Плутониумот е откриен кон крајот на 1940 година на Универзитетот во Калифорнија. Беше синтетизиран од Мекмилан, Кенеди и Вал со бомбардирање на ураниум оксид (U 3 O 8) со јадра на деутериум (деутерони) многу забрзани во циклотрон. Подоцна беше откриено дека оваа нуклеарна реакција прво го произведува краткотрајниот изотоп нептуниум-238, а од него плутониум-238 со полуживот од околу 50 години. Една година подоцна, Кенеди, Сиборг, Сегре и Вал синтетизираа поважен изотоп, плутониум-239, со зрачење на ураниум со високо забрзани неутрони во циклотрон. Плутониум-239 е формиран од распаѓањето на нептуниум-239; емитира алфа зраци и има полуживот од 24.000 години. Чистото соединение на плутониум првпат било добиено во 1942 година. Тогаш стана познато дека има природен плутониум пронајден во рудите на ураниум, особено во рудите депонирани во Конго.

Името на елементот беше предложено во 1948 година: Мекмилан го нарече првиот трансурански елемент нептуниум поради фактот што планетата Нептун е првата надвор од Уран. По аналогија, тие одлучија да го наречат елементот 94 плутониум, бидејќи планетата Плутон е втора по Уран. Плутон, откриен во 1930 година, го добил своето име од името на богот Плутон, владетелот на подземјето во грчката митологија. На почетокот на 19 век. Кларк предложил да се нарече елементот бариум плутониум, добивајќи го ова име директно од името на богот Плутон, но неговиот предлог не бил прифатен.

Хемија

Плутониум Пу - елемент бр.94 е поврзан со многу големи надежи и многу големи стравови од човештвото. Деновиве тоа е еден од најважните, стратешки важни елементи. Тој е најскап од технички важните метали - многу е поскап од среброто, златото и платината. Тој е навистина скапоцен.


Позадина и историја

Во почетокот имало протони - галактички водород. Како резултат на неговата компресија и последователните нуклеарни реакции, беа формирани најневеројатните „инготи“ на нуклеони. Меѓу нив, овие „инготи“, очигледно имало и такви што содржеле 94 протони. Проценките на теоретичарите сугерираат дека околу 100 нуклеонски формации, кои вклучуваат 94 протони и од 107 до 206 неутрони, се толку стабилни што може да се сметаат за јадра на изотопи на елементот бр.
Но, сите овие изотопи - хипотетички и реални - не се толку стабилни за да преживеат до денес од формирањето на елементите на Сончевиот систем. Полуживотот на најдолговечниот изотоп на елементот бр. 94 е 81 милион години. Староста на Галаксијата се мери во милијарди години. Следствено, „исконскиот“ плутониум немаше шанси да преживее до ден-денес. Ако е формиран за време на големата синтеза на елементите на универзумот, тогаш тие древни атоми од него „изумреле“ одамна, исто како што изумреле диносаурусите и мамутите.
Во 20 век нова ера, н.е., овој елемент беше пресоздаден. Од 100 можни изотопи на плутониум, синтетизирани се 25. Проучени се нуклеарните својства на 15 од нив. Четворица најдоа практична примена. И беше отворен неодамна. Во декември 1940 година, кога ураниумот бил озрачен со тешки водородни јадра, група американски радиохемичари предводени од Глен Т. Сиборг откриле претходно непознат емитер на алфа честички со полуживот од 90 години. Овој емитер се покажа дека е изотоп на елементот бр. 94 со масен број 238. Истата година, но неколку месеци порано, Е.М. Мекмилан и Ф. Абелсон го добиле првиот елемент потежок од ураниумот, елементот број 93. Овој елемент бил наречен нептуниум, а елементот 94 бил наречен плутониум. Историчарот дефинитивно ќе каже дека овие имиња потекнуваат од римската митологија, но во суштина потеклото на овие имиња не е митолошки, туку астрономски.
Елементите бр. 92 и 93 се именувани по далечните планети на Сончевиот систем - Уран и Нептун, но Нептун не е последен во Сончевиот систем, уште подалеку лежи орбитата на Плутон - планета за која сè уште не се знае речиси ништо. .. Слична конструкција Гледаме и на „левото крило“ на периодниот систем: ураниум - нептуниум - плутониум, сепак, човештвото знае многу повеќе за плутониумот отколку за Плутон. Патем, астрономите го открија Плутон само десет години пред синтезата на плутониум - речиси истиот временски период ги одвои откритијата на Уран - планетата и ураниум - елементот.


Загатки за криптографи

Првиот изотоп на елементот бр. 94, плутониум-238, најде практична примена деновиве. Но, во раните 40-ти тие не ни размислуваа за тоа. Можно е да се добие плутониум-238 во количини од практичен интерес само со потпирање на моќната нуклеарна индустрија. Во тоа време тоа беше само во повој. Но, веќе беше јасно дека со ослободување на енергијата содржана во јадрата на тешките радиоактивни елементи, беше можно да се добие оружје со невидена моќ. Се појави проектот Менхетен, кој немаше ништо повеќе од заедничко име со познатата област Њујорк. Ова беше општото име за целата работа поврзана со создавањето на првите атомски бомби во Соединетите држави. Не беше научник, туку воен човек, генералот Гроувс, кој беше назначен за шеф на проектот Менхетен, кој „со љубов“ ги нарече своите високообразовани обвиненија „скршени садови“.
Водачите на „проектот“ не беа заинтересирани за плутониум-238. Нејзините јадра, како и јадрата на сите изотопи на плутониум со парен масен број, не се фисили со неутрони со ниска енергија, па затоа не може да служи како нуклеарен експлозив. Сепак, првите не многу јасни извештаи за елементите бр. 93 и 94 се појавија во печатење дури во пролетта 1942 година.
Како можеме да го објасниме ова? Физичарите разбраа: синтезата на изотопи на плутониум со непарни масени броеви беше прашање на време и не премногу долго. Се очекуваше дека чудните изотопи, како ураниум-235, ќе можат да поддржат нуклеарна верижна реакција. Некои луѓе ги гледаа како потенцијални нуклеарни експлозиви, кои сè уште не беа примени. И овие надежи плутониум, за жал, тој тоа го оправда.
Во шифрирањето од тоа време, елементот бр. 94 се нарекуваше ништо повеќе од... бакар. И кога се појави потреба од самиот бакар (како структурен материјал за некои делови), тогаш во шифрите, заедно со „бакар“, се појави „вистински бакар“.

„Дрвото на знаењето за доброто и злото“

Во 1941 година, откриен е најважниот изотоп на плутониум - изотоп со масен број 239. И речиси веднаш се потврди предвидувањето на теоретичарите: јадрата на плутониум-239 беа расцепени од термички неутрони. Згора на тоа, за време на нивната фисија, се произведени не помал број неутрони отколку за време на фисијата на ураниум-235. Веднаш беа наведени начини за добивање на овој изотоп во големи количини...
Поминаа години. Сега за никого не е тајна дека нуклеарните бомби складирани во арсеналите се полни со плутониум-239 и дека овие бомби се доволни да предизвикаат непоправлива штета на целиот живот на Земјата.
Постои широко распространето верување дека човештвото очигледно брзало со откривањето на нуклеарната верижна реакција (чија неизбежна последица беше создавањето на нуклеарна бомба). Можете да размислувате поинаку или да се преправате дека размислувате поинаку - попријатно е да се биде оптимист. Но, дури и оптимистите неизбежно се соочуваат со прашањето за одговорноста на научниците. Се сеќаваме на триумфалниот јунски ден од 1954 година, денот кога се вклучи првата нуклеарна централа во Обнинск. Но, не можеме да го заборавиме утрото на август 1945 година - „утрото на Хирошима“, „црниот ден на Алберт Ајнштајн“... Се сеќаваме на првите повоени години и неконтролираната атомска уцена - основата на американската политика во тие години . Но, зарем човештвото не доживеа многу неволји во следните години? Згора на тоа, овие вознемиреност беа повеќекратно засилени од свеста дека ако избие нова светска војна, ќе се користи нуклеарно оружје.
Овде можете да се обидете да докажете дека откривањето на плутониум не му додаде страв на човештвото, дека, напротив, беше само корисно.
Да речеме, се случило поради некоја причина или, како што би рекле во старите времиња, по волја на Бога, плутониумот да биде недостапен за научниците. Дали тогаш нашите стравови и грижи би се намалиле? Ништо не се случи. Нуклеарните бомби би биле направени од ураниум-235 (и во не помала количина отколку од плутониум), а овие бомби би „изеле“ уште поголеми делови од буџетите отколку сега.
Но, без плутониум нема да има изгледи за мирно користење на нуклеарната енергија во голем обем. Едноставно нема да има доволно ураниум-235 за „мирен атом“. Злото што му е нанесено на човештвото со откривањето на нуклеарната енергија нема да биде избалансирано, дури ни делумно, со достигнувањата на „добриот атом“.

Како да се измери, со што да се споредува

Кога јадрото на плутониум-239 ќе се подели со неутрони на два фрагменти со приближно еднаква маса, се ослободува околу 200 MeV енергија. Ова е 50 милиони пати повеќе енергија ослободена во најпознатата егзотермна реакција C + O 2 = CO 2. Со „горење“ во нуклеарен реактор, грам плутониум дава 2.107 kcal. За да не се прекрши традицијата (и во популарните статии, енергијата на нуклеарното гориво обично се мери во несистемски единици - тони јаглен, бензин, тринитротолуен итн.), исто така забележуваме: ова е енергијата содржана во 4 тони на јаглен. А обична напрсток содржи количина на плутониум енергетски еднаква на четириесет вагони добро огревно дрво од бреза.
Истата енергија се ослободува за време на фисијата на јадрата на ураниум-235 од неутроните. Но, најголемиот дел од природниот ураниум (99,3%!) е изотоп 238 U, кој може да се користи само со претворање на ураниум во плутониум...

Енергија на камења

Дозволете ни да ги процениме енергетските ресурси содржани во природните резерви на ураниум.
Ураниумот е елемент во трагови и го има речиси насекаде. Секој што ја посетил, на пример, Карелија, веројатно ќе се сети на гранитни камења и крајбрежни карпи. Но, малкумина знаат дека еден тон гранит содржи до 25 g ураниум. Гранитите сочинуваат речиси 20% од тежината на земјината кора. Ако броиме само ураниум-235, тогаш еден тон гранит содржи 3,5-105 kcal енергија. Многу е, но...
За обработка на гранит и извлекување ураниум од него потребно е да се троши уште поголема количина на енергија - околу 106-107 kcal/t. Сега, кога би било можно да се користи не само ураниум-235, туку и ураниум-238 како извор на енергија, тогаш гранитот би можел да се смета барем како потенцијална енергетска суровина. Тогаш енергијата добиена од еден тон камен би била од 8-107 до 5-108 kcal. Ова е еквивалентно на 16-100 тони јаглен. И во овој случај, гранитот може да им обезбеди на луѓето речиси милион пати повеќе енергија од сите резерви на хемиско гориво на Земјата.
Но, јадрата на ураниум-238 не се расцепуваат со неутрони. Овој изотоп е бескорисен за нуклеарната енергија. Поточно, бескорисно би било доколку не може да се претвори во плутониум-239. И она што е особено важно: практично не треба да се троши енергија за оваа нуклеарна трансформација - напротив, енергијата се произведува во овој процес!
Ајде да се обидеме да откриеме како се случува ова, но прво неколку зборови за природниот плутониум.

400 илјади пати помалку од радиумот

Веќе е кажано дека изотопи на плутониум не се зачувани од синтезата на елементите за време на формирањето на нашата планета. Но, тоа не значи дека нема плутониум на Земјата.
Се формира цело време во руди на ураниум. Со фаќање на неутрони од космичко зрачење и неутрони произведени од спонтано фисија на јадрата на ураниум-238, некои - многу малку - атоми од овој изотоп се претвораат во атоми на ураниум-239. Овие јадра се многу нестабилни; тие испуштаат електрони и со тоа го зголемуваат нивниот полнеж. Се формира нептуниум, првиот трансураниумски елемент. Нептуниум-239 е исто така многу нестабилен, а неговите јадра испуштаат електрони. За само 56 часа, половина од нептуниум-239 се претвора во плутониум-239, чиј полуживот е веќе доста долг - 24 илјади години.
Зошто плутониумот не се извлекува од рудите на ураниум?? Ниска, премногу ниска концентрација. „Производство по грам - работна сила годишно“ - станува збор за радиум, а плутониумот во рудите е 400 илјади пати помалку од радиумот. Затоа, исклучително е тешко не само да се ископува, туку дури и да се открие „копнениот“ плутониум. Ова беше направено дури откако беа проучени физичките и хемиските својства на плутониумот произведен во нуклеарните реактори.
Плутониумот се акумулира во нуклеарните реактори. Во моќните неутронски текови, се случува истата реакција како во рудите на ураниум, но стапката на формирање и акумулација на плутониум во реакторот е многу поголема - милијарда милијарди пати. За реакцијата на претворање на баласт ураниум-238 во плутониум-239 од енергетска класа, се создаваат оптимални (во прифатливи) услови.
Ако реакторот работи на термички неутрони (да потсетиме дека нивната брзина е околу 2000 m во секунда, а нивната енергија е дел од електронволт), тогаш од природна мешавина на изотопи на ураниум се добива количина на плутониум што е малку помала од количината на „изгорениот“ ураниум-235. Малку, но помалку, плус неизбежните загуби на плутониум при неговото хемиско одвојување од озрачениот ураниум. Покрај тоа, нуклеарната верижна реакција се одржува во природната мешавина на изотопи на ураниум само додека не се потроши мал дел од ураниум-235. Оттука и логичниот заклучок: „термички“ реактор кој користи природен ураниум - главниот тип на моментално оперативни реактори - не може да обезбеди проширена репродукција на нуклеарно гориво. Но, што ветува тогаш? За да одговориме на ова прашање, да го споредиме текот на нуклеарната верижна реакција во ураниум-235 и плутониум-239 и да воведеме друг физички концепт во нашите дискусии.
Најважната карактеристика на секое нуклеарно гориво е просечниот број на емитирани неутрони откако јадрото ќе зароби еден неутрон. Физичарите го нарекуваат број eta и го означуваат со грчката буква q. Во „термалните“ реактори на ураниум, се забележува следнава шема: секој неутрон генерира во просек 2,08 неутрони (η = 2,08). Плутониумот поставен во таков реактор под влијание на топлинските неутрони дава η = 2,03. Но, постојат и реактори кои работат на брзи неутрони. Бескорисно е да се вчита природна мешавина на изотопи на ураниум во таков реактор: верижна реакција нема да се случи. Но, ако „суровиот материјал“ се збогати со ураниум-235, може да се развие во „брз“ реактор. Во овој случај, c веќе ќе биде еднаков на 2,23. А плутониумот, изложен на брз неутронски оган, ќе даде η еднакво на 2,70. Ќе имаме на располагање „дополнителна половина неутрон“. И ова не е воопшто малку.

Ајде да видиме на што се трошат добиените неутрони. Во секој реактор, потребен е еден неутрон за одржување на нуклеарна верижна реакција. 0,1 неутрони се апсорбираат од градежните материјали на инсталацијата. „Вишокот“ се користи за акумулирање на плутониум-239. Во едниот случај „вишокот“ е 1,13, во другиот е 1,60. По „согорувањето“ на килограм плутониум во „брзиот“ реактор, се ослободува колосална енергија и се акумулира 1,6 кг плутониум. А ураниумот во „брзиот“ реактор ќе ја обезбеди истата енергија и 1,1 кг ново нуклеарно гориво. Во двата случаи, проширената репродукција е очигледна. Но, не смееме да заборавиме на економијата.
Поради голем број технички причини, циклусот на репродукција на плутониум трае неколку години. Да речеме пет години. Тоа значи дека количината на плутониум годишно ќе се зголеми за само 2% ако η=2,23, а за 12% ако η=2,7! Нуклеарното гориво е капитал и секој капитал треба да дава, да речеме, 5% годишно. Во првиот случај има големи загуби, а во вториот има големи профити. Овој примитивен пример ја илустрира „тежината“ на секоја десетина од бројот во нуклеарната енергија.
Нешто друго е исто така важно. Нуклеарната енергија мора да биде во чекор со растечката побарувачка за енергија. Пресметките покажуваат дека неговиот услов е исполнет во иднина само кога η се приближува до три. Ако развојот на изворите на нуклеарна енергија заостанува зад енергетските потреби на општеството, тогаш ќе останат две опции: или „забавен напредок“ или преземање енергија од некои други извори. Тие се познати: термонуклеарна фузија, енергија на уништување на материјата и антиматеријата, но сè уште не се технички достапни. И не се знае кога тие ќе станат вистински извори на енергија за човештвото. И енергијата на тешките јадра одамна стана реалност за нас, а денес плутониумот, како главен „снабдувач“ на атомска енергија, нема сериозни конкуренти, освен, можеби, ураниум-233.


Збир на многу технологии

Кога, како резултат на нуклеарни реакции, потребната количина на плутониум се акумулира во ураниум, тој мора да се одвои не само од самиот ураниум, туку и од фрагментите на фисија - и ураниум и плутониум, изгорени во нуклеарната верижна реакција. Покрај тоа, масата на ураниум-плутониум содржи и одредена количина на нептуниум. Најтешки работи за раздвојување се плутониум од нептуниум и елементи од ретки земји (лантаниди). Плутониумот, како хемиски елемент, донекаде немал среќа. Од гледна точка на хемичарот, главниот елемент на нуклеарната енергија е само еден од четиринаесетте актиниди. Како и ретките земјени елементи, сите елементи од серијата актиниум се многу слични едни на други по хемиски својства; структурата на надворешните електронски обвивки на атомите на сите елементи од актиниум до 103 е иста. Она што е уште понепријатно е што хемиските својства на актинидите се слични на својствата на ретките земјени елементи, а меѓу фрагментите на фисија на ураниум и плутониум има повеќе од доволно лантаниди. Но, тогаш елементот 94 може да биде во пет валентни состојби, а тоа „ја засладува пилулата“ - помага да се одвои плутониумот и од ураниум и од фрагменти од фисија.
Валентноста на плутониумот варира од три до седум. Хемиски, најстабилните (а со тоа и најчестите и најпроучени) соединенија се четиривалентен плутониум.
Раздвојувањето на актинидите со слични хемиски својства - ураниум, нептуниум и плутониум - може да се заснова на разликата во својствата на нивните тетра- и шествалентни соединенија.

Нема потреба детално да се опишуваат сите фази на хемиското одвојување на плутониум и ураниум. Обично, нивното раздвојување започнува со растворање на ураниумски шипки во азотна киселина, по што се „одвојуваат“ ураниум, нептуниум, плутониум и фрагментирани елементи содржани во растворот, користејќи традиционални радиохемиски методи за ова - таложење, екстракција, размена на јони и други. . Конечните производи што содржат плутониум од оваа повеќестепена технологија се неговиот диоксид PuO 2 или флуориди - PuF 3 или PuF 4. Тие се сведуваат на метал со бариум, калциум или литиумска пареа. Сепак, плутониумот добиен во овие процеси не е погоден за улогата на структурен материјал - од него не може да се направат горивни елементи на нуклеарните реактори, а не може да се фрли полнење на атомска бомба. Зошто? Точката на топење на плутониумот - само 640 ° C - е сосема остварлива.
Без оглед на тоа какви „ултра-нежни“ услови се користат за излевање на делови од чист плутониум, пукнатините секогаш ќе се појавуваат во одливот за време на зацврстувањето. На 640°C, зацврстувањето на плутониумот формира кубна кристална решетка. Како што се намалува температурата, густината на металот постепено се зголемува. Но, тогаш температурата достигна 480 ° C, а потоа одеднаш густината на плутониумот нагло опаѓа. Причините за оваа аномалија беа откриени доста брзо: на оваа температура, атомите на плутониум се преуредуваат во кристалната решетка. Станува тетрагонална и многу „лабава“. Таквиот плутониум може да лебди во сопственото топење, како мраз на вода.
Температурата продолжува да опаѓа, сега достигна 451°C, а атомите повторно формираа кубна решетка, но лоцирана на поголема оддалеченост еден од друг отколку во првиот случај. Со понатамошно ладење, решетката прво станува орторомбна, а потоа моноклинична. Севкупно, плутониумот формира шест различни кристални форми! Две од нив се одликуваат со извонредна особина - негативен коефициент на термичка експанзија: со зголемување на температурата, металот не се шири, туку се собира.
Кога температурата ќе достигне 122°C и кога атомите на плутониум ги преуредуваат своите редови по шести пат, густината особено драматично се менува - од 17,77 на 19,82 g/cm 3 . Повеќе од 10%!
Соодветно на тоа, волуменот на ингот се намалува. Ако металот сè уште може да се спротивстави на напрегањата што се појавија при други транзиции, тогаш во овој момент уништувањето е неизбежно.
Како тогаш да направите делови од овој неверојатен метал? Металурзите легираат плутониум (додавајќи му мали количини на потребните елементи) и добиваат одлеаноци без ниту една пукнатина. Тие се користат за правење плутониумски полнења за нуклеарни бомби. Тежината на полнежот (се определува првенствено од критичната маса на изотопот) е 5-6 кг. Лесно може да се вклопи во коцка со големина на работ од 10 см.

Тешки изотопи на плутониум

Плутониум-239, исто така, содржи во мали количини повисоки изотопи на овој елемент - со масовни броеви 240 и 241. Изотопот 240 Pu е практично бескорисен - тој е баласт во плутониум. Од 241 се добива америциум - елемент бр.95. Во чиста форма, без примеси на други изотопи, плутониум-240 и плутониум-241 може да се добијат со електромагнетно раздвојување на плутониум акумулиран во реакторот. Пред ова, плутониумот дополнително се озрачува со неутронски текови со строго дефинирани карактеристики. Се разбира, сето ова е многу комплицирано, особено затоа што плутониумот не е само радиоактивен, туку и многу токсичен. Работата со него бара голема претпазливост.
Еден од најинтересните изотопи на плутониум, 242 Pu, може да се добие со зрачење на 239 Pu долго време во неутронски текови. 242 Pu многу ретко зафаќа неутрони и затоа „изгорува“ во реакторот побавно од другите изотопи; опстојува дури и откако преостанатите изотопи на плутониум речиси целосно ќе се претворат во фрагменти или ќе се претворат во плутониум-242.
Плутониум-242 е важен како „суровина“ за релативно брзата акумулација на повисоки трансураниумски елементи во нуклеарните реактори. Ако плутониум-239 се озрачи во конвенционален реактор, тогаш ќе бидат потребни околу 20 години за да се акумулираат микрограмски количества, на пример, Калифорнија-252 од грами плутониум.
Можно е да се намали времето на акумулација на повисоките изотопи со зголемување на интензитетот на неутронскиот флукс во реакторот. Тоа е она што тие го прават, но тогаш не можете да зрачите големи количини на плутониум-239. На крајот на краиштата, овој изотоп е поделен со неутрони, а премногу енергија се ослободува во интензивните текови. Дополнителни потешкотии се јавуваат со ладењето на реакторот. За да се избегнат овие тешкотии, би било неопходно да се намали количеството на плутониум што се озрачува. Следствено, приносот на калифорниум повторно ќе стане слаб. Маѓепсан круг!
Плутониум-242 не е фисилен од термички неутрони, може да се озрачи во големи количини во интензивни неутронски текови... Затоа, во реакторите, сите елементи од америциум до фермиум се „направени“ од овој изотоп и се акумулираат во тежински количини.
Секој пат кога научниците успевале да добијат нов изотоп на плутониум, се мерел полуживотот на неговите јадра. Полуживотот на изотопите на тешки радиоактивни јадра со парен масен број се менува редовно. (Ова не може да се каже за непарните изотопи.)
Како што се зголемува масата, се зголемува и „животниот век“ на изотопот. Пред неколку години, највисоката точка на овој график беше плутониум-242. И тогаш како ќе оди оваа крива - со дополнително зголемување на масовниот број? На точка 1, која одговара на животен век од 30 милиони години, или на точка 2, која одговара на 300 милиони години? Одговорот на ова прашање беше многу важен за геонауките. Во првиот случај, ако пред 5 милијарди години Земјата се состоела целосно од 244 Pu, сега само еден атом плутониум-244 би останал во целата маса на Земјата. Ако втората претпоставка е точна, тогаш плутониум-244 може да се наоѓа на Земјата во концентрации што веќе може да се детектираат. Кога би имале среќа да го пронајдеме овој изотоп на Земјата, науката би ги добила највредните информации за процесите што се случиле за време на формирањето на нашата планета.

Полуживотот на некои изотопи на плутониум

Пред неколку години, научниците се соочија со прашањето: дали вреди да се обиде да најде тежок плутониум на Земјата? За да се одговори на тоа, потребно беше пред сè да се одреди полуживотот на плутониум-244. Теоретичарите не можеа да ја пресметаат оваа вредност со потребната точност. Сета надеж беше само за експеримент.
Плутониум-244 акумулиран во нуклеарен реактор. Елемент бр. 95 - америциум (изотоп 243 Am) беше озрачен. Откако зароби неутрон, овој изотоп се претвори во америциум-244; americium-244 во еден од 10 илјади случаи се претвори во плутониум-244.
Подготовката на плутониум-244 беше изолирана од мешавина на америциум и куриум. Примерокот тежел само неколку милионити дел од грамот. Но, тие беа доволни за да се одреди полуживотот на овој интересен изотоп. Испадна дека е еднакво на 75 милиони години. Подоцна, други истражувачи го разјаснија полуживотот на плутониум-244, но не многу - 81 милион години. Во 1971 година, траги од овој изотоп беа пронајдени во минералот бастназит од ретки земји.
Многу обиди се направени од научниците да пронајдат изотоп на елементот трансураниум кој живее подолго од 244 Pu. Но, сите обиди останаа залудни. Едно време, надежите се полагаа на куриум-247, но откако овој изотоп се акумулираше во реакторот, се покажа дека неговиот полуживот е само 16 милиони години. Не беше можно да се сруши рекордот на плутониум-244 - тој е најдолговечниот од сите изотопи на трансураниумски елементи.
Дури и потешките изотопи на плутониум се подложени на бета распаѓање, а нивниот животен век се движи од неколку дена до неколку десетини од секундата. Со сигурност знаеме дека сите изотопи на плутониум се формираат при термонуклеарни експлозии, до 257 Pu. Но, нивниот животен век е десетини од секундата, а многу краткотрајни изотопи на плутониум сè уште не се проучени.


Можности на првиот изотоп на плутониум

И, конечно - за плутониум-238 - првиот од „вештачките“ изотопи на плутониум, изотоп кој на почетокот изгледаше ненадежен. Тоа е всушност многу интересен изотоп. Тој е подложен на алфа распаѓање, односно неговите јадра спонтано испуштаат алфа честички - јадра на хелиум. Алфа честичките генерирани од јадрата на плутониум-238 носат висока енергија; дисипана во материјата, оваа енергија се претвора во топлина. Колку е голема оваа енергија? Шест милиони електрон волти се ослободуваат од распаѓањето на едно атомско јадро на плутониум-238. При хемиска реакција, истата енергија се ослободува кога се оксидираат неколку милиони атоми. Изворот на електрична енергија кој содржи еден килограм плутониум-238 развива топлинска моќност од 560 вати. Максималната моќност на хемискиот тековен извор со иста маса е 5 вати.
Има многу емитери со слични енергетски карактеристики, но една карактеристика на плутониум-238 го прави овој изотоп незаменлив. Алфа распаѓањето обично е придружено со силно гама зрачење, кое продира низ големи слоеви на материјата. 238 Pu е исклучок. Енергијата на гама зраците што го придружуваат распаѓањето на неговите јадра е мала и не е тешко да се заштити од тоа: зрачењето се апсорбира од контејнер со тенкоѕидни ѕидови. Веројатноста за спонтано фисија на јадрата на овој изотоп е исто така мала. Затоа, најде примена не само во тековните извори, туку и во медицината. Батериите кои содржат плутониум-238 служат како извор на енергија во специјални срцеви стимулатори.
Но, 238 Pu не е најлесниот познат изотоп на елементот бр.

Плутониумот е голема тема. Овде се кажуваат најважните работи. На крајот на краиштата, веќе стана стандардна фраза дека хемијата на плутониумот е многу подобро проучена од хемијата на такви „стари“ елементи како железо. За нуклеарните својства на плутониумот се напишани цели книги. Металургијата на плутониумот е уште еден неверојатен дел од човечкото знаење... Затоа, не треба да мислите дека откако ја прочитавте оваа приказна, навистина сте го научиле плутониумот - најважниот метал на 20 век.

  • КАКО ДА СЕ НОСИ ПЛУТОНИУМ. Радиоактивниот и токсичен плутониум бара посебна грижа за време на транспортот. Контејнер е дизајниран специјално за негов транспорт - контејнер кој не се уништува дури ни во авионски несреќи. Направен е прилично едноставно: тоа е сад од нерѓосувачки челик со дебели ѕидови, опкружен со школка од махагони. Очигледно, плутониумот вреди, но замислете колку треба да бидат дебели ѕидовите ако знаете дека контејнер за транспорт на само два килограми плутониум тежи 225 килограми!
  • ОТРОВ И ПРОТИДОТ. На 20 октомври 1977 година, агенцијата Франс прес објави дека е пронајдено хемиско соединение кое може да го отстрани плутониумот од човечкото тело. Неколку години подоцна, доста се знаеше за ова соединение. Ова сложено соединение е линеарен карбоксилаза катехинамид, супстанца од класата на хелати (од грчкиот „чела“ - канџи). Атомот на плутониум, слободен или врзан, е заробен во оваа хемиска канџа. Кај лабораториските глувци, оваа супстанца се користела за отстранување до 70% од апсорбираниот плутониум од телото. Се верува дека во иднина ова соединение ќе помогне да се извлече плутониум и од производниот отпад и од нуклеарното гориво.

Овој метал се нарекува скапоцен, но не поради неговата убавина, туку поради неговата незаменливост. Во периодниот систем на Менделеев, овој елемент ја зазема ќелијата број 94. Со него научниците ги вложуваат своите најголеми надежи, а токму плутониумот го нарекуваат најопасниот метал за човештвото.

Плутониум: опис

По изглед е сребрено-бел метал. Тој е радиоактивен и може да биде претставен во форма на 15 изотопи со различен полуживот, на пример:

  • Пу-238 - околу 90 години
  • Пу-239 - околу 24 илјади години
  • Пу-240 – 6580 години
  • Пу-241 – 14 години
  • Пу-242 - 370 илјади години
  • Пу-244 - околу 80 милиони години

Овој метал не може да се извади од руда, бидејќи е производ на радиоактивната трансформација на ураниумот.

Како се добива плутониум?

Производството на плутониум бара фисија на ураниум, што може да се направи само во нуклеарни реактори. Ако зборуваме за присуството на елементот Pu во земјината кора, тогаш за 4 милиони тони ураниумска руда ќе има само 1 грам чист плутониум. И овој грам се формира со природно зафаќање на неутрони од јадра на ураниум. Така, за да се добие ова нуклеарно гориво (обично изотоп 239-Pu) во количина од неколку килограми, потребно е да се спроведе сложен технолошки процес во нуклеарен реактор.

Својства на плутониум


Радиоактивниот метал плутониум ги има следните физички својства:

  • густина 19,8 g/cm 3
  • Точка на топење – 641°C
  • точка на вриење – 3232°C
  • топлинска спроводливост (на 300 K) – 6,74 W/(m K)

Плутониумот е радиоактивен, поради што е топол на допир. Покрај тоа, овој метал се карактеризира со најниска топлинска и електрична спроводливост. Течниот плутониум е највискозниот од сите постоечки метали.

Најмалата промена во температурата на плутониумот доведува до моментална промена на густината на супстанцијата. Генерално, масата на плутониумот постојано се менува, бидејќи јадрата на овој метал се во состојба на постојана фисија во помали јадра и неутрони. Критична маса на плутониум е името дадено на минималната маса на фисилна супстанција при која фисијата (нуклеарна верижна реакција) останува можна. На пример, критичната маса на плутониум од типот на оружје е 11 kg (за споредба, критичната маса на високо збогатен ураниум е 52 kg).

Ураниум и плутониум се главните нуклеарни горива. За да се добие плутониум во големи количини, се користат две технологии:

  • зрачење на ураниум
  • зрачење на трансураниумските елементи добиени од потрошеното гориво


Двата методи вклучуваат одвојување на плутониум и ураниум како резултат на хемиска реакција.

За да се добие чист плутониум-238, се користи неутронско зрачење на нептуниум-237. Истиот изотоп е вклучен во создавањето на плутониум-239 од типот на оружје; особено, тој е производ на средно распаѓање. 1 милион долари е цената за 1 кг плутониум-238.

Познати се 15 изотопи на плутониум. Најважниот од нив е Pu-239 со полуживот од 24.360 години. Специфичната тежина на плутониумот е 19,84 на температура од 25°C. Металот почнува да се топи на температура од 641°C и врие на 3232°C. Неговата валентност е 3, 4, 5 или 6.

Металот има сребрена нијанса и пожолтува кога е изложен на кислород. Плутониумот е хемиски реактивен метал и лесно се раствора во концентрирана хлороводородна киселина, перхлорна киселина и јодна киселина. За време на распаѓањето, металот ослободува топлинска енергија.

Плутониумот е вториот откриен трансурански актинид. Во природата, овој метал може да се најде во мали количини во рудите на ураниум.

Плутониумот е отровен и бара внимателно ракување. Најрасцепливиот изотоп на плутониум се користел како нуклеарно оружје. Конкретно, тој беше употребен во бомба која беше фрлена врз јапонскиот град Нагасаки.

Ова е радиоактивен отров кој се акумулира во коскената срцевина. Неколку несреќи, некои фатални, се случиле додека експериментирале врз луѓе за проучување на плутониум. Важно е плутониумот да не достигне критична маса. Во раствор, плутониумот формира критична маса побрзо отколку во цврста состојба.

Атомскиот број 94 значи дека сите атоми на плутониум се 94. Во воздухот, плутониум оксид се формира на површината на металот. Овој оксид е пирофорен, па плутониумот што тлее ќе трепери како пепел.

Постојат шест алотропни форми на плутониум. Седмата форма се појавува на високи температури.

Во воден раствор, плутониумот ја менува бојата. Различни нијанси се појавуваат на површината на металот додека се оксидира. Процесот на оксидација е нестабилен и бојата на плутониумот може ненадејно да се промени.

За разлика од повеќето супстанции, плутониумот станува погуст кога се топи. Во стопена состојба, овој елемент е повеќе вискозен од другите метали.

Металот се користи во радиоактивни изотопи во термоелектричните генератори кои ги напојуваат вселенските летала. Во медицината се користи за производство на електронски срцеви стимулатори.

Вдишувањето на пареа на плутониум е опасно за здравјето. Во некои случаи, ова може да предизвика рак на белите дробови. Вдишениот плутониум има метален вкус.

Плутониум (латински Plutonium, симбол Pu) е радиоактивен хемиски елемент со атомски број 94 и атомска тежина 244,064. Плутониумот е елемент од групата III од периодниот систем на Дмитриј Иванович Менделеев и припаѓа на семејството на актиниди. Плутониумот е тежок (густина во нормални услови 19,84 g/cm³) кршлив радиоактивен метал со сребрено-бела боја.

Плутониумот нема стабилни изотопи. Од стоте можни изотопи на плутониум, синтетизирани се дваесет и пет. Проучени се нуклеарните својства на петнаесет од нив (броеви на маса 232-246). Четворица најдоа практична примена. Најдолговечни изотопи се 244Pu (полуживот 8,26-107 години), 242Pu (полуживот 3,76-105 години), 239Pu (полуживот 2,41-104 години), 238Pu (полуживот 87-4 години). емитери и 241Pu (полуживот 14 години) - β-емитер. Во природата, плутониумот се јавува во занемарливи количини во рудите на ураниум (239Pu); се формира од ураниум под влијание на неутрони, чии извори се реакциите што се случуваат за време на интеракцијата на α-честичките со лесните елементи (вклучени во рудите), спонтано фисија на јадрата на ураниумот и космичкото зрачење.

Деведесет и четвртиот елемент беше откриен од група американски научници - Глен Сиборг, Кенеди, Едвин Мекмилан и Артур Вол во 1940 година на Беркли (на Универзитетот во Калифорнија) кога бомбардираше цел на ураниум оксид (U3O8) од високо забрзани јадра на деутериум. (деутрони) од шеесет инчен циклотрон. Во мај 1940 година, својствата на плутониумот беа предвидени од Луис Тарнер.

Во декември 1940 година, беше откриен изотоп на плутониум Pu-238, со полуживот од ~ 90 години, по една година подоцна од поважниот Pu-239 со полуживот од ~ 24.000 години.

Едвин МекМилан во 1948 година предложил да се именува хемискиот елемент плутониум во чест на откривањето на новата планета Плутон и по аналогија со нептуниум, кој го добил името по откривањето на Нептун.

Металниот плутониум (изотоп 239Pu) се користи во нуклеарното оружје и служи како нуклеарно гориво во енергетските реактори кои работат на термички и особено брзи неутрони. Критичната маса за 239Pu како метал е 5,6 kg. Меѓу другото, изотопот 239Pu е почетен материјал за производство на трансплутониумски елементи во нуклеарните реактори. Изотопот 238Pu се користи во мали извори на нуклеарна енергија што се користат во вселенските истражувања, како и во човечките срцеви стимуланси.

Плутониум-242 е важен како „суровина“ за релативно брзата акумулација на повисоки трансураниумски елементи во нуклеарните реактори. Д-стабилизирани легури на плутониум се користат во производството на горивни ќелии, бидејќи тие имаат подобри металуршки својства во споредба со чистиот плутониум, кој претрпува фазни транзиции кога се загрева. Оксидите на плутониум се користат како извор на енергија за вселенска технологија и ја наоѓаат нивната примена во горивни прачки.

Сите соединенија на плутониум се отровни, што е последица на α-зрачењето. Алфа честичките претставуваат сериозна опасност доколку нивниот извор е во телото на заразено лице, тие го оштетуваат околното ткиво на телото. Гама зрачењето од плутониум не е опасно за телото. Вреди да се земе предвид дека различните изотопи на плутониум имаат различна токсичност, на пример, типичниот реакторски плутониум е 8-10 пати потоксичен од чистиот 239Pu, бидејќи во него доминираат нуклиди од 240Pu, што е моќен извор на алфа зрачење. Плутониумот е најрадиотоксичниот елемент од сите актиниди, но сепак се смета за далеку од најопасниот елемент, бидејќи радиумот е скоро илјада пати поопасен од најотровниот изотоп на плутониум - 239Pu.

Биолошки својства

Плутониумот е концентриран од морски организми: коефициентот на акумулација на овој радиоактивен метал (односот на концентрациите во телото и во надворешната средина) за алги е 1000-9000, за планктони - приближно 2300, за морски ѕвезди - околу 1000, за мекотели - до 380, за мускулите, коските, црниот дроб и стомакот на рибите - 5, 570, 200 и 1060, соодветно. Земјените растенија апсорбираат плутониум главно преку кореновиот систем и го акумулираат до 0,01% од нивната маса. Во човечкото тело, деведесет и четвртиот елемент се задржува главно во скелетот и црниот дроб, од каде што речиси и не се излачува (особено од коските).

Плутониумот е многу токсичен, а неговата хемиска опасност (како и секој друг тежок метал) е многу послаба (од хемиска гледна точка, исто така е отровен како олово.) во споредба со неговата радиоактивна токсичност, која е последица на алфа зрачењето. Покрај тоа, α-честичките имаат релативно ниска продорен способност: за 239Pu, опсегот на α-честички во воздухот е 3,7 cm, а во мекото биолошко ткиво 43 μm. Затоа, алфа честичките претставуваат сериозна опасност доколку нивниот извор е во телото на заразено лице. Во исто време, тие ги оштетуваат ткивата на телото што го опкружуваат елементот.

Во исто време, γ-зраците и неутроните, кои исто така ги испушта плутониумот и кои се способни да навлезат во телото однадвор, не се многу опасни, бидејќи нивното ниво е премногу ниско за да предизвика штета на здравјето. Плутониумот припаѓа на група елементи со особено висока радиотоксичност. Во исто време, различни изотопи на плутониум имаат различна токсичност, на пример, типичниот реакторски плутониум е 8-10 пати потоксичен од чистиот 239Pu, бидејќи во него доминираат нуклиди од 240Pu, што е моќен извор на алфа зрачење.

Кога се внесува преку вода и храна, плутониумот е помалку токсичен од супстанциите како што се кофеинот, некои витамини, псеудоефедрин и многу растенија и габи. Ова се објаснува со фактот дека овој елемент слабо се апсорбира од гастроинтестиналниот тракт, дури и кога се снабдува во форма на растворлива сол, истата сол е врзана со содржината на желудникот и цревата. Сепак, внесувањето на 0,5 грама ситно поделен или растворен плутониум може да резултира со смрт од акутно дигестивно зрачење во рок од неколку дена или недели (за цијанид оваа вредност е 0,1 грам).

Од гледна точка на вдишување, плутониумот е обичен отров (приближно еквивалентен на пареата на живата). Кога се вдишува, плутониумот е канцероген и може да предизвика рак на белите дробови. Значи, при вдишување, сто милиграми плутониум во форма на честички со оптимална големина за задржување во белите дробови (1-3 микрони) доведуваат до смрт од пулмонален едем за 1-10 дена. Доза од дваесет милиграми доведува до смрт од фиброза за околу еден месец. Помалите дози доведуваат до хронично канцерогено труење. Опасноста од вдишување на плутониум во телото се зголемува поради фактот што плутониумот е склон кон формирање на аеросоли.

И покрај тоа што е метал, тој е прилично испарлив. Краткиот престој на метал во просторијата значително ја зголемува неговата концентрација во воздухот. Плутониумот кој влегува во белите дробови делумно се таложи на површината на белите дробови, делумно преминува во крвта, а потоа во лимфата и коскената срцевина. Повеќето (приближно 60%) завршуваат во коскеното ткиво, 30% во црниот дроб и само 10% се излачуваат природно. Количината на плутониум што влегува во телото зависи од големината на честичките на аеросол и растворливоста во крвта.

Плутониумот што влегува во човечкото тело на еден или друг начин е сличен во својствата на железото, затоа, продирајќи во циркулаторниот систем, плутониумот почнува да се концентрира во ткивата што содржат железо: коскена срцевина, црн дроб, слезина. Телото го перцепира плутониумот како железо, затоа, протеинот трансферин зема плутониум наместо железо, како резултат на што престанува преносот на кислород во телото. Микрофагите носат плутониум до лимфните јазли. На плутониумот кој влегува во телото му треба многу долго време за да се отстрани од телото - во рок од 50 години, само 80% ќе се отстранат од телото. Полуживотот од црниот дроб е 40 години. За коскеното ткиво, полуживотот на плутониумот е 80-100 години; всушност, концентрацијата на елементот деведесет и четири во коските е константна.

Во текот на Втората светска војна и по нејзиниот крај, научниците кои работеа во проектот Менхетен, како и научниците од Третиот Рајх и други истражувачки организации, спроведуваа експерименти користејќи плутониум врз животни и луѓе. Студиите врз животни покажаа дека неколку милиграми плутониум на килограм ткиво е смртоносна доза. Употребата на плутониум кај луѓето се состоеше од тоа што обично 5 mcg плутониум се инјектираат интрамускулно кај хронично болните пациенти. На крајот беше утврдено дека смртоносната доза за пациентот е еден микрограм плутониум и дека плутониумот е поопасен од радиумот и има тенденција да се акумулира во коските.

Како што е познато, плутониумот е елемент практично отсутен во природата. Сепак, околу пет тони од него беа пуштени во атмосферата како резултат на нуклеарни тестови во периодот 1945-1963 година. Вкупната количина на плутониум ослободен во атмосферата поради нуклеарните тестови пред 1980-тите се проценува на 10 тони. Според некои проценки, почвата во Соединетите Држави содржи просечно 2 миликури (28 mg) плутониум на км2 излив, а појавата на плутониум во Тихиот Океан е покачена во однос на целокупната дистрибуција на нуклеарни материјали на земјата.

Последниот феномен е поврзан со американското нуклеарно тестирање на Маршалските Острови на полигонот за тестирање на Пацификот во средината на 1950-тите. Времето на престој на плутониумот во површинските океански води се движи од 6 до 21 година, меѓутоа, дури и по овој период, плутониумот паѓа на дното заедно со биогените честички, од кои се намалува во растворливи форми како резултат на микробно распаѓање.

Глобалното загадување со деведесет и четвртиот елемент е поврзано не само со нуклеарни тестови, туку и со несреќи во производството и опремата во интеракција со овој елемент. Така, во јануари 1968 година, американскиот воздухоплов Б-52 со четири нуклеарни боеви глави се урна на Гренланд. Како резултат на експлозијата, полнежите биле уништени и плутониум истекол во океанот.

Друг случај на радиоактивна контаминација на животната средина како резултат на несреќа се случи со советското вселенско летало Космос-954 на 24 јануари 1978 година. Како резултат на неконтролирана деорбита, сателит со нуклеарен извор на енергија падна на канадска територија. Како резултат на несреќата, повеќе од еден килограм плутониум-238 беше пуштен во околината, распространувајќи се на површина од околу 124.000 m².

Најстрашниот пример за итно истекување на радиоактивни материи во животната средина е несреќата во нуклеарната централа во Чернобил, која се случи на 26 април 1986 година. Како резултат на уништувањето на четвртата енергетска единица, 190 тони радиоактивни материи (вклучувајќи изотопи на плутониум) беа ослободени во околината на површина од околу 2200 km².

Испуштањето на плутониум во животната средина не е поврзано само со инциденти предизвикани од човекот. Познати се случаи на истекување на плутониум, како од лабораториски така и од фабрички услови. Познати се повеќе од дваесет случајни истекувања од лабораториите 235U и 239Pu. Во текот на 1953-1978 г. несреќите доведоа до загуба од 0,81 (Мајак, 15 март 1953 година) до 10,1 кг (Томск, 13 декември 1978 година) 239Pu. Индустриските инциденти резултираа со вкупно две смртни случаи во Лос Аламос (21 август 1945 година и 21 мај 1946 година) поради две несреќи и губење на 6,2 кг плутониум. Во градот Саров во 1953 и 1963 г. надвор од нуклеарниот реактор паднале приближно 8 и 17,35 килограми. Еден од нив доведе до уништување на нуклеарен реактор во 1953 година.

Кога јадрото 238Pu се расцепува со неутроните, се ослободува 200 MeV енергија, што е 50 милиони пати повеќе од најпознатата егзотермна реакција: C + O2 → CO2. Со „горење“ во нуклеарен реактор, еден грам плутониум произведува 2.107 kcal - тоа е енергијата содржана во 4 тони јаглен. Напрсток со плутониумско гориво во енергетски еквивалент може да биде еквивалентно на четириесет вагони добро огревно дрво!

„Природниот изотоп“ на плутониум (244Pu) се верува дека е најдолготрајниот изотоп од сите трансураниумски елементи. Неговиот полуживот е 8,26∙107 години. Научниците долго време се обидуваат да добијат изотоп на трансураниумски елемент кој би постоел подолго од 244Pu - големите надежи во овој поглед беа закачени на 247Cm. Сепак, по неговата синтеза се покажа дека полуживотот на овој елемент е само 14 милиони години.

Приказна

Во 1934 година, група научници предводени од Енрико Ферми дале изјава дека за време на научната работа на Универзитетот во Рим откриле хемиски елемент со сериски број 94. На инсистирање на Ферми, елементот бил наречен хеспериум, научникот бил убеден дека тој открил нов елемент, кој сега се нарекува плутониум, со што укажува на постоење на трансураниумски елементи и станува нивен теоретски откривач. Ферми ја бранеше оваа хипотеза во своето Нобелово предавање во 1938 година. Дури по откривањето на нуклеарната фисија од страна на германските научници Ото Фриш и Фриц Штрасман, Ферми бил принуден да направи белешка во печатената верзија објавена во Стокхолм во 1939 година, укажувајќи на потребата да се преиспита „целиот проблем со трансураниумските елементи“. Факт е дека работата на Фриш и Штрасман покажа дека активноста што ја откри Ферми во неговите експерименти се должи токму на фисија, а не на откривање на трансураниумски елементи, како што тој претходно веруваше.

Нов елемент, деведесет и четвртиот, беше откриен на крајот на 1940 година. Тоа се случи во Беркли на Универзитетот во Калифорнија. Со бомбардирање на ураниум оксид (U3O8) со тешки јадра на водород (деутрони), група американски радиохемичари предводени од Глен Т. Сиборг откриле претходно непознат емитер на алфа честички со полуживот од 90 години. Овој емитер се покажа дека е изотоп на елементот бр. 94 со масен број 238. Така, на 14 декември 1940 година, беа добиени првите микрограмски количества плутониум заедно со мешавина од други елементи и нивни соединенија.

За време на експеримент спроведен во 1940 година, беше откриено дека за време на нуклеарна реакција, прво се произведува краткотрајниот изотоп нептуниум-238 (полуживот 2.117 дена), а од него плутониум-238:

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

Долгите и макотрпни хемиски експерименти за одвојување на новиот елемент од нечистотии траеја два месеци. Постоењето на нов хемиски елемент беше потврдено ноќта меѓу 23 и 24 февруари 1941 година од страна на Г.Т. Сиборг, Е.М.Мекмилан, Џ.В. државите. Малку подоцна од крајот на експериментите, беше утврдено дека овој изотоп не е фисилен и затоа е неинтересен за понатамошно проучување. Наскоро (март 1941 година), Кенеди, Сиборг, Сегре и Вал синтетизираа поважен изотоп, плутониум-239, со зрачење на ураниум со високо забрзани неутрони во циклотрон. Овој изотоп е формиран со распаѓање на нептуниум-239, емитува алфа зраци и има полуживот од 24.000 години. Првото чисто соединение на елементот е добиено во 1942 година, а првите тежински количини метален плутониум се добиени во 1943 година.

Името на новиот елемент 94 беше предложено во 1948 година од Мекмилан, кој неколку месеци пред откривањето на плутониумот, заедно со Ф. Ајбелсон, го добија првиот елемент потежок од ураниумот - елементот бр. на планетата Нептун - првиот надвор од Уран. По аналогија, тие одлучија да го наречат елементот бр. 94 плутониум, бидејќи планетата Плутон е втора по Уран. За возврат, Сиборг предложи новиот елемент да се нарече „плутиум“, но потоа сфати дека името не звучи многу добро во споредба со „плутониум“. Дополнително, тој предложи и други имиња за новиот елемент: ултимиум, екстермиум, поради погрешната проценка во тоа време дека плутониумот ќе стане последниот хемиски елемент во периодниот систем. Како резултат на тоа, елементот беше наречен „плутониум“ во чест на откривањето на последната планета во Сончевиот систем.

Да се ​​биде во природа

Полуживотот на најдолговечниот изотоп на плутониум е 75 милиони години. Бројката е многу импресивна, но староста на Галаксијата се мери во милијарди години. Од ова произлегува дека примарните изотопи на деведесет и четвртиот елемент, формирани за време на големата синтеза на елементите на Универзумот, немале шанси да преживеат до ден-денес. А сепак, тоа не значи дека воопшто нема плутониум на Земјата. Постојано се формира во руди на ураниум. Со фаќање на неутрони од космичко зрачење и неутрони произведени од спонтано фисија на јадра од 238 U, некои - многу малку - атоми од овој изотоп се претвораат во атоми од 239 U. Јадрата на овој елемент се многу нестабилни, тие испуштаат електрони и со тоа го зголемуваат нивниот полнеж, а доаѓа до формирање на нептуниум, првиот трансураниумски елемент. 239Np е исто така нестабилен, неговите јадра исто така испуштаат електрони, па за само 56 часа половина од 239Np се претвора во 239Pu.

Полуживотот на овој изотоп е веќе многу долг и изнесува 24.000 години. Во просек, содржината на 239Pu е околу 400.000 пати помала од онаа на радиумот. Затоа, исклучително е тешко не само да се ископува, туку дури и да се открие „копнениот“ плутониум. Мали количини од 239 Pu - делови на трилион - и производи на распаѓање може да се најдат во рудите на ураниум, на пример во природниот нуклеарен реактор во Окло, Габон (Западна Африка). Таканаречениот „природен нуклеарен реактор“ се смета за единствен во светот во кој моментално во геосферата се формираат актиниди и нивните производи на фисија. Според современите проценки, во овој регион пред неколку милиони години се случила самоодржлива реакција со ослободување топлина, која траела повеќе од половина милион години.

Значи, веќе знаеме дека во рудите на ураниум, како резултат на заробување на неутрони од јадра на ураниум, се формира нептуниум (239 Np), чијшто β-производ на распаѓање е природен плутониум-239. Благодарение на специјалните инструменти - масени спектрометри - присуството на плутониум-244 (244Pu), кој има најдолг полуживот - приближно 80 милиони години, беше откриено во прекамбрискиот бастнезит (цериумска руда). Во природата, 244Pu се наоѓа претежно во форма на диоксид (PuO2), кој е уште помалку растворлив во вода од песокот (кварц). Бидејќи релативно долговечниот изотоп плутониум-240 (240Pu) е во синџирот на распаѓање на плутониум-244, неговото распаѓање навистина се случува, но тоа се случува многу ретко (1 случај на 10.000). Многу мали количини на плутониум-238 (238Pu) се должат на многу реткото двојно бета распаѓање на матичниот изотоп, ураниум-238, кој беше пронајден во рудите на ураниум.

Трагите од изотопите 247Pu и 255Pu беа пронајдени во прашината собрана по експлозиите на термонуклеарни бомби.

Минимални количества плутониум хипотетички би можеле да бидат присутни во човечкото тело, имајќи предвид дека огромен број нуклеарни тестови се направени на овој или оној начин поврзани со плутониумот. Плутониумот се акумулира главно во скелетот и црниот дроб, од каде практично не се излачува. Покрај тоа, елементот деведесет и четири е акумулиран од морските организми; Земјените растенија апсорбираат плутониум главно преку кореновиот систем.

Излегува дека вештачки синтетизираниот плутониум сè уште постои во природата, па зошто не се ископува, туку се добива вештачки? Факт е дека концентрацијата на овој елемент е премногу ниска. За друг радиоактивен метал - радиумот велат: „грам производство - една година работа“, а радиумот во природата е 400.000 пати позастапен од плутониумот! Поради оваа причина, исклучително е тешко не само да се ископува, туку дури и да се открие „копнениот“ плутониум. Ова беше направено дури откако беа проучени физичките и хемиските својства на плутониумот произведен во нуклеарните реактори.

Апликација

Изотопот 239Pu (заедно со U) се користи како нуклеарно гориво во енергетските реактори кои работат на термички и брзи неутрони (главно), како и во производството на нуклеарно оружје.

Околу половина илјада нуклеарни централи ширум светот произведуваат приближно 370 GW електрична енергија (или 15% од вкупното светско производство на електрична енергија). Плутониум-236 се користи во производството на атомски електрични батерии, чиј работен век достигнува пет години или повеќе, тие се користат во струјни генератори кои го стимулираат срцето (пејсмејкери). 238Pu се користи во мали извори на нуклеарна енергија што се користат во вселенските истражувања. Така, плутониум-238 е извор на енергија за сондите New Horizons, Galileo и Cassini, роверот Curiosity и другите вселенски летала.

Нуклеарното оружје користи плутониум-239 бидејќи овој изотоп е единствениот соодветен нуклид за употреба во нуклеарна бомба. Дополнително, почестата употреба на плутониум-239 во нуклеарните бомби се должи на фактот што плутониумот зафаќа помал волумен во сферата (каде што се наоѓа јадрото на бомбата), затоа, експлозивната моќ на бомбата може да се добие поради ова имот.

Шемата со која се случува нуклеарна експлозија со плутониум лежи во дизајнот на самата бомба, чиешто јадро се состои од сфера исполнета со 239Pu. Во моментот на судир со земјата, сферата е компресирана до милион атмосфери поради дизајнот и благодарение на експлозивот што ја опкружува оваа сфера. По ударот, јадрото се шири во волумен и густина во најкус можен рок - десетици микросекунди, склопот скока низ критичната состојба со термички неутрони и оди во суперкритична состојба со брзи неутрони - започнува нуклеарна верижна реакција со учество на неутрони и јадра на елементот. Последната експлозија на нуклеарна бомба ослободува температури од редот на десетици милиони степени.

Изотопите на плутониум ја нашле својата употреба во синтезата на елементите на трансплутониум (до плутониум). На пример, во Националната лабораторија Oak Ridge, со долгорочно неутронско зрачење од 239Pu, 24496Cm, 24296Cm, 24997Bk, 25298Cf, 25399Es и 257100Fm се добиваат. На ист начин, americium 24195Am за прв пат е добиен во 1944 година. Во 2010 година, оксидот на плутониум-242 бомбардиран со јони на калциум-48 служел како извор за неунквадиум.

Δ-стабилизирани легури на плутониум се користат во производството на горивни шипки, бидејќи имаат значително подобри металуршки својства во споредба со чистиот плутониум, кој претрпува фазни транзиции кога се загрева и е многу кршлив и несигурен материјал. Легурите на плутониум со други елементи (меѓуметални соединенија) обично се добиваат со директна интеракција на елементите во потребните пропорции, додека главно се користи лачно топење; понекогаш нестабилните легури се добиваат со таложење со прскање или ладење на топи.

Главните индустриски легирани елементи за плутониум се галиум, алуминиум и железо, иако плутониумот е способен да формира легури и посредници со повеќето метали со ретки исклучоци (калиум, натриум, литиум, рубидиум, магнезиум, калциум, стронциум, бариум, европиум и итербиум) . Огноотпорни метали: молибден, ниобиум, хром, тантал и волфрам се растворливи во течен плутониум, но речиси нерастворливи или малку растворливи во цврст плутониум. Индиумот, силициумот, цинкот и циркониумот се способни да формираат метастабилен δ-плутониум (δ"-фаза) кога брзо се ладат.Галиумот, алуминиумот, америциумот, скандиумот и цериумот можат да го стабилизираат δ-плутониумот на собна температура.

Големите количества на холмиум, хафниум и талиум дозволуваат дел од δ-плутониум да се складира на собна температура. Нептуниумот е единствениот елемент кој може да го стабилизира α-плутониумот на високи температури. Титаниум, хафниум и циркониум ја стабилизираат структурата на β-плутониумот на собна температура кога брзо се ладат. Примените на таквите легури се доста разновидни. На пример, легура на плутониум-галиум се користи за стабилизирање на δ фазата на плутониумот, со што се избегнува транзицијата на α-δ фазата. Тројната легура на плутониум-галиум-кобалт (PuGaCo5) е суперспроводлива легура на 18,5 К. Постојат голем број на легури (плутониум-циркониум, плутониум-цериум и плутониум-цериум-кобалт) кои се користат како нуклеарно гориво.

Производство

Индустрискиот плутониум се произведува на два начина. Ова е или зрачење на јадрата 238U содржани во нуклеарните реактори или сепарација со радиохемиски методи (ко-таложење, екстракција, размена на јони, итн.) на плутониум од ураниум, трансурански елементи и производи од фисија содржани во потрошеното гориво.

Во првиот случај, најпрактичниот изотоп 239Pu (измешан со мала мешавина од 240Pu) се произведува во нуклеарни реактори со учество на јадра на ураниум и неутрони користејќи β-распаѓање и со учество на изотопи на нептуниум како среден производ на фисија:

23892U + 21D → 23893Np + 210n;

23893Np → 23894Pu

β-распаѓање

Во овој процес, деутрон влегува во ураниум-238, што резултира со формирање на нептуниум-238 и два неутрони. Нептуниум-238 потоа спонтано се расцепува, испуштајќи бета-минус честички кои формираат плутониум-238.

Вообичаено, содржината на 239Pu во смесата е 90-95%, 240Pu е 1-7%, содржината на другите изотопи не надминува десетини од процентот. Изотопи со долг полуживот - 242Pu и 244Pu се добиваат со продолжено зрачење со 239Pu неутрони. Покрај тоа, приносот на 242Pu е неколку десетици проценти, а 244Pu е дел од процентот на содржината на 242Pu. Мали количества изотопски чист плутониум-238 се формираат кога нептуниум-237 се озрачува со неутрони. Лесните изотопи на плутониум со масени броеви 232-237 обично се добиваат во циклотрон со зрачење на изотопи на ураниум со α-честички.

Вториот метод на индустриско производство на 239Pu го користи процесот Purex, базиран на екстракција со трибутил фосфат во лесен разредувач. Во првиот циклус, Pu и U заеднички се прочистуваат од производите на фисија и потоа се одвојуваат. Во вториот и третиот циклус, плутониумот дополнително се прочистува и концентрира. Шемата на таков процес се заснова на разликата во својствата на тетра- и шествалентни соединенија на елементите што се одвојуваат.

Првично, прачките за потрошено гориво се демонтираат и облогата што содржи потрошен плутониум и ураниум се отстранува со физички и хемиски средства. Следно, извлеченото нуклеарно гориво се раствора во азотна киселина. На крајот на краиштата, тој е силен оксидирачки агенс кога се раствора, а ураниумот, плутониумот и нечистотиите се оксидираат. Атомите на плутониум со нулта валентност се претвораат во Pu+6, а и плутониумот и ураниумот се раствораат. Од таков раствор, деведесет и четвртиот елемент се намалува во тривалентна состојба со сулфур диоксид и потоа се таложи со лантан флуорид (LaF3).

Меѓутоа, покрај плутониум, седиментот содржи нептуниум и елементи од ретка земја, но најголемиот дел (ураниум) останува во раствор. Потоа, плутониумот повторно се оксидира до Pu+6 и повторно се додава лантан флуорид. Сега ретките земјени елементи се таложат, а плутониумот останува во раствор. Следно, нептуниумот се оксидира до четиривалентна состојба со калиум бромат, бидејќи овој реагенс нема ефект врз плутониумот, потоа за време на секундарното таложење со истиот лантан флуорид, тривалентен плутониум преминува во талог, а нептуниумот останува во раствор. Крајните производи на таквите операции се соединенија што содржат плутониум - PuO2 диоксид или флуориди (PuF3 или PuF4), од кои се добива метален плутониум (со редукција со бариум, калциум или литиумска пареа).

Почист плутониум може да се постигне со електролитичко рафинирање на пирохемиски произведениот метал, што се прави во електролизни ќелии на 700 ° C со електролит од калиум, натриум и плутониум хлорид со помош на катода на волфрам или тантал. Вака добиениот плутониум има чистота од 99,99%.

За да се произведат големи количини плутониум, се градат реактори за одгледување, таканаречени „одгледувачи“ (од англискиот глагол да се размножуваат - да се размножуваат). Овие реактори го добиле своето име поради нивната способност да произведуваат фисилен материјал во количини што ги надминуваат трошоците за добивање на овој материјал. Разликата меѓу реакторите од овој тип и другите е во тоа што неутроните во нив не се успорени (нема модератор, на пример, графит) за што е можно повеќе од нив да реагираат со 238U.

По реакцијата, се формираат 239U атоми, кои последователно формираат 239Pu. Јадрото на таков реактор, кое содржи PuO2 во осиромашен ураниум диоксид (UO2), е опкружено со обвивка од уште повеќе осиромашен ураниум диоксид-238 (238UO2), во која се формира 239Pu. Комбинираната употреба на 238U и 235U им овозможува на „одгледувачите“ да произведуваат 50-60 пати повеќе енергија од природен ураниум од другите реактори. Сепак, овие реактори имаат голем недостаток - прачките за гориво мора да се ладат со друг медиум освен вода, што ја намалува нивната енергија. Затоа, беше одлучено да се користи течен натриум како течност за ладење.

Изградбата на вакви реактори во Соединетите Американски Држави започна по крајот на Втората светска војна, СССР и Велика Британија ја започнаа својата изградба дури во 1950-тите.

Физички својства

Плутониумот е многу тежок (густина на нормално ниво 19,84 g/cm³) сребрен метал, во прочистена состојба многу слична на никелот, но во воздухот плутониумот брзо оксидира, избледува, формирајќи блескав филм, прво светло жолт, а потоа се претвора во темно виолетова . Кога се случува тешка оксидација, на металната површина се појавува маслинесто зелен оксид во прав (PuO2).

Плутониумот е високо електронегативен и реактивен метал, многу пати повеќе дури и од ураниумот. Има седум алотропни модификации (α, β, γ, δ, δ", ε и ζ), кои се менуваат во одреден температурен опсег и во одреден опсег на притисок. На собна температура, плутониумот е во α-форма - ова е најчеста алотропна модификација за плутониум Во алфа фазата, чистиот плутониум е кршлив и прилично тврд - оваа структура е приближно тврда како сиво леано железо, освен ако не е легирано со други метали, што ќе и даде на легурата еластичност и мекост. во оваа форма со најголема густина, плутониумот е шестиот најгуст елемент (само осмиумот, иридиумот, платината, рениумот и нептуниумот се потешки. Понатамошните алотропни трансформации на плутониумот се придружени со нагли промени во густината. На пример, кога се загреваат од 310 до 480 ° C , не се шири, како и другите метали, туку се собира (делта фази“ и „делта прајм“) Кога се топи (премин од ипсилон фаза во течна фаза), плутониумот исто така се собира, дозволувајќи нерастопениот плутониум да лебди.

Плутониумот има голем број на необични својства: има најниска топлинска спроводливост од сите метали - на 300 K е 6,7 W/(m K); плутониумот има најниска електрична спроводливост; Во својата течна фаза, плутониумот е највискозниот метал. Отпорноста на деведесет и четвртиот елемент на собна температура е многу висока за метал, а оваа карактеристика ќе се зголеми со намалување на температурата, што не е типично за металите. Оваа „аномалија“ може да се следи до температура од 100 К - под оваа ознака електричниот отпор ќе се намали. Сепак, од 20 К отпорот повторно почнува да се зголемува поради зрачната активност на металот.

Плутониумот има најголема електрична отпорност од сите испитани актиниди (досега), која е 150 μΩ cm (на 22 °C). Овој метал има ниска точка на топење (640 °C) и невообичаено висока точка на вриење (3.227 °C). Поблиску до точката на топење, течниот плутониум има многу висок вискозитет и површинска напнатост во споредба со другите метали.

Поради својата радиоактивност, плутониумот е топол на допир. Големо парче плутониум во термичка обвивка се загрева до температура што ја надминува точката на вриење на водата! Покрај тоа, поради неговата радиоактивност, плутониумот претрпува промени во својата кристална решетка со текот на времето - се јавува еден вид жарење поради само-зрачење поради зголемувањето на температурата над 100 К.

Присуството на голем број алотропни модификации во плутониумот го прави металот тежок за обработка и исфрлање поради фазните транзиции. Веќе знаеме дека во алфа форма, деведесет и четвртиот елемент е сличен по својствата на леано железо, но сепак, има тенденција да се менува и да се претвори во еластичен материјал и да формира податлива β-форма на повисоки температурни опсези. Плутониумот во форма δ обично е стабилен на температури помеѓу 310 °C и 452 °C, но може да постои на собна температура ако се допингува со ниски проценти на алуминиум, цериум или галиум. Кога е легиран со овие метали, плутониумот може да се користи при заварување. Генерално, делта формата има поизразени карактеристики на метал - блиску е до алуминиумот по цврстина и ковање.

Хемиски својства

Хемиските својства на деведесет и четвртиот елемент се на многу начини слични на својствата на неговите претходници во периодниот систем - ураниум и нептуниум. Плутониумот е прилично активен метал, тој формира соединенија со оксидациски состојби од +2 до +7. Во водени раствори, елементот ги покажува следните оксидациски состојби: Pu (III), како Pu3+ (постои во кисели водени раствори, има светло виолетова боја); Pu (IV), како Pu4+ (чоколадна нијанса); Pu (V), како PuO2+ (лесен раствор); Pu (VI), како PuO22+ (светлопортокаловиот раствор) и Pu(VII), како PuO53- (зелен раствор).

Покрај тоа, овие јони (освен PuO53-) можат да бидат истовремено во рамнотежа во растворот, што се објаснува со присуството на 5f електрони, кои се наоѓаат во локализираната и делокализираната зона на електронската орбитала. При pH 5-8 доминира Pu(IV), кој е најстабилен меѓу другите валенции (состојби на оксидација). Плутониумовите јони од сите состојби на оксидација се склони кон хидролиза и формирање на комплекси. Способноста да се формираат такви соединенија се зголемува во серијата Pu5+

Компактниот плутониум полека се оксидира во воздухот, покривајќи се со ириден, мрсен филм од оксид. Познати се следните плутониумски оксиди: PuO, Pu2O3, PuO2 и фаза со променлив состав Pu2O3 - Pu4O7 (Berthollides). Во присуство на мала количина на влага, стапката на оксидација и корозија значително се зголемува. Ако металот е доволно долго изложен на мали количини влажен воздух, на неговата површина се формира плутониум диоксид (PuO2). Со недостаток на кислород, може да се формира и неговиот дихидрид (PuH2). Изненадувачки, плутониумот рѓосува многу побрзо во атмосфера на инертен гас (како аргон) со водена пареа отколку во сув воздух или чист кислород. Всушност, овој факт е лесно да се објасни - директното дејство на кислородот формира слој од оксид на површината на плутониумот, што спречува понатамошна оксидација; присуството на влага произведува лабава мешавина на оксид и хидрид. Патем, благодарение на оваа обвивка, металот станува пирофорен, односно е способен за спонтано согорување; поради оваа причина, металниот плутониум обично се обработува во инертна атмосфера на аргон или азот. Во исто време, кислородот е заштитна супстанција и спречува влагата да влијае на металот.

Деведесет и четвртиот елемент реагира со киселини, кислород и нивните пареи, но не и со алкалии. Плутониумот е многу растворлив само во многу кисели подлоги (на пример, хлороводородна киселина HCl), а исто така е растворлив во водород хлорид, водород јодид, водород бромид, 72% перхлорна киселина, 85% ортофосфорна киселина H3PO4, концентрирана CCl3COOH, сулфамична киселина и концентрирана азотна киселина. Плутониумот не се раствора значително во алкалните раствори.

Кога растворите што содржат четиривалентен плутониум се изложени на алкалии, талог од плутониум хидроксид Pu(OH)4 xH2O, кој има основни својства, се таложи. Кога растворите на соли кои содржат PuO2+ се изложени на алкалии, се таложи амфотеричен хидроксид PuO2OH. Одговорено е со соли - плутонити, на пример, Na2Pu2O6.

Солите на плутониум лесно се хидролизираат при контакт со неутрални или алкални раствори, создавајќи нерастворлив плутониум хидроксид. Концентрираните раствори на плутониум се нестабилни поради радиолитичко распаѓање што доведува до врнежи.