Plütonyumun özgül ağırlığı. Silah sınıfı plütonyum: uygulama, üretim, imha. Doğada olmak, almak

Erkek çocuk ebeveynleri çeşitli durumlara hazırlıklı olmalıdır. acil durumlarÇocuğunuz plütonyum bulursa ne yapacağınızı bilmek bile çocuğunuza zarar vermez.

Plütonyum neye benziyor?

Öncelikle oğlunuzun bulacağı şeyin neye benzeyeceğini hayal etmeniz gerekir. Temizlendiğinde ışıl ışıl parlayan, toz halinde, çok çok ağır, gümüş renkli bir metaldir. Ancak elektronegatif özellikleri sayesinde uzun süre parlak kalmaz: önce solar, sonra açık sarı bir filmle kaplanır ve bu film yavaş yavaş koyu mora dönüşür.

Gümüşi beyaz toza benzeyen başka ne olabileceğini düşünün, çünkü plütonyumu bir salıncağın veya kaydırağın yakınında bulamazsınız. Ve bir inşaat alanına tırmansa bile, çocuk bir avuç plütonyum yerine bir parça telin ya da çivinin sahibi olmayı tercih ediyor.

Yine de bir çocuk, tarif edilen ağır metal olduğunu düşündüğünüz şeyi eve getirirse, acilen polisi veya Acil Durumlar Bakanlığı'nın yerel departmanını aramanız gerekir, çünkü madde radyoaktif, tehlikelidir ve hızlı bir şekilde çıkarılıp saklanması gerekir. uzak.

Bir “bulmaya” hemen tepki vermeniz gerekir. Bu, bir arkadaşınızı arayıp öğrenebileceğiniz bir yaşam durumu değil. Sonuçta salatalık, ekşi olanlar bile en fazla akut ishal nedeniyle tehlikelidir. Ve eğer kapağı açıldıktan sonra onları yemeyecek kadar akıllıysanız, o zaman genel olarak sağlığınıza bir engel teşkil etmezler.

Plütonyumun insan vücudu üzerindeki etkisi

Plütonyum (Pu) ekşi salatalık kadar zararsız değildir. Ağır bir metaldir ve bu nedenle kimyasal olarak toksik bir madde olmalıdır. Ancak asıl tehlike radyotoksisitede yattığından bu özellik yeterince açıklanmamıştır. Toksisitesi alfa radyoaktivitesinden kaynaklanmaktadır.

Bir alfa parçacığı, yalnızca kaynağı insan vücudundaysa vücut için tehlikelidir. Basitçe söylemek gerekirse, radyoaktif etkinin oluşması için bu metalin yutulması gerekir. Dışarıdan Pu, insanları nötronlar ve gama ışınlarıyla etkiliyor ancak düşük seviyeleri nedeniyle fazla zarar vermiyor.

Alfa parçacıkları insan vücudu yalnızca doğrudan temas halinde oldukları dokulara zarar verir. Yüksek radyasyon seviyelerinde akut zehirlenme gelişir ve hemen toksik etki ortaya çıkar. Düşük radyasyon seviyeleri vücuda yavaş yavaş zarar vererek kansere yatkınlık yaratır.

Pu sindirim sisteminde zayıf bir şekilde emilir. Metali çözünebilir tuz formunda alsanız bile emilme eğilimi göstermez, bağırsak içeriğine karışır. Plütonyumun büyük bir kısmı kirli sudan vücuda girmiyor; sulu çözeltilerden çökelerek çözünmeyen bileşikler oluşturuyor.

Birkaç gün veya bir hafta içinde akut maruziyetten ölmek için 500 mg Pu yemelisiniz. Aynı zamanda iyi doğranmış bir formda olması gerekir. Akciğerlerine 100 mg plütonyum soluyan bireyleri 10 güne kadar akciğer ödeminden ölüm tehdit ediyor. Vücuttaki daha küçük Pu dozları, kanserin ortaya çıkması ve ilerlemesi için verimli bir zemin oluşturur.

İnsanların ihtiyacı var mı

239Pu izotopu, hızlı ve termal nötronlarla çalışan güç reaktörleri için nükleer yakıt formunda kullanılır. 239Pu izotopu nükleer silah üretiminde de vazgeçilmezdir.

Dünyanın dört bir yanına dağılmış nükleer santraller dünya elektriğinin yaklaşık %15'ini üretiyor.

Pu-236 içeren atomik elektrik pillerinin kullanım ömrü 5 yıla kadardır. Doktorlar bu tür pilleri, hastaların göğsüne dikilen ve kalbin kasılmasına neden olan kalp pillerinde kullanıyor.
Pu-238, insanların uzayı keşfetmek için kullandığı uzay araçları için önemli bir güç kaynağıdır.

Büyüleyici gerçekler

Meraklı çocuklara, gerçek hayatta bulacak kadar şanslı olamayacakları plütonyum hakkında unutulmaz gerçekler anlatılabilir.

Deniz organizmaları bu elementi güçlü bir şekilde biriktirir; plankton - alg - balık midesi - denizyıldızı - balık kılçığı karışımı dizisinde biriktirme kapasitesi azalır.

Pu-244, transuranyum elementlerinin uzun ömürlü bir izotopudur. Yarı ömrü 82,8 milyon yıldır!

Alaşıma plütonyum eklerseniz tek bir çatlak bile olmayan bir döküm elde edersiniz. Bu özellik metalurjistler tarafından aktif olarak kullanılmaktadır.

Nükleer bomba patlayıcıları plütonyumdan yapılıyor. Metal o kadar ağır ki, 10*10 cm'lik bir küpün içine gizlenebilen küçük bir plütonyum topu 5-6 kilogram ağırlığında.

Her ebeveyn, oğullarının plütonyumu bulmamasını ve eve getirmemesini, daha zararsız oyuncaklarla huzur içinde oynamasını diler.

Video: RID-1'den Plütonyum-239

Plütonyum (Latince Plütonyum, Pu sembolü) - radyoaktif kimyasal element atom numarası 94, atom ağırlığı 244.064'tür. Plütonyum, Dmitry Ivanovich Mendeleev'in periyodik tablosunun III. Grubunun bir elementidir ve aktinit ailesine aittir. Plütonyum, gümüşi beyaz renkli, ağır (normal koşullar altında yoğunluğu 19,84 g/cm³) kırılgan bir radyoaktif metaldir.

Plütonyumun kararlı izotopları yoktur. Plütonyumun olası yüz izotopundan yirmi beşi sentezlendi. Bunlardan on beşinin nükleer özellikleri incelendi (kütle numaraları 232-246). Dördü pratik uygulama buldu. En uzun ömürlü izotoplar 244Pu (yarı ömür 8,26-107 yıl), 242Pu (yarı ömür 3,76-105 yıl), 239Pu (yarı ömür 2,41-104 yıl), 238Pu (yarı ömür 87,74 yıl) - α- yayıcılar ve 241Pu (yarı ömür 14 yıl) - β-yayıcı. Doğada plütonyum, uranyum cevherlerinde (239Pu) ihmal edilebilir miktarlarda bulunur; kaynakları a parçacıklarının hafif elementlerle (cevherlere dahil) etkileşimi sırasında meydana gelen reaksiyonlar, uranyum çekirdeklerinin kendiliğinden fisyonu ve kozmik radyasyon olan nötronların etkisi altında uranyumdan oluşur.

Doksan dördüncü element, Glenn Seaborg, Kennedy, Edwin McMillan ve Arthur Wahl adlı bir grup Amerikalı bilim adamı tarafından 1940 yılında Berkeley'de (Kaliforniya Üniversitesi'nde) uranyum oksit (U3O8) hedefini yüksek oranda hızlandırılmış döteryum çekirdekleriyle bombalarken keşfedildi. (döteronlar) altmış inçlik bir siklotrondan. Mayıs 1940'ta plütonyumun özellikleri Lewis Turner tarafından tahmin edildi.

Aralık 1940'ta, ~90 yıllık yarı ömre sahip plütonyum izotopu Pu-238 keşfedildi ve bunu bir yıl sonra ~24.000 yıllık yarı ömre sahip daha önemli Pu-239 izledi.

1948'de Edwin MacMillan, yeni gezegen Plüton'un keşfi onuruna ve Neptün'ün keşfinden sonra adlandırılan neptunyuma benzetilerek kimyasal elemente plütonyum adını vermeyi önerdi.

Metalik plütonyum (239Pu izotop) nükleer silahlarda kullanılır ve termal ve özellikle hızlı nötronlarla çalışan güç reaktörlerinde nükleer yakıt olarak görev yapar. 239Pu'nun metal olarak kritik kütlesi 5,6 kg'dır. Diğer şeylerin yanı sıra, 239Pu izotopu elde etmek için başlangıç ​​malzemesidir. nükleer reaktörler Transplütonyum elementleri. 238Pu izotopu, uzay araştırmalarında kullanılan küçük boyutlu nükleer güç kaynaklarının yanı sıra insan kalp uyarıcılarında da kullanılıyor.

Plütonyum-242 göreceli olarak “hammadde” olarak önemlidir. hızlı birikim nükleer reaktörlerde daha yüksek transuranik elementler. δ-stabilize edilmiş plütonyum alaşımları, ısıtıldığında faz geçişine uğrayan saf plütonyumla karşılaştırıldığında daha iyi metalürjik özelliklere sahip olduklarından yakıt hücrelerinin üretiminde kullanılır. Plütonyum oksitler uzay teknolojisi için bir enerji kaynağı olarak kullanılıyor ve yakıt çubuklarında uygulamalarını buluyor.

Tüm plütonyum bileşikleri zehirlidir ve bu da α radyasyonunun bir sonucudur. Alfa parçacıkları, kaynağının enfeksiyon kapmış bir kişinin vücudunda olması durumunda ciddi tehlike oluşturur; vücudun çevre dokularına zarar verir. Plütonyumdan gelen gama radyasyonu vücut için tehlikeli değildir. Plütonyumun farklı izotoplarının farklı toksisitelere sahip olduğu dikkate alınmalıdır; örneğin tipik reaktör plütonyumu, güçlü bir alfa radyasyon kaynağı olan 240Pu nüklidlerin hakim olduğu için saf 239Pu'dan 8-10 kat daha toksiktir. Plütonyum, tüm aktinitlerin en radyotoksik elementidir, ancak radyum, plütonyumun en zehirli izotopu olan 239Pu'dan neredeyse bin kat daha tehlikeli olduğundan, en tehlikeli elementten uzak kabul edilir.

Biyolojik özellikler

Plütonyum deniz organizmaları tarafından konsantre edilir: Bu radyoaktif metalin birikim katsayısı (vücuttaki ve dış ortamdaki konsantrasyon oranı) algler için 1000-9000, plankton için - yaklaşık 2300, denizyıldızı için - yaklaşık 1000, yumuşakçalar için - Balığın kasları, kemikleri, karaciğeri ve midesi için 380'e kadar - sırasıyla 5, 570, 200 ve 1060. Kara bitkileri plütonyumu esas olarak aşağıdaki yollarla emer: kök sistem ve bunu kütlelerinin %0,01'ine kadar biriktirirler. İnsan vücudunda doksan dördüncü element esas olarak iskelette ve karaciğerde tutulur ve buradan neredeyse hiç atılmaz (özellikle kemiklerden).

Plütonyum oldukça zehirlidir ve kimyasal tehlikesi (diğer ağır metaller gibi), alfa radyasyonunun bir sonucu olan radyoaktif zehirliliğine kıyasla çok daha zayıftır (kimyasal açıdan kurşun gibi zehirlidir). Ayrıca, a-partiküllerinin nüfuz etme yeteneği nispeten düşüktür: 239Pu için a-partiküllerinin havadaki aralığı 3,7 cm ve yumuşak biyolojik dokuda 43 μm'dir. Bu nedenle alfa parçacıkları, kaynağının enfekte bir kişinin vücudunda olması durumunda ciddi bir tehlike oluşturur. Aynı zamanda elementi çevreleyen vücut dokularına da zarar verirler.

Aynı zamanda plütonyumun da yaydığı ve vücuda dışarıdan nüfuz edebilen γ ışınları ve nötronlar, seviyeleri sağlığa zarar vermeyecek kadar düşük olduğundan çok tehlikeli değildir. Plütonyum, özellikle yüksek radyotoksisiteye sahip bir element grubuna aittir. Aynı zamanda, plütonyumun farklı izotopları farklı toksisiteye sahiptir; örneğin, tipik reaktör plütonyumu, güçlü bir alfa radyasyon kaynağı olan 240Pu nüklidlerin hakim olduğu için saf 239Pu'dan 8-10 kat daha toksiktir.

Plütonyum, su ve yiyecek yoluyla yutulduğunda kafein, bazı vitaminler, psödoefedrin ve birçok bitki ve mantar gibi maddelerden daha az toksiktir. Bu, bu elementin, çözünebilir bir tuz formunda sağlandığında bile gastrointestinal sistem tarafından zayıf bir şekilde emilmesiyle açıklanmaktadır; aynı tuz, mide ve bağırsakların içeriği tarafından da bağlanır. Bununla birlikte, ince bölünmüş veya çözünmüş halde 0,5 gram plütonyumun yutulması, akut radyasyon maruziyeti nedeniyle ölüme yol açabilir. sindirim sistemi birkaç gün veya hafta boyunca (siyanür için bu değer 0,1 gramdır).

Solunum açısından plütonyum sıradan bir toksindir (kabaca cıva buharına eşdeğerdir). Plütonyum solunduğunda kanserojendir ve akciğer kanserine neden olabilir. Yani, akciğerlerde tutulmak için optimal büyüklükte (1-3 mikron) parçacıklar formundaki yüz miligram plütonyum, solunduğunda 1-10 gün içinde akciğer ödeminden ölüme yol açar. Yirmi miligramlık bir doz, yaklaşık bir ay içinde fibrozdan ölüme yol açar. Daha küçük dozlar kronik kanserojen zehirlenmeye yol açar. Plütonyumun aerosol oluşumuna yatkın olması nedeniyle plütonyumun vücuda solunması tehlikesi artmaktadır.

Metal olmasına rağmen oldukça uçucudur. Metalin bir odada kısa süre kalması, havadaki konsantrasyonunu önemli ölçüde artırır. Akciğerlere giren plütonyumun bir kısmı akciğer yüzeyine yerleşir, bir kısmı kana, bir kısmı da lenf ve kemik iliğine geçer. Çoğu (yaklaşık %60'ı) kemik dokusunda, %30'u karaciğerde kalır ve yalnızca %10'u atılır. doğal olarak. Vücuda giren plütonyum miktarı, aerosol parçacıklarının boyutuna ve kandaki çözünürlüğüne bağlıdır.

İnsan vücuduna bir şekilde giren plütonyum, özellikleri bakımından ferrik demire benzer, bu nedenle dolaşım sistemine nüfuz eden plütonyum, demir içeren dokularda yoğunlaşmaya başlar: kemik iliği, karaciğer, dalak. Vücut plütonyumu demir olarak algılar, bu nedenle transferrin proteini demir yerine plütonyumu alır ve bunun sonucunda vücuttaki oksijen transferi durur. Mikrofajlar plütonyumu lenf düğümlerine taşır. Vücuda giren plütonyumun vücuttan atılması çok uzun zaman alır; 50 yıl içinde sadece %80'i vücuttan atılır. Karaciğerden yarılanma ömrü 40 yıldır. Kemik dokusu için plütonyumun yarı ömrü 80-100 yıldır; aslında doksan dördüncü elementin kemiklerdeki konsantrasyonu sabittir.

İkinci Dünya Savaşı boyunca ve sonrasında, Manhattan Projesi'nde çalışan bilim adamlarının yanı sıra Üçüncü Reich ve diğer araştırma kuruluşlarındaki bilim adamları, hayvanlar ve insanlar üzerinde plütonyum kullanarak deneyler yaptılar. Hayvan çalışmaları, bir kilogram doku başına birkaç miligram plütonyumun ölümcül bir doz olduğunu göstermiştir. İnsanlarda plütonyumun kullanımı genellikle kronik hastalığı olan hastalara kas içine enjekte edilen 5 mcg plütonyumdan oluşuyordu. Sonunda bir hasta için öldürücü dozun bir mikrogram plütonyum olduğu ve plütonyumun radyumdan daha tehlikeli olduğu ve kemiklerde birikme eğiliminde olduğu belirlendi.

Bilindiği gibi plütonyum doğada hemen hemen bulunmayan bir elementtir. Ancak 1945-1963 döneminde yapılan nükleer denemeler sonucunda bunun yaklaşık beş tonu atmosfere salındı. 1980'li yıllardan önce yapılan nükleer denemeler nedeniyle atmosfere salınan toplam plütonyum miktarının 10 ton olduğu tahmin ediliyor. Bazı tahminlere göre, Amerika Birleşik Devletleri'ndeki toprak, serpinti km2'si başına ortalama 2 miliküri (28 mg) plütonyum içeriyor ve Pasifik Okyanusu'ndaki plütonyumun varlığı, nükleer malzemelerin dünyadaki genel dağılımına göre daha yüksek.

En son olay, ABD'nin 1950'lerin ortalarında Marshall Adaları'ndaki Pasifik Test Sahasındaki nükleer denemeleriyle ilişkilidir. Plütonyumun yüzey okyanus sularında kalma süresi 6 ila 21 yıl arasında değişmektedir, ancak bu süreden sonra bile plütonyum, mikrobiyal ayrışma sonucu çözünebilir formlara indirgendiği biyojen parçacıklarla birlikte dibe düşer.

Doksan dördüncü elementle ilgili küresel kirlilik, yalnızca nükleer testlerle değil, aynı zamanda üretimdeki kazalarla ve bu elementle etkileşime giren ekipmanlarla da ilişkilidir. Böylece Ocak 1968'de dört nükleer savaş başlığı taşıyan bir ABD Hava Kuvvetleri B-52'si Grönland'a düştü. Patlama sonucunda yükler imha edildi ve plütonyum okyanusa sızdı.

24 Ocak 1978'de Sovyet uzay aracı Kosmos-954'te bir kaza sonucu çevrenin radyoaktif kirlenmesine ilişkin bir başka vaka meydana geldi. Kontrolsüz bir yörüngeden çıkma sonucu, içinde nükleer güç kaynağı bulunan bir uydu Kanada topraklarına düştü. Kaza sonucunda bir kilogramdan fazla plütonyum-238 çevreye salınarak yaklaşık 124.000 m² alana yayıldı.

Radyoaktif maddelerin acil olarak çevreye sızmasının en korkunç örneği, 26 Nisan 1986'da Çernobil nükleer santralinde meydana gelen kazadır. Dördüncü güç ünitesinin tahrip olması sonucunda yaklaşık 2200 km² alan üzerinde çevreye 190 ton radyoaktif madde (plütonyum izotopları dahil) salındı.

Plütonyumun çevreye salınması sadece insan kaynaklı olaylarla ilgili değildir. Hem laboratuvar hem de fabrika koşullarından plütonyum sızıntısı olduğu bilinen vakalar vardır. 235U ve 239Pu laboratuvarlarından yirmiden fazla kazara sızıntı olduğu biliniyor. 1953-1978 yılları arasında. kazalar 0,81 (Mayak, 15 Mart 1953) ila 10,1 kg (Tomsk, 13 Aralık 1978) 239Pu kaybına yol açtı. Los Alamos'ta endüstriyel olaylar, iki kaza ve 6,2 kg plütonyum kaybı nedeniyle (21 Ağustos 1945 ve 21 Mayıs 1946) toplam iki ölümle sonuçlandı. 1953 ve 1963'te Sarov şehrinde. yaklaşık 8 ve 17,35 kg nükleer reaktörün dışına düştü. Bunlardan biri 1953'te bir nükleer reaktörün tahrip olmasına yol açtı.

238Pu'luk bir çekirdek nötronlarla fisyona uğradığında, 200 MeV enerji açığa çıkar; bu, en ünlü ekzotermik reaksiyon olan C + O2 → CO2'den 50 milyon kat daha fazladır. Bir nükleer reaktörde "yanan" bir gram plütonyum 2.107 kcal üretir - bu, 4 ton kömürün içerdiği enerjidir. Enerji eşdeğeri olarak bir parça plütonyum yakıtı, kırk vagon iyi oduna eşdeğer olabilir!

Plütonyumun "doğal izotopunun" (244Pu) tüm uranyum ötesi elementlerin en uzun ömürlü izotopu olduğuna inanılıyor. Yarı ömrü 8,26∙107 yıldır. Bilim adamları uzun süredir 244Pu'dan daha uzun süre var olacak bir uranyum ötesi elementin izotopunu elde etmeye çalışıyorlardı - bu konuda büyük umutlar 247Cm'ye bağlanmıştı. Ancak sentezi sonrasında bu elementin yarı ömrünün sadece 14 milyon yıl olduğu ortaya çıktı.

Hikaye

1934 yılında Enrico Fermi liderliğindeki bir grup bilim adamı, Roma Üniversitesi'ndeki bilimsel çalışmalar sırasında seri numarası 94 olan bir kimyasal element keşfettiklerini açıkladı. Fermi'nin ısrarı üzerine elemente hesperium adı verildi, bilim adamı onun bu olduğuna ikna oldu. şimdi plütonyum olarak adlandırılan yeni bir element keşfetti, böylece uranyum ötesi elementlerin varlığını öne sürdü ve onların teorik kaşifi oldu. Fermi bu hipotezi 1938'deki Nobel konferansında savundu. Ancak Alman bilim adamları Otto Frisch ve Fritz Strassmann'ın nükleer fisyonu keşfetmesinden sonra Fermi, 1939'da Stockholm'de yayınlanan basılı versiyona "uranyum ötesi elementler sorununun tamamının" yeniden değerlendirilmesi gerektiğini belirten bir not yazmak zorunda kaldı. Gerçek şu ki, Frisch ve Strassmann'ın çalışması, Fermi'nin deneylerinde keşfettiği aktivitenin, daha önce inandığı gibi uranyum ötesi elementlerin keşfinden değil, tam olarak fisyondan kaynaklandığını gösterdi.

1940'ın sonunda yeni bir element olan doksan dördüncü keşfedildi. Olay Kaliforniya Üniversitesi'ndeki Berkeley'de yaşandı. Glenn T. Seaborg liderliğindeki bir grup Amerikalı radyokimyacı, uranyum oksidi (U3O8) ağır hidrojen çekirdekleriyle (döteronlar) bombardıman ederek, daha önce bilinmeyen, yarı ömrü 90 yıl olan bir alfa parçacığı yayıcıyı keşfetti. Bu yayıcının, kütle numarası 238 olan 94 numaralı elementin izotopu olduğu ortaya çıktı. Böylece 14 Aralık 1940'ta, diğer elementlerin ve bunların bileşiklerinin karışımıyla birlikte ilk mikrogram plütonyum miktarları elde edildi.

1940 yılında yapılan bir deney sırasında, nükleer reaksiyon sırasında kısa ömürlü izotop neptunyum-238'in ilk üretildiği (yarı ömür 2.117 gün) ve ondan plütonyum-238'in üretildiği bulundu:

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

Uzun ve emek yoğun kimyasal deneyler Yeni elementi yabancı maddelerden ayırmak iki ay sürdü. Yeni bir kimyasal elementin varlığı, 23-24 Şubat 1941 gecesi G. T. Seaborg, E. M. Macmillan, J. W. Kennedy ve A. C. Wall tarafından, ilk kimyasal özelliklerinin (en az iki oksidasyona sahip olma yeteneği) incelenmesiyle doğrulandı. devletler. Deneylerin bitiminden kısa bir süre sonra, bu izotopun bölünemez olduğu ve bu nedenle daha fazla çalışma için ilgi çekici olmadığı tespit edildi. Kısa süre sonra (Mart 1941), Kennedy, Seaborg, Segre ve Wahl, uranyumu bir siklotronda yüksek derecede hızlandırılmış nötronlarla ışınlayarak daha önemli bir izotop olan plütonyum-239'u sentezlediler. Bu izotop, neptunyum-239'un bozunmasıyla oluşur, alfa ışınları yayar ve 24.000 yıllık bir yarı ömre sahiptir. Elementin ilk saf bileşiği 1942'de elde edildi ve metalik plütonyumun ilk ağırlık miktarları 1943'te elde edildi.

Yeni element 94'ün adı 1948'de MacMillan tarafından önerildi; MacMillan, plütonyumun keşfinden birkaç ay önce F. Eibelson ile birlikte uranyumdan daha ağır ilk element olan 93 numaralı elementi elde etti ve bu elementin onuruna neptunyum adı verildi. Neptün gezegeninin Uranüs'ün ötesindeki ilk gezegen. Benzetme yaparak, Plüton gezegeni Uranüs'ten sonra ikinci olduğu için 94 numaralı elemente plütonyum adını vermeye karar verdiler. Buna karşılık Seaborg, yeni elemente "plütyum" adını vermeyi önerdi ancak daha sonra bu ismin "plütonyum" ile karşılaştırıldığında kulağa pek de hoş gelmediğini fark etti. Ayrıca yeni element için başka isimler de öne sürdü: Ultimium, extermium, o dönemde plütonyumun periyodik tablodaki son kimyasal element olacağı yönündeki hatalı yargı nedeniyle. Sonuç olarak elemente, güneş sistemindeki son gezegenin keşfinin onuruna “plütonyum” adı verildi.

Doğada olmak

Plütonyumun en uzun ömürlü izotopunun yarı ömrü 75 milyon yıldır. Rakam oldukça etkileyici ancak Galaksinin yaşı milyarlarca yılla ölçülüyor. Bundan, Evrendeki elementlerin büyük sentezi sırasında oluşan doksan dördüncü elementin birincil izotoplarının bugüne kadar hayatta kalma şansının olmadığı sonucu çıkıyor. Ancak bu, Dünya'da hiç plütonyum olmadığı anlamına gelmiyor. Uranyum cevherlerinde sürekli oluşur. Kozmik radyasyondan nötronların ve 238U çekirdeğinin kendiliğinden bölünmesiyle üretilen nötronların yakalanmasıyla, bu izotopun bazı - çok az - atomları 239U atomlarına dönüşür. Bu elementin çekirdekleri çok kararsızdır, elektron yayarlar ve böylece yüklerini arttırırlar ve ilk transuranyum elementi olan neptunyum oluşumu meydana gelir. 239Np de kararsızdır, çekirdeği de elektron yayar, yani sadece 56 saat içinde 239Np'nin yarısı 239Pu'ya dönüşür.

Bu izotopun yarı ömrü zaten çok uzundur ve 24.000 yılı bulmaktadır. Ortalama olarak 239Pu içeriği radyumun içeriğinden yaklaşık 400.000 kat daha azdır. Bu nedenle, yalnızca madencilik yapmak değil, "karasal" plütonyumu tespit etmek bile son derece zordur. Uranyum cevherlerinde küçük miktarlarda 239Pu (trilyon başına parça) ve bozunma ürünleri bulunabilir; örneğin Oklo, Gabon'daki (Batı Afrika) doğal nükleer reaktörde. "Doğal nükleer reaktör" olarak adlandırılan bu reaktörün, jeosferde şu anda aktinitlerin ve bunların fisyon ürünlerinin oluştuğu dünyadaki tek reaktör olduğu düşünülüyor. Modern tahminlere göre, bu bölgede birkaç milyon yıl önce, yarım milyon yıldan fazla süren, ısının salınmasıyla kendi kendine devam eden bir reaksiyon meydana geldi.

Dolayısıyla, uranyum cevherlerinde, nötronların uranyum çekirdekleri tarafından yakalanması sonucunda, β-bozunma ürünü doğal plütonyum-239 olan neptunyumun (239Np) oluştuğunu zaten biliyoruz. Özel aletler - kütle spektrometreleri - sayesinde, Prekambriyen bastnaesitesinde (seryum cevheri) en uzun yarı ömre sahip olan - yaklaşık 80 milyon yıl - plütonyum-244'ün (244Pu) varlığı keşfedildi. Doğada 244Pu ağırlıklı olarak dioksit (PuO2) formunda bulunur ve suda kumdan (kuvars) daha az çözünür. Nispeten uzun ömürlü izotop plütonyum-240 (240Pu), plütonyum-244'ün bozunma zincirinde olduğundan bozunması meydana gelir, ancak bu çok nadiren meydana gelir (10.000'de 1 vaka). Çok küçük miktarlarda plütonyum-238 (238Pu), uranyum cevherlerinde bulunan ana izotop uranyum-238'in çok nadir çift beta bozunmasından kaynaklanmaktadır.

Termonükleer bombaların patlamasından sonra toplanan tozda 247Pu ve 255Pu izotoplarının izleri bulundu.

Plütonyumla ilgili şu veya bu şekilde çok sayıda nükleer testin yapıldığı göz önüne alındığında, insan vücudunda varsayımsal olarak minimum miktarda plütonyum mevcut olabilir. Plütonyum esas olarak iskelette ve karaciğerde birikir ve buradan pratik olarak atılmaz. Ayrıca doksan dördüncü element deniz organizmaları tarafından biriktirilmektedir; Kara bitkileri plütonyumu esas olarak kök sistemi yoluyla emer.

Yapay olarak sentezlenmiş plütonyumun doğada hala var olduğu ortaya çıktı, öyleyse neden çıkarılmıyor ama elde ediliyor? yapay olarak? Gerçek şu ki, bu elementin konsantrasyonu çok düşük. Başka bir radyoaktif metal olan radyum hakkında şöyle diyorlar: “bir gram üretim - bir yıllık çalışma” ve radyum doğada plütonyumdan 400.000 kat daha fazla! Bu nedenle sadece maden çıkarmak değil, “karasal” plütonyumu tespit etmek bile son derece zordur. Bu ancak nükleer reaktörlerde üretilen plütonyumun fiziksel ve kimyasal özellikleri incelendikten sonra yapıldı.

Başvuru

239Pu izotopu (U ile birlikte), termal ve hızlı nötronlar (esas olarak) üzerinde çalışan güç reaktörlerinde ve ayrıca nükleer silah üretiminde nükleer yakıt olarak kullanılır.

Dünya çapında yaklaşık yarım bin nükleer santral yaklaşık 370 GW elektrik üretiyor (veya dünyanın toplam elektrik üretiminin %15'i). Plütonyum-236, kullanım ömrü beş yıl veya daha fazla olan atomik elektrik pillerinin üretiminde kullanılır, kalbi uyaran akım jeneratörlerinde (kalp pilleri) kullanılır. 238Pu, uzay araştırmalarında kullanılan küçük boyutlu nükleer güç kaynaklarında kullanılıyor. Dolayısıyla plütonyum-238, New Horizons, Galileo ve Cassini sondaları, Curiosity gezgini ve diğer uzay araçlarının güç kaynağıdır.

Nükleer silahlarda plütonyum-239 kullanılır çünkü bu izotop nükleer bombada kullanılmaya uygun tek nükliddir. Ayrıca plütonyum-239'un nükleer bombalarda daha sık kullanılması, plütonyumun küre içinde (bomba çekirdeğinin bulunduğu yer) daha az hacim kaplamasından kaynaklanmaktadır, dolayısıyla bombanın patlayıcı gücü bu sayede kazanılabilmektedir. mülk.

Plütonyum içeren bir nükleer patlamanın meydana gelme planı, çekirdeği 239Pu ile dolu bir küreden oluşan bombanın tasarımında yatmaktadır. Yere çarpma anında küre, tasarımı gereği ve bu küreyi çevreleyen patlayıcı madde sayesinde bir milyon atmosfere kadar sıkıştırılır. Çarpmanın ardından, çekirdek mümkün olan en kısa sürede hacim ve yoğunluk bakımından genişler - onlarca mikrosaniye, düzenek termal nötronlarla kritik durumdan atlar ve hızlı nötronlarla süperkritik duruma geçer - nükleer zincir reaksiyonu aşağıdakilerin katılımıyla başlar: Nötronlar ve elementin çekirdekleri. Bir nükleer bombanın son patlaması on milyonlarca derece civarında sıcaklık açığa çıkarır.

Plütonyum izotopları, transplütonyum (plütonyumun yanında) elementlerinin sentezinde kullanım alanı bulmuştur. Örneğin Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı'nda uzun süreli nötron ışınlaması ile 239Pu, 24496Cm, 24296Cm, 24997Bk, 25298Cf, 25399Es ve 257100Fm elde ediliyor. Aynı şekilde 24195Am ilk kez 1944 yılında elde edildi. 2010 yılında, kalsiyum-48 iyonlarıyla bombardıman edilen plütonyum-242 oksit, ununkuadyumun kaynağı olarak kullanıldı.

δ-Stabilize plütonyum alaşımları, yakıt çubuklarının imalatında kullanılır, çünkü ısıtıldığında faz geçişlerine uğrayan ve çok kırılgan ve güvenilmez bir malzeme olan saf plütonyumla karşılaştırıldığında önemli ölçüde daha iyi metalurjik özelliklere sahiptirler. Plütonyumun diğer elementlerle (intermetalik bileşikler) alaşımları genellikle elementlerin gerekli oranlarda doğrudan etkileşimi ile elde edilirken, esas olarak ark eritme kullanılır; bazen kararsız alaşımlar eriyiklerin püskürtülmesi veya soğutulması yoluyla elde edilir.

Plütonyum için ana endüstriyel alaşım elementleri galyum, alüminyum ve demirdir, ancak plütonyum nadir istisnalar dışında çoğu metalle (potasyum, sodyum, lityum, rubidyum, magnezyum, kalsiyum, stronsiyum, baryum, europium ve iterbiyum) alaşımlar ve ara ürünler oluşturma yeteneğine sahiptir. . Refrakter metaller: molibden, niyobyum, krom, tantal ve tungsten sıvı plütonyumda çözünür, ancak katı plütonyumda hemen hemen çözünmez veya az çözünür. İndiyum, silikon, çinko ve zirkonyum, hızlı soğutma üzerine yarı kararlı δ-plütonyum (δ"-fazı) oluşturma kapasitesine sahiptir. Galyum, alüminyum, amerikyum, skandiyum ve seryum, δ-plütonyumu stabilize edebilir. oda sıcaklığı.

Büyük miktarlarda holmiyum, hafniyum ve talyum, bir miktar δ-plütonyumun oda sıcaklığında depolanmasına izin verir. Neptunyum, α-plütonyumu yüksek sıcaklıklarda stabilize edebilen tek elementtir. Titanyum, hafniyum ve zirkonyum, oda sıcaklığında hızla soğutulduğunda β-plütonyumun yapısını stabilize eder. Bu tür alaşımların uygulamaları oldukça çeşitlidir. Örneğin, plütonyumun δ fazını stabilize etmek için bir plütonyum-galyum alaşımı kullanılır, bu da α-δ faz geçişini önler. Plütonyum-galyum-kobalt üçlü alaşımı (PuGaCo5), 18,5 K'de süper iletken bir alaşımdır. Nükleer yakıt olarak kullanılan çok sayıda alaşım (plütonyum-zirkonyum, plütonyum-seryum ve plütonyum-seryum-kobalt) vardır.

Üretme

Endüstriyel plütonyum iki şekilde üretilir. Bu, ya nükleer reaktörlerde bulunan 238U çekirdeklerin ışınlanması ya da plütonyumun kullanılmış yakıtta bulunan uranyumdan, uranyum ötesi elementlerden ve fisyon ürünlerinden radyokimyasal yöntemlerle (birlikte çökeltme, ekstraksiyon, iyon değişimi vb.) ayrılmasıdır.

İlk durumda, en pratik izotop 239Pu (küçük bir 240Pu karışımı ile karıştırılmış), nükleer reaktörlerde β-bozunması kullanılarak uranyum çekirdekleri ve nötronların katılımıyla ve bir ara fisyon ürünü olarak neptunyum izotoplarının katılımıyla üretilir:

23892U + 21D → 23893Np + 210n;

23893Np → 23894Pu

β bozunması

Bu süreçte bir döteron uranyum-238'e girerek neptunyum-238 ve iki nötronun oluşmasına neden olur. Neptunyum-238 daha sonra kendiliğinden bölünerek plütonyum-238'i oluşturan beta-eksi parçacıkları yayar.

Tipik olarak karışımdaki 239Pu içeriği %90-95, 240Pu ise %1-7'dir, diğer izotopların içeriği yüzde onda birini geçmez. Uzun yarı ömre sahip izotoplar - 242Pu ve 244Pu, 239Pu nötronlarıyla uzun süreli ışınlama yoluyla elde edilir. Ayrıca, 242Pu'nun verimi yüzde birkaç onluktur ve 244Pu, 242Pu içeriğinin yüzde birlik kısmıdır. Neptunyum-237 nötronlarla ışınlandığında az miktarda izotopik olarak saf plütonyum-238 oluşur. Kütle numaraları 232-237 olan plütonyumun hafif izotopları genellikle bir siklotronda uranyum izotoplarının a parçacıklarıyla ışınlanmasıyla elde edilir.

239Pu'nun endüstriyel üretiminin ikinci yöntemi, hafif bir seyreltici içinde tribütil fosfatla ekstraksiyona dayanan Purex işlemini kullanır. İlk döngüde Pu ve U, fisyon ürünlerinden ortaklaşa arıtılır ve daha sonra ayrılır. İkinci ve üçüncü döngülerde plütonyum daha da saflaştırılır ve konsantre edilir. Böyle bir prosesin şeması, ayrılan elementlerin tetra ve heksavalent bileşiklerinin özelliklerindeki farklılığa dayanmaktadır.

Başlangıçta kullanılmış yakıt çubukları sökülür ve kullanılmış plütonyum ve uranyum içeren kaplama fiziksel ve kimyasal yollarla çıkarılır. Daha sonra, çıkarılan nükleer yakıt nitrik asitte çözülür. Sonuçta, çözündüğünde güçlü bir oksitleyici maddedir ve uranyum, plütonyum ve yabancı maddeler oksitlenir. Sıfır değerliğe sahip plütonyum atomları Pu+6'ya dönüştürülür ve hem plütonyum hem de uranyum çözülür. Böyle bir çözeltiden doksan dördüncü element, kükürt dioksit ile üç değerlikli duruma indirgenir ve ardından lantan florür (LaF3) ile çökeltilir.

Bununla birlikte, çökelti plütonyumun yanı sıra neptunyum ve nadir toprak elementlerini de içerir, ancak büyük kısmı (uranyum) çözelti içinde kalır. Daha sonra plütonyum tekrar Pu+6'ya oksitlenir ve lantan florür tekrar eklenir. Şimdi nadir toprak elementleri çöküyor ve plütonyum çözelti içinde kalıyor. Daha sonra neptunyum, potasyum bromat ile dört değerlikli bir duruma oksitlenir, çünkü bu reaktifin plütonyum üzerinde hiçbir etkisi yoktur, daha sonra aynı lantan florür ile ikincil çökeltme sırasında, üç değerlikli plütonyum bir çökeltiye geçer ve neptunyum çözelti içinde kalır. Bu tür operasyonların son ürünleri, metalik plütonyumun elde edildiği (baryum, kalsiyum veya lityum buharı ile indirgeme yoluyla) plütonyum içeren bileşiklerdir - PuO2 dioksit veya florürler (PuF3 veya PuF4).

Daha saf plütonyum, pirokimyasal olarak üretilen metalin elektroliz hücrelerinde 700° C'de potasyum, sodyum ve plütonyum klorürden oluşan bir elektrolit ile bir tungsten veya tantal katot kullanılarak elektrolitik olarak rafine edilmesiyle elde edilebilir. Bu şekilde elde edilen plütonyumun saflığı %99,99'dur.

Büyük miktarlarda plütonyum üretmek için, "yetiştiriciler" adı verilen (İngilizce fiilden üremek - çoğalmak için) üreme reaktörleri inşa edilir. Bu reaktörler, bu malzemenin elde edilme maliyetini aşan miktarlarda bölünebilir malzeme üretme yeteneklerinden dolayı isimlerini almıştır. Bu tip reaktörler ile diğerleri arasındaki fark, mümkün olduğu kadar çoğunun 238U ile reaksiyona girmesi için içlerindeki nötronların yavaşlatılmamasıdır (örneğin, grafit moderatörü yoktur).

Reaksiyondan sonra 239U atomu oluşur ve bunlar daha sonra 239Pu'yu oluşturur. Tükenmiş uranyum dioksit (UO2) içinde PuO2 içeren böyle bir reaktörün çekirdeği, içinde 239Pu'nun oluştuğu daha da tükenmiş uranyum dioksit-238'den (238UO2) oluşan bir kabuk ile çevrilidir. 238U ve 235U'nun birlikte kullanılması, "yetiştiricilerin" doğal uranyumdan diğer reaktörlere göre 50-60 kat daha fazla enerji üretmesine olanak tanıyor. Ancak bu reaktörlerin büyük bir dezavantajı var; yakıt çubuklarının su dışında bir ortamla soğutulması gerekiyor, bu da enerjilerini azaltıyor. Bu nedenle soğutucu olarak sıvı sodyum kullanılmasına karar verildi.

Amerika Birleşik Devletleri'nde bu tür reaktörlerin inşası II. Dünya Savaşı'nın sona ermesinden sonra başladı, SSCB ve Büyük Britanya inşaatlarına ancak 1950'lerde başladı.

Fiziki ozellikleri

Plütonyum çok ağır (normal seviyede yoğunluk 19,84 g/cm³) gümüşi bir metaldir, saflaştırılmış halde nikele çok benzer, ancak plütonyum havada hızla oksitlenir, solar, yanardöner bir film oluşturur, önce açık sarı, sonra koyu mora dönüşür . Şiddetli oksidasyon meydana geldiğinde metal yüzeyinde zeytin yeşili oksit tozu (PuO2) belirir.

Plütonyum oldukça elektronegatif ve reaktif bir metaldir; hatta uranyumdan kat kat daha fazladır. Belirli bir sıcaklık aralığında ve belirli bir basınç aralığında değişen yedi allotropik modifikasyona (α, β, γ, δ, δ", ε ve ζ) sahiptir. Oda sıcaklığında plütonyum α formundadır - bu plütonyum için en yaygın allotropik modifikasyon Alfa fazında, saf plütonyum kırılgan ve oldukça serttir - bu yapı, alaşıma süneklik ve yumuşaklık kazandıracak diğer metallerle alaşımlanmadığı sürece yaklaşık olarak gri dökme demir kadar serttir. Bu en yüksek yoğunluklu formda, plütonyum altıncı en yoğun elementtir (Yalnızca osmiyum, iridyum, platin, renyum ve neptunyum daha ağırdır. Plütonyumun daha ileri allotropik dönüşümlerine yoğunlukta ani değişiklikler eşlik eder. Örneğin, 310'dan 480 ° C'ye ısıtıldığında) diğer metaller gibi genleşmez, fakat büzülür (delta fazları " ve "delta prime") Eritildiğinde (epsilon fazından sıvı faza geçiş), plütonyum da büzülür ve erimemiş plütonyumun yüzmesine izin verir.

Plütonyumun çok sayıda sıra dışı özelliği vardır: tüm metaller arasında en düşük ısı iletkenliğine sahiptir - 300 K'de 6,7 W/(m·K)'dir; plütonyum en düşük elektrik iletkenliğine sahiptir; Sıvı fazda plütonyum en viskoz metaldir. Doksan dördüncü elementin oda sıcaklığındaki direnci bir metal için çok yüksektir ve bu özellik sıcaklık azaldıkça artacaktır ki bu durum metaller için tipik değildir. Bu "anormallik" 100 K sıcaklığa kadar izlenebilir; bu işaretin altında elektrik direnci düşecektir. Ancak 20 K'den itibaren metalin radyasyon aktivitesi nedeniyle direnç yeniden artmaya başlar.

Plütonyum, şimdiye kadar incelenen tüm aktinitlerin arasında en yüksek elektriksel dirence sahiptir; bu değer 150 μΩ cm (22 °C'de)'dir. Bu metalin erime noktası düşük (640°C) ve olağandışı derecede yüksek kaynama noktasıdır (3227°C). Erime noktasına daha yakın olan sıvı plütonyum, diğer metallerle karşılaştırıldığında çok yüksek bir viskoziteye ve yüzey gerilimine sahiptir.

Radyoaktivitesi nedeniyle plütonyum dokunulamayacak kadar sıcaktır. Termal bir kabuktaki büyük bir plütonyum parçası, suyun kaynama noktasını aşan bir sıcaklığa kadar ısıtılır! Ek olarak, radyoaktivitesi nedeniyle plütonyum zamanla kristal kafesinde değişikliklere uğrar - 100 K'nin üzerindeki sıcaklık artışlarından dolayı kendi kendine ışınlanma nedeniyle bir tür tavlama meydana gelir.

Plütonyumda çok sayıda allotropik modifikasyonun bulunması, faz geçişleri nedeniyle işlenmesini ve piyasaya sürülmesini zorlaştıran bir metaldir. Alfa formunda doksan dördüncü elementin özellikleri bakımından dökme demire benzer olduğunu, ancak değişme ve dönüşme özelliğine sahip olduğunu zaten biliyoruz. plastik malzeme ve daha yüksek sıcaklık aralıklarında dövülebilir bir β-formu oluşturur. δ formundaki plütonyum genellikle 310 °C ila 452 °C arasındaki sıcaklıklarda stabildir, ancak düşük yüzdelerde alüminyum, seryum veya galyum katkılıysa oda sıcaklığında mevcut olabilir. Bu metallerle alaşım haline getirildiğinde plütonyum kaynakta kullanılabilir. Genel olarak, delta formu bir metalin daha belirgin özelliklerine sahiptir - mukavemet ve dövülebilirlik açısından alüminyuma yakındır.

Kimyasal özellikler

Doksan dördüncü elementin kimyasal özellikleri birçok bakımdan öncüllerinin özelliklerine benzer. periyodik tablo- uranyum ve neptunyum. Plütonyum oldukça aktif bir metaldir; +2'den +7'ye kadar oksidasyon durumlarına sahip bileşikler oluşturur. Sulu çözeltilerde element aşağıdaki oksidasyon durumlarını sergiler: Pu3+ olarak Pu (III) (asidik sulu çözeltilerde bulunur, açık mor renktedir); Pu (IV), Pu4+ olarak (çikolata rengi); Pu (V), PuO2+ (hafif çözelti) olarak; PuO22+ (açık turuncu çözelti) olarak Pu (VI) ve PuO53- (yeşil çözelti) olarak Pu(VII).

Ayrıca, bu iyonlar (PuO53- hariç) çözeltide aynı anda dengede olabilir, bu da elektron yörüngesinin lokalize ve lokalize olmayan bölgesinde yer alan 5f elektronlarının varlığıyla açıklanır. pH 5-8'de, diğer değerler (oksidasyon durumları) arasında en kararlı olan Pu(IV) baskındır. Tüm oksidasyon durumlarındaki plütonyum iyonları hidrolize ve kompleks oluşumuna eğilimlidir. Pu5+ serisinde bu tür bileşikler oluşturma yeteneği artar

Kompakt plütonyum havada yavaşça oksitlenir ve yanardöner, yağlı bir oksit filmi ile kaplanır. Aşağıdaki plütonyum oksitler bilinmektedir: PuO, Pu2O3, PuO2 ve değişken bileşimli Pu2O3 - Pu4O7 (Bertollides) fazı. Az miktarda nemin varlığında oksidasyon ve korozyon oranı önemli ölçüde artar. Bir metal yeterince uzun süre az miktarda nemli havaya maruz kalırsa yüzeyinde plütonyum dioksit (PuO2) oluşur. Oksijen eksikliği ile dihidriti (PuH2) de oluşabilir. Şaşırtıcı bir şekilde plütonyum, su buharı içeren inert bir gazın (argon gibi) atmosferinde, kuru hava veya saf oksijene göre çok daha hızlı paslanır. Aslında bu gerçeği açıklamak kolaydır; oksijenin doğrudan etkisi, plütonyumun yüzeyinde daha fazla oksidasyonu önleyen bir oksit tabakası oluşturur; nemin varlığı, gevşek bir oksit ve hidrit karışımı üretir. Bu arada, bu kaplama sayesinde metal piroforik hale gelir, yani kendiliğinden yanma kabiliyetine sahiptir, bu nedenle metalik plütonyum genellikle inert bir argon veya nitrojen atmosferinde işlenir. Oksijen aynı zamanda koruyucu bir maddedir ve nemin metali etkilemesini engeller.

Doksan dördüncü element asitlerle, oksijenle ve bunların buharlarıyla reaksiyona girer, ancak alkalilerle reaksiyona girmez. Plütonyum yalnızca çok asidik ortamlarda yüksek oranda çözünür (örneğin, hidroklorik asit HCl) ve ayrıca hidrojen klorür, hidrojen iyodür, hidrojen bromür, %72 perklorik asit, %85 fosforik asit H3PO4, konsantre CCl3COOH, sülfamik asit ve kaynayan konsantre nitrik asit içinde çözünür. Plütonyum alkali çözeltilerde gözle görülür şekilde çözünmez.

Dört değerlikli plütonyum içeren çözeltiler alkalilere maruz bırakıldığında, bazik özelliklere sahip plütonyum hidroksit Pu(OH)4 xH2O çökeltisi çöker. PuO2+ içeren tuzların çözeltileri alkalilere maruz bırakıldığında, amfoterik hidroksit PuO2OH. Tuzlar - plütonitler, örneğin Na2Pu2O6 ile yanıtlanır.

Plütonyum tuzları, nötr veya alkalin çözeltilerle temas ettiğinde kolayca hidrolize olur ve çözünmeyen plütonyum hidroksit oluşturur. Konsantre plütonyum çözeltileri, çökelmeye yol açan radyolitik ayrışma nedeniyle kararsızdır.

Plütonyum- üretimde yaygın olarak kullanılan aktinit grubunun radyoaktif bir kimyasal elementi nükleer silahlar("silah sınıfı plütonyum" olarak adlandırılan) ve ayrıca (deneysel olarak) sivil ve araştırma amaçlı nükleer reaktörler için nükleer yakıt olarak. Tartılmaya uygun miktarlarda elde edilen ilk yapay element (1942).

Sağdaki tablo, plütonyumun oda sıcaklığında ve normal basınçta ana allotropik modifikasyonu olan α-Pu'nun ana özelliklerini göstermektedir.

Plütonyumun tarihi

Plütonyum izotopu 238 Pu, ilk kez 23 Şubat 1941'de Glenn Seaborg liderliğindeki bir grup Amerikalı bilim adamı tarafından çekirdeklerin ışınlanmasıyla yapay olarak üretildi. uranyum döteronlar. Doğada plütonyumun ancak yapay üretimden sonra keşfedilmesi dikkat çekicidir: ihmal edilebilir miktarlarda, 239 Pu genellikle uranyumun radyoaktif dönüşümünün bir ürünü olarak uranyum cevherlerinde bulunur.

Doğada plütonyum bulma

Uranyum cevherlerinde, nötronların (örneğin kozmik radyasyondan gelen nötronların) uranyum çekirdeği tarafından yakalanması sonucu, neptunyum(239 Np), β-bozunma ürünü doğal plütonyum-239'dur. Ancak plütonyum o kadar mikroskobik miktarlarda oluşur ki (1012 birim U başına 0,4-15 birim Pu), uranyum cevherlerinden çıkarılması söz konusu olamaz.

ismin kökeni plütonyum

1930'da astronomi dünyası harika bir haberle heyecanlanmıştı: Astronom, matematikçi ve Mars'taki yaşam hakkında fantastik makalelerin yazarı Percival Lovell'in varlığından uzun süredir bahsettiği yeni bir gezegen keşfedilmişti. Uzun yıllar süren hareket gözlemlerine dayanmaktadır Uranüs Ve Neptün Lovell, güneş sistemindeki Neptün'ün ötesinde, Güneş'e Dünya'dan kırk kat daha uzakta başka bir dokuzuncu gezegen olması gerektiği sonucuna vardı.

Lovell'in 1915 yılında yörünge elemanlarını hesapladığı bu gezegen, 21, 23 ve 29 Ocak 1930'da gökbilimci K. Tombaugh tarafından Flagstaff Gözlemevi'nde çekilen fotoğraflarda keşfedildi ( Amerika Birleşik Devletleri) . Gezegenin adı verildi Plüton. 1940'ların sonunda yapay olarak çekirdeklerden elde edilen 94. element, adını Neptün'ün ötesinde güneş sisteminde bulunan bu gezegenden almıştır. atomlar uranyum G. Seaborg liderliğindeki bir grup Amerikalı bilim adamı.

Fiziki ozellikleri plütonyum

Plütonyumun 15 izotopu vardır - Kütle numaraları 238'den 242'ye kadar olan izotoplar en büyük miktarlarda üretilir:

238 Pu -> (yarı ömür 86 yıl, alfa bozunumu) -> 234 U,

Bu izotop neredeyse yalnızca uzay amaçlı RTG'lerde, örneğin Mars yörüngesinin ötesine geçen tüm araçlarda kullanılır.

239 Pu -> (yarı ömür 24.360 yıl, alfa bozunumu) -> 235 U,

Bu izotop, nükleer silahların ve hızlı nötron nükleer reaktörlerinin yapımı için en uygun olanıdır.

240 Pu -> (yarı ömür 6580 yıl, alfa bozunması) -> 236 U, 241 Pu -> (yarı ömür 14,0 yıl, beta bozunması) -> 241 Am, 242 Pu -> (yarı ömür 370.000 yıl, alfa) -bozunma) -> 238 U

Bu üç izotopun ciddi bir endüstriyel önemi yoktur, ancak uranyum kullanan nükleer reaktörlerde, birkaç nötronun uranyum-238 çekirdeği tarafından sıralı olarak yakalanması yoluyla enerji üretildiğinde yan ürünler olarak elde edilir. İzotop 242, nükleer özellikler açısından uranyum-238'e en çok benzeyendir. İzotop 241'in bozunması sonucu üretilen Amerikyum-241, duman dedektörlerinde kullanıldı.

Plütonyum ilginçtir çünkü katılaşma sıcaklığından oda sıcaklığına kadar diğer kimyasal elementlerden daha fazla altı faz geçişine uğrar. İkincisi ile yoğunluk aniden% 11 oranında artar ve bunun sonucunda plütonyum dökümleri çatlar. Alfa fazı, özellikleri tabloda verilen oda sıcaklığında stabildir. Uygulama için yoğunluğu daha düşük olan delta fazı ve kübik gövde merkezli kafes daha uygundur. Delta fazındaki plütonyum çok yumuşak, alfa fazı ise kırılgandır. Plütonyumu delta fazında stabilize etmek için üç değerlikli metallerle katkılama kullanılır (ilk nükleer yüklerde galyum kullanılmıştır).

Plütonyum uygulamaları

İlk plütonyum bazlı nükleer cihaz 16 Temmuz 1945'te Alamogordo test sahasında (test kod adı Trinity) patlatıldı.

Plütonyumun biyolojik rolü

Plütonyum oldukça zehirlidir; Açık su kütlelerinde ve çalışma odalarının havasında 239 Pu için izin verilen maksimum konsantrasyon sırasıyla 81,4 ve 3,3 * 10 −5 Bq/l'dir. Plütonyumun çoğu izotopu yüksek iyonlaşma yoğunluğuna ve kısa parçacık yolu uzunluğuna sahiptir, bu nedenle toksisitesi kimyasal özelliklerinden çok fazla değildir (plütonyum bu bakımdan muhtemelen diğer ağır metallerden daha toksik değildir), daha ziyade iyonlaştırıcı etkisinden kaynaklanmaktadır. çevredeki vücut dokularında. Plütonyum, özellikle yüksek radyotoksisiteye sahip bir element grubuna aittir. Plütonyum vücutta iskelet, karaciğer, dalak ve böbreklerde geri dönüşü olmayan büyük değişikliklere neden olur ve kansere neden olur. Vücutta izin verilen maksimum plütonyum içeriği bir mikrogramın onda birini geçmemelidir.

Konuyla ilgili eserler plütonyum

- Geleceğe Dönüş filmindeki De Lorean DMC-12 makinesinde geleceğe ya da geçmişe yolculuk yapacak bir flux akümülatörünün yakıtı olarak plütonyum kullanıldı.

— Tom Clancy'nin "All the Fears of the World" adlı eserinde ABD'nin Denver kentinde teröristler tarafından patlatılan atom bombasının patlayıcı maddesi plütonyumdan yapılmıştı.

- Kenzaburo Oe "Bir Tutam Koşucunun Notları"

— 2006'da Beacon Pictures Plütonyum-239 filmini yayınladı ( "Pu-239")

Entegre hızlı reaktör (IFR) yalnızca yeni bir reaktör türü değil, yeni bir yakıt döngüsüdür. İntegral hızlı reaktör, moderatörü olmayan hızlı bir nötron reaktörüdür. Sadece aktif bir bölgesi var ve battaniyesi yok.
IBR metal yakıt kullanıyor- uranyum ve plütonyumun bir alaşımı.
Yakıt döngüsü, piropişleme yoluyla doğrudan reaktörün kendisinde yakıt azaltımını kullanır. IBR piropişlemesinde, neredeyse saf uranyum katı bir katot üzerinde toplanır ve plütonyum, amerikyum, neptunyum, küriyum, uranyum ve bazı fisyon ürünlerinin bir karışımı, elektrolit tuzu içinde yüzen bir sıvı kadmiyum katotta toplanır.Geri kalan fisyon ürünleri toplanır. elektrolit tuzunda ve kadmiyum tabakasında.
Entegre hızlı reaktör sıvı sodyum veya kurşunla soğutulur. Metal yakıt üretimi seramik yakıta göre daha basit ve ucuzdur. Metalik yakıt piroprosesi doğal bir seçim haline getirir. Metalik yakıt, oksit yakıttan daha iyi ısı iletkenliğine ve ısı kapasitesine sahiptir.Yakıt, uranyum ve plütonyum alaşımıdır.
Entegre bir hızlı reaktöre ilk yükleme, termal nötronların etkisi altında bölünebilen daha fazla izotop içermelidir ( > termal nötron reaktörüne göre %20. Bu, yüksek derecede zenginleştirilmiş uranyum veya plütonyum, kullanımdan kaldırılmış nükleer silahlar vb. olabilir. Operasyon sırasında reaktör, termal nötronların etkisi altında bölünemeyen malzemeleri (verimli) bölünebilir olanlara dönüştürür. Hızlı bir reaktördeki verimli malzemeler tükenmiş uranyum (çoğunlukla U-238), doğal uranyum, toryum veya geleneksel bir su reaktöründen ışınlanmış yakıttan işlenmiş uranyum olabilir.
Yakıt, yakıt ile mahfaza arasına yerleştirilmiş sıvı sodyumlu çelik bir mahfaza içinde bulunur. Yakıtın üzerindeki boş alan, yakıt elemanı içindeki basıncı önemli ölçüde artırmadan helyum ve radyoaktif ksenonun serbestçe toplanmasına olanak tanır ve yakıtın, reaktör kaplamasına zarar vermeden genleşmesine olanak tanır.
Kurşunun sodyuma göre avantajı, özellikle suya veya havaya karşı kimyasal eylemsizliğidir. Öte yandan kurşunun çok daha viskoz olması pompalamayı zorlaştırıyor. Ek olarak, sodyumda pratik olarak bulunmayan nötronla aktifleşen izotoplar içerir.
Soğutma devreleri konveksiyonla ısı transferine imkan verecek şekilde tasarlanmıştır. Dolayısıyla, pompalarda güç kaybı veya reaktörün beklenmedik bir şekilde kapanması durumunda çekirdeğin etrafındaki ısı, soğutucunun sirkülasyonu için yeterli olacaktır.
IBR'de bölünebilir izotoplar, plütonyum izotoplarından ve fisyon ürünlerinden ayrılmaz ve bu nedenle böyle bir sürecin silah üretimi için kullanılması neredeyse imkansızdır. Ayrıca plütonyumun reaktörden çıkarılmaması, izinsiz kullanımı gerçekçi kılmıyor. Aktinitler (uranyum, plütonyum ve minör aktinitlerin) işlenmesinden sonra geriye kalan atık, yarı ömrü 90 l olan Sm-151 fisyon ürünleri veya yarı ömrü 211.000 l veya daha fazla olan Tc-99 gibi uzun ömürlü olanlardır. .
IBR atıklarının yarı ömürleri ya kısadır ya da çok uzundur, yani zayıf radyoaktiftirler. IBR atıklarının toplam miktarı, aynı güçteki termal nötron reaktörlerinin yeniden işlenmiş yakıtının (genellikle atık olarak kabul edilir) 1/20'sidir. Fisyon ürünlerinin %70'i ya stabildir ya da yaklaşık bir yıllık yarı ömre sahiptir. Fisyon ürünlerindeki %6'sı çok uzun yarı ömre sahip olan teknesyum-99 ve iyot-129, reaktördeki nötronların emilmesiyle reaktörde kısa yarı ömürlü (15,46 s ve 12,36 saat) izotoplara dönüştürülebilir. . Zirkonyum-93 (%5 atık) radyoaktivitenin sorun olmadığı yakıt kaplamasında geri dönüştürülebilir. Atıkların geri kalan bileşenleri doğal uranyumdan daha az radyoaktiftir.
IDB, yavaş nötron reaktörlerindeki geleneksel döngülerle karşılaştırıldığında yakıt kullanımı açısından iki kat daha verimli olan, nükleer silahların yayılmasını önleyen, yüksek düzeyde atıkları en aza indiren ve ayrıca bazı atıkları yakıt olarak kullanan bir yakıt döngüsü kullanıyor. .
Bir IBR'de yakıt ve kaplama, sıcaklık arttıkça ve genişledikçe daha fazla nötron çekirdeği terk edecek ve zincir reaksiyonunun yoğunluğunu azaltacak şekilde tasarlanmıştır. Yani negatif reaktivite katsayısı işe yarar. IBR'de bu etki o kadar güçlüdür ki operatör müdahalesine gerek kalmadan zincirleme reaksiyonu durdurabilir

Piroişleme ‒ yüksek sıcaklık yöntemi Kullanılmış nükleer yakıtın elektrolitik olarak yeniden işlenmesi. Hidrometalurjik yöntemle karşılaştırıldığında(örneğin PUREX) piropişleme doğrudan reaktörde kullanılır.Çözücüler su ve organik bileşikler yerine erimiş tuzlar (örneğin LiCl + KCl veya LiF + CaF2) ve erimiş metallerdir (örneğin kadmiyum, bizmut, magnezyum). Piroişlemede uranyumun yanı sıra plütonyum ve küçük aktinitlerin çıkarılması aynı anda gerçekleşir ve bunlar hemen yakıt olarak kullanılabilir. Atık hacmi daha küçüktür ve çoğunlukla fisyon ürünlerini içerir. Pyro İşleme, IBR'lerde ve erimiş tuz reaktörlerinde kullanılır.

Plütonyum (plütonyum) Pu, - yapay olarak elde edilen radyoaktif kimyasal element, Z=94, atom kütlesi 244.0642; Aktinitlere aittir. Şu anda plütonyumun 19 izotopu bilinmektedir. Bunlardan en hafifi 228 Ri (71/2=1,1 s), en ağırı ise ^Pu (7i/ 2 =2,27 gün), 8 nükleer izomer. En kararlı izotop 2A-236, 238, 239, 240, 242 ve 244'tür: sırasıyla 21013, 6.29-11,2.33-10,8.51109, 3.7-12,1.48-8 ve 6.66-uz Bq/g. A = 236, 238, 239, 240, 242 ve 244 izotoplarının a-radyasyonunun ortalama enerjisi sırasıyla 5,8, 5,5, 5,1, 5,2, 4,9 ve 4,6 MeV'dir. Plütonyumun hafif izotopları (2 3 2 Pu, 2 34 Pu, 235 Pu, 2 3 7 Pu) elektron yakalamaya uğrar. 2 4 "Pi - p-yayıcı (Ep = 0,0052 MeV). Pratikte en önemlisi 2 39Ru'dur (7|/ 2 =2.44-104 yıl, a-bozunması, kendiliğinden fisyon (z, %'m)) yavaş nötronların etkisi altında bölünür ve nükleer reaktörlerde yakıt olarak kullanılır. yük maddesi olarak atom bombaları.

Plütonyum-236 (7i/ 2 =2,85i yıl), a-yayıcı: 5,72 MeV (%30,56) ve 5,77 MeV (%69,26), yavru çekirdek 2 3 2 U, spesifik aktivite 540 Ci/ G. Kendiliğinden fisyon olasılığı kg 6. 1 g/saatte 5,8-7 bölünme olan kendiliğinden fisyon oranı, bu işlem için 3,5-109 yıllık bir yarı ömre karşılık gelir.

Reaksiyonlarla elde edilebilir:

Bu izotop aynı zamanda a-yayıcı 2 4оСш (7i/ 2 =27 gün) ve p-yayıcı 23 6m Np'nin (7i/ 2 =22 h) bozunması sırasında da oluşur. 2 saat 6 Ri aşağıdaki yönlerde bozunur: a bozunması, %100 olasılık ve kendiliğinden bölünme (olasılık)

Plütopyum-237 (7!/ 2 =45> 2 gün), yavru ürün 2 37Np. Nükleer reaksiyonlar yoluyla doğal uranyumun 40 MeV enerjiye sahip helyum iyonlarıyla bombalanmasıyla elde edilebilir:

Uranyumun reaktör nötronlarıyla ışınlanmasıyla da küçük miktarlarda oluşur. Ana bozunma türü elektron yakalamadır

(%99, karakteristik X-ışını emisyonu, yavru ürün ^Np), ancak 2 zi oluşturmak için bir bozunma ve zayıf y-emisyon vardır, yarılanma ömrü 45,2 gündür. 2 z7Rts, plütonyumun çevresel bileşen örneklerinden izolasyonu sırasında kimyasal verimini izlemek ve ayrıca insan vücudundaki plütonyum metabolizmasını incelemek için sistemlerde kullanılır.

Plütonyum-238, 7*1/2=87,74 yıl, a-yayıcı (enerjiler 5,495(76%), 5,453(24%) ve 5,351(0,15%) MeV, zayıf y-yayıcı (enerjiler 0,044 ila 0,149 MeV). Bu nüklidin 1 g'ının aktivitesi ~633.7 GBq'dir (spesifik aktivite 17 Ci/g); aynı miktardaki maddede her saniye -1200 kendiliğinden fisyon eylemi meydana gelir.Kendiliğinden fisyon oranı 1 g başına 5.1-6 fisyondur /saat bu işlem için 3,8-10 10 yıllık bir yarı ömre karşılık gelir.Bu durumda çok yüksek bir termal güç gelişir: 567 W/kg G D el = 3.8-10 10 yıl.Termal nötron yakalama kesiti a = 500 barn, termal nötronların etkisi altındaki fisyon kesiti 18 barn.Çok yüksek spesifik α-radyoaktivitesi var (^Pu'dan 283 kat daha güçlü), bu da onu çok daha ciddi kılıyor reaksiyonlardan nötron kaynağı (a, n).

• 2 saat 8Pu aşağıdaki bozunmaların bir sonucu olarak oluşur:
  • (3 -nüklidin bozunması 2 3 8 Np:

2 saat 8 Ru, esas olarak 2 saat 8 u izotopu içeren, doğal veya düşük düzeyde zenginleştirilmiş uranyumla çalışan herhangi bir nükleer reaktörde oluşur. Bu durumda aşağıdaki nükleer reaksiyonlar meydana gelir:

Ayrıca uranyumun 40 MeV enerjili helyum iyonlarıyla bombardıman edilmesiyle de oluşur:

bozunum şu yönlerde meydana gelir: 2 34U'da a-bozunması (olasılık %10, bozunma enerjisi 5,593 MeV):

yayılan alfa parçacıklarının enerjisi 5,450 Mei'dir (vakaların %2,9'unda; ve 5,499 Mei'dir (vakaların %70,91'inde). Kendiliğinden fisyon olasılığı %1,9-7'dir.

2 3 8 Pu'nun α bozunması sırasında 5,5 MeV enerji açığa çıkar. Bir kilogram 2-3 8 Ri içeren bir elektrik kaynağında ~50 watt'lık bir termal güç gelişir. Aynı kütledeki bir kimyasal akım kaynağının maksimum gücü 5 watt'tır. Benzer enerji özelliklerine sahip birçok yayıcı vardır, ancak 2 3Ri'nin bir özelliği bu izotopu yeri doldurulamaz kılmaktadır. Genellikle bir bozunuma güçlü y emisyonu eşlik eder. 2 z 8 Ri bir istisnadır. Çekirdeklerinin bozunmasına eşlik eden y-kuantanın enerjisi düşüktür. Bu izotopun çekirdeklerinin kendiliğinden fisyon olasılığı da düşüktür. 288 Ri, nükleer elektrik pillerinin ve nötron kaynaklarının üretiminde, kalp pilleri için güç kaynakları olarak, uzay aracında termal enerji üretmek için, radyoizotop duman dedektörlerinin bir parçası olarak vb. için kullanılır.

Plütonyum-239, 71/2=2,44 4 yıl, a-bozunması %00, toplam bozunma enerjisi 5,867 MeV, 5,15 (%69), 5,453 (%24) ve 5,351(0, %15) enerjili a-parçacıkları yayar ) ve zayıf y-radyasyonu, termal nötron yakalama kesiti st = 271 ahır. Spesifik aktivite 2.33109 Bq/g. 36 bölünme/g/saatlik kendiliğinden bölünme oranı 7” bölünmeye = 5,5-10*5 yıla karşılık gelir. 1 kg 2 39Ri, 2,2-107 kilovatsaat termal enerjiye eşdeğerdir. 1 kg plütonyumun patlaması 20.000 ton TNT'nin patlamasına eşittir. Atom silahlarında kullanılan plütonyumun tek izotopu. 2 39Pu, 2P+3 ailesinin bir parçasıdır ve bozunma ürünü 2 35U'dur. Bu izotop termal nötronlar tarafından parçalanır ve nükleer reaktörlerde yakıt olarak kullanılır. 2 39Ri, pakpiya'ya göre külüstür paktoplardan elde edilir:

Reaksiyon kesiti -455 ahır. *39Pu ayrıca şu durumlarda oluşur:

uranyumun nükleer reaksiyonlarla 8 MeV'nin üzerinde enerjiye sahip döteronlarla bombardımanı:

uranyumun 40 MeV enerjili helyum iyonlarıyla bombardıman edilmesinde olduğu gibi
kendiliğinden bölünme, olasılık %1,36-10*7.

Plütonyumun uranyumdan ayrılması gerçekleştirildi kimyasal yöntemler uranyum izotoplarının ayrılmasından nispeten daha basit bir sorunu temsil eder. Sonuç olarak, plütonyumun maliyeti 2 zzi'nin maliyetinden birkaç kat daha düşüktür. 2 39Pu'luk bir çekirdek, nötronlar tarafından yaklaşık olarak eşit kütleye sahip iki parçaya bölündüğünde yaklaşık 200 MeV enerji açığa çıkar. Bir fisyon zinciri reaksiyonunu sürdürebilme yeteneğine sahiptir. 2 39Pu'nun nispeten kısa yarı ömrü (^u ile karşılaştırıldığında), radyoaktif bozunma sırasında önemli bir enerji salınımına işaret eder. 2 39Rc 1,92 W/kg üretir. İyi yalıtılmış bir plütonyum bloğu, iki saat içinde 100°'nin üzerindeki bir sıcaklığa kadar ısınır ve çok geçmeden a-p geçiş noktasına ulaşır; bu, plütonyumun faz geçişleri sırasındaki hacim değişiklikleri nedeniyle silah tasarımı için bir sorun teşkil eder. Spesifik aktivite 2 39Pu 2,28-12 Bq/g. 2 39Pu termal nötronlar tarafından kolaylıkla bölünebilir. Bölünebilir izotop 239 Pu, tamamen bozunduğunda 25.000.000 kWh/kg'a eşdeğer termal enerji sağlar. 2 39Pi, yavaş nötronlar için 748 ahırlık bir fisyon kesitine ve 315 ahırlık bir radyasyon yakalama kesitine sahiptir. 2 39Pu, uranyumdan daha büyük saçılma ve soğurma kesitlerine sahiptir ve daha büyük sayı fisyon sırasında nötronlar (2 zzi için 2,47'ye kıyasla fisyon olayı başına 3,03 nötron) ve buna bağlı olarak daha düşük bir kritik kütle. Saf 2 39Pu'nun kendiliğinden fisyondan kaynaklanan ortalama nötron emisyonu -30 nötron/s-kg'dir (-10 fisyon/s).-

Plütonyum-240, 71/2=6564 l, a-bozunması, spesifik aktivite 8,51-109 Bq/g. Kendiliğinden fisyon hızı 1,6-6 bölüm/g/saat, Ti/2=i.2-io sen ben. 24°Pu, 239 Pu'dan üç kat daha küçük etkili nötron yakalama kesitine sahiptir ve çoğu durumda 2 4*Pu'ya dönüşür.

24op ve belirli radyonüklitlerin bozunması sırasında oluşur:

Bozunma enerjisi 5,255 MeV, enerjileri 5,168 (%72,8), 5,123 (%27,10) MeV olan a-partikülleri;

Kendiliğinden bölünme, olasılık 5.7-6.

Uranyum yakıtında ^Pu içeriği reaktörün çalışması sırasında artar. Bir nükleer reaktörün kullanılmış yakıtında %70 *39Pu ve %26 2 4°Pu bulunur, bu da atom silahlarının üretilmesini zorlaştırır, bu nedenle bunun için özel olarak tasarlanmış reaktörlerde uranyumun birkaç on sonra işlenmesiyle silah kalitesinde plütonyum elde edilir. günlerdir radyasyona maruz kalıyoruz. *4°Pu, silah sınıfı 2 39Pu'yu kirleten ana izotoptur. İçeriğinin düzeyi, kendiliğinden fisyonun yoğunluğu nedeniyle önemlidir - 415.000 fisyon/s-kg, 1000 nötron/s-kg yayılır, çünkü her fisyon, eşit bir 2 39Ri kütlesinden 30.000 kat daha fazla olan 2,26 nötron üretir. Bu izotopun yalnızca %1'inin varlığı o kadar çok nötron üretir ki, topun şarj devresi çalışmaz hale gelir; patlamanın erken başlatılması başlayacak ve patlayıcının büyük kısmı patlamadan önce yük atomize edilecektir. Top şeması yalnızca *39Pu içeriğiyle mümkündür ve bunu başarmak neredeyse imkansızdır. Bu nedenle, plütonyum bombaları, IgPu izotopuyla oldukça yoğun şekilde kirlenmiş plütonyumun kullanılmasına izin veren bir patlama şeması kullanılarak monte ediliyor. Silah sınıfı plütonyum 2 adet 4°Pu içerir

Daha yüksek spesifik aktivite nedeniyle (2 39Pi'nin 1/4'ü), termal çıkış 7,1 W/kg daha yüksektir ve bu da aşırı ısınma sorununu daha da kötüleştirir. ^Pu'nun spesifik aktivitesi 8.4109 Bq/g'dir. Silahlarda kullanılabilir plütonyumda (%0,7) ve reaktörde kullanılabilir plütonyumda (>%19) IgPu içeriği. Termal reaktörler için yakıtta 24 °Pu bulunması istenmez, ancak bu izotop hızlı reaktörlerde yakıt görevi görür.

Plütonyum-241, G,/2=14 l, yavru ürün 241 Am, p- (%99, ?рmax=0,014 MeV), a (%1, iki satır: 4,893 (%75) ve 4,848 (%25) MeV ) ve y-yayıcı, ^Pu 3,92-12 Ci/g'nin spesifik aktivitesi. Plütonyumun nötronlarla güçlü ışınlanmasıyla ve ayrıca bir siklotronda 2 3 8 U(a,n) 241 Pu reaksiyonuyla elde edilir. Bu izotop, herhangi bir enerjideki nötronlar tarafından bölünebilir (^'Pu'nun nötron absorpsiyon kesiti ^Phi'ninkinden 1/3 daha büyüktür, termal nötronların fisyon kesiti yaklaşık 100 barn'dır, absorpsiyon üzerine fisyon olasılığı nötron %73'tür, düşük bir nötron arka planına ve orta düzeyde termal güce sahiptir ve bu nedenle plütonyumun kullanım kolaylığını doğrudan etkilemez. 241 Am'e bozunur, bu da çok zayıf bir şekilde bölünür ve çok fazla ısı yaratır: 10.6 W/kg. ^'Pu, reaktör nötronları (kaka ahırı) için yakıt olarak kullanılmasına olanak tanıyan geniş bir fisyon kesitine sahiptir. Bir silah başlangıçta 241 Ri içeriyorsa, birkaç yıl sonra reaktivitesi azalır ve şarj gücünde bir azalmayı ve kendi kendine ısınmanın artmasını önlemek için bu dikkate alınmalıdır. 24 'Ru'nun kendisi, çok zayıf P radyasyonu nedeniyle çok kısa yarı ömrüne rağmen çok fazla ısınmaz (yalnızca 3,4 W/kg). Bir nötron 24*Pu çekirdeği tarafından emildiğinde fisyon olmazsa 242 Pu'ya dönüşür. 241 Pu, ^'As'ın ana kaynağıdır.

Plütonyum-242 (^/2=373300 yıl),

Plütonyum-243 No/2=4-956 saat), p"- (enerji 0,56 MeV) ve y-yayıcı (0,09-0,16 MeV aralığında birkaç çizgi) Reaksiyonun kesiti 242 Pu(n ,y) 243 Pu yavaş nötronlarda 00 ahır. "^sPu 24 zAsh'ın p-bozunması sırasında oluşan, 2 4 2 Pu nötronlarla ışınlama yoluyla elde edilebilir. Yarı ömrünün kısa olması nedeniyle ışınlanmış reaktör yakıtında az miktarda bulunur.

Plütonyum-244 (Ti/ 2 =8.o*io 7 yıl), a-yayıcı, E bir = 4,6 MeV, kendiliğinden fisyon yeteneğine sahip, spesifik aktivite 6,66-105 Bq/g, termal nötron yakalama kesiti 0=19 ahır. Bu sadece plütonyumun en uzun ömürlü izotopu değil, aynı zamanda uranyum ötesi elementlerin tüm izotopları arasında en uzun ömürlü olanıdır. Spesifik aktivite 2

Plütonyumun daha ağır izotopları bile p-bozunmasına maruz kalır ve ömürleri birkaç günden saniyenin onda birine kadar değişir. Termonükleer patlamalarda plütonyumun 2 57Pu'ya kadar tüm izotopları oluşur. Ancak ömürleri saniyenin onda biri kadardır ve plütonyumun birçok kısa ömürlü izotopu henüz incelenmemiştir.

Plütonyum, taze rafine edildiğinde nikel gibi parlayan, çok ağır, gümüşi beyaz bir metaldir. Atom kütlesi 244.0642 amu. (g/mol), atom yarıçapı 151 pm, iyonlaşma enerjisi (ilk elektron) 491,9(5,10) kJ/mol (eV), elektronik konfigürasyon 5f 6 7s 2 . İyon yarıçapı: (+4e) 93, (+3e) 08 pm, elektronegatiflik (Pauling) 1,28, T P l = 639,5°, G K ip = 3235°, plütonyum yoğunluğu 19,84 (a-fazı), plütonyumun buharlaşma ısısı 80,46 kcal/mol. Plütonyumun buhar basıncı, uranyumun buhar basıncından önemli ölçüde daha yüksektir (1540 0 300 kez). Plütonyum erimiş uranyumdan damıtılabilir. Metalik plütonyumun altı allotropik modifikasyonu bilinmektedir. Sıcaklıklarda

Laboratuvar koşullarında metalik plütonyum, plütonyum halojenürlerin lityum, kalsiyum, baryum veya magnezyum ile 1200°'de indirgenme reaksiyonları ile elde edilebilir:

Metalik plütonyum ayrıca reaksiyona göre kalsiyum silisit kullanılarak plütonyum triflorürün 1300 0'de buhar fazında indirgenmesiyle de elde edilir.

veya plütonyum halojenürlerin vakumda termal ayrışması.

Plütonyumun birçok spesifik özelliği vardır. Manganez hariç tüm metaller arasında en düşük ısı iletkenliğine, en düşük elektrik iletkenliğine sahiptir. Sıvı fazında en viskoz metaldir. Sıcaklık değiştiğinde plütonyumun yoğunluğu en şiddetli ve doğal olmayan değişikliklere uğrar.

Plütonyumun katı halde altı farklı fazı (kristal yapıları) vardır (Tablo 3), bu sayı diğer elementlerden daha fazladır. Fazlar arasındaki bazı geçişlere hacimde dramatik değişiklikler eşlik eder. Bu fazlardan ikisinde (delta ve delta prime) plütonyum, sıcaklık arttıkça büzülme gibi benzersiz bir özelliğe sahipken, diğerlerinde son derece büyük bir kütleye sahiptir. sıcaklık katsayısı Uzantılar. Plütonyum eritildiğinde büzülür ve erimemiş plütonyumun yüzmesine izin verir. En yoğun formu olan a-fazı plütonyum altıncı en yoğun elementtir (yalnızca osmiyum, iridyum, platin, renyum ve neptunyum daha ağırdır). A-fazında saf plütonyum kırılgandır. Plütonyumun Al, Be, Co, Fe, Mg, Ni, Ag ile çok sayıda alaşımı ve metallerarası bileşiği bilinmektedir. PuBe, 3 bileşiği, yoğunluğu 6,7 x 107 nötron/skg olan bir nötron kaynağıdır.

Pirinç. 5.

Radyoaktivitesi nedeniyle plütonyum dokunulamayacak kadar sıcaktır. Isı yalıtımlı bir kabuktaki büyük bir plütonyum parçası, suyun kaynama noktasını aşan bir sıcaklığa kadar ısıtılır. İnce öğütülmüş plütonyum piromorfiktir ve 300°C'de kendiliğinden tutuşur. Halojenler ve hidrojen halojenürlerle reaksiyona girerek halojenürler, hidrojen - hidritlerle, karbon - karbürle, nitrojenle reaksiyona girerek nitrür oluşturur, amonyağa maruz kaldığında da nitrürler oluşturur. CO2'yi CO veya C'ye indirger ve karbür oluşur. Gaz halindeki kükürt bileşikleriyle etkileşime girer. Plütonyum hidroklorik, %85 fosforik, hidroiyodik, perklorik ve konsantre kloroasetik asitlerde kolayca çözünür. Seyreltik H2SO4, plütonyumu yavaşça çözer, ancak konsantre H2S04 ve HN03 onu pasifleştirir ve reaksiyona girmez. Alkalilerin metalik plütonyum üzerinde hiçbir etkisi yoktur. Plütonyum tuzları, nötr veya alkalin çözeltilerle temas ettiğinde kolayca hidrolize olur ve çözünmeyen plütonyum hidroksit oluşturur. Konsantre plütonyum çözeltileri, çökelmeye yol açan radyolitik ayrışma nedeniyle kararsızdır.

Masa 3. Plütonyum fazlarının yoğunlukları ve sıcaklık aralıkları:

Plütonyumun ana değeri 4+'dır. Uranyumdan çok daha fazla, elektronegatif, kimyasal olarak reaktif bir elementtir (0,2 V kadar). İlk başta yanardöner bir film oluşturarak hızla kaybolur açık sarı zamanla koyu mora dönüşüyor. Oksidasyon oldukça hızlıysa yüzeyinde zeytin yeşili oksit tozu (PuO 2) belirir.

Plütonyum kolayca oksitlenir ve hafif nem varlığında bile hızla paslanır. Su buharı içeren inert gaz atmosferinde, kuru hava veya saf oksijenden çok daha hızlı paslanır. Plütonyum hidrojen, karbon, nitrojen, oksijen, fosfor, arsenik, flor, silikon ve tellür varlığında ısıtıldığında bu elementlerle katı, çözünmeyen bileşikler oluşturur.

Plütonyum oksitler arasında Pu 2 0 3 ve Pu 0 2 bilinmektedir.

Pu02 plütonyum dioksit, zeytin yeşili bir toz, siyah parlak kristaller veya kırmızı-kahverengiden kehribar-sarıya kadar toplardır. Kristal yapısı florit tipindedir (Pu-* + yüz merkezli bir kübik sistem oluşturur ve O 2- bir tetrahedron oluşturur). Yoğunluk 11.46, Gpl=2400°. Bu tuzlardaki plütonyumun oksidasyon durumuna bakılmaksızın, havada veya 0 2 atmosferinde, 700-1000 0 sıcaklıklarda ısıtıldığında plütonyumun hemen hemen tüm tuzlarından (örneğin oksalat, peroksit) oluşur. Örneğin, Pu(IV) Pu(C 2 0 4) 2 -6H 2 0 oksalat hekzahidratın (kullanılmış yakıtın yeniden işlenmesi sırasında oluşan) kalsinasyonuyla elde edilebilir:

Pu0 2, öğle vakti Düşük sıcaklık Konsantre hidroklorik ve nitrik asitlerde kolaylıkla çözünür. Aksine kalsine Pu0 2'nin çözülmesi zordur ve ancak özel işlemler sonucunda çözelti haline getirilebilir. Suda ve organik çözücülerde çözünmez. Konsantre HN03'ün HF ile sıcak bir karışımıyla yavaş yavaş reaksiyona girer. Bu kararlı bileşik, plütonyumun belirlenmesinde gravimetrik form olarak kullanılır. Ayrıca nükleer enerjide yakıt hazırlamak için de kullanılır.

Özellikle reaktif olan ancak az miktarda oksalat içeren Pu02, Pu(C204)2-6H20'nin 130-^-300°'de ayrışmasıyla elde edilir.

Hidrit R11H3 150-5-200°'deki elementlerden elde edilir.

Plütonyum halojenürleri ve oksihalojenürleri, disilisit PuSi 2 ve seskisülfit PuSi,33^b5'i oluşturur; bunlar düşük eriyebilirliklerinden dolayı ilgi çekicidir ve ayrıca PuS'den Pu2C3'e kadar çeşitli stokiyometrilerdeki karbürleri oluşturur. RiS - siyah kristaller, G11L = 1664 0. UC ile birlikte nükleer reaktörlerde yakıt olarak kullanılabilir.

Plütonyum nitrür, PuN - NaCl tipinde yüz merkezli kübik kafesli gri (siyaha) renkli kristaller (0 = 0.4905 nm, z = 4, uzay grubu Ptzt; kafes parametresi zamanla kendi etkisi altında artar) a-radyasyon); T pl.=2589° (ayrışma ile); yoğunluk 14350 kg/m3. Yüksek ısı iletkenliğine sahiptir. Şu tarihte: Yüksek sıcaklık(~1boo°) uçucu (ayrışma ile). Plütonyumun 6oo°'de nitrojenle veya hidrojen ve amonyak karışımıyla (basınç 4 kPa) reaksiyona sokulmasıyla elde edilir. Toz haline getirilmiş plütonyum PuN, oda sıcaklığında havada oksitlenir, 3 gün sonra tamamen Pu0 2'ye dönüşür, yoğun plütonyum yavaş yavaş oksitlenir (30 günde% 0,3). Yavaş hidrolize olur soğuk su ve hızlı bir şekilde - ısıtıldığında Pu0 2 oluşturur; karşılık gelen Pu(III) tuzlarını oluşturmak için seyreltik hidroklorik ve sülfürik asitlerde kolaylıkla çözünür; Plütonyum nitrür üzerindeki etki kuvvetine göre asitler HN0 3 >HC1>H3P0 4 >>H2S04>HF serisinde düzenlenebilir. Reaktör yakıtı olarak kullanılabilir.

Birkaç plütonyum florür vardır: PuF 3, PuF 4, PuF6.

Plütonyum tetraflorür PuF 4 - madde Pembe renk veya kahverengi kristaller, monoklinik sistem. Zr, Hf, Th, U, Np ve Ce tetraflorür ile izomorftur. Г pl = 1037 0, Г к, «1 = 1277°. Suda ve organik çözücülerde çok az çözünür, ancak Ce(IV), Fe(III), Al(III) tuzları veya flor iyonlarıyla stabil kompleksler oluşturan iyonların varlığında sulu çözeltilerde kolaylıkla çözünür. Pembe çökelti PuF4-2.5H20, Pu(III) tuzlarının sulu çözeltilerinden hidroflorik asit ile çökeltilerek elde edilir. Bu bileşik, HF akımında 350 m'ye ısıtıldığında dehidre olur.

PuF 4, reaksiyona göre 550°'de oksijen varlığında hidrojen florürün plütonyum dioksit üzerindeki etkisi ile oluşturulur:

PuF4 PuF3'ün 300°C'de flor ile işlenmesi yoluyla veya Pu(III) veya Pu(IV) tuzlarının ve bir hidrojen florür akışının ısıtılmasıyla da elde edilebilir. Pu(IV)'ün sulu çözeltilerinden PuF4, 2PuF4H20 bileşimiyle pembe bir çökelti formunda hidroflorik asit ile çökeltilir. PuF4, LaF3 ile neredeyse tamamen birlikte çökelir. Havada 400 0'a ısıtıldığında PuF 4, Pu0 2'ye dönüşür.

Plütonyum heksaflorür, PuFe - oda sıcaklığında ortorombik bir yapıya sahip sarımsı kahverengi renkte (düşük sıcaklıklarda - renksiz) uçucu kristaller, Gpl = 52°, T knp =b2° atmosferik basınçta, yoğunluk 5060 kgm-z, süblimleşme ısısı 12,1 kcal/mol, buharlaşma ısısı = 7,4 kcal mol*1, füzyon ısısı = 4,71 kcal/mol, korozyona çok yatkın ve otoradyolize karşı hassastır. PuFe, düşük kaynama noktalı bir sıvıdır, termal olarak UF6'ya göre çok daha az kararlı ve daha az uçucudur. PuFe buharı NO 2 gibi renklidir, sıvı koyu kahverengidir. Güçlü florlama maddesi ve oksitleyici madde; suyla şiddetli reaksiyona girer. Neme karşı son derece hassastır; Gün ışığında c H 2 0, Pu0 2 ve PuF 4 oluşturacak şekilde bir flaşla çok güçlü bir şekilde reaksiyona girebilir. -195°C'de buz üzerinde yoğunlaşan PuFe, ısıtıldığında yavaş yavaş Pu0'a hidrolize olur. 2 Fo. Kompakt PuFe, plütonyumun a-radyasyonuna bağlı olarak kendiliğinden ayrışır.

UF6, PuF4 veya Pu02'nin 6004-700°'de flor ile işlenmesiyle elde edilir.

PuF4'ün flor ile 7004-800°'de florlanması çok hızlı gerçekleşir ve ekzotermik bir reaksiyondur. Ayrışmayı önlemek için, ortaya çıkan PuF6 hızlı bir şekilde sıcak bölgeden çıkarılır - dondurulur veya sentez, ürünü reaksiyon hacminden hızlı bir şekilde uzaklaştıran bir flor akışında gerçekleştirilir.

PuFa ayrıca geri ödeme yoluyla almak:

Pu(III), Pu(IV) ve Pu(VII) nitratlar vardır: sırasıyla Pu(N0 3) 3, Pu(N0 3) 4 ve Pu0 2 (N0 3) 2.

Plütonyum nitrat, Pu(N03)4 *5H20, konsantre Pu(IV) nitrat çözeltisinin oda sıcaklığında yavaş yavaş (birkaç ay boyunca) buharlaştırılmasıyla elde edilir. HN0 3 ve suda iyi çözünür (karanlık nitrik asit çözeltisi) Yeşil renk, Kahverengi renk). Aseton, eter ve tribütil fosfatta çözünür. Konsantre nitrik asit içindeki plütonyum nitrat ve alkali metal nitratların çözeltileri, buharlaşma üzerine çift nitratlar Me 2 [Pu(N0 3)b] açığa çıkarır, burada Me + =Cs +, Rb +, K +, Th +, C 9 H 7 NH + , C5H5NH+, NH4+.

Plütonyum (IV) oksalat, Pu(C 2 0 4) 2 -6H 2 0, kumlu (bazen sarı-yeşil) bir tozdur. U(C 2 0 4)-6H 2 0 ile izomorfiktir. Plütonyum oksalat hekzahidrat, suda çok az çözünür. mineral asitler ve karmaşık bileşiklerin oluşumu ile oksalatların ve amonyum veya alkali metallerin karbonatlarının çözeltilerinde iyidir. Nitrattan oksalik asit ile çökeltilmiştir (Pu(IV'ün i.5*4.5M HNO.0 çözeltileri):

Havada 0°'ye kadar ısıtıldığında dehidre olur, 400 0'ın üzerinde ayrışır:

Bileşiklerde plütonyum +2'den +7'ye kadar oksidasyon durumları sergiler. Sulu çözeltilerde +3'ten +7'ye kadar oksidasyon durumlarına karşılık gelen iyonlar oluşturur. Bu durumda Pu(VII) dışındaki tüm oksidasyon durumlarındaki iyonlar aynı anda dengede çözeltide olabilir. Çözeltideki plütonyum iyonları hidrolize uğrar ve kolaylıkla karmaşık bileşikler oluşturur. Pu5+ serisinde karmaşık bileşikler oluşturma yeteneği artar

Pu(IV) iyonları çözeltideki en kararlı iyonlardır. Pu(V), Pu(lV) ve Pu(VI) ile orantısızdır. Pu(VI)'nın değerlik durumu, kuvvetli oksitleyici sulu çözeltilerin karakteristiğidir ve Pu0 2 2+ plütonil iyonuna karşılık gelir. 3+ ve 4+ yüklü plütonyum iyonları, hidroliz ve yüksek oranda hidratlanmış katyonlar formunda kompleks oluşumu olmadığında sulu çözeltilerde bulunur. Asidik çözeltilerdeki Pu(V) ve Pu(VI), M0 2 + ve M0 2 2+ tipinde oksijen içeren katyonlardır.

Plütonyumun oksidasyon durumları (III, IV, V ve VI), asidik çözeltilerde aşağıdaki iyonik durumlara karşılık gelir: Pu 3+, Pu4 +, Pu0 2 2+ ve Pu0 5 3 "Plütonyumun oksidasyon potansiyellerinin yakınlığı" nedeniyle Çözeltilerde plütonyum iyonları eş zamanlı olarak dengede bulunabilirler. farklı dereceler oksidasyon. Ayrıca Pu(IV) ve Pu(V)'nin orantısızlığı da gözlenir:

Orantısızlık oranı, plütonyum konsantrasyonu ve sıcaklığın artmasıyla artar.

Reese+ çözümleri mavi-mor renktedir. Özellikleri itibarıyla Rts+ nadir toprak elementlerine yakındır. Hidroksit, florür, fosfat ve oksalat çözünmez. Pu(IV), plütonyumun sulu çözeltilerdeki en kararlı halidir. Pu(IV) nitrik, sülfürik, hidroklorik, asetik ve diğer asitlerle kompleks oluşumuna eğilimlidir. Dolayısıyla konsantre nitrik asitte Pu(IV), Pu(N0 3)5- ve Pu(G) 3)6 2" komplekslerini oluşturur. Sulu çözeltilerde Pu(IV) kolayca hidrolize edilir. Plütonyum hidroksit (yeşil) yatkındır Çözünmeyen florür, hidroksit, oksalat, iyodat Pu(IV).Pu(IV), çözünmeyen hidroksitler, lantan florür, Zr, Th, Ce iyodatlar, Zr ve Bi fosfatlar, Th, U(IV), Bi, ile iyi bir şekilde birlikte çöker. La oksalatlar Pu(IV), Na, K, Rb, Cs ve NH4+ ile çift florürler ve sülfatlar oluşturur Pu(Pu(III) ve Pu(VI) çözeltilerinin karıştırılmasıyla yaklaşık 2 M HN03 çözeltisi içinde elde edilir Pu(VI) tuzlarından, yapı olarak karşılık gelen U bileşiklerine benzer olan sodyum plütonilasetat NaPu02 (C2H302)3 ve amonyum plütonilasetat NH4Pu02 (C2H302) ilgi çekicidir. , Np ve At.

HC10 4'ün İM çözeltisindeki plütonyumun (V cinsinden) resmi oksidasyon potansiyelleri:

Aktinit iyonları için bu anyonla oluşturulan kompleksin stabilitesi şu sırayla azalır: M4 + >M0 2+ >M3 + >M0 2 2+ > M0 2+, yani. İyonik potansiyelin azalmasına göre. Anyonların aktinit iyonlarıyla kompleks oluşturma yeteneği, tek yüklü anyonlar için azalır - florür > nitrat > klorür > perklorat; çift ​​yüklü anyonlar için karbonat>oksalat>sülfat. Organik maddelerle çok sayıda karmaşık iyon oluşur.

Hem Pu(IV) hem de Pu(VI), etil eter, TBP, diizopropil keton vb. ile asidik çözeltilerden iyi bir şekilde ekstrakte edilir. Örneğin a-tenoiltrifloroaseton, p-diketon, cupferon ile pençe şeklindeki kompleksler, iyi bir şekilde ekstrakte edilir. polar olmayan organik çözücüler. Pu(IV) komplekslerinin a-tenoiltrifloroaseton (TTA) ile ekstraksiyonu, plütonyumun aktinit ve nadir toprak elementleri de dahil olmak üzere çoğu yabancı maddeden saflaştırılmasını mümkün kılar.

Farklı durumlardaki plütonyum iyonlarının sulu çözeltileri aşağıdaki renklere sahiptir: Pu(III), PCS + (mavi veya lavanta) olarak; Pu(IV), Pc4* (sarı-kahverengi) olarak; Pu(VI), Pu0 2 2+ (pembe-turuncu) olarak. Pu(V), tıpkı Pu0 2+ gibi başlangıçta pembedir, ancak çözeltide kararsız olduğundan bu iyon Pu 4+ ve Pu0 2 2+ şeklinde orantısız hale gelir; Pu 4+ daha sonra Pu0 2 +'dan Pu0 2 2+'ya geçerek Pu 3+'ya indirgenir. Böylece, sulu bir plütonyum çözeltisi zamanla PCS + ve Pu0 2 2+ karışımı haline gelir. Pu(VII), Pu0 5 2 - (koyu mavi) olarak.

Plütonyumu tespit etmek için, plütonyumun a-radyasyonunu ve enerjisinin ölçülmesine dayanan radyometrik bir yöntem kullanılır. Bu yöntem oldukça yüksek hassasiyetle karakterize edilir: keşfetmek 0,0001 µg2 39Pi. Analiz edilen numunede başka α-yayıcılar varsa, plütonyumun tanımlanması, α-spektrometreler kullanılarak α-partiküllerinin enerjisinin ölçülmesiyle gerçekleştirilebilir.

Plütonyumun niteliksel olarak belirlenmesine yönelik bir dizi kimyasal ve fizikokimyasal yöntem, plütonyumun değerlik formlarının özelliklerindeki farklılığı kullanır. Oldukça konsantre sulu çözeltilerdeki Pu(III) iyonu, Pu(IV) iyonlarını içeren sulu çözeltilerin sarı-kahverengi renginden keskin bir şekilde farklı olan parlak mavi rengiyle tespit edilebilir.

Plütonyum tuzlarının çeşitli oksidasyon durumlarındaki çözeltilerinin ışık absorpsiyon spektrumları, spesifik ve dar absorpsiyon bantlarına sahiptir; bu, değerlik formlarının tanımlanmasını ve bunlardan birinin diğerlerinin varlığında tespit edilmesini mümkün kılar. Pu(III)'ün en karakteristik ışık absorpsiyon maksimumları 600 ve 900 mmk, Pu(IV) - 480 ve 66 mmk, Pu(V) - 569 mmk ve Pu(VI) 830+835 mmk bölgesinde yer alır.

Her ne kadar plütonyum da diğer ağır metaller gibi kimyasal olarak toksik olsa da bu etkisi radyotoksisitesine kıyasla zayıftır. Plütonyumun toksik özellikleri a-radyoaktivitenin bir sonucu olarak ortaya çıkar.

2 s için 8 Pu, 2 39Pu, 24op U) 242p u> 244Pu radyasyon tehlike grubu A, MZA=z,7-uz Bq; 2 4>Pu ve 2 43Pu radyasyon tehlike grubu B için, MZA = 3,7-104 Bq. Radyolojik toksisite 2 3 ise ve birlik olarak alınırsa plütonyum ve diğer bazı elementler için aynı gösterge şu seriyi oluşturur: 235U 1.6 - 2 39Pu 5.0 - 2 4 1 3,2 - 9"Sr 4,8 - ^Ra 3,0 olarak. Radyonüklidler arasında plütonyumun en tehlikeli olmadığı görülmektedir.

Kısaca bakalım endüstriyel üretim plütonyum

Plütonyum izotopları, (p, y) reaksiyonu kullanılarak yavaş nötronlar kullanılarak güçlü uranyum reaktörlerinde ve hızlı nötronlar kullanılarak besleyici reaktörlerde üretilir. Plütonyum izotopları da güç reaktörlerinde üretilmektedir. 20. yüzyılın sonuna gelindiğinde dünya toplam -1300 ton plütonyum üretmişti; bunun ~300 tonu silahlarda kullanılmak üzere, geri kalanı ise nükleer santrallerin (reaktör plütonyumu) ​​bir yan ürünüydü.

Silah dereceli plütonyumu reaktör dereceli plütonyumdan ayıran şey, zenginleşme derecesi değil ve kimyasal bileşim hem uranyumun nötronlarla ışınlanma süresine hem de ışınlama sonrası depolama süresine karmaşık bir şekilde bağlı olan izotop bileşiminin miktarı. 24°Pu ve 2 4'Pu izotoplarının içeriği özellikle önemlidir. Rağmen atom bombası plütonyumda bu izotopların herhangi bir içeriği oluşturulabilir, ancak 239r'de 2 4 «p u'nun varlığı silahın kalitesini belirler, çünkü nötron arka planı ve kritik kütlenin büyümesi ve termal çıktı gibi olaylar buna bağlıdır. Nötron arka planı, plütonyumun toplam kütlesini ve yüksek patlama hızlarına ulaşma ihtiyacını sınırlayarak patlayıcı cihazı etkiler. Bu nedenle eski tasarımların bombaları 2 4or ve gibi düşük bir içeriğe ihtiyaç duyuyordu. Ancak "yüksek" tasarım projeleri her türlü saflıkta plütonyum kullanıyor. Dolayısıyla “silah sınıfı plütonyum” tabirinin askeri bir anlamı yoktur; bu ekonomik bir parametredir: "yüksek" bir bomba tasarımı "düşük" olandan önemli ölçüde daha pahalıdır.

24op U)'nun payı arttıkça plütonyumun maliyeti düşer ve kritik kütle artar. %7'lik 24°Pu içeriği, plütonyumun toplam maliyetini minimuma indirir. Silah sınıfı plütonyumun ortalama bileşimi: %93,4 239 Ri, %6,o

24°Pu ve %0,6 241 Pu. Bu tür plütonyumun termal gücü 2,2 W/kg, kendiliğinden fisyon seviyesi ise 27100 fisyon/s'dir. Bu seviye, iyi bir patlama sisteminde ön patlama olasılığı çok düşük olan bir silahta 4 kg plütonyumun kullanılmasına olanak sağlıyor. 20 yıl sonra, 24 Pu'nun çoğu ^'At'a dönüşecek ve ısı salınımı önemli ölçüde artacak - 2,8 W/kg'a kadar. 241 Pu oldukça bölünebilir olduğundan, ancak 241 At öyle olmadığından, bu durum plütonyumun reaktivite marjında ​​bir azalmaya yol açacaktır. 5 kg silah sınıfı plütonyumun 300.000 nötron/sn'lik nötron radyasyonu, 1 m mesafede 0,003 rad/saat radyasyon seviyesi oluşturur. Arka plan, reflektör ve onu çevreleyen patlayıcı tarafından 10 kat azaltılır. Ancak bakım personelinin nükleer patlayıcı cihaz bakımı sırasında uzun süreli teması, yıllık limite eşit radyasyon dozuna neden olabilir.

2 - "* 9 Pu ve 24 ° Pu kütlelerindeki küçük fark nedeniyle bu izotoplar ayrılmaz endüstriyel yöntemler zenginleştirme. Elektromanyetik bir ayırıcı kullanılarak ayrılabilmelerine rağmen. Ancak *z*i reaktöründe harcanan süreyi azaltarak daha saf 2 zeRi elde etmek daha kolaydır. 24 °Pi içeriğini %6'nın altına düşürmenin hiçbir nedeni yoktur çünkü bu konsantrasyon, termonükleer yükler için etkili tetikleyicilerin oluşturulmasını engellemez.

Silah sınıfı plütonyumun yanı sıra reaktör sınıfı plütonyum da var. Kullanılmış nükleer yakıttan elde edilen plütonyum birçok izotoptan oluşur. Bileşim reaktör tipine ve çalışma moduna bağlıdır. Hafif su reaktörü için tipik değerler: 2 × 8 Pu - %2, 239Pu - %61, 24 °Pll - %24, 24iPu - %10, 242 Pll - %3. Bu tür plütonyumdan bomba yapmak zordur (teröristler için neredeyse imkansızdır), ancak gelişmiş teknolojiye sahip ülkelerde reaktör plütonyumu nükleer yük üretmek için kullanılabilir.

Masa 4. Plütonyum türlerinin özellikleri.

Reaktörde biriken plütonyumun izotopik bileşimi, yakıtın yanma derecesine bağlıdır. Oluşan beş ana izotoptan ikisi tektir Z- 2 39Pi ve 24,Pi bölünebilir, yani. termal nötronların etkisi altında fisyon yeteneğine sahiptir ve reaktör yakıtı olarak kullanılabilir. Plütonyumun reaktör yakıtı olarak kullanılması durumunda biriken 2 39 Ri ve 241 Ri miktarı önemlidir. Kullanılmış yakıttan elde edilen plütonyum hızlı nötron reaktörlerinde yeniden kullanılırsa izotopik bileşimi giderek silah kullanımı için daha az uygun hale gelir. Birkaç yakıt döngüsünden sonra 2 × 8 Pu, #2 4″ Pu ve ^ 2 Pu'nun birikmesi onu bu amaç için uygunsuz hale getirir. Bu tür malzemenin karıştırılması, plütonyumun "denatüre" edilmesi için uygun bir yöntemdir ve bölünebilir malzemelerin çoğalmamasını sağlar.

Hem silah düzeyinde hem de reaktör düzeyinde plütonyum bir miktar ^Pu içerir. ^'Pu, bir p parçacığının yayılmasıyla 24 'Am'e bozunur. Yavru 241 At'nin yarı ömrü ana 241 Pu'dan (14,4 l) önemli ölçüde daha uzun olduğundan (432 l), yükteki (veya NFC atıklarındaki) miktarı ^'Pu bozundukça artar. 241 Am'in bozunmasının bir sonucu olarak, 241 Pu'dan çok daha güçlüdür, bu nedenle zamanla da artar.®4phi konsantrasyonu ve depolanma süresi, artıştan kaynaklanan y-radyasyonu seviyesiyle doğrudan ilişkilidir. 24' As içeriğindeki Plütonyum uzun süre saklanamaz - Bir kere kullanıldıktan sonra mutlaka kullanılmalıdır, aksi halde tekrar zaman alıcı ve pahalı bir geri dönüşüme tabi tutulmak zorunda kalacaktır.

Masa 5. Silah sınıfı ve reaktör sınıfı plütonyumun bazı özellikleri

Pratik olarak en önemli izotop 2 39Pu, doğal veya zenginleştirilmiş uranyumun uzun süreli nötron ışınlaması sırasında nükleer reaktörlerde üretilir:

Ne yazık ki, plütonyumun diğer izotoplarının ortaya çıkmasına yol açan başka nükleer reaksiyonlar da meydana geliyor: 2 - 38 Pu, a4or u, 24 Phi ve 242 Pu; bunların 2 39Rc'den ayrılması, çözülebilir olmasına rağmen çok zor bir iştir. :

Uranyum reaktör nötronları tarafından ışınlandığında plütonyumun hem hafif hem de ağır izotopları oluşur. Öncelikle kütlesi 239'dan küçük olan plütonyum izotoplarının oluşumunu ele alalım.

Fisyon sırasında yayılan nötronların küçük bir kısmı, 2 3 8 U(n,2n) 2 3?u reaksiyonunu uyarmaya yeterli enerjiye sahiptir. 237 U bir p-emitördür ve T',/ 2 =6,8 gün ile uzun ömürlü 2 37Np'ye dönüşür. Doğal uranyum üzerindeki bir grafit reaktöründeki bu izotop, aynı anda oluşan 2 39Pu'nun toplam miktarının %0,1'i kadar bir miktarda oluşur. Yavaş nötronların 2 3?Np tarafından yakalanması, 2 3 8 Np'nin oluşumuna yol açar. Bu reaksiyonun kesiti 170 ahırdır. Reaksiyon zinciri şuna benzer:

Burada iki nötron söz konusu olduğundan verim, radyasyon dozunun karesiyle orantılıdır ve 238 Pu miktarlarının 2 39Pu'ya oranı, 2 39Pu'nun 238 U'ya oranıyla orantılıdır. ^U'nun 6,8 günlük yarı ömrü ile ilişkili 23?Np oluşumundaki gecikme. 239Pu'da 238 Pu oluşumunun daha az önemli bir kaynağı, uranyum reaktörlerinde oluşan 242 St'nin bozunmasıdır. ayrıca reaksiyonlardan oluşur:

Bu üçüncü dereceden bir nötron reaksiyonu olduğundan, bu şekilde oluşan 2 3 8 Pu miktarının 2 39 Pu'ya oranı * 3 8 Pu'nun 2 3 8 U'ya oranının karesi ile orantılıdır. Ancak bu zincir ^u bakımından zenginleştirilmiş uranyumla çalışırken reaksiyonların sayısı nispeten daha önemli hale gelir.

%5,6 24 °Pu içeren bir numunedeki 2 x 8 Pu konsantrasyonu %0,0115'tir. Bu değer ilaçların toplam a-aktivitesine oldukça önemli bir katkı sağlar, çünkü ^Pu Ti/2= 86,4 l.

Reaktörde üretilen plütonyumda 2 6 Pu'nun varlığı bir dizi reaksiyonla ilişkilidir:

Uranyumun ışınlanması sırasında 2 3 6 Pu'nun verimi ~ω-9-io" %8'dir.

Uranyumda plütonyum birikimi açısından bakıldığında, ana dönüşümler izotop 2 39Pu'nun oluşumu ile ilişkilidir. Ancak diğer yan reaksiyonlar da önemlidir çünkü bunlar hedef ürünün verimini ve saflığını belirler. Ağır izotoplar 240 Pu, ^Phi, 242 Pu'nun yanı sıra 23Pu, 2 37Np ve ^"Külün göreceli içeriği, uranyumun nötron ışınlama dozuna (uranyumun reaktörde kalma süresi) bağlıdır. Enine kesitler plütonyum izotopları tarafından nötron yakalanması için, uranyumdaki 239Pu gibi düşük konsantrasyonlarda bile ardışık reaksiyonlara (n, y) neden olacak kadar büyüktür.

Masa 6. Işınlanmış plütonyumdan izole edilen plütonyumun izotopik bileşimi doğal uranyumdan tahtlar. _

Uranyumun nötronlarla ışınlanması sırasında oluşan 241 Pu, uranyum bloklarının kimyasal-teknolojik işlenmesi sırasında boşaltılan 241 As'ye dönüşür (ancak 241 At, saflaştırılmış plütonyumda yavaş yavaş yeniden birikir). Örneğin, %7,5 24 °Pu içeren metalik plütonyumun a-aktivitesi bir yıl sonra %2 artar (24, At oluşumu nedeniyle).24 Pu, reaktör nötronları için şu miktarda büyük bir fisyon kesitine sahiptir: plütonyumun reaktör yakıtı olarak kullanılması durumunda önemli olan kaka ahırına.

Uranyum veya plütonyum güçlü nötron ışınlamasına maruz kalırsa, küçük aktinitlerin sentezi başlar:

2 4*Pu'dan oluşan 2 4*Am, nötronlarla reaksiyona girerek 2 3 8 Pu ve 2 4 2 Pu'yu oluşturur:

Bu süreç, nispeten düşük y-radyasyonuna sahip plütonyum preparatlarının elde edilmesi olasılığının önünü açıyor.

Pirinç. 6. 3*10*4 n/cm2 s'lik bir nötron akısı ile 2 39Pu'nun uzun süreli ışınlanması sırasında plütonyum izotoplarının oranındaki değişiklik.

Böylece, plütonyumun uzun ömürlü izotopları - ^Pu ve 2 44Pu, 2 39Pu nötronla uzun süreli (yaklaşık yüz gün veya daha fazla) ışınlama sırasında oluşur. Bu durumda, 2 4 2 Pu'nun verimi yüzde birkaç onluğa ulaşırken, oluşan 2 44 Pu'nun miktarı ^Pu'nun yüzde birlik kısmı kadardır. Aynı zamanda Am, Cm ve diğer transplütonyumun yanı sıra parçalanma elemanları da elde edilir.

Plütonyum üretiminde, uranyum (metal formunda) endüstriyel bir reaktörde (termal veya hızlı) ışınlanır; bunun avantajları yüksek nötron yoğunluğu, düşük sıcaklık ve ışınlamanın çok daha kısa bir süre boyunca ışınlanma olasılığıdır. reaktör kampanyası.

Bir reaktörde silah yapımına uygun plütonyumun üretimi sırasında ortaya çıkan temel sorun, uranyumun ışınlanması için en uygun zamanın seçilmesiydi. Gerçek şu ki, doğal uranyumun büyük kısmını oluşturan izotop 238, nötronları yakalayarak 239Pu oluştururken, 2333, fisyon zincir reaksiyonunu destekler. Plütonyumun ağır izotoplarının oluşumu ilave nötron yakalamayı gerektirdiğinden, uranyumdaki bu tür izotopların miktarı 2 39Pu miktarından daha yavaş artar. Bir reaktörde ışınlanmış uranyum Kısa bir zaman, az miktarda 2 39Pu içerir, ancak zararlı ağır izotopların birikmeye zamanı olmadığından uzun süreli maruz kalmalardan daha saftır. Bununla birlikte, 2 39Рц'un kendisi de fisyona maruz kalır ve reaktördeki konsantrasyonunun artmasıyla dönüşüm hızı artar. Bu nedenle, ışınlamanın başlamasından birkaç hafta sonra uranyumun reaktörden çıkarılması gerekir.

Pirinç. 7- Plütonyum izotoplarının reaktörde birikmesi: l - ^Pu; 2 - 240 Pu (kısa sürede silah dereceli plütonyum oluşur ve uzun zamanlarda reaktör dereceli plütonyum oluşur, yani silah kullanımına uygun değildir).

Bir yakıt hücresinin genel ışınlama oranı megavat gün/ton cinsinden ifade edilir. Silah sınıfı plütonyum, az miktarda MW-gün/t'ye sahip elementlerden üretilir ve daha az yan ürün izotop üretir. Modern basınçlı su reaktörlerindeki yakıt hücreleri 33.000 MW-gün/t seviyelerine ulaşmaktadır. Bir üreme reaktöründeki tipik maruziyet 100 MW-gün/t'tur. Manhattan Projesi sırasında doğal uranyum yakıtı yalnızca 100 MW-gün/ton aldı, bu nedenle çok yüksek kalitede 239 Ri (toplam) üretti. 1 % 2 4°Pll).