چه کسی پلوتونیوم را کشف کرد. پلوتونیوم چیست؟

(Pu) یک فلز رادیواکتیو نقره‌ای مایل به سفید از گروه اکتینید است که در لمس گرم است (به دلیل رادیواکتیویته آن. به طور طبیعی در مقادیر بسیار کم در سنگ اورانیوم و سایر سنگ‌های معدنی اورانیوم و سریم یافت می‌شود، مقادیر قابل توجهی به صورت مصنوعی تولید می‌شود. حدود 5 تن پلوتونیوم در نتیجه آزمایش های هسته ای در جو منتشر شد.
داستان
در سال 1940 توسط گلن سیبورگ، ادوین مک میلان، کندی و آرتور وال در سال 1940 در برکلی (ایالات متحده آمریکا) در جریان بمباران یک هدف اورانیومی با دوترون های شتاب گرفته در یک سیکلوترون کشف شد.
منشاء نام
پلوتونیوم از سیاره پلوتون نامگذاری شد، زیرا عنصر شیمیایی قبلی کشف شده نپتونیوم نام داشت.
اعلام وصول
پلوتونیوم در راکتورهای هسته ای تولید می شود.
ایزوتوپ 238 U که بخش عمده ای از اورانیوم طبیعی را تشکیل می دهد، برای شکافت بسیار مناسب نیست. برای راکتورهای هسته ای، اورانیوم کمی غنی شده است، اما سهم 235 U در سوخت هسته ای کم است (تقریباً 5٪). بخش اصلی در میله های سوخت 238 U است. در حین کار یک راکتور هسته ای، بخشی از هسته 238 U نوترون ها را می گیرد و به 239 Pu تبدیل می شود که بعداً می توان آن را جدا کرد.

جداسازی پلوتونیوم در بین محصولات واکنش های هسته ای بسیار دشوار است، زیرا پلوتونیوم (مانند اورانیوم، توریم، نپتونیم) متعلق به اکتینیدهایی است که از نظر خواص شیمیایی بسیار مشابه هستند. این کار با این واقعیت پیچیده است که در میان محصولات پوسیدگی عناصر کمیاب خاکی وجود دارد که خواص شیمیایی آنها نیز شبیه پلوتونیوم است. از روش های رادیوشیمیایی سنتی - بارش، استخراج، تبادل یون و غیره استفاده می شود. محصول نهایی این فناوری چند مرحله ای، اکسیدهای پلوتونیوم PuO 2 یا فلوراید (PuF 3، PuF 4) است.
پلوتونیوم با استفاده از روش متالوترمی (کاهش فلزات فعال از اکسیدها و نمک ها در خلاء) استخراج می شود:

PuF 4 + 2 Ba = 2BaF 2 + Pu

ایزوتوپ ها
بیش از دوازده ایزوتوپ پلوتونیوم شناخته شده است که همه آنها رادیواکتیو هستند.
مهمترین ایزوتوپ 239 پلوتونیم،قادر به شکافت هسته ای و واکنش های زنجیره ای هسته ای است. این تنها ایزوتوپ مناسب برای استفاده در سلاح های هسته ای است. این ویژگی جذب و پراکندگی نوترون بهتر از اورانیوم-235، تعداد نوترون در هر شکافت (حدود 3 در مقابل 2.3) و بر این اساس، جرم بحرانی کمتری دارد. نیمه عمر آن حدود 24 هزار سال است. سایر ایزوتوپ های پلوتونیوم در درجه اول از منظر مضر بودن آنها برای استفاده اولیه (سلاح) در نظر گرفته می شوند.
ایزوتوپ 238 Puدارای رادیواکتیویته آلفا قدرتمند و در نتیجه تولید گرمای قابل توجهی (567 وات بر کیلوگرم) است. این برای استفاده در سلاح های هسته ای مشکل ساز است، اما در باتری های هسته ای کاربرد دارد. تقریباً تمام فضاپیماهایی که فراتر از مدار مریخ پرواز کرده اند دارای راکتورهای رادیوایزوتوپی با استفاده از 238 Pu هستند. در پلوتونیوم راکتور، نسبت این ایزوتوپ بسیار کم است.
ایزوتوپ 240 Puآلاینده اصلی پلوتونیوم با درجه سلاح است. سرعت واپاشی خود به خودی بالایی دارد و پس زمینه نوترونی بالایی ایجاد می کند که انفجار بارهای هسته ای را به طور قابل توجهی پیچیده می کند. اعتقاد بر این است که سهم آن در سلاح نباید بیش از 7٪ باشد.
241 Puدارای زمینه نوترونی کم و انتشار حرارتی متوسط ​​است. سهم آن اندکی کمتر از 1٪ است و بر خواص پلوتونیوم با درجه سلاح تأثیر نمی گذارد. با این حال، با نیمه عمر خود، 1914 به americium-241 تبدیل می شود که گرمای زیادی تولید می کند که می تواند مشکلی با گرم شدن بیش از حد بارها ایجاد کند.
242 Puدارای سطح مقطع بسیار کوچکی برای واکنش جذب نوترون است و در راکتورهای هسته ای تجمع می یابد، هرچند در مقادیر بسیار کم (کمتر از 0.1٪). این بر خواص پلوتونیوم با درجه سلاح تأثیر نمی گذارد. عمدتاً برای واکنش‌های هسته‌ای بیشتر در سنتز عناصر ترانس پلوتونیوم استفاده می‌شود: نوترون‌های حرارتی باعث شکافت هسته‌ای نمی‌شوند، بنابراین هر مقدار از این ایزوتوپ می‌تواند با شارهای نوترونی قدرتمند تابش شود.
سایر ایزوتوپ های پلوتونیوم بسیار نادر هستند و هیچ تاثیری بر ساخت سلاح های هسته ای ندارند. ایزوتوپ های سنگین در مقادیر بسیار کم تشکیل می شوند، عمر کوتاهی دارند (کمتر از چند روز یا چند ساعت) و از طریق واپاشی بتا به ایزوتوپ های مربوطه آمریکیوم تبدیل می شوند. در میان آنها برجسته است 244 Pu– نیمه عمر آن حدود 82 میلیون سال است. این ایزوتوپ ترین ایزوتوپ در بین تمام عناصر ترانس اورانیوم است.
کاربرد
در پایان سال 1995، جهان حدود 1270 تن پلوتونیوم تولید کرده بود که 257 تن آن برای مصارف نظامی بود که فقط ایزوتوپ 239 Pu برای آن مناسب است. می توان از 239 Pu به عنوان سوخت در راکتورهای هسته ای استفاده کرد، اما از نظر اقتصادی از اورانیوم پایین تر است. هزینه بازفرآوری سوخت هسته ای برای استخراج پلوتونیوم بسیار بیشتر از هزینه اورانیوم با غنای پایین (حدود 5% 235 U) است. فقط ژاپن برنامه ای برای استفاده از انرژی پلوتونیوم دارد.
تغییرات آلوتروپیک
در شکل جامد، پلوتونیوم دارای هفت تغییر آلوتروپیک است (با این حال، فازهای ? و ?1 گاهی با هم ترکیب می شوند و یک فاز در نظر گرفته می شوند). در دمای اتاق، پلوتونیوم یک ساختار کریستالی به نام است ؟-فاز.اتم ها با یک پیوند کووالانسی (به جای پیوند فلزی) به هم متصل می شوند، بنابراین خواص فیزیکی به مواد معدنی نزدیک تر از فلزات است. این ماده سخت و شکننده ای است که در جهات خاصی می شکند. رسانایی حرارتی پایینی در بین تمام فلزات، رسانایی الکتریکی پایین به استثنای منگنز دارد. فاز β را نمی توان با استفاده از فناوری های فلزی معمولی پردازش کرد.
هنگامی که دما تغییر می کند، پلوتونیوم دچار تغییر ساختار می شود و تغییرات بسیار شدیدی را تجربه می کند. برخی از انتقال بین فازها با تغییرات ساده در حجم همراه است. در دو تا از این فازها (? و?1) پلوتونیوم دارای یک ویژگی منحصر به فرد است - ضریب انبساط دمایی منفی، یعنی. با افزایش دما منقبض می شود.
در فازهای گاما و دلتا، پلوتونیوم خواص معمول فلزات، به ویژه چکش خواری را از خود نشان می دهد. با این حال، در فاز دلتا، پلوتونیوم ناپایداری از خود نشان می دهد. تحت فشار خفیف، سعی می کند در فاز آلفای متراکم (25٪) قرار گیرد. این ویژگی در دستگاه های انفجاری سلاح های هسته ای استفاده می شود.
در پلوتونیوم خالص در فشارهای بالای 1 کیلوبار، فاز دلتا اصلا وجود ندارد. در فشارهای بالای 30 کیلوبار، فقط فازهای آلفا و بتا وجود دارند.
متالورژی پلوتونیوم
پلوتونیوم را می توان در فاز دلتا در فشار معمولی و دمای اتاق با تشکیل آلیاژ با فلزات سه ظرفیتی مانند گالیم، آلومینیوم، سریم، ایندیم در غلظت چند مول درصد تثبیت کرد. در این شکل است که پلوتونیوم در سلاح های هسته ای استفاده می شود.
پلوتونیوم مسلح شده
برای تولید تسلیحات هسته‌ای باید به خلوص ایزوتوپ مورد نظر (235 U یا 239 Pu) بیش از 90 درصد رسید. ایجاد بار از اورانیوم به مراحل غنی سازی زیادی نیاز دارد (زیرا نسبت 235 U در اورانیوم طبیعی کمتر از 1٪ است، در حالی که نسبت 239 Pu در پلوتونیوم راکتور معمولاً از 50٪ تا 80٪ است (یعنی تقریباً 100 برابر بیشتر). و در برخی از حالت های کار راکتور می توان پلوتونیوم حاوی بیش از 90٪ 239 Pu را بدست آورد - چنین پلوتونیومی نیازی به غنی سازی ندارد و می تواند مستقیماً برای ساخت سلاح های هسته ای استفاده شود.
نقش بیولوژیکی
پلوتونیوم یکی از سمی ترین مواد شناخته شده است. سمیت پلوتونیوم نه چندان به دلیل خواص شیمیایی آن است (اگرچه پلوتونیوم شاید به اندازه هر فلز سنگین سمی باشد)، بلکه بیشتر به دلیل رادیواکتیویته آلفا آن است. ذرات آلفا حتی توسط لایه های نازک مواد یا پارچه ها حفظ می شوند. فرض کنید، چند میلی متر از پوست جریان آنها را به طور کامل جذب می کند و از اندام های داخلی محافظت می کند. اما ذرات آلفا برای بافت هایی که با آنها در تماس هستند بسیار مضر هستند. بنابراین، اگر پلوتونیوم وارد بدن شود، خطر جدی دارد. در دستگاه گوارش بسیار ضعیف جذب می شود، حتی اگر به شکل محلول به آنجا برسد. اما خوردن نیم گرم پلوتونیوم می تواند در عرض چند هفته به دلیل مواجهه حاد با دستگاه گوارش منجر به مرگ شود.
استنشاق یک دهم گرم گرد و غبار پلوتونیوم منجر به مرگ در اثر ادم ریوی در عرض ده روز می شود. استنشاق دوز 20 میلی گرم منجر به مرگ بر اثر فیبروز در عرض یک ماه می شود. دوزهای کمتر باعث ایجاد اثر سرطان زا می شود. مصرف 1 میکروگرم پلوتونیوم احتمال ابتلا به سرطان ریه را 1 درصد افزایش می دهد. بنابراین، 100 میکروگرم پلوتونیوم در بدن تقریباً توسعه سرطان را تضمین می کند (در عرض ده سال، اگرچه ممکن است آسیب بافت زودتر رخ دهد).
در سیستم های بیولوژیکی پلوتونیوم معمولاً در حالت اکسیداسیون +4 است و شباهت هایی به آهن نشان می دهد. به محض ورود به خون، به احتمال زیاد در بافت های حاوی آهن متمرکز می شود: مغز استخوان، کبد، طحال. اگر حتی 1-2 میکروگرم پلوتونیوم در مغز استخوان ته نشین شود، ایمنی به طور قابل توجهی بدتر می شود. دوره حذف پلوتونیوم از بافت استخوان 80-100 سال است، یعنی. او عملاً در طول زندگی خود در آنجا باقی خواهد ماند.
کمیسیون بین المللی حفاظت رادیولوژیک حداکثر جذب پلوتونیوم سالانه را 280 نانوگرم تعیین کرده است.

ایزوتوپ پلوتونیوم 238 Pu برای اولین بار در 23 فوریه 1941 توسط گروهی از دانشمندان آمریکایی به رهبری G. Seaborg با تابش دوترون به هسته های اورانیوم به طور مصنوعی بدست آمد. تنها پس از آن پلوتونیوم در طبیعت کشف شد: 239 Pu معمولاً در مقادیر ناچیز در سنگ معدن اورانیوم به عنوان محصول تبدیل رادیواکتیو اورانیوم یافت می شود. پلوتونیوم اولین عنصر مصنوعی است که در مقادیر موجود برای وزن کردن (1942) و اولین عنصری است که تولید آن در مقیاس صنعتی آغاز شد.
نام این عنصر همچنان موضوع نجومی است: نام آن از پلوتون، دومین سیاره پس از اورانوس، گرفته شده است.

حضور در طبیعت، دریافت:

در سنگ معدن اورانیوم در نتیجه گرفتن نوترون ها (مثلا نوترون های حاصل از تشعشعات کیهانی) توسط هسته های اورانیوم، نپتونیوم (239 نیوتن پتر) تشکیل می شود. ب- که فروپاشی آن پلوتونیوم 239 طبیعی است. با این حال، پلوتونیوم در مقادیر میکروسکوپی (0.4-15 قسمت Pu در هر 1012 قسمت U) تشکیل می شود که استخراج آن از سنگ معدن اورانیوم قابل بحث نیست.
پلوتونیوم در راکتورهای هسته ای تولید می شود. در جریان های قدرتمند نوترونی، همان واکنشی که در سنگ معدن اورانیوم رخ می دهد، رخ می دهد، اما سرعت تشکیل و تجمع پلوتونیوم در راکتور بسیار بیشتر است - یک میلیارد میلیارد بار. برای واکنش تبدیل اورانیوم 238 بالاست به پلوتونیوم 239 با درجه انرژی، شرایط بهینه (در محدوده قابل قبول) ایجاد می شود.
پلوتونیوم 244 نیز در یک راکتور هسته ای انباشته شده است. ایزوتوپ عنصر شماره 95 - americium، 243 am، با گرفتن یک نوترون، به americium-244 تبدیل شد. آمریکیوم-244 به کوریم تبدیل شد، اما در یک مورد از هر 10 هزار مورد انتقال به پلوتونیوم-244 رخ داد. یک فرآورده پلوتونیوم 244 با وزن تنها چند میلیونم گرم از مخلوط آمریکیوم و کوریم جدا شد. اما آنها برای تعیین نیمه عمر این ایزوتوپ جالب - 75 میلیون سال - کافی بودند. بعداً تصفیه شد و معلوم شد که برابر با 82.8 میلیون سال است. در سال 1971، آثاری از این ایزوتوپ در ماده معدنی خاکی کمیاب باستناسیت یافت شد. 244 Pu طولانی ترین ایزوتوپ عناصر ترانس اورانیوم است.

مشخصات فیزیکی:

فلز نقره ای-سفید، دارای 6 تغییر آلوتروپیک است. نقطه ذوب 637 درجه سانتیگراد، نقطه جوش - 3235 درجه سانتیگراد. چگالی: 19.82 گرم بر سانتی متر مکعب.

خواص شیمیایی:

پلوتونیوم قادر به واکنش با اکسیژن برای تشکیل اکسید (IV) است، که مانند تمام اکتینیدهای هفتگانه اول، ویژگی اولیه ضعیفی دارد.
Pu + O 2 = PuO 2
با اسیدهای سولفوریک، کلریدریک، پرکلریک رقیق واکنش می دهد.
Pu + 2HCl(p) = PuCl2 + H2; Pu + 2H 2 SO 4 = Pu(SO 4) 2 + 2H 2
با اسیدهای نیتریک و سولفوریک غلیظ واکنش نمی دهد. ظرفیت پلوتونیوم از سه تا هفت متغیر است. از نظر شیمیایی، پایدارترین (و بنابراین رایج ترین و مورد مطالعه ترین) ترکیبات پلوتونیوم چهار ظرفیتی است. جداسازی اکتینیدها با خواص شیمیایی مشابه - اورانیوم، نپتونیم و پلوتونیوم - می تواند بر اساس تفاوت در خواص ترکیبات چهار ظرفیتی و شش ظرفیتی آنها باشد.

مهمترین ارتباطات:

اکسید پلوتونیوم (IV), PuO 2 , دارای یک شخصیت پایه ضعیف است.
...
...

کاربرد:

پلوتونیوم به طور گسترده در تولید سلاح های هسته ای (به اصطلاح "پلوتونیوم درجه سلاح") استفاده می شد. اولین دستگاه هسته ای مبتنی بر پلوتونیوم در 16 ژوئیه 1945 در سایت آزمایش آلاموگوردو (آزمایش با کد Trinity) منفجر شد.
این ماده (به طور تجربی) به عنوان سوخت هسته ای برای راکتورهای هسته ای برای اهداف عمرانی و تحقیقاتی استفاده می شود.
پلوتونیوم-242 به عنوان یک "ماده خام" برای تجمع نسبتاً سریع عناصر ترانس اورانیوم بالاتر در راکتورهای هسته ای مهم است. اگر پلوتونیوم-239 در یک راکتور معمولی تابش شود، حدود 20 سال طول می کشد تا مقادیر میکروگرمی مثلاً کالیفرنیا-251 از گرم پلوتونیوم جمع شود. پلوتونیوم-242 توسط نوترون های حرارتی شکافت پذیر نیست و حتی در مقادیر زیاد می تواند در شارهای شدید نوترونی تابش شود. بنابراین، در راکتورها، همه عناصر از کالیفرنیوم تا انیشتینیم از این ایزوتوپ "ساخته شده" و در مقادیر وزنی انباشته می شوند.

کووالنکو O.A.
دانشگاه ایالتی HF Tyumen

منابع:
"مواد شیمیایی مضر: مواد رادیواکتیو" فهرست راهنمای L. 1990 p. 197
Rabinovich V.A.، Khavin Z.ya. «کتاب مرجع شیمی کوتاه» ل.: شیمی، 1977 ص 90، 306-307.
که در. بکمن پلوتونیوم (کتاب درسی، 2009)

علم شیمی

پلوتونیوم Pu - عنصر شماره 94 با امیدهای بسیار بزرگ و ترس های بسیار بزرگ از بشریت همراه است. این روزها یکی از مهم ترین عناصر استراتژیک است. این گرانترین فلز از نظر فنی مهم است - بسیار گرانتر از نقره، طلا و پلاتین است. او واقعاً ارزشمند است.

پیشینه و تاریخچه

در ابتدا پروتون وجود داشت - هیدروژن کهکشانی. در نتیجه فشرده سازی آن و واکنش های هسته ای بعدی، باورنکردنی ترین "شمش" نوکلئون ها تشکیل شد. در میان آنها، این «شمش‌ها»، ظاهراً آنهایی بودند که حاوی 94 پروتون بودند. تخمین های نظریه پردازان حاکی از آن است که حدود 100 تشکیل نوکلئون که شامل 94 پروتون و از 107 تا 206 نوترون می شود، آنقدر پایدار هستند که می توان آنها را هسته ایزوتوپ های عنصر شماره 94 در نظر گرفت.
اما همه این ایزوتوپ‌ها - فرضی و واقعی - از زمان شکل‌گیری عناصر منظومه شمسی تا به امروز آنقدر پایدار نیستند. نیمه عمر طولانی ترین ایزوتوپ عنصر شماره 94 81 میلیون سال است. سن کهکشان با میلیاردها سال اندازه گیری می شود. در نتیجه، پلوتونیوم "اولیه" تا به امروز هیچ شانسی برای زنده ماندن نداشت. اگر در طی سنتز عظیم عناصر کیهان شکل گرفته باشد، آن اتم های باستانی آن مدت ها پیش "منقرض" شده اند، همانطور که دایناسورها و ماموت ها منقرض شدند.
در قرن بیستم عصر جدید، بعد از میلاد، این عنصر بازسازی شد. از 100 ایزوتوپ احتمالی پلوتونیوم، 25 ایزوتوپ سنتز شده است که خواص هسته ای 15 مورد از آنها بررسی شده است. چهار مورد کاربرد عملی پیدا کرده اند. و به تازگی افتتاح شده است. در دسامبر 1940، زمانی که اورانیوم با هسته‌های هیدروژن سنگین تابش شد، گروهی از رادیوشیمی‌دانان آمریکایی به رهبری گلن تی سیبورگ یک تابشگر ذرات آلفا ناشناخته را با نیمه عمر 90 سال کشف کردند. معلوم شد که این قطره چکان ایزوتوپ عنصر شماره 94 با عدد جرمی 238 است. در همان سال اما چند ماه قبل، E.M. مک میلان و اف. آبلسون اولین عنصر سنگین‌تر از اورانیوم، عنصر شماره 93 را به دست آوردند. این عنصر نپتونیوم و عنصر 94 پلوتونیوم نام داشت. مورخ قطعاً خواهد گفت که این نام ها از اساطیر رومی سرچشمه می گیرند، اما در اصل منشأ این نام ها نه اسطوره ای، بلکه نجومی است.
عناصر شماره 92 و 93 به نام سیارات دوردست منظومه شمسی - اورانوس و نپتون - نامگذاری شده اند، اما نپتون آخرین در منظومه شمسی نیست، حتی بیشتر در مدار پلوتو قرار دارد - سیاره ای که تقریباً هیچ چیز هنوز در مورد آن مشخص نیست. .. ساختار مشابهی را در "جلو چپ" جدول تناوبی نیز می بینیم: اورانیوم - نپتونیم - پلوتونیوم، با این حال، بشریت در مورد پلوتونیوم بسیار بیشتر از پلوتون می داند. به هر حال، ستاره شناسان تنها ده سال قبل از سنتز پلوتونیوم پلوتون را کشف کردند - تقریباً همان دوره زمانی اکتشافات اورانوس - سیاره و اورانیوم - عنصر را از هم جدا کرد.

معماهایی برای رمزنگاران

اولین ایزوتوپ عنصر شماره 94، پلوتونیوم-238، این روزها کاربرد عملی پیدا کرده است. اما در اوایل دهه 40 آنها حتی به آن فکر هم نمی کردند. دستیابی به پلوتونیوم 238 در مقادیر مورد علاقه تنها با تکیه بر صنعت قدرتمند هسته ای امکان پذیر است. در آن زمان تازه در ابتدای راه بود. اما از قبل مشخص بود که با آزاد کردن انرژی موجود در هسته عناصر رادیواکتیو سنگین، می توان به سلاح هایی با قدرت بی سابقه دست یافت. پروژه منهتن ظاهر شد که چیزی جز یک نام مشترک با منطقه معروف نیویورک نداشت. این نام کلی برای تمام کارهای مربوط به ساخت اولین بمب اتمی در ایالات متحده بود. این یک دانشمند نبود، بلکه یک مرد نظامی به نام ژنرال گرووز بود که به عنوان رئیس پروژه منهتن منصوب شد، که "محبت" اتهامات تحصیلکرده خود را "دیگ های شکسته" نامید.
رهبران "پروژه" علاقه ای به پلوتونیوم-238 نداشتند. هسته‌های آن، مانند هسته‌های تمام ایزوتوپ‌های پلوتونیوم با اعداد جرمی زوج، توسط نوترون‌های کم‌انرژی شکافت‌پذیر نیستند، بنابراین نمی‌توانند به عنوان یک ماده منفجره هسته‌ای عمل کنند. با این وجود، اولین گزارش های نه چندان واضح در مورد عناصر شماره 93 و 94 تنها در بهار 1942 به چاپ رسید.
چگونه می توانیم این را توضیح دهیم؟ فیزیکدانان فهمیدند: سنتز ایزوتوپ‌های پلوتونیوم با اعداد جرمی فرد موضوعی زمان بود و نه خیلی طولانی. انتظار می رفت که ایزوتوپ های عجیب و غریب، مانند اورانیوم 235، قادر به پشتیبانی از یک واکنش زنجیره ای هسته ای باشند. برخی از مردم آنها را به عنوان مواد منفجره هسته ای بالقوه می دانستند که هنوز دریافت نشده بودند. و این امیدها پلوتونیوممتاسفانه او آن را توجیه کرد.
در رمزگذاری آن زمان، عنصر شماره 94 چیزی بیش از ... مس نامیده می شد. و هنگامی که نیاز به خود مس (به عنوان یک ماده ساختاری برای برخی از قطعات) بوجود آمد، سپس در کدها، همراه با "مس"، "مس واقعی" ظاهر شد.

"درخت معرفت خیر و شر"

در سال 1941، مهمترین ایزوتوپ پلوتونیوم کشف شد - ایزوتوپی با عدد جرمی 239. و تقریباً بلافاصله پیش‌بینی نظریه‌پردازان تأیید شد: هسته‌های پلوتونیوم-239 توسط نوترون‌های حرارتی شکافته شدند. علاوه بر این، در طول شکافت آنها، تعداد نوترون کمتری نسبت به شکافت اورانیوم 235 تولید شد. راه های بدست آوردن این ایزوتوپ در مقادیر زیاد بلافاصله تشریح شد...
سالها گذشت. اکنون بر کسی پوشیده نیست که بمب‌های هسته‌ای ذخیره‌شده در زرادخانه‌ها با پلوتونیوم 239 پر شده‌اند و این بمب‌ها به اندازه‌ای هستند که آسیب‌های جبران‌ناپذیری به تمام حیات روی زمین وارد کنند.
این باور عمومی وجود دارد که بشریت به وضوح در کشف واکنش زنجیره ای هسته ای (که پیامد اجتناب ناپذیر آن ساخت بمب هسته ای بود) عجله داشت. شما می توانید متفاوت فکر کنید یا وانمود کنید که متفاوت فکر می کنید - خوش بین بودن خوشایندتر است. اما حتی افراد خوشبین نیز ناگزیر با پرسش مسئولیت دانشمندان روبرو هستند. ما روز پیروزمندانه ژوئن 1954 را به یاد می آوریم، روزی که اولین نیروگاه هسته ای در اوبنینسک روشن شد. اما ما نمی توانیم صبح اوت 1945 - "صبح هیروشیما"، "روز سیاه آلبرت انیشتین" را فراموش کنیم... ما اولین سال های پس از جنگ و باج گیری اتمی افسارگسیخته را به یاد می آوریم - اساس سیاست آمریکا در آن سال ها. . اما آیا بشریت در سال های بعد مشکلات زیادی را تجربه نکرده است؟ علاوه بر این، این نگرانی ها بارها با این آگاهی تشدید شد که در صورت وقوع جنگ جهانی جدید، از سلاح های هسته ای استفاده می شود.
در اینجا می توانید سعی کنید ثابت کنید که کشف پلوتونیوم ترسی به بشریت اضافه نکرده است، بلکه برعکس، فقط مفید بوده است.
فرض کنید به دلایلی یا به قول قدیم به خواست خدا پلوتونیوم برای دانشمندان غیر قابل دسترس بود. آیا در این صورت ترس و نگرانی ما کاهش می یابد؟ هیچ اتفاقی نیفتاد. بمب‌های هسته‌ای از اورانیوم 235 ساخته می‌شوند (و به مقدار کم‌تر از پلوتونیوم)، و این بمب‌ها حتی بخش‌های بزرگ‌تری از بودجه‌ها را نسبت به الان «می‌خورند».
اما بدون پلوتونیوم هیچ چشم اندازی برای استفاده صلح آمیز از انرژی هسته ای در مقیاس بزرگ وجود نخواهد داشت. به سادگی اورانیوم 235 برای یک "اتم صلح آمیز" کافی نخواهد بود. شری که با کشف انرژی هسته ای بر بشر وارد شده است، حتی تا حدی با دستاوردهای "اتم خوب" متعادل نخواهد شد.

چگونه اندازه گیری کنیم، با چه چیزی مقایسه کنیم

هنگامی که یک هسته پلوتونیوم-239 توسط نوترون ها به دو قطعه با جرم تقریبا مساوی تقسیم می شود، حدود 200 مگا ولت انرژی آزاد می شود. این 50 میلیون برابر بیشتر انرژی آزاد شده در معروف ترین واکنش گرمازا C + O 2 = CO 2 است. "سوزاندن" در یک راکتور هسته ای، یک گرم پلوتونیوم 2107 کیلوکالری می دهد. برای اینکه سنت شکنی نشود (و در مقالات محبوب، انرژی سوخت هسته ای معمولاً در واحدهای غیر سیستمی - تن زغال سنگ، بنزین، تری نیتروتولوئن و غیره اندازه گیری می شود)، همچنین توجه می کنیم: این انرژی موجود در 4 تن است. از زغال سنگ و یک انگشتانه معمولی حاوی مقداری پلوتونیوم از نظر انرژی معادل چهل کاروان هیزم خوب توس است.
همین انرژی در طی شکافت هسته های اورانیوم 235 توسط نوترون ها آزاد می شود. اما بخش عمده اورانیوم طبیعی (99.3 درصد!) ایزوتوپ 238 U است که فقط با تبدیل اورانیوم به پلوتونیوم قابل استفاده است...

انرژی سنگ ها

اجازه دهید منابع انرژی موجود در ذخایر طبیعی اورانیوم را ارزیابی کنیم.
اورانیوم یک عنصر کمیاب است و تقریباً در همه جا یافت می شود. هر کسی که به عنوان مثال از کارلیا بازدید کرده باشد، احتمالاً تخته سنگ های گرانیتی و صخره های ساحلی را به یاد می آورد. اما تعداد کمی از مردم می دانند که یک تن گرانیت حاوی 25 گرم اورانیوم است. گرانیت تقریبا 20 درصد وزن پوسته زمین را تشکیل می دهد. اگر فقط اورانیوم 235 را حساب کنیم، یک تن گرانیت حاوی 3.5-105 کیلو کالری انرژی است. زیاد است اما...
پردازش گرانیت و استخراج اورانیوم از آن مستلزم صرف مقدار بیشتری انرژی - حدود 106-107 کیلو کالری در تن است. حال اگر نه تنها اورانیوم 235، بلکه از اورانیوم 238 نیز به عنوان منبع انرژی امکان پذیر بود، گرانیت می توانست حداقل به عنوان یک ماده خام انرژی بالقوه در نظر گرفته شود. سپس انرژی به دست آمده از یک تن سنگ از 8-107 تا 5-108 کیلو کالری خواهد بود. این معادل 16-100 تن زغال سنگ است. و در این مورد، گرانیت می تواند تقریبا یک میلیون برابر بیشتر از تمام ذخایر سوخت شیمیایی روی زمین انرژی برای مردم فراهم کند.
اما هسته های اورانیوم 238 توسط نوترون ها شکافت نمی شوند. این ایزوتوپ برای انرژی هسته ای بی فایده است. به عبارت دقیق تر، اگر نتوان آن را به پلوتونیوم 239 تبدیل کرد، بی فایده خواهد بود. و آنچه به ویژه مهم است: عملاً نیازی به صرف انرژی برای این دگرگونی هسته ای نیست - برعکس، انرژی در این فرآیند تولید می شود!
بیایید سعی کنیم بفهمیم که چگونه این اتفاق می افتد، اما ابتدا چند کلمه در مورد پلوتونیوم طبیعی.

400 هزار برابر کمتر از رادیوم

قبلاً گفته شد که ایزوتوپ های پلوتونیوم از زمان سنتز عناصر در طول شکل گیری سیاره ما حفظ نشده اند. اما این بدان معنا نیست که پلوتونیوم در زمین وجود ندارد.
همیشه در سنگ معدن اورانیوم تشکیل می شود. با گرفتن نوترون از تشعشعات کیهانی و نوترون های تولید شده توسط شکافت خود به خودی هسته های اورانیوم-238، برخی - بسیار اندک - اتم های این ایزوتوپ به اتم های اورانیوم 239 تبدیل می شوند. این هسته ها بسیار ناپایدار هستند، الکترون ساطع می کنند و در نتیجه بار خود را افزایش می دهند. نپتونیم، اولین عنصر فرااورانیوم، تشکیل می شود. نپتونیوم 239 نیز بسیار ناپایدار است و هسته های آن الکترون ساطع می کنند. تنها در عرض 56 ساعت، نیمی از نپتونیوم-239 به پلوتونیوم-239 تبدیل می شود که نیمه عمر آن در حال حاضر بسیار طولانی است - 24 هزار سال.
چرا پلوتونیوم از سنگ معدن اورانیوم استخراج نمی شود؟? غلظت کم، خیلی کم "تولید در هر گرم - کار در سال" - این حدود رادیوم است و پلوتونیوم در سنگ معدن 400 هزار بار کمتر از رادیوم است. بنابراین، نه تنها استخراج، بلکه حتی تشخیص پلوتونیوم "زمینی" بسیار دشوار است. این تنها پس از بررسی خواص فیزیکی و شیمیایی پلوتونیوم تولید شده در راکتورهای هسته ای انجام شد.
پلوتونیوم در راکتورهای هسته ای انباشته می شود. در جریان های قدرتمند نوترونی، همان واکنشی که در سنگ معدن اورانیوم رخ می دهد، رخ می دهد، اما سرعت تشکیل و تجمع پلوتونیوم در راکتور بسیار بیشتر است - یک میلیارد میلیارد بار. برای واکنش تبدیل اورانیوم 238 بالاست به پلوتونیوم 239 با درجه انرژی، شرایط بهینه (در محدوده قابل قبول) ایجاد می شود.
اگر راکتور بر روی نوترون های حرارتی کار کند (به یاد بیاورید که سرعت آنها حدود 2000 متر در ثانیه است و انرژی آنها کسری از الکترون ولت است)، پس از مخلوط طبیعی ایزوتوپ های اورانیوم مقداری پلوتونیوم به دست می آید که کمی کمتر از مقدار اورانیوم 235 "سوخته" کمی، اما کمتر، به علاوه تلفات اجتناب ناپذیر پلوتونیوم در طول جداسازی شیمیایی آن از اورانیوم تابیده شده. علاوه بر این، واکنش زنجیره ای هسته ای در مخلوط طبیعی ایزوتوپ های اورانیوم تنها تا زمانی که بخش کوچکی از اورانیوم 235 مصرف شود، حفظ می شود. از این رو نتیجه منطقی: یک راکتور "حرارتی" با استفاده از اورانیوم طبیعی - نوع اصلی راکتورهای فعال فعلی - نمی تواند بازتولید گسترده سوخت هسته ای را تضمین کند. اما آن وقت چه چیز امیدوار کننده ای است؟ برای پاسخ به این سوال، اجازه دهید سیر واکنش زنجیره‌ای هسته‌ای را در اورانیوم ۲۳۵ و پلوتونیوم ۲۳۹ مقایسه کنیم و مفهوم فیزیکی دیگری را وارد بحث‌های خود کنیم.
مهمترین مشخصه هر سوخت هسته ای میانگین تعداد نوترون هایی است که پس از گرفتن یک نوترون از هسته منتشر می شود. فیزیکدانان آن را عدد eta می نامند و آن را با حرف یونانی q نشان می دهند. در راکتورهای "حرارتی" روی اورانیوم، الگوی زیر مشاهده می شود: هر نوترون به طور متوسط ​​2.08 نوترون تولید می کند (η = 2.08). پلوتونیومی که در چنین راکتوری تحت تأثیر نوترون های حرارتی قرار می گیرد، 03/2 = η را می دهد. اما راکتورهایی نیز وجود دارند که بر روی نوترون های سریع کار می کنند. بارگذاری مخلوط طبیعی ایزوتوپ های اورانیوم در چنین راکتوری بی فایده است: یک واکنش زنجیره ای رخ نخواهد داد. اما اگر "مواد خام" با اورانیوم 235 غنی شود، می توان آن را در یک راکتور "سریع" توسعه داد. در این حالت، c از قبل برابر با 2.23 خواهد بود. و پلوتونیوم که در معرض آتش سریع نوترونی قرار می گیرد، η برابر با 2.70 خواهد بود. ما "نیم نوترون اضافی" را در اختیار خواهیم داشت. و این اصلا کم نیست.

بیایید ببینیم نوترون های حاصل صرف چه چیزی می شوند. در هر راکتوری، یک نوترون برای حفظ یک واکنش زنجیره ای هسته ای مورد نیاز است. 0.1 نوترون توسط مصالح ساختمانی نصب جذب می شود. "مازاد" برای انباشته شدن پلوتونیوم 239 استفاده می شود. در یک مورد "زیاد" 1.13 است، در مورد دیگر 1.60 است. پس از "سوزاندن" یک کیلوگرم پلوتونیوم در یک راکتور "سریع"، انرژی عظیمی آزاد می شود و 1.6 کیلوگرم پلوتونیوم انباشته می شود. و اورانیوم در یک راکتور "سریع" همان انرژی و 1.1 کیلوگرم سوخت هسته ای جدید را فراهم می کند. در هر دو مورد، تولید مثل گسترده مشهود است. اما ما نباید اقتصاد را فراموش کنیم.
به دلیل تعدادی از دلایل فنی، چرخه تولید مثل پلوتونیوم چندین سال طول می کشد. فرض کنید پنج سال. این بدان معناست که میزان پلوتونیوم در سال فقط 2% افزایش می یابد اگر η=2.23 و 12% اگر η=2.7! سوخت هسته ای سرمایه است و هر سرمایه ای باید مثلاً 5 درصد در سال بازده داشته باشد. در مورد اول زیان های زیادی وجود دارد و در مورد دوم سود زیادی وجود دارد. این مثال ابتدایی "وزن" هر دهم عدد در انرژی هسته ای را نشان می دهد.
چیز دیگری نیز مهم است. انرژی هسته ای باید همگام با تقاضای رو به رشد انرژی باشد. محاسبات نشان می دهد که شرط او در آینده تنها زمانی برآورده می شود که η به سه نزدیک شود. اگر توسعه منابع انرژی هسته‌ای از نیاز جامعه به انرژی عقب بماند، دو گزینه باقی می‌ماند: یا «آهسته کردن پیشرفت» یا مصرف انرژی از برخی منابع دیگر. آنها شناخته شده اند: همجوشی گرما هسته ای، انرژی نابودی ماده و پادماده، اما هنوز از نظر فنی قابل دسترسی نیستند. و معلوم نیست چه زمانی آنها به منابع واقعی انرژی برای بشریت تبدیل خواهند شد. و انرژی هسته های سنگین مدت هاست که برای ما به واقعیت تبدیل شده است و امروزه پلوتونیوم به عنوان "تامین کننده" اصلی انرژی اتمی هیچ رقیب جدی به جز، شاید اورانیوم 233 ندارد.

مجموع بسیاری از فناوری ها

هنگامی که در نتیجه واکنش های هسته ای، مقدار مورد نیاز پلوتونیوم در اورانیوم انباشته شده است، باید نه تنها از خود اورانیوم، بلکه از قطعات شکافت - هم اورانیوم و هم پلوتونیوم که در واکنش زنجیره ای هسته ای سوزانده می شوند، جدا شود. علاوه بر این، توده اورانیوم پلوتونیوم نیز حاوی مقدار مشخصی نپتونیم است. سخت ترین چیزها برای جداسازی پلوتونیوم از نپتونیوم و عناصر خاکی کمیاب (لانتانیدها) است. پلوتونیوم به عنوان یک عنصر شیمیایی تا حدودی بدشانس بوده است. از دیدگاه یک شیمیدان، عنصر اصلی انرژی هسته ای تنها یکی از چهارده اکتینید است. مانند عناصر خاکی کمیاب، تمام عناصر سری اکتینیم از نظر خواص شیمیایی بسیار شبیه به یکدیگر هستند؛ ساختار لایه های الکترونی بیرونی اتم های همه عناصر از اکتینیم تا 103 یکسان است. آنچه حتی ناخوشایندتر است این است که خواص شیمیایی اکتینیدها مشابه خواص عناصر خاکی کمیاب است و در میان قطعات شکافت اورانیوم و پلوتونیوم بیش از اندازه لانتانید وجود دارد. اما عنصر 94 می تواند در پنج حالت ظرفیت باشد و این "قرص را شیرین می کند" - به جدا کردن پلوتونیوم از قطعات اورانیوم و شکافت کمک می کند.
ظرفیت پلوتونیوم از سه تا هفت متغیر است. از نظر شیمیایی، پایدارترین (و بنابراین رایج ترین و مورد مطالعه ترین) ترکیبات پلوتونیوم چهار ظرفیتی است.
جداسازی اکتینیدها با خواص شیمیایی مشابه - اورانیوم، نپتونیم و پلوتونیوم - می تواند بر اساس تفاوت در خواص ترکیبات چهار ظرفیتی و شش ظرفیتی آنها باشد.

نیازی به توصیف دقیق تمام مراحل جداسازی شیمیایی پلوتونیوم و اورانیوم نیست. معمولاً جداسازی آنها با انحلال میله های اورانیوم در اسید نیتریک آغاز می شود و پس از آن اورانیوم، نپتونیوم، پلوتونیوم و عناصر تکه تکه موجود در محلول "جدا" می شوند، با استفاده از روش های رادیوشیمیایی سنتی برای این - بارش، استخراج، تبادل یون و غیره. . محصولات نهایی حاوی پلوتونیوم این فناوری چند مرحله ای دی اکسید PuO 2 یا فلوراید آن - PuF 3 یا PuF 4 هستند. آنها با باریم، کلسیم یا بخار لیتیوم به فلز تبدیل می شوند. با این حال، پلوتونیوم به دست آمده در این فرآیندها برای نقش یک ماده ساختاری مناسب نیست - عناصر سوخت راکتورهای انرژی هسته ای را نمی توان از آن ساخت و بار بمب اتمی را نمی توان ریخت. چرا؟ نقطه ذوب پلوتونیوم - فقط 640 درجه سانتیگراد - کاملاً قابل دستیابی است.
مهم نیست که از چه شرایط "فوق العاده ملایم" برای ریخته‌گری قطعات از پلوتونیوم خالص استفاده می‌شود، ترک‌ها همیشه در قطعات ریخته‌گری در طول انجماد ظاهر می‌شوند. در دمای 640 درجه سانتیگراد، در حال انجماد پلوتونیوم یک شبکه کریستالی مکعبی تشکیل می دهد. با کاهش دما، چگالی فلز به تدریج افزایش می یابد. اما سپس دما به 480 درجه سانتیگراد رسید و ناگهان چگالی پلوتونیوم به شدت کاهش می یابد. دلایل این ناهنجاری به سرعت کشف شد: در این دما، اتم‌های پلوتونیوم در شبکه کریستالی بازآرایی می‌شوند. چهارضلعی و بسیار "شل" می شود. چنین پلوتونیومی می تواند مانند یخ روی آب در ذوب خود شناور باشد.
دما همچنان به کاهش خود ادامه می دهد، اکنون به 451 درجه سانتیگراد رسیده است و اتم ها دوباره یک شبکه مکعبی تشکیل می دهند، اما در فاصله بیشتری از یکدیگر نسبت به حالت اول قرار دارند. با سرد شدن بیشتر، شبکه ابتدا به شکل ارتورومبیک و سپس مونوکلینیک می شود. در کل پلوتونیوم شش شکل کریستالی مختلف را تشکیل می دهد! دو مورد از آنها با یک خاصیت قابل توجه متمایز می شوند - ضریب منفی انبساط حرارتی: با افزایش دما، فلز منبسط نمی شود، اما منقبض می شود.
هنگامی که دما به 122 درجه سانتیگراد می رسد و اتم های پلوتونیوم ردیف های خود را برای بار ششم مرتب می کنند، چگالی به ویژه به طور چشمگیری تغییر می کند - از 17.77 به 19.82 g/cm3. بیش از 10 درصد!
بر این اساس حجم شمش کاهش می یابد. اگر فلز همچنان بتواند در برابر تنش‌های ناشی از انتقال‌های دیگر مقاومت کند، در این لحظه تخریب اجتناب‌ناپذیر است.
چگونه از این فلز شگفت انگیز قطعات بسازیم؟ متالورژی ها پلوتونیوم را آلیاژ می کنند (مقدار کمی از عناصر مورد نیاز را به آن اضافه می کنند) و بدون یک ترک قطعات ریخته گری را بدست می آورند. آنها برای ساخت بارهای پلوتونیومی برای بمب های هسته ای استفاده می شوند. وزن بار (در درجه اول توسط جرم بحرانی ایزوتوپ تعیین می شود) 5-6 کیلوگرم است. به راحتی می توان آن را در یک مکعب با اندازه لبه 10 سانتی متر قرار داد.

ایزوتوپ های سنگین پلوتونیوم

پلوتونیوم-239 همچنین حاوی مقادیر کمی ایزوتوپ های بالاتر از این عنصر است - با اعداد جرمی 240 و 241. ایزوتوپ 240 Pu عملاً بی فایده است - این ایزوتوپ در پلوتونیوم بالاست است. از 241، آمریکیوم به دست می آید - عنصر شماره 95. در شکل خالص خود، بدون مخلوطی از ایزوتوپ های دیگر، پلوتونیوم-240 و پلوتونیوم-241 را می توان با جداسازی الکترومغناطیسی پلوتونیوم انباشته شده در راکتور به دست آورد. قبل از این، پلوتونیوم علاوه بر این با شارهای نوترونی با ویژگی های کاملاً مشخص تابش می شود. البته همه اینها بسیار پیچیده است، به خصوص که پلوتونیوم نه تنها رادیواکتیو است، بلکه بسیار سمی است. کار با آن نیاز به احتیاط شدید دارد.
یکی از جالب ترین ایزوتوپ های پلوتونیوم، 242 Pu را می توان با تابش 239 Pu برای مدت طولانی در شارهای نوترونی به دست آورد. 242 Pu بسیار به ندرت نوترون ها را جذب می کند و بنابراین در راکتور آهسته تر از سایر ایزوتوپ ها "سوخته می شود". حتی پس از اینکه ایزوتوپ‌های باقی‌مانده پلوتونیوم تقریباً به طور کامل به قطعات تبدیل شده یا به پلوتونیوم-242 تبدیل شده‌اند، باقی می‌ماند.
پلوتونیوم-242 به عنوان یک "ماده خام" برای تجمع نسبتاً سریع عناصر ترانس اورانیوم بالاتر در راکتورهای هسته ای مهم است. اگر پلوتونیوم-239 در یک راکتور معمولی تابش شود، حدود 20 سال طول می کشد تا مقادیر میکروگرمی مثلاً کالیفرنیا-252 از گرم پلوتونیوم جمع شود.
کاهش زمان تجمع ایزوتوپ های بالاتر با افزایش شدت شار نوترون در راکتور امکان پذیر است. این کاری است که آنها انجام می دهند، اما در این صورت شما نمی توانید مقادیر زیادی پلوتونیوم-239 را تابش کنید. از این گذشته، این ایزوتوپ توسط نوترون ها تقسیم می شود و انرژی زیادی در جریان های شدید آزاد می شود. مشکلات اضافی با خنک کردن راکتور ایجاد می شود. برای جلوگیری از این مشکلات، کاهش میزان پلوتونیوم تابش شده ضروری است. در نتیجه، بازده کالیفرنیوم دوباره کم خواهد شد. دور باطل!
پلوتونیوم-242 توسط نوترون های حرارتی شکافت پذیر نیست، می توان آن را در مقادیر زیاد در شارهای شدید نوترونی تابش کرد... بنابراین، در راکتورها، همه عناصر از آمریکیوم تا فرمیوم از این ایزوتوپ "ساخته" شده و در مقادیر وزنی انباشته می شوند.
هر بار که دانشمندان موفق به بدست آوردن ایزوتوپ جدیدی از پلوتونیوم می شدند، نیمه عمر هسته های آن اندازه گیری می شد. نیمه عمر ایزوتوپ های هسته های رادیواکتیو سنگین با اعداد جرمی به طور منظم تغییر می کند. (این را نمی توان برای ایزوتوپ های فرد گفت.)
با افزایش جرم، "طول عمر" ایزوتوپ نیز افزایش می یابد. چندین سال پیش، نقطه اوج این نمودار پلوتونیوم 242 بود. و سپس این منحنی چگونه پیش خواهد رفت - با افزایش بیشتر عدد جرمی؟ به نقطه 1 که مربوط به عمر 30 میلیون سال است یا به نقطه 2 که مربوط به 300 میلیون سال است؟ پاسخ به این سوال برای علوم زمین بسیار مهم بود. در مورد اول، اگر 5 میلیارد سال پیش زمین به طور کامل از 244 پلوتونیم تشکیل شده بود، اکنون تنها یک اتم پلوتونیوم 244 در کل جرم زمین باقی می ماند. اگر فرض دوم درست باشد، پلوتونیوم 244 ممکن است در غلظت‌هایی در زمین باشد که قبلاً قابل تشخیص است. اگر ما به اندازه کافی خوش شانس بودیم که این ایزوتوپ را در زمین پیدا کنیم، علم ارزشمندترین اطلاعات را در مورد فرآیندهایی که در طول شکل گیری سیاره ما رخ داده است، دریافت می کند.

نیمه عمر برخی ایزوتوپ های پلوتونیوم

چند سال پیش، دانشمندان با این سوال مواجه شدند: آیا ارزش تلاش برای یافتن پلوتونیوم سنگین در زمین را دارد؟ برای پاسخ به آن، ابتدا لازم بود نیمه عمر پلوتونیوم 244 تعیین شود. نظریه پردازان نتوانستند این مقدار را با دقت لازم محاسبه کنند. تمام امید فقط برای آزمایش بود.
پلوتونیوم-244 در یک راکتور هسته ای انباشته شده است. عنصر شماره 95 - آمریکیوم (ایزوتوپ 243 Am) تابش شد. با گرفتن یک نوترون، این ایزوتوپ به americium-244 تبدیل شد. americium-244 از هر 10 هزار مورد یک مورد به پلوتونیوم-244 تبدیل شد.
آماده سازی پلوتونیوم-244 از مخلوط آمریکیوم و کوریم جدا شد. وزن نمونه فقط چند میلیونم گرم بود. اما آنها برای تعیین نیمه عمر این ایزوتوپ جالب کافی بودند. معلوم شد که معادل 75 میلیون سال است. بعدها، محققان دیگر نیمه عمر پلوتونیوم-244 را روشن کردند، اما نه چندان - 81 میلیون سال. در سال 1971، آثاری از این ایزوتوپ در ماده معدنی خاکی کمیاب باستناسیت یافت شد.
تلاش های زیادی توسط دانشمندان برای یافتن ایزوتوپی از عنصر ترانس اورانیوم که بیش از 244 پلوتونیم عمر می کند، انجام شده است. اما همه تلاش ها بی نتیجه ماند. زمانی امیدها به کوریم 247 بود، اما پس از انباشته شدن این ایزوتوپ در راکتور، معلوم شد که نیمه عمر آن تنها 16 میلیون سال است. شکستن رکورد پلوتونیوم-244 ممکن نبود - این ایزوتوپ طولانی ترین ایزوتوپ عناصر ترانس اورانیوم است.
حتی ایزوتوپ‌های سنگین‌تر پلوتونیوم دچار واپاشی بتا می‌شوند و طول عمر آنها از چند روز تا چند دهم ثانیه متغیر است. ما به یقین می دانیم که تمام ایزوتوپ های پلوتونیوم در انفجارهای ترموهسته ای تا 257 Puu تشکیل می شوند. اما طول عمر آنها یک دهم ثانیه است و بسیاری از ایزوتوپ های کوتاه مدت پلوتونیوم هنوز مورد مطالعه قرار نگرفته اند.

احتمالات اولین ایزوتوپ پلوتونیوم

و سرانجام - در مورد پلوتونیوم-238 - اولین ایزوتوپ پلوتونیوم "ساخت بشر"، ایزوتوپی که در ابتدا امیدبخش به نظر می رسید. در واقع یک ایزوتوپ بسیار جالب است. این در معرض فروپاشی آلفا است، یعنی هسته های آن به طور خود به خود ذرات آلفا - هسته هلیوم را منتشر می کنند. ذرات آلفا تولید شده توسط هسته پلوتونیوم-238 انرژی بالایی دارند. این انرژی که در ماده پراکنده می شود به گرما تبدیل می شود. این انرژی چقدر است؟ شش میلیون الکترون ولت از فروپاشی یک هسته اتمی پلوتونیوم 238 آزاد می شود. در یک واکنش شیمیایی، با اکسید شدن چندین میلیون اتم، همان انرژی آزاد می شود. یک منبع الکتریسیته حاوی یک کیلوگرم پلوتونیوم 238 توان حرارتی 560 وات را تولید می کند. حداکثر توان یک منبع جریان شیمیایی با همان جرم 5 وات است.
ساطع کننده های زیادی با ویژگی های انرژی مشابه وجود دارد، اما یکی از ویژگی های پلوتونیوم-238 این ایزوتوپ را ضروری می کند. فروپاشی آلفا معمولاً با تشعشعات گامای قوی همراه است که از لایه‌های بزرگ ماده نفوذ می‌کند. 238 Pu یک استثنا است. انرژی پرتوهای گاما همراه با فروپاشی هسته آن کم است و محافظت در برابر آن دشوار نیست: تابش توسط یک ظرف جدار نازک جذب می شود. احتمال شکافت خود به خودی هسته های این ایزوتوپ نیز کم است. بنابراین، نه تنها در منابع فعلی، بلکه در پزشکی نیز کاربرد پیدا کرده است. باتری‌های حاوی پلوتونیوم 238 به عنوان منبع انرژی در محرک‌های خاص قلب عمل می‌کنند.
اما 238 Pu سبک ترین ایزوتوپ شناخته شده عنصر شماره 94 نیست؛ ایزوتوپ های پلوتونیوم با اعداد جرمی از 232 تا 237 به دست آمده اند. نیمه عمر سبک ترین ایزوتوپ 36 دقیقه است.

پلوتونیوم یک موضوع بزرگ است. مهمترین چیزها در اینجا گفته می شود. از این گذشته ، قبلاً به یک عبارت استاندارد تبدیل شده است که شیمی پلوتونیوم بسیار بهتر از شیمی عناصر "قدیمی" مانند آهن مورد مطالعه قرار گرفته است. کتاب های کاملی در مورد خواص هسته ای پلوتونیوم نوشته شده است. متالورژی پلوتونیوم یکی دیگر از بخش های شگفت انگیز دانش بشر است... بنابراین، نباید فکر کنید که پس از خواندن این داستان، واقعاً پلوتونیوم - مهمترین فلز قرن بیستم - را یاد گرفتید.

• نحوه حمل پلوتونیوم پلوتونیوم رادیواکتیو و سمی به مراقبت ویژه در حین حمل و نقل نیاز دارد. یک کانتینر به طور خاص برای حمل و نقل آن طراحی شده است - کانتینری که حتی در تصادفات هواپیما از بین نمی رود. این کاملاً ساده ساخته شده است: این یک ظرف فولادی ضد زنگ با دیواره ضخیم است که توسط پوسته ماهون احاطه شده است. واضح است که پلوتونیوم ارزشش را دارد، اما تصور کنید که دیوارها چقدر باید ضخامت داشته باشند اگر بدانید یک ظرف برای حمل تنها دو کیلوگرم پلوتونیوم 225 کیلوگرم وزن دارد!
• سم و پادزهر. در 20 اکتبر 1977، خبرگزاری فرانسه گزارش داد که یک ترکیب شیمیایی پیدا شده است که می تواند پلوتونیوم را از بدن انسان حذف کند. چند سال بعد، چیزهای زیادی در مورد این ترکیب شناخته شد. این ترکیب پیچیده یک کاتچین آمید کربوکسیلاز خطی است، ماده ای از کلاس کلات (از یونانی "chela" - پنجه). اتم پلوتونیوم، آزاد یا محدود، در این پنجه شیمیایی اسیر می شود. در موش های آزمایشگاهی از این ماده برای حذف تا 70 درصد پلوتونیوم جذب شده از بدن استفاده می شد. اعتقاد بر این است که در آینده این ترکیب به استخراج پلوتونیوم از زباله های تولید و سوخت هسته ای کمک خواهد کرد.

پلوتونیوم، عنصر شماره 94، توسط گلن سیبورگ، ادوین مک میلان، کندی و آرتور وال در سال 1940 در برکلی با بمباران یک هدف اورانیومی با دوترون از یک سیکلوترون شصت اینچی کشف شد. در می 1940، خواص پلوتونیوم توسط لوئیس ترنر پیش بینی شد.

در دسامبر 1940، ایزوتوپ پلوتونیوم Pu-238 با نیمه عمر 90 سال کشف شد و یک سال بعد مهمتر Pu-239 با نیمه عمر 24000 سال کشف شد.

Pu-239 در اورانیوم طبیعی به شکل ردیابی وجود دارد (مقدار آن یک قسمت در هر 1015 است)؛ در آنجا در نتیجه گرفتن یک نوترون توسط هسته U-238 تشکیل می شود. مقادیر بسیار کمی از Pu-244 (طولانی ترین ایزوتوپ پلوتونیوم با نیمه عمر 80 میلیون سال) در سنگ معدن سریم یافت شده است که ظاهراً از زمان شکل گیری زمین باقی مانده است.

در مجموع 15 ایزوتوپ شناخته شده پلوتونیوم وجود دارد که همه آنها رادیواکتیو هستند. مهمترین آنها برای طراحی سلاح های هسته ای:
Pu238 -> (86 ساله، پوسیدگی آلفا) -> U234
Pu239 -> (24360 سال، واپاشی آلفا) -> U235
Pu240 -> (6580 سال، واپاشی آلفا) -> U236
Pu241 -> (14.0 سال، فروپاشی بتا) -> Am241
Pu242 -> (370000 سال، واپاشی آلفا) -> U238 خواص فیزیکی پلوتونیوم

پلوتونیوم یک فلز نقره ای بسیار سنگین است که وقتی تازه تصفیه شود مانند نیکل براق است. این عنصر بسیار الکترونگاتیو و واکنش شیمیایی است، بسیار بیشتر از اورانیوم. به سرعت محو می شود و یک لایه رنگین کمانی (مانند یک فیلم روغنی رنگین کمانی) تشکیل می دهد که در ابتدا زرد روشن است و در نهایت به بنفش تیره تبدیل می شود. اگر اکسیداسیون کاملاً شدید باشد، یک پودر اکسید سبز زیتونی (PuO2) روی سطح آن ظاهر می شود.

پلوتونیوم به راحتی اکسید می شود و حتی در حضور رطوبت خفیف به سرعت خورده می شود. به طرز عجیبی، در فضایی از گاز بی اثر با بخار آب بسیار سریعتر از هوای خشک یا اکسیژن خالص زنگ می زند. دلیل این امر این است که عمل مستقیم اکسیژن یک لایه اکسیدی روی سطح پلوتونیوم ایجاد می کند که از اکسیداسیون بیشتر جلوگیری می کند. قرار گرفتن در معرض رطوبت، مخلوط شلی از اکسید و هیدرید تولید می کند. برای جلوگیری از اکسید شدن و خوردگی به کوره خشک کن نیاز است.

پلوتونیوم دارای چهار ظرفیت III-VI است. فقط در محیط های بسیار اسیدی مانند اسیدهای نیتریک یا هیدروکلریک به خوبی حل می شود؛ همچنین در اسیدهای هیدرویدیک و پرکلریک به خوبی حل می شود. نمک های پلوتونیوم به راحتی در تماس با محلول های خنثی یا قلیایی هیدرولیز می شوند و هیدروکسید پلوتونیوم نامحلول ایجاد می کنند. محلول های غلیظ پلوتونیوم به دلیل تجزیه رادیولیتی که منجر به بارش می شود ناپایدار هستند.

پلوتونیوم به دلیل رادیواکتیویته در لمس گرم است. یک قطعه بزرگ پلوتونیوم در یک پوسته عایق حرارتی تا دمایی بیش از نقطه جوش آب گرم می شود.

خواص فیزیکی اساسی پلوتونیوم:
نقطه ذوب: 641 درجه سانتی گراد;
نقطه جوش: 3232 درجه سانتی گراد;
چگالی: 19.84 (در فاز آلفا).

پلوتونیوم دارای خواص ویژه بسیاری است. کمترین رسانایی حرارتی را در بین تمام فلزات، کمترین رسانایی الکتریکی را دارد، به استثنای منگنز (طبق منابع دیگر، هنوز هم کمترین رسانایی در بین تمام فلزات است). در فاز مایع خود چسبناک ترین فلز است.

هنگامی که دما تغییر می کند، پلوتونیوم دچار شدیدترین و غیرطبیعی ترین تغییرات چگالی می شود. پلوتونیوم دارای شش فاز مختلف (ساختارهای کریستالی) به شکل جامد است که بیش از هر عنصر دیگری است (در واقع، با شرایط دقیق تر، هفت فاز وجود دارد). برخی از انتقال بین فازها با تغییرات چشمگیر در حجم همراه است. در دو مورد از این فازها - دلتا و دلتا پرایم - پلوتونیوم دارای خاصیت منحصربفردی است که با افزایش دما منقبض می شود و در فازهای دیگر دارای ضریب انبساط دمایی بسیار بالایی است. هنگامی که ذوب می شود، پلوتونیوم منقبض می شود و به پلوتونیوم ذوب نشده اجازه شناور شدن می دهد. در متراکم ترین شکل خود، فاز آلفا، پلوتونیوم ششمین عنصر چگال است (تنها اسمیم، ایریدیوم، پلاتین، رنیوم و نپتونیم سنگین تر هستند). در فاز آلفا، پلوتونیوم خالص شکننده است، اما آلیاژهای انعطاف پذیر وجود دارد.

توضیحات پلوتونیوم

پلوتونیوم(پلوتونیوم) یک عنصر شیمیایی نقره ای و سنگین، یک فلز رادیواکتیو با عدد اتمی 94 است که در جدول تناوبی با نماد Pu مشخص شده است.

این عنصر شیمیایی فعال الکترونگاتیو متعلق به گروه اکتینیدها با جرم اتمی 244.0642 است و مانند نپتونیوم که نام خود را به افتخار سیاره ای به همین نام دریافت کرده است، این ماده شیمیایی نام خود را مدیون سیاره پلوتون است، زیرا پیشینیان. عنصر رادیواکتیو در جدول تناوبی مندلیف از عناصر شیمیایی و نپتونیوم است که از سیارات کیهانی دوردست در کهکشان ما نیز نامگذاری شده است.

منشا پلوتونیوم

عنصر پلوتونیوماولین بار در سال 1940 در دانشگاه کالیفرنیا توسط گروهی از رادیولوژیست ها و محققین علمی G. Seaborg، E. McMillan، Kennedy، A. Walch هنگام بمباران یک هدف اورانیومی از یک سیکلوترون با دوترون ها - هسته های هیدروژن سنگین کشف شد.

در دسامبر همان سال، دانشمندان کشف کردند ایزوتوپ پلوتونیوم- Pu-238، نیمه عمر آن بیش از 90 سال است، و مشخص شد که تحت تأثیر واکنش های شیمیایی هسته ای پیچیده، در ابتدا ایزوتوپ نپتونیوم-238 تولید می شود، پس از آن ایزوتوپ قبلاً تشکیل می شود. پلوتونیوم-238.

در اوایل سال 1941، دانشمندان کشف کردند پلوتونیوم 239با دوره زوال 25000 ساله. ایزوتوپ های پلوتونیوم می توانند محتویات نوترونی متفاوتی در هسته داشته باشند.

ترکیب خالص این عنصر تنها در پایان سال 1942 به دست آمد. هر بار که دانشمندان رادیولوژی ایزوتوپ جدیدی را کشف می کردند، همیشه نیمه عمر ایزوتوپ ها را اندازه گیری می کردند.

در حال حاضر، ایزوتوپ های پلوتونیوم، که در مجموع 15 مورد از آنها وجود دارد، از نظر مدت زمان متفاوت هستند. نیمه عمر. با این عنصر است که امیدها و چشم اندازهای بزرگ، اما در عین حال ترس های جدی از انسانیت در ارتباط است.

پلوتونیوم به طور قابل توجهی فعالیت بیشتری نسبت به اورانیوم دارد و یکی از گران‌ترین مواد از نظر فنی مهم و با ماهیت شیمیایی است.

به عنوان مثال، هزینه یک گرم پلوتونیوم چندین برابر بیشتر از یک گرم، یا سایر فلزات به همان اندازه ارزشمند است.

تولید و استخراج پلوتونیوم پرهزینه تلقی می شود و هزینه یک گرم فلز در زمان ما با اطمینان در حدود 4000 دلار آمریکا باقی می ماند.

پلوتونیوم چگونه به دست می آید؟ تولید پلوتونیوم

تولید عنصر شیمیایی در رآکتورهای هسته‌ای اتفاق می‌افتد که در داخل آن‌ها اورانیوم تحت تأثیر فرآیندهای پیچیده شیمیایی و مرتبط با فناوری تقسیم می‌شود.

اورانیوم و پلوتونیوم اجزای اصلی و اصلی در تولید سوخت اتمی (هسته ای) هستند.

در صورت نیاز به بدست آوردن مقدار زیادی عنصر رادیواکتیو از روش تابش عناصر فرااورانیکی که می توان از سوخت هسته ای مصرف شده و تابش اورانیوم به دست آورد استفاده می شود. واکنش های شیمیایی پیچیده باعث می شود که فلز از اورانیوم جدا شود.

برای به دست آوردن ایزوتوپ ها، یعنی پلوتونیوم-238 و پلوتونیوم-239 درجه سلاح، که محصولات واپاشی واسط هستند، از تابش نپتونیوم-237 با نوترون ها استفاده می شود.

بخش کوچکی از پلوتونیوم-244 که به دلیل نیمه عمر طولانی‌اش طولانی‌ترین ایزوتوپ است، در سنگ معدن سریم کشف شد که احتمالاً از شکل‌گیری سیاره ما زمین حفظ شده است. این عنصر رادیواکتیو به طور طبیعی در طبیعت وجود ندارد.

خواص فیزیکی و خصوصیات اساسی پلوتونیوم

پلوتونیوم یک عنصر شیمیایی رادیواکتیو نسبتاً سنگین با رنگ نقره ای است که فقط در صورت خالص شدن می درخشد. اتمی جرم پلوتونیوم فلزیبرابر با 244 a. خوردن

این عنصر به دلیل رادیواکتیویته بالا، در لمس گرم است و می تواند تا دمایی بیش از دمای جوش آب گرم شود.

پلوتونیوم، تحت تأثیر اتم‌های اکسیژن، به سرعت تیره می‌شود و با یک لایه نازک رنگین کمانی ابتدا به رنگ زرد روشن و سپس رنگی غنی یا قهوه‌ای پوشیده می‌شود.

با اکسیداسیون قوی، تشکیل پودر PuO2 در سطح عنصر رخ می دهد. این نوع فلز شیمیایی در معرض فرآیندهای اکسیداسیون قوی و خوردگی حتی در سطوح کم رطوبت است.

برای جلوگیری از خوردگی و اکسید شدن سطح فلز، یک دستگاه خشک کن ضروری است. عکس پلوتونیومدر زیر قابل مشاهده است.

پلوتونیوم یک فلز شیمیایی چهار ظرفیتی است که به خوبی و به سرعت در مواد هیدرویدیک و محیط های اسیدی حل می شود، به عنوان مثال، در اسید کلریک.

نمک های فلزی به سرعت در محیط هایی با واکنش خنثی، محلول های قلیایی خنثی می شوند، در حالی که هیدروکسید پلوتونیوم نامحلول را تشکیل می دهند.

دمای ذوب پلوتونیوم 641 درجه سانتیگراد و نقطه جوش 3230 درجه است.

تحت تأثیر دمای بالا، تغییرات غیر طبیعی در چگالی فلز رخ می دهد. پلوتونیوم در شکل خود دارای فازهای مختلف و دارای شش ساختار کریستالی است.

در طول انتقال بین فازها، تغییرات قابل توجهی در حجم عنصر رخ می دهد. این عنصر در فاز ششم آلفا (آخرین مرحله انتقال) متراکم ترین شکل خود را به دست می آورد، در حالی که تنها چیزهایی که در این حالت از فلز سنگین تر هستند نپتونیم و رادیوم هستند.

هنگامی که ذوب می شود، عنصر تحت فشار قوی قرار می گیرد، بنابراین فلز می تواند روی سطح آب و سایر رسانه های مایع غیر تهاجمی شناور شود.

علیرغم اینکه این عنصر رادیواکتیو در گروه فلزات شیمیایی قرار دارد، این عنصر کاملاً فرار است و زمانی که در یک فضای بسته در مدت زمان کوتاهی قرار می گیرد غلظت آن در هوا چندین برابر افزایش می یابد.

خواص فیزیکی اصلی فلز عبارتند از: درجه پایین، سطح رسانایی حرارتی تمام عناصر شیمیایی موجود و شناخته شده، سطح پایین رسانایی الکتریکی؛ در حالت مایع، پلوتونیوم یکی از چسبناک ترین فلزات است.

شایان ذکر است که هر گونه ترکیبات پلوتونیوم سمی، سمی و خطر جدی تشعشع برای بدن انسان است که به دلیل تشعشعات فعال آلفا رخ می دهد، بنابراین تمام کارها باید با نهایت دقت و فقط در لباس های مخصوص با محافظ شیمیایی انجام شود. .

اطلاعات بیشتر در مورد خواص و تئوری های پیدایش یک فلز منحصر به فرد را می توانید در کتاب بخوانید اوبرچف "پلوتونیا"" نویسنده V.A. Obruchev از خوانندگان دعوت می کند تا به دنیای شگفت انگیز و منحصر به فرد کشور خارق العاده پلوتونیا که در اعماق روده های زمین واقع شده است فرو بروند.

کاربردهای پلوتونیوم

عنصر شیمیایی صنعتی معمولاً به پلوتونیوم درجه سلاح و درجه رآکتور ("درجه انرژی") طبقه بندی می شود.

بنابراین، برای تولید سلاح های هسته ای، از بین تمام ایزوتوپ های موجود، فقط استفاده از پلوتونیوم 239 مجاز است که نباید بیش از 4.5٪ پلوتونیوم 240 داشته باشد، زیرا در معرض شکافت خود به خودی است که به طور قابل توجهی تولید پرتابه های نظامی را پیچیده می کند. .

پلوتونیوم-238برای بهره برداری از منابع رادیوایزوتوپ انرژی الکتریکی با اندازه کوچک، به عنوان مثال، به عنوان منبع انرژی برای فناوری فضایی استفاده می شود.

چندین دهه پیش، پلوتونیوم در پزشکی در ضربان سازها (دستگاه هایی برای حفظ ریتم قلب) استفاده می شد.

اولین بمب اتمی ساخته شده در جهان دارای بار پلوتونیومی بود. پلوتونیوم هسته ای(Pu 239) به عنوان سوخت هسته ای برای اطمینان از عملکرد راکتورهای قدرت مورد تقاضا است. این ایزوتوپ همچنین به عنوان منبعی برای تولید عناصر ترانس پلوتونیوم در راکتورها عمل می کند.

اگر پلوتونیوم هسته ای را با فلز خالص مقایسه کنیم، ایزوتوپ دارای پارامترهای فلزی بالاتری است و فازهای انتقالی ندارد، بنابراین در فرآیند به دست آوردن عناصر سوختی کاربرد زیادی دارد.

اکسیدهای ایزوتوپ پلوتونیوم 242 نیز به عنوان منبع انرژی برای واحدهای کشنده فضایی، تجهیزات و میله های سوخت مورد تقاضا هستند.

پلوتونیوم درجه سلاحعنصری است که به شکل یک فلز فشرده ارائه می شود که حداقل 93 درصد از ایزوتوپ Pu239 را در خود دارد.

از این نوع فلز رادیواکتیو در تولید انواع سلاح های هسته ای استفاده می شود.

پلوتونیوم با درجه تسلیحات در رآکتورهای هسته‌ای صنعتی تخصصی تولید می‌شود که در نتیجه جذب نوترون‌ها بر روی اورانیوم طبیعی یا با غنای پایین کار می‌کنند.