Кто открыл плутоний. Что такое плутоний
История
Открытый 1940 Гленом Сиборг (Glenn Seaborg), Эдвином Макмиллан (Edwin McMillan), Кеннеди (Kennedy) и Артуром Уолхом (Arthur Wahl) 1940 года в Беркли (США) во время бомбардировки урановой мишени дейтронами, ускоренными в циклотроне.
Происхождение названия
Плутоний был назван в честь планеты Плутон, поскольку предыдущий открытый химический элемент получил название Нептуний.
Получение
Плутоний получают в ядерных реакторах.
Изотоп 238 U, что составляет основную массу природного урана, мало пригоден к делению. Для ядерных реакторов уран несколько обогащают, но доля 235 U в ядерном топливе остается небольшой (примерно 5%). Основную часть в ТВЭЛах составляет 238 U. Во время работы ядерного реактора часть ядер 238 U захватывает нейтроны и превращается в 239 Pu, который в дальнейшем можно выделить.
Выделить плутоний среди продуктов ядерных реакций достаточно сложно, так как плутоний (как и уран, торий, нептуний) относится к очень похожих между собой по химическим свойствам актиноидов. Задача усложняется тем, что среди продуктов распада содержащихся редкоземельные элементы, химические свойства которых тоже подобные плутония. Применяют традиционные радиохимические методы – осаждение, экстракцию, ионный обмен и т.д. Конечным продуктом этой многостадийной технологии являются оксиды плутония PuO 2 или фториды (PuF 3, PuF 4).
Добывают плутоний методом Металлотермия (восстановлением активными металлами из оксидов и солей в вакууме):
PuF 4 +2 Ba = 2BaF 2 + Pu
Изотопы
Известно более десятка изотопов плутония, все они радиоактивны.
Важнейшим является изотоп 239 Pu,
способный к делению ядра и цепной ядерной реакции. Это единственный изотоп, пригодный для использования в ядерном оружии. Имеет лучшие, чем уран-235, показатели поглощения и рассеяния нейтронов, количества нейтронов на одно деление (около 3 против 2,3) и, соответственно, меньшую критическую массу. Его период полураспада составляет около 24 тыс. лет. Другие изотопы плутония рассматривают прежде всего с точки зрения вредности для основного (вооруженного) применения.
Изотопу 238 Pu
имеет мощную альфа-радиоактивность и, как следствие, значительное тепловыделение (567 Вт / кг). Это создает неудобства для использования в ядерном оружии, но находит применение в ядерных батареях. Почти все космические аппараты, улетевшие за орбиту Марса, имеют радиоизотопные реакторы на 238 Pu. В реакторном плутонии доля этого изотопа очень незначительна.
Изотоп 240 Pu
является основным загрязнителем оружейного плутония. Имеет высокую интенсивность спонтанного распада, создает высокий нейтронный фон, что существенно усложняет подрыв ядерных зарядов. Считают, что его доля в оружии не должна превышать 7%.
241 Pu
имеет низкий нейтронный фон и умеренную тепловую эмиссию. Его доля составляет чуть менее 1% и на свойства оружейного плутония не влияет. Однако с периодом полураспада 1914 превращается в америций-241, который выделяет много тепла, что может создавать проблему перегрева зарядов.
242 Pu
имеет очень малое сечение реации захвата нейтронов и накапливается в ядерных реакторах, хотя и в очень небольшом количестве (менее 0,1%). На свойства оружейного плутония не влияет. Его применяют в основном для дальнейших ядерных реакций синтеза трансплутониевого элементов: тепловые нейтроны не вызывают деления ядра, поэтому любые количества этого изотопа можно облучать мощными потоками нейтронов.
Другие изотопы плутония встречаются чрезвычайно редко и не имеют влияния на изготовление ядерных зарядов. Тяжелые изотопы образуются в очень незначительных количествах, имеют небольшое время жизни (менее нескольких дней или часов) и, путем бета-распада, превращаются в соответствующие изотопы америция. Среди них выделяется 244 Pu
– его период полураспада составляет около 82 млн. лет. Это самый изотоп среди всех трансурановых элементов.
Применение
На конец 1995 года в мире было произведено около 1270 тонн плутония, из них 257 тонн – для вооруженного использования, для которого пригоден только изотоп 239 Pu. Возможно применение 239 Pu качестве топлива в ядерных реакторах, но он проигрывает урана по экономическим показателям. Стоимость переработки ядерного топлива для добычи плутония намного больше, чем стоимость низкообогащенного (~ 5% 235 U) урана. Программу энергетического использования плутония имеет только Япония.
Аллотропные модификации
В твердом виде плутоний имеет семь аллотропных модификаций (однако фазы? и?1 иногда объединяют и считают одной фазе). При комнатной температуре плутоний представляет собой кристаллическую структуру, которая называется ?-фаза.
Атомы связаны ковалентной связью (вместо металлического), поэтому физические свойства ближе к минералам чем к металлам. Это твердый, хрупкий материал, ломается в определенных направлениях. Имеет низкую теплопроводность среди всех металлов, низкую электропроводность, за исключением марганца. ?-фаза не поддается обработке обычными для металлов технологиями.
При изменениях температуры в плутонии происходит перестройка структуры и он испытывает чрезвычайно сильные изменения. Некоторые переходы между фазами сопровождаются просто поразительными изменениями объема. В двух из этих фаз (? и?1) плутоний обладает уникальным свойством – отрицательный температурный коефициент расширения, т.е. он сжимается с увеличением температуры.
У гамма и дельта фазах плутоний проявляет обычные свойства металлов, в частности ковкость. Однако в дельта-фазе плутоний проявляет нестабильность. Под небольшим давлением он пытается осесть в плотную (на 25%) альфа-фазу. Это свойство применяют в имплозийних устройствах ядерного оружия.
В чистом плутонии под давлением свыше 1 килобар дельта-фаза вообще не существует. Под давлением более 30 килобар существуют только альфа-и бета-фазы.
Металлургия плутония
Плутоний можно стабилизировать в дельта-фазе при обычном давлении и комнатной температуры путем образования сплава с трехвалентными металлами, такими как галлий, алюминий, церий, индий в концентрации несколько молярных процентов. Именно в таком виде плутоний применяют в ядерном оружии.
Вооруженный плутоний
Для производства ядерного оружия нужно достичь чистоты нужного изотопа (235 U или 239 Pu) более 90%. Создание зарядов из урана требует многих стадий обогащения (потому, что доля 235 U в природном уране составляет менее 1%), в то время как доля 239 Pu в реакторном плутонии обычно составляет от 50% до 80% (т.е. почти в 100 раз больше). А в некоторых режимах работы реакторов можно получить плутоний, содержащий более 90% 239 Pu – такой плутоний не требует обогащения и может использоваться для изготовления ядерного оружия напрямую.
Биологическая роль
Плутоний является одной из самых токсичных известных веществ. Токсичность плутония обусловлена не столько химическими свойствами (хотя плутоний, пожалуй, токсический как любой тяжелый металл), сколько его альфа-радиоактивности. Альфа-частицы задерживаются даже незначительными слоями материалов или тканей. Скажем, несколько миллиметров кожи полностью поглотит их поток, защищая внутренние органы. Но альфа-частицы наздвичайно сильно повреждают ткани, с которыми они контактируют. Итак, плутоний представляет серьезную опасность, если попадает в организм. Он очень плохо всасывается в желудочном тракте, даже если попадает туда в растворимом виде. Но поглощения полграмма плутония может привести к смерти в течение нескольких недель вследствие острого облучения путей пищеварения.
Вдыхание десятой доли грамма пыли плутония приводит к смерти от отека легких в течение десяти дней. Вдыхание дозы в 20 мг приводит к смерти от фиброза течение месяца. Меньшие дозы вызывают кацерогенний эффект. Попадание в организм 1 мкг плутония увеличивает вероятность рака легких на 1%. Следовательно, 100 мкг плутония в организме почти гарантируют развитие рака (в течение десяти лет, хотя повреждения тканей могут оказался и раньше).
В биологических системах плутоний обычно находится в степени окисления +4 и обнаруживает сходство с железа. Попадая в кровь, он наиболее вероятно будет концентрироваться в тканях, содержащих железо: костном мозге, печени, селезенке. Если даже 1-2 микрограмма плутония осядут в костном мозге, иммунитет существенно ухудшится. Период выведения плутония из костной ткани составляет 80-100 лет, т.е. он будет оставаться там практически в течение всей жизни.
Международная комиссия по радиологической защите установила величину максимального ежегодного поглощения плутония на уровне 280 нанограмм.
Изотоп плутония 238 Pu впервые искусственно получен 23.02.1941 года группой американских ученых во главе с Г. Сиборгом путем облучения ядер урана дейтронами. Только затем плутоний был обнаружен в природе: в ничтожно малых количествах 239 Pu обычно содержится в урановых рудах как продукт радиоактивного превращения урана. Плутоний - первый искусственный элемент, полученный в доступных для взвешивания количествах (1942г.) и первый, производство которого началось в промышленных масштабах.
В названии элемента продолжена астрономическая тема: он назван в честь Плутона, второй планеты, следующей за Ураном.
Нахождение в природе, получение:
В урановых рудах в результате захвата нейтронов (например, нейтронов из космического излучения) ядрами урана образуется нептуний(239 Np), продуктом b
-распада которого и является природный плутоний-239. Однако плутоний образуется в таких микроскопических количествах (0,4-15 частей Pu на 10 12 частей U), что о его добыче из урановых руд не может быть и речи.
Плутоний получают в ядерных реакторах. В мощных потоках нейтронов происходит та же реакция, что и в урановых рудах, но скорость образования и накопления плутония в реакторе намного выше – в миллиард миллиардов раз. Для реакции превращения балластного урана-238 в энергетический плутоний-239 создаются оптимальные (в пределах допустимого) условия.
Плутоний-244 также накопили в ядерном реакторе. Изотоп элемента №95 – америция, 243 Am захватив нейтрон, переходил в америций-244; америций-244 переходил в кюрий, но в одном из 10 тыс. случаев происходил переход в плутоний-244. Из смеси америция с кюрием выделили препарат плутония-244 весом всего несколько миллионных долей грамма. Но их хватило для того чтобы определить период полураспада этого интереснейшего изотопа - 75 млн лет. Позднее он был уточнен и оказался равным 82,8 млн лет. В 1971 г. следы этого изотопа нашли в редкоземельном минерале бастнезите. 244 Pu – это самый долгоживущий из всех изотопов трансурановых элементов.
Физические свойства:
Серебристо-белый металл, имеет 6 аллотропных модификаций. Температура плавления 637°C, кипения - 3235°C. Плотность: 19,82 г/см 3 .
Химические свойства:
Плутоний способен реагировать с кислородом, с образованием оксида(IV), который, как у всех первых семи актиноидов, имеет слабый основный характер.
Pu + O 2 = PuO 2
Реагирует с разбавленной серной, соляной, хлорной кислотами.
Pu + 2HCl(p) = PuCl 2 + H 2 ; Pu + 2H 2 SO 4 = Pu(SO 4) 2 + 2H 2
Не реагирует с азотной и концентрированной серной кислотами. Валентность плутония меняется от трех до семи. Химически наиболее стабильны (а следовательно, наиболее распространены и наиболее изучены) соединения четырехвалентного плутония. Разделение близких по химическим свойствам актиноидов – урана, нептуния и плутония – может быть основано на разнице в свойствах их четырех- и шестивалентных соединений.
Важнейшие соединения:
Оксид плутония(IV)
, PuO 2 , имеет слабый основный характер.
...
...
Применение:
Плутоний широко использовался в производстве ядерного оружия (т. н. «оружейный плутоний»). Первый ядерный заряд на основе плутония был взорван 16 июля 1945 года на полигоне Аламогордо (испытание под кодовым названием "Тринити").
Находит применение (экспериментально) в качестве ядерного топлива для атомных реакторов гражданского и исследовательского назначения.
Плутоний-242 важен как «сырье» для сравнительно быстрого накопления высших трансурановых элементов в ядерных реакторах. Если в обычном реакторе облучать плутоний-239, то на накопление из граммов плутония микрограммовых количеств, к примеру, калифорния-251 потребуется около 20 лет. Плутоний-242 тепловыми нейтронами не делится, его и в больших количествах можно облучать в интенсивных нейтронных потоках. Поэтому в реакторах из этого изотопа «делают» и накапливают в весовых количествах все элементы от калифорния до эйнштейния.
Коваленко О.А.
ХФ ТюмГУ
Источники:
"Вредные химические вещества: Радиоактивные вещества" Справочник Л. 1990 стр. 197
Рабинович В.А., Хавин З.Я. "Краткий химический справочник" Л.: Химия, 1977 стр. 90, 306-307.
И.Н. Бекман. Плутоний. (уч.пособие, 2009)
Химия
Плутоний Pu - элемент № 94 связаны очень большие надежды и очень большие опасения человечества. В наши дни это один из самых важных, стратегически важных, элементов. Это самый дорогой из технически важных металлов - он намного дороже серебра, золота и платины. Он поистине драгоценен.
Предыстория и история
Вначале были протоны - галактический водород . В результате его сжатия и последовавших затем ядерных реакций образовались самые невероятные «слитки» нуклонов. Среди них, этих «слитков», были, по-видимому, и содержащие по 94 протона. Оценки теоретиков позволяют считать, что около 100 нуклонных образований, в состав которых входят 94 протона и от 107 до 206 нейтронов, настолько стабильны, что их можно считать ядрами изотопов элемента № 94.
Но все эти изотопы - гипотетические и реальные - не настолько стабильны, чтобы сохраниться до наших дней с момента образования элементов солнечной системы. Период полураспада самого долгоживущего изотопа элемента №94 - 81 млн. лет. Возраст Галактики измеряется миллиардами лет. Следовательно, у «первородного» плутония не было шансов дожить до наших дней. Если он и образовывался при великом синтезе элементов Вселенной, то те давние его атомы давно «вымерли», подобно тому как вымерли динозавры и мамонты.
В XX в. новой эры, нашей эры, этот элемент был воссоздан. Из 100 возможных изотопов плутония синтезированы 25. У 15 из них изучены ядерные свойства. Четыре нашли практическое применение. А открыли его совсем недавно. В декабре 1940 г. при облучении урана ядрами тяжелого водорода группа американских радиохимиков во главе с Гленном Т. Сиборгом обнаружила неизвестный прежде излучатель альфа-частиц с периодом полураспада 90 лет. Этим излучателем оказался изотоп элемента № 94 с массовым числом 238. В том же году, но несколькими месяцами раньше Э.М. Макмиллан и Ф. Эйбельсон получили первый элемент, более тяжелый, чем уран, - элемент № 93. Этот элемент назвали нептунием , а 94-й - плутонием. Историк определенно скажет, что названия эти берут начало в римской мифологии, но в сущности происхождение этих названий скорее не мифологическое, а астрономическое.
Элементы № 92 и 93 названы в честь далеких планет солнечной системы - Урана и Нептуна, но и Нептун в солнечной системе - не последний, еще дальше пролегает орбита Плутона - планеты, о которой до сих пор почти ничего не известно... Подобное же построение наблюдаем и на «левом фланге» менделеевской таблицы: uranium - neptunium - plutonium, однако о плутонии человечество знает намного больше, чем о Плутоне. Кстати, Плутон астрономы открыли всего за десять лет до синтеза плутония - почти такой же отрезок времени разделял открытия Урана - планеты и урана - элемента.
Загадки для шифровальщиков
Первый изотоп элемента № 94 - плутоний-238 в наши дни нашел практическое применение. Но в начале 40-х годов об этом и не думали. Получать плутоний-238 в количествах, представляющих практический интерес, можно, только опираясь на мощную ядерную промышленность. В то время она лишь зарождалась. Но уже было ясно, что, освободив энергию, заключенную в ядрах тяжелых радиоактивных элементов, можно получить оружие невиданной прежде силы. Появился Манхэттенский проект, не имевший ничего, кроме названия, общего с известным районом Нью-Йорка. Это было общее название всех работ, связанных с созданием в США первых атомных бомб. Руководителем Манхэттенского проекта был назначен не ученый, а военный - генерал Гровс, «ласково» величавший своих высокообразованных подопечных «битыми горшками».
Руководителей «проекта» плутоний-238 не интересовал. Его ядра, как, впрочем, ядра всех изотопов плутония с четными массовыми числами, нейтронами низких энергий не делятся, поэтому он не мог служить ядерной взрывчаткой. Тем не менее первые не очень внятные сообщения об элементах № 93 и 94 попали в печать лишь весной 1942 г.
Чем это объяснить? Физики понимали: синтез изотопов плутония с нечетными массовыми числами - дело времени, и недалекого. От нечетных изотопов ждали, что, подобно урану-235, они смогут поддерживать цепную ядерную реакцию. В них, еще не полученных, кое-кому виделась потенциальная ядерная взрывчатка. И эти надежды плутоний
, к сожалению, оправдывал.
В шифровках того времени элемент № 94 именовался не иначе, как... медью . А когда возникла необходимость в самой меди (как конструкционном материале для каких-то деталей), то в шифровках наряду с «медью» появилась «подлинная медь».
«Древо познания добра и зла»
В 1941 г. был открыт важнейший изотоп плутония - изотоп с массовым числом 239. И почти сразу же подтвердилось предсказание теоретиков: ядра плутония-239 делились тепловыми нейтронами. Более того, в процессе их деления рождалось не меньшее число нейтронов, чем при делении урана-235. Тотчас же были намечены пути получения этого изотопа в больших количествах...
Прошли годы. Теперь уже ни для кого не секрет, что ядерные бомбы, хранящиеся в арсеналах, начинены плутонием-239 и что их, этих бомб, достаточно, чтобы нанести непоправимый ущерб всему живому на Земле.
Распространено мнение, что с открытием цепной ядерной реакции (неизбежным следствием которого стало создание ядерной бомбы) человечество явно поторопилось. Можно думать по-другому или делать вид, что думаешь по-другому, - приятнее быть оптимистом. Но и перед оптимистами неизбежно встает вопрос об ответственности ученых. Мы помним триумфальный июньский день 1954 г., день, когда дала ток первая атомная электростанция в Обнинске. Но мы не можем забыть и августовское утро 1945 г. - «утро Хиросимы», «черный день Альберта Эйнштейна»... Помним первые послевоенные годы и безудержный атомный шантаж - основу американской политики тех лет. А разве мало тревог пережило человечество в последующие годы? Причем эти тревоги многократно усиливались сознанием, что, если вспыхнет новая мировая война, ядерное оружие будет пущено в ход.
Здесь можно попробовать доказать, что открытие плутония не прибавило человечеству опасений, что, напротив, оно было только полезно.
Допустим, случилось так, что по какой-то причине или, как сказали бы в старину, по воле божьей, плутоний оказался недоступен ученым. Разве уменьшились бы тогда наши страхи и опасения? Ничуть не бывало. Ядерные бомбы делали бы из урана-235 (и в не меньшем количестве, чем из плутония), и эти бомбы «съедали» бы еще большие, чем сейчас, части бюджетов.
Зато без плутония не существовало бы перспективы мирного использования ядерной энергии и больших масштабах. Для «мирного атома» просто не хватило бы урана-235. Зло, нанесенное человечеству открытием ядерной энергии, не уравновешивалось бы, пусть даже частично, достижениями «доброго атома».
Как измерить, с чем сравнить
Когда ядро плутония-239 делится нейтронами на два осколка примерно равной массы, выделяется около 200 Мэв энергии. Это в 50 млн. раз больше энергии, освобождающейся в самой известной экзотермической реакции С + O 2 = СO 2 . «Сгорая» в ядерном реакторе, грамм плутония дает 2 107 ккал. Чтобы не нарушать традиции (а в популярных статьях энергию ядерного горючего принято измерять внесистемными единицами - тоннами угля, бензина, тринитротолуола и т. д.), заметим и мы: это энергия, заключенная в 4 т угля. А в обычный наперсток помещается количество плутония, энергетически эквивалентное сорока вагонам хороших березовых дров.
Такая же энергия выделяется и при делении нейтронами ядер урана-235. Но основную массу природного урана (99,3%!) составляет изотоп 238 U, который можно использовать, только превратив уран в плутоний...
Энергия камней
Оценим энергетические ресурсы, заключенные в природных запасах урана.
Уран - рассеянный элемент, и практически он есть всюду. Каждому, кто побывал, к примеру, в Карелии, наверняка запомнились гранитные валуны и прибрежные скалы. Но мало кто знает, что в тонне гранита до 25 г урана. Граниты составляют почти 20% веса земной коры. Если считать только уран-235, то в тонне гранита заключено 3,5-105 ккал энергии. Это очень много, но...
На переработку гранита и извлечение из него урана нужно затратить еще большее количество энергии - порядка 106-107 ккал/т. Вот если бы удалось в качестве источника энергии использовать не тол ко уран-235, а и уран-238, тогда гранит можно было бы рассматривать хотя бы как потенциальное энергетическое сырье. Тогда энергия, полученная из тонны камня, составила бы уже от 8-107 до 5-108 ккал. Это равноценно 16-100 т угля. И в этом случае гранит мог бы дать людям почти в миллион раз больше энергии, чем все запасы химического топлива на Земле.
Но ядра урана-238 нейтронами не делятся. Для атомной энергетики этот изотоп бесполезен. Точнее, был бы бесполезен, если бы его не удалось превратить в плутоний-239. И что особенно важно: на это ядерное превращение практически не нужно тратить энергию - напротив, в этом процессе энергия производится!
Попробуем разобраться, как это происходит, но вначале несколько слов о природном плутонии.
В 400 тысяч раз меньше, чем радия
Уже говорилось, что изотопы плутония не сохранились со времени синтеза элементов при образовании нашей планеты. Но это не означает, что плутония в Земле нет.
Он все время образуется в урановых рудах. Захватывая нейтроны космического излучения и нейтроны, образующиеся при самопроизвольном (спонтанном) делении ядер урана-238, некоторые - очень немногие - атомы этого изотопа превращаются в атомы урана-239. Эти ядра очень нестабильны, они испускают электроны и тем самым повышают свой заряд. Образуется нептуний - первый трансурановый элемент. Нептуний-239 тоже весьма неустойчив, и его ядра испускают электроны. Всего за 56 часов половина нептуния-239 превращается в плутоний-239, период полураспада которого уже достаточно велик - 24 тыс. лет.
Почему не добывают плутоний из урановых руд
? Мала, слишком мала концентрация. «В грамм добыча - в год труды» - это о радии , а плутония в рудах содержится в 400 тыс. раз меньше, чем радия. Поэтому не только добыть - даже обнаружить «земной» плутоний необыкновенно трудно. Сделать это удалось только после того, как были изучены физические и химические свойства плутония, полученного в атомных реакторах.
Накапливают плутоний в ядерных реакторах. В мощных потоках нейтронов происходит та же реакция, что и в урановых рудах, но скорость образования и накопления плутония в реакторе намного выше - в миллиард миллиардов раз. Для реакции превращения балластного урана-238 в энергетический плутоний-239 создаются оптимальные (в пределах допустимого) условия.
Если реактор работает на тепловых нейтронах (напомним, что их скорость - порядка 2000 м в секунду, а энергия - доли электронвольта), то из естественной смеси изотопов урана получают количество плутония, немногим меньшее, чем количество «выгоревшего» урана-235. Немногим, но меньшее, плюс неизбежные потери плутония при химическом выделении его из облученного урана. К тому же цепная ядерная реакция подцеживается в природной смеси изотопов урана только до тех пор, пока не израсходована незначительная доля урана-235. Отсюда закономерен вывод: «тепловой» реактор на естественном уране - основной тип ныне действующих реакторов - не может обеспечить расширенного воспроизводства ядерного горючего. Но что же тогда перспективно? Для ответа на этот вопрос сравним ход цепной ядерной реакции в уране-235 и плутонии-239 и введем в наши рассуждения еще одно физическое понятие.
Важнейшая характеристика любого ядерного горючего - среднее число нейтронов, испускаемых после того, как ядро захватило один нейтрон. Физики называют его эта-числом и обозначают греческой буквой ц. В «тепловых» реакторах на уране наблюдается такая закономерность: каждый нейтрон порождает в среднем 2,08 нейтрона (η=2,08). Помещенный в такой реактор плутоний под действием тепловых нейтронов дает η=2,03. Но есть еще реакторы, работающие на быстрых нейтронах. Естественную смесь изотопов урана в такой реактор загружать бесполезно: цепная реакция не пойдет. Но если обогатить «сырье» ураном-235, она сможет развиваться и в «быстром» реакторе. При этом ц будет равно уже 2,23. А плутоний, помещенный под обстрел быстрыми нейтронами, даст η равное 2,70. В наше распоряжение поступит «лишних полнейтрона». И это совсем не мало.
Проследим, на что тратятся полученные нейтроны. В любом реакторе один нейтрон нужен для поддержания цепной ядерной реакции. 0,1 нейтрона поглощается конструкционными материалами установки. «Избыток» идет на накопление плутония-239. В одном случае «избыток» равен 1,13, в другом - 1,60. После «сгорания» килограмма плутония в «быстром» реакторе выделяется колоссальная энергия и накапливается 1,6 кг плутония. А уран и в «быстром» реакторе даст туже энергию и 1,1 кг нового ядерного горючего. И в том и в другом случае налицо расширенное воспроизводство. Но нельзя забывать об экономике.
В силу ряда технических причин цикл воспроизводства плутония занимает несколько лет. Допустим, что пять лет. Значит, в год количество плутония увеличится только на 2%, если η=2,23, и на 12%, если η=2,7! Ядерное горючее - капитал, а всякий капитал должен давать, скажем, 5% годовых. В первом случае налицо большие убытки, а во втором - большая прибыль. Этот примитивный пример иллюстрирует «вес» каждой десятой числа в ядерной энергетике.
Важно и другое. Ядерная энергетика должна поспевать за ростом потребности в энергии. Расчеты показывают: его условие выполнимо в будущем только тогда, когда η приближается к трем. Если же развитие ядерных энергетических источников будет отставать от потребностей общества в энергии, то останется два пути: либо «затормозить прогресс», либо брать энергию из каких-то других источников. Они известны: термоядерный синтез, энергия аннигиляции вещества и антивещества, но пока еще технически недоступны. И не известно, когда они будут реальными источниками энергии для человечества. А энергия тяжелых ядер уже давно стала для нас реальностью, и сегодня у плутония как главного «поставщика» энергии атома нет серьезных конкурентов, кроме, может быть, урана-233.
Сумма многих технологий
Когда в результате ядерных реакций в уране накопится необходимое количество плутония, его необходимо отделить не только от самого урана, но и от осколков деления - как урана, так и плутония, выгоревших в цепной ядерной реакции. Кроме того, в урано-плутониевой массе есть и некоторое количество нептуния. Сложнее всего отделить плутоний от нептуния и редкоземельных элементов (лантаноидов). Плутонию как химическому элементу в какой-то мере не повезло. С точки зрения химика, главный элемент ядерной энергетики - всего лишь один из четырнадцати актиноидов. Подобно редкоземельным элементам, все элементы актиниевого ряда очень близки между собой по химическим свойствам, строение внешних электронных оболочек атомов всех элементов от актиния до 103-го одинаково. Еще неприятнее, что химические свойства актиноидов подобны свойствам редкоземельных элементов, а среди осколков деления урана и плутония лантаноидов хоть отбавляй. Но зато 94-й элемент может находиться в пяти валентных состояниях, и это «подслащивает пилюлю» - помогает отделить плутоний и от урана, и от осколков деления.
Валентность плутония меняется от трех до семи. Химически наиболее стабильны (а следовательно, наиболее распространены и наиболее изучены) соединения четырехвалентного плутония.
Разделение близких по химическим свойствам актиноидов - урана, нептуния и плутония - может быть основано на разнице в свойствах их четырех- и шестивалентных соединений.
Нет нужды подробно описывать все стадии химического разделения плутония и урана. Обычно разделение их начинают с растворения урановых брусков в азотной кислоте, после чего содержащиеся в растворе уран, нептуний, плутоний и осколочные элементы «разлучают», применяя для этого уже традиционные радиохимические методы - осаждение, экстракцию, ионный обмен и другие. Конечные плутонийсодержащие продукты этой многостадийной технологии - его двуокись PuO 2 или фториды - PuF 3 или PuF 4 . Их восстанавливают до металла парами бария , кальция или лития . Однако полученный в этих процессах плутоний не годится на роль конструкционного материала - тепловыделяющих элементов энергетических ядерных реакторов из него не сделать, заряда атомной бомбы не отлить. Почему? Температура плавления плутония - всего 640°С - вполне достижима.
При каких бы «ультращадящих» режимах ни отливали детали из чистого плутония, в отливках при затвердевании всегда появятся трещины. При 640°С твердеющий плутоний образует кубическую кристаллическую решетку. По мере уменьшения температуры плотность металла постепенно растет. Но вот температура достигла 480°С, и тут неожиданно плотность плутония резко падает. До причин этой аномалии докопались довольно быстро: при этой температуре атомы плутония перестраиваются в кристаллической решетке. Она становится тетрагональной и очень «рыхлой». Такой плутоний может плавать в собственном расплаве, как лед на воде.
Температура продолжает падать, вот она достигла 451°С, и атомы снова образовали кубическую решетку, но расположились на большем, чем в первом случае, расстоянии друг от друга. При дальнейшем охлаждении решетка становится сначала орторомбической, затем моноклинной. Всего плутоний образует шесть различных кристаллических форм! Две из них отличаются замечательным свойством - отрицательным коэффициентом температурного расширения: с ростом температуры металл не расширяется, а сжимается.
Когда температура достигает 122°С и атомы плутония в шестой раз перестраивают свои ряды, плотность меняется особенно сильно - от 17,77 до 19,82 г/см 3 . Больше, чем на 10%!
Соответственно уменьшается объем слитка. Если против напряжений, возникавших на других переходах, металл еще мог устоять, то в этот момент разрушение неизбежно.
Как же тогда изготовить детали из этого удивительного металла? Металлурги легируют плутоний (добавляют в него незначительные количества нужных элементов) и получают отливки без единой трещины. Из них и делают плутониевые заряды ядерных бомб. Вес заряда (он определяется прежде всего критической массой изотопа) 5-6 кг. Он без труда поместился бы в кубике с размером ребра 10 см.
Тяжелые изотопы плутония
В плутонии-239 в незначительном количестве содержатся и высшие изотопы этого элемента - с массовыми числами 240 и 241. Изотоп 240 Pu практически бесполезен - это балласт в плутонии. Из 241-го получают америций - элемент № 95. В чистом виде, без примеси других изотопов, плутоний-240 и плутоний-241 можно получить при электромагнитном разделении плутония, накопленного в реакторе. Перед этим плутоний дополнительно облучают нейтронными потоками со строго определенными характеристиками. Конечно, все это очень сложно, тем более что плутоний не только радиоактивен, но и весьма токсичен. Работа с ним требует исключительной осторожности.
Один из самых интересных изотопов плутония - 242 Pu можно получить, облучая длительное время 239 Pu в потоках нейтронов. 242 Pu очень редко захватывает нейтроны и потому «выгорает» в реакторе медленнее остальных изотопов; он сохраняется и после того, как остальные изотопы плутония почти полностью перешли в осколки или превратились в плутоний-242.
Плутоний-242 важен как «сырье» для сравнительно быстрого накопления высших трансурановых элементов в ядерных реакторах. Если в обычном реакторе облучать плутоний-239, то на накопление из граммов плутония микрограммовых количеств, к примеру, калифорния-252 потребуется около 20 лет.
Можно сократить время накопления высших изотопов, увеличив интенсивность потока нейтронов в реакторе. Так и делают, но тогда нельзя облучать большое количество плутония-239. Ведь этот изотоп делится нейтронами, и в интенсивных потоках выделяется слишком много энергии. Возникают дополнительные сложности с охлаждением реактора. Чтобы избежать этих сложностей, пришлось бы уменьшить количество облучаемого плутония. Следовательно, выход калифорния стал бы снова мизерным. Замкнутый круг!
Плутоний-242 тепловыми нейтронами не делится, его и в больших количествах можно облучать в интенсивных нейтронных потоках... Поэтому в реакторах из этого изотопа «делают» и накапливают в весовых количествах все элементы от америция до фермия .
Всякий раз, когда ученым удавалось получить новый изотоп плутония, измеряли период полураспада его ядер. Периоды полураспада изотопов тяжелых радиоактивных ядер с четными массовыми числами меняются закономерно. (Этого нельзя сказать о нечетных изотопах.)
С увеличением массы растет и «время жизни» изотопа. Несколько лет назад высшей точкой этого графика был плутоний-242. А дальше как пойдет эта кривая - с дальнейшим ростом массового числа? В точку 1, которая соответствует времени жизни 30 млн. лет, или в точку 2, которая отвечает уже 300 млн. лет? Ответ на этот вопрос был очень важен для наук о Земле. В первом случае, если бы 5 млрд, лет назад Земля целиком состояла из 244 Pu, сейчас во всей массе Земли остался бы только один атом плутония-244. Если же верно второе предположение, то плутоний-244 может быть в Земле в таких концентрациях, которые уже можно было бы обнаружить. Если бы посчастливилось найти в Земле этот изотоп, наука получила бы ценнейшую информацию о процессах, происходивших при формировании нашей планеты.
Периоды полураспада некоторых изотопов плутония
Несколько лет назад перед учеными встал вопрос: стоит ли пытаться найти тяжелый плутоний в Земле? Для ответа на него нужно было прежде всего определить период полураспада плутония-244. Теоретики не могли рассчитать эту величину с нужной точностью. Вся надежда была только на эксперимент.
Плутоний-244 накопили в ядерном реакторе. Облучали элемент № 95 - америций (изотоп 243 Am). Захватив нейтрон, этот изотоп переходил в америций-244; америций- 244 в одном из 10 тыс. случаев переходил в плутоний-244.
Из смеси америция с кюрием выделили препарат плутония-244. Образец весил всего несколько миллионных долей грамма. Но их хватило для того чтобы определить период полураспада этого интереснейшего изотопа. Он оказался равным 75 млн. лет. Позже другие исследователи уточнили период полураспада плутония-244, но ненамного - 81 млн. лет. В 1971 г. следы этого изотопа нашли в редкоземельном минерале бастнезите .
Много попыток предпринимали ученые, чтобы найти изотоп трансуранового элемента, живущий дольше, чем 244 Pu. Но все попытки остались тщетными. Одно время возлагали надежды на кюрий-247, но после того, как этот изотоп был накоплен в реакторе, выяснилось, что его период полураспада всего 16 млн. лет. Побить рекорд плутония-244 не удалось, - это самый долгоживущий из всех изотопов трансурановых элементов.
Еще более тяжелые изотопы плутония подвержены бета-распаду, и их время жизни лежит в интервале от нескольких дней до нескольких десятых секунды. Мы знаем наверное, что в термоядерных взрывах образуются все изотопы плутония, вплоть до 257 Pu. Но их время жизни - десятые доли секунды, и изучить многие короткоживущие изотопы плутония пока не удалось.
Возможности первого изотопа плутония
И напоследок - о плутонии-238 - самом первом из «рукотворных» изотопов плутония, изотопе, который вначале казался бесперспективным. В действительности это очень интересный изотоп. Он подвержен альфа-распаду, т. е. его ядра самопроизвольно испускают альфа-частицы - ядра гелия. Альфа-частицы, порожденные ядрами плутония-238, несут большую энергию; рассеявшись в веществе, эта энергия превращается в тепло. Как велика эта энергия? Шесть миллионов электронвольт освобождается при распаде одного атомного ядра плутония-238. В химической реакции та же энергия выделяется при окислении нескольких миллионов атомов. В источнике электричества, содержащем один килограмм плутония-238, развивается тепловая мощность 560 ватт. Максимальная мощность такого же по массе химического источника тока - 5 ватт.
Существует немало излучателей с подобными энергетическими характеристиками, но одна особенность плутония-238 делает этот изотоп незаменимым. Обычно альфа- распад сопровождается сильным гамма-излучением, проникающим через большие толщи вещества. 238 Pu - исключение. Энергия гамма-квантов, сопровождающих распад его ядер, невелика, защититься от нее несложно: излучение поглощается тонкостенным контейнером. Мала и вероятность самопроизвольного деления ядер этого изотопа. Поэтому он нашел применение не только в источниках тока, но и в медицине. Батарейки с плутонием-238 служат источником энергии в специальных стимуляторах сердечной деятельности.
Но 238 Pu не самый легкий из известных изотопов элемента № 94, получены изотопы плутония с массовыми числами от 232 до 237. Период полураспада самого легкого изотопа - 36 минут.
Плутоний - большая тема. Здесь рассказано главное из самого главного. Ведь уже стала стандартной фраза, что химия плутония изучена гораздо лучше, чем химия таких «старых» элементов, как железо . О ядерных свойствах плутония написаны целые книги. Металлургия плутония - еще один удивительный раздел человеческих знаний... Поэтому не нужно думать, что, прочитав этот рассказ, вы по-настоящему узнали плутоний - важнейший металл XX в.
- КАК ВОЗЯТ ПЛУТОНИЙ. Радиоактивный и токсичный плутоний требует особой осторожности при перевозке. Сконструирован контейнер специально для его транспортировки - контейнер, который не разрушается даже при авиационных катастрофах. Сделан он довольно просто: это толстостенный сосуд из нержавеющей стали, окруженный оболочкой из красного дерева. Очевидно, плутоний того стоит, но прпредставьте, какой толщины должны быть стенки, если известно, что контейнер для перевозки всего двух килограммов плутония весит 225 кг!
- ЯД И ПРОТИВОЯДИЕ. 20 октября 1977 г. агентство «Франс Пресс» сообщило: найдено химическое соединение, способное выводить из организма человека плутоний. Через несколько лет об этом соединении стало известно довольно многое. Это комплексное соединение - линейный катехинамид карбоксилазы, вещество класса хелатов (от греческого - «хела» - клешня). В эту химическую клешню и захватывается атом плутония, свободный или связанный. У лабораторных мышей с помощью этого вещества из организма выводили до 70% поглощенного плутония. Полагают, что в дальнейшем это соединение поможет извлекать плутоний и из отходов производства, и из ядерного горючего.
Плутоний, элемент с порядковым номером 94, открыт Гленом Сиборгом (Glenn Seaborg), Эдвином Макмилланом (Edwin McMillan), Кеннеди (Kennedy), и Артуром Уолхом (Arthur Wahl) в 1940 году в Беркли при бомбардировки мишени из урана дейтронами из шестидесятидюймового циклотрона. В мае 1940 свойства плутония были предсказаны Льюисом Тернером (Louis Turner).
В декабре 1940 года был открыт изотоп плутония Pu-238, с периодом полураспада ~90 лет, через год - более важный Pu-239 с периодом полураспада ~24 000 лет.
Pu-239 присутствует в природном урана в виде следов (количество - одна часть на 1015), образуется он там в результате захвата нейтрона ядром U-238. Чрезвычайно малые количества Pu-244 (самого долгоживущего изотопа плутония, период полураспада 80 миллионов лет) были обнаружены в цериевой руде, по видимому, оставшиеся там со времен формирования Земли.
Всего известно 15 изотопов плутония, все радиоактивны. Самые значимые для проектирования ядерного оружия:
Pu238 -> (86 лет, альфа-распад) -> U234
Pu239 -> (24 360 лет, альфа-распад) -> U235
Pu240 -> (6580 лет, альфа-распад) -> U236
Pu241 -> (14.0 лет, бета-распад) -> Am241
Pu242 -> (370 000 лет, альфа-распад) -> U238 Физические свойства плутония
Плутоний - очень тяжелый серебристый металл, блестящий подобно никелю, когда только что очищен. Это крайне электроотрицательный, химически активный элемент, гораздо в большей степени, чем уран. Он быстро тускнеет, образую радужную пленку (подобно радужной масляной пленки), вначале светло-желтую, со временем переходящую в темно-пурпурную. Если окисление довольно велико, на его поверхности появляется оливково-зеленый порошок оксида (PuO2).
Плутоний охотно окисляется, и быстро коррозирует даже в присутствии незначительной влажности. Странно, но он покрывается ржавчиной в атмосфере инертного газа с парами воды гораздо быстрее, чем на сухом воздухе или в чистом кислороде. Причина этого - прямое действие кислорода формирует на поверхности плутония слой оксида, мешающий дальнейшему окислению. Воздействие же влаги производит рыхлую смесь из оксида и гидрида. Для предотвращения оксидирования и коррозии требуется сушильная печь.
Плутоний имеет четыре валентности, III-VI. Хорошо растворяется только в очень кислых средах, таких как азотная или соляная кислоты, так же хорошо растворяется в иодистоводородной и хлорной кислотах. Плутониевые соли легко гидролизируются при контакте с нейтральными или щелочными растворами, создавая нерастворимую гидроокись плутония. Концентрированные растворы плутония нестабильны, в следствии радиолитического разложения, ведущего к выпадению осадка.
Вследствии своей радиоактивности, плутоний теплый на ощупь. Большой кусок плутония в термоизолированной оболочке разогревается до температуры, превышающей температуру кипения воды.
Основные физические свойства плутония:
Температура плавления: 641 °C;
Температура кипения: 3232 °C;
Плотность: 19.84 (в альфа-фазе).
Плутоний имеет множество специфических свойств. Он обладает самой низкой теплопроводностью изо всех металлов, самой низкой электропроводностью, за исключением марганца (по другим данным все же самой низкой из всех металлов). В своей жидкой фазе это самый вязкий металл.
При изменении температуры плутоний подвергается самым сильным и неестественным изменениям плотности. Плутоний обладает шестью различными фазами (кристаллическими структурами) в твердой форме, больше чем любой другой элемент (в действительности, по более строгим условиям, их семь). Некоторые переходы между фазами сопровождаются разительными изменениями объема. В двух из этих фаз - дельта и дельта прим - плутоний обладает уникальным свойством сжиматься при повышении температуры, а в остальных - имеет чрезвычайно большой температурный коэффициент расширения. При расплавлении плутоний сжимается, позволяя нерасплавленному плутонию плавать. В своей максимально плотной форме, альфа фазе, плутоний шестой по плотности элемент (тяжелее его только осмий, иридий, платина, рений и нептуний). В альфа фазе чистый плутоний хрупок, но существуют его гибкие сплавы.
Описание плутония
Плутоний (Plutonium) представляет собой тяжелый химический элемент серебристого цвета, радиоактивный металл с атомным числом 94, который в периодической обозначается символом Pu.
Данный электроотрицательный активный химический элемент относится к группе актиноидов с атомной массой 244,0642, и, как и нептуний, который получил свое название в честь одноименной планеты, своим названием этот химический обязан планете Плутон, поскольку предшественниками радиоактивного элемента в периодической таблице химических элементов Менделеева является и нептуний, которые также были названы в честь далеких космических планет нашей Галактики.
Происхождение плутония
Элемент плутоний впервые был открыт в 1940 году в Калифорнийском Университете группой ученых-радиологов и научных исследователей Г. Сиборгом, Э. Макмилланом, Кеннеди, А. Уолхом при бомбардировании урановой мишени из циклотрона дейтронами — ядрами тяжелого водорода.
В декабре того же года учеными был открыт изотоп плутония – Pu-238, период полураспада которого составляет более 90 лет, при этом было установлено, что под воздействием сложнейших ядерных химических реакций изначально получается изотоп нептуний-238, после чего уже происходит образование изотопа плутония-238 .
В начале 1941 года ученые открыли плутоний 239 с периодом распада в 25 000 лет. Изотопы плутония могут иметь различное содержание нейтронов в ядре.
Чистое соединение элемента смогли получить только в конце 1942. Каждый раз, когда ученые-радиологи открывали новый изотоп, они всегда измеряли время периодов полураспада изотопов.
В настоящий момент изотопы плутония, которых всего насчитывается 15, отличаются по времени продолжительности периода полураспада . Именно с этим элементом связаны большие надежды, перспективы, но и в тот же момент, серьезные опасения человечества.
Плутоний имеет значительно большую активность, чем, к примеру, уран и принадлежит к самым дорогостоящим технически важным и значимым веществам химической природы.
К примеру, стоимость грамма плутония в несколько раз больше одного грама , , или других не менее ценных металлов.
Производство, добыча плутония считается затратной, а стоимость одного грамма металла в наше время уверенно держится на отметке в 4000 американских долларов.
Как получают плутоний? Производство плутония
Производство химического элемента происходит в атомных реакторах, внутри которых уран расщепляется под воздействием сложных химическо-технологических взаимосвязанных процессов.
Уран и плутоний являются главными, основными компонентами при производстве атомного (ядерного) горючего.
При необходимости получения большого количества радиоактивного элемента применяют метод облучения трансурановых элементов, которые можно получить из отработанного атомного топлива и облучения урана. Протекание сложных химических реакций позволяет отделить металл от урана.
Чтобы получить изотопы, а именно плутоний-238 и оружейный плутоний-239, которые представляют собой промежуточные продукты распада, используют облучение нептуния-237 нейтронами.
Ничтожно малую часть плутония-244, который является самым «долгоживущим» вариантом изотопа, по причине его длительного периода полураспада, обнаружили при исследованиях в цериевой руде, которая, скорее всего, сохранилась с момента формирования нашей Планеты Земля. В естественном виде в природе данный радиоактивный элемент не встречается.
Основные физические свойства и характеристики плутония
Плутоний — довольно тяжелый радиоактивный химический элемент серебристого цвета, который блестит только в очищенном виде. Атомная масса металла плутоний равна 244 а. е. м.
По причине своей высокой радиоактивности данный элемент теплый на ощупь, может разогреться до температуры, которая превышает температурный показатель при кипении воды.
Плутоний, под воздействием атомов кислорода быстро темнеет и покрывается радужной тонкой пленочкой изначально светло-желтого, а затем насыщенного — или бурого оттенка.
При сильном окислении происходит образование на поверхности элемента — порошка PuO2. Данный вид химического металла подвержен сильным процессам окисления и воздействия коррозии даже при незначительном уровне влажности.
Чтобы предотвратить коррозирование и оксидировании поверхности металла, необходима сушильная . Фото плутония можно посмотреть ниже.
Плутоний относится к четырехвалентным химическим металлам, хорошо и быстро растворяется в йодистоводородных веществах, кислых средах, к примеру, в , хлорной, .
Соли металла быстро нейтрализуются в средах с нейтральной реакцией, щелочных растворах, при этом образовывая нерастворимый гидрооксид плутония.
Температура, при которой происходит плавление плутония равна 641 градусам Цельсия, температура кипения – 3230 градусов.
Под воздействием высоких температурных режимов происходят неестественные изменения плотности металла. В виде плутоний обладает различными фазами, имеет шесть кристаллических структур.
При переходе между фазами происходят значительные изменения объемах элемента. Наиболее плотную форму элемент приобретает в шестой альфа-фазе (последняя стадия перехода), при этом тяжелее металла в этом состоянии бывает только , , нептуний, радий.
При расплавлении происходит сильное сжатие элемента, поэтому металл может держаться на поверхности воды и других неагрессивных жидких сред.
Несмотря на то, что данный радиоактивный элемент принадлежит к группе химических металлов, элемент довольно летуч, и при нахождении в закрытом пространстве за непродолжительный период времени увеличивается и возрастает в несколько раз его концентрация в воздухе.
К основным физическим свойствам металла можно отнести: невысокую степень, уровень теплопроводности из всех существующих и известных химических элементов, низкий уровень электропроводности, в жидком состоянии плутоний относится к одним из наиболее вязких металлов.
Стоит отметить, что любые соединения плутония относятся к токсичным, ядовитым и представляют серьезную опасность облучения для человеческого организма, которое происходит по причине активного альфа-излучения, поэтому все работы нужно выполнять предельно внимательно и только в специальных костюмах с химической защитой.
Больше о свойствах, теориях происхождения уникального металла можно прочитать в книге Обручева «Плутония ». Автор В.А. Обручев приглашает читателей окунуться в удивительный и уникальный мир фантастической страны Плутония, которая расположена в глубине недр Земли.
Применение плутония
Промышленный химический элемент принято классифицировать на оружейный и реакторный («энергетический») плутоний.
Так, для производства ядерного вооружения из всех существующих изотопов допустимо применять только плутоний 239, в котором не должно быть более 4.5% плутония 240, так как он подвержен самопроизвольному делению, что значительно затрудняет изготовление боевых снарядов.
Плутоний-238 находит применение для функционирования малогабаритных радиоизотопных источников электрической энергии, к примеру, в качестве источника энергии для космической техники.
Несколько десятилетий тому назад плутоний применяли в медицине в кардиостимуляторах (приборы для поддержания сердечного ритма).
Первая атомная бомба, созданная в мире, имела плутониевый заряд. Ядерный плутоний (Pu 239) востребован как ядерное топливо для обеспечения функционирования энергетических реакторов. Также этот изотоп служит источником для получения в реакторах трансплутониевых элементов.
Если провести сравнение ядерного плутония с чистым металлом, изотоп обладает более высокими металлическими параметрами, не имеет фаз перехода, поэтому его широко используют в процессе получения элементов топлива.
Оксиды изотопа Плутония 242 также востребованы как источник питания для космических летальных агрегатов, техники, в ТВЭЛах.
Оружейный плутоний – это элемент, который представлен в виде компактного металла, в котором содержится не меньше 93% изотопа Pu239.
Данный вид радиоактивного металла применяют про производстве различных видов ядерного оружения.
Получают оружейный плутоний в специализированных промышленных атомных реакторах, которые функционируют на природном или на низкообогащенном уране, в результате захвата им нейтронов.