucrările legate de crearea primelor bombe atomice din Statele Unite. Nu a fost un om de știință, ci un militar, generalul Groves, care a fost numit șef al Proiectului Manhattan, care și-a numit „afecționat” acuzațiile înalt educate „oale sparte”.
Liderii „proiectului” nu erau interesați de plutoniu-238. Nucleele sale, la fel ca nucleele tuturor izotopilor de plutoniu cu numere de masă par, nu sunt fisionabile de neutroni de joasă energie, așa că nu ar putea servi ca explozibil nuclear. Cu toate acestea, primele rapoarte nu foarte clare despre elementele nr. 93 și 94 au apărut tipărite abia în primăvara anului 1942.
Cum putem explica asta? Fizicienii au înțeles: sinteza izotopilor de plutoniu cu numere de masă impare a fost o chestiune de timp și nu prea lungă. Se aștepta ca izotopi ciudați, precum uraniul-235, să poată susține o reacție nucleară în lanț. Unii oameni le-au văzut ca potențiali explozivi nucleari, care nu fuseseră încă primiți. Și aceste speranțe plutoniu, din păcate, a justificat-o.
În criptarea de atunci, elementul nr. 94 nu se numea nimic mai mult decât... cupru. Și când a apărut nevoia de cupru în sine (ca material structural pentru unele părți), atunci în coduri, împreună cu „cuprul”, a apărut „cuprul autentic”.
„Arborele cunoașterii binelui și răului”
În 1941, a fost descoperit cel mai important izotop al plutoniului - un izotop cu număr de masă 239. Și aproape imediat s-a confirmat predicția teoreticienilor: nucleele de plutoniu-239 au fost fisionate de neutroni termici. Mai mult, în timpul fisiunii lor, s-a produs nu mai puțin număr de neutroni decât în timpul fisiunii uraniului-235. Au fost imediat schițate modalități de obținere a acestui izotop în cantități mari...
Au trecut anii. Acum nu este un secret pentru nimeni că bombele nucleare stocate în arsenale sunt pline cu plutoniu-239 și că aceste bombe sunt suficiente pentru a provoca daune ireparabile întregii vieți de pe Pământ.
Există o credință larg răspândită că omenirea s-a grăbit în mod clar cu descoperirea reacției nucleare în lanț (a cărei consecință inevitabilă a fost crearea unei bombe nucleare). Poți să gândești diferit sau să te prefaci că gândești diferit - este mai plăcut să fii optimist. Dar chiar și optimiștii se confruntă inevitabil cu problema responsabilității oamenilor de știință. Ne amintim de ziua triumfală de iunie a anului 1954, ziua în care prima centrală nucleară din Obninsk a pornit. Dar nu putem uita dimineața lui august 1945 - „dimineața de la Hiroshima”, „ziua neagră a lui Albert Einstein”... Ne amintim de primii ani postbelici și șantajul atomic rampant - baza politicii americane în acei ani. . Dar nu a trecut omenirea multe necazuri în anii următori? Mai mult, aceste anxietăți au fost intensificate de multe ori de conștiința că, dacă ar izbucni un nou război mondial, ar fi folosit arme nucleare.
Aici puteți încerca să demonstrați că descoperirea plutoniului nu a adăugat teamă omenirii, că, dimpotrivă, a fost doar util.
Să spunem că s-a întâmplat ca dintr-un motiv oarecare sau, așa cum se spunea pe vremuri, prin voia lui Dumnezeu, plutoniul să fie inaccesibil oamenilor de știință. S-ar reduce atunci temerile și preocupările noastre? Nu s-a intamplat nimic. Bombele nucleare ar fi făcute din uraniu-235 (și în nu mai puțină cantitate decât din plutoniu), iar aceste bombe ar „mânca” părți și mai mari din buget decât acum.
Dar fără plutoniu nu ar exista perspective de utilizare pașnică a energiei nucleare la scară largă. Pur și simplu nu ar fi suficient uraniu-235 pentru un „atomul pașnic”. Răul provocat omenirii de descoperirea energiei nucleare nu ar fi echilibrat, nici măcar parțial, de realizările „atomului bun”.
Cum să măsori, cu ce să compari
Când un nucleu de plutoniu-239 este divizat de neutroni în două fragmente de masă aproximativ egală, se eliberează aproximativ 200 MeV de energie. Aceasta este de 50 de milioane de ori mai multă energie eliberată în cea mai cunoscută reacție exotermă C + O 2 = CO 2. „Arzând” într-un reactor nuclear, un gram de plutoniu dă 2.107 kcal. Pentru a nu încălca tradiția (și în articolele populare, energia combustibilului nuclear este de obicei măsurată în unități nesistemice - tone de cărbune, benzină, trinitrotoluen etc.), remarcăm și: aceasta este energia conținută în 4 tone. de cărbune. Și un degetar obișnuit conține o cantitate de plutoniu echivalentă energetic cu patruzeci de mașini de lemn de foc bun de mesteacăn.
Aceeași energie este eliberată în timpul fisiunii nucleelor de uraniu-235 de către neutroni. Dar cea mai mare parte a uraniului natural (99,3%!) este izotopul 238 U, care poate fi folosit doar prin transformarea uraniului în plutoniu...
Energia pietrelor
Să evaluăm resursele energetice conținute în rezervele naturale de uraniu.
Uraniul este un oligoelement și se găsește aproape peste tot. Oricine a vizitat, de exemplu, Karelia, își va aminti probabil bolovani de granit și stâncile de coastă. Dar puțini oameni știu că o tonă de granit conține până la 25 g de uraniu. Granitele reprezintă aproape 20% din greutatea scoarței terestre. Dacă numărăm doar uraniul-235, atunci o tonă de granit conține 3,5-105 kcal de energie. Este mult, dar...
Prelucrarea granitului și extragerea uraniului din acesta necesită cheltuirea unei cantități și mai mari de energie - aproximativ 106-107 kcal/t. Acum, dacă ar fi posibil să se folosească nu numai uraniul-235, ci și uraniul-238 ca sursă de energie, atunci granitul ar putea fi considerat cel puțin ca o materie primă energetică potențială. Atunci energia obținută dintr-o tonă de piatră ar fi de la 8-107 la 5-108 kcal. Acest lucru este echivalent cu 16-100 de tone de cărbune. Și în acest caz, granitul ar putea oferi oamenilor aproape de un milion de ori mai multă energie decât toate rezervele de combustibil chimic de pe Pământ.
Dar nucleele de uraniu-238 nu se fisiunea de neutroni. Acest izotop este inutil pentru energia nucleară. Mai exact, ar fi inutil dacă nu ar putea fi convertit în plutoniu-239. Și ceea ce este deosebit de important: practic nu trebuie cheltuită energie pentru această transformare nucleară - dimpotrivă, în acest proces se produce energie!
Să încercăm să ne dăm seama cum se întâmplă acest lucru, dar mai întâi câteva cuvinte despre plutoniul natural.
De 400 de mii de ori mai puțin decât radiul
S-a spus deja că izotopii plutoniului nu s-au păstrat de la sinteza elementelor în timpul formării planetei noastre. Dar asta nu înseamnă că nu există plutoniu pe Pământ.
Se formează tot timpul în minereurile de uraniu. Prin captarea neutronilor din radiațiile cosmice și a neutronilor produși prin fisiunea spontană a nucleelor de uraniu-238, unii - foarte puțini - atomi ai acestui izotop se transformă în atomi de uraniu-239. Aceste nuclee sunt foarte instabile, emit electroni și, prin urmare, își măresc sarcina. Se formează neptuniul, primul element transuraniu. Neptunium-239 este, de asemenea, foarte instabil, iar nucleele sale emit electroni. În doar 56 de ore, jumătate din neptunium-239 se transformă în plutoniu-239, al cărui timp de înjumătățire este deja destul de lung - 24 de mii de ani.
De ce nu se extrage plutoniul din minereurile de uraniu?? Concentrație scăzută, prea scăzută. „Producție pe gram - forță de muncă pe an” - este vorba despre radiu, iar plutoniul din minereuri este de 400 de mii de ori mai puțin decât radiu. Prin urmare, este extrem de dificil nu numai să extragi, ci chiar să detectezi plutoniul „terestre”. Acest lucru a fost făcut numai după ce au fost studiate proprietățile fizice și chimice ale plutoniului produs în reactoarele nucleare.
Plutoniul se acumulează în reactoarele nucleare. În fluxurile puternice de neutroni, are loc aceeași reacție ca și în minereurile de uraniu, dar rata de formare și acumulare a plutoniului în reactor este mult mai mare - de un miliard de miliard de ori. Pentru reacția de transformare a uraniului de balast-238 în plutoniu de calitate energetică-239, sunt create condiții optime (în limita acceptabile).
Dacă reactorul funcționează pe neutroni termici (amintim că viteza lor este de aproximativ 2000 m pe secundă, iar energia lor este o fracțiune de electronvolt), atunci dintr-un amestec natural de izotopi de uraniu se obține o cantitate de plutoniu care este puțin mai mică decât cantitatea de uraniu „ars”-235. Puțin, dar mai puțin, plus pierderile inevitabile de plutoniu în timpul separării sale chimice de uraniul iradiat. În plus, reacția nucleară în lanț este menținută în amestecul natural de izotopi de uraniu numai până când se consumă o mică fracțiune de uraniu-235. De aici concluzia logică: un reactor „termic” care utilizează uraniu natural - principalul tip de reactoare care funcționează în prezent - nu poate asigura reproducerea extinsă a combustibilului nuclear. Dar ce promite atunci? Pentru a răspunde la această întrebare, să comparăm cursul reacției nucleare în lanț în uraniu-235 și plutoniu-239 și să introducem un alt concept fizic în discuțiile noastre.
Cea mai importantă caracteristică a oricărui combustibil nuclear este numărul mediu de neutroni emiși după ce nucleul a capturat un neutron. Fizicienii îl numesc numărul eta și îl notează cu litera greacă q. În reactoarele „termice” pe uraniu, se observă următorul model: fiecare neutron generează în medie 2,08 neutroni (η = 2,08). Plutoniul plasat într-un astfel de reactor sub influența neutronilor termici dă η = 2,03. Dar există și reactoare care funcționează pe neutroni rapizi. Este inutil să încărcați un amestec natural de izotopi de uraniu într-un astfel de reactor: nu va avea loc o reacție în lanț. Dar dacă „materia primă” este îmbogățită cu uraniu-235, aceasta poate fi dezvoltată într-un reactor „rapid”. În acest caz, c va fi deja egal cu 2,23. Iar plutoniul, expus focului de neutroni rapid, va da η egal cu 2,70. Vom avea la dispoziție „în plus o jumătate de neutron”. Și asta nu este deloc puțin.
Să vedem pe ce sunt cheltuiți neutronii rezultați. În orice reactor, un neutron este necesar pentru a menține o reacție nucleară în lanț. 0,1 neutroni sunt absorbiți de materialele de construcție ale instalației. „Excesul” este folosit pentru a acumula plutoniu-239. Într-un caz, „excesul” este 1,13, în celălalt este 1,60. După „arderea” unui kilogram de plutoniu într-un reactor „rapid”, se eliberează energie colosală și se acumulează 1,6 kg de plutoniu. Iar uraniul dintr-un reactor „rapid” va furniza aceeași energie și 1,1 kg de combustibil nuclear nou. În ambele cazuri, reproducerea extinsă este evidentă. Dar nu trebuie să uităm de economie.
Din mai multe motive tehnice, ciclul de reproducere a plutoniului durează câțiva ani. Să zicem cinci ani. Aceasta înseamnă că cantitatea de plutoniu pe an va crește doar cu 2% dacă η=2,23, și cu 12% dacă η=2,7! Combustibilul nuclear este capital și orice capital ar trebui să producă, să zicem, 5% pe an. În primul caz există pierderi mari, iar în al doilea sunt profituri mari. Acest exemplu primitiv ilustrează „greutatea” fiecărei zecimi dintr-un număr în energia nucleară.
Altceva este, de asemenea, important. Energia nucleară trebuie să țină pasul cu cererea de energie în creștere. Calculele arată că condiția lui este îndeplinită în viitor doar când η se apropie de trei. Dacă dezvoltarea surselor de energie nucleară rămâne în urmă față de nevoile de energie ale societății, atunci vor mai rămâne două opțiuni: fie „încetinirea progresului”, fie preluarea energiei din alte surse. Sunt cunoscute: fuziunea termonucleară, energia de anihilare a materiei și antimateriei, dar nu sunt încă accesibile din punct de vedere tehnic. Și nu se știe când vor deveni adevărate surse de energie pentru umanitate. Iar energia nucleelor grele a devenit de mult o realitate pentru noi, iar astăzi plutoniul, ca principal „furnizor” de energie atomică, nu are concurenți serioși, cu excepția, poate, uraniu-233.
Suma multor tehnologii
Când, ca urmare a reacțiilor nucleare, cantitatea necesară de plutoniu s-a acumulat în uraniu, acesta trebuie separat nu numai de uraniul în sine, ci și de fragmentele de fisiune - atât uraniu, cât și plutoniu, arse în reacția nucleară în lanț. În plus, masa de uraniu-plutoniu conține și o anumită cantitate de neptuniu. Cele mai dificile lucruri de separat sunt plutoniul de neptuniu și elementele pământurilor rare (lantanide). Plutoniul, ca element chimic, a avut ghinion într-o oarecare măsură. Din punctul de vedere al unui chimist, elementul principal al energiei nucleare este doar unul dintre cele paisprezece actinide. La fel ca elementele pământurilor rare, toate elementele seriei actiniului sunt foarte asemănătoare între ele în proprietăți chimice; structura învelișurilor de electroni exterioare ale atomilor tuturor elementelor de la actiniu la 103 este aceeași. Ceea ce este și mai neplăcut este că proprietățile chimice ale actinidelor sunt similare cu proprietățile elementelor pământurilor rare, iar printre fragmentele de fisiune de uraniu și plutoniu există mai mult decât suficiente lantanide. Dar apoi elementul 94 poate fi în cinci stări de valență, iar acest lucru „îndulcește pastila” - ajută la separarea plutoniului atât de uraniu, cât și de fragmentele de fisiune.
Valența plutoniului variază de la trei la șapte. Din punct de vedere chimic, cei mai stabili (și, prin urmare, cei mai comuni și mai studiați) compuși sunt plutoniul tetravalent.
Separarea actinidelor cu proprietăți chimice similare - uraniu, neptunium și plutoniu - se poate baza pe diferența dintre proprietățile compușilor lor tetra- și hexavalenți.
Nu este nevoie să descriem în detaliu toate etapele separării chimice a plutoniului și uraniului. De obicei, separarea lor începe cu dizolvarea barelor de uraniu în acid azotic, după care uraniul, neptuniul, plutoniul și elementele de fragmentare conținute în soluție sunt „separate”, folosind metode radiochimice tradiționale pentru aceasta - precipitare, extracție, schimb ionic și altele. . Produsele finali care conțin plutoniu ale acestei tehnologii în mai multe etape sunt dioxidul său PuO 2 sau fluorurile - PuF 3 sau PuF 4. Ele sunt reduse la metal cu vapori de bariu, calciu sau litiu. Cu toate acestea, plutoniul obținut în aceste procese nu este potrivit pentru rolul de material structural - elementele combustibile ale reactoarelor nucleare nu pot fi fabricate din acesta și încărcarea unei bombe atomice nu poate fi turnată. De ce? Punctul de topire al plutoniului - doar 640°C - este destul de realizabil.
Indiferent de condițiile „ultra-blande” folosite pentru turnarea pieselor din plutoniu pur, fisurile vor apărea întotdeauna în piese turnate în timpul solidificării. La 640°C, plutoniul care se solidifică formează o rețea cristalină cubică. Pe măsură ce temperatura scade, densitatea metalului crește treptat. Dar apoi temperatura a ajuns la 480°C, iar apoi brusc densitatea plutoniului scade brusc. Motivele acestei anomalii au fost descoperite destul de repede: la această temperatură, atomii de plutoniu sunt rearanjați în rețeaua cristalină. Devine tetragonală și foarte „laxă”. Un astfel de plutoniu poate pluti în propria sa topire, ca gheața pe apă.
Temperatura continuă să scadă, acum a ajuns la 451°C, iar atomii au format din nou o rețea cubică, dar situată la o distanță mai mare unul de celălalt decât în primul caz. Odată cu răcirea ulterioară, rețeaua devine mai întâi ortorombic, apoi monoclinic. În total, plutoniul formează șase forme cristaline diferite! Două dintre ele se disting printr-o proprietate remarcabilă - un coeficient negativ de dilatare termică: odată cu creșterea temperaturii, metalul nu se extinde, ci se contractă.
Când temperatura atinge 122°C și atomii de plutoniu își rearanjează rândurile pentru a șasea oară, densitatea se modifică în mod deosebit dramatic - de la 17,77 la 19,82 g/cm 3 . Mai mult de 10%!
În consecință, volumul lingoului scade. Dacă metalul ar putea rezista încă solicitărilor care au apărut la alte tranziții, atunci în acest moment distrugerea este inevitabilă.
Cum să faci piese din acest metal uimitor? Metalurgiștii aliază plutoniu (adăugându-i cantități mici din elementele necesare) și obțin piese turnate fără o singură fisură. Sunt folosite pentru a produce încărcături de plutoniu pentru bombe nucleare. Greutatea sarcinii (este determinată în primul rând de masa critică a izotopului) este de 5-6 kg. S-ar putea încadra cu ușurință într-un cub cu o dimensiune a muchiei de 10 cm.
Izotopi grei ai plutoniului
Plutoniul-239 conține și în cantități mici izotopi mai mari ai acestui element - cu numerele de masă 240 și 241. Izotopul 240 Pu este practic inutil - este balast în plutoniu. Din 241 se obține americiu - elementul nr. 95. În forma sa pură, fără amestec de alți izotopi, plutoniul-240 și plutoniul-241 pot fi obținute prin separarea electromagnetică a plutoniului acumulat în reactor. Înainte de aceasta, plutoniul este iradiat suplimentar cu fluxuri de neutroni cu caracteristici strict definite. Desigur, toate acestea sunt foarte complicate, mai ales că plutoniul nu este doar radioactiv, ci și foarte toxic. Lucrul cu acesta necesită prudență extremă.
Unul dintre cei mai interesanți izotopi ai plutoniului, 242 Pu, poate fi obținut prin iradierea mult timp a 239 Pu în fluxuri de neutroni. 242 Pu captează foarte rar neutroni și, prin urmare, „se arde” în reactor mai lent decât alți izotopi; persistă chiar și după ce izotopii rămași de plutoniu s-au transformat aproape complet în fragmente sau s-au transformat în plutoniu-242.
Plutoniul-242 este important ca „materie primă” pentru acumularea relativ rapidă de elemente transuraniu superioare în reactoarele nucleare. Dacă plutoniul-239 este iradiat într-un reactor convențional, atunci va dura aproximativ 20 de ani pentru a acumula cantități de micrograme de, de exemplu, California-252 din grame de plutoniu.
Este posibil să se reducă timpul de acumulare a izotopilor superiori prin creșterea intensității fluxului de neutroni în reactor. Aceasta este ceea ce fac ei, dar atunci nu puteți iradia cantități mari de plutoniu-239. La urma urmei, acest izotop este împărțit de neutroni și prea multă energie este eliberată în fluxuri intense. Dificultăți suplimentare apar cu răcirea reactorului. Pentru a evita aceste dificultăți, ar fi necesar să se reducă cantitatea de plutoniu iradiată. În consecință, randamentul de californiu ar deveni din nou limitat. Cerc vicios!
Plutoniul-242 nu este fisionabil de neutroni termici, poate fi iradiat în cantități mari în fluxuri intense de neutroni... Prin urmare, în reactoare, toate elementele de la americiu la fermiu sunt „fabricate” din acest izotop și acumulate în cantități de greutate.
De fiecare dată când oamenii de știință au reușit să obțină un nou izotop de plutoniu, timpul de înjumătățire al nucleelor sale a fost măsurat. Timpurile de înjumătățire ale izotopilor nucleelor radioactive grele cu numere de masă par se schimbă în mod regulat. (Acest lucru nu poate fi spus pentru izotopi ciudați.)
Pe măsură ce masa crește, „durata de viață” a izotopului crește și ea. Cu câțiva ani în urmă, punctul culminant al acestui grafic a fost plutoniul-242. Și atunci cum va merge această curbă - cu o creștere suplimentară a numărului de masă? La punctul 1, care corespunde unei durate de viață de 30 de milioane de ani, sau la punctul 2, care corespunde la 300 de milioane de ani? Răspunsul la această întrebare a fost foarte important pentru geoștiințe. În primul caz, dacă în urmă cu 5 miliarde de ani Pământul era format în întregime din 244 Pu, acum doar un atom de plutoniu-244 ar rămâne în întreaga masă a Pământului. Dacă a doua ipoteză este adevărată, atunci plutoniul-244 poate fi pe Pământ în concentrații care ar putea fi deja detectate. Dacă am fi destul de norocoși să găsim acest izotop pe Pământ, știința ar primi cele mai valoroase informații despre procesele care au avut loc în timpul formării planetei noastre.
Timpurile de înjumătățire ale unor izotopi ai plutoniului
În urmă cu câțiva ani, oamenii de știință s-au confruntat cu întrebarea: merită să încercați să găsiți plutoniu greu pe Pământ? Pentru a răspunde, a fost necesar în primul rând să se determine timpul de înjumătățire al plutoniului-244. Teoreticienii nu au putut calcula această valoare cu precizia necesară. Orice speranță era doar pentru experiment.
Plutoniu-244 acumulat într-un reactor nuclear. Elementul nr. 95 - americiu (izotop 243 Am) a fost iradiat. După ce a capturat un neutron, acest izotop s-a transformat în americiu-244; americiu-244 într-unul din 10 mii de cazuri s-a transformat în plutoniu-244.
Preparatul de plutoniu-244 a fost izolat dintr-un amestec de americiu și curiu. Eșantionul cântărea doar câteva milioane de grame. Dar au fost suficiente pentru a determina timpul de înjumătățire al acestui izotop interesant. S-a dovedit a fi egal cu 75 de milioane de ani. Mai târziu, alți cercetători au clarificat timpul de înjumătățire al plutoniului-244, dar nu cu mult - 81 de milioane de ani. În 1971, au fost găsite urme ale acestui izotop în bastnäsite-ul mineral de pământuri rare.
Oamenii de știință au făcut multe încercări de a găsi un izotop al elementului transuraniu care trăiește mai mult de 244 Pu. Dar toate încercările au rămas în zadar. La un moment dat, s-au pus speranțe pe curium-247, dar după ce acest izotop a fost acumulat în reactor, s-a dovedit că timpul său de înjumătățire este de numai 16 milioane de ani. Nu a fost posibil să se bată recordul de plutoniu-244 - este cel mai longeviv dintre toți izotopii elementelor transuraniului.
Chiar și izotopii mai grei ai plutoniului suferă dezintegrare beta, iar durata lor de viață variază de la câteva zile la câteva zecimi de secundă. Știm cu siguranță că toți izotopii plutoniului se formează în explozii termonucleare, până la 257 Pu. Dar durata lor de viață este de zecimi de secundă, iar mulți izotopi de scurtă durată ai plutoniului nu au fost încă studiați.
Posibilitățile primului izotop de plutoniu
Și în cele din urmă - despre plutoniu-238 - primul dintre izotopii „făcuți de om” ai plutoniului, un izotop care la început părea nepromițător. Este de fapt un izotop foarte interesant. Este supus dezintegrarii alfa, adică nucleele sale emit în mod spontan particule alfa - nuclee de heliu. Particulele alfa generate de nucleele de plutoniu-238 poartă energie mare; disipată în materie, această energie se transformă în căldură. Cât de mare este această energie? Șase milioane de electroni volți sunt eliberați din dezintegrarea unui nucleu atomic de plutoniu-238. Într-o reacție chimică, aceeași energie este eliberată atunci când câteva milioane de atomi sunt oxidați. O sursă de energie electrică care conține un kilogram de plutoniu-238 dezvoltă o putere termică de 560 de wați. Puterea maximă a unei surse de curent chimic de aceeași masă este de 5 wați.
Există mulți emițători cu caracteristici energetice similare, dar o caracteristică a plutoniului-238 face ca acest izotop să fie indispensabil. Dezintegrarea alfa este de obicei însoțită de radiații gamma puternice, care pătrund prin straturi mari de materie. 238 Pu este o excepție. Energia razelor gamma care însoțesc dezintegrarea nucleelor sale este scăzută și nu este greu de protejat împotriva acesteia: radiația este absorbită de un recipient cu pereți subțiri. Probabilitatea fisiunii spontane a nucleelor acestui izotop este, de asemenea, scăzută. Prin urmare, și-a găsit aplicație nu numai în sursele actuale, ci și în medicină. Bateriile care conțin plutoniu-238 servesc ca sursă de energie în stimulente cardiace speciale.
Dar 238 Pu nu este cel mai ușor izotop cunoscut al elementului nr. 94, izotopi de plutoniu au fost obținuți cu numere de masă de la 232 la 237. Timpul de înjumătățire al celui mai ușor izotop este de 36 de minute.
Plutoniul este un subiect important. Cele mai importante lucruri sunt spuse aici. La urma urmei, a devenit deja o expresie standard că chimia plutoniului a fost studiată mult mai bine decât chimia unor astfel de elemente „vechi” precum fierul. S-au scris cărți întregi despre proprietățile nucleare ale plutoniului. Metalurgia plutoniului este o altă secțiune uimitoare a cunoștințelor umane... Prin urmare, nu ar trebui să vă gândiți că, după ce ați citit această poveste, ați învățat cu adevărat plutoniul - cel mai important metal al secolului al XX-lea.
- CUM SĂ CARRAT PLUTONIU. Plutoniul radioactiv și toxic necesită îngrijire specială în timpul transportului. Un container a fost proiectat special pentru transportul său - un container care nu este distrus nici măcar în accidente de aviație. Este realizat destul de simplu: este un vas din oțel inoxidabil cu pereți groși, înconjurat de o coajă de mahon. Evident, plutoniul merită, dar imaginează-ți cât de groși trebuie să fie pereții dacă știi că un container pentru transportul de doar două kilograme de plutoniu cântărește 225 kg!
- OTRAVĂ ȘI ANTIDOT. La 20 octombrie 1977, Agence France-Presse a raportat că a fost găsit un compus chimic care poate elimina plutoniul din corpul uman. Câțiva ani mai târziu, s-au cunoscut destul de multe despre acest compus. Acest compus complex este o catechinamidă carboxilază liniară, o substanță din clasa chelaților (din grecescul „chela” - gheară). Atomul de plutoniu, liber sau legat, este prins în această gheară chimică. La șoarecii de laborator, această substanță a fost folosită pentru a elimina până la 70% din plutoniul absorbit din organism. Se crede că în viitor acest compus va ajuta la extragerea plutoniului atât din deșeurile de producție, cât și din combustibilul nuclear.
