ความถ่วงจำเพาะของพลูโทเนียม พลูโตเนียมเกรดอาวุธ: การใช้งาน การผลิต การกำจัด อยู่ในธรรมชาติการรับ

คุณพ่อคุณแม่ของเด็กผู้ชายควรเตรียมตัวในเรื่องต่างๆ สถานการณ์ฉุกเฉินกับลูกๆ ของคุณ มันไม่เสียหายเลยที่จะรู้ว่าต้องทำอย่างไรถ้าลูกชายของคุณเจอพลูโทเนียม

พลูโทเนียมมีหน้าตาเป็นอย่างไร?

ก่อนอื่นคุณต้องจินตนาการว่าลูกชายของคุณจะพบว่าจะเป็นอย่างไร เป็นโลหะสีเงินหนักมากในรูปแบบผงซึ่งจะส่องแสงเจิดจ้าเมื่อทำความสะอาด แต่ด้วยคุณสมบัติทางไฟฟ้า จึงไม่มีความแวววาวเป็นเวลานาน ขั้นแรกจะจางลง จากนั้นจึงถูกปกคลุมด้วยฟิล์มสีเหลืองอ่อน ซึ่งค่อยๆ เปลี่ยนเป็นสีม่วงเข้ม

ลองคิดดูว่ามีอะไรอีกที่อาจดูเหมือนผงสีขาวเงิน เนื่องจากคุณไม่สามารถหาพลูโตเนียมใกล้กับชิงช้าหรือกระดานลื่นได้ และแม้ว่าเขาจะปีนขึ้นไปในสถานที่ก่อสร้าง เด็กชายก็ยังอยากจะเป็นเจ้าของลวดหรือตะปูมากกว่าพลูโทเนียมเพียงหยิบมือเดียว

อย่างไรก็ตาม หากเด็กนำสิ่งที่คุณคิดว่าเป็นโลหะหนักตามที่อธิบายไว้กลับบ้าน คุณต้องโทรแจ้งตำรวจหรือหน่วยงานท้องถิ่นของกระทรวงสถานการณ์ฉุกเฉินโดยด่วน เนื่องจากสารนี้มีกัมมันตภาพรังสี เป็นอันตราย ซึ่งจะต้องกำจัดและซ่อนอย่างรวดเร็ว ห่างออกไป.

คุณต้องตอบสนองต่อ "การค้นหา" ทันที นี่ไม่ใช่สถานการณ์ในชีวิตที่คุณสามารถโทรหาเพื่อนและค้นหาได้ ท้ายที่สุดแล้วแตงกวาแม้แต่ที่มีรสเปรี้ยวก็เป็นอันตรายได้มากที่สุดเนื่องจากมีอาการท้องร่วงเฉียบพลัน และถ้าคุณฉลาดพอที่จะไม่กินมันหลังจากปลิวฝาแล้ว โดยทั่วไปแล้วพวกมันก็ไม่เป็นอุปสรรคต่อสุขภาพของคุณ

ผลของพลูโตเนียมต่อร่างกายมนุษย์

พลูโตเนียม (Pu) ไม่เป็นอันตรายเท่ากับแตงกวาเปรี้ยว เป็นโลหะหนักจึงต้องเป็นสารเคมีที่เป็นพิษ อย่างไรก็ตาม คุณสมบัตินี้อธิบายได้ไม่ดี เนื่องจากอันตรายหลักอยู่ที่ความเป็นพิษของรังสี ความเป็นพิษของมันเกิดจากกัมมันตภาพรังสีอัลฟ่า

อนุภาคอัลฟ่าเป็นอันตรายต่อร่างกายก็ต่อเมื่อมีแหล่งกำเนิดอยู่ในร่างกายมนุษย์เท่านั้น พูดง่ายๆ ก็คือ จะต้องกินโลหะนี้เข้าไปเพื่อให้เอฟเฟกต์กัมมันตภาพรังสีเกิดขึ้น ภายนอก Pu ส่งผลกระทบต่อมนุษย์ด้วยนิวตรอนและรังสีแกมมา แต่ไม่ก่อให้เกิดอันตรายมากนักเนื่องจากมีระดับต่ำ

อนุภาคอัลฟ่าเข้ามา ร่างกายมนุษย์ทำลายเฉพาะเนื้อเยื่อที่สัมผัสโดยตรงเท่านั้น เมื่อได้รับรังสีในระดับสูง พิษเฉียบพลันจะเกิดขึ้นและเกิดพิษทันที การแผ่รังสีในระดับต่ำจะทำลายร่างกายอย่างค่อยเป็นค่อยไป ทำให้เกิดแนวโน้มที่จะเป็นมะเร็ง

Pu ดูดซึมได้ไม่ดีในทางเดินอาหาร แม้ว่าคุณจะใช้โลหะในรูปของเกลือที่ละลายน้ำได้ แต่ก็ไม่มีแนวโน้มที่จะถูกดูดซึม แต่ผสมกับเนื้อหาในลำไส้ พลูโตเนียมส่วนใหญ่ไม่ได้เข้าสู่ร่างกายจากน้ำที่ปนเปื้อน แต่จะตกตะกอนจากสารละลายที่เป็นน้ำ เกิดเป็นสารประกอบที่ไม่ละลายน้ำ

หากต้องการเสียชีวิตจากการสัมผัสแบบเฉียบพลันภายในไม่กี่วันหรือหนึ่งสัปดาห์คุณต้องรับประทาน Pu 500 มก. ขณะเดียวกันก็ควรสับให้ละเอียด การเสียชีวิตจากอาการบวมน้ำที่ปอดภายในเวลาไม่เกิน 10 วันอาจคุกคามบุคคลที่สูดพลูโทเนียม 100 มก. เข้าไปในปอด ปริมาณ Pu ในร่างกายที่น้อยลงจะสร้างพื้นที่อุดมสมบูรณ์สำหรับการเกิดขึ้นและการลุกลามของมะเร็ง

คนต้องการหรือเปล่า

ไอโซโทป 239Pu ใช้ในรูปแบบของเชื้อเพลิงนิวเคลียร์สำหรับเครื่องปฏิกรณ์พลังงานที่ทำงานบนนิวตรอนที่เร็วและร้อน ไอโซโทป 239Pu ยังขาดไม่ได้ในการผลิตอาวุธนิวเคลียร์

โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ที่กระจายอยู่ทั่วโลกผลิตไฟฟ้าได้ประมาณ 15% ของโลก

แบตเตอรี่ไฟฟ้าปรมาณูที่มี Pu-236 มีอายุการใช้งานสูงสุด 5 ปี แพทย์ใช้แบตเตอรี่ดังกล่าวในเครื่องกระตุ้นหัวใจซึ่งเย็บติดกับหน้าอกของผู้ป่วยและทำให้หัวใจหดตัว
Pu-238 เป็นแหล่งพลังงานที่จำเป็นสำหรับยานอวกาศที่มนุษย์ใช้ในการสำรวจอวกาศ

ข้อเท็จจริงที่น่าสนใจ

เด็กชายที่อยากรู้อยากเห็นสามารถเล่าข้อเท็จจริงที่น่าจดจำเกี่ยวกับพลูโทเนียมได้ ซึ่งพวกเขาไม่น่าจะโชคดีพอที่จะพบได้ในชีวิตจริง

สิ่งมีชีวิตในทะเลสะสมองค์ประกอบนี้อย่างมากความสามารถในการสะสมลดลงในชุดแพลงก์ตอนผสม - สาหร่าย - กระเพาะปลา - ปลาดาว - กระดูกปลา

Pu-244 เป็นไอโซโทปของธาตุทรานยูเรเนียมที่มีอายุยืนยาว ครึ่งชีวิตของมันคือ 82.8 ล้านปี!

หากคุณเติมพลูโตเนียมลงในโลหะผสม คุณจะเกิดการหล่อโดยไม่มีรอยแตกร้าวแม้แต่ครั้งเดียว คุณสมบัตินี้ถูกใช้อย่างแข็งขันโดยนักโลหะวิทยา

ประจุระเบิดนิวเคลียร์ทำจากพลูโทเนียม โลหะมีน้ำหนักมากจนลูกพลูโทเนียมลูกเล็กซึ่งซ่อนอยู่ในลูกบาศก์ขนาด 10*10 ซม. มีน้ำหนัก 5-6 กิโลกรัม

ผู้ปกครองทุกคนอยากจะอวยพรให้ลูกชายไม่พบพลูโตเนียมและไม่นำกลับบ้าน แต่ให้เล่นของเล่นที่ไม่เป็นอันตรายมากขึ้นอย่างสงบสุข

วีดีโอ: พลูโทเนียม-239 จาก RID-1

พลูโทเนียม (ละตินพลูโตเนียม สัญลักษณ์ Pu) - กัมมันตภาพรังสี องค์ประกอบทางเคมีมีเลขอะตอม 94 และน้ำหนักอะตอม 244.064 พลูโทเนียมเป็นองค์ประกอบของตารางธาตุกลุ่มที่ 3 ของมิทรี อิวาโนวิช เมนเดเลเยฟ และอยู่ในตระกูลแอคติไนด์ พลูโตเนียมเป็นโลหะกัมมันตรังสีที่เปราะหนัก (ความหนาแน่นภายใต้สภาวะปกติ 19.84 g/cm³) มีสีเงินขาว

พลูโตเนียมไม่มีไอโซโทปที่เสถียร จากไอโซโทปที่เป็นไปได้ของพลูโตเนียมที่เป็นไปได้ทั้งหมด 100 ชนิด มีการสังเคราะห์ขึ้นมาได้ 25 ชนิด ศึกษาคุณสมบัติทางนิวเคลียร์ของทั้ง 15 รายการ (เลขมวล 232-246) สี่คนพบว่าสามารถนำไปใช้ได้จริง ไอโซโทปที่มีอายุยาวนานที่สุดคือ 244Pu (ครึ่งชีวิต 8.26-107 ปี), 242Pu (ครึ่งชีวิต 3.76-105 ปี), 239Pu (ครึ่งชีวิต 2.41-104 ปี), 238Pu (ครึ่งชีวิต 87.74 ปี) - α- ตัวปล่อยและ 241Pu (ครึ่งชีวิต 14 ปี) - β-emitter ในธรรมชาติ พลูโตเนียมเกิดขึ้นในแร่ยูเรเนียมในปริมาณเล็กน้อย (239Pu) มันถูกสร้างขึ้นจากยูเรเนียมภายใต้อิทธิพลของนิวตรอนซึ่งเป็นแหล่งที่มาของปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นระหว่างปฏิกิริยาของอนุภาคαกับองค์ประกอบแสง (รวมอยู่ในแร่) การแยกตัวของนิวเคลียสยูเรเนียมที่เกิดขึ้นเองและรังสีคอสมิก

องค์ประกอบที่เก้าสิบสี่ถูกค้นพบโดยกลุ่มนักวิทยาศาสตร์ชาวอเมริกัน - Glenn Seaborg, Kennedy, Edwin McMillan และ Arthur Wahl ในปี 1940 ที่ Berkeley (ที่มหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย) เมื่อทิ้งระเบิดเป้าหมายของยูเรเนียมออกไซด์ ( U3O8) โดยนิวเคลียสดิวทีเรียมที่มีความเร่งสูง (ดิวเทอรอน) จากไซโคลตรอนขนาดหกสิบนิ้ว ในเดือนพฤษภาคม พ.ศ. 2483 ลูอิส เทิร์นเนอร์ ทำนายคุณสมบัติของพลูโตเนียม

ในเดือนธันวาคม พ.ศ. 2483 ไอโซโทปพลูโทเนียม Pu-238 ถูกค้นพบ โดยมีครึ่งชีวิตประมาณ 90 ปี ตามมาในอีกหนึ่งปีต่อมาด้วย Pu-239 ที่สำคัญกว่าซึ่งมีครึ่งชีวิตประมาณ 24,000 ปี

เอ็ดวิน แมคมิลลาน เสนอให้ตั้งชื่อองค์ประกอบทางเคมีในปี พ.ศ. 2491 ว่าพลูโตเนียมเพื่อเป็นเกียรติแก่การค้นพบดาวพลูโตดวงใหม่ และโดยการเปรียบเทียบกับเนปทูเนียม ซึ่งตั้งชื่อตามการค้นพบดาวเนปจูน

พลูโตเนียมโลหะ (ไอโซโทป 239Pu) ใช้ในอาวุธนิวเคลียร์และทำหน้าที่เป็นเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ในเครื่องปฏิกรณ์พลังงานที่ทำงานด้วยความร้อนและนิวตรอนเร็วโดยเฉพาะ มวลวิกฤตของ 239Pu เนื่องจากโลหะคือ 5.6 กก. เหนือสิ่งอื่นใด ไอโซโทป 239Pu เป็นวัสดุเริ่มต้นในการได้รับ เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์องค์ประกอบของทรานสพลูโตเนียม ไอโซโทป 238Pu ใช้ในแหล่งพลังงานนิวเคลียร์ขนาดเล็กที่ใช้ในการวิจัยอวกาศ รวมถึงในสารกระตุ้นหัวใจของมนุษย์

พลูโตเนียม-242 มีความสำคัญในฐานะ “วัตถุดิบ” ค่อนข้างมาก การสะสมอย่างรวดเร็วองค์ประกอบ transuranic ที่สูงขึ้นในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ โลหะผสมพลูโตเนียมที่มีความเสถียร δ ใช้ในการผลิตเซลล์เชื้อเพลิง เนื่องจากมีสมบัติทางโลหะวิทยาที่ดีกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับพลูโทเนียมบริสุทธิ์ ซึ่งผ่านการเปลี่ยนเฟสเมื่อถูกความร้อน พลูโทเนียมออกไซด์ถูกใช้เป็นแหล่งพลังงานสำหรับเทคโนโลยีอวกาศและนำไปใช้ในแท่งเชื้อเพลิง

สารประกอบพลูโตเนียมทั้งหมดเป็นพิษซึ่งเป็นผลมาจากรังสีอัลฟ่า อนุภาคอัลฟ่าก่อให้เกิดอันตรายร้ายแรงหากแหล่งกำเนิดของพวกมันอยู่ในร่างกายของผู้ติดเชื้อซึ่งสร้างความเสียหายให้กับเนื้อเยื่อโดยรอบของร่างกาย รังสีแกมมาจากพลูโตเนียมไม่เป็นอันตรายต่อร่างกาย ควรพิจารณาว่าไอโซโทปของพลูโทเนียมที่แตกต่างกันมีความเป็นพิษที่แตกต่างกัน ตัวอย่างเช่น พลูโทเนียมของเครื่องปฏิกรณ์ทั่วไปมีความเป็นพิษมากกว่า 239Pu บริสุทธิ์ถึง 8-10 เท่า เนื่องจากมันถูกครอบงำด้วยนิวไคลด์ 240Pu ซึ่งเป็นแหล่งกำเนิดรังสีอัลฟ่าที่ทรงพลัง พลูโตเนียมเป็นองค์ประกอบที่มีพิษกัมมันตภาพรังสีมากที่สุดในบรรดาแอกติไนด์ทั้งหมด อย่างไรก็ตามถือว่ายังห่างไกลจากองค์ประกอบที่อันตรายที่สุด เนื่องจากเรเดียมมีอันตรายมากกว่าไอโซโทปพลูโทเนียมที่เป็นพิษมากที่สุดเกือบพันเท่า - 239Pu

คุณสมบัติทางชีวภาพ

พลูโตเนียมมีความเข้มข้นโดยสิ่งมีชีวิตในทะเล: ค่าสัมประสิทธิ์การสะสมของโลหะกัมมันตรังสีนี้ (อัตราส่วนของความเข้มข้นในร่างกายและในสภาพแวดล้อมภายนอก) สำหรับสาหร่ายคือ 1,000-9,000 สำหรับแพลงก์ตอน - ประมาณ 2,300 สำหรับปลาดาว - ประมาณ 1,000 สำหรับหอย - มากถึง 380 สำหรับกล้ามเนื้อ กระดูก ตับ และกระเพาะอาหารของปลา - 5, 570, 200 และ 1,060 ตามลำดับ พืชบกดูดซับพลูโตเนียมผ่านช่องทางหลัก ระบบรูทและสะสมเป็น 0.01% ของมวลของมัน ในร่างกายมนุษย์องค์ประกอบที่เก้าสิบสี่จะถูกเก็บไว้ในโครงกระดูกและตับเป็นส่วนใหญ่ซึ่งแทบจะไม่ถูกขับออกมาเลย (โดยเฉพาะจากกระดูก)

พลูโตเนียมมีความเป็นพิษสูงและอันตรายทางเคมีของมัน (เช่นเดียวกับโลหะหนักอื่นๆ) มีน้อยกว่ามาก (จากมุมมองทางเคมี มันก็เป็นพิษเหมือนตะกั่วด้วย) เมื่อเปรียบเทียบกับความเป็นพิษของกัมมันตภาพรังสีซึ่งเป็นผลมาจากรังสีอัลฟ่า นอกจากนี้ อนุภาค α มีความสามารถในการทะลุทะลวงค่อนข้างต่ำ: สำหรับ 239Pu ช่วงของอนุภาค α ในอากาศคือ 3.7 ซม. และในเนื้อเยื่อชีวภาพอ่อน 43 μm ดังนั้นอนุภาคอัลฟ่าจึงเป็นอันตรายร้ายแรงหากแหล่งกำเนิดของพวกมันอยู่ในร่างกายของผู้ติดเชื้อ ในขณะเดียวกันก็สร้างความเสียหายให้กับเนื้อเยื่อของร่างกายที่อยู่รอบ ๆ องค์ประกอบ

ในเวลาเดียวกัน รังสีแกมมาและนิวตรอนซึ่งพลูโตเนียมปล่อยออกมาและสามารถทะลุร่างกายจากภายนอกได้นั้นไม่เป็นอันตรายมากนัก เนื่องจากระดับของพวกมันต่ำเกินไปที่จะก่อให้เกิดอันตรายต่อสุขภาพ พลูโตเนียมอยู่ในกลุ่มขององค์ประกอบที่มีความเป็นพิษต่อรังสีสูงเป็นพิเศษ ในเวลาเดียวกัน ไอโซโทปของพลูโทเนียมที่แตกต่างกันมีความเป็นพิษที่แตกต่างกัน ตัวอย่างเช่น พลูโทเนียมของเครื่องปฏิกรณ์ทั่วไปมีความเป็นพิษมากกว่า 239Pu บริสุทธิ์ถึง 8-10 เท่า เนื่องจากถูกครอบงำโดยนิวไคลด์ 240Pu ซึ่งเป็นแหล่งกำเนิดรังสีอัลฟ่าที่ทรงพลัง

เมื่อกลืนกินผ่านน้ำและอาหาร พลูโทเนียมจะมีความเป็นพิษน้อยกว่าสารต่างๆ เช่น คาเฟอีน วิตามินบางชนิด ซูโดเอฟีดรีน ตลอดจนพืชและเชื้อราหลายชนิด สิ่งนี้อธิบายได้จากข้อเท็จจริงที่ว่าองค์ประกอบนี้ถูกดูดซึมได้ไม่ดีจากระบบทางเดินอาหารแม้ว่าจะให้มาในรูปของเกลือที่ละลายน้ำได้ แต่เกลือชนิดเดียวกันนี้ก็ถูกผูกไว้กับเนื้อหาของกระเพาะอาหารและลำไส้ อย่างไรก็ตาม การกลืนพลูโทเนียม 0.5 กรัมในสถานะที่แบ่งละเอียดหรือละลายอาจทำให้เสียชีวิตจากการสัมผัสรังสีเฉียบพลันได้ ระบบทางเดินอาหารในช่วงหลายวันหรือหลายสัปดาห์ (สำหรับไซยาไนด์ค่านี้คือ 0.1 กรัม)

เมื่อพิจารณาจากการสูดดม พลูโตเนียมถือเป็นสารพิษธรรมดา (เทียบเท่ากับไอปรอทโดยประมาณ) เมื่อสูดดมเข้าไป พลูโตเนียมจะเป็นสารก่อมะเร็งและอาจทำให้เกิดมะเร็งปอดได้ ดังนั้นเมื่อสูดดมพลูโตเนียมหนึ่งร้อยมิลลิกรัมในรูปของอนุภาคที่มีขนาดเหมาะสมที่สุดสำหรับการกักเก็บในปอด (1-3 ไมครอน) จะทำให้เสียชีวิตจากอาการบวมน้ำที่ปอดใน 1-10 วัน ปริมาณยี่สิบมิลลิกรัมทำให้เสียชีวิตจากพังผืดในเวลาประมาณหนึ่งเดือน ปริมาณที่น้อยลงทำให้เกิดพิษจากสารก่อมะเร็งเรื้อรัง อันตรายจากการสูดดมพลูโทเนียมเข้าสู่ร่างกายเพิ่มขึ้นเนื่องจากพลูโทเนียมมีแนวโน้มที่จะเกิดละอองลอย

แม้ว่าจะเป็นโลหะแต่ก็มีความผันผวนค่อนข้างมาก การที่โลหะอยู่ในห้องเป็นเวลาสั้นๆ จะช่วยเพิ่มความเข้มข้นในอากาศได้อย่างมาก พลูโทเนียมที่เข้าสู่ปอดจะเกาะอยู่บนพื้นผิวของปอดบางส่วน บางส่วนผ่านเข้าไปในเลือด จากนั้นเข้าสู่น้ำเหลืองและไขกระดูก ส่วนใหญ่ (ประมาณ 60%) ไปอยู่ในเนื้อเยื่อกระดูก 30% ในตับ และเพียง 10% เท่านั้นที่ถูกขับออก ตามธรรมชาติ. ปริมาณพลูโตเนียมที่เข้าสู่ร่างกายขึ้นอยู่กับขนาดของอนุภาคละอองลอยและความสามารถในการละลายในเลือด

พลูโตเนียมที่เข้าสู่ร่างกายมนุษย์ไม่ทางใดก็ทางหนึ่งมีคุณสมบัติคล้ายกับเหล็กเฟอร์ริกดังนั้นเมื่อเจาะเข้าสู่ระบบไหลเวียนโลหิตพลูโทเนียมเริ่มมีความเข้มข้นในเนื้อเยื่อที่มีธาตุเหล็ก: ไขกระดูก, ตับ, ม้าม ร่างกายรับรู้ว่าพลูโทเนียมเป็นเหล็ก ดังนั้นโปรตีน Transferrin จึงใช้พลูโทเนียมแทนเหล็ก ซึ่งส่งผลให้การถ่ายโอนออกซิเจนในร่างกายหยุดลง ไมโครฟาจนำพาพลูโตเนียมไปยังต่อมน้ำเหลือง พลูโทเนียมที่เข้าสู่ร่างกายใช้เวลานานมากในการถูกขับออกจากร่างกาย - ภายใน 50 ปี จะมีเพียง 80% เท่านั้นที่จะถูกขับออกจากร่างกาย ครึ่งชีวิตจากตับคือ 40 ปี สำหรับเนื้อเยื่อกระดูกนั้นครึ่งชีวิตของพลูโทเนียมคือ 80-100 ปี ที่จริงแล้วความเข้มข้นของธาตุเก้าสิบสี่ในกระดูกนั้นคงที่

ตลอดช่วงสงครามโลกครั้งที่สองและหลังสิ้นสุดสงครามโลกครั้งที่ 2 นักวิทยาศาสตร์ที่ทำงานในโครงการแมนฮัตตัน เช่นเดียวกับนักวิทยาศาสตร์จาก Third Reich และองค์กรวิจัยอื่นๆ ได้ทำการทดลองโดยใช้พลูโตเนียมกับสัตว์และมนุษย์ การศึกษาในสัตว์ทดลองแสดงให้เห็นว่าพลูโตเนียม 2-3 มิลลิกรัมต่อเนื้อเยื่อ 1 กิโลกรัมเป็นปริมาณที่อันตรายถึงชีวิต การใช้พลูโทเนียมในมนุษย์ประกอบด้วยพลูโตเนียม 5 ไมโครกรัมที่ถูกฉีดเข้ากล้ามในผู้ป่วยที่ป่วยเรื้อรัง ในที่สุดก็พบว่าปริมาณรังสีที่อันตรายถึงชีวิตของผู้ป่วยคือพลูโทเนียมหนึ่งไมโครกรัม และพลูโทเนียมนั้นมีอันตรายมากกว่าเรเดียมและมีแนวโน้มที่จะสะสมในกระดูก

ดังที่ทราบกันดีว่าพลูโทเนียมเป็นองค์ประกอบที่ไม่มีอยู่ในธรรมชาติ อย่างไรก็ตาม มีการปล่อยมันออกสู่ชั้นบรรยากาศประมาณห้าตันอันเป็นผลมาจากการทดสอบนิวเคลียร์ในช่วงปี พ.ศ. 2488-2506 ปริมาณพลูโตเนียมทั้งหมดที่ปล่อยออกสู่ชั้นบรรยากาศเนื่องจากการทดสอบนิวเคลียร์ก่อนทศวรรษ 1980 อยู่ที่ประมาณ 10 ตัน จากการประมาณการบางประการ ดินในสหรัฐอเมริกามีพลูโทเนียมโดยเฉลี่ย 2 มิลลิคิวรี (28 มก.) ต่อการระเบิดที่ตกลงมาในตารางกิโลเมตร และการเกิดพลูโทเนียมในมหาสมุทรแปซิฟิกจะเพิ่มขึ้นเมื่อเทียบกับการกระจายตัวของวัสดุนิวเคลียร์โดยรวมบนโลก

ปรากฏการณ์ล่าสุดนี้เกี่ยวข้องกับการทดสอบนิวเคลียร์ของสหรัฐฯ ในหมู่เกาะมาร์แชลที่ศูนย์ทดสอบแปซิฟิกในช่วงกลางทศวรรษ 1950 เวลาการดำรงอยู่ของพลูโตเนียมในน้ำทะเลผิวดินอยู่ระหว่าง 6 ถึง 21 ปี อย่างไรก็ตาม แม้หลังจากช่วงเวลานี้ พลูโตเนียมจะตกลงไปด้านล่างพร้อมกับอนุภาคชีวภาพ ซึ่งจะลดลงเป็นรูปแบบที่ละลายน้ำได้อันเป็นผลมาจากการสลายตัวของจุลินทรีย์

มลภาวะทั่วโลกที่มีองค์ประกอบเก้าสิบสี่ไม่เพียงเกี่ยวข้องกับการทดสอบนิวเคลียร์เท่านั้น แต่ยังรวมถึงอุบัติเหตุในการผลิตและอุปกรณ์ที่มีปฏิสัมพันธ์กับองค์ประกอบนี้ด้วย ดังนั้นในเดือนมกราคม พ.ศ. 2511 เครื่องบิน B-52 ของกองทัพอากาศสหรัฐซึ่งมีหัวรบนิวเคลียร์ 4 ลูกจึงตกในกรีนแลนด์ ผลจากการระเบิด ประจุถูกทำลายและพลูโทเนียมรั่วลงสู่มหาสมุทร

อีกกรณีของการปนเปื้อนกัมมันตรังสีในสิ่งแวดล้อมอันเป็นผลมาจากอุบัติเหตุเกิดขึ้นกับยานอวกาศโซเวียต Kosmos-954 เมื่อวันที่ 24 มกราคม พ.ศ. 2521 อันเป็นผลมาจากการ Deorbit ที่ไม่สามารถควบคุมได้ ดาวเทียมที่มีแหล่งพลังงานนิวเคลียร์บนเรือจึงตกลงไปในดินแดนของแคนาดา จากอุบัติเหตุดังกล่าว พลูโทเนียม-238 มากกว่าหนึ่งกิโลกรัมถูกปล่อยออกสู่สิ่งแวดล้อม กระจายไปทั่วพื้นที่ประมาณ 124,000 ตารางเมตร

ตัวอย่างที่เลวร้ายที่สุดของการรั่วไหลของสารกัมมันตรังสีออกสู่สิ่งแวดล้อมในกรณีฉุกเฉินคืออุบัติเหตุที่โรงไฟฟ้านิวเคลียร์เชอร์โนบิลซึ่งเกิดขึ้นเมื่อวันที่ 26 เมษายน พ.ศ. 2529 อันเป็นผลมาจากการทำลายหน่วยพลังงานที่สี่ทำให้สารกัมมันตภาพรังสี 190 ตัน (รวมถึงไอโซโทปพลูโทเนียม) ถูกปล่อยออกสู่สิ่งแวดล้อมบนพื้นที่ประมาณ 2,200 ตารางกิโลเมตร

การปล่อยพลูโตเนียมออกสู่สิ่งแวดล้อมไม่เพียงแต่เกี่ยวข้องกับเหตุการณ์ที่มนุษย์สร้างขึ้นเท่านั้น มีหลายกรณีของการรั่วไหลของพลูโตเนียม ทั้งจากห้องปฏิบัติการและในโรงงาน ทราบการรั่วไหลโดยไม่ได้ตั้งใจมากกว่ายี่สิบครั้งจากห้องปฏิบัติการ 235U และ 239Pu ระหว่างปี พ.ศ. 2496-2521 อุบัติเหตุทำให้สูญเสีย 0.81 (มายัค 15 มีนาคม 2496) เหลือ 10.1 กก. (ทอมสค์ 13 ธันวาคม 2521) 239Pu. เหตุการณ์ทางอุตสาหกรรมส่งผลให้มีผู้เสียชีวิตทั้งหมด 2 รายที่ลอสอลามอส (21 สิงหาคม พ.ศ. 2488 และ 21 พฤษภาคม พ.ศ. 2489) เนื่องจากอุบัติเหตุสองครั้งและการสูญเสียพลูโตเนียม 6.2 กิโลกรัม ในเมืองซารอฟในปี พ.ศ. 2496 และ พ.ศ. 2506 น้ำหนักประมาณ 8 และ 17.35 กิโลกรัมตกอยู่นอกเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ หนึ่งในนั้นนำไปสู่การทำลายเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ในปี 2496

เมื่อนิวเคลียส 238Pu แตกตัวกับนิวตรอน พลังงาน 200 MeV จะถูกปล่อยออกมา ซึ่งมากกว่าปฏิกิริยาคายความร้อนที่มีชื่อเสียงที่สุด: C + O2 → CO2 ถึง 50 ล้านเท่า “การเผาไหม้” ในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ พลูโทเนียม 1 กรัมผลิตพลังงานได้ 2,107 กิโลแคลอรี ซึ่งเป็นพลังงานที่มีอยู่ในถ่านหิน 4 ตัน เชื้อเพลิงพลูโตเนียมหนึ่งปลอกมือที่มีพลังงานเทียบเท่าสามารถเทียบเท่ากับฟืนดีๆ สี่สิบเกวียน!

เชื่อกันว่า “ไอโซโทปธรรมชาติ” ของพลูโทเนียม (244Pu) เป็นไอโซโทปที่มีอายุยาวนานที่สุดของธาตุทรานยูเรเนียมทั้งหมด ครึ่งชีวิตของมันคือ 8.26∙107 ปี นักวิทยาศาสตร์พยายามเป็นเวลานานเพื่อให้ได้ไอโซโทปของธาตุทรานยูเรเนียมที่จะคงอยู่นานกว่า 244Pu - ความหวังอันยิ่งใหญ่ในเรื่องนี้ปักหมุดไว้ที่ 247 ซม. อย่างไรก็ตามหลังจากการสังเคราะห์พบว่าครึ่งชีวิตขององค์ประกอบนี้มีอายุเพียง 14 ล้านปีเท่านั้น

เรื่องราว

ในปี 1934 กลุ่มนักวิทยาศาสตร์ที่นำโดย Enrico Fermi ได้แถลงว่าในระหว่างงานทางวิทยาศาสตร์ที่มหาวิทยาลัยโรม พวกเขาได้ค้นพบองค์ประกอบทางเคมีที่มีหมายเลขซีเรียล 94 ในการยืนกรานของ Fermi องค์ประกอบนั้นถูกตั้งชื่อว่า hesperium นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าเขา ได้ค้นพบธาตุใหม่ ซึ่งปัจจุบันเรียกว่าพลูโตเนียม ซึ่งบ่งบอกถึงการมีอยู่ของธาตุทรานยูเรเนียมและกลายเป็นผู้ค้นพบธาตุเหล่านี้ทางทฤษฎี Fermi ปกป้องสมมติฐานนี้ในการบรรยายโนเบลของเขาในปี 1938 หลังจากที่นักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมัน Otto Frisch และ Fritz Strassmann ค้นพบฟิชชันนิวเคลียร์เท่านั้น Fermi ถูกบังคับให้จดบันทึกในฉบับตีพิมพ์ที่ตีพิมพ์ในกรุงสตอกโฮล์มในปี 1939 ซึ่งบ่งชี้ถึงความจำเป็นในการพิจารณา “ปัญหาทั้งหมดขององค์ประกอบของทรานยูเรเนียม” ความจริงก็คืองานของ Frisch และ Strassmann แสดงให้เห็นว่ากิจกรรมที่ Fermi ค้นพบในการทดลองของเขานั้นเกิดจากการแยกตัวอย่างแม่นยำ ไม่ใช่การค้นพบองค์ประกอบของทรานยูเรเนียมอย่างที่เขาเคยเชื่อมาก่อน

องค์ประกอบใหม่ที่เก้าสิบสี่ถูกค้นพบเมื่อปลายปี พ.ศ. 2483 มันเกิดขึ้นในเบิร์กลีย์ที่มหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย โดยการระดมยิงยูเรเนียมออกไซด์ (U3O8) ด้วยนิวเคลียสไฮโดรเจนหนัก (ดิวเทอรอน) นักรังสีเคมีชาวอเมริกันกลุ่มหนึ่งที่นำโดย Glenn T. Seaborg ได้ค้นพบตัวปล่อยอนุภาคแอลฟาที่ไม่รู้จักก่อนหน้านี้ซึ่งมีครึ่งชีวิต 90 ปี ตัวปล่อยนี้กลายเป็นไอโซโทปของธาตุหมายเลข 94 ซึ่งมีเลขมวล 238 ดังนั้นในวันที่ 14 ธันวาคม พ.ศ. 2483 พลูโทเนียมปริมาณไมโครกรัมแรกจึงได้รับพร้อมกับส่วนผสมขององค์ประกอบอื่น ๆ และสารประกอบของพวกมัน

ในระหว่างการทดลองที่ดำเนินการในปี พ.ศ. 2483 พบว่าในระหว่างปฏิกิริยานิวเคลียร์ไอโซโทปเนปทูเนียม-238 อายุสั้นถูกสร้างขึ้นครั้งแรก (ครึ่งชีวิต 2.117 วัน) และจากนั้นพลูโทเนียม-238:

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

ยาวและต้องใช้แรงงานมาก การทดลองทางเคมีใช้เวลาสองเดือนในการแยกองค์ประกอบใหม่ออกจากสิ่งสกปรก การมีอยู่ขององค์ประกอบทางเคมีใหม่ได้รับการยืนยันในคืนวันที่ 23-24 กุมภาพันธ์ พ.ศ. 2484 โดย G. T. Seaborg, E. M. Macmillan, J. W. Kennedy และ A. C. Wall ผ่านการศึกษาคุณสมบัติทางเคมีครั้งแรกของธาตุนี้ - ความสามารถในการมีออกซิเดชันอย่างน้อยสองครั้ง รัฐ หลังจากสิ้นสุดการทดลองเล็กน้อย ก็พบว่าไอโซโทปนี้ไม่ฟิสไซล์ จึงไม่น่าสนใจสำหรับการศึกษาต่อไป ในไม่ช้า (มีนาคม พ.ศ. 2484) เคนเนดี, ซีบอร์ก, เซเกร และวาห์ลได้สังเคราะห์ไอโซโทปพลูโทเนียม-239 ที่มีความสำคัญมากกว่า โดยการฉายรังสียูเรเนียมด้วยนิวตรอนที่มีความเร่งสูงในไซโคลตรอน ไอโซโทปนี้เกิดจากการสลายของเนปทูเนียม-239 ปล่อยรังสีอัลฟาออกมา และมีครึ่งชีวิต 24,000 ปี สารประกอบบริสุทธิ์ชนิดแรกได้รับในปี พ.ศ. 2485 และได้รับพลูโตเนียมโลหะในปริมาณน้ำหนักแรกในปี พ.ศ. 2486

ชื่อของธาตุใหม่ 94 ได้รับการเสนอในปี พ.ศ. 2491 โดย MacMillan ซึ่งไม่กี่เดือนก่อนการค้นพบพลูโทเนียมร่วมกับ F. Eibelson ได้รับธาตุแรกที่หนักกว่ายูเรเนียม - องค์ประกอบหมายเลข 93 ซึ่งได้รับการตั้งชื่อว่าเนปทูเนียมเพื่อเป็นเกียรติแก่ ของดาวเคราะห์เนปจูน - ดวงแรกที่อยู่เหนือดาวยูเรนัส ในการเปรียบเทียบ พวกเขาตัดสินใจเรียกธาตุหมายเลข 94 พลูโตเนียม เนื่องจากดาวเคราะห์พลูโตอยู่เป็นอันดับสองรองจากดาวยูเรนัส ในทางกลับกัน ซีบอร์กเสนอให้เรียกธาตุใหม่ว่า "พลูโทเนียม" แต่แล้วก็ตระหนักว่าชื่อนี้ฟังดูไม่ค่อยดีนักเมื่อเทียบกับ "พลูโทเนียม" นอกจากนี้ เขายังเสนอชื่ออื่นสำหรับธาตุใหม่ ได้แก่ อัลติเมียม (ultimium) หรือเอ็กเทอร์เมียม (extermium) เนื่องจากการตัดสินที่ผิดพลาดในขณะนั้น พลูโตเนียมจะกลายเป็นองค์ประกอบทางเคมีสุดท้ายในตารางธาตุ เป็นผลให้องค์ประกอบนี้ถูกตั้งชื่อว่า "พลูโทเนียม" เพื่อเป็นเกียรติแก่การค้นพบดาวเคราะห์ดวงสุดท้ายในระบบสุริยะ

อยู่ในธรรมชาติ

ครึ่งชีวิตของไอโซโทปพลูโทเนียมที่มีอายุยาวนานที่สุดคือ 75 ล้านปี ตัวเลขนี้น่าประทับใจมาก อย่างไรก็ตาม อายุของกาแล็กซีวัดได้ในหน่วยพันล้านปี จากนี้ไปไอโซโทปปฐมภูมิขององค์ประกอบที่เก้าสิบสี่ซึ่งเกิดขึ้นระหว่างการสังเคราะห์องค์ประกอบของจักรวาลครั้งใหญ่ไม่มีโอกาสรอดมาจนถึงทุกวันนี้ แต่นี่ไม่ได้หมายความว่าไม่มีพลูโทเนียมในโลกเลย มันถูกสร้างขึ้นอย่างต่อเนื่องในแร่ยูเรเนียม ด้วยการจับนิวตรอนจากรังสีคอสมิกและนิวตรอนที่เกิดจากฟิชชันที่เกิดขึ้นเองของนิวเคลียส 238U ทำให้อะตอมของไอโซโทปบางส่วนซึ่งมีน้อยมากกลายเป็นอะตอม 239U นิวเคลียสของธาตุนี้ไม่เสถียรมาก พวกมันปล่อยอิเล็กตรอนออกมาและเพิ่มประจุ และเกิดการก่อตัวของเนปทูเนียม ซึ่งเป็นธาตุทรานยูเรเนียมชนิดแรก 239Np ก็ไม่เสถียรเช่นกัน นิวเคลียสของมันก็ปล่อยอิเล็กตรอนออกมาด้วย ดังนั้นในเวลาเพียง 56 ชั่วโมง ครึ่งหนึ่งของ 239Np จะกลายเป็น 239Pu

ครึ่งชีวิตของไอโซโทปนี้ยาวนานมากและมีค่าประมาณ 24,000 ปี โดยเฉลี่ยแล้ว เนื้อหาของ 239Pu นั้นน้อยกว่าเรเดียมประมาณ 400,000 เท่า ดังนั้นจึงเป็นเรื่องยากมากไม่เพียงแต่สำหรับการขุดเท่านั้น แต่ยังตรวจจับพลูโทเนียม "ภาคพื้นดิน" อีกด้วย ปริมาณเล็กน้อย 239Pu - ส่วนต่อล้านล้าน - และผลิตภัณฑ์สลายตัวสามารถพบได้ในแร่ยูเรเนียม เช่น ในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ธรรมชาติที่เมือง Oklo ประเทศกาบอง (แอฟริกาตะวันตก) สิ่งที่เรียกว่า "เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ธรรมชาติ" ถือเป็นเครื่องเดียวในโลกที่แอคติไนด์และผลิตภัณฑ์จากฟิชชันของพวกมันกำลังก่อตัวขึ้นในธรณีสเฟียร์ ตามการประมาณการสมัยใหม่ ในภูมิภาคนี้เกิดปฏิกิริยาพึ่งพาตนเองด้วยการปล่อยความร้อนเมื่อหลายล้านปีก่อน ซึ่งกินเวลานานกว่าครึ่งล้านปี

ดังนั้นเราจึงรู้อยู่แล้วว่าในแร่ยูเรเนียมซึ่งเป็นผลมาจากการจับนิวตรอนโดยนิวเคลียสยูเรเนียมทำให้เกิดเนปจูนเนียม (239Np) ซึ่งเป็นผลิตภัณฑ์β-ผุพังซึ่งเป็นพลูโทเนียม-239 ตามธรรมชาติ ต้องขอบคุณเครื่องมือพิเศษ - แมสสเปกโตรมิเตอร์ - การมีอยู่ของพลูโทเนียม-244 (244Pu) ซึ่งมีครึ่งชีวิตยาวนานที่สุด - ประมาณ 80 ล้านปีถูกค้นพบใน Precambrian bastnaesite (แร่ซีเรียม) ในธรรมชาติ 244Pu ส่วนใหญ่อยู่ในรูปของไดออกไซด์ (PuO2) ซึ่งละลายในน้ำได้น้อยกว่าทราย (ควอตซ์) เนื่องจากไอโซโทปพลูโทเนียม-240 (240Pu) ที่มีอายุค่อนข้างยาวนานอยู่ในห่วงโซ่การสลายตัวของพลูโทเนียม-244 การสลายจึงเกิดขึ้น แต่เกิดขึ้นน้อยมาก (1 รายใน 10,000 ราย) พลูโทเนียม-238 (238Pu) จำนวนน้อยมากเกิดจากการสลายไอโซโทปเบตาสองเท่าที่หายากมากของไอโซโทปต้นกำเนิด นั่นคือ ยูเรเนียม-238 ซึ่งพบในแร่ยูเรเนียม

พบร่องรอยของไอโซโทป 247Pu และ 255Pu ในฝุ่นที่สะสมหลังจากการระเบิดของระเบิดแสนสาหัส

ปริมาณพลูโทเนียมเพียงเล็กน้อยอาจมีอยู่ในร่างกายมนุษย์ เนื่องจากมีการทดสอบนิวเคลียร์จำนวนมากไม่ทางใดก็ทางหนึ่งที่เกี่ยวข้องกับพลูโทเนียม พลูโตเนียมสะสมอยู่ในโครงกระดูกและตับเป็นส่วนใหญ่ ซึ่งแทบจะไม่ถูกขับออกมาเลย นอกจากนี้ธาตุที่เก้าสิบสี่ยังสะสมอยู่ในสิ่งมีชีวิตในทะเล พืชบกดูดซับพลูโตเนียมผ่านระบบรากเป็นหลัก

ปรากฎว่าพลูโตเนียมสังเคราะห์เทียมยังคงมีอยู่ในธรรมชาติ เหตุใดจึงไม่ขุด แต่ได้มา ทำเทียม? ความจริงก็คือความเข้มข้นขององค์ประกอบนี้ต่ำเกินไป เกี่ยวกับโลหะกัมมันตรังสีอีกชนิดหนึ่ง - เรเดียม พวกเขาพูดว่า: "การผลิตหนึ่งกรัม - ปีแห่งการทำงาน" และเรเดียมในธรรมชาตินั้นมีปริมาณมากกว่าพลูโตเนียมถึง 400,000 เท่า! ด้วยเหตุนี้ จึงเป็นเรื่องยากมากไม่เพียงแต่ในการขุดเท่านั้น แต่ยังตรวจจับพลูโตเนียม "ภาคพื้นดิน" อีกด้วย สิ่งนี้เกิดขึ้นหลังจากศึกษาคุณสมบัติทางกายภาพและเคมีของพลูโตเนียมที่ผลิตในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แล้วเท่านั้น

แอปพลิเคชัน

ไอโซโทป 239Pu (พร้อมด้วย U) ถูกใช้เป็นเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ในเครื่องปฏิกรณ์พลังงานที่ทำงานด้วยนิวตรอนความร้อนและนิวตรอนเร็ว (เป็นหลัก) เช่นเดียวกับในการผลิตอาวุธนิวเคลียร์

โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ประมาณครึ่งพันแห่งทั่วโลกผลิตไฟฟ้าได้ประมาณ 370 GW (หรือ 15% ของการผลิตไฟฟ้าทั้งหมดของโลก) พลูโตเนียม-236 ใช้ในการผลิตแบตเตอรี่ไฟฟ้าปรมาณูซึ่งมีอายุการใช้งานถึงห้าปีขึ้นไปใช้ในเครื่องกำเนิดไฟฟ้าปัจจุบันที่กระตุ้นหัวใจ (เครื่องกระตุ้นหัวใจ) 238Pu ใช้ในแหล่งพลังงานนิวเคลียร์ขนาดเล็กที่ใช้ในการวิจัยอวกาศ ดังนั้น พลูโทเนียม-238 จึงเป็นแหล่งพลังงานสำหรับยานสำรวจนิวฮอริซอนส์ กาลิเลโอ และแคสสินี รถแลนด์โรเวอร์คิวริออซิตี้ และยานอวกาศอื่นๆ

อาวุธนิวเคลียร์ใช้พลูโทเนียม-239 เนื่องจากไอโซโทปนี้เป็นนิวไคลด์ชนิดเดียวที่เหมาะสำหรับใช้ในระเบิดนิวเคลียร์ นอกจากนี้ การใช้พลูโทเนียม-239 ในระเบิดนิวเคลียร์บ่อยขึ้นนั้นเกิดจากการที่พลูโทเนียมมีปริมาตรในทรงกลมน้อยกว่า (ซึ่งเป็นที่ตั้งของแกนระเบิด) ดังนั้นจึงสามารถได้รับพลังการระเบิดของระเบิดได้เนื่องจากสิ่งนี้ คุณสมบัติ.

โครงการที่เกิดการระเบิดนิวเคลียร์ที่เกี่ยวข้องกับพลูโทเนียมนั้นอยู่ที่การออกแบบตัวระเบิดเอง ซึ่งแกนกลางของระเบิดประกอบด้วยทรงกลมที่เต็มไปด้วย 239Pu ในขณะที่ชนกับพื้น ทรงกลมถูกบีบอัดจนมีบรรยากาศนับล้านเนื่องจากการออกแบบ และต้องขอบคุณการระเบิดที่ล้อมรอบทรงกลมนี้ หลังจากการกระแทกแกนกลางจะขยายปริมาตรและความหนาแน่นในเวลาที่สั้นที่สุดที่เป็นไปได้ - สิบไมโครวินาทีชุดประกอบจะกระโดดผ่านสถานะวิกฤติด้วยนิวตรอนความร้อนและเข้าสู่สถานะวิกฤตยิ่งยวดด้วยนิวตรอนเร็ว - ปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์เริ่มต้นด้วยการมีส่วนร่วมของ นิวตรอนและนิวเคลียสของธาตุ การระเบิดครั้งสุดท้ายของระเบิดนิวเคลียร์จะปล่อยอุณหภูมิประมาณสิบล้านองศาเซลเซียส

ไอโซโทปพลูโทเนียมพบว่ามีประโยชน์ในการสังเคราะห์ธาตุทรานส์พลูโทเนียม (ถัดจากพลูโทเนียม) ตัวอย่างเช่น ที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติโอ๊คริดจ์ ซึ่งได้รับรังสีนิวตรอนระยะยาวที่ 239Pu, 24496Cm, 24296Cm, 24997Bk, 25298Cf, 25399Es และ 257100Fm ในทำนองเดียวกัน อะเมริเซียม 24195Am ได้รับครั้งแรกในปี 1944 ในปี 2010 พลูโทเนียม-242 ออกไซด์ที่ถูกโจมตีด้วยไอออนแคลเซียม-48 ทำหน้าที่เป็นแหล่งที่มาของอูนควอเดียม

δ-โลหะผสมพลูโตเนียมที่มีความเสถียรถูกนำมาใช้ในการผลิตแท่งเชื้อเพลิง เนื่องจากพวกมันมีคุณสมบัติทางโลหะวิทยาที่ดีกว่าอย่างมีนัยสำคัญเมื่อเทียบกับพลูโทเนียมบริสุทธิ์ ซึ่งผ่านการเปลี่ยนเฟสเมื่อถูกความร้อน และเป็นวัสดุที่เปราะและไม่น่าเชื่อถือมาก โลหะผสมของพลูโทเนียมกับองค์ประกอบอื่น ๆ (สารประกอบระหว่างโลหะ) มักจะได้มาจากปฏิกิริยาโดยตรงขององค์ประกอบในสัดส่วนที่ต้องการ ในขณะที่ส่วนใหญ่ใช้การหลอมอาร์ก บางครั้งโลหะผสมที่ไม่เสถียรจะได้มาโดยการสะสมของสเปรย์หรือการทำให้เย็นลง

ธาตุผสมทางอุตสาหกรรมหลักสำหรับพลูโทเนียมคือแกลเลียม อลูมิเนียม และเหล็ก แม้ว่าพลูโทเนียมจะสามารถสร้างโลหะผสมและตัวกลางกับโลหะส่วนใหญ่ได้โดยมีข้อยกเว้นที่หายาก (โพแทสเซียม โซเดียม ลิเธียม รูบิเดียม แมกนีเซียม แคลเซียม สตรอนเซียม แบเรียม ยูโรเพียม และอิตเทอร์เบียม) . โลหะทนไฟ: โมลิบดีนัม ไนโอเบียม โครเมียม แทนทาลัม และทังสเตน ละลายได้ในพลูโทเนียมเหลว แต่แทบไม่ละลายหรือละลายได้เล็กน้อยในพลูโทเนียมที่เป็นของแข็ง อินเดียม ซิลิคอน สังกะสี และเซอร์โคเนียมสามารถสร้าง metastable δ-พลูโทเนียม (δ"-เฟส) ได้เมื่อเย็นลงอย่างรวดเร็ว แกลเลียม อะลูมิเนียม อะเมริเซียม สแกนเดียม และซีเรียมสามารถทำให้ δ-พลูโทเนียมคงตัวได้เมื่อ อุณหภูมิห้อง.

โฮลเมียม แฮฟเนียม และแทลเลียมในปริมาณมากจะทำให้ δ-พลูโทเนียมบางส่วนถูกเก็บไว้ที่อุณหภูมิห้อง เนปจูนเนียมเป็นองค์ประกอบเดียวที่สามารถทำให้ α-พลูโทเนียมเสถียรที่อุณหภูมิสูงได้ ไทเทเนียม แฮฟเนียม และเซอร์โคเนียมทำให้โครงสร้างของβ-พลูโตเนียมคงที่ที่อุณหภูมิห้องเมื่อเย็นลงอย่างรวดเร็ว การใช้งานโลหะผสมดังกล่าวค่อนข้างหลากหลาย ตัวอย่างเช่น โลหะผสมพลูโทเนียม-แกลเลียมถูกใช้เพื่อทำให้เฟส δ ของพลูโทเนียมคงที่ ซึ่งหลีกเลี่ยงการเปลี่ยนเฟส α-δ โลหะผสมแบบไตรภาคพลูโทเนียม-แกลเลียม-โคบอลต์ (PuGaCo5) เป็นโลหะผสมตัวนำยิ่งยวดที่ 18.5 K มีโลหะผสมจำนวนหนึ่ง (พลูโทเนียม-เซอร์โคเนียม พลูโทเนียม-ซีเรียม และพลูโทเนียม-ซีเรียม-โคบอลต์) ที่ใช้เป็นเชื้อเพลิงนิวเคลียร์

การผลิต

พลูโตเนียมอุตสาหกรรมผลิตได้สองวิธี นี่คือการฉายรังสีนิวเคลียส 238U ที่มีอยู่ในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ หรือการแยกพลูโตเนียมจากยูเรเนียม ส่วนประกอบทรานยูรานิก และผลิตภัณฑ์ฟิชชันที่มีอยู่ในเชื้อเพลิงใช้แล้ว (การตกตะกอนร่วม การสกัด การแลกเปลี่ยนไอออน ฯลฯ) โดยวิธีเคมีกัมมันตภาพรังสี

ในกรณีแรก ไอโซโทปที่ใช้งานได้จริงที่สุด 239Pu (ผสมกับส่วนผสมเล็กน้อย 240Pu) ผลิตในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์โดยมีส่วนร่วมของนิวเคลียสยูเรเนียมและนิวตรอนโดยใช้ β-decay และด้วยการมีส่วนร่วมของไอโซโทปเนปทูเนียมเป็นผลิตภัณฑ์ฟิชชันขั้นกลาง:

23892U + 21D → 23893Np + 210n;

23893Np → 23894Pu

β-สลายตัว

ในกระบวนการนี้ ดิวเทอรอนจะเข้าสู่ยูเรเนียม-238 ส่งผลให้เกิดเนปทูเนียม-238 และนิวตรอนสองตัว จากนั้น Neptunium-238 จะแยกตัวออกมาเอง โดยปล่อยอนุภาคเบต้าลบออกมาจนกลายเป็นพลูโทเนียม-238

โดยทั่วไปแล้วเนื้อหาของ 239Pu ในส่วนผสมคือ 90-95%, 240Pu คือ 1-7% เนื้อหาของไอโซโทปอื่น ๆ ไม่เกินหนึ่งในสิบของเปอร์เซ็นต์ ไอโซโทปที่มีครึ่งชีวิตยาว - 242Pu และ 244Pu นั้นได้มาจากการฉายรังสีเป็นเวลานานด้วยนิวตรอน 239Pu ยิ่งไปกว่านั้น อัตราผลตอบแทนของ 242Pu คือหลายสิบเปอร์เซ็นต์ และ 244Pu ก็เป็นเศษส่วนของเปอร์เซ็นต์ของเนื้อหา 242Pu พลูโทเนียม-238 บริสุทธิ์ที่มีไอโซโทปจำนวนเล็กน้อยจะเกิดขึ้นเมื่อเนปทูเนียม-237 ถูกฉายรังสีด้วยนิวตรอน ไอโซโทปเบาของพลูโตเนียมที่มีเลขมวล 232-237 มักจะได้รับในไซโคลตรอนโดยการฉายรังสีไอโซโทปยูเรเนียมด้วยอนุภาค α

วิธีที่สองของการผลิตทางอุตสาหกรรมของ 239Pu ใช้กระบวนการ Purex โดยอาศัยการสกัดด้วยไตรบิวทิลฟอสเฟตในเจือจางเล็กน้อย ในรอบแรก Pu และ U จะถูกทำให้บริสุทธิ์ร่วมกันจากผลิตภัณฑ์ฟิชชันแล้วจึงแยกออกจากกัน ในรอบที่สองและสาม พลูโทเนียมจะถูกทำให้บริสุทธิ์และมีความเข้มข้นมากขึ้น รูปแบบของกระบวนการดังกล่าวขึ้นอยู่กับความแตกต่างในคุณสมบัติของสารประกอบเตตร้าและเฮกซะวาเลนต์ของธาตุที่ถูกแยกออกจากกัน

ขั้นแรก แท่งเชื้อเพลิงใช้แล้วจะถูกรื้อออก และส่วนหุ้มที่มีพลูโทเนียมและยูเรเนียมใช้แล้วจะถูกกำจัดออกโดยวิธีทางกายภาพและเคมี จากนั้น เชื้อเพลิงนิวเคลียร์ที่สกัดได้จะถูกละลายในกรดไนตริก ท้ายที่สุดแล้ว เมื่อละลายจะเป็นตัวออกซิไดซ์ที่แรง และยูเรเนียม พลูโตเนียม และสิ่งสกปรกจะถูกออกซิไดซ์ อะตอมของพลูโทเนียมที่มีเวเลนซ์เป็นศูนย์จะถูกแปลงเป็น Pu+6 และทั้งพลูโทเนียมและยูเรเนียมจะถูกละลาย จากสารละลายดังกล่าว องค์ประกอบที่เก้าสิบสี่จะถูกรีดิวซ์เป็นสถานะไตรวาเลนต์ด้วยซัลเฟอร์ไดออกไซด์ จากนั้นจึงตกตะกอนด้วยแลนทานัมฟลูออไรด์ (LaF3)

อย่างไรก็ตาม นอกเหนือจากพลูโทเนียมแล้ว ตะกอนยังประกอบด้วยเนปทูเนียมและธาตุหายาก แต่ส่วนใหญ่ (ยูเรเนียม) ยังคงอยู่ในสารละลาย ต่อไป พลูโทเนียมจะถูกออกซิไดซ์อีกครั้งเป็น Pu+6 และแลนทานัมฟลูออไรด์ถูกเติมอีกครั้ง ตอนนี้ธาตุหายากเกิดการตกตะกอน และพลูโตเนียมยังคงอยู่ในสารละลาย ถัดไป เนปทูเนียมจะถูกออกซิไดซ์เป็นสถานะเตตระวาเลนต์ด้วยโพแทสเซียมโบรเมตเนื่องจากรีเอเจนต์นี้ไม่มีผลต่อพลูโทเนียม จากนั้นในระหว่างการตกตะกอนครั้งที่สองด้วยแลนทานัมฟลูออไรด์เดียวกัน พลูโทเนียมไตรวาเลนต์จะผ่านเข้าไปในตะกอนและเนปทูเนียมยังคงอยู่ในสารละลาย ผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายของการดำเนินการดังกล่าวคือสารประกอบที่ประกอบด้วยพลูโทเนียม - PuO2 ไดออกไซด์หรือฟลูออไรด์ (PuF3 หรือ PuF4) ซึ่งได้พลูโทเนียมที่เป็นโลหะ (โดยการรีดิวซ์ด้วยไอแบเรียม แคลเซียม หรือลิเธียม)

พลูโทเนียมที่บริสุทธิ์ยิ่งขึ้นสามารถทำได้โดยการกลั่นด้วยไฟฟ้าของโลหะที่ผลิตด้วยวิธีไพโรเคมี ซึ่งทำในเซลล์อิเล็กโทรไลซิสที่อุณหภูมิ 700° C ด้วยอิเล็กโทรไลต์ของโพแทสเซียม โซเดียม และพลูโทเนียมคลอไรด์โดยใช้ทังสเตนหรือแคโทดแทนทาลัม พลูโตเนียมที่ได้รับในลักษณะนี้มีความบริสุทธิ์ 99.99%

เพื่อผลิตพลูโทเนียมในปริมาณมาก เครื่องปฏิกรณ์แบบพ่อแม่พันธุ์จึงถูกสร้างขึ้น เรียกว่า "พ่อพันธุ์แม่พันธุ์" (จากคำกริยาภาษาอังกฤษไปจนถึงการผสมพันธุ์ - เพื่อเพิ่มจำนวน) เครื่องปฏิกรณ์เหล่านี้มีชื่อมาจากความสามารถในการผลิตวัสดุฟิสไซล์ในปริมาณที่เกินกว่าต้นทุนในการได้มาซึ่งวัสดุนี้ ความแตกต่างระหว่างเครื่องปฏิกรณ์ประเภทนี้กับเครื่องปฏิกรณ์ประเภทอื่นก็คือ นิวตรอนในเครื่องปฏิกรณ์จะไม่ถูกทำให้ช้าลง (ไม่มีตัวหน่วง เช่น กราไฟท์) เพื่อให้นิวตรอนในเครื่องปฏิกรณ์เหล่านี้ทำปฏิกิริยากับ 238U ได้มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้

หลังจากปฏิกิริยา จะเกิดอะตอม 239U ซึ่งต่อมาเกิดเป็น 239Pu แกนของเครื่องปฏิกรณ์ดังกล่าวซึ่งมี PuO2 อยู่ในยูเรเนียมไดออกไซด์หมดสภาพ (UO2) ถูกล้อมรอบด้วยเปลือกของยูเรเนียมไดออกไซด์-238 (238UO2) ที่หมดสภาพยิ่งกว่านั้น ซึ่งเกิด 239Pu การใช้ 238U และ 235U ร่วมกันทำให้ “ผู้เพาะพันธุ์” สามารถผลิตพลังงานจากยูเรเนียมธรรมชาติได้มากกว่าเครื่องปฏิกรณ์อื่นๆ ถึง 50-60 เท่า อย่างไรก็ตาม เครื่องปฏิกรณ์เหล่านี้มีข้อเสียเปรียบอย่างมาก นั่นคือ แท่งเชื้อเพลิงจะต้องถูกทำให้เย็นลงด้วยตัวกลางอื่นที่ไม่ใช่น้ำ ซึ่งจะช่วยลดพลังงานลง ดังนั้นจึงตัดสินใจใช้โซเดียมเหลวเป็นสารหล่อเย็น

การก่อสร้างเครื่องปฏิกรณ์ดังกล่าวในสหรัฐอเมริกาเริ่มขึ้นหลังสิ้นสุดสงครามโลกครั้งที่สอง ส่วนสหภาพโซเวียตและบริเตนใหญ่เริ่มก่อสร้างในทศวรรษ 1950 เท่านั้น

คุณสมบัติทางกายภาพ

พลูโทเนียมเป็นโลหะสีเงินที่หนักมาก (ความหนาแน่นที่ระดับปกติ 19.84 g/cm³) ในสถานะบริสุทธิ์คล้ายกับนิกเกิลมาก แต่ในอากาศพลูโทเนียมจะออกซิไดซ์อย่างรวดเร็ว และจางหายไป ก่อตัวเป็นฟิล์มสีรุ้ง แรกเป็นสีเหลืองอ่อน จากนั้นเปลี่ยนเป็นสีม่วงเข้ม . เมื่อเกิดออกซิเดชันอย่างรุนแรง ผงออกไซด์สีเขียวมะกอก (PuO2) จะปรากฏขึ้นบนพื้นผิวโลหะ

พลูโตเนียมเป็นโลหะที่มีอิเลคโตรเนกาติตีและมีปฏิกิริยาสูง ซึ่งมากกว่ายูเรเนียมหลายเท่า มีการดัดแปลงแบบ allotropic เจ็ดแบบ (α, β, γ, δ, δ", ε และ ζ) ซึ่งเปลี่ยนแปลงในช่วงอุณหภูมิที่แน่นอนและที่ช่วงความดันที่แน่นอน ที่อุณหภูมิห้อง พลูโทเนียมจะอยู่ในรูปแบบ α - นี่คือ การดัดแปลงแบบ allotropic ที่พบบ่อยที่สุดสำหรับพลูโทเนียม ในเฟสอัลฟา พลูโทเนียมบริสุทธิ์จะเปราะและค่อนข้างแข็ง - โครงสร้างนี้จะแข็งพอ ๆ กับเหล็กหล่อสีเทาเว้นแต่จะผสมกับโลหะอื่นซึ่งจะทำให้โลหะผสมมีความเหนียวและความนุ่มนวล นอกจากนี้ ในรูปแบบความหนาแน่นสูงสุดนี้ พลูโตเนียมเป็นองค์ประกอบที่หนาแน่นที่สุดอันดับที่หก (มีเพียงออสเมียม อิริเดียม แพลตตินัม รีเนียม และเนปจูนเนียมเท่านั้นที่หนักกว่า การเปลี่ยนแปลงแบบ allotropic ของพลูโทเนียมเพิ่มเติมจะมาพร้อมกับการเปลี่ยนแปลงความหนาแน่นอย่างกะทันหัน ตัวอย่างเช่น เมื่อถูกความร้อนจาก 310 ถึง 480 ° C มันไม่ขยายตัวเหมือนกับโลหะอื่นๆ แต่จะหดตัว (เฟสเดลต้า " และ "เดลต้าไพรม์") เมื่อละลาย (เปลี่ยนจากเฟสเอปไซลอนเป็นเฟสของเหลว) พลูโทเนียมก็หดตัวเช่นกัน ทำให้พลูโทเนียมที่ยังไม่ละลายลอยลอยได้

พลูโทเนียมมีคุณสมบัติที่ผิดปกติจำนวนมาก: มีค่าการนำความร้อนต่ำที่สุดในบรรดาโลหะทั้งหมด - ที่ 300 K เท่ากับ 6.7 W/(m K); พลูโทเนียมมีค่าการนำไฟฟ้าต่ำที่สุด ในสถานะของเหลว พลูโตเนียมเป็นโลหะที่มีความหนืดมากที่สุด ความต้านทานของธาตุเก้าสิบสี่ที่อุณหภูมิห้องจะสูงมากสำหรับโลหะ และคุณสมบัตินี้จะเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิที่ลดลง ซึ่งไม่ปกติสำหรับโลหะ “ความผิดปกติ” นี้สามารถตรวจสอบได้จนถึงอุณหภูมิ 100 K - ความต้านทานไฟฟ้าจะลดลงต่ำกว่าเครื่องหมายนี้ อย่างไรก็ตามตั้งแต่ 20 K ความต้านทานจะเริ่มเพิ่มขึ้นอีกครั้งเนื่องจากกิจกรรมการแผ่รังสีของโลหะ

พลูโทเนียมมีความต้านทานไฟฟ้าสูงที่สุดในบรรดาแอกติไนด์ทั้งหมดที่ศึกษา (จนถึงขณะนี้) ซึ่งอยู่ที่ 150 μΩ cm (ที่ 22 °C) โลหะนี้มีจุดหลอมเหลวต่ำ (640 °C) และมีจุดเดือดสูงผิดปกติ (3,227 °C) พลูโทเนียมเหลวใกล้กับจุดหลอมเหลวมากขึ้นมีความหนืดและแรงตึงผิวสูงมากเมื่อเทียบกับโลหะอื่นๆ

เนื่องจากกัมมันตภาพรังสี พลูโทเนียมจึงอุ่นเมื่อสัมผัส พลูโตเนียมชิ้นใหญ่ในเปลือกระบายความร้อนถูกทำให้ร้อนจนถึงอุณหภูมิที่เกินจุดเดือดของน้ำ! นอกจากนี้ เนื่องจากกัมมันตภาพรังสี พลูโทเนียมจึงมีการเปลี่ยนแปลงในโครงผลึกเมื่อเวลาผ่านไป - การหลอมชนิดหนึ่งเกิดขึ้นเนื่องจากการฉายรังสีในตัวเองเนื่องจากอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นสูงกว่า 100 เค

การมีอยู่ของการดัดแปลง allotropic จำนวนมากในพลูโทเนียมทำให้โลหะดังกล่าวแปรรูปและแผ่ออกได้ยากเนื่องจากการเปลี่ยนเฟส เรารู้อยู่แล้วว่าในรูปแบบอัลฟ่าธาตุเก้าสิบสี่มีคุณสมบัติคล้ายคลึงกับเหล็กหล่อ แต่มีคุณสมบัติในการเปลี่ยนแปลงและกลายเป็น วัสดุพลาสติกและสร้างรูปแบบ β อ่อนได้ในช่วงอุณหภูมิที่สูงขึ้น พลูโทเนียมในรูปแบบ δ มักจะคงตัวที่อุณหภูมิระหว่าง 310 °C ถึง 452 °C แต่สามารถมีอยู่ได้ที่อุณหภูมิห้องหากเจือด้วยอะลูมิเนียม ซีเรียม หรือแกลเลียมในเปอร์เซ็นต์ต่ำ เมื่อผสมกับโลหะเหล่านี้ จะสามารถใช้พลูโตเนียมในการเชื่อมได้ โดยทั่วไปรูปแบบเดลต้าจะมีลักษณะเด่นชัดของโลหะมากกว่า - ใกล้เคียงกับอลูมิเนียมในด้านความแข็งแรงและความสามารถในการหลอมได้

คุณสมบัติทางเคมี

คุณสมบัติทางเคมีขององค์ประกอบที่เก้าสิบสี่นั้นมีความคล้ายคลึงกับคุณสมบัติของรุ่นก่อนหลายประการ ตารางธาตุ- ยูเรเนียมและเนปทูเนียม พลูโทเนียมเป็นโลหะที่ค่อนข้างแอคทีฟ โดยก่อตัวเป็นสารประกอบที่มีสถานะออกซิเดชันตั้งแต่ +2 ถึง +7 ในสารละลายที่เป็นน้ำ ธาตุจะมีสถานะออกซิเดชันดังต่อไปนี้: Pu (III) เนื่องจาก Pu3+ (มีอยู่ในสารละลายที่เป็นกรดและมีสีม่วงอ่อน); Pu (IV) เช่น Pu4+ (สีช็อคโกแลต); Pu (V) เป็น PuO2+ (สารละลายแสง); Pu (VI) เป็น PuO22+ (สารละลายสีส้มอ่อน) และ Pu(VII) เป็น PuO53- (สารละลายสีเขียว)

ยิ่งไปกว่านั้น ไอออนเหล่านี้ (ยกเว้น PuO53-) สามารถอยู่ในสมดุลในสารละลายได้พร้อมกัน ซึ่งอธิบายได้จากการมีอิเล็กตรอน 5f ซึ่งอยู่ในโซนที่มีการแปลและแยกส่วนของวงโคจรของอิเล็กตรอน ที่ pH 5-8 Pu(IV) จะมีอิทธิพลเหนือกว่า ซึ่งมีความเสถียรมากที่สุดในบรรดาวาเลนซ์อื่นๆ (สถานะออกซิเดชัน) พลูโตเนียมไอออนของสถานะออกซิเดชันทั้งหมดมีแนวโน้มที่จะเกิดไฮโดรไลซิสและการก่อตัวที่ซับซ้อน ความสามารถในการสร้างสารประกอบดังกล่าวเพิ่มขึ้นในซีรีส์ Pu5+

พลูโตเนียมอัดแน่นจะออกซิไดซ์ในอากาศอย่างช้าๆ และถูกปกคลุมไปด้วยฟิล์มออกไซด์มันสีรุ้ง รู้จักพลูโทเนียมออกไซด์ต่อไปนี้: PuO, Pu2O3, PuO2 และเฟสขององค์ประกอบตัวแปร Pu2O3 - Pu4O7 (Berthollides) ในกรณีที่มีความชื้นในปริมาณเล็กน้อย อัตราการเกิดออกซิเดชันและการกัดกร่อนจะเพิ่มขึ้นอย่างมาก หากโลหะสัมผัสกับอากาศชื้นปริมาณเล็กน้อยเป็นเวลานานพอ พลูโทเนียมไดออกไซด์ (PuO2) จะก่อตัวขึ้นบนพื้นผิว เมื่อขาดออกซิเจน ไดไฮไดรด์ (PuH2) ก็สามารถก่อตัวได้เช่นกัน น่าประหลาดใจที่พลูโตเนียมเกิดสนิมเร็วกว่ามากในบรรยากาศของก๊าซเฉื่อย (เช่น อาร์กอน) ด้วยไอน้ำ มากกว่าในอากาศแห้งหรือออกซิเจนบริสุทธิ์ ในความเป็นจริงความจริงข้อนี้อธิบายได้ง่าย - การกระทำโดยตรงของออกซิเจนก่อให้เกิดชั้นออกไซด์บนพื้นผิวของพลูโทเนียมซึ่งป้องกันการเกิดออกซิเดชันเพิ่มเติม การมีความชื้นทำให้เกิดส่วนผสมที่หลวมของออกไซด์และไฮไดรด์ อย่างไรก็ตามด้วยการเคลือบนี้โลหะจึงกลายเป็น pyrophoric นั่นคือสามารถเผาไหม้ได้เองด้วยเหตุนี้พลูโทเนียมของโลหะจึงถูกแปรรูปในบรรยากาศเฉื่อยของอาร์กอนหรือไนโตรเจน ในขณะเดียวกัน ออกซิเจนก็เป็นสารป้องกันและป้องกันไม่ให้ความชื้นส่งผลกระทบต่อโลหะ

องค์ประกอบที่เก้าสิบสี่ทำปฏิกิริยากับกรด ออกซิเจน และไอระเหยของพวกมัน แต่ไม่ทำปฏิกิริยากับด่าง พลูโทเนียมละลายได้สูงในตัวกลางที่มีความเป็นกรดมากเท่านั้น (เช่น กรดไฮโดรคลอริก HCl) และยังละลายในไฮโดรเจนคลอไรด์, ไฮโดรเจนไอโอไดด์, ไฮโดรเจนโบรไมด์, กรดเปอร์คลอริก 72%, กรดฟอสฟอริก H3PO4 85%, CCl3COOH เข้มข้น, กรดซัลฟามิก และกรดไนตริกเข้มข้นที่กำลังเดือด พลูโทเนียมไม่ละลายอย่างเห็นได้ชัดในสารละลายอัลคาไล

เมื่อสารละลายที่ประกอบด้วยพลูโตเนียมเตตระวาเลนต์สัมผัสกับด่าง จะเกิดการตกตะกอนของพลูโทเนียมไฮดรอกไซด์ Pu(OH)4 xH2O ซึ่งมีคุณสมบัติพื้นฐานจะตกตะกอน เมื่อสารละลายเกลือที่มี PuO2+ สัมผัสกับด่าง แอมโฟเทอริกไฮดรอกไซด์ PuO2OH. ตอบด้วยเกลือ - พลูโทไนต์เช่น Na2Pu2O6

เกลือพลูโทเนียมจะไฮโดรไลซ์ทันทีเมื่อสัมผัสกับสารละลายที่เป็นกลางหรือเป็นด่าง ทำให้เกิดพลูโทเนียมไฮดรอกไซด์ที่ไม่ละลายน้ำ สารละลายเข้มข้นของพลูโตเนียมไม่เสถียรเนื่องจากการสลายกัมมันตภาพรังสีที่นำไปสู่การตกตะกอน

พลูโตเนียม- องค์ประกอบทางเคมีกัมมันตภาพรังสีของกลุ่มแอกติไนด์ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในการผลิต อาวุธนิวเคลียร์(ที่เรียกว่า "พลูโทเนียมเกรดอาวุธ") และยัง (ในเชิงทดลอง) ใช้เป็นเชื้อเพลิงนิวเคลียร์สำหรับเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์เพื่อวัตถุประสงค์ทางแพ่งและการวิจัย องค์ประกอบประดิษฐ์ชิ้นแรกที่ได้รับในปริมาณที่สามารถชั่งน้ำหนักได้ (1942)

ตารางทางด้านขวาแสดงคุณสมบัติหลักของ α-Pu ซึ่งเป็นการดัดแปลงพลูโทเนียมแบบ allotropic หลักที่อุณหภูมิห้องและความดันปกติ

ประวัติความเป็นมาของพลูโตเนียม

ไอโซโทปพลูโตเนียม 238 Pu ผลิตขึ้นครั้งแรกเมื่อวันที่ 23 กุมภาพันธ์ พ.ศ. 2484 โดยกลุ่มนักวิทยาศาสตร์ชาวอเมริกันที่นำโดย Glenn Seaborg โดยการฉายรังสีนิวเคลียส ยูเรเนียมดิวเทอรอน เป็นที่น่าสังเกตว่าหลังจากการผลิตเทียมเท่านั้นที่ค้นพบพลูโทเนียมในธรรมชาติ: ในปริมาณเล็กน้อย 239 Pu มักจะพบในแร่ยูเรเนียมซึ่งเป็นผลิตภัณฑ์จากการเปลี่ยนแปลงของกัมมันตภาพรังสีของยูเรเนียม

การค้นพบพลูโทเนียมในธรรมชาติ

ในแร่ยูเรเนียม ซึ่งเป็นผลมาจากการจับนิวตรอน (เช่น นิวตรอนจากรังสีคอสมิก) โดยนิวเคลียสของยูเรเนียม เนปทูเนียม(239 Np) ผลิตภัณฑ์จากการผุพังของเบต้าซึ่งเป็นพลูโตเนียม-239 ตามธรรมชาติ อย่างไรก็ตาม พลูโตเนียมก่อตัวขึ้นในปริมาณที่เล็กมาก (0.4-15 ส่วน Pu ต่อ 10-12 ส่วน U) ซึ่งการสกัดจากแร่ยูเรเนียมนั้นไม่มีปัญหา

ที่มาของชื่อพลูโตเนียม

ในปี 1930 โลกดาราศาสตร์รู้สึกตื่นเต้นกับข่าวอันน่าอัศจรรย์: มีการค้นพบดาวเคราะห์ดวงใหม่ ซึ่ง Percival Lovell นักดาราศาสตร์ นักคณิตศาสตร์ และผู้เขียนบทความเกี่ยวกับชีวิตบนดาวอังคารพูดถึงการมีอยู่ของดาวเคราะห์ดวงนี้มานานแล้ว จากการสังเกตการเคลื่อนไหวหลายปี ดาวยูเรนัสและ ดาวเนปจูนโลเวลล์ได้ข้อสรุปว่านอกเหนือจากดาวเนปจูนในระบบสุริยะแล้ว ก็ควรมีดาวเคราะห์ดวงที่เก้าอีกดวงหนึ่ง ซึ่งอยู่ห่างจากดวงอาทิตย์มากกว่าโลกถึงสี่สิบเท่า

ดาวเคราะห์ดวงนี้ ซึ่งเป็นองค์ประกอบการโคจรที่โลเวลล์คำนวณย้อนกลับไปในปี พ.ศ. 2458 ถูกค้นพบในภาพถ่ายที่ถ่ายเมื่อวันที่ 21, 23 และ 29 มกราคม พ.ศ. 2473 โดยนักดาราศาสตร์ เค. ทอมบอห์ ที่หอดูดาวแฟลกสตาฟ ( สหรัฐอเมริกา) . ดาวเคราะห์ดวงนี้ได้รับการตั้งชื่อว่า พลูโต. องค์ประกอบที่ 94 ซึ่งได้รับจากนิวเคลียสเมื่อปลายปี พ.ศ. 2483 ได้รับการตั้งชื่อตามดาวเคราะห์ดวงนี้ซึ่งตั้งอยู่ในระบบสุริยะเหนือดาวเนปจูน อะตอม ยูเรเนียมกลุ่มนักวิทยาศาสตร์ชาวอเมริกันที่นำโดย G. Seaborg

คุณสมบัติทางกายภาพพลูโตเนียม

พลูโตเนียมมี 15 ไอโซโทป - ไอโซโทปที่มีเลขมวลตั้งแต่ 238 ถึง 242 ผลิตในปริมาณมากที่สุด:

238 Pu -> (ครึ่งชีวิต 86 ปี อัลฟาสลายตัว) -> 234 U,

ไอโซโทปนี้ถูกใช้เกือบทั้งหมดใน RTG เพื่อจุดประสงค์ด้านอวกาศ ตัวอย่างเช่น บนยานพาหนะทุกคันที่บินเลยวงโคจรของดาวอังคาร

239 Pu -> (ครึ่งชีวิต 24,360 ปี อัลฟาสลายตัว) -> 235 U,

ไอโซโทปนี้เหมาะสมที่สุดสำหรับการสร้างอาวุธนิวเคลียร์และเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์นิวตรอนเร็ว

240 Pu -> (ครึ่งชีวิต 6580 ปี การสลายของอัลฟา) -> 236 U, 241 Pu -> (ครึ่งชีวิต 14.0 ปี การสลายของเบต้า) -> 241 Am, 242 Pu -> (ครึ่งชีวิต 370,000 ปี อัลฟ่า -ผุ) -> 238 U

ไอโซโทปทั้งสามนี้ไม่มีความสำคัญทางอุตสาหกรรมอย่างจริงจัง แต่ได้มาเป็นผลพลอยได้เมื่อมีการผลิตพลังงานในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์โดยใช้ยูเรเนียม ผ่านการดักจับนิวตรอนหลายตัวตามลำดับโดยนิวเคลียสยูเรเนียม-238 ไอโซโทป 242 มีคุณสมบัติทางนิวเคลียร์ใกล้เคียงกับยูเรเนียม-238 มากที่สุด อะเมริเซียม-241 ซึ่งเกิดจากการสลายไอโซโทป 241 ถูกนำมาใช้ในเครื่องตรวจจับควัน

พลูโทเนียมมีความน่าสนใจเนื่องจากต้องผ่านการเปลี่ยนสถานะหกเฟสจากอุณหภูมิการแข็งตัวไปเป็นอุณหภูมิห้อง มากกว่าองค์ประกอบทางเคมีอื่นๆ ความหนาแน่นเพิ่มขึ้นอย่างกะทันหัน 11% ส่งผลให้การหล่อพลูโทเนียมแตก เฟสอัลฟ่ามีความเสถียรที่อุณหภูมิห้อง ซึ่งมีลักษณะเฉพาะดังแสดงในตาราง สำหรับการใช้งาน เฟสเดลต้าซึ่งมีความหนาแน่นต่ำกว่าและมีตาข่ายที่มีศูนย์กลางอยู่ที่ลูกบาศก์จะสะดวกกว่า พลูโตเนียมในเฟสเดลต้ามีความเหนียวมาก ในขณะที่เฟสอัลฟามีความเปราะ เพื่อรักษาเสถียรภาพของพลูโทเนียมในระยะเดลต้า จะมีการเติมโลหะไตรวาเลนต์ (ใช้แกลเลียมในประจุนิวเคลียร์ครั้งแรก)

การประยุกต์พลูโทเนียม

อุปกรณ์นิวเคลียร์ที่ใช้พลูโตเนียมเครื่องแรกถูกจุดชนวนเมื่อวันที่ 16 กรกฎาคม พ.ศ. 2488 ที่สถานที่ทดสอบอลาโมกอร์โด (ชื่อรหัสการทดสอบทรินิตี้)

บทบาททางชีวภาพของพลูโตเนียม

พลูโตเนียมมีความเป็นพิษสูง ความเข้มข้นสูงสุดที่อนุญาตสำหรับ 239 Pu ในแหล่งน้ำเปิดและอากาศในห้องทำงานคือ 81.4 และ 3.3 * 10 −5 Bq/l ตามลำดับ ไอโซโทปของพลูโทเนียมส่วนใหญ่มีความหนาแน่นของไอออไนเซชันสูงและมีความยาวเส้นทางของอนุภาคสั้น ดังนั้น ความเป็นพิษของมันจึงไม่ได้เกิดจากคุณสมบัติทางเคมีมากนัก (พลูโทเนียมไม่น่าจะเป็นพิษในเรื่องนี้มากกว่าโลหะหนักอื่นๆ) แต่จะเป็นผลจากผลกระทบของไอออไนซ์มากกว่า บนเนื้อเยื่อของร่างกายโดยรอบ พลูโตเนียมอยู่ในกลุ่มขององค์ประกอบที่มีความเป็นพิษต่อรังสีสูงเป็นพิเศษ ในร่างกาย พลูโทเนียมทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงครั้งใหญ่ในโครงกระดูก ตับ ม้าม ไต และทำให้เกิดมะเร็ง ปริมาณพลูโทเนียมในร่างกายที่อนุญาตสูงสุดไม่ควรเกินหนึ่งในสิบของไมโครกรัม

งานศิลปะที่เกี่ยวข้องกับธีมพลูโตเนียม

- พลูโตเนียมถูกใช้สำหรับเครื่องจักร De Lorean DMC-12 ในภาพยนตร์เรื่อง Back to the Future เพื่อเป็นเชื้อเพลิงสำหรับตัวสะสมฟลักซ์เพื่อเดินทางไปยังอนาคตหรืออดีต

— ระเบิดปรมาณูที่จุดชนวนโดยผู้ก่อการร้ายในเมืองเดนเวอร์ สหรัฐอเมริกา ในภาพยนตร์ Tom Clancy เรื่อง “All the Fears of the World” สร้างขึ้นจากพลูโทเนียม

— เคนซาบุโระ โอเอะ “บันทึกของนักวิ่งเหน็บแนม”

— ในปี 2549 Beacon Pictures เปิดตัวภาพยนตร์เรื่อง Plutonium-239 ( "พียู-239")

เครื่องปฏิกรณ์แบบเร็วแบบผสมผสาน (IFR) ไม่ได้เป็นเพียงเครื่องปฏิกรณ์ชนิดใหม่เท่านั้น แต่ยังเป็นวัฏจักรเชื้อเพลิงใหม่อีกด้วย เครื่องปฏิกรณ์แบบอินทิกรัลเร็วคือเครื่องปฏิกรณ์นิวตรอนเร็วที่ไม่มีตัวหน่วง มีเพียงโซนที่ใช้งานและไม่มีผ้าห่ม
IBR ใช้เชื้อเพลิงโลหะ- โลหะผสมของยูเรเนียมและพลูโตเนียม
วัฏจักรเชื้อเพลิงของมันใช้การลดเชื้อเพลิงโดยตรงในเครื่องปฏิกรณ์เองโดยใช้กระบวนการไพโรโพรเซสซิง ในกระบวนการไพโรโพรเซสซิง IBR ยูเรเนียมเกือบบริสุทธิ์จะถูกรวบรวมบนแคโทดที่เป็นของแข็ง และส่วนผสมของพลูโทเนียม อะเมริเซียม เนปทูเนียม คูเรียม ยูเรเนียม และผลิตภัณฑ์จากฟิชชันบางส่วนจะถูกรวบรวมในแคโทดแคดเมียมเหลวที่ลอยอยู่ในเกลืออิเล็กโทรไลต์ ผลิตภัณฑ์ฟิชชันที่เหลือจะถูกรวบรวม ในเกลืออิเล็กโทรไลต์และในชั้นแคดเมียม
เครื่องปฏิกรณ์แบบเร็วแบบรวมจะถูกระบายความร้อนด้วยโซเดียมเหลวหรือตะกั่ว การผลิตเชื้อเพลิงโลหะนั้นง่ายกว่าและราคาถูกกว่าเชื้อเพลิงเซรามิก เชื้อเพลิงโลหะทำให้ไพโรโพรเซสเป็นทางเลือกที่เป็นธรรมชาติ เชื้อเพลิงโลหะมีค่าการนำความร้อนและความจุความร้อนได้ดีกว่าเชื้อเพลิงออกไซด์ เชื้อเพลิงเป็นโลหะผสมของยูเรเนียมและพลูโทเนียม
การโหลดครั้งแรกเข้าไปในเครื่องปฏิกรณ์แบบเร็วแบบบูรณาการควรมีไอโซโทปฟิชไซล์มากขึ้นภายใต้อิทธิพลของนิวตรอนความร้อน ( > 20%) มากกว่าในเครื่องปฏิกรณ์นิวตรอนความร้อน ซึ่งอาจเป็นยูเรเนียมหรือพลูโทเนียมเสริมสมรรถนะสูง อาวุธนิวเคลียร์ที่เลิกใช้งานแล้ว เป็นต้น ในระหว่างการดำเนินการ เครื่องปฏิกรณ์จะแปลงวัสดุ (อุดมสมบูรณ์) ที่ไม่เกิดฟิสไซล์ภายใต้อิทธิพลของนิวตรอนความร้อนให้เป็นวัสดุฟิสไซล์ วัสดุที่อุดมสมบูรณ์ในเครื่องปฏิกรณ์แบบเร็วอาจเป็นยูเรเนียมหมด (ส่วนใหญ่เป็น U-238) ยูเรเนียมธรรมชาติ ทอเรียม หรือยูเรเนียมที่ผ่านกระบวนการจากเชื้อเพลิงฉายรังสีจากเครื่องปฏิกรณ์น้ำแบบธรรมดา
เชื้อเพลิงบรรจุอยู่ในโครงเหล็กที่มีโซเดียมเหลวอยู่ระหว่างเชื้อเพลิงกับโครง พื้นที่ว่างเหนือเชื้อเพลิงช่วยให้ฮีเลียมและซีนอนกัมมันตภาพรังสีสะสมได้อย่างอิสระโดยไม่ต้องเพิ่มแรงดันภายในส่วนประกอบเชื้อเพลิงอย่างมีนัยสำคัญ และช่วยให้เชื้อเพลิงขยายตัวได้โดยไม่สร้างความเสียหายให้กับส่วนหุ้มเครื่องปฏิกรณ์
ข้อดีของตะกั่วมากกว่าโซเดียมก็คือความเฉื่อยทางเคมี โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อเทียบกับน้ำหรืออากาศ ในทางกลับกัน ตะกั่วมีความหนืดมากกว่ามาก ทำให้ปั๊มได้ยาก นอกจากนี้ยังมีไอโซโทปที่กระตุ้นนิวตรอนซึ่งแทบไม่มีอยู่ในโซเดียม
วงจรทำความเย็นได้รับการออกแบบในลักษณะที่ช่วยให้สามารถถ่ายเทความร้อนโดยการพาความร้อน ดังนั้นหากปั๊มสูญเสียพลังงานหรือปิดเครื่องปฏิกรณ์โดยไม่คาดคิด ความร้อนรอบแกนจะเพียงพอที่จะหมุนเวียนสารหล่อเย็น
ใน IBR ไอโซโทปฟิสไซล์จะไม่ถูกแยกออกจากไอโซโทปพลูโทเนียม เช่นเดียวกับผลิตภัณฑ์จากฟิชชัน ดังนั้นการใช้กระบวนการดังกล่าวเพื่อการผลิตอาวุธจึงเป็นไปไม่ได้ในทางปฏิบัติ นอกจากนี้ พลูโตเนียมจะไม่ถูกกำจัดออกจากเครื่องปฏิกรณ์ ซึ่งทำให้การใช้งานโดยไม่ได้รับอนุญาตนั้นไม่สมจริง หลังจากที่แอกติไนด์ (ยูเรเนียม พลูโตเนียม และแอกติไนด์รอง) ได้รับการประมวลผล ของเสียที่เหลืออยู่คือผลิตภัณฑ์จากฟิชชัน Sm-151 ที่มีครึ่งชีวิต 90 ลิตร หรือผลิตภัณฑ์ที่มีอายุยาวนาน เช่น Tc-99 ที่มีครึ่งชีวิต 211,000 ลิตรขึ้นไป .
ของเสียจาก IBR มีครึ่งชีวิตสั้นหรือยาวมาก ซึ่งหมายความว่าพวกมันมีกัมมันตภาพรังสีอ่อน จำนวนขยะ IBR ทั้งหมดคือ 1/20 ของเชื้อเพลิงที่นำกลับมาแปรรูป (ซึ่งโดยปกติถือว่าเป็นของเสีย) ของเครื่องปฏิกรณ์นิวตรอนความร้อนที่มีกำลังเท่ากัน 70% ของผลิตภัณฑ์จากฟิชชันมีความคงตัวหรือมีครึ่งชีวิตประมาณหนึ่งปี เทคนีเชียม-99 และไอโอดีน-129 ซึ่ง 6% ในผลิตภัณฑ์จากฟิชชันมีครึ่งชีวิตที่ยาวมาก แต่สามารถเปลี่ยนรูปในเครื่องปฏิกรณ์ให้เป็นไอโซโทปที่มีครึ่งชีวิตสั้น (15.46 วินาที และ 12.36 ชั่วโมง) โดยการดูดซับนิวตรอนในเครื่องปฏิกรณ์ . เซอร์โคเนียม-93 (ของเสีย 5%) สามารถนำไปรีไซเคิลเป็นวัสดุหุ้มเชื้อเพลิงได้ โดยไม่ต้องกังวลเรื่องกัมมันตภาพรังสี ส่วนประกอบที่เหลือของเสียมีกัมมันตภาพรังสีน้อยกว่ายูเรเนียมธรรมชาติ
IDB ใช้วัฏจักรเชื้อเพลิงซึ่งมีขนาดสองเท่าที่มีประสิทธิภาพมากกว่าในแง่ของการใช้เชื้อเพลิงเมื่อเปรียบเทียบกับวัฏจักรแบบดั้งเดิมในเครื่องปฏิกรณ์นิวตรอนช้า ป้องกันการแพร่กระจายของอาวุธนิวเคลียร์ ลดของเสียระดับสูง และยิ่งไปกว่านั้น การใช้ของเสียบางส่วนเป็นเชื้อเพลิง .
ใน IBR เชื้อเพลิงและส่วนหุ้มได้รับการออกแบบเพื่อให้อุณหภูมิเพิ่มขึ้นและขยายตัว นิวตรอนจะออกจากแกนกลางมากขึ้นเรื่อยๆ ส่งผลให้ความเข้มของปฏิกิริยาลูกโซ่ลดลง นั่นคือค่าสัมประสิทธิ์การเกิดปฏิกิริยาเชิงลบทำงานได้ ใน IBR ผลกระทบนี้รุนแรงมากจนสามารถหยุดปฏิกิริยาลูกโซ่ได้โดยไม่ต้องให้ผู้ปฏิบัติงานเข้ามาแทรกแซง

การประมวลผลแบบไพโรโพรเซสซิง ‒ วิธีอุณหภูมิสูง การนำเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ใช้แล้วกลับมาใช้ใหม่ด้วยไฟฟ้า. เมื่อเปรียบเทียบกับวิธีไฮโดรเมทัลโลจิคัล(เช่น PUREX) การประมวลผลแบบไพโรโพรเซสซิงจะใช้โดยตรงที่เครื่องปฏิกรณ์ตัวทำละลายคือเกลือหลอมเหลว (เช่น LiCl + KCl หรือ LiF + CaF 2) และโลหะหลอมเหลว (เช่น แคดเมียม บิสมัท แมกนีเซียม) แทนที่จะเป็นน้ำและสารประกอบอินทรีย์ ในการประมวลผลแบบไพโรโพรเซสซิง การสกัดยูเรเนียม ตลอดจนพลูโตเนียมและแอคติไนด์เล็กน้อย เกิดขึ้นพร้อมกันและสามารถใช้เป็นเชื้อเพลิงได้ทันที ปริมาณของเสียน้อยลงและมีผลิตภัณฑ์จากฟิชชันเป็นส่วนใหญ่ไพโร การแปรรูปใช้ใน IBR และเครื่องปฏิกรณ์เกลือหลอมเหลว

พลูโตเนียม (พลูโตเนียม) Pu - องค์ประกอบทางเคมีกัมมันตภาพรังสีที่ได้เทียม, Z=94, มวลอะตอม 244.0642; เป็นของแอกติไนด์ ปัจจุบันรู้จักไอโซโทปพลูโตเนียม 19 ไอโซโทป ที่เบาที่สุดคือ 228 Ri (71/2=1.1 วินาที) ที่หนักที่สุดคือ ^Pu (7i/ 2 = 2.27 วัน) ไอโซเมอร์นิวเคลียร์ 8 ตัว ไอโซโทปที่เสถียรที่สุดคือ 2A- 236, 238, 239, 240, 242 และ 244: 21013, 6.29-11,2.33-10,8.51109, 3.7-12,1.48-8 และ 6.66-uz Bq/g ตามลำดับ พลังงานเฉลี่ยของการแผ่รังสีของไอโซโทปที่มี A = 236, 238, 239, 240, 242 และ 244 คือ 5.8, 5.5, 5.1, 5.2, 4.9 และ 4.6 MeV ตามลำดับ ไอโซโทปแสงของพลูโทเนียม (2 3 2 Pu, 2 34 Pu, 235 Pu, 2 3 7 Pu) ได้รับการจับอิเล็กตรอน 2 4 "Pi - p-emitter (Ep = 0.0052 MeV) ในทางปฏิบัติสิ่งที่สำคัญที่สุดคือ 2 39Ru (7|/ 2 =2.44-104 ปี, a-decay, ฟิชชันที่เกิดขึ้นเอง (z, my %)) ถูกแบ่งภายใต้อิทธิพลของนิวตรอนช้าและใช้ในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์เป็นเชื้อเพลิงและใน ระเบิดปรมาณูเป็นสารประจุ

พลูโทเนียม-236 (7i/ 2 =2.85i ปี), a-emitter: 5.72 MeV (30.56%) และ 5.77 MeV (69.26%), เดซิเบลนิวไคลด์ 2 3 2 U, กิจกรรมเฉพาะ 540 Ci/ G. ความน่าจะเป็นของฟิชชันที่เกิดขึ้นเอง กก. 6 อัตราฟิชชันที่เกิดขึ้นเองที่ 5.8-7 ส่วนต่อ 1 กรัม/ชั่วโมง สอดคล้องกับครึ่งชีวิตของกระบวนการนี้ที่ 3.5-109 ปี

สามารถรับได้จากปฏิกิริยา:

ไอโซโทปนี้ยังเกิดขึ้นระหว่างการสลายตัวของ a-emitter 2 4оСш (7i/ 2 =27 วัน) และ p-emitter 23 6m Np (7i/ 2 =22 h) 2 ชั่วโมง 6 Ri สลายตัวในทิศทางต่อไปนี้: a-decay, ความน่าจะเป็น 100% และฟิชชันที่เกิดขึ้นเอง (ความน่าจะเป็น

พลูโทเปียม-237 (7!/ 2 =45> 2 วัน) ผลิตภัณฑ์ลูกสาว 2 37Np. สามารถรับได้จากการระดมยิงยูเรเนียมธรรมชาติด้วยฮีเลียมไอออนด้วยพลังงาน 40 MeV ผ่านปฏิกิริยานิวเคลียร์:

นอกจากนี้ยังก่อตัวขึ้นในปริมาณเล็กน้อยเมื่อยูเรเนียมถูกฉายรังสีด้วยนิวตรอนของเครื่องปฏิกรณ์ การสลายตัวหลักคือการจับอิเล็กตรอน

(99%, การแผ่รังสีเอกซ์ที่มีลักษณะเฉพาะ, ผลิตภัณฑ์ลูกสาว ^Np) แต่มีการสลายตัวแบบ 2 zi และการปล่อย y แบบอ่อน ครึ่งชีวิต 45.2 วัน 2 z7Rts ใช้ในระบบสำหรับตรวจสอบผลผลิตทางเคมีของพลูโทเนียมในระหว่างการแยกออกจากตัวอย่างส่วนประกอบด้านสิ่งแวดล้อมตลอดจนเพื่อศึกษาเมแทบอลิซึมของพลูโทเนียมในร่างกายมนุษย์

พลูโทเนียม-238, 7*1/2=87.74 ปี, a-emitter (พลังงาน 5.495(76%), 5.453(24%) และ 5.351(0.15%) MeV, y-emitter อ่อน (พลังงานตั้งแต่ 0.044 ถึง 0.149 MeV) กิจกรรมของนิวไคลด์ 1 กรัมคือ ~633.7 GBq (กิจกรรมเฉพาะ 17 Ci/g) ทุกๆ วินาทีในปริมาณที่เท่ากันของสาร - เกิดปฏิกิริยาฟิชชันที่เกิดขึ้นเอง 1,200 ครั้ง อัตราการเกิดฟิชชันที่เกิดขึ้นเองคือ 5.1-6 ฟิชชันต่อ 1 กรัม /ชั่วโมง สอดคล้องกับครึ่งชีวิตของกระบวนการนี้ 3.8-10 10 ปี ในกรณีนี้พลังงานความร้อนที่สูงมากจะพัฒนา: 567 W / kg G D el = 3.8-10 10 ปี ภาพตัดขวางของนิวตรอนความร้อนจับ a = 500 โรงนา , หน้าตัดฟิชชันภายใต้อิทธิพลของนิวตรอนความร้อนคือ 18 โรงนา มีกัมมันตภาพรังสีαจำเพาะที่สูงมาก (แรงกว่า ^Pu 283 เท่า) ซึ่งทำให้รุนแรงยิ่งขึ้นมาก แหล่งกำเนิดนิวตรอนจากปฏิกิริยา (a, n)

• 2 ชั่วโมง 8Pu เกิดขึ้นจากการสลายตัวต่อไปนี้:
  • (3 -การสลายตัวของนิวไคลด์ 2 3 8 Np:

2 ชั่วโมง 8 Ru ก่อตัวขึ้นในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ใดๆ ที่ทำงานโดยใช้ยูเรเนียมธรรมชาติหรือยูเรเนียมเสริมสมรรถนะต่ำ ซึ่งส่วนใหญ่ประกอบด้วยไอโซโทป 2 ชั่วโมง 8 u ในกรณีนี้จะเกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ดังต่อไปนี้:

มันยังเกิดขึ้นเมื่อยูเรเนียมถูกโจมตีด้วยฮีเลียมไอออนด้วยพลังงาน 40 MeV:

การสลายตัวเกิดขึ้นในทิศทางต่อไปนี้: a-decay ใน 2 34U (ความน่าจะเป็น 10% พลังงานการสลายตัว 5.593 MeV):

พลังงานของอนุภาคอัลฟ่าที่ปล่อยออกมาคือ 5.450 Mei (ใน 2.9% ของกรณี และ 5.499 Mei (ใน 70.91% ของกรณี) ความน่าจะเป็นของฟิชชันที่เกิดขึ้นเองคือ 1.9-7%

ในช่วงการสลายตัวของ 2 3 8 Pu พลังงาน 5.5 MeV จะถูกปล่อยออกมา ในแหล่งกำเนิดไฟฟ้าที่มี 2-3 8 Ri หนึ่งกิโลกรัม จะมีกำลังความร้อนประมาณ ~50 วัตต์พัฒนาขึ้น กำลังสูงสุดของแหล่งจ่ายกระแสเคมีที่มีมวลเท่ากันคือ 5 วัตต์ มีตัวปล่อยจำนวนมากที่มีคุณสมบัติพลังงานคล้ายคลึงกัน แต่คุณลักษณะหนึ่งของ 2 3Ri ทำให้ไอโซโทปนี้ไม่สามารถถูกแทนที่ได้ โดยปกติแล้วการสลายตัวจะมาพร้อมกับการปล่อยก๊าซเรือนกระจกที่รุนแรง 2 z 8 Ri เป็นข้อยกเว้น พลังงานของ y-ควอนต้าที่มาพร้อมกับการสลายตัวของนิวเคลียสนั้นต่ำ ความน่าจะเป็นของฟิชชันที่เกิดขึ้นเองของนิวเคลียสของไอโซโทปนี้ก็ต่ำเช่นกัน 288 Ri ใช้สำหรับการผลิตแบตเตอรี่ไฟฟ้านิวเคลียร์และแหล่งกำเนิดนิวตรอน เป็นแหล่งพลังงานสำหรับเครื่องกระตุ้นหัวใจ สำหรับสร้างพลังงานความร้อนในยานอวกาศ โดยเป็นส่วนหนึ่งของเครื่องตรวจจับควันไอโซโทปรังสี เป็นต้น

พลูโทเนียม-239, 71/2=2.44 ปี 4 ปี, a-decay 00%, พลังงานการสลายตัวทั้งหมด 5.867 MeV, ปล่อยอนุภาค a ด้วยพลังงาน 5.15 (69%), 5.453 (24%) และ 5.351(0, 15% ) และรังสี y ที่อ่อนแอ, ส่วนตัดขวางการจับนิวตรอนความร้อน st = 271 barn กิจกรรมเฉพาะ 2.33109 Bq/g. อัตราการแบ่งตามธรรมชาติของ 36 ส่วน/กรัม/ชั่วโมง สอดคล้องกับการแบ่ง 7” = 5.5-10*5 ปี 1 กิโลกรัม 2 39Ri เทียบเท่ากับพลังงานความร้อน 2.2-107 กิโลวัตต์-ชั่วโมง การระเบิดของพลูโตเนียม 1 กิโลกรัม เท่ากับการระเบิดของ TNT 20,000 ตัน ไอโซโทปพลูโทเนียมชนิดเดียวที่ใช้ในอาวุธปรมาณู 2 39Pu เป็นส่วนหนึ่งของตระกูล 2P+3 ผลสลายตัวของมันคือ 2 35U ไอโซโทปนี้ถูกฟิชชันโดยนิวตรอนความร้อน และใช้ในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์เป็นเชื้อเพลิง 2 39Ri ได้มาจากแพ็กท็อปจาโลปีตามปากปิยะ:

ปฏิกิริยาตัดขวาง -455 โรงนา *39Pu ก็เกิดขึ้นเมื่อ

การระดมยิงยูเรเนียมด้วยดิวเทอรอนที่มีพลังงานสูงกว่า 8 MeV โดยปฏิกิริยานิวเคลียร์:

เช่นเดียวกับเมื่อยูเรเนียมถูกโจมตีด้วยฮีเลียมไอออนที่มีพลังงาน 40 MeV
การหารตามธรรมชาติ ความน่าจะเป็น 1.36-10*7%

การแยกพลูโทเนียมออกจากยูเรเนียม วิธีการทางเคมีเป็นปัญหาที่ค่อนข้างง่ายกว่าการแยกไอโซโทปยูเรเนียม เป็นผลให้ราคาของพลูโทเนียมต่ำกว่าราคา 2 zzi หลายเท่า เมื่อนิวเคลียส 2 39Pu ถูกแบ่งโดยนิวตรอนออกเป็นสองส่วนซึ่งมีมวลเท่ากันโดยประมาณ พลังงานประมาณ 200 MeV จะถูกปล่อยออกมา สามารถรักษาปฏิกิริยาลูกโซ่ฟิชชันได้ ครึ่งชีวิตที่ค่อนข้างสั้นของ 2 39Pu (เทียบกับ ^u) หมายถึงการปล่อยพลังงานอย่างมีนัยสำคัญระหว่างการสลายตัวของสารกัมมันตภาพรังสี 2 39Rc ให้พลังงาน 1.92 วัตต์/กก. บล็อกพลูโทเนียมที่มีฉนวนอย่างดีจะร้อนขึ้นถึงอุณหภูมิมากกว่า 100° ในสองชั่วโมง และในไม่ช้าจะถึงจุดเปลี่ยน a-p ซึ่งก่อให้เกิดปัญหาสำหรับการออกแบบอาวุธเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงปริมาตรระหว่างการเปลี่ยนเฟสของพลูโทเนียม กิจกรรมเฉพาะ 2 39Pu 2.28-12 Bq/g. 2 39Pu แตกตัวได้ง่ายด้วยนิวตรอนความร้อน ไอโซโทปฟิสไซล์ 239 Pu เมื่อสลายตัวอย่างสมบูรณ์จะให้พลังงานความร้อนเทียบเท่ากับ 25,000,000 kWh/kg 2 39Pi มีหน้าตัดฟิชชันสำหรับนิวตรอนช้าที่ 748 barn และหน้าตัดการจับการแผ่รังสีที่ 315 barn 2 39Pu มีส่วนการกระเจิงและการดูดซับมากกว่ายูเรเนียมและ จำนวนที่มากขึ้นนิวตรอนระหว่างฟิชชัน (3.03 นิวตรอนต่อเหตุการณ์ฟิชชัน เทียบกับ 2.47 สำหรับ 2 zzi) และด้วยเหตุนี้ มวลวิกฤตจึงต่ำกว่า Pure 2 39Pu มีการปล่อยนิวตรอนเฉลี่ยจากฟิชชันที่เกิดขึ้นเองที่ -30 นิวตรอน/s-kg (-10 ฟิชชัน/วินาที)-

พลูโตเนียม-240, 71/2=6564 l, a-decay, กิจกรรมจำเพาะ 8.51-109 Bq/g. อัตราฟิชชันที่เกิดขึ้นเอง 1.6-6 ส่วน/กรัม/ชั่วโมง, Ti/2=i.2-io คุณ 24°Pu มีภาคตัดขวางในการจับนิวตรอนที่มีประสิทธิภาพน้อยกว่า 239 Pu ถึง 3 เท่า และโดยส่วนใหญ่แล้วจะกลายเป็น 2 4*Pu

24op และเกิดขึ้นระหว่างการสลายตัวของนิวไคลด์กัมมันตรังสีบางชนิด:

พลังงานการสลายตัว 5.255 MeV, a-อนุภาคที่มีพลังงาน 5.168 (72.8%), 5.123 (27.10%) MeV;

การหารตามธรรมชาติ ความน่าจะเป็น 5.7-6

ในเชื้อเพลิงยูเรเนียม ปริมาณ ^Pu จะเพิ่มขึ้นในระหว่างการทำงานของเครื่องปฏิกรณ์ ในเชื้อเพลิงใช้แล้วของเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์จะมี 70% *39Pu และ 26% 2 4°Pu ซึ่งทำให้ยากต่อการผลิตอาวุธปรมาณู ดังนั้นจึงได้พลูโทเนียมเกรดอาวุธในเครื่องปฏิกรณ์ที่ออกแบบเป็นพิเศษสำหรับสิ่งนี้โดยการประมวลผลยูเรเนียมหลังจากผ่านไปหลายสิบ จำนวนวันของการฉายรังสี *4°Pu เป็นไอโซโทปหลักที่สร้างมลพิษให้กับอาวุธเกรด 2 39Pu ระดับของเนื้อหามีความสำคัญเนื่องจากความเข้มข้นของฟิชชันที่เกิดขึ้นเอง - 415,000 ฟิชชัน/s-kg, 1,000 นิวตรอน/s-kg ถูกปล่อยออกมา เนื่องจากแต่ละฟิชชันผลิต 2.26 นิวตรอน - มากกว่ามวล 2 39Ri ที่เท่ากัน 30,000 เท่า การมีอยู่เพียง 1% ของไอโซโทปนี้ทำให้เกิดนิวตรอนจำนวนมากจนวงจรประจุของปืนใหญ่ไม่สามารถใช้งานได้ - การระเบิดตั้งแต่เนิ่นๆ จะเริ่มขึ้นและประจุจะถูกทำให้เป็นอะตอมก่อนที่ระเบิดจำนวนมากจะระเบิด รูปแบบปืนใหญ่เป็นไปได้เฉพาะกับเนื้อหา *39Pu ซึ่งเป็นไปไม่ได้ในทางปฏิบัติ ดังนั้นระเบิดพลูโทเนียมจึงถูกประกอบโดยใช้รูปแบบการระเบิดซึ่งช่วยให้สามารถใช้พลูโทเนียมที่มีการปนเปื้อนไอโซโทป IgPu ค่อนข้างมาก พลูโตเนียมเกรดอาวุธประกอบด้วย 2 4°Pu

เนื่องจากกิจกรรมจำเพาะที่สูงกว่า (1/4 ของ 2 39Pi) เอาต์พุตความร้อนจึงสูงกว่า 7.1 W/kg ซึ่งทำให้ปัญหาความร้อนสูงเกินไปรุนแรงขึ้น กิจกรรมจำเพาะของ ^Pu คือ 8.4109 Bq/g เนื้อหาของ IgPu ในพลูโทเนียมเกรดอาวุธ (0.7%) และในพลูโทเนียมเกรดเครื่องปฏิกรณ์ (>19%) การมีอยู่ของ 24 °Pu ในเชื้อเพลิงสำหรับเครื่องปฏิกรณ์ความร้อนเป็นสิ่งที่ไม่พึงประสงค์ แต่ไอโซโทปนี้ทำหน้าที่เป็นเชื้อเพลิงในเครื่องปฏิกรณ์เร็ว

พลูโทเนียม-241, G,/2=14 l, ผลิตภัณฑ์ลูกสาว 241 Am, p- (99%, ?рmax=0.014 MeV), a (1%, สองบรรทัด: 4.893 (75%) และ 4.848 (25%) MeV ) และตัวปล่อย y กิจกรรมจำเพาะของ ^Pu 3.92-12 Ci/g ได้มาจากการฉายรังสีพลูโทเนียมอย่างรุนแรงด้วยนิวตรอน เช่นเดียวกับในไซโคลตรอนด้วยปฏิกิริยา 2 3 8 U(a,n) 241 Pu ไอโซโทปนี้เกิดฟิชชันโดยนิวตรอนของพลังงานใดๆ (ภาพตัดขวางการดูดกลืนนิวตรอนของ ^'Pu มีค่ามากกว่าค่าของ ^Phi 1/3 ส่วนภาพตัดขวางของฟิชชันของนิวตรอนความร้อนมีค่าประมาณ 100 barn ความน่าจะเป็นของการเกิดฟิชชันเมื่อมีการดูดซับ นิวตรอนอยู่ที่ 73%) มีพื้นหลังเป็นนิวตรอนต่ำและมีพลังงานความร้อนปานกลาง จึงไม่ส่งผลโดยตรงต่อความง่ายในการใช้พลูโทเนียม มันสลายตัวเป็น 241 Am ซึ่งฟิชชันได้แย่มากและสร้างความร้อนได้มาก: 10 6 W/kg ^'Pu มีหน้าตัดฟิชชันขนาดใหญ่สำหรับนิวตรอนของเครื่องปฏิกรณ์ (โรงปู) ซึ่งช่วยให้สามารถใช้เป็นเชื้อเพลิงได้ หากอาวุธเริ่มแรกมี 241 Ri หลังจากนั้นไม่กี่ปีปฏิกิริยาของมันจะลดลงและควรคำนึงถึงสิ่งนี้เพื่อป้องกันพลังงานประจุที่ลดลงและความร้อนในตัวเองเพิ่มขึ้น 24 'ตัว Ru เองไม่ได้ให้ความร้อนมากนัก (เพียง 3.4 วัตต์/กก.) แม้ว่าจะมีครึ่งชีวิตที่สั้นมากเนื่องจากรังสี P อ่อนมากก็ตาม เมื่อนิวตรอนถูกดูดซับโดยนิวเคลียส 24 * Pu หากไม่เกิดฟิชชัน ก็จะเปลี่ยนเป็น 242 Pu 241 Pu เป็นแหล่งสำคัญของ ^'As.

พลูโทเนียม-242 (^/2=373300 ปี)

พลูโทเนียม-243 No/2=4-956 ชั่วโมง), p"- (พลังงาน 0.56 MeV) และตัวปล่อย y (เส้นหลายเส้นในช่วง 0.09-0.16 MeV) ภาพตัดขวางของปฏิกิริยา 242 Pu(n ,y) 243 Pu บนนิวตรอนช้า 00 โรงนา เกิดขึ้นระหว่าง p-decay ของ "^sPu 24 zAsh สามารถหาได้โดยการฉายรังสีด้วยนิวตรอน 2 4 2 Pu เนื่องจากมีครึ่งชีวิตสั้น จึงมีอยู่ในเชื้อเพลิงของเครื่องปฏิกรณ์ที่ผ่านการฉายรังสีในปริมาณเล็กน้อย

พลูโตเนียม-244 (Ti/ 2 =8.o*io 7 ปี), a-emitter, อี อา = 4.6 MeV, สามารถเกิดฟิชชันได้เอง, กิจกรรมจำเพาะ 6.66-105 Bq/g, หน้าตัดของการจับนิวตรอนความร้อน 0=19 ยุ้งฉาง ไม่เพียงแต่ไอโซโทปของพลูโทเนียมที่มีอายุยาวนานที่สุดเท่านั้น แต่ยังเป็นไอโซโทปที่มีอายุยาวนานที่สุดในบรรดาไอโซโทปของธาตุทรานยูเรเนียมทั้งหมดอีกด้วย กิจกรรมเฉพาะ 2

แม้แต่ไอโซโทปของพลูโตเนียมที่หนักกว่าก็ยังอยู่ภายใต้การสลายตัวของ p และอายุการใช้งานของพวกมันมีตั้งแต่หลายวันจนถึงสองสามในสิบของวินาที ในการระเบิดแสนสาหัส ไอโซโทปของพลูโทเนียมทั้งหมดจะถูกสร้างขึ้น มากถึง 2 57Pu แต่อายุการใช้งานของพวกมันคือหนึ่งในสิบของวินาที และไอโซโทปพลูโทเนียมอายุสั้นจำนวนมากยังไม่ได้รับการศึกษา

พลูโตเนียมเป็นโลหะสีขาวเงินที่มีน้ำหนักมาก ซึ่งส่องแสงเหมือนนิกเกิลเมื่อทำให้บริสุทธิ์ใหม่ มวลอะตอม 244.0642 อามู (g/mol) รัศมีอะตอม 151 pm พลังงานไอออไนเซชัน (อิเล็กตรอนตัวแรก) 491.9(5.10) kJ/mol (eV) การกำหนดค่าอิเล็กทรอนิกส์ 5f 6 7s 2 . รัศมีไอออน: (+4e) 93, (+3e) 20.00 น., อิเลคโตรเนกาติวีตี้ (พอลลิง) 1.28, T P l = 639.5°, G K ip = 3235°, ความหนาแน่นของพลูโทเนียม 19.84 (a-phase ), ความร้อนของการระเหยของพลูโทเนียมคือ 80.46 กิโลแคลอรี/โมล ความดันไอของพลูโตเนียมสูงกว่าความดันไอของยูเรเนียมอย่างมีนัยสำคัญ (ที่ 1,540 0 300 เท่า) พลูโตเนียมสามารถกลั่นได้จากยูเรเนียมหลอมเหลว เป็นที่รู้กันว่ามีการดัดแปลงพลูโตเนียมโลหะแบบ allotropic หกแบบ ที่อุณหภูมิ

ในสภาพห้องปฏิบัติการ พลูโทเนียมโลหะสามารถได้รับจากปฏิกิริยารีดักชันของพลูโทเนียมเฮไลด์กับลิเธียม แคลเซียม แบเรียม หรือแมกนีเซียมที่ 1200°:

พลูโทเนียมโลหะยังได้รับโดยการลดพลูโทเนียมไตรฟลูออไรด์ในเฟสไอที่ 1300 0 โดยใช้แคลเซียมซิลิไซด์ตามปฏิกิริยา

หรือการสลายตัวด้วยความร้อนของพลูโทเนียมเฮไลด์ในสุญญากาศ

พลูโตเนียมมีคุณสมบัติเฉพาะหลายประการ มีค่าการนำความร้อนต่ำที่สุดในบรรดาโลหะทั้งหมด และมีค่าการนำไฟฟ้าต่ำที่สุด ยกเว้นแมงกานีส ในสถานะของเหลวจะเป็นโลหะที่มีความหนืดมากที่สุด เมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลง พลูโตเนียมจะมีการเปลี่ยนแปลงความหนาแน่นที่รุนแรงและผิดธรรมชาติที่สุด

พลูโทเนียมมีสถานะของแข็งหกเฟส (โครงสร้างผลึก) ที่แตกต่างกัน (ตารางที่ 3) มากกว่าองค์ประกอบอื่นๆ การเปลี่ยนระหว่างเฟสบางอย่างจะมาพร้อมกับการเปลี่ยนแปลงระดับเสียงอย่างมาก ในสองระยะเหล่านี้ - เดลต้าและเดลต้าไพรม์ - พลูโทเนียมมีคุณสมบัติพิเศษคือการหดตัวเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น และในระยะอื่น ๆ จะมีขนาดใหญ่มาก ค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิส่วนขยาย เมื่อละลาย พลูโทเนียมจะหดตัว ทำให้พลูโทเนียมที่ยังไม่ละลายลอยตัวได้ ในรูปแบบที่หนาแน่นที่สุด พลูโตเนียมเป็นเฟส a เป็นองค์ประกอบที่มีความหนาแน่นมากที่สุดอันดับที่ 6 (เฉพาะออสเมียม อิริเดียม แพลตตินัม รีเนียม และเนปทูเนียมเท่านั้นที่หนักกว่า) ในระยะเอ พลูโตเนียมบริสุทธิ์จะเปราะ โลหะผสมจำนวนมากและสารประกอบระหว่างโลหะของพลูโตเนียมกับ Al, Be, Co, Fe, Mg, Ni, Ag เป็นที่รู้จัก สารประกอบ PuBe, 3 เป็นแหล่งของนิวตรอนที่มีความเข้มข้น 6.7 * 107 นิวตรอน/skg

ข้าว. 5.

เนื่องจากกัมมันตภาพรังสี พลูโทเนียมจึงอุ่นเมื่อสัมผัส พลูโทเนียมชิ้นใหญ่ในเปลือกหุ้มฉนวนความร้อนจะถูกให้ความร้อนจนถึงอุณหภูมิที่เกินจุดเดือดของน้ำ พลูโทเนียมบดละเอียดมีลักษณะเป็นไพโรมอร์ฟิกและจุดติดไฟได้เองที่ 300 0 มันทำปฏิกิริยากับฮาโลเจนและไฮโดรเจนเฮไลด์ก่อตัวเป็นเฮไลด์กับไฮโดรเจน - ไฮไดรด์กับคาร์บอน - คาร์ไบด์กับไนโตรเจนมันจะทำปฏิกิริยาที่ 250 0 เพื่อสร้างไนไตรด์และเมื่อสัมผัสกับแอมโมเนียก็จะเกิดไนไตรด์ด้วย ลด CO2 ให้เป็น CO หรือ C และเกิดคาร์ไบด์ ทำปฏิกิริยากับสารประกอบกำมะถันที่เป็นก๊าซ พลูโทเนียมละลายได้ง่ายในกรดไฮโดรคลอริก ฟอสฟอริก 85% กรดไฮโดรไอโอดิก เปอร์คลอริก และกรดคลอโรอะซิติกเข้มข้น เจือจาง H2SO4 จะละลายพลูโตเนียมอย่างช้าๆ แต่ H2S04 และ HN03 ที่มีความเข้มข้นจะยับยั้งพลูโตเนียมและไม่ทำปฏิกิริยากับมัน อัลคาลิสไม่มีผลกระทบต่อพลูโตเนียมโลหะ เกลือพลูโทเนียมจะไฮโดรไลซ์ทันทีเมื่อสัมผัสกับสารละลายที่เป็นกลางหรือเป็นด่าง ทำให้เกิดพลูโทเนียมไฮดรอกไซด์ที่ไม่ละลายน้ำ สารละลายเข้มข้นของพลูโตเนียมไม่เสถียรเนื่องจากการสลายกัมมันตภาพรังสีที่นำไปสู่การตกตะกอน

โต๊ะ 3. ความหนาแน่นและช่วงอุณหภูมิของเฟสพลูโตเนียม:

ความจุหลักของพลูโตเนียมคือ 4+ มันเป็นธาตุที่มีปฏิกิริยาเคมีและอิเล็กโตรเนกาติตี (ประมาณ 0.2 โวลต์) มากกว่ายูเรเนียมมาก มันจางหายไปอย่างรวดเร็วจนกลายเป็นฟิล์มสีรุ้งในตอนแรก สีเหลืองอ่อนเมื่อเวลาผ่านไปกลายเป็นสีม่วงเข้ม หากออกซิเดชันค่อนข้างเร็ว ผงออกไซด์สีเขียวมะกอก (PuO 2) จะปรากฏขึ้นบนพื้นผิว

พลูโตเนียมออกซิไดซ์ได้ง่ายและกัดกร่อนได้อย่างรวดเร็วแม้จะมีความชื้นเล็กน้อยก็ตาม มันจะกลายเป็นสนิมในบรรยากาศของก๊าซเฉื่อยที่มีไอน้ำเร็วกว่าในอากาศแห้งหรือออกซิเจนบริสุทธิ์มาก เมื่อพลูโตเนียมถูกให้ความร้อนโดยมีไฮโดรเจน คาร์บอน ไนโตรเจน ออกซิเจน ฟอสฟอรัส สารหนู ฟลูออรีน ซิลิคอน และเทลลูเรียม พลูโทเนียมจะก่อตัวเป็นสารประกอบที่ไม่ละลายน้ำที่เป็นของแข็งพร้อมกับองค์ประกอบเหล่านี้

ในบรรดาพลูโทเนียมออกไซด์นั้นรู้จัก Pu 2 0 3 และ Pu 0 2

พลูโทเนียมไดออกไซด์ Pu02 เป็นผงสีเขียวมะกอก ผลึกสีดำมันเงา หรือลูกบอลจากสีน้ำตาลแดงถึงสีเหลืองอำพัน โครงสร้างผลึกเป็นแบบฟลูออไรต์ (Pu-* + เป็นระบบลูกบาศก์ที่มีใบหน้าเป็นศูนย์กลาง และ O 2- เป็นรูปจัตุรมุข) ความหนาแน่น 11.46, Gpl=2400° มันถูกสร้างขึ้นจากเกลือเกือบทั้งหมด (เช่นออกซาเลต, เปอร์ออกไซด์) ของพลูโทเนียมเมื่อถูกความร้อนในอากาศหรือในบรรยากาศ 0 2 ที่อุณหภูมิ 700-1,000 0 โดยไม่คำนึงถึงสถานะออกซิเดชันของพลูโทเนียมในเกลือเหล่านี้ ตัวอย่างเช่น สามารถรับได้โดยการเผา Pu(IV) Pu(C 2 0 4) 2 -6H 2 0 ออกซาเลตเฮกซะไฮเดรต (เกิดขึ้นระหว่างการนำเชื้อเพลิงใช้แล้วไปแปรรูปใหม่):

Pu02 เที่ยงวัน เวลา อุณหภูมิต่ำละลายได้ง่ายในกรดไฮโดรคลอริกและกรดไนตริกเข้มข้น ในทางตรงกันข้าม Pu0 2 ที่เผาแล้วนั้นละลายได้ยากและสามารถนำเข้าสู่สารละลายได้เนื่องจากได้รับการดูแลเป็นพิเศษเท่านั้น ไม่ละลายในน้ำและตัวทำละลายอินทรีย์ ทำปฏิกิริยาช้าๆ กับของผสมร้อนของ HN0 3 เข้มข้นกับ HF สารประกอบที่เสถียรนี้ใช้เป็นรูปแบบกราวิเมตริกในการหาค่าพลูโตเนียม นอกจากนี้ยังใช้เพื่อเตรียมเชื้อเพลิงในพลังงานนิวเคลียร์อีกด้วย

โดยเฉพาะอย่างยิ่งปฏิกิริยา Pu0 2 แต่มีออกซาเลตในปริมาณเล็กน้อย ได้มาจากการสลายตัวของ Pu(C 2 0 4) 2 -6H 2 0 ที่ 130-^-300°

ไฮไดรด์ R11H3ได้จากธาตุที่อุณหภูมิ 150-5-200°

พลูโตเนียมก่อตัวเป็นเฮไลด์และออกซีเฮไลด์, ไดซิลิไซด์ PuSi 2 และเซสควิซัลไฟด์ PuSi,33^b5 ซึ่งเป็นที่สนใจเนื่องจากมีการหลอมละลายต่ำ รวมถึงคาร์ไบด์ของปริมาณสัมพันธ์ต่างๆ ตั้งแต่ PuS ถึง Pu 2C 3 RiS - คริสตัลสีดำ G 11L = 1664 0 เมื่อใช้ร่วมกับ UC ก็สามารถใช้เป็นเชื้อเพลิงสำหรับเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ได้

พลูโทเนียมไนไตรด์, PuN - ผลึกสีเทา (เป็นสีดำ) โดยมีตาข่ายลูกบาศก์ที่อยู่ตรงกลางใบหน้าของประเภท NaCl (0 = 0.4905 nm, z = 4, กลุ่มพื้นที่ Ptzm; พารามิเตอร์ขัดแตะจะเพิ่มขึ้นตามเวลาภายใต้อิทธิพลของมันเอง รังสี); T pl.=2589° (มีการสลายตัว); ความหนาแน่น 14350 กก./ลบ.ม. มีค่าการนำความร้อนสูง ที่ อุณหภูมิสูง(~1boo°) ระเหยได้ (พร้อมการสลายตัว) ได้มาจากการทำปฏิกิริยาพลูโทเนียมกับไนโตรเจนที่อุณหภูมิ 6oo° หรือด้วยส่วนผสมของไฮโดรเจนและแอมโมเนีย (ความดัน 4 kPa) พลูโทเนียมที่เป็นผง PuN จะออกซิไดซ์ในอากาศที่อุณหภูมิห้อง และเปลี่ยนเป็น Pu0 2 อย่างสมบูรณ์หลังจากผ่านไป 3 วัน พลูโทเนียมหนาแน่นจะออกซิไดซ์อย่างช้าๆ (0.3% ใน 30 วัน) มันไฮโดรไลซ์ช้าๆ น้ำเย็นและรวดเร็ว - เมื่อถูกความร้อนขึ้นรูป Pu0 2; ละลายได้ง่ายในกรดไฮโดรคลอริกและกรดซัลฟิวริกเจือจางเพื่อสร้างเกลือ Pu(III) ที่สอดคล้องกัน ตามแรงกระทำต่อพลูโทเนียมไนไตรด์ กรดสามารถจัดเรียงได้เป็นอนุกรม HN0 3 >HC1>H 3 P0 4 >>H 2 S04>HF สามารถใช้เป็นเชื้อเพลิงเครื่องปฏิกรณ์ได้

พลูโทเนียมฟลูออไรด์มีหลายชนิด: PuF 3, PuF 4, PuF6

พลูโตเนียมเตตราฟลูออไรด์ PuF 4 - สาร สีชมพูหรือคริสตัลสีน้ำตาลระบบโมโนคลินิก รูปร่างไม่เท่ากันกับ Zr, Hf, Th, U, Np และ Ce tetrafluoride Г PL = 1037 0, Г к, «1 = 1277°. ละลายได้ไม่ดีในน้ำและตัวทำละลายอินทรีย์ แต่ละลายได้ง่ายในสารละลายในน้ำเมื่อมีเกลือ Ce(IV), Fe(III), Al(III) หรือไอออนที่สร้างสารเชิงซ้อนที่เสถียรด้วยไอออนฟลูออรีน ตะกอนสีชมพู PuF 4 -2.5H 2 0 ได้มาจากการตกตะกอนด้วยกรดไฮโดรฟลูออริกจากสารละลายที่เป็นน้ำของเกลือ Pu(III) สารประกอบนี้จะคายน้ำเมื่อถูกความร้อนถึง 350 เมตร กระแส HF

PuF 4 เกิดขึ้นจากการกระทำของไฮโดรเจนฟลูออไรด์ต่อพลูโทเนียมไดออกไซด์เมื่อมีออกซิเจนอยู่ที่ 550° ตามปฏิกิริยา:

พียูเอฟ 4 สามารถรับได้โดยการบำบัด PuF 3 ด้วยฟลูออรีนที่ 300 0 หรือโดยการให้ความร้อนเกลือ Pu(III) หรือ Pu(IV) และการไหลของไฮโดรเจนฟลูออไรด์ จากสารละลายที่เป็นน้ำของ Pu(IV) PuF 4 จะถูกตกตะกอนด้วยกรดไฮโดรฟลูออริกในรูปของตะกอนสีชมพูที่มีองค์ประกอบ 2PuF 4 H 2 0 PuF 4 ตกตะกอนร่วมกับ LaF 3 เกือบทั้งหมด เมื่อถูกความร้อนในอากาศถึง 400 0 PuF 4 จะกลายเป็น Pu0 2

พลูโทเนียมเฮกซาฟลูออไรด์ PuFe - ผลึกระเหยที่อุณหภูมิห้องมีสีน้ำตาลอมเหลือง (ที่อุณหภูมิต่ำ - ไม่มีสี) ของโครงสร้างออร์โธฮอมบิก Gpl = 52° ที เคเอ็นพี =b2°ที่ความดันบรรยากาศ ความหนาแน่น 5,060 kgm-z ความร้อนของการระเหิด 12.1 kcal/mol ความร้อนของการระเหย = 7.4 kcal mol * 1 ความร้อนของการหลอม = 4.71 kcal/mol มีแนวโน้มที่จะเกิดการกัดกร่อนมากและไวต่อการสลายตัวของรังสีอัตโนมัติ PuFe เป็นของเหลวที่มีจุดเดือดต่ำ มีความเสถียรทางความร้อนน้อยกว่ามากและมีความผันผวนน้อยกว่า UF6 ไอ PuFe มีสีเหมือน NO 2 ของเหลวมีสีน้ำตาลเข้ม สารฟลูออรีนที่แข็งแกร่งและสารออกซิไดซ์ ทำปฏิกิริยาอย่างรุนแรงกับน้ำ ไวต่อความชื้นอย่างมาก c H 2 0 ในเวลากลางวันสามารถทำปฏิกิริยาอย่างรุนแรงด้วยแสงวาบเพื่อสร้าง Pu0 2 และ PuF 4 PuFe ควบแน่นที่ -195 0 บนน้ำแข็ง เมื่อได้รับความร้อนจะค่อยๆ ไฮโดรไลซ์เป็น Pu0 2 โฟ Compact PuFe จะสลายตัวตามธรรมชาติเนื่องจากการแผ่รังสีของพลูโทเนียม

ได้ UF6 โดยการบำบัด PuF 4 หรือ Pu0 2 ด้วยฟลูออรีนที่ 6004-700°

การเติมฟลูออรีนของ PuF 4 ด้วยฟลูออรีนที่ 7004-800° เกิดขึ้นอย่างรวดเร็วและเป็นปฏิกิริยาคายความร้อน เพื่อหลีกเลี่ยงการสลายตัว PuF6 ที่เกิดขึ้นจะถูกกำจัดออกจากโซนร้อนอย่างรวดเร็ว - แช่แข็งหรือการสังเคราะห์จะดำเนินการในการไหลของฟลูออรีน ซึ่งจะกำจัดผลิตภัณฑ์ออกจากปริมาตรของปฏิกิริยาอย่างรวดเร็ว

ปู่ฟ้าก็ได้ รับคืนทุน:

มี Pu(III), Pu(IV) และ Pu(VII) ไนเตรต: Pu(N0 3) 3, Pu(N0 3) 4 และ Pu0 2 (N0 3) 2 ตามลำดับ

พลูโตเนียมไนเตรต, Pu(N0 3) 4 *5H 2 0 ได้มาจากการระเหยของสารละลาย Pu(IV) ไนเตรตเข้มข้นอย่างช้าๆ (เป็นเวลาหลายเดือน) ที่อุณหภูมิห้อง ละลายได้ดีใน HN0 3 และน้ำ (สารละลายกรดไนตริกสีเข้ม สีเขียว, สีน้ำตาล). ละลายได้ในอะซิโตน อีเทอร์ และไตรบิวทิลฟอสเฟต สารละลายของพลูโตเนียมไนเตรตและไนเตรตโลหะอัลคาไลในกรดไนตริกเข้มข้นเมื่อระเหยจะปล่อยไนเตรตสองเท่า Me 2 [Pu(N0 3)b] โดยที่ Me + =Cs +, Rb +, K +, Th +, C 9 H 7 NH + , C 5 H 5 NH + , NH 4 + .

พลูโทเนียม (IV) ออกซาเลต, Pu(C 2 0 4) 2 -6H 2 0 เป็นผงทราย (บางครั้งมีสีเหลืองเขียว) ไอโซมอร์ฟิกที่มี U(C 2 0 4)-6H 2 0 พลูโทเนียมออกซาเลตเฮกซาไฮเดรตละลายได้ไม่ดีใน กรดแร่และดีในสารละลายออกซาเลตและคาร์บอเนตของแอมโมเนียมหรือโลหะอัลคาไลด้วยการก่อตัวของสารประกอบเชิงซ้อน ตกตะกอนด้วยกรดออกซาลิกจากไนเตรต (สารละลาย i.5 * 4.5M HNO.0 ของ Pu (IV):

มันจะคายน้ำเมื่อถูกความร้อนในอากาศถึง 0° ซึ่งสูงกว่า 400 0 จะสลายตัว:

ในสารประกอบ พลูโตเนียมมีสถานะออกซิเดชันตั้งแต่ +2 ถึง +7 ในสารละลายที่เป็นน้ำจะก่อตัวเป็นไอออนที่สอดคล้องกับสถานะออกซิเดชันตั้งแต่ +3 ถึง +7 ในกรณีนี้ ไอออนของสถานะออกซิเดชันทั้งหมด ยกเว้น Pu(VII) สามารถอยู่ในสารละลายพร้อมกันในสภาวะสมดุล ไอออนพลูโตเนียมในสารละลายผ่านการไฮโดรไลซิสและก่อตัวเป็นสารประกอบเชิงซ้อนได้ง่าย ความสามารถในการสร้างสารประกอบเชิงซ้อนเพิ่มขึ้นในซีรีย์ Pu5 +

ไอออน Pu(IV) มีความเสถียรที่สุดในสารละลาย Pu(V) ไม่ได้สัดส่วนกับ Pu(lV) และ Pu(Vl) สถานะวาเลนซ์ของ Pu(VI) เป็นคุณลักษณะของสารละลายน้ำออกซิไดซ์อย่างแรง และสอดคล้องกับพลูโทนิลไอออน Pu0 2 2+ ไอออนพลูโตเนียมที่มีประจุ 3 + และ 4 + มีอยู่ในสารละลายในน้ำในกรณีที่ไม่มีการไฮโดรไลซิสและการก่อตัวที่ซับซ้อนในรูปของแคตไอออนที่มีน้ำสูง Pu(V) และ Pu(VI) ในสารละลายที่เป็นกรดคือแคตไอออนที่มีออกซิเจนประเภท M0 2 + และ M0 2 2+

สถานะออกซิเดชันของพลูโทเนียม (III, IV, V และ VI) สอดคล้องกับสถานะไอออนิกต่อไปนี้ในสารละลายที่เป็นกรด: Pu 3+, Pu4 +, Pu0 2 2+ และ Pu0 5 3 เนื่องจาก "ความใกล้ชิดของศักยภาพการเกิดออกซิเดชันของพลูโทเนียม ไอออนซึ่งกันและกัน" ในสารละลาย ไอออนพลูโตเนียมสามารถดำรงอยู่ในสภาวะสมดุลได้พร้อมๆ กัน องศาที่แตกต่างกันออกซิเดชัน. นอกจากนี้ยังสังเกตความไม่สมส่วนของ Pu(IV) และ Pu(V):

อัตราความไม่สมส่วนจะเพิ่มขึ้นตามความเข้มข้นและอุณหภูมิของพลูโตเนียมที่เพิ่มขึ้น

โซลูชัน Reese+ มีสีฟ้าม่วง ในคุณสมบัติของมัน Rts + นั้นใกล้เคียงกับธาตุหายาก ไฮดรอกไซด์ ฟลูออไรด์ ฟอสเฟต และออกซาเลตของมันไม่ละลายน้ำ Pu(IV) คือสถานะพลูโทเนียมที่เสถียรที่สุดในสารละลายที่เป็นน้ำ Pu(IV) มีแนวโน้มที่จะเกิดการก่อตัวที่ซับซ้อนด้วยกรดไนตริก ซัลฟิวริก ไฮโดรคลอริก อะซิติก และกรดอื่นๆ ดังนั้น ในกรดไนตริกเข้มข้น Pu(IV) จึงเกิดเป็นสารเชิงซ้อน Pu(N0 3)5- และ Pu(G) 3)6 2" ในสารละลายที่เป็นน้ำ Pu(IV) จะถูกไฮโดรไลซ์ได้ง่าย พลูโตเนียมไฮดรอกไซด์ (สีเขียว) มีแนวโน้มที่จะเกิดขึ้นได้ง่าย ฟลูออไรด์ที่ไม่ละลายน้ำ, ไฮดรอกไซด์, ออกซาเลต, ไอโอเดต Pu (IV) . Pu (IV) ตกตะกอนได้ดีกับไฮดรอกไซด์ที่ไม่ละลายน้ำ, แลนทานัมฟลูออไรด์, Zr, Th, Ce ไอโอเดต, Zr และ Bi ฟอสเฟต, Th, U (IV), Bi, ลาออกซาเลต Pu(IV) ก่อตัวเป็นฟลูออไรด์และซัลเฟตสองเท่าโดยมี Na, K, Rb, Cs และ NH 4 + Pu(ได้มาจากสารละลายประมาณ 2 M ของ HN0 3 โดยการผสมสารละลายของ Pu(III) และ Pu(VI) . จากเกลือของ Pu(VI) ที่น่าสนใจคือโซเดียม plutonylacetate NaPu0 2 (C 2 H 3 0 2) 3 และแอมโมเนียม plutonylacetate NH 4 Pu0 2 (C 2 H 3 0 2) ซึ่งมีโครงสร้างคล้ายคลึงกับสารประกอบที่สอดคล้องกัน U , Np และที่

ศักยภาพในการออกซิเดชันอย่างเป็นทางการของพลูโทเนียม (เป็น V) ในสารละลาย lM ของ HC10 4:

ความเสถียรของสารเชิงซ้อนที่เกิดขึ้นจากไอออนของแอคติไนด์จะลดลงตามลำดับต่อไปนี้: M4 + >M0 2+ >M3 + >M0 2 2+ > M0 2+ เช่น เพื่อลดศักยภาพไอออนิก ความสามารถของแอนไอออนในการสร้างสารเชิงซ้อนด้วยแอคติไนด์ไอออนจะลดลงสำหรับแอนไอออนที่มีประจุเดี่ยว - ฟลูออไรด์ > ไนเตรต > คลอไรด์ > เปอร์คลอเรต; สำหรับแอนไอออนคาร์บอเนต>ออกซาเลต>ซัลเฟตที่มีประจุสองเท่า ไอออนเชิงซ้อนจำนวนมากเกิดขึ้นจากสารอินทรีย์

ทั้ง Pu(IV) และ Pu(VI) ได้รับการสกัดอย่างดีจากสารละลายที่เป็นกรดด้วยเอทิลอีเทอร์, TBP, ไดไอโซโพรพิลคีโตน เป็นต้น สารเชิงซ้อนที่มีรูปทรงเล็บ เช่น a-thenoyltrifluoroacetone, p-diketone, cupferone จะถูกสกัดอย่างดีด้วย ตัวทำละลายอินทรีย์ไม่มีขั้ว การสกัดสารเชิงซ้อน Pu(IV) ด้วย a-thenoyltrifluoroacetone (TTA) ทำให้สามารถชำระพลูโทเนียมจากสิ่งเจือปนส่วนใหญ่ได้ รวมถึงแอคติไนด์และธาตุหายาก

สารละลายที่เป็นน้ำของไอออนพลูโตเนียมในสถานะต่างๆ มีสีดังต่อไปนี้: Pu(III) เป็นชิ้น + (สีน้ำเงินหรือลาเวนเดอร์); Pu(IV) เป็น Pc4* (น้ำตาลเหลือง); Pu(VI) เป็น Pu0 2 2+ (ชมพูส้ม) Pu(V) เช่นเดียวกับ Pu0 2+ ในตอนแรกจะเป็นสีชมพู แต่เมื่อสารละลายไม่เสถียร ไอออนนี้จึงไม่สมส่วนเป็น Pu 4+ และ Pu0 2 2+; จากนั้น Pu 4+ จะถูกออกซิไดซ์ โดยย้ายจาก Pu0 2 + เป็น Pu0 2 2+ และรีดิวซ์เป็น Pu 3+ ดังนั้นสารละลายพลูโทเนียมที่เป็นน้ำเมื่อเวลาผ่านไปจึงกลายเป็นส่วนผสมของ PCS + และ Pu0 2 2+ Pu(VII) เช่น Pu0 5 2 - (สีน้ำเงินเข้ม)

ในการตรวจจับพลูโทเนียม จะใช้วิธีเรดิโอเมตริก โดยอาศัยการวัดรังสีของพลูโทเนียมและพลังงานของมัน วิธีการนี้มีความไวค่อนข้างสูง: อนุญาต ค้นพบ 0.0001 ไมโครกรัม 2 39Pi หากมีตัวปล่อย α อื่นๆ ในตัวอย่างที่วิเคราะห์ การระบุพลูโตเนียมสามารถทำได้โดยการวัดพลังงานของอนุภาค α โดยใช้ α-สเปกโตรมิเตอร์

วิธีการทางเคมีและเคมีกายภาพหลายวิธีในการวัดคุณภาพพลูโทเนียมใช้ความแตกต่างในคุณสมบัติของรูปแบบเวเลนซ์ของพลูโทเนียม ไอออน Pu(III) ในสารละลายน้ำที่มีความเข้มข้นพอสมควรสามารถตรวจพบได้ด้วยสีฟ้าสดใส ซึ่งแตกต่างจากสีเหลืองน้ำตาลของสารละลายน้ำที่มีไอออน Pu(IV) อย่างมาก

สเปกตรัมการดูดกลืนแสงของสารละลายเกลือพลูโทเนียมในสถานะออกซิเดชันต่างๆ มีแถบการดูดกลืนแสงที่จำเพาะและแคบ ซึ่งทำให้สามารถระบุรูปแบบเวเลนซ์และตรวจจับรูปแบบใดรูปแบบหนึ่งต่อหน้ารูปแบบอื่นได้ การดูดกลืนแสงสูงสุดที่เป็นลักษณะเฉพาะที่สุดของ Pu(III) อยู่ในช่วง 600 และ 900 mmk, Pu(IV) - 480 และ 66 mmk, Pu(V) - 569 mmk และ Pu(VI) 830+835 mmk

แม้ว่าพลูโตเนียมจะเป็นพิษทางเคมี เช่นเดียวกับโลหะหนักอื่นๆ แต่ผลกระทบนี้ถือว่าน้อยมากเมื่อเทียบกับความเป็นพิษทางรังสี คุณสมบัติที่เป็นพิษของพลูโทเนียมปรากฏเป็นผลมาจากกัมมันตภาพรังสี

สำหรับ 2 วินาที 8 Pu, 2 39Pu, 24op U) 242p u> 244Pu กลุ่มอันตรายจากการแผ่รังสี A, MZA=z,7-uz Bq; สำหรับ 2 4>Pu และ 2 43Pu กลุ่มอันตรายจากรังสี B, MZA = 3.7-104 Bq. หากความเป็นพิษทางรังสีวิทยาคือ 2 3 และถือเป็นเอกภาพ ตัวบ่งชี้เดียวกันสำหรับพลูโตเนียมและองค์ประกอบอื่น ๆ บางอย่างจะเกิดเป็นอนุกรม: 235U 1.6 - 2 39Pu 5.0 - 2 4 1 เป็น 3.2 - 9"ซีอาร์ 4.8 - ^Ra 3.0. จะเห็นได้ว่าพลูโทเนียมไม่ใช่สิ่งที่อันตรายที่สุดในบรรดานิวไคลด์กัมมันตภาพรังสี

มาดูกันสั้นๆว่า การผลิตภาคอุตสาหกรรมพลูโตเนียม

ไอโซโทปพลูโทเนียมผลิตขึ้นในเครื่องปฏิกรณ์ยูเรเนียมกำลังสูงโดยใช้นิวตรอนช้าโดยใช้ปฏิกิริยา (p, y) และในเครื่องปฏิกรณ์ผสมพันธุ์ที่ใช้นิวตรอนเร็ว ไอโซโทปพลูโทเนียมยังผลิตได้ในเครื่องปฏิกรณ์พลังงานอีกด้วย ในตอนท้ายของศตวรรษที่ 20 โลกผลิตพลูโทเนียมได้ทั้งหมด -1,300 ตัน โดยในจำนวนนี้ประมาณ 300 ตันสำหรับการใช้อาวุธ ส่วนที่เหลือเป็นผลพลอยได้จากโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ (พลูโทเนียมในเครื่องปฏิกรณ์)

สิ่งที่ทำให้พลูโทเนียมเกรดอาวุธแตกต่างจากพลูโทเนียมเกรดเครื่องปฏิกรณ์นั้นไม่ได้อยู่ที่ระดับของการเสริมสมรรถนะและ องค์ประกอบทางเคมีองค์ประกอบของไอโซโทปจำนวนเท่าใดซึ่งขึ้นอยู่กับวิธีที่ซับซ้อนทั้งเวลาในการฉายรังสียูเรเนียมด้วยนิวตรอนและเวลาในการจัดเก็บหลังจากการฉายรังสี เนื้อหาของไอโซโทป 24°Pu และ 2 4'Pu มีความสำคัญอย่างยิ่ง แม้ว่า ระเบิดปรมาณูสามารถสร้างขึ้นได้ในเนื้อหาใด ๆ ของไอโซโทปเหล่านี้ในพลูโทเนียมอย่างไรก็ตามการมีอยู่ของ 2 4 « p u ใน 239r จะเป็นตัวกำหนดคุณภาพของอาวุธเพราะ พื้นหลังนิวตรอนและปรากฏการณ์เช่นการเติบโตของมวลวิกฤตและความร้อนที่ขึ้นอยู่กับมัน พื้นหลังของนิวตรอนส่งผลกระทบต่ออุปกรณ์ระเบิดโดยการจำกัดมวลรวมของพลูโทเนียมและความจำเป็นในการบรรลุความเร็วการระเบิดที่สูง ดังนั้นระเบิดแบบเก่าจึงจำเป็นต้องมีเนื้อหาต่ำที่ 2 4หรือและ แต่โครงการออกแบบที่ "สูง" จะใช้พลูโทเนียมที่มีความบริสุทธิ์ทุกประเภท ดังนั้นคำว่า "พลูโตเนียมเกรดอาวุธ" จึงไม่มีความหมายทางการทหาร นี่คือพารามิเตอร์ทางเศรษฐกิจ: การออกแบบระเบิด "สูง" มีราคาแพงกว่าการออกแบบระเบิด "ต่ำ" อย่างมาก

เมื่อส่วนแบ่งของ 24op U) เพิ่มขึ้น ราคาของพลูโทเนียมจะลดลงและมวลวิกฤติก็เพิ่มขึ้น ปริมาณ Pu 24°P 7% ทำให้ต้นทุนโดยรวมของพลูโทเนียมต่ำที่สุด องค์ประกอบโดยเฉลี่ยของพลูโตเนียมเกรดอาวุธ: 93.4% 239 Ri, 6.o%

24°ปู่ และ 0.6% 241 ปู่ พลังงานความร้อนของพลูโตเนียมดังกล่าวคือ 2.2 วัตต์/กก. ระดับของฟิชชันที่เกิดขึ้นเองคือ 27100 ฟิชชัน/วินาที ระดับนี้อนุญาตให้ใช้พลูโตเนียม 4 กิโลกรัมในอาวุธที่มีความน่าจะเป็นต่ำมากที่จะเกิดการระเบิดล่วงหน้าในระบบการระเบิดที่ดี หลังจากผ่านไป 20 ปี Pu ส่วนใหญ่จะเปลี่ยนเป็น ^'At ซึ่งช่วยเพิ่มการปลดปล่อยความร้อนได้อย่างมาก - มากถึง 2.8 W/kg เนื่องจาก 241 Pu มีความแตกตัวสูง แต่ 241 At ไม่ใช่ จะทำให้ค่าปฏิกิริยาของพลูโตเนียมลดลง การแผ่รังสีนิวตรอนจากพลูโทเนียมเกรดอาวุธหนัก 5 กิโลกรัม 300,000 นิวตรอน/วินาที สร้างระดับรังสี 0.003 rad/ชั่วโมง ที่ระยะ 1 เมตร พื้นหลังจะลดลง 10 เท่าโดยตัวสะท้อนแสงและวัตถุระเบิดที่อยู่รอบๆ อย่างไรก็ตาม การที่เจ้าหน้าที่ซ่อมบำรุงสัมผัสกับอุปกรณ์ระเบิดนิวเคลียร์เป็นเวลานานระหว่างการบำรุงรักษาอาจส่งผลให้ได้รับปริมาณรังสีเท่ากับขีดจำกัดรายปี

เนื่องจากความแตกต่างเล็กน้อยในมวล 2 - "* 9 Pu และ 24 ° Pu ไอโซโทปเหล่านี้จึงไม่ถูกแยกออกจากกัน วิธีการทางอุตสาหกรรมการเพิ่มคุณค่า แม้ว่าจะสามารถแยกออกได้โดยใช้เครื่องแยกแม่เหล็กไฟฟ้า อย่างไรก็ตาม การรับ 2 zeRi ที่บริสุทธิ์ยิ่งขึ้นจะง่ายกว่าโดยการลดเวลาที่ใช้ในเครื่องปฏิกรณ์ *z*i ไม่มีเหตุผลที่จะลดปริมาณ 24 °Pi ให้เหลือน้อยกว่า 6% เนื่องจากความเข้มข้นนี้ไม่รบกวนการสร้างตัวกระตุ้นที่มีประสิทธิภาพสำหรับประจุแสนสาหัส

นอกจากพลูโทเนียมเกรดอาวุธแล้ว ยังมีพลูโทเนียมเกรดเครื่องปฏิกรณ์อีกด้วย พลูโทเนียมจากเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ใช้แล้วประกอบด้วยไอโซโทปหลายชนิด องค์ประกอบขึ้นอยู่กับประเภทของเครื่องปฏิกรณ์และโหมดการทำงาน ค่าทั่วไปสำหรับเครื่องปฏิกรณ์แบบน้ำเบา: 2 × 8 Pu - 2%, 239Pu - 61%, 24 °Pll - 24%, 24iPu - 10%, 242 Pll - 3% เป็นเรื่องยากที่จะสร้างระเบิดจากพลูโทเนียมดังกล่าว (แทบจะเป็นไปไม่ได้เลยสำหรับผู้ก่อการร้าย) แต่ในประเทศที่มีเทคโนโลยีที่พัฒนาแล้ว พลูโตเนียมจากเครื่องปฏิกรณ์สามารถนำมาใช้เพื่อผลิตประจุนิวเคลียร์ได้

โต๊ะ 4. ลักษณะของพลูโทเนียมประเภท

องค์ประกอบไอโซโทปของพลูโทเนียมที่สะสมในเครื่องปฏิกรณ์ขึ้นอยู่กับระดับการเผาไหม้เชื้อเพลิง จากไอโซโทปหลักทั้ง 5 ชนิดที่เกิดขึ้น มี 2 ไอโซโทปที่เป็นเลขคี่ ซี- 2 39Pi และ 24,Pi สามารถฟิชชันได้ เช่น สามารถเกิดฟิชชันได้ภายใต้อิทธิพลของเทอร์มอลนิวตรอน และสามารถใช้เป็นเชื้อเพลิงในเครื่องปฏิกรณ์ได้ ในกรณีที่ใช้พลูโทเนียมเป็นเชื้อเพลิงในเครื่องปฏิกรณ์ ปริมาณสะสม 2 39 Ri และ 241 Ri มีความสำคัญ ถ้าพลูโทเนียมที่นำกลับมาใช้แล้วจากเชื้อเพลิงใช้แล้วถูกนำกลับมาใช้ใหม่ในเครื่องปฏิกรณ์นิวตรอนเร็ว องค์ประกอบของไอโซโทปจะค่อยๆ ไม่เหมาะสมสำหรับการใช้อาวุธ หลังจากรอบเชื้อเพลิงหลายรอบ การสะสมของ 2 × 8 Pu, #2 4″ Pu และ ^ 2 Pu ทำให้ไม่เหมาะสมสำหรับจุดประสงค์นี้ การผสมวัสดุดังกล่าวเป็นวิธีที่สะดวกในการ "ทำให้สภาพ" พลูโตเนียมเสียสภาพ และทำให้มั่นใจได้ว่าวัสดุฟิสไซล์จะไม่ขยายตัว

พลูโทเนียมทั้งเกรดอาวุธและเกรดเครื่องปฏิกรณ์มี ^Pu อยู่บ้าง ^'Pu สลายตัวเป็น 24' Am โดยการปล่อยอนุภาค p เนื่องจากลูกสาว 241 At มีครึ่งชีวิตยาวนานกว่าอย่างมีนัยสำคัญ (432 ลิตร) มากกว่ารุ่นแม่ 241 Pu (14.4 ลิตร) ปริมาณประจุในประจุ (หรือในขยะ NFC) จะเพิ่มขึ้นเมื่อ ^'Pu สลายตัว รังสี y ที่เกิดขึ้นใน อันเป็นผลมาจากการสลายตัวของ 241 Am ซึ่งแข็งแกร่งกว่าของ 241 Pu มาก ดังนั้นมันจึงเพิ่มขึ้นเมื่อเวลาผ่านไป ความเข้มข้นของ ®4phi และระยะเวลาในการจัดเก็บมีความสัมพันธ์โดยตรงกับระดับรังสี y ที่เกิดจากการเพิ่มขึ้น ในเนื้อหา 24'As. พลูโทเนียมไม่สามารถเก็บไว้ได้นาน - เมื่อใช้งานแล้วจะต้องใช้ ไม่เช่นนั้น จะต้องนำไปรีไซเคิลอีกซึ่งใช้เวลานานและมีราคาแพงอีกครั้ง

โต๊ะ 5. คุณลักษณะบางประการของพลูโทเนียมเกรดอาวุธและเกรดเครื่องปฏิกรณ์

ไอโซโทป 2 39Pu ที่สำคัญที่สุดในทางปฏิบัติผลิตขึ้นในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ในระหว่างการฉายรังสีนิวตรอนในระยะยาวของยูเรเนียมธรรมชาติหรือยูเรเนียมเสริมสมรรถนะ:

น่าเสียดายที่ปฏิกิริยานิวเคลียร์อื่น ๆ ก็เกิดขึ้นเช่นกันซึ่งนำไปสู่การเกิดขึ้นของไอโซโทปพลูโทเนียมอื่น ๆ : 2 - 38 Pu, a4หรือ u, 24 Phi และ 242 Pu ซึ่งการแยกจาก 2 39Rc แม้ว่าจะแก้ไขได้ แต่ก็เป็นงานที่ยากมาก : :

เมื่อยูเรเนียมถูกฉายรังสีโดยนิวตรอนของเครื่องปฏิกรณ์ จะเกิดไอโซโทปทั้งเบาและหนักของพลูโทเนียมขึ้น ก่อนอื่นให้เราพิจารณาการก่อตัวของไอโซโทปพลูโทเนียมที่มีมวลน้อยกว่า 239

นิวตรอนส่วนเล็กๆ ที่ปล่อยออกมาระหว่างฟิชชันมีพลังงานเพียงพอที่จะกระตุ้นปฏิกิริยา 2 3 8 U(n,2n) 2 3?u. 237 U เป็น p-emitter และด้วย T',/ 2 =6.8 วันจะกลายเป็น 2 37Np ที่มีอายุยืนยาว ไอโซโทปนี้ในเครื่องปฏิกรณ์กราไฟท์บนยูเรเนียมธรรมชาติก่อตัวขึ้นในปริมาณ 0.1% ของจำนวนทั้งหมดที่เกิดขึ้นพร้อมกัน 2 39Pu การจับนิวตรอนช้าด้วย 2 3?Np ทำให้เกิดการก่อตัวของ 2 3 8 Np ภาพตัดขวางของปฏิกิริยานี้คือ 170 โรงนา ปฏิกิริยาลูกโซ่มีลักษณะดังนี้:

เนื่องจากมีนิวตรอนสองตัวเข้ามาเกี่ยวข้องที่นี่ ผลผลิตจึงเป็นสัดส่วนกับกำลังสองของปริมาณรังสี และอัตราส่วนของปริมาณ 238 Pu ต่อ 2 39Pu จึงเป็นสัดส่วนกับอัตราส่วน 2 39Pu ถึง 238 U สัดส่วนไม่ได้ถูกสังเกตอย่างเคร่งครัดเนื่องจาก ความล่าช้าในการก่อตัวของ 23?Np เกี่ยวข้องกับครึ่งชีวิตของระยะเวลา 6.8 วันของ ^U แหล่งที่มาที่สำคัญน้อยกว่าของการก่อตัวของ 238 Pu ใน 2 39Pu คือการสลายตัวของ 242 St ซึ่งก่อตัวในเครื่องปฏิกรณ์ยูเรเนียม 238 Pu คือ เกิดขึ้นจากปฏิกิริยา:

เนื่องจากนี่เป็นปฏิกิริยานิวตรอนลำดับที่สาม อัตราส่วนของปริมาณ 2 3 8 Pu ที่เกิดขึ้นในลักษณะนี้ต่อ 2 39 Pu จึงเป็นสัดส่วนกับกำลังสองของอัตราส่วน * 3 8 Pu ต่อ 2 3 8 U อย่างไรก็ตาม ห่วงโซ่นี้ ปฏิกิริยาจะมีความสำคัญมากขึ้นเมื่อทำงานกับยูเรเนียมที่เสริมสมรรถนะใน ^u

ความเข้มข้น 2 × 8 Pu ในตัวอย่างที่มี 5.6% 24 °Pu คือ 0.0115% ค่านี้มีส่วนสำคัญพอสมควรต่อฤทธิ์รวมของยา เนื่องจาก ^Pu ที/2= 86.4 ลิตร

การมีอยู่ของ 2 6 Pu ในพลูโตเนียมที่ผลิตในเครื่องปฏิกรณ์มีความเกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาหลายประการ:

ผลผลิตของ 2 3 6 Pu ในระหว่างการฉายรังสียูเรเนียมคือ ~ω-9-io" 8%

จากมุมมองของการสะสมของพลูโทเนียมในยูเรเนียม การเปลี่ยนแปลงหลักเกี่ยวข้องกับการก่อตัวของไอโซโทป 2 39Pu แต่ปฏิกิริยาข้างเคียงอื่นๆ ก็มีความสำคัญเช่นกัน เนื่องจากปฏิกิริยาเหล่านี้เป็นตัวกำหนดผลผลิตและความบริสุทธิ์ของผลิตภัณฑ์เป้าหมาย ปริมาณสัมพัทธ์ของไอโซโทปหนัก 240 Pu, ^Phi, 242 Pu รวมถึง 23Pu, 2 37Np และ ^"เถ้าขึ้นอยู่กับปริมาณของการฉายรังสีนิวตรอนของยูเรเนียม (เวลาคงอยู่ของยูเรเนียมในเครื่องปฏิกรณ์) ภาพตัดขวาง สำหรับการดักจับนิวตรอนด้วยไอโซโทปพลูโทเนียมมีขนาดใหญ่พอที่จะทำให้เกิดปฏิกิริยาต่อเนื่อง (n, y) แม้ที่ความเข้มข้นต่ำที่ 2 39Pu ในยูเรเนียม

โต๊ะ 6. องค์ประกอบไอโซโทปของพลูโตเนียมที่แยกได้จากการฉายรังสีนั่นเอง บัลลังก์ของยูเรเนียมธรรมชาติ _

241 Pu เกิดขึ้นระหว่างการฉายรังสียูเรเนียมด้วยนิวตรอนเปลี่ยนเป็น 241 As ซึ่งถูกปล่อยออกมาในระหว่างการประมวลผลเทคโนโลยีเคมีของบล็อกยูเรเนียม (อย่างไรก็ตาม 241 At จะค่อยๆสะสมอีกครั้งในพลูโทเนียมบริสุทธิ์) ตัวอย่างเช่น กิจกรรม a-activity ของพลูโทเนียมโลหะซึ่งมี 7.5% 24 °Pu เพิ่มขึ้น 2% หลังจากผ่านไปหนึ่งปี (เนื่องจากการก่อตัวเป็น 24, At) 24, Pu มีส่วนตัดขวางฟิชชันขนาดใหญ่สำหรับนิวตรอนของเครื่องปฏิกรณ์ ซึ่งมีจำนวน ถึง - โรงถ่ายมูล ซึ่งมีความสำคัญเมื่อใช้พลูโทเนียมเป็นเชื้อเพลิงในเครื่องปฏิกรณ์

ถ้ายูเรเนียมหรือพลูโตเนียมถูกฉายรังสีนิวตรอนรุนแรง การสังเคราะห์แอกติไนด์เล็กน้อยจะเริ่มต้นขึ้น:

เกิดจาก 2 4*Pu, 2 4*Am ทำปฏิกิริยากับนิวตรอนตามลำดับ กลายเป็น 2 3 8 Pu และ 2 4 2 Pu:

กระบวนการนี้เปิดโอกาสให้ได้การเตรียมพลูโทเนียมที่มีรังสี y ค่อนข้างต่ำ

ข้าว. 6. การเปลี่ยนแปลงอัตราส่วนของไอโซโทปพลูโทเนียมในระหว่างการฉายรังสีระยะยาวที่ 2 39Pu โดยมีฟลักซ์นิวตรอน 3*10*4 n/cm 2 s

ดังนั้น ไอโซโทปที่มีอายุยืนยาวของพลูโทเนียม - ^Pu และ 2 44Pu จึงถูกสร้างขึ้นในระหว่างการฉายรังสีระยะยาว (ประมาณหนึ่งร้อยวันหรือมากกว่า) ด้วยนิวตรอน 2 39Pu ในกรณีนี้ อัตราผลตอบแทนของ 2 4 2 Pu สูงถึงหลายสิบเปอร์เซ็นต์ ในขณะที่ปริมาณของ 2 44 Pu ที่เกิดขึ้นคือเศษส่วนของเปอร์เซ็นต์ของ ^Pu ในเวลาเดียวกันจะได้รับ Am, Cm และทรานสพลูโทเนียมอื่น ๆ รวมถึงองค์ประกอบการกระจายตัว

ในการผลิตพลูโทเนียม ยูเรเนียม (ในรูปของโลหะ) จะถูกฉายรังสีในเครื่องปฏิกรณ์อุตสาหกรรม (ความร้อนหรือเร็ว) ซึ่งมีข้อดีคือความหนาแน่นของนิวตรอนสูง อุณหภูมิต่ำ และความเป็นไปได้ของการฉายรังสีในระยะเวลาที่สั้นกว่ามาก การรณรงค์เครื่องปฏิกรณ์

ปัญหาหลักที่เกิดขึ้นระหว่างการผลิตพลูโตเนียมเกรดอาวุธในเครื่องปฏิกรณ์คือการเลือกเวลาที่เหมาะสมที่สุดในการฉายรังสียูเรเนียม ความจริงก็คือไอโซโทป 238 ซึ่งประกอบเป็นยูเรเนียมธรรมชาติจำนวนมาก จับนิวตรอนก่อตัวเป็น 239Pu ในขณะที่ 2333 รองรับปฏิกิริยาลูกโซ่ฟิชชัน เนื่องจากการก่อตัวของไอโซโทปหนักของพลูโตเนียมจำเป็นต้องมีการจับนิวตรอนเพิ่มเติม ปริมาณของไอโซโทปดังกล่าวในยูเรเนียมจึงเติบโตช้ากว่าปริมาณ 2 39Pu ยูเรเนียมถูกฉายรังสีในเครื่องปฏิกรณ์ เวลาอันสั้นมีจำนวน 2 39Pu เพียงเล็กน้อย แต่มีความบริสุทธิ์มากกว่าการเปิดรับแสงเป็นเวลานาน เนื่องจากไอโซโทปหนักที่เป็นอันตรายไม่มีเวลาสะสม อย่างไรก็ตาม 2 39Рц นั้นอยู่ภายใต้ฟิชชันและด้วยความเข้มข้นที่เพิ่มขึ้นในเครื่องปฏิกรณ์ อัตราการแปลงสภาพของมันจะเพิ่มขึ้น ดังนั้นจะต้องกำจัดยูเรเนียมออกจากเครื่องปฏิกรณ์หลายสัปดาห์หลังจากการเริ่มฉายรังสี

ข้าว. 7- การสะสมของไอโซโทปพลูโทเนียมในเครื่องปฏิกรณ์: l - ^Pu; 2 - 240 Pu (ในช่วงเวลาสั้น ๆ จะเกิดพลูโทเนียมเกรดอาวุธ และในระยะเวลานานจะเกิดพลูโทเนียมเกรดเครื่องปฏิกรณ์ กล่าวคือ ไม่เหมาะสำหรับการใช้อาวุธ)

อัตราการฉายรังสีโดยรวมของเซลล์เชื้อเพลิงแสดงเป็นเมกะวัตต์วัน/ตัน พลูโทเนียมเกรดอาวุธผลิตจากธาตุที่มี MW-day/t ในปริมาณเล็กน้อย และผลิตไอโซโทปผลพลอยได้น้อยกว่า เซลล์เชื้อเพลิงในเครื่องปฏิกรณ์น้ำแรงดันสูงสมัยใหม่มีปริมาณถึงระดับ 33,000 MW-day/t โดยทั่วไปการสัมผัสในเครื่องปฏิกรณ์แบบ Breeder คือ 100 MW-วัน/ตัน ในระหว่างโครงการแมนฮัตตัน เชื้อเพลิงยูเรเนียมธรรมชาติได้รับเพียง 100 MW-day/t ดังนั้นจึงผลิตได้คุณภาพสูงมาก 239 Ri (รวม 1 % 2 4°พล).