Plutonio savitasis svoris. Ginklų klasės plutonis: pritaikymas, gamyba, šalinimas. Būti gamtoje, gauti

Berniukų tėvai turėtų būti pasiruošę įvairiems avarinės situacijos su savo vaikais, neskauda net žinoti, ką daryti, jei sūnus randa plutonio.

Kaip atrodo plutonis?

Pirmiausia turite įsivaizduoti, kaip atrodys tai, ką suras jūsų sūnus. Tai labai, labai sunkus sidabro spalvos miltelių pavidalo metalas, kuris valomas puikiai šviečia. Tačiau dėl savo elektronegatyvinių savybių jis ilgai neišlieka blizgus: iš pradžių išblunka, vėliau pasidengia šviesiai geltona plėvele, kuri pamažu virsta tamsiai violetine.

Pagalvokite, kas dar galėtų atrodyti kaip sidabriškai balti milteliai, nes prie sūpynių ar čiuožyklos nerasite plutonio. Ir net jei įlips į statybvietę, vaikinas mieliau taps vielos gabalo ar vinies nei saujos plutonio savininku.

Jei vis dėlto vaikas į namus parneša, jūsų manymu, aprašytą sunkųjį metalą, reikia skubiai kviesti policiją arba vietos Nepaprastųjų situacijų ministerijos skyrių, nes medžiaga yra radioaktyvi, pavojinga, kurią reikia greitai pašalinti ir paslėpti. toli.

Į „radinį“ reikia reaguoti nedelsiant. Tai nėra gyvenimo situacija, kurioje galite paskambinti draugui ir sužinoti. Juk agurkai, net ir rūgštūs, pavojingi daugiausia dėl ūmaus viduriavimo. Ir jei esate pakankamai protingas, kad nevalgytumėte jų po dangtelio nupūtimo, tai apskritai jie netrukdo jūsų sveikatai.

Plutonio poveikis žmogaus organizmui

Plutonis (Pu) nėra toks nekenksmingas kaip rūgštūs agurkai. Tai sunkusis metalas, todėl turi būti chemiškai toksiška medžiaga. Tačiau ši savybė yra menkai aprašyta, nes pagrindinis pavojus kyla dėl radiotoksiškumo. Jo toksiškumas atsiranda dėl alfa radioaktyvumo.

Alfa dalelė pavojinga organizmui tik tuo atveju, jei jos šaltinis yra žmogaus kūne. Paprasčiau tariant, kad atsirastų radioaktyvus poveikis, šis metalas turi būti nurytas. Išoriškai Pu veikia žmones neutronais ir gama spinduliais, tačiau dėl žemo jų lygio didelės žalos nedaro.

Alfa dalelės viduje Žmogaus kūnas pažeisti tik tuos audinius, su kuriais jie tiesiogiai liečiasi. Esant dideliam radiacijos lygiui, išsivysto ūmus apsinuodijimas ir iš karto pasireiškia toksinis poveikis. Žemas radiacijos lygis pamažu pažeidžia organizmą, sukurdamas polinkį susirgti vėžiu.

Pu blogai absorbuojamas virškinimo trakte. Net jei paimsite metalą tirpios druskos pavidalu, jis nėra linkęs absorbuotis, o susimaišo su žarnyno turiniu. Daug plutonio nepatenka į organizmą iš užteršto vandens, jis nusėda iš vandeninių tirpalų, sudarydamas netirpius junginius.

Norėdami mirti nuo ūmaus poveikio per kelias dienas ar savaitę, turite suvalgyti 500 mg Pu. Tuo pačiu metu jis turėtų būti gerai supjaustytas. Mirtis nuo plaučių edemos iki 10 dienų gresia asmenims, kurie į plaučius įkvepia 100 mg plutonio. Mažesnės Pu dozės organizme sukuria palankią dirvą vėžiui atsirasti ir progresuoti.

Ar žmonėms reikia

239Pu izotopas naudojamas branduolinio kuro pavidalu reaktoriuose, kuriuose veikia greitieji ir šiluminiai neutronai. 239Pu izotopas taip pat yra būtinas branduolinių ginklų gamyboje.

Atominės elektrinės, išsibarsčiusios visame pasaulyje, pagamina apie 15% pasaulio elektros energijos.

Atominės elektrinės baterijos, kuriose yra Pu-236, tarnauja iki 5 metų. Gydytojai tokias baterijas naudoja širdies stimuliatoriuose, kurie yra įsiūti į pacientų krūtinę ir sukelia širdies susitraukimus.
Pu-238 yra būtinas energijos šaltinis erdvėlaiviams, kuriuos žmonės naudoja tyrinėdami kosmosą.

Įspūdingi faktai

Smalsiems berniukams galima papasakoti įsimintinų faktų apie plutonį, kurių vargu ar jiems pasiseks rasti realiame gyvenime.

Jūrų organizmai stipriai kaupia šį elementą, kaupimo pajėgumas mažėja serijoje planktonas - dumbliai - žuvies skrandis - jūrų žvaigždė - žuvų kaulai.

Pu-244 yra ilgaamžis transurano elementų izotopas. Jo pusinės eliminacijos laikas yra 82,8 milijono metų!

Jei į lydinį pridėsite plutonio, gausite liejinį be vieno įtrūkimo. Šią savybę aktyviai naudoja metalurgai.

Branduolinės bombos užtaisai gaminami iš plutonio. Metalas toks sunkus, kad nedidelis plutonio kamuoliukas, kurį galima paslėpti 10*10 cm kube, sveria 5-6 kilogramus.

Kiekvienas tėvas norėtų palinkėti, kad jų sūnus plutonio nerastų ir neneštų namo, o ramiai žaistų su nekenksmingesniais žaislais.

Vaizdo įrašas: Plutonis-239 iš RID-1

Plutonis (lot. Plutonium, simbolis Pu) – ​​radioaktyvus cheminis elementas kurio atominis skaičius 94 ir atominis svoris 244,064. Plutonis yra Dmitrijaus Ivanovičiaus Mendelejevo periodinės lentelės III grupės elementas ir priklauso aktinidų šeimai. Plutonis yra sunkus (tankis normaliomis sąlygomis 19,84 g/cm³) trapus sidabriškai baltos spalvos radioaktyvus metalas.

Plutonis neturi stabilių izotopų. Iš šimto galimų plutonio izotopų buvo susintetinti dvidešimt penki. Ištirtos penkiolikos jų branduolinės savybės (masės skaičiai 232-246). Keturias rado praktinį pritaikymą. Ilgiausiai gyvenantys izotopai yra 244Pu (pusinės eliminacijos laikas 8,26-107 metai), 242Pu (pusinės eliminacijos laikas 3,76-105 metai), 239Pu (pusinės eliminacijos laikas 2,41-104 metai), 238Pu (pusinės eliminacijos laikas 87,74 metai) - spinduliuotę ir 241Pu (pusėjimo laikas 14 metų) – β-spinduliuotoją. Gamtoje urano rūdose (239Pu) plutonis randamas nedideliais kiekiais; jis susidaro iš urano veikiant neutronams, kurių šaltiniai yra reakcijos, vykstančios sąveikaujant α dalelėms su lengvaisiais elementais (įeinančiais į rūdas), savaiminis urano branduolių dalijimasis ir kosminė spinduliuotė.

Devyniasdešimt ketvirtą elementą atrado amerikiečių mokslininkų grupė – Glennas Seaborgas, Kennedy, Edwinas McMillanas ir Arthuras Wahlas 1940 m. Berklyje (Kalifornijos universitete), bombarduodami urano oksido (U3O8) taikinį labai pagreitintais deuterio branduoliais. (deuteronai) iš šešiasdešimties colių ciklotrono. 1940 m. gegužę plutonio savybes numatė Lewisas Turneris.

1940 m. gruodį buvo aptiktas plutonio izotopas Pu-238, kurio pusinės eliminacijos laikas yra ~90 metų, o po metų – svarbesnis Pu-239, kurio pusinės eliminacijos laikas ~24 000 metų.

Edwinas MacMillanas 1948 metais pasiūlė pavadinti cheminį elementą plutoniu naujos Plutono planetos atradimo garbei ir pagal analogiją su neptūnu, kuris buvo pavadintas po Neptūno atradimo.

Metalinis plutonis (239Pu izotopas) naudojamas branduoliniuose ginkluose ir tarnauja kaip branduolinis kuras reaktoriuose, kuriuose veikia šiluminiai ir ypač greiti neutronai. Kritinė 239Pu kaip metalo masė yra 5,6 kg. Be kita ko, 239Pu izotopas yra pradinė medžiaga branduoliniai reaktoriai transplutonio elementai. 238Pu izotopas naudojamas mažuose branduolinės energijos šaltiniuose, naudojamuose kosmoso tyrimuose, taip pat žmogaus širdies stimuliatoriuose.

Plutonis-242 yra svarbus kaip „žaliava“ santykinai greitas kaupimasis didesnių transuraninių elementų branduoliniuose reaktoriuose. Kuro elementų gamyboje naudojami δ-stabilizuoti plutonio lydiniai, nes jie pasižymi geresnėmis metalurginėmis savybėmis, palyginti su grynu plutoniu, kuris kaitinant patiria fazių virsmą. Plutonio oksidai naudojami kaip energijos šaltinis kosmoso technologijoms ir naudojami kuro strypuose.

Visi plutonio junginiai yra nuodingi, o tai yra α spinduliuotės pasekmė. Alfa dalelės kelia rimtą pavojų, jei jų šaltinis yra užsikrėtusio žmogaus kūne, pažeidžia aplinkinius kūno audinius. Plutonio gama spinduliuotė nėra pavojinga organizmui. Verta paminėti, kad skirtingi plutonio izotopai turi skirtingą toksiškumą, pavyzdžiui, tipiškas reaktoriaus plutonis yra 8-10 kartų toksiškesnis nei grynas 239Pu, nes jame dominuoja 240Pu nuklidai, kurie yra galingas alfa spinduliuotės šaltinis. Plutonis yra radiotoksiškiausias elementas iš visų aktinidų, tačiau laikomas toli gražu ne pačiu pavojingiausiu elementu, nes radis yra beveik tūkstantį kartų pavojingesnis už nuodingiausią plutonio izotopą – 239Pu.

Biologinės savybės

Plutonį koncentruoja jūriniai organizmai: šio radioaktyvaus metalo kaupimosi koeficientas (koncentracijų santykis organizme ir išorinėje aplinkoje) dumbliams yra 1000-9000, planktonui - apie 2300, jūrų žvaigždėms - apie 1000, moliuskams - iki 380, žuvų raumenims, kaulams, kepenims ir skrandžiui - atitinkamai 5, 570, 200 ir 1060. Sausumos augalai plutonį pasisavina daugiausia per šaknų sistema ir sukaupia jį iki 0,01% jų masės. Žmogaus kūne devyniasdešimt ketvirtas elementas daugiausia išlieka skelete ir kepenyse, iš kurių jis beveik nepasišalina (ypač iš kaulų).

Plutonis yra labai toksiškas, o jo cheminis pavojingumas (kaip ir bet kuris kitas sunkusis metalas) yra daug silpnesnis (cheminiu požiūriu jis taip pat yra nuodingas kaip švinas), palyginti su radioaktyviuoju toksiškumu, kuris yra alfa spinduliuotės pasekmė. Be to, α-dalelės turi santykinai mažą prasiskverbimo gebą: 239Pu atveju α-dalelių diapazonas ore yra 3,7 cm, o minkštuose biologiniuose audiniuose - 43 μm. Todėl alfa dalelės kelia rimtą pavojų, jei jų šaltinis yra užsikrėtusio žmogaus kūne. Kartu jie pažeidžia elementą supančius kūno audinius.

Tuo pačiu metu γ spinduliai ir neutronai, kuriuos taip pat skleidžia plutonis ir kurie gali prasiskverbti į kūną iš išorės, nėra labai pavojingi, nes jų lygis yra per mažas, kad galėtų pakenkti sveikatai. Plutonis priklauso elementų grupei, pasižyminčiai ypač dideliu radiotoksiškumu. Tuo pačiu metu skirtingi plutonio izotopai turi skirtingą toksiškumą, pavyzdžiui, tipiškas reaktoriaus plutonis yra 8–10 kartų toksiškesnis nei grynas 239Pu, nes jame dominuoja 240Pu nuklidai, kurie yra galingas alfa spinduliuotės šaltinis.

Prarijus per vandenį ir maistą, plutonis yra mažiau toksiškas nei tokios medžiagos kaip kofeinas, kai kurie vitaminai, pseudoefedrinas ir daugelis augalų bei grybų. Tai paaiškinama tuo, kad šis elementas prastai pasisavinamas virškinamajame trakte, net kai tiekiamas tirpios druskos pavidalu, tą pačią druską suriša skrandžio ir žarnyno turinys. Tačiau nurijus 0,5 gramo smulkiai susmulkinto arba ištirpusio plutonio, gali mirti dėl ūmaus radiacijos poveikio. Virškinimo sistema per kelias dienas ar savaites (cianidui ši vertė yra 0,1 gramo).

Įkvėpimo požiūriu plutonis yra įprastas toksinas (maždaug tolygu gyvsidabrio garams). Įkvėptas plutonis yra kancerogeninis ir gali sukelti plaučių vėžį. Taigi įkvėpus šimtas miligramų plutonio, kurio dalelės yra optimalaus dydžio, kad būtų sulaikytos plaučiuose (1–3 mikronai), miršta nuo plaučių edemos per 1–10 dienų. Dvidešimties miligramų dozė sukelia mirtį nuo fibrozės maždaug per mėnesį. Mažesnės dozės sukelia lėtinį kancerogeninį apsinuodijimą. Plutonio įkvėpimo į organizmą pavojus didėja dėl to, kad plutonis linkęs susidaryti aerozoliams.

Nors tai yra metalas, jis yra gana nepastovus. Trumpas metalo buvimas patalpoje žymiai padidina jo koncentraciją ore. Į plaučius patekęs plutonis iš dalies nusėda ant plaučių paviršiaus, iš dalies patenka į kraują, o vėliau į limfą ir kaulų čiulpus. Dauguma (apie 60%) patenka į kaulinį audinį, 30% į kepenis ir tik 10% išsiskiria natūraliai. Į organizmą patenkančio plutonio kiekis priklauso nuo aerozolio dalelių dydžio ir tirpumo kraujyje.

Į žmogaus organizmą vienaip ar kitaip patekęs plutonis savo savybėmis panašus į geležies geležį, todėl, prasiskverbęs į kraujotakos sistemą, plutonis ima telktis audiniuose, kuriuose yra geležies: kaulų čiulpuose, kepenyse, blužnyje. Organizmas plutonį suvokia kaip geležį, todėl transferino baltymas vietoj geležies paima plutonį, dėl to deguonies perdavimas organizme sustoja. Mikrofagai plutonį perneša į limfmazgius. Į organizmą patekęs plutonis labai ilgai pasišalina iš organizmo – per 50 metų iš organizmo pasišalins tik 80 proc. Pusinės eliminacijos laikas iš kepenų yra 40 metų. Kaulinio audinio plutonio pusinės eliminacijos laikas yra 80–100 metų, devyniasdešimt ketvirto elemento koncentracija kauluose yra pastovi.

Per visą Antrąjį pasaulinį karą ir jam pasibaigus Manheteno projekte dirbantys mokslininkai, taip pat Trečiojo Reicho ir kitų tyrimų organizacijų mokslininkai atliko eksperimentus su plutoniu su gyvūnais ir žmonėmis. Tyrimai su gyvūnais parodė, kad keli miligramai plutonio kilograme audinio yra mirtina dozė. Plutonio vartojimas žmonėms paprastai susideda iš 5 mikrogramų plutonio, kuris buvo švirkščiamas į raumenis lėtinėmis ligomis sergantiems pacientams. Galiausiai buvo nustatyta, kad mirtina dozė pacientui buvo vienas mikrogramas plutonio, o plutonis buvo pavojingesnis už radį ir linkęs kauptis kauluose.

Kaip žinoma, plutonis yra elementas, kurio gamtoje praktiškai nėra. Tačiau apie penkias tonas jo buvo išleista į atmosferą dėl branduolinių bandymų 1945–1963 m. Bendras plutonio kiekis, išmestas į atmosferą dėl branduolinių bandymų iki devintojo dešimtmečio, yra 10 tonų. Kai kuriais skaičiavimais, Jungtinių Valstijų dirvožemyje yra vidutiniškai 2 milikiuriai (28 mg) plutonio vienam km2 nuosėdų, o plutonio kiekis Ramiajame vandenyne yra didesnis, palyginti su bendru branduolinių medžiagų pasiskirstymu žemėje.

Naujausias reiškinys siejamas su JAV branduoliniais bandymais Maršalo salose Ramiojo vandenyno bandymų poligone šeštojo dešimtmečio viduryje. Plutonio buvimo laikas paviršiniuose vandenynų vandenyse svyruoja nuo 6 iki 21 metų, tačiau net ir praėjus šiam laikotarpiui plutonis kartu su biogeninėmis dalelėmis krenta į dugną, iš kurio dėl mikrobų irimo pavirsta į tirpias formas.

Pasaulinė tarša devyniasdešimt ketvirtuoju elementu siejama ne tik su branduoliniais bandymais, bet ir su avarijomis gamyboje bei įrangos sąveika su šiuo elementu. Taigi 1968 metų sausį Grenlandijoje sudužo JAV oro pajėgų B-52 su keturiomis branduolinėmis galvutėmis. Dėl sprogimo užtaisai buvo sunaikinti, o plutonis nutekėjo į vandenyną.

Kitas radioaktyvaus aplinkos užteršimo atvejis dėl avarijos įvyko su sovietų erdvėlaiviu Kosmos-954 1978 m. sausio 24 d. Dėl nekontroliuojamo deorbito į Kanados teritoriją nukrito palydovas su branduolinės energijos šaltiniu. Dėl avarijos į aplinką pateko daugiau nei kilogramas plutonio-238, kuris pasklido apie 124 000 m² plote.

Pats baisiausias radioaktyviųjų medžiagų avarinio nutekėjimo į aplinką pavyzdys – Černobylio atominės elektrinės avarija, įvykusi 1986 metų balandžio 26 dieną. Sunaikinus ketvirtąjį energijos bloką, į aplinką apie 2200 km² plote pateko 190 tonų radioaktyviųjų medžiagų (įskaitant plutonio izotopus).

Plutonio išmetimas į aplinką siejamas ne tik su žmogaus sukeltais incidentais. Yra žinomi plutonio nutekėjimo atvejai tiek laboratorinėmis, tiek gamyklinėmis sąlygomis. Yra žinoma daugiau nei dvidešimt atsitiktinių nuotėkių iš 235U ir 239Pu laboratorijų. Per 1953-1978 m. nelaimingi atsitikimai lėmė nuo 0,81 (Majakas, 1953 m. kovo 15 d.) iki 10,1 kg (Tomskas, 1978 m. gruodžio 13 d.) 239Pu. Pramoniniai incidentai Los Alamose iš viso nusinešė dvi mirtis (1945 m. rugpjūčio 21 d. ir 1946 m. ​​gegužės 21 d.) dėl dviejų avarijų ir 6,2 kg plutonio praradimo. Sarovo mieste 1953 ir 1963 m. už branduolinio reaktoriaus iškrito maždaug 8 ir 17,35 kg. Dėl vieno iš jų 1953 metais buvo sugriautas branduolinis reaktorius.

Kai 238Pu branduolys dalijasi su neutronais, išsiskiria 200 MeV energijos, tai yra 50 milijonų kartų daugiau nei garsiausia egzoterminė reakcija: C + O2 → CO2. Branduoliniame reaktoriuje „deginant“ vienas gramas plutonio gamina 2107 kcal – tiek energijos yra 4 tonose anglies. Plutonio kuro antpirštis energijos ekvivalentu gali prilygti keturiasdešimčiai vagonų gerų malkų!

Manoma, kad plutonio „natūralus izotopas“ (244Pu) yra ilgiausiai gyvuojantis visų transurano elementų izotopas. Jo pusinės eliminacijos laikas yra 8,26∙107 metai. Mokslininkai ilgą laiką bandė gauti transurano elemento izotopą, kuris egzistuotų ilgiau nei 244Pu – daug vilčių šiuo atžvilgiu buvo siejama su 247cm. Tačiau po jo sintezės paaiškėjo, kad šio elemento pusinės eliminacijos laikas yra tik 14 milijonų metų.

Istorija

1934 metais Enrico Fermi vadovaujama mokslininkų grupė padarė pareiškimą, kad mokslinio darbo metu Romos universitete jie atrado cheminį elementą, kurio serijos numeris 94. Fermio reikalavimu elementas buvo pavadintas hesperiu, mokslininkas buvo įsitikinęs, kad jis atrado naują elementą, kuris dabar vadinamas plutoniu, taip įrodydamas transurano elementų egzistavimą ir tapdamas teoriniu jų atradėju. Fermi apgynė šią hipotezę savo Nobelio paskaitoje 1938 m. Tik po to, kai vokiečių mokslininkai Otto Frisch ir Fritz Strassmann atrado branduolio dalijimąsi, Fermi buvo priverstas 1939 m. Stokholme išleistoje spausdintinėje versijoje padaryti pastabą, kad reikia persvarstyti „visą transurano elementų problemą“. Faktas yra tas, kad Frischo ir Strassmanno darbai parodė, kad Fermi jo eksperimentuose atrasta veikla buvo būtent dėl ​​dalijimosi, o ne dėl transurano elementų atradimo, kaip jis anksčiau manė.

1940 m. pabaigoje buvo atrastas naujas elementas – devyniasdešimt ketvirtasis. Tai atsitiko Berklyje, Kalifornijos universitete. Bombarduodami urano oksidą (U3O8) sunkiaisiais vandenilio branduoliais (deuteronais), amerikiečių radiochemikų grupė, vadovaujama Glenno T. Seaborgo, atrado iki tol nežinomą alfa dalelių skleidėją, kurio pusinės eliminacijos laikas yra 90 metų. Paaiškėjo, kad šis skleidėjas yra elemento Nr. 94 izotopas, kurio masės skaičius yra 238. Taigi 1940 m. gruodžio 14 d. buvo gauti pirmieji mikrogramų plutonio kiekiai kartu su kitų elementų ir jų junginių priemaiša.

1940 m. atlikto eksperimento metu buvo nustatyta, kad branduolinės reakcijos metu pirmiausia susidaro trumpalaikis izotopas neptulis-238 (pusėjimo laikas 2,117 dienos), o iš jo plutonis-238:

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

Ilgas ir daug darbo reikalaujantis cheminiai eksperimentai Naujam elementui atskirti nuo priemaišų prireikė dviejų mėnesių. Naujo cheminio elemento egzistavimą 1941 m. vasario 23–24 d. naktį patvirtino G. T. Seaborgas, E. M. Macmillanas, J. W. Kennedy ir A. C. Wall, tirdami pirmąsias jo chemines savybes – gebėjimą turėti bent du oksidacijos būdus. teigia. Šiek tiek vėliau nei eksperimentų pabaigoje buvo nustatyta, kad šis izotopas yra neskilęs, todėl neįdomus tolesniam tyrimui. Netrukus (1941 m. kovo mėn.) Kennedy, Seaborg, Segre ir Wahl susintetino svarbesnį izotopą plutonį-239, apšvitindami uraną labai pagreitintais neutronais ciklotrone. Šis izotopas susidaro irstant neptuniui-239, skleidžia alfa spindulius ir jo pusinės eliminacijos laikas yra 24 000 metų. Pirmasis grynas elemento junginys buvo gautas 1942 m., o pirmieji metalinio plutonio kiekiai buvo gauti 1943 m.

Naujojo elemento 94 pavadinimą 1948 metais pasiūlė MacMillanas, kuris likus keliems mėnesiams iki plutonio atradimo kartu su F.Eibelsonu gavo pirmąjį už uraną sunkesnį elementą – elementą Nr.93, kuris garbei buvo pavadintas neptūnu. Neptūno planetos – pirmoji už Urano. Pagal analogiją jie nusprendė elementą Nr. 94 pavadinti plutoniu, nes Plutono planeta yra antra po Urano. Savo ruožtu Seaborgas pasiūlė naująjį elementą pavadinti „plutiu“, bet tada suprato, kad pavadinimas skamba nelabai gerai, palyginti su „plutoniu“. Be to, jis pasiūlė ir kitus naujojo elemento pavadinimus: ultimium, extermium, nes tuo metu buvo klaidingai priimtas sprendimas, kad plutonis taps paskutiniu cheminiu elementu periodinėje lentelėje. Dėl to elementas buvo pavadintas "plutoniu" paskutinės Saulės sistemos planetos atradimo garbei.

Buvimas gamtoje

Ilgiausiai gyvenančio plutonio izotopo pusinės eliminacijos laikas yra 75 milijonai metų. Skaičius labai įspūdingas, tačiau galaktikos amžius matuojamas milijardais metų. Iš to išplaukia, kad devyniasdešimt ketvirtojo elemento pirminiai izotopai, susidarę didžiosios Visatos elementų sintezės metu, iki šių dienų neturėjo jokių šansų išlikti. Ir vis dėlto tai nereiškia, kad Žemėje iš viso nėra plutonio. Jis nuolat susidaro urano rūdose. Užfiksuojant neutronus iš kosminės spinduliuotės ir neutronus, susidarančius savaiminio 238U branduolių dalijimosi metu, kai kurie – labai nedaug – šio izotopo atomų virsta 239U atomais. Šio elemento branduoliai yra labai nestabilūs, jie išskiria elektronus ir taip padidina jų krūvį, susidaro neptulis – pirmasis transurano elementas. 239Np taip pat nestabilus, jo branduoliai taip pat išskiria elektronus, todėl vos per 56 valandas pusė 239Np virsta 239Pu.

Šio izotopo pusinės eliminacijos laikas jau labai ilgas ir siekia 24 000 metų. Vidutiniškai 239Pu yra apie 400 000 kartų mažiau nei radžio. Todėl labai sunku ne tik išgauti, bet net ir aptikti „sausumos“ plutonį. Nedidelį kiekį 239Pu – dalių trilijonui – ir skilimo produktų galima rasti urano rūdose, pavyzdžiui, natūraliame branduoliniame reaktoriuje Oklo mieste, Gabone (Vakarų Afrika). Vadinamasis „natūralus branduolinis reaktorius“ laikomas vieninteliu pasaulyje, kurio geosferoje šiuo metu formuojasi aktinidai ir jų skilimo produktai. Šiuolaikiniais skaičiavimais, šiame regione prieš kelis milijonus metų įvyko savaime išsilaikanti reakcija su šilumos išsiskyrimu, kuri truko daugiau nei pusę milijono metų.

Taigi, mes jau žinome, kad urano rūdose, urano branduoliuose gaudant neutronus, susidaro neptūnas (239Np), kurio β skilimo produktas yra natūralus plutonis-239. Specialių prietaisų – masės spektrometrų – dėka Prekambro bastnezite (cerio rūdoje) buvo aptiktas plutonio-244 (244Pu), kurio pusinės eliminacijos laikas yra ilgiausias – maždaug 80 milijonų metų. Gamtoje 244Pu daugiausia randamas dioksido (PuO2) pavidalu, kuris net mažiau tirpsta vandenyje nei smėlis (kvarcas). Kadangi plutonio-244 skilimo grandinėje yra santykinai ilgaamžis izotopas plutonis-240 (240Pu), jo skilimas vyksta, tačiau tai įvyksta labai retai (1 atvejis iš 10 000). Labai nedideli plutonio-238 (238Pu) kiekiai atsiranda dėl labai reto pirminio izotopo urano-238 dvigubo beta skilimo, kuris buvo rastas urano rūdose.

Izotopų 247Pu ir 255Pu pėdsakų buvo rasta dulkėse, surinktose po termobranduolinių bombų sprogimų.

Žmogaus kūne hipotetiškai gali būti minimalūs plutonio kiekiai, atsižvelgiant į tai, kad buvo atlikta daugybė branduolinių bandymų, vienaip ar kitaip susijusių su plutoniu. Plutonis daugiausia kaupiasi skelete ir kepenyse, iš kurių praktiškai nepasišalina. Be to, devyniasdešimt ketvirtą elementą kaupia jūros organizmai; Sausumos augalai plutonį pasisavina daugiausia per šaknų sistemą.

Pasirodo, dirbtinai susintetintas plutonis vis dar egzistuoja gamtoje, tai kodėl jis ne kasamas, o gaunamas dirbtinai? Faktas yra tas, kad šio elemento koncentracija yra per maža. Apie kitą radioaktyvų metalą - radį jie sako: „gramas gamybos - darbo metai“, o radžio gamtoje yra 400 000 kartų daugiau nei plutonio! Dėl šios priežasties itin sunku ne tik išgauti, bet net ir aptikti „sausumos“ plutonį. Tai buvo padaryta tik po to, kai buvo ištirtos branduoliniuose reaktoriuose gaminamo plutonio fizinės ir cheminės savybės.

Taikymas

Izotopas 239Pu (kartu su U) naudojamas kaip branduolinis kuras reaktoriuose, kuriuose daugiausiai veikia šiluminiai ir greitieji neutronai, taip pat branduolinių ginklų gamyboje.

Apie pusė tūkstančio atominių elektrinių visame pasaulyje pagamina maždaug 370 GW elektros energijos (arba 15 % visos pasaulyje pagaminamos elektros energijos). Plutonis-236 naudojamas gaminant atomines elektros baterijas, kurių tarnavimo laikas siekia penkerius ir daugiau metų, jos naudojamos srovės generatoriuose, kurie stimuliuoja širdį (stimuliatoriuose). 238Pu naudojamas mažuose branduolinės energijos šaltiniuose, naudojamuose kosmoso tyrimuose. Taigi, plutonis-238 yra „New Horizons“, „Galileo“ ir „Cassini“ zondų, „Curiosity“ marsaeigio ir kitų erdvėlaivių energijos šaltinis.

Branduoliniams ginklams naudojamas plutonis-239, nes šis izotopas yra vienintelis tinkamas nuklidas naudoti branduolinėje bomboje. Be to, dažnesnis plutonio-239 naudojimas branduolinėse bombose yra susijęs su tuo, kad plutonis užima mažiau tūrio sferoje (kur yra bombos šerdis), todėl bombos sprogstamoji galia gali būti įgyta dėl to. nuosavybė.

Schema, pagal kurią įvyksta branduolinis sprogimas, susijęs su plutoniu, yra pačios bombos konstrukcijoje, kurios šerdį sudaro rutulys, užpildytas 239Pu. Susidūrimo su žeme momentu sfera yra suspausta iki milijono atmosferų dėl konstrukcijos ir šią sferą supančio sprogmens. Po smūgio šerdies tūris ir tankis išsiplečia per trumpiausią įmanomą laiką - dešimtis mikrosekundžių, agregatas peršoka per kritinę būseną su terminiais neutronais ir pereina į superkritinę būseną su greitaisiais neutronais - prasideda branduolinė grandininė reakcija, dalyvaujant elemento neutronai ir branduoliai. Paskutinis branduolinės bombos sprogimas pakelia dešimčių milijonų laipsnių temperatūrą.

Plutonio izotopai buvo naudojami transplutonio (greta plutonio) elementų sintezei. Pavyzdžiui, Oak Ridge nacionalinėje laboratorijoje su ilgalaikiu neutronų apšvitinimu gaunami 239Pu, 24496Cm, 24296Cm, 24997Bk, 25298Cf, 25399E ir 257100Fm. Tuo pačiu būdu americis 24195Am pirmą kartą buvo gautas 1944 m. 2010 m. plutonio-242 oksidas, bombarduotas kalcio-48 jonais, buvo ununquadium šaltinis.

δ-Stabilizuoti plutonio lydiniai naudojami kuro strypų gamyboje, nes jie pasižymi žymiai geresnėmis metalurginėmis savybėmis, lyginant su grynu plutoniu, kuris kaitinant patiria fazinius virsmus ir yra labai trapi ir nepatikima medžiaga. Plutonio lydiniai su kitais elementais (intermetaliniais junginiais) dažniausiai gaunami tiesioginės elementų sąveikos reikiamomis proporcijomis, o lankinis lydymas dažniausiai gaunamas purškiant nusodinant arba aušinant lydalus.

Pagrindiniai pramoniniai plutonio legiravimo elementai yra galis, aliuminis ir geležis, nors plutonis gali sudaryti lydinius ir tarpinius junginius su daugeliu metalų, išskyrus retas išimtis (kalis, natris, ličio, rubidžio, magnio, kalcio, stroncio, bario, europio ir iterbio) . Ugniai atsparūs metalai: molibdenas, niobis, chromas, tantalas ir volframas tirpsta skystame plutonyje, bet beveik netirpsta arba šiek tiek tirpsta kietame plutonyje. Indis, silicis, cinkas ir cirkonis gali sudaryti metastabilų δ-plutonį (δ"-fazę) greitai aušinant. Galis, aliuminis, americis, skandis ir ceris gali stabilizuoti δ-plutonį, kai kambario temperatūra.

Dideli holmio, hafnio ir talio kiekiai leidžia šiek tiek δ-plutonio laikyti kambario temperatūroje. Neptūnas yra vienintelis elementas, galintis stabilizuoti α-plutonį aukštoje temperatūroje. Titanas, hafnis ir cirkonis stabilizuoja β-plutonio struktūrą kambario temperatūroje, kai greitai atvėsina. Tokių lydinių pritaikymas yra gana įvairus. Pavyzdžiui, plutonio ir galio lydinys naudojamas plutonio δ fazei stabilizuoti, todėl išvengiama α-δ fazės perėjimo. Trišalis plutonio-galio-kobalto lydinys (PuGaCo5) yra superlaidus lydinys esant 18,5 K temperatūrai. Yra keletas lydinių (plutonio-cirkonio, plutonio-cerio ir plutonio-cerio-kobalto), kurie naudojami kaip branduolinis kuras.

Gamyba

Pramoninis plutonis gaminamas dviem būdais. Tai yra arba 238U branduolių, esančių branduoliniuose reaktoriuose, apšvitinimas, arba plutonio atskyrimas radiocheminiais metodais (bendras nusodinimas, ekstrahavimas, jonų mainai ir kt.) nuo urano, transuraninių elementų ir skilimo produktų, esančių panaudotame kure.

Pirmuoju atveju praktiškiausias izotopas 239Pu (sumaišytas su nedideliu 240Pu mišiniu) gaminamas branduoliniuose reaktoriuose, kuriuose dalyvauja urano branduoliai ir neutronai, naudojant β skilimą, o neptūno izotopai dalyvauja kaip tarpinis dalijimosi produktas:

23892U + 21D → 23893Np + 210n;

23893Np → 23894Pu

β-skilimas

Šiame procese deuteronas patenka į uraną-238, todėl susidaro neptūnas-238 ir du neutronai. Tada neptūnas-238 spontaniškai dalijasi, išskirdamas beta-minuso daleles, kurios sudaro plutonį-238.

Paprastai mišinyje 239Pu yra 90-95%, 240Pu yra 1-7%, kitų izotopų kiekis neviršija dešimtųjų procentų. Ilgą pusamžį turintys izotopai – 242Pu ir 244Pu gaunami ilgai apšvitinant 239Pu neutronais. Be to, 242Pu išeiga yra kelios dešimtys procentų, o 244Pu yra 242Pu kiekio procento dalis. Neptunį-237 apšvitinant neutronais, susidaro nedideli kiekiai izotopiškai gryno plutonio-238. Lengvieji plutonio izotopai, kurių masės skaičiai 232–237, dažniausiai gaunami ciklotrone, apšvitinant urano izotopus α dalelėmis.

Antrasis pramoninės 239Pu gamybos būdas naudojamas Purex procesas, pagrįstas ekstrahavimu tributilo fosfatu lengvajame skiediklyje. Pirmajame cikle Pu ir U kartu išvalomi iš skilimo produktų ir tada atskiriami. Antrame ir trečiame cikluose plutonis toliau valomas ir koncentruojamas. Tokio proceso schema paremta atskiriamų elementų tetra- ir šešiavalenčių junginių savybių skirtumu.

Iš pradžių panaudoto kuro strypai išmontuojami, o apvalkalas, kuriame yra panaudoto plutonio ir urano, pašalinamas fizinėmis ir cheminėmis priemonėmis. Tada išgautas branduolinis kuras ištirpinamas azoto rūgštyje. Juk jis yra stiprus oksidatorius, kai ištirpsta, o uranas, plutonis ir priemaišos oksiduojasi. Plutonio atomai, kurių valentingumas nulinis, paverčiami Pu+6, ir plutonis, ir uranas ištirpsta. Iš tokio tirpalo devyniasdešimt ketvirtas elementas sieros dioksidu redukuojamas į trivalentę būseną, o po to nusodinamas lantano fluoridu (LaF3).

Tačiau, be plutonio, nuosėdose yra neptūno ir retųjų žemių elementų, tačiau didžioji dalis (uranas) lieka tirpale. Tada plutonis vėl oksiduojamas iki Pu+6 ir vėl pridedama lantano fluorido. Dabar retųjų žemių elementai nusėda, o plutonis lieka tirpale. Tada neptūnas oksiduojamas į keturiavalentę būseną kalio bromatu, nes šis reagentas neturi įtakos plutoniui, tada antrinio nusodinimo su tuo pačiu lantano fluoridu metu trivalentis plutonis pereina į nuosėdas, o neptūnas lieka tirpale. Tokių operacijų galutiniai produktai yra plutonio turintys junginiai – PuO2 dioksidas arba fluoridai (PuF3 arba PuF4), iš kurių gaunamas metalinis plutonis (redukuojant bario, kalcio ar ličio garais).

Grynesnis plutonis gali būti gaunamas elektrolitiniu būdu rafinuojant pirochemiškai pagamintą metalą, kuris atliekamas elektrolizės ląstelėse 700 ° C temperatūroje kalio, natrio ir plutonio chlorido elektrolitu naudojant volframo arba tantalo katodą. Tokiu būdu gautas plutonis yra 99,99 % grynumo.

Norint pagaminti didelius kiekius plutonio, statomi selekciniai reaktoriai, vadinamieji „breederiai“ (iš anglų kalbos veiksmažodžio veisti - daugintis). Šie reaktoriai gavo savo pavadinimą dėl jų gebėjimo pagaminti skiliųjų medžiagų kiekius, viršijančius šios medžiagos gavimo išlaidas. Skirtumas tarp šio tipo reaktorių nuo kitų yra tas, kad juose esantys neutronai nesulėtinami (nėra moderatoriaus, pavyzdžiui, grafito), kad kuo daugiau jų reaguotų su 238U.

Po reakcijos susidaro 239U atomai, kurie vėliau sudaro 239Pu. Tokio reaktoriaus, kuriame yra nusodrintojo urano dioksido (UO2) PuO2, šerdis yra apsupta dar labiau nusodinto urano dioksido-238 (238UO2), kuriame susidaro 239Pu. Kombinuotas 238U ir 235U naudojimas leidžia „išaugintojams“ iš natūralaus urano pagaminti 50–60 kartų daugiau energijos nei kituose reaktoriuose. Tačiau šie reaktoriai turi didelį trūkumą – kuro strypai turi būti aušinami ne vandeniu, o kita terpe, o tai sumažina jų energiją. Todėl buvo nuspręsta kaip aušinimo skystį naudoti skystą natrį.

Tokie reaktoriai Jungtinėse Amerikos Valstijose pradėti statyti pasibaigus Antrajam pasauliniam karui SSRS ir Didžioji Britanija pradėjo statyti tik šeštajame dešimtmetyje.

Fizinės savybės

Plutonis yra labai sunkus (tankis normaliu lygiu 19,84 g/cm³) sidabrinis metalas, išgrynintas labai panašus į nikelį, tačiau ore plutonis greitai oksiduojasi, blunka, sudarydamas vaivorykštę plėvelę, iš pradžių šviesiai geltoną, o paskui virsta tamsiai violetine. . Kai įvyksta stipri oksidacija, ant metalinio paviršiaus atsiranda alyvuogių žalios spalvos oksido milteliai (PuO2).

Plutonis yra labai elektronegatyvus ir reaktyvus metalas, daug kartų didesnis net už uraną. Jis turi septynias alotropines modifikacijas (α, β, γ, δ, δ", ε ir ζ), kurios kinta tam tikrame temperatūrų intervale ir tam tikrame slėgio intervale Kambario temperatūroje plutonis yra α formos – tai yra labiausiai paplitusi plutonio alotropinė modifikacija Alfa fazėje grynas plutonis yra trapus ir gana kietas – ši struktūra yra maždaug tokia pat kieta kaip pilkasis ketus, nebent jis būtų legiruotas su kitais metalais, kurie lydiniui suteiks plastiškumo ir minkštumo , šioje tankiausioje formoje plutonis yra šeštas tankiausias elementas (sunkesni yra tik osmis, iridis, platina, renis ir neptūnas). 480 ° C temperatūroje jis nesiplečia, kaip ir kiti metalai, o susitraukia (delta fazės " ir "delta pradinis"). Lydant (pereinant iš epsilono fazės į skystąją fazę), plutonis taip pat susitraukia, todėl neištirpęs plutonis. plūdė.

Plutonis pasižymi daugybe neįprastų savybių: iš visų metalų jis turi mažiausią šilumos laidumą – 300 K temperatūroje jis yra 6,7 ​​W/(m K); plutonis turi mažiausią elektros laidumą; Skystoje fazėje plutonis yra klampiausias metalas. Devyniasdešimt ketvirto elemento varža kambario temperatūroje metalui yra labai didelė, o mažėjant temperatūrai ši savybė padidės, o tai metalams nebūdinga. Šią „anomaliją“ galima atsekti iki 100 K temperatūros – žemiau šios žymos elektrinė varža sumažės. Tačiau nuo 20 K atsparumas vėl pradeda didėti dėl metalo radiacinio aktyvumo.

Plutonis turi didžiausią elektrinę varžą iš visų tirtų aktinidų (iki šiol), kuri yra 150 μΩ cm (esant 22 °C). Šio metalo lydymosi temperatūra yra žema (640 °C) ir neįprastai aukšta virimo temperatūra (3 227 °C). Arčiau lydymosi temperatūros skystas plutonis turi labai didelį klampumą ir paviršiaus įtempimą, palyginti su kitais metalais.

Dėl savo radioaktyvumo plutonis yra šiltas liesti. Didelis plutonio gabalas terminiame apvalkale įkaitinamas iki temperatūros, viršijančios vandens virimo temperatūrą! Be to, dėl savo radioaktyvumo plutonis laikui bėgant keičiasi jo kristalinėje gardelėje – vyksta tam tikras atkaitinimas dėl savaiminio apšvitinimo, kai temperatūra pakyla virš 100 K.

Kadangi plutonyje yra daug alotropinių modifikacijų, jį sunku apdoroti ir išvynioti dėl fazių perėjimų. Jau žinome, kad alfa formos devyniasdešimt ketvirtas elementas savo savybėmis panašus į ketaus, bet turi savybę keistis ir virsti plastikinė medžiaga, ir sudaro kaliąją β formą esant aukštesnei temperatūrai. Plutonis δ formos paprastai yra stabilus 310–452 °C temperatūroje, tačiau gali egzistuoti ir kambario temperatūroje, jei yra legiruotas mažu aliuminio, cerio ar galio procentais. Su šiais metalais legiruotas plutonis gali būti naudojamas suvirinimui. Apskritai, delta forma pasižymi ryškesnėmis metalo savybėmis – ji artima aliuminiui savo stiprumu ir kalimu.

Cheminės savybės

Devyniasdešimt ketvirto elemento cheminės savybės daugeliu atžvilgių yra panašios į jo pirmtakų savybes. Periodinė elementų lentelė- uranas ir neptūnas. Plutonis yra gana aktyvus metalas, jis sudaro junginius, kurių oksidacijos būsena yra nuo +2 iki +7. Vandeniniuose tirpaluose elementas pasižymi tokiomis oksidacijos būsenomis: Pu (III), kaip Pu3+ (yra rūgštiniuose vandeniniuose tirpaluose, turi šviesiai violetinę spalvą); Pu (IV), kaip Pu4+ (šokolado atspalvis); Pu (V), kaip PuO2+ (lengvas tirpalas); Pu (VI), kaip PuO22+ (šviesiai oranžinis tirpalas) ir Pu(VII), kaip PuO53- (žalias tirpalas).

Be to, šie jonai (išskyrus PuO53-) vienu metu gali būti pusiausvyroje tirpale, o tai paaiškinama tuo, kad yra 5f elektronų, kurie yra lokalizuotoje ir delokalizuotoje elektronų orbitos zonoje. Esant pH 5-8, dominuoja Pu(IV), kuris yra stabiliausias tarp kitų valentų (oksidacijos būsenų). Visų oksidacijos būsenų plutonio jonai yra linkę į hidrolizę ir kompleksų susidarymą. Galimybė sudaryti tokius junginius padidėja Pu5+ serijoje

Kompaktiškas plutonis lėtai oksiduojasi ore, pasidengdamas vaivorykšte, riebia oksido plėvele. Yra žinomi šie plutonio oksidai: PuO, Pu2O3, PuO2 ir kintamos sudėties fazė Pu2O3 - Pu4O7 (bertolidai). Esant nedideliam drėgmės kiekiui, žymiai padidėja oksidacijos ir korozijos greitis. Jei metalą pakankamai ilgai veikia nedidelis drėgno oro kiekis, jo paviršiuje susidaro plutonio dioksidas (PuO2). Trūkstant deguonies gali susidaryti ir jo dihidridas (PuH2). Keista, bet plutonis rūdija daug greičiau inertinių dujų (pvz., argono) atmosferoje su vandens garais nei sausame ore ar gryname deguonyje. Tiesą sakant, šį faktą lengva paaiškinti – dėl tiesioginio deguonies poveikio plutonio paviršiuje susidaro oksido sluoksnis, kuris neleidžia toliau oksiduotis, todėl susidaro birus oksido ir hidrido mišinys. Beje, dėl šios dangos metalas tampa piroforinis, tai yra, dėl šios priežasties metalinis plutonis dažniausiai apdorojamas inertinėje argono arba azoto atmosferoje. Tuo pačiu metu deguonis yra apsauginė medžiaga ir neleidžia drėgmei paveikti metalo.

Devyniasdešimt ketvirtas elementas reaguoja su rūgštimis, deguonimi ir jų garais, bet ne su šarmais. Plutonis gerai tirpsta tik labai rūgštinėje terpėje (pvz. vandenilio chlorido rūgštis HCl), taip pat tirpsta vandenilio chloride, vandenilio jodide, vandenilio bromide, 72% perchloro rūgštyje, 85% fosforo rūgštyje H3PO4, koncentruotoje CCl3COOH, sulfamo rūgštyje ir verdančioje koncentruotoje azoto rūgštyje. Plutonis netirpsta šarminiuose tirpaluose.

Kai tirpalai, kuriuose yra keturiavalenčio plutonio, veikiami šarmais, nusėda bazinių savybių turinčios plutonio hidroksido Pu(OH)4 xH2O nuosėdos. Kai druskų, kuriose yra PuO2+, tirpalai yra veikiami šarmų, amfoterinis hidroksidas PuO2OH. Į jį atsako druskos – plutonitai, pavyzdžiui, Na2Pu2O6.

Plutonio druskos lengvai hidrolizuojasi susilietus su neutraliais arba šarminiais tirpalais ir susidaro netirpus plutonio hidroksidas. Koncentruoti plutonio tirpalai yra nestabilūs dėl radiolitinio skilimo, dėl kurio susidaro krituliai.

Plutonis- radioaktyvus cheminis aktinidų grupės elementas, plačiai naudojamas gamyboje atominiai ginklai(vadinamasis „ginklų klasės plutonis“), taip pat (eksperimentiniu būdu) kaip branduolinis kuras branduoliniams reaktoriams civiliniams ir mokslinių tyrimų tikslams. Pirmasis dirbtinis elementas, gautas tokiais kiekiais, kuriuos galima sverti (1942 m.).

Lentelėje dešinėje parodytos pagrindinės α-Pu, pagrindinės alotropinės plutonio modifikacijos, savybės kambario temperatūroje ir normaliame slėgyje.

Plutonio istorija

Plutonio izotopas 238 Pu pirmą kartą dirbtinai pagamino 1941 m. vasario 23 d. Amerikos mokslininkų grupė, vadovaujama Glenno Seaborgo, apšvitinant branduolius. uranas deuteronai. Pastebėtina, kad tik po dirbtinės gamybos plutonis buvo aptiktas gamtoje: urano rūdose paprastai randama 239 Pu kaip radioaktyvaus urano virsmo produktas.

Plutonio radimas gamtoje

Urano rūdose dėl urano branduolių gaudymo neutronų (pavyzdžiui, neutronų iš kosminės spinduliuotės), neptūnas(239 Np), kurio β skilimo produktas yra natūralus plutonis-239. Tačiau plutonis susidaro tokiais mikroskopiniais kiekiais (0,4-15 dalių Pu 10 12 dalių U), kad jo gavyba iš urano rūdų nebegalima.

vardo kilmė plutonis

1930 metais astronominį pasaulį sujaudino nuostabi žinia: buvo atrasta nauja planeta, apie kurios egzistavimą jau seniai kalbėjo astronomas, matematikas ir fantastinių esė apie Marso gyvenimą autorius Percivalis Lovellas. Remiantis daugelio metų judėjimo stebėjimais Uranas Ir Neptūnas Lovellas padarė išvadą, kad už Neptūno Saulės sistemoje turėtų būti kita, devinta planeta, keturiasdešimt kartų toliau nuo Saulės nei Žemė.

Šią planetą, kurios orbitinius elementus Lovellas apskaičiavo dar 1915 m., buvo aptikta nuotraukose, kurias 1930 m. sausio 21, 23 ir 29 dienomis padarė astronomas K. Tombaugh Flagstaff observatorijoje ( JAV) . Planeta buvo pavadinta Plutonas. 94-asis elementas, dirbtinai gautas 1940 metų pabaigoje iš branduolių, buvo pavadintas šios planetos, esančios Saulės sistemoje už Neptūno, vardu. atomai uranas amerikiečių mokslininkų grupė, vadovaujama G. Seaborgo.

Fizinės savybės plutonis

Yra 15 plutonio izotopų – izotopų, kurių masės skaičius nuo 238 iki 242, gaminama daugiausia:

238 Pu -> (pusėjimo laikas 86 metai, alfa skilimas) -> 234 U,

Šis izotopas beveik išimtinai naudojamas kosmoso tikslams skirtuose RTG, pavyzdžiui, visose transporto priemonėse, kurios skrido už Marso orbitos.

239 Pu -> (pusėjimo laikas 24 360 metų, alfa skilimas) -> 235 U,

Šis izotopas labiausiai tinka branduolinių ginklų ir greitųjų neutroninių branduolinių reaktorių statybai.

240 Pu -> (pusinės eliminacijos laikas 6580 metų, alfa skilimas) -> 236 U, 241 Pu -> (pusėjimo laikas 14,0 metų, beta skilimas) -> 241 Am, 242 Pu -> (pusinės eliminacijos laikas 370 000 metų, alfa -skilimas) -> 238 U

Šie trys izotopai neturi rimtos pramoninės reikšmės, bet yra gaunami kaip šalutiniai produktai, kai energija gaminama branduoliniuose reaktoriuose naudojant uraną, nuosekliai sugaunant kelis neutronus urano-238 branduoliais. Izotopas 242 savo branduolinėmis savybėmis labiausiai panašus į uraną-238. Dūmų detektoriuose buvo naudojamas americis-241, susidarantis irstant izotopui 241.

Plutonis yra įdomus tuo, kad jame vyksta šeši fazių perėjimai iš kietėjimo temperatūros į kambario temperatūrą, daugiau nei bet kuris kitas cheminis elementas. Su pastaruoju tankis staigiai padidėja 11%, todėl plutonio liejiniai trūkinėja. Alfa fazė yra stabili kambario temperatūroje, kurios charakteristikos pateiktos lentelėje. Taikymui patogesnė delta fazė, kurios tankis yra mažesnis, ir kubinė kūno centre esanti grotelė. Plutonis delta fazėje yra labai plastiškas, o alfa fazė yra trapus. Plutoniui stabilizuoti delta fazėje naudojamas trivalenčių metalų dopingas (galio buvo panaudotas pirmuosiuose branduoliniuose užtaisuose).

Plutonio panaudojimas

Pirmasis plutonio pagrindu pagamintas branduolinis įtaisas buvo susprogdintas 1945 metų liepos 16 dieną Alamogordo bandymų poligone (bandymas kodiniu pavadinimu Trejybė).

Biologinis plutonio vaidmuo

Plutonis yra labai toksiškas; Didžiausia leistina 239 Pu koncentracija atviruose vandens telkiniuose ir darbo patalpų ore yra atitinkamai 81,4 ir 3,3 * 10 −5 Bq/l. Dauguma plutonio izotopų turi didelį jonizacijos tankį ir trumpą dalelių kelio ilgį, todėl jo toksiškumą lemia ne tiek jo cheminės savybės (plutonis tikriausiai nėra toksiškesnis nei kiti sunkieji metalai), kiek jonizuojantis poveikis. ant aplinkinių kūno audinių. Plutonis priklauso elementų grupei, pasižyminčiai ypač dideliu radiotoksiškumu. Organizme plutonis sukelia didelius negrįžtamus skeleto, kepenų, blužnies, inkstų pokyčius ir sukelia vėžį. Didžiausias leistinas plutonio kiekis organizme neturėtų viršyti dešimtųjų mikrogramų.

Su tema susiję meno kūriniai plutonis

- Plutonis buvo naudojamas De Lorean DMC-12 aparatui filme „Atgal į ateitį“ kaip kuras srauto akumuliatoriui keliauti į ateitį ar praeitį.

— Denveryje (JAV) teroristų susprogdintos atominės bombos užtaisas Tomo Clancy filme „Visos pasaulio baimės“ buvo pagamintas iš plutonio.

- Kenzaburo Oe „Žiupsnio bėgiko užrašai“

— 2006 m. Beacon Pictures išleido filmą Plutonis-239 ( "Pu-239")

Integruotas greitas reaktorius (IFR) yra ne tik naujo tipo reaktoriai, bet ir naujas kuro ciklas. Integruotas greitas reaktorius yra greitųjų neutronų reaktorius be moderatoriaus. Jame yra tik aktyvi zona ir nėra antklodės.
IBR naudoja metalinį kurą− urano ir plutonio lydinys.
Jo kuro ciklas naudoja kuro mažinimą tiesiai pačiame reaktoriuje, naudojant piroprocesą. Apdorojant IBR, praktiškai grynas uranas surenkamas ant kieto katodo, o plutonio, americio, neptūno, kurio, urano ir kai kurių dalijimosi produktų mišinys surenkamas į skystą kadmio katodą, plūduriuojantį elektrolito druskoje elektrolito druskoje ir kadmio sluoksnyje.
Integruotas greitas reaktorius aušinamas skystu natriu arba švinu. Metalinio kuro gamyba yra paprastesnė ir pigesnė nei keraminio kuro. Dėl metalinio kuro piroprocesas yra natūralus pasirinkimas. Metalinis kuras turi geresnį šilumos laidumą ir šiluminę talpą nei oksidinis kuras yra urano ir plutonio lydinys.
Pradiniame įkrovime į integruotą greitąjį reaktorių turėtų būti daugiau izotopų, skilinčių veikiant šiluminiams neutronams ( > 20%) nei šiluminiame neutroniniame reaktoriuje. Tai gali būti labai prisodrintas uranas arba plutonis, nutraukti branduoliniai ginklai ir kt. Eksploatacijos metu reaktorius paverčia medžiagas (derlingas), kurios, veikiant šiluminiams neutronams, yra skiliosios, į skiliąsias. Derlingos medžiagos greitai veikiančiame reaktoriuje gali būti nusodrintasis uranas (dažniausiai U-238), natūralus uranas, toris arba uranas, perdirbtas iš įprasto vandens reaktoriaus apšvitinto kuro.
Kuras yra plieniniame korpuse su skystu natriu, esančiu tarp kuro ir korpuso. Virš kuro esanti laisva erdvė leidžia laisvai kauptis heliui ir radioaktyviajam ksenonui, žymiai nepadidinant slėgio kuro elemento viduje ir leidžia kurui plėstis nepažeidžiant reaktoriaus apvalkalo.
Švino pranašumas prieš natrį yra jo cheminis inertiškumas, ypač vandens ar oro atžvilgiu. Kita vertus, švinas yra daug klampesnis, todėl jį sunku siurbti. Be to, jame yra neutronais aktyvuotų izotopų, kurių natrio sudėtyje praktiškai nėra.
Aušinimo kontūrai suprojektuoti taip, kad leistų šilumą perduoti konvekciniu būdu. Taigi, jei nutrūksta siurblių galia arba netikėtai išjungiamas reaktorius, šilumos aplink aktyvią zoną pakaks aušinimo skysčiui cirkuliuoti.
IBR dalijimosi izotopai nėra atskirti nuo plutonio izotopų, taip pat nuo skilimo produktų, todėl tokio proceso panaudojimas ginklų gamybai yra praktiškai neįmanomas. Be to, plutonis nepašalinamas iš reaktoriaus, todėl neteisėtas jo naudojimas tampa nerealus. Po aktinidų (urano, plutonio ir smulkesnių aktinidų) apdorojimo lieka skilimo produktai Sm-151, kurių pusinės eliminacijos laikas yra 90 l, arba ilgaamžiai produktai, tokie kaip Tc-99, kurių pusinės eliminacijos laikas yra 211 000 l ar daugiau. .
IBR atliekos turi trumpą pusėjimo trukmę arba labai ilgą, o tai reiškia, kad jos yra silpnai radioaktyvios. Bendras IBR atliekų kiekis yra 1/20 tos pačios galios šiluminių neutroninių reaktorių perdirbto kuro (kuris paprastai laikomas atliekomis). 70 % dalijimosi produktų yra stabilūs arba jų pusinės eliminacijos laikas yra apie metus. Technetis-99 ir jodas-129, iš kurių 6% dalijimosi produktuose yra labai ilgo pusinės eliminacijos periodo, tačiau reaktoriuje gali virsti izotopais, kurių pusinės eliminacijos laikas yra trumpas (15,46 s ir 12,36 val.), absorbuojant neutronus reaktoriuje. . Cirkonis-93 (5 % atliekų) gali būti perdirbamas į kuro apvalkalą, kur radioaktyvumas nekelia susirūpinimo. Likę atliekų komponentai yra mažiau radioaktyvūs nei natūralus uranas.
IDB naudoja kuro ciklą, kuris yra dviem dydžiais efektyvesnis kuro naudojimo atžvilgiu, palyginti su tradiciniais ciklais lėtųjų neutronų reaktoriuose, užkertant kelią branduolinių ginklų platinimui, sumažinant didelio aktyvumo atliekas ir, be to, kai kurias atliekas naudojant kaip kurą. .
IBR degalai ir apvalkalas suprojektuoti taip, kad kylant temperatūrai ir plečiantis vis daugiau neutronų palieka šerdį, sumažindami grandininės reakcijos intensyvumą. Tai yra, veikia neigiamas reaktyvumo koeficientas. Esant IBR, šis poveikis yra toks stiprus, kad gali sustabdyti grandininę reakciją be operatoriaus įsikišimo

Piroprocesas ‒ aukštos temperatūros metodas panaudoto branduolinio kuro elektrolitinis perdirbimas. Palyginti su hidrometalurginiu metodu(pavyzdžiui, PUREX) , piroprocesas naudojamas tiesiai reaktoriuje. Tirpikliai yra išlydytos druskos (pavyzdžiui, LiCl + KCl arba LiF + CaF 2) ir išlydyti metalai (pavyzdžiui, kadmis, bismutas, magnis), o ne vanduo ir organiniai junginiai. Piroapdirbimo metu uranas, taip pat plutonis ir smulkūs aktinidai išgaunami vienu metu ir gali būti nedelsiant naudojami kaip kuras. Atliekų tūris yra mažesnis ir juose daugiausia yra dalijimosi produktų. Pyro Apdorojimas naudojamas IBR ir išlydytos druskos reaktoriuose.

Plutonis (plutonis) Pu, - dirbtinai gautas radioaktyvusis cheminis elementas, Z=94, atominė masė 244,0642; priklauso aktinidams. Šiuo metu žinoma 19 plutonio izotopų. Lengviausias iš jų – 228 Ri (71/2=1,1 s), sunkiausias – ^Pu (7i/ 2 = 2,27 dienos), 8 branduoliniai izomerai. Stabiliausias izotopas yra atitinkamai 2A- 236, 238, 239, 240, 242 ir 244: 21013, 6,29-11, 2,33-10, 8,51109, 3,7-12, 1,48-8 ir 6,66-uz. Izotopų, kurių A = 236, 238, 239, 240, 242 ir 244, a-spinduliavimo vidutinė energija yra atitinkamai 5,8, 5,5, 5,1, 5,2, 4,9 ir 4,6 MeV. Lengvieji plutonio izotopai (2 3 2 Pu, 2 34 Pu, 235 Pu, 2 3 7 Pu) sulaiko elektronus. 2 4 "Pi – p-emiteris (Ep = 0,0052 MeV). Praktiškai svarbiausias yra 2 39Ru (7|/ 2 =2,44-104 metai, a-skilimas, savaiminis dalijimasis (z, mano %)) yra padalintas veikiant lėtiesiems neutronams ir naudojamas branduoliniuose reaktoriuose kaip kuras ir atominės bombos kaip įkrovimo medžiaga.

Plutonis-236 (7i/ 2 =2,85i metų), a-spindulys: 5,72 MeV (30,56%) ir 5,77 MeV (69,26%), dukterinis nuklidas 2 3 2 U, specifinis aktyvumas 540 Ci/ G. Savaiminio dalijimosi tikimybė kg 6. Savaiminio dalijimosi greitis – 5,8–7 dalijimasis per 1 g/val. – atitinka šio proceso pusinės eliminacijos periodą – 3,5–109 metus.

Galima gauti reakcijomis:

Šis izotopas taip pat susidaro irstant a-emiterio 2 4оСш (7i/ 2 =27 d.) ir p-emiterio 23 6m Np (7i/ 2 =22 h). 2 h 6 Ri skyla šiomis kryptimis: a-skilimas, tikimybė 100% ir savaiminis dalijimasis (tikimybė

Plutopis-237 (7!/ 2 =45> 2 dienos), dukterinis produktas 2 37Np. Galima gauti bombarduojant natūralų uraną helio jonais, kurių energija yra 40 MeV per branduolines reakcijas:

Jis taip pat susidaro nedideliais kiekiais, kai uranas apšvitinamas reaktoriaus neutronais. Pagrindinis skilimo tipas yra elektronų gaudymas

(99%, būdinga rentgeno spinduliuotė, dukterinis produktas ^Np), tačiau yra a-skilimas iki 2 zi ir silpnos y emisijos, pusinės eliminacijos laikas 45,2 dienos. 2 z7Rts naudojamas sistemose, skirtose stebėti plutonio cheminę išeigą jį išskiriant iš aplinkos komponentų mėginių, taip pat tiriant plutonio metabolizmą žmogaus organizme.

Plutonis-238, 7*1/2=87,74 metų, a-spinduliuotojas (energijos 5,495(76%), 5,453(24%) ir 5,351(0,15%) MeV, silpnas y-spinduliuotojas (energijos nuo 0,044 iki 0,149 MeV). 1 g šio nuklido aktyvumas yra ~63,7 GBq (savitasis aktyvumas 17 Ci/g kas sekundę tame pačiame medžiagos kiekyje įvyksta 1200 savaiminio skilimo įvykių 1 g). /val., atitinka šio proceso pusėjimo trukmę – 3,8–10 metų. Šiuo atveju susidaro labai didelė šiluminė galia: 567 W/kg GD = 3,8–10 metų barn , skilimo skerspjūvis, veikiant šiluminiams neutronams, yra 18 barn. Jis turi labai didelį specifinį α-radioaktyvumą (283 kartus stipresnis nei ^Pu), todėl jis yra daug rimtesnis. reakcijų (a, n) neutronų šaltinis.

• 2 h 8Pu susidaro dėl šių skilimų:
  • (3 -nuklido 2 3 8 Np skilimas:

2 h 8 Ru susidaro bet kuriame branduoliniame reaktoriuje, veikiančiame naudojant natūralų arba mažai prisodrintą uraną, kuriame daugiausia yra 2 h 8 u izotopas. Šiuo atveju įvyksta šios branduolinės reakcijos:

Jis taip pat susidaro, kai uranas yra bombarduojamas helio jonais, kurių energija yra 40 MeV:

skilimas vyksta šiomis kryptimis: a-skilimas 2 34U (tikimybė 10%, skilimo energija 5,593 MeV):

išskiriamų alfa dalelių energija yra 5,450 Mei (2,9% atvejų; ir 5,499 Mei (70,91% atvejų). Savaiminio dalijimosi tikimybė yra 1,9-7%.

A-skilimo metu 2 3 8 Pu išsiskiria 5,5 MeV energijos. Elektros šaltinyje, kuriame yra vienas kilogramas 2-3 8 Ri, susidaro ~50 vatų šiluminė galia. Didžiausia tos pačios masės cheminio srovės šaltinio galia yra 5 vatai. Yra daug emiterių, turinčių panašias energetines charakteristikas, tačiau viena 2 3Ri savybė daro šį izotopą nepakeičiamu. Paprastai skilimą lydi stipri y emisija. 2 z 8 Ri yra išimtis. Jo branduolių irimą lydinčių y kvantų energija yra maža. Savaiminio šio izotopo branduolių dalijimosi tikimybė taip pat maža. 288 Ri naudojamas branduolinių elektros baterijų ir neutronų šaltinių gamybai, kaip širdies stimuliatorių maitinimo šaltiniai, šiluminei energijai erdvėlaiviuose generuoti, kaip radioizotopinių dūmų detektorių dalis ir kt.

Plutonis-239, 71/2=2,44 4 metai, a-skilimas 00%, bendra skilimo energija 5,867 MeV, išskiria a-daleles, kurių energija yra 5,15 (69%), 5,453 (24%) ir 5,351 (0, 15%) ) ir silpna y spinduliuotė, šiluminio neutronų gaudymo skerspjūvis st = 271 barn. Savitasis aktyvumas 2,33109 Bq/g. Savaiminio dalijimosi greitis 36 padalijimai/g/val. atitinka 7” padalijimus = 5,5-10*5 metai. 1 kg 2 39Ri prilygsta 2,2–107 kilovatvalandėms šiluminės energijos. 1 kg plutonio sprogimas prilygsta 20 000 tonų trotilo sprogimui. Vienintelis plutonio izotopas, naudojamas atominiuose ginkluose. 2 39Pu yra 2P+3 šeimos dalis. Jo skilimo produktas yra 2 35U. Šis izotopas dalijasi šiluminiais neutronais ir naudojamas branduoliniuose reaktoriuose kaip kuras. 2 39Ri pakpiya gauna jalopy paktopuose:

Reakcijos skerspjūvis -455 tvartas. *39Pu susidaro ir tada, kai

urano bombardavimas deuteronais, kurių energija viršija 8 MeV branduolinėmis reakcijomis:

taip pat kai uranas bombarduojamas 40 MeV energijos helio jonais
savaiminis dalijimasis, tikimybė 1,36-10*7%.

Atliktas plutonio atskyrimas nuo urano cheminiai metodai, yra palyginti paprastesnė problema nei urano izotopų atskyrimas. Dėl to plutonio kaina kelis kartus mažesnė nei 2 zzi kaina. Kai 2 39Pu branduolį neutronai padalija į du maždaug vienodos masės fragmentus, išsiskiria apie 200 MeV energijos. Galintis palaikyti dalijimosi grandininę reakciją. Santykinai trumpas 239Pu pusinės eliminacijos laikas (palyginti su ^u) reiškia didelį energijos išsiskyrimą radioaktyvaus skilimo metu. 2 39Rc sukuria 1,92 W/kg. Gerai izoliuotas plutonio blokas per dvi valandas įkaista iki daugiau nei 100° temperatūros ir netrukus iki a-p pereinamojo taško, o tai kelia ginklų konstrukcijos problemą dėl tūrio pokyčių plutonio fazių perėjimo metu. Savitasis aktyvumas 2 39Pu 2,28-12 Bq/g. 2 39Pu lengvai dalijasi terminiais neutronais. Skilusis izotopas 239 Pu po visiško skilimo suteikia šiluminę energiją, lygią 25 000 000 kWh/kg. 2 39Pi lėtųjų neutronų dalijimosi skerspjūvis yra 748 barn, o spinduliuotės gaudymo skerspjūvis yra 315 barn. 2 39Pu turi didesnį sklaidos ir sugerties skerspjūvį nei urano ir didesnis skaičius neutronų dalijimosi metu (3,03 neutrono vienam dalijimosi įvykiui, palyginti su 2,47 2 zzi) ir atitinkamai mažesnė kritinė masė. Pure 2 39Pu vidutinė savaiminio dalijimosi neutronų emisija yra -30 neutronų/s-kg (-10 skilimų/s).-

Plutonis-240, 71/2=6564 l, a-skilimas, savitasis aktyvumas 8,51-109 Bq/g. Savaiminio dalijimosi greitis 1,6-6 padalymai/g/val., Ti/2=i.2-io tu l. 24°Pu turi tris kartus mažesnį efektyvų neutronų gaudymo skerspjūvį nei 239 Pu ir daugeliu atvejų virsta 2 4*Pu.

24op ir susidaro irstant kai kuriems radionuklidams:

Skilimo energija 5,255 MeV, a-dalelės, kurių energijos 5,168 (72,8%), 5,123 (27,10%) MeV;

Spontaniškas dalijimasis, tikimybė 5,7-6.

Urano kure reaktoriaus veikimo metu padidėja ^Pu kiekis. Branduolinio reaktoriaus panaudotame kure yra 70% *39Pu ir 26% 2 4°Pu, todėl sunku gaminti atominius ginklus, todėl ginklo klasės plutonis gaunamas specialiai tam skirtuose reaktoriuose apdorojant uraną po kelių dešimčių. švitinimo dienų. *4°Pu yra pagrindinis izotopas, teršiantis 2 ginklų klasės 39Pu. Jo kiekio lygis svarbus dėl savaiminio dalijimosi intensyvumo – išskiriama 415 000 dalijimosi/s-kg, 1000 neutronų/s-kg, nes kiekvieno dalijimosi metu susidaro 2,26 neutrono – 30 000 kartų daugiau nei lygiavertė 2 39Ri masė. Vos 1% šio izotopo gamina tiek neutronų, kad pabūklo užtaiso grandinė neveikia – prasidės ankstyvas sprogimas ir užtaisas bus išpurškiamas prieš sprogstant didžiajai sprogmens daliai. Patrankos schema įmanoma tik esant *39Pu turiniui, ko praktiškai neįmanoma pasiekti. Todėl plutonio bombos surenkamos naudojant sprogimo schemą, kuri leidžia naudoti plutonį, kuris yra gana stipriai užterštas izotopu IgPu. Ginklų klasės plutonio sudėtyje yra 2 4°Pu

Dėl didesnio specifinio aktyvumo (1/4 iš 2 39Pi) šiluminė galia didesnė, 7,1 W/kg, o tai dar labiau paaštrina perkaitimo problemą. Specifinis ^Pu aktyvumas yra 8,4109 Bq/g. IgPu kiekis ginklų klasės plutonio (0,7 %) ir reaktoriaus klasės plutonio (> 19 %). Nepageidautina, kad šiluminių reaktorių kure būtų 24 °Pu, tačiau šis izotopas naudojamas kaip kuras greituose reaktoriuose.

Plutonis-241, G,/2=14 l, antrinis produktas 241 Am, p- (99%, ?рmax=0,014 MeV), a (1%, dvi eilutės: 4,893 (75%) ir 4,848 (25%) MeV ) ir y-spinduliuotojas, specifinis ^Pu aktyvumas 3,92-12 Ci/g. Jis gaunamas stipriai apšvitinant plutonį neutronais, taip pat ciklotrone vykstant reakcijai 2 3 8 U(a,n) 241 Pu. Šis izotopas dalijasi bet kokios energijos neutronais (^'Pu neutronų sugerties skerspjūvis yra 1/3 didesnis nei ^Phi, šiluminių neutronų dalijimosi skerspjūvis yra apie 100 barnų, dalijimosi tikimybė absorbuojant neutronų yra 73%), turi žemą neutronų foną ir vidutinę šiluminę galią, todėl neturi tiesioginės įtakos plutonio naudojimo patogumui. Jis suyra iki 241 Am, kuris labai prastai dalijasi ir sukuria daug šilumos: 10 6 W/kg. ^'Pu turi didelį skilimo skerspjūvį reaktoriaus neutronams (poo barn), todėl jį galima naudoti kaip kurą. Jei ginkle iš pradžių yra 241 Ri, tada po kelerių metų jo reaktyvumas mažėja, ir į tai reikia atsižvelgti, kad nesumažėtų įkrovimo galia ir nepadidėtų savaiminis įkaitimas. Pati 24'Ru mažai įkaista (tik 3,4 W/kg), nepaisant labai trumpo pusinės eliminacijos periodo dėl labai silpnos P spinduliuotės. Kai neutroną sugeria 24 * Pu branduolys, jei jis neskyla, jis virsta 242 Pu. 241 Pu yra pagrindinis ^‘ As šaltinis.

Plutonis-242 (^/2 = 373300 metų),

Plutonis-243 No/2=4-956 val.), p"- (energija 0,56 MeV) ir y-emiteris (kelios linijos 0,09-0,16 MeV diapazone) Reakcijos skerspjūvis 242 Pu(n ,y) 243 Pu ant lėtų neutronų oo barn Susidaro p-skilimo metu "^sPu 24 zAsh, galima gauti apšvitinant neutronais 2 4 2 Pu. Dėl trumpo pusinės eliminacijos periodo jo yra nedideliais kiekiais apšvitintame reaktoriaus kure.

Plutonis-244 (Ti/2 =8.o*io 7 metai), a-spinduliuotojas, E a = 4,6 MeV, galintis savaime skilti, savitasis aktyvumas 6,66-105 Bq/g, terminio neutronų gaudymo skerspjūvis 0=19 barn. Tai ne tik ilgiausiai gyvuojantis plutonio izotopas, bet ir ilgiausias iš visų transurano elementų izotopų. 2 specifinė veikla

Net sunkesni plutonio izotopai yra veikiami p-skilimo, o jų gyvavimo trukmė svyruoja nuo kelių dienų iki kelių dešimtųjų sekundės dalių. Termobranduoliniuose sprogimuose susidaro visi plutonio izotopai, iki 2 57Pu. Tačiau jų gyvavimo trukmė yra dešimtosios sekundės, o daugelis trumpalaikių plutonio izotopų dar nebuvo ištirti.

Plutonis yra labai sunkus, sidabriškai baltas metalas, kuris šviečia kaip nikelis ką tik rafinuotas. Atominė masė 244,0642 amu. (g/mol), atomo spindulys 151 pm, jonizacijos energija (pirmasis elektronas) 491,9 (5,10) kJ/mol (eV), elektroninė konfigūracija 5f 6 7s 2 . Jonų spindulys: (+4e) 93, (+3e) 08 pm, elektronegatyvumas (Paulingas) 1,28, T P l = 639,5°, G K ip = 3235°, plutonio tankis 19,84 (a-fazė), plutonio garavimo šiluma 80,46 kcal/mol. Plutonio garų slėgis yra žymiai didesnis nei urano garų slėgis (1540 0 300 kartų). Plutonis gali būti distiliuojamas iš išlydyto urano. Yra žinomos šešios alotropinės metalinio plutonio modifikacijos. Esant temperatūroms

Laboratorinėmis sąlygomis metalinį plutonį galima gauti redukuojant plutonio halogenidus su ličiu, kalciu, bariu arba magniu 1200° temperatūroje:

Metalinis plutonis taip pat gaunamas redukuojant plutonio trifluoridą garų fazėje esant 1300 0, naudojant kalcio silicidą pagal reakciją

arba terminis plutonio halogenidų skaidymas vakuume.

Plutonis turi daug specifinių savybių. Jis turi mažiausią šilumos laidumą iš visų metalų, mažiausią elektros laidumą, išskyrus manganą. Skystoje fazėje jis yra klampiausias metalas. Keičiantis temperatūrai, plutonis patiria didžiausius ir nenatūraliausius tankio pokyčius.

Plutonis turi šešias skirtingas kietos formos fazes (kristalų struktūras) (3 lentelė), daugiau nei bet kuris kitas elementas. Kai kuriuos perėjimus tarp fazių lydi dramatiški tūrio pokyčiai. Dviejose iš šių fazių – delta ir delta pirminis – plutonis turi unikalią savybę trauktis kylant temperatūrai, o kitose – itin didelę temperatūros koeficientas plėtiniai. Ištirpęs plutonis susitraukia, todėl neištirpęs plutonis gali plūduriuoti. Tankiausia forma, a-fazė, plutonis yra šeštasis tankiausias elementas (sunkesni yra tik osmis, iridis, platina, renis ir neptūnas). A fazėje grynas plutonis yra trapus. Yra žinoma daug plutonio lydinių ir intermetalinių junginių su Al, Be, Co, Fe, Mg, Ni, Ag. Junginys PuBe, 3 yra neutronų šaltinis, kurio intensyvumas yra 6,7 ​​* 107 neutronai/skg.

Ryžiai. 5.

Dėl savo radioaktyvumo plutonis yra šiltas liesti. Didelis plutonio gabalas termiškai izoliuotame apvalkale kaitinamas iki temperatūros, viršijančios vandens virimo temperatūrą. Smulkiai sumaltas plutonis yra piromorfinis ir spontaniškai užsiliepsnoja esant 300 0. Jis reaguoja su halogenais ir vandenilio halogenidais, sudarydamas halogenidus, su vandenilio hidridus, su anglies karbidu, su azotu reaguoja 250 0, sudarydamas nitridą, o veikiamas amoniako taip pat sudaro nitridus. Sumažina CO2 iki CO arba C ir susidaro karbidas. Sąveikauja su dujiniais sieros junginiais. Plutonis lengvai tirpsta vandenilio chlorido, 85% fosforo, vandenilio jodo, perchloro ir koncentruotose chloracto rūgštyse. Praskiestas H2SO4 plutonį tirpdo lėtai, tačiau koncentruotas H2S04 ir HN03 jį pasyvina ir su juo nereaguoja. Šarmai neturi įtakos metaliniam plutoniui. Plutonio druskos lengvai hidrolizuojasi susilietus su neutraliais arba šarminiais tirpalais ir susidaro netirpus plutonio hidroksidas. Koncentruoti plutonio tirpalai yra nestabilūs dėl radiolitinio skilimo, dėl kurio susidaro krituliai.

Lentelė 3. Plutonio fazių tankiai ir temperatūrų diapazonas:

Pagrindinis plutonio valentingumas yra 4+. Tai elektroneigiamas, chemiškai reaguojantis elementas (0,2 V), daug labiau nei uranas. Jis greitai išnyksta, iš pradžių sudarydamas vaivorykštę plėvelę Šviesiai geltona, laikui bėgant virsta tamsiai violetine. Jei oksidacija vyksta gana greitai, ant jo paviršiaus atsiranda alyvuogių žalios spalvos oksido milteliai (PuO 2).

Plutonis lengvai oksiduojasi ir greitai korozuoja net esant nedidelei drėgmei. Jis surūdija inertinių dujų atmosferoje su vandens garais daug greičiau nei sausame ore ar gryname deguonyje. Kai plutonis kaitinamas esant vandenilio, anglies, azoto, deguonies, fosforo, arseno, fluoro, silicio ir telūro, jis sudaro kietus netirpius junginius su šiais elementais.

Iš plutonio oksidų žinomi Pu 2 0 3 ir Pu 0 2.

Pu02 plutonio dioksidas yra alyvuogių žalios spalvos milteliai, juodi blizgantys kristalai arba rutuliukai nuo raudonai rudos iki gintaro geltonumo. Kristalinė struktūra yra fluorito tipo (Pu-* + sudaro į veidą orientuotą kubinę sistemą, o O 2- sudaro tetraedrą). Tankis 11,46, Gpl=2400°. Jis susidaro iš beveik visų plutonio druskų (pavyzdžiui, oksalato, peroksido), kai kaitinama ore arba 0 2 atmosferoje, 700–1000 0 temperatūroje, nepriklausomai nuo plutonio oksidacijos būsenos šiose druskose. Pavyzdžiui, jį galima gauti kalcinuojant Pu(IV) Pu(C 2 0 4) 2 -6H 2 0 oksalato heksahidratą (susidaro perdirbant panaudotą kurą):

Pu0 2, vidurdienis val žemos temperatūros, lengvai tirpsta koncentruotose druskos ir azoto rūgštyse. Priešingai, kalcinuotas Pu0 2 sunkiai tirpsta ir gali būti perkeltas į tirpalą tik specialiai apdorojant. Jis netirpus vandenyje ir organiniuose tirpikliuose. Lėtai reaguoja su karštu koncentruoto HN03 ir HF mišiniu. Šis stabilus junginys naudojamas kaip gravimetrinė forma nustatant plutonį. Jis taip pat naudojamas branduoliniam kurui ruošti.

Ypač reaktyvus Pu0 2, bet turintis nedidelį kiekį oksalato, gaunamas skaidant Pu(C 2 0 4) 2 -6H 2 0 130-^-300° temperatūroje.

Hidridas R11H3 gaunamas iš elementų esant 150-5-200°.

Plutonis sudaro halogenidus ir oksihalogenidus, disilicidą PuSi 2 ir seskvisulfidą PuSi,33^b5, kurie domina dėl mažo lydumo, taip pat įvairių stechiometrijų karbidus: nuo PuS iki Pu2C3. RiS – juodi kristalai, G 11L = 1664 0. Kartu su UC jis gali būti naudojamas kaip branduolinių reaktorių kuras.

Plutonio nitridas, PuN - pilkos (iki juodos) spalvos kristalai su NaCl tipo kubine gardele į veidą (0 = 0,4905 nm, z = 4, erdvės grupė Ptzt; gardelės parametras laikui bėgant didėja, veikiamas savo a-spinduliavimas); T pl.=2589° (su irimu); tankis 14350 kg/m3. Turi aukštą šilumos laidumą. At aukštos temperatūros(~1boo°) lakūs (su skaidymu). Jis gaunamas plutoniui reaguojant su azotu 6oo° temperatūroje arba su vandenilio ir amoniako mišiniu (slėgis 4 kPa). Miltelių pavidalo plutonis PuN oksiduojasi ore kambario temperatūroje, po 3 dienų visiškai virsta Pu0 2, tankus plutonis oksiduojasi lėtai (0,3 % per 30 dienų). Jis hidrolizuojasi lėtai saltas vanduo ir greitai - kaitinant susidaro Pu0 2; lengvai tirpsta praskiestoje druskos ir sieros rūgštyse, sudarydama atitinkamas Pu(III) druskas; Pagal plutonio nitrido veikimo jėgą rūgštys gali būti išdėstytos serijoje HN0 3 >HC1>H 3 P0 4 >>H 2 S04>HF. Gali būti naudojamas kaip reaktoriaus kuras.

Yra keletas plutonio fluoridų: PuF 3, PuF 4, PuF6.

Plutonio tetrafluoridas PuF 4 – medžiaga Rožinė spalva arba rudi kristalai, monoklininė sistema. Izomorfinis su Zr, Hf, Th, U, Np ir Ce tetrafluoridu. G pl = 1037 0, G k, "1 = 1277°. Jis blogai tirpsta vandenyje ir organiniuose tirpikliuose, bet lengvai tirpsta vandeniniuose tirpaluose, kai yra Ce(IV), Fe(III), Al(III) druskų arba jonų, kurie sudaro stabilius kompleksus su fluoro jonais. Rožinės nuosėdos PuF 4 -2,5H 2 0 gaunamos nusodinant vandenilio fluorido rūgštimi iš Pu(III) druskų vandeninių tirpalų. Šis junginys dehidratuoja, kai kaitinamas iki 350 m aukšto dažnio srovėje.

PuF 4 susidaro veikiant vandenilio fluoridui plutonio dioksidui, esant deguoniui 550° temperatūroje pagal reakciją:

PuF 4 taip pat galima gauti apdorojant PuF 3 fluoru 300 0 temperatūroje arba kaitinant Pu(III) arba Pu(IV) druskas ir vandenilio fluorido srautu. Iš vandeninių Pu(IV) tirpalų PuF 4 nusodinamas vandenilio fluorido rūgštimi rausvų nuosėdų pavidalu, kurių sudėtis yra 2PuF 4 H 2 0. PuF 4 beveik visiškai koprecipituoja su LaF 3. Kaitinamas ore iki 400 0 PuF 4 virsta Pu0 2.

plutonio heksafluoridas, PuFe - lakieji kristalai kambario temperatūroje gelsvai rudos spalvos (žemoje temperatūroje - bespalviai), ortorombinės struktūros, Gpl = 52°, T knp =b2° esant atmosferos slėgiui, tankis 5060 kgm-z, sublimacijos šiluma 12,1 kcal/mol, garavimo šiluma = 7,4 kcal mol * 1, lydymosi šiluma = 4,71 kcal/mol, labai linkusi į koroziją ir jautri autoradiolizei. PuFe yra žemai verdantis skystis, termiškai daug mažiau stabilus ir mažiau lakus nei UF6. PuFe garai yra spalvoti kaip NO 2, skystis yra tamsiai rudas. Stiprus fluoravimo agentas ir oksidatorius; smarkiai reaguoja su vandeniu. Itin jautrus drėgmei; c H 2 0 dienos šviesoje gali labai stipriai reaguoti su blykste, sudarydamas Pu0 2 ir PuF 4 . PuFe, kondensuotas -195 0 temperatūroje ant ledo, kaitinant lėtai hidrolizuojasi iki Pu0 2 Fo. Kompaktiškas PuFe spontaniškai suyra dėl plutonio a-spinduliavimo.

UF6 gaunamas apdorojant PuF 4 arba Pu0 2 fluoru 6004-700° temperatūroje.

PuF 4 fluorinimas fluoru 7004-800° temperatūroje vyksta labai greitai ir yra egzoterminė reakcija. Kad būtų išvengta skilimo, susidaręs PuF6 greitai pašalinamas iš karštosios zonos – užšaldomas arba sintezė vykdoma fluoro sraute, kuris greitai pašalina produktą iš reakcijos tūrio.

PuFa taip pat gali gauti grąžinant:

Yra Pu(III), Pu(IV) ir Pu(VII) nitratai: atitinkamai Pu(N0 3) 3, Pu(N0 3) 4 ir Pu0 2 (N0 3) 2.

plutonio nitratas, Pu(N0 3) 4 *5H 2 0 gaunamas lėtai (kelis mėnesius) išgarinant koncentruotą Pu(IV) nitrato tirpalą kambario temperatūroje. Gerai tirpsta HN03 ir vandenyje (tamsus azoto rūgšties tirpalas Žalia spalva, ruda spalva). Tirpsta acetone, eteryje ir tributilo fosfate. Plutonio nitrato ir šarminių metalų nitratų tirpalai koncentruotoje azoto rūgštyje išgarinant išskiria dvigubus nitratus Me 2 [Pu(N0 3)b], kur Me + =Cs +, Rb +, K +, Th +, C 9 H 7 NH + , C 5 H 5 NH + , NH 4 + .

Plutonio (IV) oksalatas, Pu(C 2 0 4) 2 -6H 2 0, yra smėlio (kartais geltonai žalios spalvos) milteliai. Izomorfinis su U(C 2 0 4)-6H 2 0. Plutonio oksalato heksahidratas blogai tirpsta mineralinės rūgštys ir gerai amonio arba šarminių metalų oksalatų ir karbonatų tirpaluose, susidarant kompleksiniams junginiams. Nusodinta oksalo rūgštimi iš nitrato (i.5*4.5M HNO.0 Pu(IV) tirpalai):

Kaitinamas ore iki 0°, jis dehidratuoja, virš 400 0 suyra:

Junginiuose plutonis turi oksidacijos būseną nuo +2 iki +7. Vandeniniuose tirpaluose jis sudaro jonus, atitinkančius oksidacijos būsenas nuo +3 iki +7. Šiuo atveju visų oksidacijos būsenų jonai, išskyrus Pu(VII), gali būti tirpale vienu metu pusiausvyroje. Plutonio jonai tirpale hidrolizuojami ir lengvai sudaro sudėtingus junginius. Galimybė sudaryti sudėtingus junginius padidėja Pu5 + serijoje

Pu(IV) jonai yra stabiliausi tirpale. Pu(V) yra neproporcingas į Pu(lV) ir Pu(Vl). Pu(VI) valentinė būsena būdinga stipriai oksiduojantiems vandeniniams tirpalams ir atitinka plutonilo joną Pu0 2 2+. Plutonio jonai, kurių krūviai yra 3 + ir 4 +, egzistuoja vandeniniuose tirpaluose, nes nėra hidrolizės ir susidaro kompleksas labai hidratuotų katijonų pavidalu. Pu(V) ir Pu(VI) rūgštiniuose tirpaluose yra deguonies turintys M0 2 + ir M0 2 2+ tipo katijonai.

Plutonio oksidacijos būsenos (III, IV, V ir VI) atitinka šias jonines būsenas rūgštiniuose tirpaluose: Pu 3+, Pu4 +, Pu0 2 2+ ir Pu0 5 3 Dėl „plutonio oksidacijos potencialų artumo jonų vienas kitam“ tirpaluose, su kuriais jie vienu metu gali egzistuoti pusiausvyroje su plutonio jonais skirtingų laipsnių oksidacija. Be to, pastebima Pu(IV) ir Pu(V) disproporcija:

Disproporcingumo greitis didėja didėjant plutonio koncentracijai ir temperatūrai.

Reese+ tirpalai yra mėlynai violetinės spalvos. Savo savybėmis Rts + yra artimas retųjų žemių elementams. Jo hidroksidas, fluoras, fosfatas ir oksalatas yra netirpūs. Pu(IV) yra stabiliausia plutonio būsena vandeniniuose tirpaluose. Pu(IV) yra linkęs į kompleksų susidarymą su azoto, sieros, druskos, acto ir kitomis rūgštimis. Taigi koncentruotoje azoto rūgštyje Pu(IV) sudaro kompleksus Pu(N0 3)5- ir Pu(G) 3)6 2". Vandeniniuose tirpaluose Pu(IV) lengvai hidrolizuojasi. Plutonio hidroksidas (žalias) yra linkęs iki polimerizacijos Netirpus fluoridas, hidroksidas, oksalatas, jodatas Pu(IV) gerai nusodina su netirpiais hidroksidais, lantano fluoridu, Zr, Th, Ce jodatais, Zr ir Bi fosfatais, Th, U(IV), Bi, La oksalatais. IV) sudaro dvigubus fluoridus ir sulfatus su Na, K, Rb, Cs ir NH 4 + Pu (gaunama apie .2 M HN0 3 tirpale maišant Pu(III) ir Pu(VI). Iš Pu druskų. ( VI) Įdomu yra natrio plutonilacetatas NaPu0 2 (C 2 H 3 0 2) 3 ir amonio plutonilacetatas NH 4 Pu0 2 (C 2 H 3 0 2), kurių struktūra yra panaši į atitinkamus junginius U, Np ir At.

Formalūs plutonio oksidacijos potencialai (V) lM HC10 4 tirpale:

Su šiuo anijonu susidariusio komplekso stabilumas aktinidų jonams mažėja tokia tvarka: M4 + >M0 2+ >M3 + >M0 2 2+ > M0 2+, t.y. jonų potencialo mažėjimo tvarka. Vieno krūvio anijonams mažėja anijonų gebėjimas sudaryti kompleksus su aktinidų jonais - fluoridas > nitratas > chloridas > perchloratas; dvigubo krūvio anijonams karbonatas>oksalatas>sulfatas. Su organinėmis medžiagomis susidaro daug sudėtingų jonų.

Tiek Pu(IV), tiek Pu(VI) gerai ekstrahuojami iš rūgščių tirpalų su etilo eteriu, TBP, diizopropilketonu ir kt. Letenos formos kompleksai, pavyzdžiui, su a-tenoiltrifluoracetonu, p-diketonu, kupferonu, gerai ekstrahuojami nepoliniai organiniai tirpikliai . Pu(IV) kompleksų ekstrahavimas a-tenoiltrifluoracetonu (TTA) leidžia išvalyti plutonį nuo daugumos priemaišų, įskaitant aktinidus ir retųjų žemių elementus.

Įvairių būsenų plutonio jonų vandeniniai tirpalai turi šias spalvas: Pu(III), kaip Pcs + (mėlyna arba levandinė); Pu(IV), kaip Pc4* (gelsvai ruda); Pu(VI), kaip Pu0 2 2+ (rožinė-oranžinė). Pu(V), kaip ir Pu0 2+, iš pradžių yra rausvos spalvos, tačiau būdamas nestabilus tirpale, šis jonas neproporcingas į Pu 4+ ir Pu0 2 2+; Tada Pu 4+ oksiduojamas, pereinant iš Pu0 2+ į Pu0 2 2+ ir redukuojamas iki Pu 3+. Taigi vandeninis plutonio tirpalas laikui bėgant tampa Pcs + ir Pu0 2 2+ mišiniu. Pu(VII), kaip Pu0 5 2 - (tamsiai mėlyna).

Plutoniui aptikti naudojamas radiometrinis metodas, pagrįstas plutonio a-spinduliavimo ir jo energijos matavimu. Šis metodas pasižymi gana dideliu jautrumu: leidžia atrasti 0,0001 µg 2 39Pi. Jei analizuojamame mėginyje yra kitų α-spinduliuotojų, plutonio identifikavimą galima atlikti matuojant α-dalelių energiją naudojant α-spektrometrus.

Daugelyje cheminių ir fizikinių ir cheminių metodų kokybiniam plutonio nustatymui naudojami plutonio valentinių formų savybių skirtumai. Pu(III) joną gana koncentruotuose vandeniniuose tirpaluose galima aptikti pagal ryškiai mėlyną spalvą, kuri smarkiai skiriasi nuo gelsvai rudos vandeninių tirpalų, kuriuose yra Pu(IV) jonų, spalvos.

Įvairių oksidacijos būsenų plutonio druskų tirpalų šviesos sugerties spektrai turi specifines ir siauras sugerties juostas, leidžiančias identifikuoti valentines formas ir aptikti vieną iš jų esant kitiems. Būdingiausi Pu(III) šviesos sugerties maksimumai yra 600 ir 900 mmk, Pu(IV) – 480 ir 66 mmk, Pu(V) – 569 mmk ir Pu(VI) 830+835 mmk.

Nors plutonis yra chemiškai toksiškas, kaip ir bet kuris sunkusis metalas, šis poveikis yra silpnas, palyginti su jo radiotoksiškumu. Toksiškos plutonio savybės atsiranda dėl a-radioaktyvumo.

2 s 8 Pu, 2 39Pu, 24op U) 242p u> 244Pu radiacijos pavojaus grupė A, MZA=z,7-uz Bk; 2 4>Pu ir 2 43Pu spinduliuotės pavojaus grupei B, MZA = 3,7-104 Bq. Jei radiologinis toksiškumas yra 2 3 ir imamas kaip vienetas, tas pats plutonio ir kai kurių kitų elementų indikatorius sudaro eilę: 235U 1,6 - 2 39Pu 5,0 - 2 4 1 As 3,2 - 9"Sr 4,8 - ^Ra 3,0. Matyti, kad plutonis nėra pats pavojingiausias tarp radionuklidų.

Trumpai pažvelkime į pramoninės gamybos plutonis

Plutonio izotopai gaminami galinguose urano reaktoriuose, kuriuose naudojami lėtieji neutronai, naudojant (p, y) reakciją, ir reaktyviniuose reaktoriuose, kuriuose naudojami greitieji neutronai. Plutonio izotopai taip pat gaminami galios reaktoriuose. pabaigos pasaulyje iš viso buvo pagaminta -1300 tonų plutonio, iš kurių ~300 tonų buvo skirta naudoti ginklams, likusi dalis buvo atominių elektrinių šalutinis produktas (reaktoriaus plutonis).

Ginkliniam naudojimui skirtą plutonią nuo reaktoriaus naudojamo plutonio skiria ne tiek sodrinimo laipsnis, cheminė sudėtis, kiek izotopinės sudėties, kuri kompleksiškai priklauso tiek nuo urano švitinimo neutronais laiko, tiek nuo laikymo laiko po švitinimo. Ypač svarbus izotopų 24°Pu ir 2 4‘Pu kiekis. Nors atominė bomba gali susidaryti bet koks šių izotopų kiekis plutonyje, tačiau 2 4 «p u buvimas 239r nulemia ginklo kokybę, nes nuo jo priklauso neutronų fonas ir tokie reiškiniai kaip kritinės masės augimas ir šiluminė galia. Neutronų fonas veikia sprogstamąjį įtaisą, ribodamas bendrą plutonio masę ir poreikį pasiekti didelį sprogimo greitį. Todėl senų konstrukcijų bomboms reikėjo mažo 2 4ar ir kiekio. Tačiau „aukšto“ dizaino projektuose naudojamas bet kokio grynumo plutonis. Todėl terminas „ginklo klasės plutonis“ neturi karinės reikšmės; tai yra ekonominis parametras: „aukšta“ bombos konstrukcija yra žymiai brangesnė nei „žema“.

Didėjant 24op U) daliai, plutonio kaina krenta, o kritinė masė didėja. Dėl 7% 24°Pu bendros plutonio sąnaudos yra minimalios. Vidutinė ginklų klasės plutonio sudėtis: 93,4 % 239 Ri, 6,o %

24°Pu ir 0,6% 241 Pu. Tokio plutonio šiluminė galia yra 2,2 W/kg, savaiminio dalijimosi lygis – 27100 dalijimosi/s. Šis lygis leidžia panaudoti 4 kg plutonio ginkle su labai maža išankstinio detonavimo tikimybe esant geroje sprogimo sistemoje. Po 20 metų dauguma iš 24 Pu pavirs į ^'At, žymiai padidindami šilumos išsiskyrimą – iki 2,8 W/kg. Kadangi 241 Pu yra labai skilus, o 241 At ne, dėl to sumažės plutonio reaktyvumo riba. Neutroninė spinduliuotė iš 5 kg ginkluoto 300 000 neutronų/s plutonio sukuria 0,003 rad/val radiacijos lygį 1 m atstumu. Tačiau ilgalaikis techninės priežiūros personalo kontaktas su branduoliniu sprogstamuoju įtaisu jo techninės priežiūros metu gali lemti metinę ribą lygią radiacijos dozę.

Dėl nedidelio masių skirtumo 2 - "* 9 Pu ir 24 ° Pu, šie izotopai nėra atskirti pramoniniai metodai praturtinimas. Nors juos galima atskirti naudojant elektromagnetinį separatorių. Tačiau lengviau gauti grynesnį 2 zeRi sutrumpinus laiką, praleistą *z*i reaktoriuje. Nėra jokios priežasties sumažinti 24 °Pi kiekį iki mažiau nei 6%, nes ši koncentracija netrukdo sukurti veiksmingų termobranduolinių krūvių trigerių.

Be ginklams skirto plutonio, yra ir reaktoriaus klasės plutonio. Plutonis iš panaudoto branduolinio kuro susideda iš daugelio izotopų. Sudėtis priklauso nuo reaktoriaus tipo ir veikimo režimo. Tipinės lengvojo vandens reaktoriaus vertės: 2 × 8 Pu - 2%, 239Pu - 61%, 24 °Pll - 24%, 24iPu - 10%, 242 Pll - 3%. Iš tokio plutonio sunku pagaminti bombą (teroristams tai praktiškai neįmanoma), tačiau šalyse, kuriose išvystyta technologija, reaktoriaus plutonis gali būti naudojamas branduoliniams užtaisams gaminti.

Lentelė 4. Plutonio tipų charakteristikos.

Reaktoryje susikaupusio plutonio izotopinė sudėtis priklauso nuo kuro sudegimo laipsnio. Iš penkių pagrindinių susidariusių izotopų du yra su nelyginiais Z- 2 39Pi ir 24,Pi yra dalijami, t.y. galintis dalytis veikiant šiluminiams neutronams ir gali būti naudojamas kaip reaktoriaus kuras. Naudojant plutonį kaip reaktoriaus kurą, svarbus sukauptų 2 39 Ri ir 241 Ri kiekis. Jei iš panaudoto kuro išgautas plutonis pakartotinai naudojamas greitųjų neutronų reaktoriuose, jo izotopinė sudėtis palaipsniui tampa nebetinkama naudoti ginkluose. Po kelių degalų ciklų, susikaupus 2 × 8 Pu, #2 4″ Pu ir ^ 2 Pu, jis netinkamas šiam tikslui. Tokios medžiagos maišymas yra patogus būdas „denatūruoti“ plutonį, užtikrinant, kad skiliosios medžiagos nesidaugintų.

Tiek ginklų, tiek reaktorių plutonio sudėtyje yra šiek tiek ^Pu. ^'Pu skyla į 24'am, išskirdamas p-dalelę. Kadangi dukterinės 241 At pusinės eliminacijos laikas (432 l) yra žymiai ilgesnis nei pirminio 241 Pu (14,4 l), jo kiekis įkrovoje (arba NFC atliekose) didėja, kai susidaro ^'Pu dėl 241 Am skilimo yra daug stipresnis nei 241 Pu, todėl laikui bėgant jis taip pat didėja. Padidėjęs 24 „As plutonis negali būti laikomas ilgą laiką.

Lentelė 5. Kai kurios ginklų ir reaktorių klasės plutonio savybės

Praktiškai svarbiausias izotopas 2 39Pu susidaro branduoliniuose reaktoriuose ilgalaikio gamtinio arba prisodrinto urano švitinimo neutronais metu:

Deja, vyksta ir kitos branduolinės reakcijos, dėl kurių atsiranda kitų plutonio izotopų: 2 - 38 Pu, a4 arba u, 24 Phi ir 242 Pu, kurių atskyrimas nuo 2 39Rc, nors ir išsprendžiamas, yra labai sunki užduotis. :

Kai uranas apšvitinamas reaktoriaus neutronais, susidaro tiek lengvieji, tiek sunkieji plutonio izotopai. Pirmiausia panagrinėkime plutonio izotopų, kurių masė mažesnė nei 239, susidarymą.

Nedidelė dalijimosi metu išsiskiriančių neutronų dalis turi energijos, kurios pakanka reakcijai sužadinti 2 3 8 U(n,2n) 2 3?u. 237 U yra p-spinduliuotojas ir su T’,/ 2 =6,8 dienos virsta ilgaamže 2 37Np. Šis izotopas grafito reaktoriuje ant natūralaus urano susidaro 0,1% viso tuo pačiu metu susidarančio 2 39Pu kiekio. Lėtiesiems neutronams pagavus 2 3?Np, susidaro 2 3 8 Np. Šios reakcijos skerspjūvis yra 170 tvartų. Reakcijų grandinė atrodo taip:

Kadangi čia dalyvauja du neutronai, išeiga yra proporcinga spinduliuotės dozės kvadratui, o 238 Pu ir 2 39Pu kiekių santykis yra proporcingas 2 39Pu ir 238 U santykiui. Proporcingumas nėra griežtai laikomasi, nes 23?Np susidarymo atsilikimas, susijęs su 6,8 dienos ^U pusinės eliminacijos periodu. Mažiau svarbus 239Pu susidarymo šaltinis yra 242 St, susidaręs urano reaktoriuose, 238Pu reakcijos:

Kadangi tai yra trečios eilės neutronų reakcija, tokiu būdu susidariusio 2 3 8 Pu kiekio santykis su 2 39 Pu yra proporcingas santykio * 3 8 Pu ir 2 3 8 U kvadratui. Tačiau ši grandinė reakcijų skaičius tampa santykinai reikšmingesnis dirbant su uranu, prisodrintu ^u.

2 × 8 Pu koncentracija mėginyje, kuriame yra 5,6 % 24 °Pu, yra 0,0115 %. Ši vertė gana reikšmingai prisideda prie bendro vaistų a-aktyvumo, nes ^Pu Ti/2= 86,4 l.

2 6 Pu buvimas reaktoriuje gaminamame plutonyje yra susijęs su daugybe reakcijų:

2 3 6 Pu išeiga švitinant uraną yra ~ω-9-io" 8%.

Plutonio kaupimosi urane požiūriu pagrindinės transformacijos yra susijusios su izotopo 2 39Pu susidarymu. Tačiau svarbios ir kitos pašalinės reakcijos, nes jos lemia tikslinio produkto išeigą ir grynumą. Santykinis sunkiųjų izotopų 240 Pu, ^Phi, 242 Pu, taip pat 23Pu, 2 37Np ir ^"pelenų kiekis priklauso nuo urano neutroninio apšvitinimo dozės (urano buvimo reaktoriuje laiko). neutronų gaudymui plutonio izotopai yra pakankamai dideli, kad sukeltų nuoseklias reakcijas (n, y) net esant mažoms 2 39Pu koncentracijoms urane.

Lentelė 6. Iš apšvitinto plutonio izotopinė sudėtis natūralaus urano sostai. _

241 Pu, susidaręs švitinant uraną neutronais, virsta 241 As, kuris išsiskiria chemiškai-technologiškai apdorojant urano blokus (tačiau 241 At palaipsniui vėl kaupiasi išvalytame plutonyje). Pavyzdžiui, metalinio plutonio, turinčio 7,5% 24 °P, aktyvumas po metų padidėja 2% (dėl 24, At 24, Pu turi didelį skilimo skerspjūvį reaktoriaus neutronams). iki - poo barn, o tai svarbu naudojant plutonį kaip reaktoriaus kurą.

Jei uranas ar plutonis yra stipriai apšvitinamas neutronais, prasideda smulkiųjų aktinidų sintezė:

Susidaręs iš 2 4 * Pu, 2 4 * Am savo ruožtu reaguoja su neutronais, sudarydamas 2 3 8 Pu ir 2 4 2 Pu:

Šis procesas atveria galimybę gauti plutonio preparatus su santykinai maža y spinduliuote.

Ryžiai. 6. Plutonio izotopų santykio pokytis ilgai švitinant 2 39Pu neutronų srautu 3*10*4 n/cm 2 s.

Taigi, ilgai (apie šimtą ir daugiau dienų) švitinant 2 39Pu neutronais, susidaro ilgaamžiai plutonio izotopai - ^Pu ir 2 44Pu. Šiuo atveju 2 4 2 Pu išeiga siekia kelias dešimtis procentų, o susidaręs 2 44 Pu kiekis yra ^Pu procento dalis. Tuo pačiu metu gaunami Am, Cm ir kiti transplutonis, taip pat suskaidymo elementai.

Gaminant plutonį uranas (metalo pavidalu) švitinamas pramoniniame (terminiame arba greitajame) reaktoriuje, kurio privalumai yra didelis neutronų tankis, žema temperatūra ir galimybė švitinti daug trumpesnį laiką nei reaktoriaus kampanija.

Pagrindinė problema, iškilusi gaminant ginklams skirtą plutonį reaktoriuje, buvo optimalaus urano švitinimo laiko parinkimas. Faktas yra tas, kad izotopas 238, sudarantis didžiąją natūralaus urano dalį, fiksuoja neutronus, sudarydamas 239Pu, o 2333 palaiko skilimo grandininę reakciją. Kadangi plutonio sunkiųjų izotopų susidarymas reikalauja papildomo neutronų gaudymo, tokių izotopų kiekis urane auga lėčiau nei 2 39Pu. Uranas apšvitintas reaktoriuje trumpam laikui, yra nedidelis kiekis 2 39Pu, tačiau jis yra grynesnis nei ilgai veikiant, nes kenksmingi sunkieji izotopai nespėjo kauptis. Tačiau pats 2 39Рц gali dalytis ir, padidėjus jo koncentracijai reaktoriuje, jo transmutacijos greitis didėja. Todėl uranas turi būti pašalintas iš reaktoriaus praėjus kelioms savaitėms po švitinimo pradžios.

Ryžiai. 7- Plutonio izotopų kaupimasis reaktoriuje: l - ^Pu; 2 - 240 Pu (trumpalaikiu susidaro ginklams tinkamas plutonis, o ilgam - reaktoriaus, t.y. netinkamas naudoti ginklams).

Bendras kuro elemento apšvitinimo greitis išreiškiamas megavatų dienomis/t. Ginklams tinkamas plutonis gaminamas iš elementų, kurių MW-dienos/t kiekis yra nedidelis, ir gamina mažiau šalutinių izotopų. Šiuolaikiniuose suslėgto vandens reaktoriuose kuro elementai pasiekia 33 000 MW per dieną/t. Įprasta ekspozicija auginimo reaktoriuje yra 100 MW-dieną/t. Manheteno projekto metu natūralaus urano kuras gaudavo tik 100 MW-parą/t, todėl pagamino labai aukštos kokybės 239 Ri (iš viso 1 % 2 4°Pll).