Gravedad específica del plutonio. Plutonio apto para armas: aplicación, producción, eliminación. Estar en la naturaleza, recibir

Los padres de niños deben estar preparados para diversas situaciones de emergencia con tus hijos, no está de más saber qué hacer si tu hijo encuentra plutonio.

¿Cómo se ve el plutonio?

Primero debes imaginar cómo será lo que encontrará tu hijo. Es un metal muy, muy pesado, de color plateado, en forma de polvo que brilla intensamente cuando se limpia. Pero gracias a sus propiedades electronegativas, no permanece brillante por mucho tiempo: primero se desvanece, luego se cubre con una película de color amarillo claro, que gradualmente se vuelve violeta oscuro.

Piense en qué otra cosa podría parecerse a un polvo blanco plateado, porque no se puede encontrar plutonio cerca de un columpio o un tobogán. E incluso si sube a una obra en construcción, el niño preferiría convertirse en dueño de un trozo de alambre o de un clavo que de un puñado de plutonio.

Sin embargo, si un niño trae a casa lo que usted cree que es el metal pesado descrito, debe llamar urgentemente a la policía o al departamento local del Ministerio de Situaciones de Emergencia, porque la sustancia es radiactiva, peligrosa y debe eliminarse y ocultarse rápidamente. lejos.

Debe reaccionar inmediatamente ante un “hallazgo”. Ésta no es una situación de la vida en la que puedas llamar a un amigo y averiguarlo. Después de todo, los pepinos, incluso los ácidos, son como mucho peligrosos debido a la diarrea aguda. Y si eres lo suficientemente inteligente como para no comerlos después de quitarles la tapa, entonces, en general, no son un obstáculo para tu salud.

El efecto del plutonio en el cuerpo humano.

El plutonio (Pu) no es tan inofensivo como los pepinos ácidos. Es un metal pesado y por tanto debe ser una sustancia químicamente tóxica. Sin embargo, esta propiedad está mal descrita, ya que el principal peligro reside en la radiotoxicidad. Su toxicidad se debe a la radiactividad alfa.

Una partícula alfa es peligrosa para el cuerpo sólo si su origen está en el cuerpo humano. En pocas palabras, para que se produzca un efecto radiactivo, este metal debe ingerirse. Externamente, el Pu afecta a los humanos con neutrones y rayos gamma, pero no causa mucho daño debido a su bajo nivel.

Partículas alfa en cuerpo humano dañan sólo aquellos tejidos con los que están en contacto directo. Con altos niveles de radiación, se desarrolla una intoxicación aguda y aparece inmediatamente un efecto tóxico. Los niveles bajos de radiación dañan el cuerpo gradualmente, creando una predisposición al cáncer.

El Pu se absorbe mal en el tracto digestivo. Incluso si se toma el metal en forma de sal soluble, no tiende a absorberse, sino que se mezcla con el contenido intestinal. Gran parte del plutonio no ingresa al cuerpo a través del agua contaminada; precipita en soluciones acuosas, formando compuestos insolubles.

Para morir por exposición aguda en unos pocos días o una semana, es necesario ingerir 500 mg de Pu. Al mismo tiempo, debe quedar bien picado. La muerte por edema pulmonar en un plazo de hasta 10 días amenaza a las personas que inhalan 100 mg de plutonio en los pulmones. Dosis más pequeñas de Pu en el cuerpo crean un terreno fértil para la aparición y progresión del cáncer.

¿La gente necesita

El isótopo 239Pu se utiliza como combustible nuclear para reactores de potencia que funcionan con neutrones rápidos y térmicos. El isótopo 239Pu también es indispensable en la producción de armas nucleares.

Las centrales nucleares repartidas por todo el mundo producen alrededor del 15% de la electricidad mundial.

Las baterías eléctricas atómicas que contienen Pu-236 tienen una vida útil de hasta 5 años. Los médicos utilizan este tipo de baterías en marcapasos, que se cosen en el pecho de los pacientes y hacen que el corazón se contraiga.
Pu-238 es una fuente de energía esencial para las naves espaciales que los humanos utilizan para explorar el espacio.

Hechos fascinantes

A los niños curiosos se les pueden contar hechos memorables sobre el plutonio, que difícilmente tendrán la suerte de encontrar en la vida real.

Los organismos marinos acumulan fuertemente este elemento; la capacidad de acumulación disminuye en la serie mixta de plancton, algas, estómago de pez, estrella de mar y espinas de pez.

Pu-244 es un isótopo de larga vida de elementos transuránicos. ¡Su vida media es de 82,8 millones de años!

Si agrega plutonio a la aleación, obtendrá una pieza fundida sin una sola grieta. Esta propiedad es utilizada activamente por los metalúrgicos.

Las cargas de las bombas nucleares están hechas de plutonio. El metal es tan pesado que una pequeña bola de plutonio, que puede esconderse en un cubo de 10*10 cm, pesa entre 5 y 6 kilogramos.

A todo padre le gustaría desear que su hijo no encuentre plutonio y no lo lleve a casa, sino que juegue tranquilamente con juguetes más inofensivos.

Vídeo: Plutonio-239 de RID-1

Plutonio (latín plutonio, símbolo Pu) - radiactivo elemento químico con número atómico 94 y peso atómico 244.064. El plutonio es un elemento del grupo III de la tabla periódica de Dmitry Ivanovich Mendeleev y pertenece a la familia de los actínidos. El plutonio es un metal radiactivo pesado (densidad en condiciones normales de 19,84 g/cm³), frágil y de color blanco plateado.

El plutonio no tiene isótopos estables. De los cien isótopos posibles del plutonio, se han sintetizado veinticinco. Se estudiaron las propiedades nucleares de quince de ellos (números de masa 232-246). Cuatro de ellos han encontrado aplicación práctica. Los isótopos de vida media más larga son 244Pu (vida media 8,26-107 años), 242Pu (vida media 3,76-105 años), 239Pu (vida media 2,41-104 años), 238Pu (vida media 87,74 años) - α- emisores y 241Pu (vida media 14 años) - emisor β. En la naturaleza, el plutonio se encuentra en cantidades insignificantes en los minerales de uranio (239Pu); se forma a partir de uranio bajo la influencia de neutrones, cuyas fuentes son reacciones que ocurren durante la interacción de partículas α con elementos ligeros (incluidos en los minerales), fisión espontánea de núcleos de uranio y radiación cósmica.

El elemento nonagésimo cuarto fue descubierto por un grupo de científicos estadounidenses: Glenn Seaborg, Kennedy, Edwin McMillan y Arthur Wahl en 1940 en Berkeley (en la Universidad de California) al bombardear un objetivo de óxido de uranio (U3O8) con núcleos de deuterio altamente acelerados. (deuterones) de un ciclotrón de sesenta pulgadas. En mayo de 1940, Lewis Turner predijo las propiedades del plutonio.

En diciembre de 1940, se descubrió el isótopo de plutonio Pu-238, con una vida media de ~90 años, seguido un año más tarde por el más importante Pu-239 con una vida media de ~24.000 años.

Edwin MacMillan propuso en 1948 nombrar el elemento químico plutonio en honor al descubrimiento del nuevo planeta Plutón y por analogía con el neptunio, que lleva el nombre del descubrimiento de Neptuno.

El plutonio metálico (isótopo 239Pu) se utiliza en armas nucleares y sirve como combustible nuclear en reactores de potencia que funcionan con neutrones térmicos y especialmente rápidos. La masa crítica del 239Pu como metal es de 5,6 kg. Entre otras cosas, el isótopo 239Pu es el material de partida para obtener reactores nucleares elementos transplutonio. El isótopo 238Pu se utiliza en fuentes de energía nuclear de pequeño tamaño utilizadas en la investigación espacial, así como en estimulantes cardíacos humanos.

El plutonio-242 es importante como “materia prima” para relativamente rápida acumulación Elementos transuránicos superiores en reactores nucleares. Las aleaciones de plutonio estabilizadas con δ se utilizan en la fabricación de pilas de combustible, ya que tienen mejores propiedades metalúrgicas en comparación con el plutonio puro, que sufre transiciones de fase cuando se calienta. Los óxidos de plutonio se utilizan como fuente de energía para la tecnología espacial y encuentran su aplicación en barras de combustible.

Todos los compuestos de plutonio son venenosos, lo que es consecuencia de la radiación α. Las partículas alfa representan un grave peligro si su origen se encuentra en el cuerpo de una persona infectada; dañan el tejido circundante del cuerpo. La radiación gamma del plutonio no es peligrosa para el cuerpo. Vale la pena considerar que los diferentes isótopos de plutonio tienen diferentes toxicidades; por ejemplo, el plutonio típico de un reactor es de 8 a 10 veces más tóxico que el 239Pu puro, ya que en él predominan los nucleidos de 240Pu, que es una poderosa fuente de radiación alfa. El plutonio es el elemento más radiotóxico de todos los actínidos, sin embargo, no se considera el elemento más peligroso, ya que el radio es casi mil veces más peligroso que el isótopo más venenoso del plutonio: el 239Pu.

Propiedades biológicas

El plutonio es concentrado por los organismos marinos: el coeficiente de acumulación de este metal radiactivo (la relación entre las concentraciones en el cuerpo y en el ambiente externo) para las algas es 1000-9000, para el plancton - aproximadamente 2300, para las estrellas de mar - alrededor de 1000, para los moluscos - hasta 380, para músculos, huesos, hígado y estómago de pescado: 5, 570, 200 y 1060, respectivamente. Las plantas terrestres absorben plutonio principalmente a través de sistema raíz y acumularlo al 0,01% de su masa. En el cuerpo humano, el elemento nonagésimo cuarto se retiene principalmente en el esqueleto y el hígado, de donde casi no se excreta (especialmente de los huesos).

El plutonio es muy tóxico y su peligrosidad química (como cualquier otro metal pesado) es mucho menor (desde el punto de vista químico, también es venenoso como el plomo) en comparación con su toxicidad radiactiva, que es consecuencia de la radiación alfa. Además, las partículas α tienen una capacidad de penetración relativamente baja: para el 239Pu, el rango de las partículas α en el aire es de 3,7 cm y en el tejido biológico blando de 43 μm. Por tanto, las partículas alfa suponen un grave peligro si su origen se encuentra en el cuerpo de una persona infectada. Al mismo tiempo, dañan los tejidos del cuerpo que rodean el elemento.

Al mismo tiempo, los rayos γ y los neutrones, que también emite el plutonio y que pueden penetrar el cuerpo desde el exterior, no son muy peligrosos porque su nivel es demasiado bajo para causar daños a la salud. El plutonio pertenece a un grupo de elementos con una radiotoxicidad especialmente alta. Al mismo tiempo, los diferentes isótopos del plutonio tienen diferente toxicidad; por ejemplo, el plutonio típico de un reactor es entre 8 y 10 veces más tóxico que el 239Pu puro, ya que en él predominan los nucleidos de 240Pu, que es una poderosa fuente de radiación alfa.

Cuando se ingiere a través del agua y los alimentos, el plutonio es menos tóxico que sustancias como la cafeína, algunas vitaminas, la pseudoefedrina y muchas plantas y hongos. Esto se explica por el hecho de que este elemento es poco absorbido por el tracto gastrointestinal, incluso cuando se suministra en forma de sal soluble, esta misma sal queda unida al contenido del estómago y los intestinos. Sin embargo, la ingestión de 0,5 gramos de plutonio en estado finamente dividido o disuelto puede provocar la muerte por exposición aguda a la radiación. sistema digestivo durante varios días o semanas (para el cianuro este valor es 0,1 gramos).

Desde el punto de vista de la inhalación, el plutonio es una toxina ordinaria (aproximadamente equivalente al vapor de mercurio). Cuando se inhala, el plutonio es cancerígeno y puede provocar cáncer de pulmón. Así, cuando se inhalan cien miligramos de plutonio en forma de partículas de tamaño óptimo para su retención en los pulmones (1-3 micrones), provocan la muerte por edema pulmonar en 1-10 días. Una dosis de veinte miligramos provoca la muerte por fibrosis en aproximadamente un mes. Dosis más pequeñas provocan una intoxicación cancerígena crónica. El peligro de inhalación de plutonio en el cuerpo aumenta debido a que el plutonio es propenso a la formación de aerosoles.

Aunque es un metal, es bastante volátil. Una breve estancia del metal en una habitación aumenta significativamente su concentración en el aire. El plutonio que ingresa a los pulmones se deposita parcialmente en la superficie de los pulmones, pasa parcialmente a la sangre y luego a la linfa y la médula ósea. La mayor parte (aproximadamente el 60%) termina en el tejido óseo, el 30% en el hígado y solo el 10% se excreta. naturalmente. La cantidad de plutonio que ingresa al cuerpo depende del tamaño de las partículas del aerosol y de su solubilidad en la sangre.

El plutonio que ingresa al cuerpo humano de una forma u otra tiene propiedades similares al hierro férrico, por lo tanto, al penetrar en el sistema circulatorio, el plutonio comienza a concentrarse en los tejidos que contienen hierro: la médula ósea, el hígado y el bazo. El cuerpo percibe el plutonio como hierro, por lo que la proteína transferrina toma plutonio en lugar de hierro, como resultado de lo cual se detiene la transferencia de oxígeno en el cuerpo. Los microfagos transportan plutonio a los ganglios linfáticos. El plutonio que ingresa al cuerpo tarda mucho en eliminarse del cuerpo: dentro de 50 años, solo el 80% se eliminará del cuerpo. La vida media en el hígado es de 40 años. Para el tejido óseo, la vida media del plutonio es de 80 a 100 años; de hecho, la concentración del elemento noventa y cuatro en los huesos es constante.

Durante la Segunda Guerra Mundial y después de su fin, los científicos que trabajaban en el Proyecto Manhattan, así como científicos del Tercer Reich y otras organizaciones de investigación, realizaron experimentos utilizando plutonio en animales y humanos. Los estudios en animales han demostrado que unos pocos miligramos de plutonio por kilogramo de tejido son una dosis letal. El uso de plutonio en humanos consistía normalmente en la inyección intramuscular de 5 mcg de plutonio a pacientes con enfermedades crónicas. Finalmente se determinó que la dosis letal para un paciente era un microgramo de plutonio, y que el plutonio era más peligroso que el radio y tendía a acumularse en los huesos.

Como se sabe, el plutonio es un elemento prácticamente ausente en la naturaleza. Sin embargo, unas cinco toneladas fueron liberadas a la atmósfera como resultado de las pruebas nucleares realizadas en el período 1945-1963. La cantidad total de plutonio liberado a la atmósfera debido a las pruebas nucleares realizadas antes de los años 1980 se estima en 10 toneladas. Según algunas estimaciones, el suelo de Estados Unidos contiene un promedio de 2 milicurios (28 mg) de plutonio por km2 de lluvia radiactiva, y la presencia de plutonio en el Océano Pacífico es elevada en relación con la distribución general de materiales nucleares en la Tierra.

El último fenómeno está asociado con las pruebas nucleares estadounidenses en las Islas Marshall en el sitio de pruebas del Pacífico a mediados de la década de 1950. El tiempo de permanencia del plutonio en las aguas superficiales del océano varía de 6 a 21 años; sin embargo, incluso después de este período, el plutonio cae al fondo junto con partículas biogénicas, de las cuales se reduce a formas solubles como resultado de la descomposición microbiana.

La contaminación global con el elemento noventa y cuatro está asociada no solo con las pruebas nucleares, sino también con accidentes en la producción y los equipos que interactúan con este elemento. Así, en enero de 1968, un B-52 de la Fuerza Aérea de Estados Unidos que transportaba cuatro ojivas nucleares se estrelló en Groenlandia. Como resultado de la explosión, las cargas fueron destruidas y el plutonio se filtró al océano.

Otro caso de contaminación radiactiva del medio ambiente como consecuencia de un accidente ocurrió con la nave espacial soviética Kosmos-954 el 24 de enero de 1978. Como consecuencia de una salida de órbita descontrolada, un satélite con una fuente de energía nuclear a bordo cayó en territorio canadiense. Como resultado del accidente, se liberó al medio ambiente más de un kilogramo de plutonio-238, esparcido en una superficie de unos 124.000 m².

El ejemplo más terrible de fuga de emergencia de sustancias radiactivas al medio ambiente es el accidente de la central nuclear de Chernobyl, ocurrido el 26 de abril de 1986. Como resultado de la destrucción de la cuarta unidad de energía, se liberaron al medio ambiente 190 toneladas de sustancias radiactivas (incluidos isótopos de plutonio) en un área de aproximadamente 2200 km².

La liberación de plutonio al medio ambiente no sólo está asociada a incidentes provocados por el hombre. Se conocen casos de fuga de plutonio, tanto en condiciones de laboratorio como de fábrica. Se conocen más de veinte fugas accidentales de los laboratorios de 235U y 239Pu. Durante 1953-1978. Los accidentes provocaron una pérdida de 0,81 (Mayak, 15 de marzo de 1953) a 10,1 kg (Tomsk, 13 de diciembre de 1978) 239Pu. Los incidentes industriales provocaron un total de dos muertes en Los Álamos (21 de agosto de 1945 y 21 de mayo de 1946) debido a dos accidentes y la pérdida de 6,2 kg de plutonio. En la ciudad de Sarov en 1953 y 1963. Aproximadamente 8 y 17,35 kg cayeron fuera del reactor nuclear. Uno de ellos provocó la destrucción de un reactor nuclear en 1953.

Cuando un núcleo de 238Pu fisiona con neutrones, se liberan 200 MeV de energía, lo que es 50 millones de veces más que la reacción exotérmica más famosa: C + O2 → CO2. Al "quemarse" en un reactor nuclear, un gramo de plutonio produce 2.107 kcal: esta es la energía contenida en 4 toneladas de carbón. ¡Un dedal de combustible de plutonio en equivalente energético puede equivaler a cuarenta carros de buena leña!

Se cree que el “isótopo natural” del plutonio (244Pu) es el isótopo más longevo de todos los elementos transuránicos. Su vida media es de 8,26∙107 años. Los científicos han estado intentando durante mucho tiempo obtener un isótopo de un elemento transuránico que exista más que el 244Pu; grandes esperanzas a este respecto estaban puestas en el 247Cm. Sin embargo, después de su síntesis resultó que la vida media de este elemento es de sólo 14 millones de años.

Historia

En 1934, un grupo de científicos dirigido por Enrico Fermi afirmó que durante un trabajo científico en la Universidad de Roma habían descubierto un elemento químico con el número de serie 94. Ante la insistencia de Fermi, el elemento recibió el nombre de hesperium, el científico estaba convencido de que había descubierto un nuevo elemento, que ahora se llama plutonio, sugiriendo así la existencia de elementos transuránicos y convirtiéndose en su descubridor teórico. Fermi defendió esta hipótesis en su conferencia Nobel en 1938. Sólo después del descubrimiento de la fisión nuclear por los científicos alemanes Otto Frisch y Fritz Strassmann, Fermi se vio obligado a hacer una nota en la versión impresa publicada en Estocolmo en 1939 indicando la necesidad de reconsiderar “todo el problema de los elementos transuránicos”. El caso es que los trabajos de Frisch y Strassmann demostraron que la actividad descubierta por Fermi en sus experimentos se debía precisamente a la fisión, y no al descubrimiento de elementos transuránicos, como creía anteriormente.

A finales de 1940 se descubrió un nuevo elemento, el nonagésimo cuarto. Sucedió en Berkeley en la Universidad de California. Al bombardear óxido de uranio (U3O8) con núcleos de hidrógeno pesado (deuterones), un grupo de radioquímicos estadounidenses dirigidos por Glenn T. Seaborg descubrió un emisor de partículas alfa hasta ahora desconocido con una vida media de 90 años. Este emisor resultó ser el isótopo del elemento nº 94 con un número másico de 238. Así, el 14 de diciembre de 1940 se obtuvieron los primeros microgramos de plutonio junto con una mezcla de otros elementos y sus compuestos.

Durante un experimento realizado en 1940, se descubrió que durante una reacción nuclear, se produce por primera vez el isótopo de vida corta neptunio-238 (vida media de 2,117 días) y, a partir de él, plutonio-238:

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

Largo y laborioso experimentos quimicos Fueron necesarios dos meses para separar el nuevo elemento de las impurezas. La existencia de un nuevo elemento químico fue confirmada la noche del 23 al 24 de febrero de 1941 por G. T. Seaborg, E. M. Macmillan, J. W. Kennedy y A. C. Wall mediante el estudio de sus primeras propiedades químicas: la capacidad de poseer al menos dos elementos de oxidación. estados. Un poco más tarde del final de los experimentos, se estableció que este isótopo no es fisible y, por lo tanto, no es interesante para estudios posteriores. Pronto (marzo de 1941), Kennedy, Seaborg, Segre y Wahl sintetizaron un isótopo más importante, el plutonio-239, irradiando uranio con neutrones altamente acelerados en un ciclotrón. Este isótopo se forma por la desintegración del neptunio-239, emite rayos alfa y tiene una vida media de 24.000 años. El primer compuesto puro del elemento se obtuvo en 1942 y las primeras cantidades en peso de plutonio metálico se obtuvieron en 1943.

El nombre del nuevo elemento 94 fue propuesto en 1948 por MacMillan, quien, unos meses antes del descubrimiento del plutonio, junto con F. Eibelson, obtuvo el primer elemento más pesado que el uranio: el elemento número 93, que en honor recibió el nombre de neptunio. del planeta Neptuno, el primero más allá de Urano. Por analogía, decidieron llamar al elemento número 94 plutonio, ya que el planeta Plutón ocupa el segundo lugar después de Urano. A su vez, Seaborg propuso llamar al nuevo elemento “plutio”, pero luego se dio cuenta de que el nombre no sonaba muy bien comparado con “plutonio”. Además, propuso otros nombres para el nuevo elemento: ultimium, extermium, debido a la opinión errónea en aquel momento de que el plutonio se convertiría en el último elemento químico de la tabla periódica. Como resultado, el elemento recibió el nombre de “plutonio” en honor al descubrimiento del último planeta del sistema solar.

Estar en la naturaleza

La vida media del isótopo más longevo del plutonio es de 75 millones de años. La cifra es muy impresionante, sin embargo, la edad de la galaxia se mide en miles de millones de años. De esto se deduce que los isótopos primarios del elemento noventa y cuatro, formados durante la gran síntesis de los elementos del Universo, no tenían ninguna posibilidad de sobrevivir hasta el día de hoy. Y, sin embargo, esto no significa que no haya plutonio en la Tierra. Se forma constantemente en los minerales de uranio. Al capturar neutrones de la radiación cósmica y neutrones producidos por la fisión espontánea de los núcleos de 238U, algunos (muy pocos) átomos de este isótopo se convierten en átomos de 239U. Los núcleos de este elemento son muy inestables, emiten electrones y con ello aumentan su carga, y se produce la formación de neptunio, el primer elemento transuránico. El 239Np también es inestable, sus núcleos también emiten electrones, por lo que en sólo 56 horas la mitad del 239Np se convierte en 239Pu.

La vida media de este isótopo ya es muy larga y asciende a 24.000 años. En promedio, el contenido de 239Pu es aproximadamente 400.000 veces menor que el de radio. Por lo tanto, es extremadamente difícil no sólo extraer, sino incluso detectar plutonio "terrestre". En los minerales de uranio se pueden encontrar pequeñas cantidades de 239Pu (partes por billón) y productos de desintegración, por ejemplo en el reactor nuclear natural de Oklo, Gabón (África Occidental). El llamado “reactor nuclear natural” se considera el único del mundo en el que actualmente se forman actínidos y sus productos de fisión en la geosfera. Según estimaciones modernas, hace varios millones de años se produjo en esta región una reacción autosostenida con liberación de calor que duró más de medio millón de años.

Entonces, ya sabemos que en los minerales de uranio, como resultado de la captura de neutrones por los núcleos de uranio, se forma neptunio (239Np), cuyo producto de desintegración β es el plutonio-239 natural. Gracias a instrumentos especiales, espectrómetros de masas, se descubrió en la bastnasita (mineral de cerio) del Precámbrico la presencia del plutonio-244 (244Pu), que tiene la vida media más larga (aproximadamente 80 millones de años). En la naturaleza, el 244Pu se encuentra predominantemente en forma de dióxido (PuO2), que es incluso menos soluble en agua que la arena (cuarzo). Dado que el isótopo plutonio-240 (240Pu), de vida relativamente larga, se encuentra en la cadena de desintegración del plutonio-244, su desintegración ocurre, pero esto ocurre muy raramente (1 caso entre 10.000). Cantidades muy pequeñas de plutonio-238 (238Pu) se deben a la muy rara desintegración beta doble del isótopo original, el uranio-238, que se encontró en los minerales de uranio.

Se encontraron trazas de los isótopos 247Pu y 255Pu en el polvo acumulado tras las explosiones de bombas termonucleares.

En el cuerpo humano podrían existir cantidades mínimas de plutonio, dado que se han realizado un gran número de pruebas nucleares relacionadas de una forma u otra con el plutonio. El plutonio se acumula principalmente en el esqueleto y el hígado, de donde prácticamente no se excreta. Además, el elemento noventa y cuatro lo acumulan los organismos marinos; Las plantas terrestres absorben plutonio principalmente a través del sistema radicular.

Resulta que el plutonio sintetizado artificialmente todavía existe en la naturaleza, entonces, ¿por qué no se extrae, sino que se obtiene? artificialmente? El caso es que la concentración de este elemento es demasiado baja. Sobre otro metal radiactivo, el radio, dicen: "un gramo de producción, un año de trabajo", ¡y el radio en la naturaleza es 400.000 veces más abundante que el plutonio! Por esta razón, es extremadamente difícil no sólo extraer, sino incluso detectar plutonio "terrestre". Esto se hizo sólo después de que se estudiaran las propiedades físicas y químicas del plutonio producido en los reactores nucleares.

Solicitud

El isótopo 239Pu (junto con el U) se utiliza como combustible nuclear en reactores de energía que funcionan con neutrones térmicos y rápidos (principalmente), así como en la fabricación de armas nucleares.

Alrededor de medio millar de centrales nucleares en todo el mundo generan aproximadamente 370 GW de electricidad (o el 15% de la producción eléctrica total del mundo). El plutonio-236 se utiliza en la fabricación de baterías eléctricas atómicas, cuya vida útil alcanza los cinco años o más, se utilizan en generadores de corriente que estimulan el corazón (marcapasos). El 238Pu se utiliza en fuentes de energía nuclear de pequeño tamaño utilizadas en la investigación espacial. Así, el plutonio-238 es la fuente de energía de las sondas New Horizons, Galileo y Cassini, del rover Curiosity y de otras naves espaciales.

Las armas nucleares utilizan plutonio-239 porque este isótopo es el único nucleido adecuado para su uso en una bomba nuclear. Además, el uso más frecuente de plutonio-239 en bombas nucleares se debe a que el plutonio ocupa menos volumen en la esfera (donde se encuentra el núcleo de la bomba), por lo que el poder explosivo de la bomba se puede ganar gracias a esto. propiedad.

El esquema mediante el cual se produce una explosión nuclear con plutonio reside en el diseño de la propia bomba, cuyo núcleo está formado por una esfera llena de 239Pu. En el momento de la colisión con el suelo, la esfera se comprime a un millón de atmósferas debido al diseño y al explosivo que la rodea. Después del impacto, el núcleo se expande en volumen y densidad en el menor tiempo posible - decenas de microsegundos, el conjunto salta del estado crítico con neutrones térmicos y pasa al estado supercrítico con neutrones rápidos - comienza una reacción nuclear en cadena con la participación de neutrones y núcleos del elemento. La explosión final de una bomba nuclear libera temperaturas del orden de decenas de millones de grados.

Los isótopos de plutonio han encontrado su uso en la síntesis de elementos transplutonio (junto al plutonio). Por ejemplo, en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge, con irradiación de neutrones a largo plazo se obtienen 239Pu, 24496Cm, 24296Cm, 24997Bk, 25298Cf, 25399Es y 257100Fm. De la misma forma, el americio 24195Am se obtuvo por primera vez en 1944. En 2010, el óxido de plutonio-242 bombardeado con iones de calcio-48 sirvió como fuente de ununquadio.

Las aleaciones de plutonio estabilizado con δ se utilizan en la fabricación de barras de combustible porque tienen propiedades metalúrgicas significativamente mejores en comparación con el plutonio puro, que sufre transiciones de fase cuando se calienta y es un material muy frágil y poco fiable. Las aleaciones de plutonio con otros elementos (compuestos intermetálicos) generalmente se obtienen mediante interacción directa de elementos en las proporciones requeridas, mientras que principalmente se utiliza la fusión por arco; a veces, las aleaciones inestables se obtienen mediante deposición por pulverización o enfriamiento de las masas fundidas.

Los principales elementos de aleación industrial del plutonio son el galio, el aluminio y el hierro, aunque el plutonio es capaz de formar aleaciones e intermediarios con la mayoría de los metales con raras excepciones (potasio, sodio, litio, rubidio, magnesio, calcio, estroncio, bario, europio e iterbio). . Metales refractarios: molibdeno, niobio, cromo, tantalio y tungsteno son solubles en plutonio líquido, pero casi insolubles o ligeramente solubles en plutonio sólido. El indio, el silicio, el zinc y el circonio son capaces de formar δ-plutonio metaestable (fase δ") tras un enfriamiento rápido. El galio, el aluminio, el americio, el escandio y el cerio pueden estabilizar el δ-plutonio cuando temperatura ambiente.

Grandes cantidades de holmio, hafnio y talio permiten almacenar algo de δ-plutonio a temperatura ambiente. El neptunio es el único elemento que puede estabilizar el α-plutonio a altas temperaturas. El titanio, el hafnio y el circonio estabilizan la estructura del β-plutonio a temperatura ambiente cuando se enfrían rápidamente. Las aplicaciones de este tipo de aleaciones son bastante diversas. Por ejemplo, se utiliza una aleación de plutonio-galio para estabilizar la fase δ del plutonio, lo que evita la transición de fase α-δ. La aleación ternaria de plutonio-galio-cobalto (PuGaCo5) es una aleación superconductora a 18,5 K. Hay varias aleaciones (plutonio-circonio, plutonio-cerio y plutonio-cerio-cobalto) que se utilizan como combustible nuclear.

Producción

El plutonio industrial se produce de dos maneras. Se trata de la irradiación de núcleos de 238U contenidos en reactores nucleares o de la separación por métodos radioquímicos (coprecipitación, extracción, intercambio iónico, etc.) del plutonio del uranio, elementos transuránicos y productos de fisión contenidos en el combustible gastado.

En el primer caso, el isótopo más práctico 239Pu (mezclado con una pequeña mezcla de 240Pu) se produce en reactores nucleares con la participación de núcleos de uranio y neutrones mediante desintegración β y con la participación de isótopos de neptunio como producto intermedio de fisión:

23892U + 21D → 23893Np + 210n;

23893Np → 23894Pu

desintegración β

En este proceso, un deuterón ingresa al uranio-238, lo que resulta en la formación de neptunio-238 y dos neutrones. Luego, el neptunio-238 se fisiona espontáneamente, emitiendo partículas beta-menos que forman plutonio-238.

Normalmente, el contenido de 239Pu en la mezcla es del 90-95%, el de 240Pu es del 1-7% y el contenido de otros isótopos no supera las décimas de porcentaje. Los isótopos con vidas medias largas: 242Pu y 244Pu se obtienen mediante irradiación prolongada con neutrones de 239Pu. Además, el rendimiento de 242Pu es de varias decenas de por ciento y el de 244Pu es una fracción de un porcentaje del contenido de 242Pu. Se forman pequeñas cantidades de plutonio-238 isotópicamente puro cuando se irradia neptunio-237 con neutrones. Los isótopos ligeros de plutonio con números de masa 232-237 generalmente se obtienen en un ciclotrón irradiando isótopos de uranio con partículas α.

El segundo método de producción industrial de 239Pu utiliza el proceso Purex, basado en la extracción con tributilfosfato en un diluyente ligero. En el primer ciclo, el Pu y el U se purifican conjuntamente de los productos de fisión y luego se separan. En el segundo y tercer ciclo, el plutonio se purifica y concentra aún más. El esquema de dicho proceso se basa en la diferencia en las propiedades de los compuestos tetravalentes y hexavalentes de los elementos que se separan.

Inicialmente, se desmantelan las barras de combustible gastado y se elimina por medios físicos y químicos el revestimiento que contiene plutonio y uranio gastados. A continuación, el combustible nuclear extraído se disuelve en ácido nítrico. Después de todo, es un agente oxidante fuerte cuando se disuelve, y el uranio, el plutonio y las impurezas se oxidan. Los átomos de plutonio con valencia cero se convierten en Pu+6 y tanto el plutonio como el uranio se disuelven. A partir de dicha solución, el elemento nonagésimo cuarto se reduce al estado trivalente con dióxido de azufre y luego se precipita con fluoruro de lantano (LaF3).

Sin embargo, además de plutonio, el sedimento contiene neptunio y tierras raras, pero la mayor parte (uranio) permanece en solución. A continuación, el plutonio se oxida nuevamente a Pu+6 y se agrega nuevamente fluoruro de lantano. Ahora las tierras raras precipitan y el plutonio permanece en solución. A continuación, el neptunio se oxida a un estado tetravalente con bromato de potasio, ya que este reactivo no tiene ningún efecto sobre el plutonio, luego, durante la precipitación secundaria con el mismo fluoruro de lantano, el plutonio trivalente pasa al precipitado y el neptunio permanece en solución. Los productos finales de tales operaciones son compuestos que contienen plutonio: dióxido de PuO2 o fluoruros (PuF3 o PuF4), a partir de los cuales se obtiene el plutonio metálico (por reducción con vapor de bario, calcio o litio).

Se puede lograr un plutonio más puro mediante el refinado electrolítico del metal producido piroquímicamente, que se realiza en celdas de electrólisis a 700°C con un electrolito de cloruro de potasio, sodio y plutonio utilizando un cátodo de tungsteno o tantalio. El plutonio así obtenido tiene una pureza del 99,99%.

Para producir grandes cantidades de plutonio se construyen reactores reproductores, los llamados “breeders” (del verbo inglés to breed, multiplicar). Estos reactores recibieron su nombre debido a su capacidad de producir material fisible en cantidades superiores al coste de obtención de este material. La diferencia entre reactores de este tipo y otros es que los neutrones que contienen no se ralentizan (no hay moderador, por ejemplo, grafito) para que el mayor número posible de ellos reaccionen con 238U.

Después de la reacción se forman átomos de 239U, que posteriormente forman 239Pu. El núcleo de dicho reactor, que contiene PuO2 en dióxido de uranio empobrecido (UO2), está rodeado por una capa de dióxido de uranio empobrecido-238 (238UO2) aún más empobrecido, en el que se forma 239Pu. El uso combinado de 238U y 235U permite a los "reproductores" producir entre 50 y 60 veces más energía a partir de uranio natural que otros reactores. Sin embargo, estos reactores tienen un gran inconveniente: las barras de combustible deben enfriarse mediante un medio distinto del agua, lo que reduce su energía. Por lo tanto, se decidió utilizar sodio líquido como refrigerante.

La construcción de tales reactores en los Estados Unidos de América comenzó después del final de la Segunda Guerra Mundial; la URSS y Gran Bretaña no comenzaron su construcción hasta la década de 1950.

Propiedades físicas

El plutonio es un metal plateado muy pesado (densidad en un nivel normal de 19,84 g/cm³), en estado purificado es muy similar al níquel, pero en el aire el plutonio se oxida rápidamente, se desvanece y forma una película iridiscente, primero de color amarillo claro y luego volviéndose violeta oscuro. . Cuando se produce una oxidación severa, aparece un polvo de óxido verde oliva (PuO2) en la superficie del metal.

El plutonio es un metal altamente electronegativo y reactivo, incluso muchas veces más que el uranio. Tiene siete modificaciones alotrópicas (α, β, γ, δ, δ", ε y ζ), que cambian en un cierto rango de temperatura y en un cierto rango de presión. A temperatura ambiente, el plutonio está en forma α, esto es la modificación alotrópica más común del plutonio En la fase alfa, el plutonio puro es frágil y bastante duro: esta estructura es casi tan dura como la fundición gris a menos que se alee con otros metales, lo que le dará ductilidad y suavidad a la aleación. en esta forma de mayor densidad, el plutonio es el sexto elemento más denso (solo el osmio, el iridio, el platino, el renio y el neptunio son más pesados. Otras transformaciones alotrópicas del plutonio van acompañadas de cambios bruscos de densidad. Por ejemplo, cuando se calienta de 310 a 480 ° C , no se expande, como otros metales, sino que se contrae (fases delta " y " delta prime "). Cuando se funde (transición de la fase épsilon a la fase líquida), el plutonio también se contrae, permitiendo que el plutonio no fundido flote.

El plutonio tiene muchas propiedades inusuales: tiene la conductividad térmica más baja de todos los metales: a 300 K es de 6,7 W/(m·K); el plutonio tiene la conductividad eléctrica más baja; En su fase líquida, el plutonio es el metal más viscoso. La resistividad del elemento nonagésimo cuarto a temperatura ambiente es muy alta para un metal, y esta característica aumentará al disminuir la temperatura, lo que no es típico de los metales. Esta "anomalía" se puede rastrear hasta una temperatura de 100 K; por debajo de esta marca, la resistencia eléctrica disminuirá. Sin embargo, a partir de 20 K la resistencia comienza a aumentar nuevamente debido a la actividad de radiación del metal.

El plutonio tiene la resistividad eléctrica más alta de todos los actínidos estudiados (hasta ahora), que es de 150 μΩ cm (a 22 °C). Este metal tiene un punto de fusión bajo (640 °C) y un punto de ebullición inusualmente alto (3227 °C). Más cerca del punto de fusión, el plutonio líquido tiene una viscosidad y tensión superficial muy altas en comparación con otros metales.

Debido a su radiactividad, el plutonio está caliente al tacto. ¡Un gran trozo de plutonio en una capa térmica se calienta a una temperatura que excede el punto de ebullición del agua! Además, debido a su radiactividad, el plutonio sufre cambios en su red cristalina con el tiempo: se produce una especie de recocido debido a la autoirradiación debida al aumento de temperatura por encima de 100 K.

La presencia de una gran cantidad de modificaciones alotrópicas en el plutonio lo convierte en un metal difícil de procesar y desarrollar debido a las transiciones de fase. Ya sabemos que en forma alfa el elemento nonagésimo cuarto tiene propiedades similares al hierro fundido, pero tiene la propiedad de cambiar y convertirse en material de plastico, y forman una forma β maleable en rangos de temperatura más altos. El plutonio en forma δ suele ser estable a temperaturas entre 310 °C y 452 °C, pero puede existir a temperatura ambiente si está dopado con bajos porcentajes de aluminio, cerio o galio. Cuando se alea con estos metales, el plutonio se puede utilizar para soldar. En general, la forma delta tiene características de metal más pronunciadas: está cerca del aluminio en resistencia y fragilidad.

Propiedades químicas

Las propiedades químicas del elemento nonagésimo cuarto son en muchos aspectos similares a las propiedades de sus predecesores en tabla periódica- uranio y neptunio. El plutonio es un metal bastante activo, forma compuestos con estados de oxidación de +2 a +7. En soluciones acuosas, el elemento presenta los siguientes estados de oxidación: Pu (III), como Pu3+ (existe en soluciones acuosas ácidas, tiene un color violeta claro); Pu (IV), como Pu4+ (tono chocolate); Pu (V), como PuO2+ (solución ligera); Pu (VI), como PuO22+ (solución naranja claro) y Pu(VII), como PuO53- (solución verde).

Además, estos iones (excepto PuO53-) pueden estar simultáneamente en equilibrio en una solución, lo que se explica por la presencia de electrones 5f, que se encuentran en la zona localizada y deslocalizada del orbital del electrón. A pH 5-8, domina el Pu(IV), que es el más estable entre otras valencias (estados de oxidación). Los iones de plutonio de todos los estados de oxidación son propensos a la hidrólisis y a la formación de complejos. La capacidad de formar tales compuestos aumenta en la serie Pu5+.

El plutonio compacto se oxida lentamente en el aire y se cubre con una película de óxido aceitosa e iridiscente. Se conocen los siguientes óxidos de plutonio: PuO, Pu2O3, PuO2 y una fase de composición variable Pu2O3 - Pu4O7 (Berthollides). En presencia de pequeñas cantidades de humedad, la tasa de oxidación y corrosión aumenta significativamente. Si un metal se expone a pequeñas cantidades de aire húmedo durante un tiempo suficiente, se forma dióxido de plutonio (PuO2) en su superficie. En caso de falta de oxígeno, también se puede formar su dihidruro (PuH2). Sorprendentemente, el plutonio se oxida mucho más rápido en una atmósfera de un gas inerte (como el argón) con vapor de agua que en aire seco u oxígeno puro. De hecho, este hecho es fácil de explicar: la acción directa del oxígeno forma una capa de óxido en la superficie del plutonio, que evita una mayor oxidación; la presencia de humedad produce una mezcla suelta de óxido e hidruro. Por cierto, gracias a este recubrimiento, el metal se vuelve pirofórico, es decir, es capaz de combustión espontánea, por lo que el plutonio metálico se suele procesar en una atmósfera inerte de argón o nitrógeno. Al mismo tiempo, el oxígeno es una sustancia protectora y evita que la humedad afecte al metal.

El elemento nonagésimo cuarto reacciona con ácidos, oxígeno y sus vapores, pero no con álcalis. El plutonio es muy soluble sólo en medios muy ácidos (por ejemplo, ácido clorhídrico HCl), y también se disuelve en cloruro de hidrógeno, yoduro de hidrógeno, bromuro de hidrógeno, ácido perclórico al 72%, ácido fosfórico al 85% H3PO4, CCl3COOH concentrado, ácido sulfámico y ácido nítrico concentrado hirviendo. El plutonio no se disuelve notablemente en soluciones alcalinas.

Cuando las soluciones que contienen plutonio tetravalente se exponen a álcalis, precipita un precipitado de hidróxido de plutonio Pu(OH)4 xH2O, que tiene propiedades básicas. Cuando soluciones de sales que contienen PuO2+ se exponen a álcalis, hidróxido anfótero PuO2OH. La respuesta son las sales: plutonitas, por ejemplo Na2Pu2O6.

Las sales de plutonio se hidrolizan fácilmente al entrar en contacto con soluciones neutras o alcalinas, creando hidróxido de plutonio insoluble. Las soluciones concentradas de plutonio son inestables debido a la descomposición radiolítica que conduce a la precipitación.

Plutonio- un elemento químico radiactivo del grupo actínido, ampliamente utilizado en la producción armas nucleares(el llamado “plutonio apto para armas”), y también (experimentalmente) como combustible nuclear para reactores nucleares con fines civiles y de investigación. El primer elemento artificial obtenido en cantidades disponibles para pesar (1942).

La tabla de la derecha muestra las principales propiedades del α-Pu, la principal modificación alotrópica del plutonio a temperatura ambiente y presión normal.

Historia del plutonio

El isótopo de plutonio 238 Pu fue producido artificialmente por primera vez el 23 de febrero de 1941 por un grupo de científicos estadounidenses dirigido por Glenn Seaborg mediante la irradiación de núcleos. uranio deuterones. Es de destacar que solo después de la producción artificial se descubrió el plutonio en la naturaleza: en cantidades insignificantes, generalmente se encuentra 239 Pu en los minerales de uranio como producto de la transformación radiactiva del uranio.

Encontrar plutonio en la naturaleza

En los minerales de uranio, como resultado de la captura de neutrones (por ejemplo, neutrones de la radiación cósmica) por los núcleos de uranio, neptunio(239 Np), cuyo producto de desintegración β es el plutonio-239 natural. Sin embargo, el plutonio se forma en cantidades tan microscópicas (0,4-15 partes de Pu por 10 12 partes de U) que su extracción de minerales de uranio está fuera de discusión.

origen del nombre plutonio

En 1930, el mundo astronómico estaba entusiasmado con una noticia maravillosa: se había descubierto un nuevo planeta, de cuya existencia hablaba desde hacía mucho tiempo Percival Lovell, astrónomo, matemático y autor de fantásticos ensayos sobre la vida en Marte. Basado en muchos años de observaciones de movimiento. Urano Y Neptuno Lovell llegó a la conclusión de que más allá de Neptuno en el sistema solar debería haber otro noveno planeta, cuarenta veces más lejos del Sol que la Tierra.

Este planeta, cuyos elementos orbitales calculó Lovell allá por 1915, fue descubierto en fotografías tomadas los días 21, 23 y 29 de enero de 1930 por el astrónomo K. Tombaugh en el Observatorio de Flagstaff ( EE.UU) . El planeta fue nombrado. Plutón. El elemento número 94, obtenido artificialmente a finales de 1940 a partir de núcleos, lleva el nombre de este planeta situado en el sistema solar más allá de Neptuno. átomos uranio un grupo de científicos estadounidenses dirigido por G. Seaborg.

Propiedades físicas plutonio

Hay 15 isótopos de plutonio. Los isótopos con números de masa de 238 a 242 se producen en mayores cantidades:

238 Pu -> (vida media 86 años, desintegración alfa) -> 234 U,

Este isótopo se utiliza casi exclusivamente en RTG con fines espaciales, por ejemplo en todos los vehículos que han sobrevolado la órbita de Marte.

239 Pu -> (vida media 24.360 años, desintegración alfa) -> 235 U,

Este isótopo es más adecuado para la construcción de armas nucleares y reactores nucleares de neutrones rápidos.

240 Pu -> (vida media 6580 años, desintegración alfa) -> 236 U, 241 Pu -> (vida media 14,0 años, desintegración beta) -> 241 Am, 242 Pu -> (vida media 370.000 años, desintegración alfa) -desintegración) -> 238 U

Estos tres isótopos no tienen importancia industrial importante, pero se obtienen como subproductos cuando se produce energía en reactores nucleares que utilizan uranio, mediante la captura secuencial de varios neutrones por núcleos de uranio-238. El isótopo 242 es más similar en propiedades nucleares al uranio-238. El americio-241, producido por la desintegración del isótopo 241, se utilizó en detectores de humo.

El plutonio es interesante porque sufre seis transiciones de fase desde su temperatura de solidificación a la temperatura ambiente, más que cualquier otro elemento químico. En este último caso, la densidad aumenta bruscamente en un 11%, lo que provoca que las piezas fundidas de plutonio se agrieten. La fase alfa es estable a temperatura ambiente, cuyas características se dan en la tabla. Para la aplicación, es más conveniente la fase delta, que tiene una densidad más baja, y una red cúbica centrada en el cuerpo. El plutonio en la fase delta es muy dúctil, mientras que la fase alfa es frágil. Para estabilizar el plutonio en fase delta se utiliza el dopaje con metales trivalentes (el galio se utilizó en las primeras cargas nucleares).

Aplicaciones del plutonio

El primer dispositivo nuclear a base de plutonio fue detonado el 16 de julio de 1945 en el polígono de pruebas de Alamogordo (prueba con el nombre en código Trinity).

Papel biológico del plutonio.

El plutonio es muy tóxico; La concentración máxima permitida de 239 Pu en cuerpos de agua abiertos y en el aire de las salas de trabajo es de 81,4 y 3,3 * 10 −5 Bq/l, respectivamente. La mayoría de los isótopos del plutonio tienen una alta densidad de ionización y una corta longitud de trayectoria de las partículas, por lo que su toxicidad no se debe tanto a sus propiedades químicas (el plutonio probablemente no sea más tóxico a este respecto que otros metales pesados), sino más bien al efecto ionizante. en los tejidos corporales circundantes. El plutonio pertenece a un grupo de elementos con una radiotoxicidad especialmente alta. En el organismo, el plutonio produce grandes cambios irreversibles en el esqueleto, el hígado, el bazo, los riñones y provoca cáncer. El contenido máximo permitido de plutonio en el cuerpo no debe exceder las décimas de microgramo.

Obras de arte relacionadas con el tema. plutonio

- El plutonio se utilizó en la máquina De Lorean DMC-12 de la película Regreso al futuro como combustible para un acumulador de flujo para viajar al futuro o al pasado.

— La carga de la bomba atómica detonada por terroristas en Denver, EE.UU., en “Todos los miedos del mundo” de Tom Clancy estaba hecha de plutonio.

— Kenzaburo Oe “Notas de un corredor emergente”

— En 2006, Beacon Pictures estrenó la película Plutonio-239 ( "Pu-239")

El reactor rápido integrado (IFR) no es sólo un nuevo tipo de reactor, es un nuevo ciclo de combustible. El reactor rápido integral es un reactor de neutrones rápidos sin moderador. Sólo tiene una zona activa y no tiene manta.
IBR utiliza combustible metálico− una aleación de uranio y plutonio.
Su ciclo de combustible utiliza la reducción de combustible directamente en el propio reactor mediante piroprocesamiento. En el piroprocesamiento IBR se recoge uranio casi puro en un cátodo sólido y una mezcla de plutonio, americio, neptunio, curio, uranio y algunos productos de fisión en un cátodo de cadmio líquido que flota en la sal del electrolito. Los productos de fisión restantes se recogen en la sal electrolítica y en la capa de cadmio.
El reactor rápido integrado se enfría con sodio líquido o plomo. La producción de combustible metálico es más sencilla y económica que la del combustible cerámico. El combustible metálico hace que el piroproceso sea una elección natural. El combustible metálico tiene mejor conductividad térmica y capacidad calorífica que el combustible de óxido, ya que es una aleación de uranio y plutonio.
La carga inicial en un reactor rápido integrado debería contener más isótopos fisibles bajo la influencia de neutrones térmicos ( > 20%) que en un reactor de neutrones térmicos. Podría tratarse de uranio o plutonio altamente enriquecido, armas nucleares desmanteladas, etc. Durante el funcionamiento, el reactor convierte materiales (fértiles) que no son fisibles bajo la influencia de neutrones térmicos en fisibles. Los materiales fértiles en un reactor rápido pueden ser uranio empobrecido (principalmente U-238), uranio natural, torio o uranio procesado a partir de combustible irradiado de un reactor de agua convencional.
El combustible está contenido en una carcasa de acero con sodio líquido ubicado entre el combustible y la carcasa. El espacio libre sobre el combustible permite que el helio y el xenón radiactivo se acumulen libremente sin aumentar significativamente la presión dentro del elemento combustible y permite que el combustible se expanda sin dañar el revestimiento del reactor.
La ventaja del plomo sobre el sodio es su inercia química, especialmente en relación con el agua o el aire. Por otro lado, el plomo es mucho más viscoso, lo que dificulta su bombeo. Además, contiene isótopos activados por neutrones, prácticamente ausentes en el sodio.
Los circuitos de refrigeración están diseñados de tal forma que permiten la transferencia de calor por convección. Entonces, si hay una pérdida de energía en las bombas o una parada inesperada del reactor, el calor alrededor del núcleo será suficiente para hacer circular el refrigerante.
En el IBR, los isótopos fisibles no se separan de los isótopos de plutonio ni de los productos de fisión y, por lo tanto, el uso de dicho proceso para la producción de armas es prácticamente imposible. Además, el plutonio no se extrae del reactor, lo que hace poco realista su uso no autorizado. Una vez procesados ​​los actínidos (uranio, plutonio y actínidos menores), los residuos que quedan son productos de fisión Sm-151 con una vida media de 90 litros o productos de larga vida como el Tc-99 con una vida media de 211.000 litros o más. .
Los desechos de IBR tienen vidas medias cortas o muy largas, lo que significa que son débilmente radiactivos. La cantidad total de residuos IBR es 1/20 del combustible reprocesado (que suele considerarse residuo) de los reactores térmicos de neutrones de la misma potencia. El 70% de los productos de fisión son estables o tienen una vida media de aproximadamente un año. El tecnecio-99 y el yodo-129, de los cuales el 6% en los productos de fisión tienen vidas medias muy largas, pero pueden transmutarse en el reactor en isótopos con vidas medias cortas (15,46 s y 12,36 h) mediante absorción de neutrones en el reactor. . El circonio-93 (5% en los desechos) se puede reciclar en revestimientos de combustible donde la radiactividad no es un problema. Los componentes restantes de los residuos son menos radiactivos que el uranio natural.
El BID utiliza un ciclo de combustible que es dos órdenes de magnitud más eficiente en términos de uso de combustible en comparación con los ciclos tradicionales en reactores de neutrones lentos, evitando la proliferación de armas nucleares, minimizando los desechos de alta actividad y, además, utilizando algunos desechos como combustible. .
En un IBR, el combustible y el revestimiento están diseñados de modo que a medida que aumenta la temperatura y se expanden, más y más neutrones abandonan el núcleo, reduciendo la intensidad de la reacción en cadena. Es decir, funciona un coeficiente de reactividad negativo. En IBR, este efecto es tan fuerte que puede detener la reacción en cadena sin intervención del operador.

Piroprocesamiento ‒ método de alta temperatura reprocesamiento electrolítico del combustible nuclear gastado. Comparado con el método hidrometalúrgico.(por ejemplo PUREX) , el piroprocesamiento se utiliza directamente en el reactor. Los disolventes son sales fundidas (por ejemplo, LiCl + KCl o LiF + CaF 2) y metales fundidos (por ejemplo, cadmio, bismuto, magnesio), en lugar de agua y compuestos orgánicos. En el piroprocesamiento, la extracción de uranio, así como de plutonio y actínidos menores, se produce simultáneamente y pueden utilizarse inmediatamente como combustible. El volumen de residuos es menor y contiene principalmente productos de fisión. piro El procesamiento se utiliza en IBR y reactores de sales fundidas.

Plutonio (plutonio) Pu, elemento químico radiactivo obtenido artificialmente, Z=94, masa atómica 244,0642; Pertenece a los actínidos. Actualmente se conocen 19 isótopos de plutonio. El más ligero de ellos es 228 Ri (71/2=1,1 s), el más pesado es ^Pu (7i/ 2 = 2,27 días), 8 isómeros nucleares. El isótopo más estable es 2A-236, 238, 239, 240, 242 y 244: 21013, 6,29-11,2,33-10,8,51109, 3,7-12,1,48-8 y 6,66-uz Bq/g, respectivamente. La energía promedio de la radiación a de isótopos con A = 236, 238, 239, 240, 242 y 244 es 5,8, 5,5, 5,1, 5,2, 4,9 y 4,6 MeV, respectivamente. Los isótopos ligeros de plutonio (2 3 2 Pu, 2 34 Pu, 235 Pu, 2 3 7 Pu) sufren captura de electrones. 2 4 "Pi - emisor p (Ep = 0,0052 MeV). Prácticamente el más importante es el 2 39Ru (7|/ 2 =2,44-104 años, desintegración a, fisión espontánea (z, my %)) que se divide bajo la influencia de neutrones lentos y se utiliza en reactores nucleares como combustible y en bombas atómicas como sustancia de carga.

Plutonio-236 (7i/ 2 =2,85i años), emisor a: 5,72 MeV (30,56%) y 5,77 MeV (69,26%), nucleido hijo 2 3 2 U, actividad específica 540 Ci/ G. Probabilidad de fisión espontánea kg 6. La tasa de fisión espontánea de 5,8 a 7 divisiones por 1 g/hora corresponde a una vida media de este proceso de 3,5 a 109 años.

Se puede obtener por reacciones:

Este isótopo también se forma durante la desintegración del emisor a 2 4оСш (7i/ 2 =27 días) y del emisor p 23 6m Np (7i/ 2 =22 h). 2 h 6 Ri decae en las siguientes direcciones: desintegración a, probabilidad 100% y fisión espontánea (probabilidad

Plutopio-237 (7!/ 2 =45> 2 días), producto hijo 2 37Np. Se puede obtener bombardeando uranio natural con iones de helio con una energía de 40 MeV mediante reacciones nucleares:

También se forma en pequeñas cantidades cuando el uranio se irradia con neutrones de reactores. El principal tipo de desintegración es la captura de electrones.

(99%, emisión característica de rayos X, producto hijo ^Np), pero hay una desintegración para formar 2 zi y una emisión y débil, vida media de 45,2 días. 2 z7Rts se utiliza en sistemas para monitorear el rendimiento químico del plutonio durante su aislamiento de muestras de componentes ambientales, así como para estudiar el metabolismo del plutonio en el cuerpo humano.

Plutonio-238, 7*1/2=87,74 años, emisor a (energías 5,495(76%), 5,453(24%) y 5,351(0,15%) MeV, emisor y débil (energías de 0,044 a 0,149 MeV). La actividad de 1 g de este nucleido es ~633,7 GBq (actividad específica 17 Ci/g); cada segundo en la misma cantidad de sustancia se producen -1200 actos de fisión espontánea. La tasa de fisión espontánea es de 5,1 a 6 fisiones por 1 g /hora corresponden a una vida media de este proceso de 3,8-10 10 años. En este caso se desarrolla una potencia térmica muy alta: 567 W/kg. G D el = 3,8-10 10 años. Sección transversal de captura de neutrones térmicos a = 500 barn, la sección transversal de fisión bajo la influencia de neutrones térmicos es de 18 barn. Tiene una radioactividad α específica muy alta (283 veces más fuerte que ^Pu), lo que la hace mucho más grave. fuente de neutrones de las reacciones (a, n).

• 2 h 8Pu se forma como resultado de las siguientes desintegraciones:
  • (3 -desintegración del nucleido 2 3 8 Np:

El 2 h 8 Ru se forma en cualquier reactor nuclear que funcione con uranio natural o poco enriquecido y que contenga principalmente el isótopo 2 h 8 u. En este caso, ocurren las siguientes reacciones nucleares:

También se forma cuando se bombardea uranio con iones de helio con una energía de 40 MeV:

La desintegración se produce en las siguientes direcciones: a-desintegración en 2 34U (probabilidad 10%, energía de desintegración 5,593 MeV):

la energía de las partículas alfa emitidas es de 5.450 Mei (en el 2,9% de los casos; y 5.499 Mei (en el 70,91% de los casos). La probabilidad de fisión espontánea es del 1,9-7%.

Durante la desintegración a del 2 3 8 Pu, se liberan 5,5 MeV de energía. En una fuente de electricidad que contiene un kilogramo de 2-3 8 Ri, se desarrolla una potencia térmica de ~50 vatios. La potencia máxima de una fuente de corriente química de la misma masa es de 5 vatios. Hay muchos emisores con características energéticas similares, pero una característica del 2 3Ri hace que este isótopo sea insustituible. Por lo general, una desintegración va acompañada de una fuerte emisión de y. 2 z 8 Ri es una excepción. La energía de los cuantos y que acompañan a la desintegración de sus núcleos es baja. La probabilidad de fisión espontánea de los núcleos de este isótopo también es baja. 288 Ri se utiliza para la fabricación de baterías eléctricas nucleares y fuentes de neutrones, como fuente de energía para marcapasos, para generar energía térmica en naves espaciales, como parte de detectores de humo de radioisótopos, etc.

Plutonio-239, 71/2=2,44.º 4 años, desintegración a 00%, energía total de desintegración 5,867 MeV, emite partículas a con energías de 5,15 (69%), 5,453 (24%) y 5,351(0, 15% ) y radiación y débil, sección transversal de captura de neutrones térmicos st = 271 granero. Actividad específica 2,33109 Bq/g. La tasa de división espontánea de 36 divisiones/g/hora corresponde a 7” divisiones = 5,5-10*5 años. 1 kg 2 39Ri equivale a 2,2-107 kilovatios-hora de energía térmica. La explosión de 1 kg de plutonio equivale a la explosión de 20.000 toneladas de TNT. El único isótopo del plutonio utilizado en armas atómicas. El 2 39Pu forma parte de la familia 2P+3. Su producto de desintegración es el 2 35U. Este isótopo se fisiona mediante neutrones térmicos y se utiliza en reactores nucleares como combustible. 2 39Ri se obtiene en cacharros paktops según pakpiya:

Sección transversal de reacción -455 granero. *39Pu también se forma cuando

Bombardeo de uranio con deuterones con energías superiores a 8 MeV mediante reacciones nucleares:

así como cuando se bombardea uranio con iones de helio con una energía de 40 MeV
división espontánea, probabilidad 1,36-10*7%.

Separación de plutonio del uranio, realizada metodos quimicos, representa un problema relativamente más simple que la separación de isótopos de uranio. Como resultado, el costo del plutonio es varias veces menor que el costo de 2 zzi. Cuando los neutrones dividen un núcleo de 2 39Pu en dos fragmentos de masa aproximadamente igual, se liberan unos 200 MeV de energía. Capaz de mantener una reacción en cadena de fisión. La vida media relativamente corta del 2 39Pu (en comparación con el ^u) implica una liberación significativa de energía durante la desintegración radiactiva. 2 39Rc produce 1,92 W/kg. Un bloque de plutonio bien aislado se calienta hasta una temperatura de más de 100° en dos horas y pronto hasta el punto de transición a-p, lo que plantea un problema para el diseño de armas debido a los cambios de volumen durante las transiciones de fase del plutonio. Actividad específica 2 39Pu 2,28-12 Bq/g. 2 39Pu es fácilmente fisible por neutrones térmicos. El isótopo fisible 239 Pu, tras su desintegración completa, proporciona energía térmica equivalente a 25.000.000 kWh/kg. 2 39Pi tiene una sección transversal de fisión para neutrones lentos de 748 barn y una sección transversal de captura de radiación de 315 barn. 2 El 39Pu tiene secciones transversales de dispersión y absorción mayores que el uranio y numero mayor neutrones durante la fisión (3,03 neutrones por evento de fisión en comparación con 2,47 para 2 zzi) y, en consecuencia, una masa crítica más baja. El 2 39Pu puro tiene una emisión de neutrones promedio por fisión espontánea de -30 neutrones/s-kg (-10 fisiones/s).

Plutonio-240, 71/2=6564 l, desintegración a, actividad específica 8,51-109 Bq/g. Tasa de fisión espontánea 1,6-6 divisiones/g/hora, Ti/2=i,2-io u l. El 24°Pu tiene una sección transversal efectiva de captura de neutrones tres veces menor que el 239 Pu y en la mayoría de los casos se convierte en 2 4*Pu.

24op y se forma durante la desintegración de ciertos radionucleidos:

Energía de desintegración 5,255 MeV, partículas a con energías 5,168 (72,8%), 5,123 (27,10%) MeV;

División espontánea, probabilidad 5,7-6.

En el combustible de uranio, el contenido de ^Pu aumenta durante el funcionamiento del reactor. En el combustible gastado de un reactor nuclear hay un 70% *39Pu y un 26% 2 4°Pu, lo que dificulta la fabricación de armas atómicas, por lo que el plutonio apto para armas se obtiene en reactores especialmente diseñados para ello procesando uranio después de varias decenas. de días de irradiación. *4°Pu es el principal isótopo que contamina el 39Pu de grado 2 para armas. El nivel de su contenido es importante debido a la intensidad de la fisión espontánea: se emiten 415.000 fisiones/s-kg, 1.000 neutrones/s-kg, ya que cada fisión produce 2,26 neutrones, 30.000 veces más que una masa igual de 2 39Ri. La presencia de sólo el 1% de este isótopo produce tantos neutrones que el circuito de carga del cañón no funciona: la explosión comenzará temprano y la carga se atomizará antes de que explote la mayor parte del explosivo. El esquema del cañón sólo es posible con un contenido de *39Pu, lo cual es prácticamente imposible de lograr. Por lo tanto, las bombas de plutonio se ensamblan mediante un esquema de implosión, que permite el uso de plutonio bastante contaminado con el isótopo IgPu. El plutonio apto para armas contiene 2 4°Pu.

Debido a la mayor actividad específica (1/4 de 2 39Pi), la potencia térmica es mayor, 7,1 W/kg, lo que agrava el problema del sobrecalentamiento. La actividad específica del ^Pu es 8,4109 Bq/g. El contenido de IgPu en plutonio apto para armas (0,7%) y en plutonio apto para reactores (>19%). La presencia de 24 °Pu en el combustible para reactores térmicos no es deseable, pero este isótopo sirve como combustible en reactores rápidos.

Plutonio-241, G,/2=14 l, producto hijo 241 Am, p- (99%, ?рmax=0,014 MeV), a (1%, dos líneas: 4,893 (75%) y 4,848 (25%) MeV ) y emisor y, actividad específica de ^Pu 3,92-12 Ci/g. Se obtiene mediante una fuerte irradiación de plutonio con neutrones, así como en un ciclotrón mediante la reacción 2 3 8 U(a,n) 241 Pu. Este isótopo es fisible por neutrones de cualquier energía (la sección transversal de absorción de neutrones de ^'Pu es 1/3 mayor que la de ^Phi, la sección transversal de fisión de los neutrones térmicos es de aproximadamente 100 barn, la probabilidad de fisión tras la absorción de un El neutrón es del 73%), tiene un fondo de neutrones bajo y una potencia térmica moderada y, por lo tanto, no afecta directamente la facilidad de uso del plutonio. Se desintegra en 241 Am, que se fisiona muy mal y genera mucho calor: 10 6 W/kg. ^‘Pu tiene una gran sección transversal de fisión para los neutrones del reactor (granero de caca), lo que permite su uso como combustible. Si un arma contiene inicialmente 241 Ri, al cabo de unos años su reactividad disminuye, y esto debe tenerse en cuenta para evitar una disminución de la potencia de carga y un aumento del autocalentamiento. El 24 'Ru en sí no se calienta mucho (sólo 3,4 W/kg) a pesar de su vida media muy corta debido a la radiación P muy débil. Cuando un neutrón es absorbido por un núcleo de 24 * Pu, si no se fisiona, se convierte en 242 Pu. 241 Pu es la principal fuente de ^‘As.

Plutonio-242 (^/2=373300 años),

Plutonio-243 No/2=4-956 horas), p"- (energía 0,56 MeV) y emisor-y (varias líneas en el rango 0,09-0,16 MeV) Sección transversal de la reacción 242 Pu(n ,y) 243 Pu en neutrones lentos 00 barn. Formado durante la desintegración p de "^sPu 24 zAsh, se puede obtener mediante irradiación con neutrones 2 4 2 Pu. Debido a su corta vida media, está presente en pequeñas cantidades en el combustible de reactores irradiados.

Plutonio-244 (Ti/ 2 =8.o*io 7 años), emisor a, mi = 4,6 MeV, capaz de fisión espontánea, actividad específica 6,66-105 Bq/g, sección transversal de captura de neutrones térmicos 0=19 barn. No es sólo el isótopo de plutonio más longevo, sino también el más longevo de todos los isótopos de elementos transuránicos. Actividad específica 2

Incluso los isótopos más pesados ​​del plutonio están sujetos a desintegración p y su vida útil oscila entre varios días y varias décimas de segundo. En las explosiones termonucleares se forman todos los isótopos del plutonio, hasta 2 57Pu. Pero su vida útil es de décimas de segundo y muchos isótopos de plutonio de vida corta aún no se han estudiado.

El plutonio es un metal muy pesado, de color blanco plateado, que brilla como el níquel cuando está recién refinado. Masa atómica 244,0642 uma. (g/mol), radio atómico 151 pm, energía de ionización (primer electrón) 491,9(5,10) kJ/mol (eV), Configuración electrónica 5f 6 7s 2 . Radio de ion: (+4e) 93, (+3e) 08 pm, electronegatividad (Pauling) 1,28, T P l = 639,5°, G K ip = 3235°, densidad de plutonio 19,84 (fase a), el calor de evaporación del plutonio es 80,46 kcal/mol. La presión de vapor del plutonio es significativamente mayor que la presión de vapor del uranio (1540 0 300 veces). El plutonio se puede destilar a partir de uranio fundido. Se conocen seis modificaciones alotrópicas del plutonio metálico. A temperaturas

En condiciones de laboratorio, el plutonio metálico se puede obtener mediante reacciones de reducción de haluros de plutonio con litio, calcio, bario o magnesio a 1200°:

El plutonio metálico también se obtiene reduciendo el trifluoruro de plutonio en fase de vapor a 1300 0 utilizando siliciuro de calcio según la reacción.

o descomposición térmica de haluros de plutonio en el vacío.

El plutonio tiene muchas propiedades específicas. Tiene la conductividad térmica más baja de todos los metales, la conductividad eléctrica más baja, con excepción del manganeso. En su fase líquida es el metal más viscoso. Cuando cambia la temperatura, el plutonio sufre los cambios de densidad más severos y antinaturales.

El plutonio tiene seis fases diferentes (estructuras cristalinas) en forma sólida (Tabla 3), más que cualquier otro elemento. Algunas transiciones entre fases van acompañadas de cambios dramáticos de volumen. En dos de estas fases -delta y delta prima- el plutonio tiene la propiedad única de contraerse a medida que aumenta la temperatura, y en las otras tiene una propiedad extremadamente grande. coeficiente de temperatura extensiones. Cuando se funde, el plutonio se contrae, permitiendo que flote el plutonio no fundido. En su forma más densa, la fase a, el plutonio es el sexto elemento más denso (sólo el osmio, el iridio, el platino, el renio y el neptunio son más pesados). En la fase a, el plutonio puro es frágil. Se conocen una gran cantidad de aleaciones y compuestos intermetálicos de plutonio con Al, Be, Co, Fe, Mg, Ni, Ag. El compuesto PuBe, 3 es una fuente de neutrones con una intensidad de 6,7 * 107 neutrones/skg.

Arroz. 5.

Debido a su radiactividad, el plutonio está caliente al tacto. Un gran trozo de plutonio en una carcasa aislada térmicamente se calienta a una temperatura que excede el punto de ebullición del agua. El plutonio finamente molido es piromórfico y se enciende espontáneamente a 300 0. Reacciona con halógenos y haluros de hidrógeno, formando haluros, con hidrógeno - hidruros, con carbono - carburo, con nitrógeno reacciona a 250 0 para formar nitruros y, cuando se expone al amoníaco, también forma nitruros. Reduce el CO2 a CO o C y se forma carburo. Interactúa con compuestos gaseosos de azufre. El plutonio es fácilmente soluble en ácidos clorhídrico, fosfórico al 85%, yodhídrico, perclórico y cloroacético concentrado. El H2SO4 diluido disuelve el plutonio lentamente, pero el H2S04 y el HN03 concentrados lo pasivan y no reaccionan con él. Los álcalis no tienen ningún efecto sobre el plutonio metálico. Las sales de plutonio se hidrolizan fácilmente al entrar en contacto con soluciones neutras o alcalinas, creando hidróxido de plutonio insoluble. Las soluciones concentradas de plutonio son inestables debido a la descomposición radiolítica que conduce a la precipitación.

Mesa 3. Densidades y rango de temperatura de las fases del plutonio:

La valencia principal del plutonio es 4+. Es un elemento electronegativo y químicamente reactivo (por 0,2 V), mucho más que el uranio. Se desvanece rápidamente, formando una película iridiscente al principio. amarillo claro, volviéndose con el tiempo de color violeta oscuro. Si la oxidación es bastante rápida, aparece en su superficie un polvo de óxido de color verde oliva (PuO 2).

El plutonio se oxida fácilmente y se corroe rápidamente incluso en presencia de una ligera humedad. Se oxida en una atmósfera de gas inerte con vapor de agua mucho más rápido que en aire seco o oxígeno puro. Cuando el plutonio se calienta en presencia de hidrógeno, carbono, nitrógeno, oxígeno, fósforo, arsénico, flúor, silicio y telurio, forma compuestos sólidos insolubles con estos elementos.

Entre los óxidos de plutonio se conocen Pu 2 0 3 y Pu 0 2.

El dióxido de plutonio Pu02 es un polvo de color verde oliva, cristales o bolas de color negro brillante que van del marrón rojizo al amarillo ámbar. La estructura cristalina es del tipo fluorita (Pu-* + forma un sistema cúbico centrado en las caras y O 2- forma un tetraedro). Densidad 11,46, Gpl=2400°. Se forma a partir de casi todas las sales (por ejemplo, oxalato, peróxido) de plutonio cuando se calienta al aire o en una atmósfera de 0 2, a temperaturas de 700-1000 0, independientemente del estado de oxidación del plutonio en estas sales. Por ejemplo, se puede obtener mediante calcinación de Pu(IV) Pu(C 2 0 4) 2 -6H 2 0 oxalato hexahidrato (formado durante el reprocesamiento de combustible gastado):

Pu0 2, mediodía a las temperaturas bajas, se disuelve fácilmente en ácidos clorhídrico y nítrico concentrados. Por el contrario, el Pu0 2 calcinado es difícil de disolver y sólo puede disolverse mediante un tratamiento especial. Es insoluble en agua y disolventes orgánicos. Reacciona lentamente con una mezcla caliente de HN0 3 concentrado con HF. Este compuesto estable se utiliza como forma gravimétrica en la determinación de plutonio. También se utiliza para preparar combustible en la energía nuclear.

Pu0 2 particularmente reactivo, pero que contiene pequeñas cantidades de oxalato, se obtiene mediante la descomposición de Pu(C 2 0 4) 2 -6H 2 0 a 130-^-300°.

Hidruro R11H3 obtenido de elementos a 150-5-200°.

El plutonio forma haluros y oxihaluros, disilicida PuSi 2 y sesquisulfuro PuSi,33^b5, que resultan de interés por su baja fusibilidad, así como carburos de diversas estequiometrías: desde PuS hasta Pu2C3. RiS - cristales negros, G 11L = 1664 0. Junto con la UC se puede utilizar como combustible para reactores nucleares.

Nitruro de plutonio, PuN: cristales de color gris (a negro) con una red cúbica centrada en las caras del tipo NaCl (0 = 0,4905 nm, z = 4, grupo espacial Ptzt; el parámetro de la red aumenta con el tiempo bajo la influencia de su propio radiación a); T pl.=2589° (con descomposición); densidad 14350 kg/m3. Tiene alta conductividad térmica. En alta temperatura(~1boo°) volátil (con descomposición). Se obtiene haciendo reaccionar plutonio con nitrógeno a 600° o con una mezcla de hidrógeno y amoníaco (presión 4 kPa). El plutonio en polvo PuN se oxida en el aire a temperatura ambiente y se transforma completamente en Pu0 2 después de 3 días, el plutonio denso se oxida lentamente (0,3% en 30 días). Se hidroliza lentamente agua fría y rápidamente: cuando se calienta, se forma Pu0 2; se disuelve fácilmente en ácidos clorhídrico y sulfúrico diluidos para formar las correspondientes sales de Pu (III); Según la fuerza de acción sobre el nitruro de plutonio, los ácidos se pueden ordenar en la serie HN0 3 >HC1>H 3 P0 4 >>H 2 S04>HF. Puede utilizarse como combustible para reactores.

Existen varios fluoruros de plutonio: PuF 3, PuF 4, PuF6.

Tetrafluoruro de plutonio PuF 4 - sustancia Color rosa o cristales marrones, sistema monoclínico. Isomorfo con tetrafluoruro de Zr, Hf, Th, U, Np y Ce. Г pl = 1037 0, Г к, «1 = 1277°. Es poco soluble en agua y disolventes orgánicos, pero se disuelve fácilmente en soluciones acuosas en presencia de sales o iones de Ce(IV), Fe(III), Al(III) que forman complejos estables con iones de flúor. El precipitado rosa PuF 4 -2,5H 2 0 se obtiene por precipitación con ácido fluorhídrico a partir de soluciones acuosas de sales de Pu (III). Este compuesto se deshidrata cuando se calienta a 350 m en una corriente de HF.

El PuF 4 se forma por la acción del fluoruro de hidrógeno sobre el dióxido de plutonio en presencia de oxígeno a 550° según la reacción:

PuF 4 También se puede obtener tratando PuF 3 con flúor a 300 0 o calentando sales de Pu (III) o Pu (IV) y un flujo de fluoruro de hidrógeno. A partir de soluciones acuosas de Pu(IV), el PuF 4 se precipita con ácido fluorhídrico en forma de un precipitado rosa con la composición 2PuF 4 H 2 0. El PuF 4 coprecipita casi por completo con el LaF 3. Cuando se calienta en aire a 400 0 PuF 4 se convierte en Pu0 2.

hexafluoruro de plutonio, PuFe: cristales volátiles a temperatura ambiente de color marrón amarillento (a bajas temperaturas, incoloros) de estructura ortorrómbica, Gpl = 52°, T knp =b2° a presión atmosférica, densidad 5060 kgm-z, calor de sublimación 12,1 kcal/mol, calor de evaporación = 7,4 kcal mol * 1, calor de fusión = 4,71 kcal/mol, muy propenso a la corrosión y sensible a la autorradiolisis. PuFe es un líquido de bajo punto de ebullición, térmicamente mucho menos estable y menos volátil que el UF6. El vapor de PuFe tiene un color similar al del NO 2, el líquido es de color marrón oscuro. Agente fluorante fuerte y agente oxidante; reacciona violentamente con el agua. Extremadamente sensible a la humedad; c El H 2 0 a la luz del día puede reaccionar muy vigorosamente con un destello para formar Pu0 2 y PuF 4 . PuFe, condensado a -195 0 en hielo, cuando se calienta, se hidroliza lentamente a Pu0 2 Fo. El PuFe compacto se descompone espontáneamente debido a la radiación a del plutonio.

El UF6 se obtiene tratando PuF 4 o Pu0 2 con flúor a 6004-700°.

La fluoración de PuF 4 con flúor a 7004-800° ocurre muy rápidamente y es una reacción exotérmica. Para evitar la descomposición, el PuF6 resultante se elimina rápidamente de la zona caliente, se congela o se lleva a cabo la síntesis en un flujo de flúor, lo que elimina rápidamente el producto del volumen de reacción.

PuFa también puede recibir por reembolso:

Existen nitratos de Pu(III), Pu(IV) y Pu(VII): Pu(N0 3) 3, Pu(N0 3) 4 y Pu0 2 (N0 3) 2, respectivamente.

nitrato de plutonio, Pu(N0 3) 4 *5H 2 0 se obtiene mediante evaporación lenta (durante varios meses) de una solución concentrada de nitrato de Pu(IV) a temperatura ambiente. Bien soluble en HN0 3 y agua (solución de ácido nítrico de oscuro Color verde, Color marrón). Soluble en acetona, éter y tributilfosfato. Las soluciones de nitrato de plutonio y nitratos de metales alcalinos en ácido nítrico concentrado al evaporarse liberan nitratos dobles Me 2 [Pu(N0 3)b], donde Me + =Cs +, Rb +, K +, Th +, C 9 H 7 NH + , C5H5NH+, NH4+.

El oxalato de plutonio (IV), Pu(C 2 0 4) 2 -6H 2 0, es un polvo arenoso (a veces de color amarillo verdoso). Isomórfico con U(C 2 0 4)-6H 2 0. El oxalato de plutonio hexahidratado es poco soluble en ácidos minerales y bueno en soluciones de oxalatos y carbonatos de amonio o metales alcalinos con la formación de compuestos complejos. Precipitado con ácido oxálico a partir de nitrato (es decir, soluciones 5*4,5 M HNO.0 de Pu(IV):

Se deshidrata al calentarse al aire a 0°, por encima de 400 0 se descompone:

En los compuestos, el plutonio presenta estados de oxidación de +2 a +7. En soluciones acuosas forma iones correspondientes a estados de oxidación de +3 a +7. En este caso, los iones de todos los estados de oxidación, excepto Pu(VII), pueden estar en solución simultáneamente en equilibrio. Los iones de plutonio en solución sufren hidrólisis y forman fácilmente compuestos complejos. La capacidad de formar compuestos complejos aumenta en la serie Pu5+

Los iones Pu(IV) son los más estables en solución. Pu(V) se desproporciona en Pu(lV) y Pu(Vl). El estado de valencia del Pu(VI) es característico de soluciones acuosas fuertemente oxidantes y corresponde al ion plutonilo Pu0 2 2+. Los iones de plutonio con cargas 3 + y 4 + existen en soluciones acuosas en ausencia de hidrólisis y formación de complejos en forma de cationes altamente hidratados. Pu(V) y Pu(VI) en soluciones ácidas son cationes que contienen oxígeno del tipo M0 2 + y M0 2 2+.

Los estados de oxidación del plutonio (III, IV, V y VI) corresponden a los siguientes estados iónicos en soluciones ácidas: Pu 3+, Pu4 +, Pu0 2 2+ y Pu0 5 3. Debido a la "cercanía de los potenciales de oxidación del plutonio iones entre sí" en soluciones pueden simultáneamente existir iones de plutonio en equilibrio con diferentes grados oxidación. Además, se observa una desproporción de Pu(IV) y Pu(V):

La tasa de desproporción aumenta al aumentar la concentración de plutonio y la temperatura.

Las soluciones Reese+ tienen un color azul violeta. En sus propiedades, Rts + se acerca a los elementos de tierras raras. Su hidróxido, fluoruro, fosfato y oxalato son insolubles. Pu(IV) es el estado más estable del plutonio en soluciones acuosas. El Pu(IV) es propenso a la formación de complejos con ácidos nítrico, sulfúrico, clorhídrico, acético y otros. Así, en ácido nítrico concentrado, el Pu(IV) forma complejos Pu(N0 3)5- y Pu(G) 3)6 2". En soluciones acuosas, el Pu(IV) se hidroliza fácilmente. El hidróxido de plutonio (verde) es propenso a la polimerización.Fluoruro insoluble, hidróxido, oxalato, yodato Pu(IV).Pu(IV) coprecipita bien con hidróxidos insolubles, fluoruro de lantano, yodatos de Zr, Th, Ce, fosfatos de Zr y Bi, Th, U(IV), Bi, Los oxalatos. Pu(IV) forman fluoruros dobles y sulfatos con Na, K, Rb, Cs y NH 4 +. Pu(obtenido en una solución aproximadamente 2 M de HN0 3 mezclando soluciones de Pu(III) y Pu(VI) De las sales de Pu(VI) son de interés el plutonilacetato de sodio NaPu0 2 (C 2 H 3 0 2) 3 y el plutonilacetato de amonio NH 4 Pu0 2 (C 2 H 3 0 2), que tienen una estructura similar a los compuestos correspondientes U. , Np y At.

Potenciales de oxidación formales del plutonio (en V) en solución lM de HC10 4:

La estabilidad del complejo formado con este anión para los iones actínidos disminuye en el siguiente orden: M4 + >M0 2+ >M3 + >M0 2 2+ > M0 2+, es decir en orden de potencial iónico decreciente. La capacidad de los aniones para formar complejos con iones actínidos disminuye para los aniones con carga única: fluoruro > nitrato > cloruro > perclorato; para aniones doblemente cargados carbonato>oxalato>sulfato. Con sustancias orgánicas se forma una gran cantidad de iones complejos.

Tanto el Pu(IV) como el Pu(VI) se extraen bien de soluciones ácidas con éter etílico, TBP, diisopropilcetona, etc. Los complejos en forma de garra, por ejemplo, con a-tenoiltrifluoroacetona, p-dicetona, cupferona, se extraen bien con Solventes orgánicos no polares. La extracción de complejos de Pu(IV) con a-tenoiltrifluoroacetona (TTA) permite purificar el plutonio de la mayoría de las impurezas, incluidos los actínidos y los elementos de tierras raras.

Las soluciones acuosas de iones de plutonio en diferentes estados tienen los siguientes colores: Pu(III), como Pcs + (azul o lavanda); Pu(IV), como Pc4* (amarillo-marrón); Pu(VI), como Pu0 2 2+ (rosa-naranja). Pu(V), como Pu0 2+, es inicialmente rosado, pero al ser inestable en solución, este ion se desproporciona en Pu 4+ y Pu0 2 2+; Luego, el Pu 4+ se oxida, pasando de Pu0 2 + a Pu0 2 2+, y se reduce a Pu 3+. Así, una solución acuosa de plutonio con el tiempo se convierte en una mezcla de Pcs+ y Pu0 2 2+. Pu(VII), como Pu0 5 2 - (azul oscuro).

Para detectar el plutonio se utiliza un método radiométrico, basado en la medición de la radiación a del plutonio y su energía. Este método se caracteriza por una sensibilidad bastante alta: permite descubrir 0,0001 µg 2 39Pi. Si hay otros emisores α en la muestra analizada, la identificación del plutonio se puede realizar midiendo la energía de las partículas α utilizando espectrómetros α.

Varios métodos químicos y fisicoquímicos para la determinación cualitativa del plutonio utilizan la diferencia en las propiedades de las formas de valencia del plutonio. El ion Pu(III) en soluciones acuosas bastante concentradas se puede detectar por su color azul brillante, que difiere marcadamente del color amarillo-marrón de las soluciones acuosas que contienen iones Pu(IV).

Los espectros de absorción de luz de soluciones de sales de plutonio en diversos estados de oxidación tienen bandas de absorción estrechas y específicas, lo que permite identificar formas de valencia y detectar una de ellas en presencia de otras. Los máximos de absorción de luz más característicos del Pu(III) se encuentran en la región de 600 y 900 mmk, Pu(IV) - 480 y 66 mmk, Pu(V) - 569 mmk y Pu(VI) 830+835 mmk.

Aunque el plutonio es químicamente tóxico, como cualquier metal pesado, este efecto es débil en comparación con su radiotoxicidad. Las propiedades tóxicas del plutonio aparecen como consecuencia de la radioactividad a.

Para 2 s 8 Pu, 2 39Pu, 24op U) 242p u> 244Pu grupo de riesgo de radiación A, MZA=z,7-uz Bk; para 2 4>Pu y 2 43Pu grupo de riesgo de radiación B, MZA = 3,7-104 Bq. Si la toxicidad radiológica es 2 3 y se toma como unidad, el mismo indicador para el plutonio y algunos otros elementos forma la serie: 235U 1,6 - 2 39Pu 5,0 - 2 4 1 Como 3,2 - 9"Sr 4,8 - ^Ra 3,0. Se puede observar que el plutonio no es el más peligroso entre los radionucleidos.

Veamos brevemente producción industrial plutonio

Los isótopos de plutonio se producen en potentes reactores de uranio que utilizan neutrones lentos mediante la reacción (p, y) y en reactores reproductores que utilizan neutrones rápidos. Los isótopos de plutonio también se producen en reactores de potencia. A finales del siglo XX, el mundo había producido un total de -1300 toneladas de plutonio, de las cuales ~300 toneladas eran para uso armamentístico, el resto era un subproducto de las centrales nucleares (plutonio de reactor).

Lo que distingue al plutonio apto para armas del plutonio apto para reactores no es tanto el grado de enriquecimiento y composición química, cuánta composición isotópica, que depende de forma compleja tanto del tiempo de irradiación del uranio con neutrones como del tiempo de almacenamiento después de la irradiación. Es especialmente importante el contenido de los isótopos 24°Pu y 2 4‘Pu. A pesar de bomba atómica Se puede crear con cualquier contenido de estos isótopos en plutonio, sin embargo, la presencia de 2 4 «pu en 239r determina la calidad del arma, porque De ello dependen el fondo de neutrones y fenómenos como el crecimiento de la masa crítica y la producción térmica. El fondo de neutrones afecta al artefacto explosivo al limitar la masa total de plutonio y la necesidad de alcanzar altas velocidades de implosión. Por lo tanto, las bombas de diseño antiguo requerían un bajo contenido de 2 4o y. Pero los proyectos de diseño "alto" utilizan plutonio de cualquier pureza. Por lo tanto, el término “plutonio apto para armas” no tiene ningún significado militar; Este es un parámetro económico: un diseño de bomba “alto” es significativamente más caro que uno “bajo”.

A medida que aumenta la proporción de 24op U), el costo del plutonio disminuye y la masa crítica aumenta. El contenido del 7% de 24°Pu hace que el costo total del plutonio sea mínimo. Composición media del plutonio apto para armas: 93,4% 239 Ri, 6,o%

24°Pu y 0,6% 241 Pu. La potencia térmica de dicho plutonio es de 2,2 W/kg, el nivel de fisión espontánea es de 27100 fisiones/s. Este nivel permite utilizar 4 kg de plutonio en un arma con muy baja probabilidad de predetonación en un buen sistema de implosión. Después de 20 años, la mayor parte de los 24, Pu se convertirá en ^'At, lo que aumentará significativamente la liberación de calor: hasta 2,8 W/kg. Dado que el 241 Pu es altamente fisible, pero el 241 At no, esto conducirá a una disminución en el margen de reactividad del plutonio. La radiación de neutrones de 5 kg de plutonio apto para armas de 300.000 neutrones/s crea un nivel de radiación de 0,003 rad/hora a una distancia de 1 m. El reflector y el explosivo que lo rodea reducen el fondo en un factor de 10. Sin embargo, el contacto prolongado del personal de mantenimiento con un dispositivo explosivo nuclear durante su mantenimiento puede resultar en una dosis de radiación igual al límite anual.

Debido a la pequeña diferencia de masas 2 - "* 9 Pu y 24 ° Pu, estos isótopos no están separados métodos industriales enriquecimiento. Aunque se pueden separar mediante un separador electromagnético. Sin embargo, es más fácil obtener 2 zeRi más puro reduciendo el tiempo de permanencia en el reactor *z*i. No hay razón para reducir el contenido de 24 °Pi a menos del 6%, ya que esta concentración no interfiere con la creación de activadores eficaces de cargas termonucleares.

Además del plutonio apto para armas, también existe plutonio apto para reactores. El plutonio procedente del combustible nuclear gastado se compone de muchos isótopos. La composición depende del tipo de reactor y del modo de funcionamiento. Valores típicos para un reactor de agua ligera: 2 × 8 Pu - 2%, 239Pu - 61%, 24 °Pll - 24%, 24iPu - 10%, 242 Pll - 3%. Es difícil fabricar una bomba con ese plutonio (prácticamente imposible para los terroristas), pero en países con tecnología desarrollada, el plutonio de los reactores se puede utilizar para producir cargas nucleares.

Mesa 4. Características de los tipos de plutonio.

La composición isotópica del plutonio acumulado en el reactor depende del grado de quemado del combustible. De los cinco isótopos principales formados, dos son con impar z- 2 39Pi y 24,Pi son fisionables, es decir capaz de fisionarse bajo la influencia de neutrones térmicos y puede utilizarse como combustible para reactores. En el caso de utilizar plutonio como combustible para un reactor, la cantidad de 2,39 Ri y 241 Ri acumulados es importante. Si el plutonio recuperado del combustible gastado se reutiliza en reactores de neutrones rápidos, su composición isotópica se vuelve gradualmente menos adecuada para su uso en armas. Después de varios ciclos de combustible, la acumulación de 2 × 8 Pu, #2 4″ Pu y ^ 2 Pu lo hace inadecuado para este propósito. Mezclar dicho material es un método conveniente para "desnaturalizar" el plutonio, asegurando que los materiales fisibles no proliferen.

Tanto el plutonio apto para armas como para reactores contienen cierta cantidad de ^Pu. ^'Pu se desintegra en 24 'Am mediante la emisión de una partícula p. Dado que el 241 At hijo tiene una vida media significativamente más larga (432 l) que el 241 Pu padre (14,4 l), su cantidad en la carga (o en los residuos de NFC) aumenta a medida que el ^'Pu se desintegra. como resultado de la desintegración de 241 Am, es mucho más fuerte que la de 241 Pu, por lo que también aumenta con el tiempo. La concentración de ®4phi y el período de su almacenamiento se correlacionan directamente con el nivel de radiación y resultante del aumento. en el contenido del 24' As. El plutonio no se puede almacenar durante mucho tiempo - Una vez utilizado, hay que utilizarlo, de lo contrario habrá que volver a someterlo a un reciclaje costoso y que requiere mucho tiempo.

Mesa 5. Algunas características del plutonio apto para armas y para reactores

El isótopo más importante en la práctica, el 2 39Pu, se produce en reactores nucleares durante la irradiación de neutrones a largo plazo de uranio natural o enriquecido:

Desafortunadamente, también se están produciendo otras reacciones nucleares que conducen a la aparición de otros isótopos del plutonio: 2 - 38 Pu, a4or u, 24 Phi y 242 Pu, cuya separación del 2 39Rc, aunque solucionable, es una tarea muy difícil. :

Cuando el uranio es irradiado por los neutrones del reactor, se forman isótopos de plutonio tanto ligeros como pesados. Consideremos primero la formación de isótopos de plutonio con una masa inferior a 239.

Una pequeña porción de los neutrones emitidos durante la fisión tiene energía suficiente para excitar la reacción 2 3 8 U(n,2n) 2 3?u. 237 U es un emisor p y con T’,/ 2 = 6,8 días se convierte en 2 37Np de larga vida. Este isótopo en un reactor de grafito sobre uranio natural se forma en una cantidad del 0,1% de la cantidad total de 2 39Pu formado simultáneamente. La captura de neutrones lentos por 2 3?Np conduce a la formación de 2 3 8 Np. La sección transversal de esta reacción es de 170 barn. La cadena de reacciones se ve así:

Dado que aquí intervienen dos neutrones, el rendimiento es proporcional al cuadrado de la dosis de radiación y la relación de las cantidades de 238 Pu a 2 39Pu es proporcional a la relación de 2 39Pu a 238 U. La proporcionalidad no se observa estrictamente debido a el retraso en la formación de 23?Np asociado con la vida media de 6,8 días de ^U. Una fuente menos importante de la formación de 238 Pu en 2 39Pu es la desintegración del 242 St, formado en reactores de uranio. también formado por las reacciones:

Dado que se trata de una reacción de neutrones de tercer orden, la relación entre la cantidad de 2 3 8 Pu formada de esta manera y 2 39 Pu es proporcional al cuadrado de la relación * 3 8 Pu y 2 3 8 U. Sin embargo, esta cadena de reacciones se vuelve relativamente más importante cuando se trabaja con uranio enriquecido en ^u.

La concentración de 2 × 8 Pu en una muestra que contiene 5,6% de 24 °Pu es 0,0115%. Este valor hace una contribución bastante significativa a la actividad total de los medicamentos, ya que ^Pu Ti/2= 86,4 litros.

La presencia de 2 6 Pu en el plutonio producido en el reactor está asociada a una serie de reacciones:

El rendimiento de 2 3 6 Pu durante la irradiación de uranio es ~ω-9-io" 8%.

Desde el punto de vista de la acumulación de plutonio en uranio, las principales transformaciones están asociadas a la formación del isótopo 2 39Pu. Pero también son importantes otras reacciones secundarias, ya que determinan el rendimiento y la pureza del producto objetivo. El contenido relativo de los isótopos pesados ​​240 Pu, ^Phi, 242 Pu, así como 23Pu, 2 37Np y ^"Ash depende de la dosis de irradiación de neutrones del uranio (el tiempo de residencia del uranio en el reactor). Las secciones transversales para la captura de neutrones por los isótopos de plutonio son lo suficientemente grandes como para provocar reacciones sucesivas (n, y) incluso en concentraciones bajas de 2 39Pu en uranio.

Mesa 6. Composición isotópica del plutonio aislado de irradiación. Tronos de uranio natural. _

El 241 Pu formado durante la irradiación de uranio con neutrones se convierte en 241 As, que se libera durante el procesamiento químico-tecnológico de los bloques de uranio (el 241 At, sin embargo, se vuelve a acumular gradualmente en el plutonio purificado). Por ejemplo, la actividad a del plutonio metálico, que contiene un 7,5% de 24 °Pu, aumenta un 2% después de un año (debido a la formación de 24, At). 24, Pu tiene una gran sección transversal de fisión para los neutrones del reactor, que asciende a - granero de caca, lo cual es importante cuando se utiliza plutonio como combustible para reactores.

Si el uranio o el plutonio se someten a una fuerte irradiación de neutrones, comienza la síntesis de actínidos menores:

Formado a partir de 2 4*Pu, 2 4*Am reacciona a su vez con neutrones, formando 2 3 8 Pu y 2 4 2 Pu:

Este proceso abre la posibilidad de obtener preparados de plutonio con radiación Y relativamente baja.

Arroz. 6. Cambio en la proporción de isótopos de plutonio durante la irradiación prolongada de 2 39Pu con un flujo de neutrones de 3*10*4 n/cm 2 s.

Así, los isótopos de plutonio de larga vida: ^Pu y 2 44Pu se forman durante una irradiación prolongada (alrededor de cien días o más) con neutrones de 2 39Pu. En este caso, el rendimiento de 2 4 2 Pu alcanza varias decenas de porcentaje, mientras que la cantidad de 2 44 Pu formada es una fracción de un porcentaje de ^Pu. Al mismo tiempo se obtienen Am, Cm y otros transplutonios, así como elementos de fragmentación.

En la producción de plutonio, el uranio (en forma de metal) se irradia en un reactor industrial (térmico o rápido), cuyas ventajas son la alta densidad de neutrones, la baja temperatura y la posibilidad de irradiación durante un tiempo mucho más corto que el Campaña de reactores.

El principal problema que surgió durante la producción de plutonio apto para armas en un reactor fue la elección del momento óptimo para la irradiación de uranio. El hecho es que el isótopo 238, que constituye la mayor parte del uranio natural, captura neutrones formando 239Pu, mientras que el 2333 favorece la reacción en cadena de fisión. Dado que la formación de isótopos pesados ​​de plutonio requiere una captura adicional de neutrones, la cantidad de dichos isótopos en el uranio crece más lentamente que la cantidad de 2 39Pu. Uranio irradiado en un reactor un tiempo corto, contiene una pequeña cantidad de 2 39Pu, pero es más puro que con exposiciones prolongadas, ya que los isótopos pesados ​​​​nocivos no tuvieron tiempo de acumularse. Sin embargo, el propio 2 39Рц está sujeto a fisión y con un aumento de su concentración en el reactor, aumenta la velocidad de su transmutación. Por lo tanto, el uranio debe retirarse del reactor varias semanas después del inicio de la irradiación.

Arroz. 7- Acumulación de isótopos de plutonio en el reactor: l - ^Pu; 2 - 240 Pu (en períodos cortos se forma plutonio apto para armas y, en períodos prolongados, se forma plutonio apto para reactores, es decir, no apto para uso en armas).

La tasa de irradiación global de una pila de combustible se expresa en megavatios día/tonelada. El plutonio apto para armas se produce a partir de elementos con una pequeña cantidad de MW-día/t y produce menos isótopos subproductos. Las pilas de combustible en los modernos reactores de agua a presión alcanzan niveles de 33.000 MW-día/t. La exposición típica en un reactor reproductor es de 100 MW-día/t. Durante el Proyecto Manhattan, el combustible de uranio natural recibió sólo 100 MW-día/t, por lo que produjo 239 Ri (total) de muy alta calidad. 1 % 2 4°Pll).