Ki fedezte fel a plutóniumot. Mi az a plutónium
Sztori
1940-ben fedezte fel Glenn Seaborg, Edwin McMillan, Kennedy és Arthur Wahl 1940-ben Berkeley-ben (USA), amikor egy uráncélpontot ciklotronban felgyorsított deuteronokkal bombáztak.
név eredete
A Plutónium nevét a Plútó bolygóról kapta, mivel a korábban felfedezett kémiai elemet Neptuniumnak hívták.
Nyugta
A plutóniumot atomreaktorokban állítják elő.
A 238 U izotóp, amely a természetes urán nagy részét alkotja, nem nagyon alkalmas hasadásra. Az atomreaktorok esetében az uránt kismértékben dúsítják, de a 235 U részaránya a nukleáris üzemanyagban továbbra is kicsi (körülbelül 5%). A fűtőelemrudakban a fő rész 238 U. Az atomreaktor működése során a 238 U atommag egy része felfogja a neutronokat és 239 Pu-vá alakul, amely később izolálható.
A nukleáris reakciók termékei közül meglehetősen nehéz elkülöníteni a plutóniumot, mivel a plutónium (mint az urán, tórium, neptunium) a kémiai tulajdonságaiban nagyon hasonló aktinidák közé tartozik. A feladatot nehezíti, hogy a bomlástermékek között ritkaföldfémek is voltak, amelyek kémiai tulajdonságai szintén hasonlóak a plutóniuméhoz. Hagyományos radiokémiai módszereket alkalmaznak - kicsapás, extrakció, ioncsere stb. A többlépcsős technológia végterméke a plutónium-oxidok PuO 2 vagy fluoridok (PuF 3, PuF 4).
A plutóniumot Metallothermy módszerrel extrahálják (aktív fémek redukálása oxidokból és sókból vákuumban):
PuF 4 +2 Ba = 2BaF 2 + Pu
Izotópok
A plutóniumnak több mint egy tucat izotópja ismert, mindegyik radioaktív.
A legfontosabb izotóp 239 Pu, képes maghasadásra és magláncreakciókra. Ez az egyetlen izotóp, amely alkalmas nukleáris fegyverekben való használatra. Jobb neutronelnyelési és szórási jellemzőkkel rendelkezik, mint az urán-235-nek, a hasadásonkénti neutronok száma (kb. 3 versus 2,3), és ennek megfelelően kisebb a kritikus tömege. Felezési ideje körülbelül 24 ezer év. A plutónium egyéb izotópjait elsősorban az elsődleges (fegyver) felhasználásra való károsságuk szempontjából vizsgáljuk.
Izotóp 238 Pu erős alfa-radioaktivitással és ennek következtében jelentős hőtermeléssel rendelkezik (567 W/kg). Ez problémás atomfegyverekben való felhasználás esetén, de nukleáris akkumulátorokban is alkalmazható. Szinte minden űrhajó, amely túlrepült a Mars pályáján, 238 Pu-t használó radioizotópos reaktorral rendelkezik. A reaktor plutóniumában ennek az izotópnak az aránya nagyon kicsi.
Izotóp 240 Pu a fegyveres minőségű plutónium fő szennyezője. Nagy a spontán bomlási sebessége és magas neutron hátteret hoz létre, ami jelentősen megnehezíti a nukleáris töltések felrobbantását. Úgy gondolják, hogy részesedése a fegyverekben nem haladhatja meg a 7%-ot.
241 Pu alacsony neutronháttérrel és mérsékelt hőkibocsátással rendelkezik. Részesedése valamivel kevesebb, mint 1%, és nem befolyásolja a fegyveres minőségű plutónium tulajdonságait. 1914 azonban a felezési idejével amerícium-241-ré változik, amely sok hőt termel, ami problémát okozhat a töltések túlmelegedésével.
242 Pu nagyon kis keresztmetszete van a neutronbefogási reakcióhoz, és felhalmozódik az atomreaktorokban, bár nagyon kis mennyiségben (kevesebb mint 0,1%). Nem befolyásolja a fegyveres minőségű plutónium tulajdonságait. Főleg további magreakciókhoz használják transzplutónium elemek szintézisében: a termikus neutronok nem okoznak maghasadást, így ebből az izotópból bármilyen mennyiségben besugározható erőteljes neutronáram.
A plutónium egyéb izotópjai rendkívül ritkák, és nincs hatással az atomfegyverek gyártására. A nehéz izotópok nagyon kis mennyiségben képződnek, élettartamuk rövid (kevesebb, mint néhány nap vagy óra), és a béta-bomlás révén az americium megfelelő izotópjaivá alakulnak. Ezek közül kiemelkedik 244 Pu– felezési ideje körülbelül 82 millió év. Az összes transzurán elem közül ez a legtöbb izotóp.
Alkalmazás
1995 végén a világ mintegy 1270 tonna plutóniumot állított elő, ebből 257 tonna katonai célú volt, amelyre csak a 239-es Pu izotóp alkalmas. Lehetséges 239 Pu-t fűtőanyagként atomreaktorokban használni, de ez gazdasági szempontból rosszabb, mint az urán. A plutónium kinyeréséhez szükséges nukleáris üzemanyag újrafeldolgozásának költsége sokkal magasabb, mint az alacsony dúsítású (~5% 235 U) uráné. Csak Japánnak van programja a plutónium energiafelhasználására.
Allotróp módosítások
Szilárd formában a plutónium hét allotróp módosulattal rendelkezik (azonban az α és α1 fázisokat néha kombinálják, és egy fázisnak tekintik). Szobahőmérsékleten a plutónium egy kristályos szerkezet, ún ?-fázis. Az atomokat kovalens kötés köti össze (fémkötés helyett), így a fizikai tulajdonságok közelebb állnak az ásványokhoz, mint a fémekhez. Kemény, törékeny anyag, amely bizonyos irányokban törik. Az összes fém között alacsony a hővezető képessége, alacsony az elektromos vezetőképessége, a mangán kivételével. A p-fázis nem dolgozható fel hagyományos fémtechnológiákkal.
Amikor a hőmérséklet változik, a plutónium szerkezeti átalakuláson megy keresztül, és rendkívül erős változásokon megy keresztül. Egyes fázisok közötti átmeneteket egyszerűen feltűnő hangerő-változások kísérik. Ezen fázisok közül kettőben (a és a 1) a plutóniumnak van egy egyedülálló tulajdonsága - negatív hőmérsékleti tágulási együtthatója, azaz. a hőmérséklet emelkedésével összehúzódik.
A gamma- és deltafázisban a plutónium a fémek szokásos tulajdonságait, különösen az alakíthatóságot mutatja. A delta fázisban azonban a plutónium instabilitást mutat. Enyhe nyomás hatására igyekszik sűrű (25%) alfa fázisba rendeződni. Ezt a tulajdonságot nukleáris fegyverek robbanószerkezeteiben használják.
A tiszta plutóniumban 1 kilobar feletti nyomáson a delta fázis egyáltalán nem létezik. 30 kilobar feletti nyomáson csak alfa és béta fázis létezik.
Plutóniumkohászat
A plutónium stabilizálható a delta fázisban normál nyomáson és szobahőmérsékleten úgy, hogy három vegyértékű fémekkel, például galliummal, alumíniummal, cériummal, indiummal ötvözetet képeznek, több mólszázalékos koncentrációban. Ebben a formában használják a plutóniumot az atomfegyverekben.
Fegyverzett plutónium
A nukleáris fegyverek előállításához a kívánt izotóp (235 U vagy 239 Pu) 90%-nál nagyobb tisztaságát kell elérni. Az uránból töltések létrehozása sok dúsítási lépést igényel (mivel a természetes uránban a 235 U aránya kevesebb, mint 1%), míg a reaktor plutóniumában a 239 Pu aránya általában 50% és 80% között van (azaz majdnem 100-szor több). Néhány reaktor üzemmódban több mint 90% 239 Pu-t tartalmazó plutóniumot lehet előállítani - az ilyen plutónium nem igényel dúsítást, és közvetlenül felhasználható nukleáris fegyverek gyártására.
Biológiai szerep
A plutónium az egyik legmérgezőbb ismert anyag. A plutónium toxicitása nem annyira kémiai tulajdonságainak köszönhető (bár a plutónium talán olyan mérgező, mint bármely nehézfém), hanem inkább alfa-radioaktivitásának. Az alfa-részecskéket még vékony anyag- vagy szövetréteg is megtartja. Tegyük fel, hogy néhány milliméternyi bőr teljesen felszívja az áramlásukat, védve a belső szerveket. De az alfa-részecskék rendkívül károsak a szövetekre, amelyekkel érintkeznek. Tehát a plutónium komoly veszélyt jelent, ha a szervezetbe kerül. Nagyon rosszul szívódik fel a gyomor-bél traktusban, még akkor is, ha oldható formában kerül oda. De fél gramm plutónium elfogyasztása heteken belül halálhoz vezethet az emésztőrendszer akut expozíciója miatt.
Egy tized gramm plutóniumpor belélegzése tíz napon belül tüdőödéma okozta halált okoz. 20 mg-os adag belélegzése egy hónapon belül fibrózis okozta halálhoz vezet. Kisebb adagok rákkeltő hatást váltanak ki. 1 mikrogramm plutónium lenyelése 1%-kal növeli a tüdőrák valószínűségét. Ezért 100 mikrogramm plutónium a szervezetben szinte garantálja a rák kialakulását (tíz éven belül, bár a szövetkárosodás korábban is bekövetkezhet).
Biológiai rendszerekben a plutónium általában +4 oxidációs állapotban van, és hasonlóságot mutat a vashoz. A vérbe kerülve nagy valószínűséggel a vasat tartalmazó szövetekben koncentrálódik: csontvelőben, májban, lépben. Ha akár 1-2 mikrogramm plutónium is megtelepszik a csontvelőben, az immunitás jelentősen leromlik. A plutónium csontszövetből történő eltávolításának időtartama 80-100 év, i.e. gyakorlatilag egész életében ott marad.
A Nemzetközi Sugárvédelmi Bizottság 280 nanogrammban határozta meg a maximális éves plutónium felvételt.
A 238 Pu plutónium izotópot először 1941. február 23-án szerezte meg mesterségesen egy amerikai tudóscsoport G. Seaborg vezetésével uránmagok deuteronokkal történő besugárzásával. Csak ezután fedezték fel a plutóniumot a természetben: a 239 Pu általában elhanyagolható mennyiségben található meg az uránércekben, mint az urán radioaktív átalakulásának terméke. A plutónium az első olyan mesterséges elem, amelyet mérhető mennyiségben nyertek (1942), és az első, amelynek gyártása ipari méretekben kezdődött.
Az elem neve folytatja a csillagászati témát: a Plútóról, az Uránusz utáni második bolygóról kapta a nevét.
A természetben lenni, megkapni:
Az uránércekben a neutronok (például a kozmikus sugárzásból származó neutronok) uránmagok általi befogása következtében neptunium (239 Np) képződik, a termék b- melynek bomlása a természetes plutónium-239. A plutónium azonban olyan mikroszkopikus mennyiségben képződik (0,4-15 rész Pu/10 12 rész U), hogy uránércekből való kinyerése szóba sem jöhet.
A plutóniumot atomreaktorokban állítják elő. Erőteljes neutronáramokban ugyanaz a reakció megy végbe, mint az uránércekben, de a plutónium képződésének és felhalmozódásának sebessége a reaktorban sokkal magasabb - milliárd milliárdszor. A ballaszt urán-238 energiaminőségű plutónium-239-lé történő átalakításához optimális (elfogadható) feltételek jönnek létre.
A plutónium-244 is felhalmozódott egy atomreaktorban. A 95-ös elem izotópja - amerícium, 243 Am, miután befogott egy neutront, amerícium-244-té alakult; Az americium-244 kúriummá alakult át, de 10 ezer esetből egyben plutónium-244-té alakult át. Americium és kúrium keverékéből csak néhány milliomod gramm tömegű plutónium-244 készítményt izoláltak. De elég volt meghatározni ennek az érdekes izotópnak a felezési idejét - 75 millió év. Később finomították, és kiderült, hogy 82,8 millió év. 1971-ben ennek az izotópnak a nyomait találták a ritkaföldfém ásványban, a bastnäsitben. A 244 Pu a transzurán elemek izotópjai közül a leghosszabb élettartamú.
Fizikai tulajdonságok:
Ezüstfehér fém, 6 allotróp módosítással rendelkezik. Olvadáspont: 637 °C, forráspont - 3235 °C. Sűrűség: 19,82 g/cm3.
Kémiai tulajdonságok:
A plutónium oxigénnel reagálva oxidot (IV) képez, amely az első hét aktinidához hasonlóan gyenge bázikus karakterrel rendelkezik.
Pu + O 2 = PuO 2
Reagál híg kénsavval, sósavval, perklórsavval.
Pu + 2HCl(p) = PuCl2 + H2; Pu + 2H 2SO 4 = Pu(SO 4) 2 + 2H 2
Nem lép reakcióba salétromsavval és tömény kénsavval. A plutónium vegyértéke három és hét között változik. Kémiailag a legstabilabb (és ezért a leggyakoribb és legtöbbet vizsgált) vegyületek a négy vegyértékű plutónium. A hasonló kémiai tulajdonságokkal rendelkező aktinidák - az urán, a neptunium és a plutónium - szétválasztása a tetra- és hat vegyértékű vegyületeik tulajdonságainak különbségén alapulhat.
A legfontosabb kapcsolatok:
Plutónium(IV)-oxid, PuO 2 , gyenge alapjellegű.
...
...
Alkalmazás:
A plutóniumot széles körben használták nukleáris fegyverek előállításához (úgynevezett „fegyverminőségű plutónium”). Az első plutónium alapú nukleáris eszközt 1945. július 16-án robbantották fel az alamogordo-i kísérleti helyszínen (Trinity kódnéven).
Polgári és kutatási célú atomreaktorok nukleáris üzemanyagaként használják (kísérletileg).
A plutónium-242 „nyersanyagként” fontos a magasabb transzurán elemek viszonylag gyors felhalmozódásához az atomreaktorokban. Ha a plutónium-239-et hagyományos reaktorban sugározzák be, akkor körülbelül 20 évbe telik, hogy grammnyi plutóniumból mikrogramm mennyiséget halmozzon fel például Kalifornia-251. A plutónium-242 nem hasadó a termikus neutronok hatására, és még nagy mennyiségben is intenzív neutronáramban sugározható be. Ezért a reaktorokban a kaliforniumtól az einsteiniumig minden elemet ebből az izotópból „készítenek”, és tömegmennyiségben halmozódnak fel.
Kovalenko O.A.
HF Tyumen Állami Egyetem
Források:
"Káros vegyi anyagok: Radioaktív anyagok" Címtár L. 1990. 197. o
Rabinovich V.A., Khavin Z.Ya. "Egy rövid kémiai referenciakönyv" L.: Chemistry, 1977 90. o., 306-307.
BAN BEN. Beckman. Plutónium. (tankönyv, 2009)
Kémia
A Plutónium Pu – a 94-es számú elem az emberiség nagyon nagy reményeivel és nagyon nagy félelmeivel kapcsolatos. Manapság ez az egyik legfontosabb, stratégiailag fontos elem. A műszakilag fontos fémek közül ez a legdrágább – sokkal drágább, mint az ezüst, az arany és a platina. Ő igazán értékes.
Háttér és történelem
Kezdetben protonok voltak - galaktikus hidrogén. Összenyomódása és az azt követő magreakciók eredményeként a nukleonok leghihetetlenebb „ingotjai” keletkeztek. Ezek között az „öntvények” között nyilván voltak olyanok is, amelyek 94 protont tartalmaztak. A teoretikusok becslései szerint körülbelül 100 nukleonképződmény, amelyek 94 protont és 107-206 neutront tartalmaznak, annyira stabilak, hogy a 94-es számú elem izotópjainak magjainak tekinthetők.
De mindezek az izotópok - feltételezett és valós - nem olyan stabilak, hogy a mai napig fennmaradjanak a Naprendszer elemeinek kialakulása óta. A 94-es számú elem leghosszabb élettartamú izotópjának felezési ideje 81 millió év. A Galaxis korát évmilliárdokban mérik. Következésképpen az „ős” plutóniumnak a mai napig esélye sem volt a túlélésre. Ha az Univerzum elemeinek nagy szintézise során keletkezett, akkor ezek az ősi atomjai már régen „kihaltak”, ahogyan a dinoszauruszok és a mamutok is kihaltak.
A 20. században új korszak, Kr. u., ezt az elemet újrateremtették. A 100 lehetséges plutónium izotópból 25-öt szintetizáltak, közülük 15 nukleáris tulajdonságait tanulmányozták. Négyen találtak gyakorlati alkalmazást. És nemrég nyitották meg. 1940 decemberében, amikor az uránt nehézhidrogén atommagokkal sugározták be, egy amerikai radiokémikus csoport Glenn T. Seaborg vezetésével felfedezett egy korábban ismeretlen alfa-részecske-kibocsátót, amelynek felezési ideje 90 év. Ez az emitter a 94-es számú elem 238 tömegszámú izotópjának bizonyult. Ugyanebben az évben, de néhány hónappal korábban az E.M. McMillan és F. Abelson megszerezte az első, az uránnál nehezebb elemet, a 93-as elemet. Ezt az elemet neptuniumnak, a 94-es elemet pedig plutóniumnak nevezték. A történész határozottan azt fogja mondani, hogy ezek a nevek a római mitológiából származnak, de a nevek eredete lényegében nem mitológiai, hanem csillagászati.
A 92. és 93. számú elem a Naprendszer távoli bolygóiról - az Uránuszról és a Neptunuszról - kapta a nevét, de a Neptunusz nem az utolsó a Naprendszerben, még távolabb fekszik a Plútó pályája - amely bolygóról még szinte semmit sem tudni. .. Hasonló konstrukció A periódusos rendszer „bal szélén” is látható: urán - neptunium - plutónium, azonban az emberiség sokkal többet tud a plutóniumról, mint a Plutóról. A csillagászok egyébként alig tíz évvel a plutónium szintézise előtt fedezték fel a Plutót – majdnem ugyanennyi idő választotta el az Uránusz – a bolygó és az urán – elem felfedezését.
Találós kérdések kriptográfusoknak
A 94-es számú elem első izotópja, a plutónium-238 manapság gyakorlati alkalmazásra talált. De a 40-es évek elején még csak nem is gondoltak rá. A plutónium-238 gyakorlati jelentőségű mennyiségben való beszerzése csak az erős nukleáris iparra támaszkodva lehetséges. Akkor még csak gyerekcipőben járt. De az már világos volt, hogy a nehéz radioaktív elemek magjaiban rejlő energia felszabadításával példátlan erejű fegyverekhez lehet jutni. Megjelent a Manhattan Project, amelynek nem volt más, mint egy közös neve a híres New York-i területtel. Ez volt az összes olyan munka általános neve, amely az Egyesült Államokban az első atombombák létrehozásával kapcsolatos. Nem tudós, hanem egy katona, Groves tábornok nevezték ki a Manhattan Project élére, aki „szeretettel” „törött edényeknek” nevezte magasan képzett vádjait.
A „projekt” vezetőit nem érdekelte a plutónium-238. A magjai, mint minden páros tömegszámú plutónium izotóp atommagjai, nem hasadóak az alacsony energiájú neutronoktól, így nem szolgálhatna nukleáris robbanóanyagként. Ennek ellenére csak 1942 tavaszán jelentek meg nyomtatásban az első nem túl egyértelmű jelentések a 93. és 94. számú elemről.
Mivel magyarázhatjuk ezt? A fizikusok megértették: a páratlan tömegszámú plutónium izotópok szintézise idő kérdése, és nem túl hosszú. A furcsa izotópoktól azt várták, hogy az urán-235-höz hasonlóan képesek legyenek támogatni a nukleáris láncreakciót. Néhányan potenciális nukleáris robbanóanyagnak tekintették őket, amelyeket még nem kaptak meg. És ezek a remények plutónium, sajnos megindokolta.
Az akkori titkosításban a 94-es számú elemet nem másnak hívták, mint... réznek. És amikor magára a rézre volt szükség (egyes alkatrészek szerkezeti anyagaként), akkor a kódokban a „réz” mellett megjelent az „igazi réz”.
"A jó és rossz tudás fája"
1941-ben felfedezték a plutónium legfontosabb izotópját - egy 239-es tömegszámú izotópot. És szinte azonnal beigazolódott a teoretikusok jóslata: a plutónium-239 atommagokat termikus neutronok hasadták fel. Ráadásul hasadásuk során nem kevesebb neutron keletkezett, mint az urán-235 hasadása során. Azonnal körvonalazták az izotóp nagy mennyiségben történő előállításának módjait...
Évek teltek el. Ma már senki előtt nem titok, hogy az arzenálban tárolt nukleáris bombák tele vannak plutónium-239-cel, és ezek a bombák elegendőek ahhoz, hogy helyrehozhatatlan károkat okozzanak minden földi életben.
Széles körben elterjedt az a hiedelem, hogy az emberiség egyértelműen sietett a nukleáris láncreakció felfedezésével (aminek elkerülhetetlen következménye egy atombomba létrehozása volt). Gondolkodhat másként, vagy úgy tesz, mintha másként gondolkodna - kellemesebb optimistának lenni. De még az optimisták is elkerülhetetlenül szembesülnek a tudósok felelősségének kérdésével. Emlékszünk 1954 diadalmas júniusi napjára, arra a napra, amikor az első obnyinszki atomerőmű bekapcsolódott. De nem feledkezhetünk meg 1945 augusztusának reggeléről sem – „Hirosima reggeléről”, „Albert Einstein fekete napjáról”... Emlékszünk a háború utáni első évekre és a burjánzó atomzsarolásra – az amerikai politika alapja ezekben az években . De az emberiségnek nem volt sok baja a következő években? Sőt, ezeket a szorongásokat sokszorosára fokozta az a tudat, hogy ha kitör egy új világháború, atomfegyvereket vetnek be.
Itt megpróbálhatja bebizonyítani, hogy a plutónium felfedezése nem keltette félelmet az emberiségben, ellenkezőleg, csak hasznos volt.
Mondjuk megtörtént, hogy valamiért, vagy ahogy régen mondták, Isten akaratából a plutónium hozzáférhetetlen volt a tudósok számára. Csökkennének akkor félelmeink és aggodalmaink? Nem történt semmi. Atombombákat gyártanának urán-235-ből (és nem kevesebb mennyiségben, mint plutóniumból), és ezek a bombák a költségvetésnek a jelenleginél is nagyobb részét „emésztik fel”.
Plutónium nélkül azonban nem lenne kilátás az atomenergia békés célú, nagyszabású felhasználására. Egyszerűen nem lenne elég urán-235 egy „békés atomhoz”. A nukleáris energia felfedezése által az emberiségre sújtott gonoszságot még részben sem ellensúlyozná a „jó atom” vívmányai.
Hogyan mérjük, mihez hasonlítsuk
Amikor egy plutónium-239 atommagot a neutronok két, megközelítőleg azonos tömegű fragmentumra hasítanak, körülbelül 200 MeV energia szabadul fel. Ez 50 milliószor több energia szabadul fel a leghíresebb exoterm C + O 2 = CO 2 reakció során. Atomreaktorban „égetve” egy gramm plutónium 2107 kcal-t ad. Annak érdekében, hogy ne törjük meg a hagyományokat (és a népszerű cikkekben a nukleáris üzemanyag energiáját általában nem rendszerszintű mértékegységekben mérik - szén, benzin, trinitrotoluol tonna stb.), azt is megjegyezzük: ez az energia, amelyet 4 tonna tartalmaz. szénből. Egy közönséges gyűszű pedig olyan mennyiségű plutóniumot tartalmaz, amely energetikailag negyven autónyi jó nyírfa tűzifának felel meg.
Ugyanez az energia szabadul fel az urán-235 atommagok neutronok általi hasadása során. De a természetes urán zöme (99,3%) a 238 U izotóp, amelyet csak az urán plutóniummá alakításával lehet felhasználni...
A kövek energiája
Értékeljük a természetes uránkészletekben rejlő energiaforrásokat!
Az urán nyomelem, és szinte mindenhol megtalálható. Aki járt például Karéliában, az valószínűleg emlékezni fog a gránitsziklákra és a tengerparti sziklákra. De kevesen tudják, hogy egy tonna gránit legfeljebb 25 g uránt tartalmaz. A gránit a földkéreg tömegének közel 20%-át teszi ki. Ha csak urán-235-öt számolunk, akkor egy tonna gránit 3,5-105 kcal energiát tartalmaz. Sok, de...
A gránit feldolgozása és belőle az urán kinyerése még nagyobb mennyiségű energiát igényel - körülbelül 106-107 kcal/t. Mármost, ha nem csak urán-235-öt, hanem urán-238-at is lehetne energiaforrásként használni, akkor a gránit legalább potenciális energianyersanyagnak tekinthető. Ekkor egy tonna kőből nyert energia 8-107 kcal és 5-108 kcal között lenne. Ez 16-100 tonna szénnek felel meg. És ebben az esetben a gránit csaknem milliószor több energiát biztosíthat az embereknek, mint a Föld összes kémiai üzemanyag-tartaléka.
Az urán-238 atommagok azonban nem hasadnak neutronokkal. Ez az izotóp használhatatlan az atomenergiában. Pontosabban hiába lenne, ha nem lehetne plutónium-239-re alakítani. És ami különösen fontos: erre a nukleáris átalakításra gyakorlatilag nem kell energiát fordítani – éppen ellenkezőleg, ebben a folyamatban energia keletkezik!
Próbáljuk meg kitalálni, hogyan történik ez, de először néhány szót a természetes plutóniumról.
400 ezerszer kevesebb, mint a rádium
Már elhangzott, hogy a plutónium izotópjai nem maradtak meg a bolygónk kialakulása során bekövetkezett elemek szintézise óta. De ez nem jelenti azt, hogy nincs plutónium a Földön.
Az uránércekben folyamatosan képződik. A kozmikus sugárzásból származó neutronok és az urán-238 atommagok spontán hasadásából származó neutronok befogásával ennek az izotópnak néhány - nagyon kevés - atomja urán-239 atomokká alakul. Ezek az atommagok nagyon instabilok, elektronokat bocsátanak ki, és ezáltal növelik töltésüket. Megalakul a neptunium, az első transzurán elem. A Neptunium-239 szintén nagyon instabil, és atommagjai elektronokat bocsátanak ki. Mindössze 56 óra alatt a neptunium-239 fele plutónium-239-vé alakul, amelynek felezési ideje már meglehetősen hosszú - 24 ezer év.
Miért nem nyerik ki a plutóniumot az uránércekből?? Alacsony, túl alacsony koncentráció. „Gramonkénti termelés - évi munka” - ez a rádiumról szól, és az ércekben lévő plutónium 400 ezerszer kevesebb, mint a rádium. Ezért rendkívül nehéz nemcsak bányászni, de még kimutatni is a „földi” plutóniumot. Erre csak azután került sor, hogy az atomreaktorokban előállított plutónium fizikai és kémiai tulajdonságait tanulmányozták.
A plutónium az atomreaktorokban halmozódik fel. Erőteljes neutronáramokban ugyanaz a reakció megy végbe, mint az uránércekben, de a plutónium képződésének és felhalmozódásának sebessége a reaktorban sokkal magasabb - milliárd milliárdszor. A ballaszt urán-238 energiaminőségű plutónium-239-lé történő átalakításához optimális (elfogadható) feltételek jönnek létre.
Ha a reaktor termikus neutronokon működik (emlékezzünk rá, hogy sebességük kb. 2000 m/s, energiájuk pedig egy elektronvolt töredéke), akkor az uránizotópok természetes keverékéből a plutónium mennyisége valamivel kisebb, mint a mennyiségű „kiégett” urán-235. Egy kicsit, de kevesebb, plusz a plutónium elkerülhetetlen veszteségei a besugárzott urántól való kémiai elválasztása során. Ezenkívül a nukleáris láncreakció az uránizotópok természetes keverékében csak addig tart fenn, amíg az urán-235 kis része el nem fogy. Ebből következik a logikus következtetés: egy természetes uránt használó „termikus” reaktor - a jelenleg működő reaktorok fő típusa - nem tudja biztosítani a nukleáris üzemanyag kiterjesztett újratermelését. De akkor mi az ígéretes? Ennek a kérdésnek a megválaszolásához hasonlítsuk össze az urán-235-ben és a plutónium-239-ben zajló nukleáris láncreakció lefolyását, és vezessünk be egy másik fizikai fogalmat a beszélgetéseinkbe.
Bármely nukleáris üzemanyag legfontosabb jellemzője a neutronok átlagos száma, amelyet azután bocsátanak ki, hogy az atommag egy neutront befogott. A fizikusok eta számnak nevezik, és a görög q betűvel jelölik. Az uránnal működő „termikus” reaktorokban a következő minta figyelhető meg: minden neutron átlagosan 2,08 neutront generál (η = 2,08). Az ilyen reaktorba termikus neutronok hatására elhelyezett plutónium η = 2,03. De vannak olyan reaktorok is, amelyek gyors neutronokon működnek. Felesleges uránizotópok természetes keverékét betölteni egy ilyen reaktorba: láncreakció nem megy végbe. De ha az „alapanyagot” urán-235-tel dúsítják, akkor „gyors” reaktorban fejleszthető. Ebben az esetben c már egyenlő lesz 2,23-mal. A gyors neutrontűznek kitett plutónium η értéke 2,70. Rendelkezésünkre áll majd egy „felesleges neutron”. És ez egyáltalán nem kevés.
Nézzük, mire költik a keletkező neutronokat. Minden reaktorban egy neutronra van szükség a nukleáris láncreakció fenntartásához. 0,1 neutront nyelnek el a létesítmény építőanyagai. A „felesleget” a plutónium-239 felhalmozására használják. Az egyik esetben a „többlet” 1,13, a másik esetben 1,60. Egy kilogramm plutónium „gyors” reaktorban való „elégetése” után kolosszális energia szabadul fel, és 1,6 kg plutónium halmozódik fel. Az urán pedig egy „gyors” reaktorban ugyanazt az energiát és 1,1 kg új nukleáris üzemanyagot biztosít. Mindkét esetben nyilvánvaló a kiterjesztett szaporodás. De nem szabad megfeledkeznünk a gazdaságról sem.
Számos technikai ok miatt a plutónium szaporodási ciklusa több évig tart. Mondjuk öt év. Ez azt jelenti, hogy az évi plutónium mennyisége mindössze 2%-kal nő, ha η=2,23, és 12%-kal, ha η=2,7! A nukleáris üzemanyag tőke, és minden tőkének, mondjuk, évi 5%-ot kell hoznia. Az első esetben nagy veszteségek, a másodikban pedig nagy nyereségek. Ez a primitív példa szemlélteti minden tizedik szám „súlyát” az atomenergiában.
Valami más is fontos. Az atomenergiának lépést kell tartania a növekvő energiaigénnyel. A számítások azt mutatják, hogy feltétele a jövőben csak akkor teljesül, ha η a háromhoz közelít. Ha az atomenergia-források fejlesztése elmarad a társadalom energiaigényétől, akkor két lehetőség marad: vagy „lelassítjuk a fejlődést”, vagy más forrásból veszünk el energiát. Ismeretesek: termonukleáris fúzió, anyag és antianyag annihilációs energiája, de technikailag még nem hozzáférhetők. És nem tudni, mikor válnak az emberiség valódi energiaforrásaivá. A nehéz atommagok energiája pedig már régóta valósággá vált számunkra, és ma a plutóniumnak, mint az atomenergia fő „szállítójának”, nincs komoly versenytársa, kivéve talán az urán-233-at.
Sok technológia összessége
Amikor a nukleáris reakciók következtében a szükséges mennyiségű plutónium felhalmozódott az uránban, akkor azt nemcsak magától az urántól kell elválasztani, hanem a magláncreakcióban elégetett hasadási töredékektől is - mind az urántól, mind a plutóniumtól. Ezenkívül az urán-plutónium tömeg bizonyos mennyiségű neptúniumot is tartalmaz. A legnehezebben elkülöníthető dolgok a plutónium a neptuniumtól és a ritkaföldfém elemek (lantanidok). A plutónium, mint kémiai elem, bizonyos mértékig szerencsétlen volt. Vegyész szempontból az atomenergia fő eleme csak egy a tizennégy aktinidából. A ritkaföldfémekhez hasonlóan az aktinium sorozat minden eleme kémiai tulajdonságaiban nagyon hasonló egymáshoz, az összes elem atomjainak külső elektronhéjának szerkezete az aktiniumtól a 103-ig azonos. Ami még kellemetlen, hogy az aktinidák kémiai tulajdonságai hasonlóak a ritkaföldfémek tulajdonságaihoz, az urán és a plutónium hasadási töredékei között pedig bőven van lantanidok. De ekkor a 94-es elem öt vegyértékállapotban lehet, és ez „megédesíti a pirulát” - segít elválasztani a plutóniumot az urántól és a hasadási töredékektől.
A plutónium vegyértéke három és hét között változik. Kémiailag a legstabilabb (és ezért a leggyakoribb és legtöbbet vizsgált) vegyületek a négy vegyértékű plutónium.
A hasonló kémiai tulajdonságokkal rendelkező aktinidák - az urán, a neptunium és a plutónium - szétválasztása a tetra- és hat vegyértékű vegyületeik tulajdonságainak különbségén alapulhat.
Nem szükséges részletesen ismertetni a plutónium és az urán kémiai szétválasztásának minden szakaszát. Elválasztásuk általában az uránrudak salétromsavban való feloldásával kezdődik, majd az oldatban lévő uránt, neptuniumot, plutóniumot és fragmentációs elemeket „leválasztják”, ehhez hagyományos radiokémiai módszerekkel - kicsapással, extrakcióval, ioncserével és egyebekkel. . Ennek a többlépcsős technológiának a végső plutóniumtartalmú termékei a PuO 2 dioxid vagy fluoridok - PuF 3 vagy PuF 4. Bárium-, kalcium- vagy lítiumgőzzel fémmé redukálják. Az ezekben a folyamatokban nyert plutónium azonban nem alkalmas szerkezeti anyag szerepére - atomreaktorok fűtőelemei nem készíthetők belőle, és atombomba töltete sem önthető el. Miért? A plutónium olvadáspontja - mindössze 640 °C - meglehetősen elérhető.
Nem számít, milyen „ultrakímélő” körülményeket alkalmaznak a tiszta plutóniumból készült alkatrészek öntésére, a megszilárdulás során mindig repedések jelennek meg az öntvényeken. 640°C-on a megszilárduló plutónium köbös kristályrácsot képez. A hőmérséklet csökkenésével a fém sűrűsége fokozatosan növekszik. Ekkor azonban a hőmérséklet elérte a 480°C-ot, majd hirtelen a plutónium sűrűsége meredeken csökken. Ennek az anomáliának az okait meglehetősen gyorsan felfedezték: ezen a hőmérsékleten a plutónium atomok átrendeződnek a kristályrácsban. Tetragonálissá válik és nagyon „laza”. Az ilyen plutónium saját olvadékában lebeghet, mint a jég a vízen.
A hőmérséklet tovább csökken, mára elérte a 451 °C-ot, és az atomok ismét köbös rácsot alkottak, de egymástól nagyobb távolságra helyezkedtek el, mint az első esetben. További hűtéssel a rács először ortorombikussá, majd monoklinikussá válik. A plutónium összesen hat különböző kristályformát alkot! Ezek közül kettőt egy figyelemre méltó tulajdonság - a negatív hőtágulási együttható - különböztet meg: a hőmérséklet emelkedésével a fém nem tágul, hanem összehúzódik.
Amikor a hőmérséklet eléri a 122 °C-ot, és a plutónium atomok hatodszor rendezik át soraikat, a sűrűség különösen drámaian változik - 17,77-ről 19,82 g/cm 3 -re. Több mint 10%!
Ennek megfelelően a tuskó térfogata csökken. Ha a fém még képes ellenállni a más átmeneteknél fellépő feszültségeknek, akkor ebben a pillanatban a pusztulás elkerülhetetlen.
Hogyan készítsünk alkatrészeket ebből a csodálatos fémből? A kohászok a plutóniumot ötvözik (kis mennyiségű szükséges elemet adnak hozzá), és egyetlen repedés nélkül kapják az öntvényeket. Ezeket atombombákhoz plutónium töltetek készítésére használják. A töltés tömege (elsősorban az izotóp kritikus tömege határozza meg) 5-6 kg. Könnyen belefért egy 10 cm-es élméretû kockába.
A plutónium nehéz izotópjai
A Plutónium-239 kis mennyiségben ennek az elemnek a magasabb izotópjait is tartalmazza - 240 és 241 tömegszámmal. A 240 Pu izotóp gyakorlatilag használhatatlan - ballaszt a plutóniumban. A 241-ből ameríciumot nyernek - a 95. számú elemet. A plutónium-240 és a plutónium-241 tiszta formájában, más izotópok keverése nélkül állítható elő a reaktorban felhalmozódott plutónium elektromágneses elválasztásával. Ezt megelőzően a plutóniumot szigorúan meghatározott jellemzőkkel rendelkező neutronáramokkal is besugározzák. Persze mindez nagyon bonyolult, főleg, hogy a plutónium nemcsak radioaktív, hanem nagyon mérgező is. A vele való munkavégzés rendkívüli körültekintést igényel.
A plutónium egyik legérdekesebb izotópja, a 242 Pu 239 Pu neutronáramokban történő hosszú távú besugárzásával nyerhető. A 242 Pu nagyon ritkán köt be neutronokat, ezért lassabban „ég ki” a reaktorban, mint más izotópok; még azután is fennmarad, hogy a megmaradt plutónium izotópok szinte teljesen töredékekké vagy plutónium-242-vé alakultak.
A plutónium-242 „nyersanyagként” fontos a magasabb transzurán elemek viszonylag gyors felhalmozódásához az atomreaktorokban. Ha a plutónium-239-et egy hagyományos reaktorban sugározzák be, akkor körülbelül 20 évbe telik, hogy gramm plutóniumból mikrogramm mennyiséget halmozzon fel például Kalifornia-252.
A magasabb izotópok akkumulációs idejét csökkenteni lehet a reaktorban a neutronfluxus intenzitásának növelésével. Ezt teszik, de akkor nem lehet nagy mennyiségű plutónium-239-et besugározni. Végül is ezt az izotópot neutronok osztják fel, és túl sok energia szabadul fel intenzív áramlásokban. További nehézségek merülnek fel a reaktor hűtésével kapcsolatban. E nehézségek elkerülése érdekében csökkenteni kellene a besugárzott plutónium mennyiségét. Következésképpen a kalifornium hozama ismét csekély lesz. Ördögi kör!
A plutónium-242 nem hasadó a termikus neutronok hatására, nagy mennyiségben besugározható intenzív neutronáramban... Ezért a reaktorokban az americiumtól a fermiumig minden elem ebből az izotópból „készül”, és tömegmennyiségben halmozódik fel.
Minden alkalommal, amikor a tudósoknak sikerült megszerezniük a plutónium új izotópját, megmérték annak magjainak felezési idejét. A páros tömegű nehéz radioaktív magok izotópjainak felezési ideje rendszeresen változik. (Ez nem mondható el a páratlan izotópokról.)
A tömeg növekedésével az izotóp „élettartama” is növekszik. Néhány évvel ezelőtt ennek a grafikonnak a csúcspontja a plutónium-242 volt. És akkor hogyan fog haladni ez a görbe - a tömegszám további növekedésével? Az 1. ponthoz, ami 30 millió éves élettartamnak felel meg, vagy a 2. ponthoz, ami 300 millió évnek felel meg? A kérdésre adott válasz nagyon fontos volt a geotudományok számára. Az első esetben, ha 5 milliárd évvel ezelőtt a Föld teljes egészében 244 Pu-ból állt, most már csak egy plutónium-244 atom maradna a Föld teljes tömegében. Ha a második feltevés igaz, akkor a plutónium-244 már kimutatható koncentrációban lehet a Földön. Ha lenne szerencsénk megtalálni ezt az izotópot a Földön, a tudomány megkapná a legértékesebb információkat a bolygónk kialakulása során lezajlott folyamatokról.
A plutónium egyes izotópjainak felezési ideje
Néhány évvel ezelőtt a tudósok azzal a kérdéssel szembesültek: érdemes-e nehéz plutóniumot találni a Földön? Ennek megválaszolásához először is meg kellett határozni a plutónium-244 felezési idejét. A teoretikusok ezt az értéket nem tudták a szükséges pontossággal kiszámítani. Minden remény csak a kísérleté volt.
A Plutónium-244 egy atomreaktorban halmozódott fel. 95. számú elem - americium (243 Am izotóp) besugárzott. Miután befogott egy neutront, ez az izotóp amerícium-244-té alakult; Az americium-244 10 ezer esetből egyben plutónium-244-té alakult.
A plutónium-244 készítményt americium és kúrium keverékéből izolálták. A minta mindössze néhány milliomod grammot nyomott. De ezek elegendőek voltak ennek az érdekes izotópnak a felezési idejének meghatározásához. Kiderült, hogy 75 millió évnek felel meg. Később más kutatók tisztázták a plutónium-244 felezési idejét, de nem sokkal - 81 millió év. 1971-ben ennek az izotópnak a nyomait találták a ritkaföldfém ásványban, a bastnäsitben.
A tudósok számos kísérletet tettek a transzurán elem olyan izotópjának megtalálására, amely tovább él 244 Pu-nál. De minden próbálkozás hiábavaló maradt. Egy időben a curium-247-hez fűztek reményeket, de miután ez az izotóp felhalmozódott a reaktorban, kiderült, hogy felezési ideje mindössze 16 millió év. Nem sikerült megdönteni a plutónium-244 rekordját - ez a transzurán elemek leghosszabb élettartamú izotópja.
A plutónium még nehezebb izotópjai is béta-bomláson mennek keresztül, és élettartamuk néhány naptól néhány tizedmásodpercig terjed. Biztosan tudjuk, hogy a plutónium összes izotópja termonukleáris robbanások során keletkezik, 257 Pu-ig. De élettartamuk tizedmásodperc, és a plutónium számos rövid élettartamú izotópját még nem tanulmányozták.
Az első plutónium izotóp lehetőségei
És végül – a plutónium-238-ról – a plutónium „ember által alkotott” izotópjai közül a legelső, egy olyan izotóp, amely eleinte kilátástalannak tűnt. Valójában ez egy nagyon érdekes izotóp. Alfa-bomlásnak van kitéve, vagyis magjai spontán alfa-részecskéket - héliummagokat - bocsátanak ki. A plutónium-238 atommagok által generált alfa-részecskék nagy energiát hordoznak; anyagban szétszóródva ez az energia hővé alakul. Mekkora ez az energia? Hatmillió elektronvolt szabadul fel a plutónium-238 atommagjának bomlása következtében. Egy kémiai reakció során több millió atom oxidálásakor ugyanaz az energia szabadul fel. Egy kilogramm plutónium-238-at tartalmazó áramforrás 560 watt hőteljesítményt fejleszt. Az azonos tömegű kémiai áramforrás maximális teljesítménye 5 watt.
Sok hasonló energiajellemzővel rendelkező emitter létezik, de a plutónium-238 egyik jellemzője nélkülözhetetlenné teszi ezt az izotópot. Az alfa-bomlást általában erős gamma-sugárzás kíséri, amely nagy anyagrétegeken áthatol. A 238 Pu kivétel. A magjainak bomlását kísérő gamma-sugarak energiája alacsony, ellene nem nehéz védekezni: a sugárzást egy vékony falú tartály nyeli el. Ennek az izotópnak a magvak spontán hasadásának valószínűsége is alacsony. Ezért nemcsak a jelenlegi forrásokban, hanem az orvostudományban is alkalmazásra talált. A plutónium-238-at tartalmazó akkumulátorok energiaforrásként szolgálnak speciális szívstimulátorokban.
A 238 Pu azonban nem a 94-es számú elem legkönnyebb ismert izotópja, a plutónium izotópjait 232 és 237 közötti tömegszámmal kapták. A legkönnyebb izotóp felezési ideje 36 perc.
A plutónium nagy téma. A legfontosabb dolgok itt vannak elmondva. Végtére is, már általános kifejezéssé vált, hogy a plutónium kémiáját sokkal jobban tanulmányozták, mint az olyan „régi” elemek kémiáját, mint a vas. Egész könyveket írtak a plutónium nukleáris tulajdonságairól. A plutónium kohászata az emberi tudás egy másik csodálatos része... Ezért ne gondolja, hogy miután elolvasta ezt a történetet, valóban megtanulta a plutóniumot - a 20. század legfontosabb fémét.
- A PLUTÓNIUM SZÁLLÍTÁSA. A radioaktív és mérgező plutónium különös gondosságot igényel a szállítás során. Egy konténert kifejezetten a szállítására terveztek - egy olyan konténert, amely még repülőgép-balesetben sem pusztul el. Egészen egyszerűen készült: vastag falú rozsdamentes acél edény, amelyet mahagóni héj veszi körül. Nyilvánvalóan megéri a plutónium, de képzelje el, milyen vastagnak kell lennie a falaknak, ha tudja, hogy egy mindössze két kilogramm plutónium szállítására alkalmas konténer 225 kg-ot nyom!
- MÉREG ÉS ELLENSZER. 1977. október 20-án az Agence France-Presse arról számolt be, hogy olyan kémiai vegyületet találtak, amely képes eltávolítani a plutóniumot az emberi szervezetből. Néhány évvel később elég sok ismertté vált erről a vegyületről. Ez az összetett vegyület egy lineáris karboxiláz katechinamid, a kelát osztályba tartozó anyag (a görög „chela” szóból - karom). A szabad vagy kötött plutónium atom ebben a kémiai karomban rögzítődik. Laboratóriumi egerekben ezt az anyagot használták a felszívódott plutónium 70%-ának eltávolítására a szervezetből. Úgy gondolják, hogy a jövőben ez a vegyület elősegíti a plutónium kinyerését mind a termelési hulladékból, mind a nukleáris üzemanyagból.
A 94-es számú plutóniumot Glenn Seaborg, Edwin McMillan, Kennedy és Arthur Wahl fedezte fel 1940-ben Berkeley-ben, amikor egy hatvan hüvelykes ciklotronból származó deuteronokkal bombáztak egy uráncélpontot. 1940 májusában Lewis Turner megjósolta a plutónium tulajdonságait.
1940 decemberében fedezték fel a Pu-238-as plutónium izotópot, amelynek felezési ideje ~90 év, majd egy évvel később a fontosabb Pu-239-et, amelynek felezési ideje ~24 000 év.
A természetes uránban a Pu-239 nyomok formájában van jelen (mennyiség 1015-re egy rész), ott az U-238 atommag általi neutron befogása következtében jön létre. Rendkívül kis mennyiségben találtak Pu-244-et (a plutónium leghosszabb életű izotópja, felezési ideje 80 millió év) a cériumércben, amely nyilvánvalóan a Föld keletkezéséből maradt vissza.
A plutóniumnak összesen 15 izotópja ismert, amelyek mindegyike radioaktív. A nukleáris fegyverek tervezése szempontjából legjelentősebbek:
Pu238 -> (86 éves, alfa-bomlás) -> U234
Pu239 -> (24 360 év, alfa-bomlás) -> U235
Pu240 -> (6580 év, alfa-bomlás) -> U236
Pu241 -> (14,0 év, béta-bomlás) -> Am241
Pu242 -> (370 000 év, alfa-bomlás) -> U238 A plutónium fizikai tulajdonságai
A plutónium egy nagyon nehéz ezüstös fém, frissen finomítva fényes, mint a nikkel. Rendkívül elektronegatív, kémiailag reaktív elem, sokkal inkább, mint az urán. Gyorsan elhalványul, és irizáló filmet képez (mint egy irizáló olajfilm), amely kezdetben világossárga, végül sötétlila színűvé válik. Ha az oxidáció elég erős, olívazöld oxidpor (PuO2) jelenik meg a felületén.
A plutónium enyhe nedvesség jelenlétében is könnyen oxidálódik és gyorsan korrodálódik. Furcsa módon inert gáz atmoszférában vízgőzzel sokkal gyorsabban rozsdásodik, mint száraz levegőben vagy tiszta oxigénben. Ennek az az oka, hogy az oxigén közvetlen hatására oxidréteg alakul ki a plutónium felületén, ami megakadályozza a további oxidációt. Nedvességnek kitéve oxid és hidrid laza keveréke keletkezik. Az oxidáció és a korrózió elkerülése érdekében szárítókemence szükséges.
A plutóniumnak négy vegyértéke van, a III-VI. Csak nagyon savas közegben, például salétromsavban vagy sósavban oldódik jól, de jól oldódik hidrogén-jodidban és perklórsavban is. A plutóniumsók semleges vagy lúgos oldatokkal érintkezve könnyen hidrolizálnak, így oldhatatlan plutónium-hidroxid keletkezik. A tömény plutónium oldatok instabilak a csapadékhoz vezető radiolitikus bomlás miatt.
Radioaktivitása miatt a plutónium meleg tapintású. A hőszigetelt héjban lévő nagy darab plutóniumot a víz forráspontját meghaladó hőmérsékletre hevítik.
A plutónium alapvető fizikai tulajdonságai:
Olvadáspont: 641 °C;
Forráspont: 3232 °C;
Sűrűség: 19,84 (alfa fázisban).
A plutóniumnak számos sajátos tulajdonsága van. Fémek közül a legalacsonyabb a hővezető képessége, a legalacsonyabb az elektromos vezetőképessége, a mangán kivételével (más források szerint még mindig a legalacsonyabb az összes fém közül). Folyékony fázisában ez a legviszkózusabb fém.
Amikor a hőmérséklet változik, a plutónium sűrűsége a legsúlyosabb és természetellenes változáson megy keresztül. A plutóniumnak hat különböző fázisa (kristályszerkezete) van szilárd formában, több, mint bármely más elem (valójában szigorúbb feltételek mellett hét van). A fázisok közötti egyes átmeneteket drámai hangerő-változások kísérik. Ezen fázisok közül kettőben - delta és delta prime - a plutónium egyedülálló tulajdonsággal rendelkezik, hogy a hőmérséklet emelkedésével összehúzódik, a többiben pedig rendkívül magas hőmérsékleti tágulási együtthatóval rendelkezik. Amikor megolvad, a plutónium összehúzódik, lehetővé téve a megolvadatlan plutónium lebegését. Legsűrűbb formájában, az alfa fázisban a plutónium a hatodik legsűrűbb elem (csak az ozmium, az irídium, a platina, a rénium és a neptunium nehezebb). Az alfa fázisban a tiszta plutónium törékeny, de léteznek rugalmas ötvözetek.
A plutónium leírása
Plutónium(plutónium) egy ezüstös nehéz kémiai elem, egy 94-es rendszámú radioaktív fém, amelyet a periódusos rendszerben a Pu szimbólum jelöl.
Ez az elektronegatívan aktív kémiai elem a 244,0642 atomtömegű aktinidák csoportjába tartozik, és a neptuniumhoz hasonlóan, amely az azonos nevű bolygó tiszteletére kapta a nevét, ez a vegyi anyag is a Plútó bolygónak köszönheti nevét, mivel az elődei. A Mengyelejev-féle kémiai elemek periódusos rendszerében szereplő radioaktív elem és a neptunium, amelyeket szintén galaxisunkban található távoli kozmikus bolygókról neveztek el.
A plutónium eredete
Plutónium elem először 1940-ben fedezte fel a Kaliforniai Egyetemen egy radiológus és tudományos kutatócsoport, G. Seaborg, E. McMillan, Kennedy, A. Walch, amikor egy ciklotronból deuteronokkal – nehéz hidrogén atommagokkal – bombáztak egy uráncélpontot.
Ugyanezen év decemberében a tudósok felfedezték plutónium izotóp– Pu-238, melynek felezési ideje több mint 90 év, és kiderült, hogy összetett nukleáris kémiai reakciók hatására kezdetben a neptunium-238 izotóp keletkezik, amely után már kialakul az izotóp plutónium-238.
1941 elején a tudósok felfedezték plutónium 239 25 000 éves bomlási idővel. A plutónium izotópjai különböző neutrontartalmúak lehetnek az atommagban.
Az elem tiszta vegyületét csak 1942 végén szerezték meg. Valahányszor új izotópot fedeztek fel a radiológusok, mindig megmérték az izotópok felezési idejét.
Jelenleg a plutónium-izotópok, amelyekből összesen 15 van, eltérő időtartamúak fél élet. Ehhez az elemhez nagy remények és kilátások kapcsolódnak, ugyanakkor az emberiség komoly félelmei is.
A plutónium lényegesen nagyobb aktivitással rendelkezik, mint például az urán, és az egyik legdrágább műszakilag fontos és legjelentősebb kémiai anyag.
Például egy gramm plutónium ára többszöröse egy grammnak, vagy más ugyanolyan értékes fémeknek.
A plutónium előállítását és kitermelését költségesnek tartják, és egy gramm fém költsége korunkban magabiztosan 4000 USD körül mozog.
Hogyan nyerik a plutóniumot? Plutónium termelés
A kémiai elem előállítása atomreaktorokban történik, amelyekben összetett kémiai és technológiai folyamatok hatására hasad fel az urán.
Az urán és a plutónium az atom- (nukleáris) üzemanyagok előállításának fő, fő összetevője.
Ha nagy mennyiségű radioaktív elem beszerzésére van szükség, akkor a transzurán elemek besugárzásának módszerét alkalmazzák, amelyet kiégett nukleáris fűtőanyagból és urán besugárzásából nyerhetünk. Az összetett kémiai reakciók lehetővé teszik a fém elválasztását az urántól.
Az izotópok, nevezetesen a plutónium-238 és a fegyveres minőségű plutónium-239 előállításához, amelyek közbenső bomlástermékek, a neptunium-237 neutronokkal történő besugárzását használják.
A plutónium-244 apró töredékét, amely hosszú felezési ideje miatt a leghosszabb életű izotóp, a cériumércben fedezték fel, amely valószínűleg a Föld bolygónk keletkezéséből maradt fenn. Ez a radioaktív elem a természetben nem fordul elő.
A plutónium alapvető fizikai tulajdonságai és jellemzői
A plutónium egy meglehetősen nehéz, ezüstös színű radioaktív kémiai elem, amely csak tisztítva ragyog. Nukleáris fém plutónium tömege egyenlő 244 a. eszik.
Magas radioaktivitása miatt ez az elem meleg tapintású, és a víz forráspontját meghaladó hőmérsékletre képes felmelegedni.
Az oxigénatomok hatására a plutónium gyorsan elsötétül, és egy kezdetben világossárga, majd gazdag vagy barna árnyalatú, irizáló vékony filmréteg borítja.
Erős oxidáció esetén az elem felületén PuO2 por képződik. Az ilyen típusú vegyi fémek még alacsony páratartalom mellett is erős oxidációs folyamatoknak és korróziónak vannak kitéve.
A fémfelület korróziójának és oxidációjának megakadályozása érdekében szárító berendezésre van szükség. Fénykép a plutóniumról alább megtekinthető.
A plutónium négy vegyértékű kémiai fém, jól és gyorsan oldódik hidrogén-jodidban és savas környezetben, például klórsavban.
A fémsók semleges reakcióval, lúgos oldatokkal környezetben gyorsan semlegesíthetők, miközben oldhatatlan plutónium-hidroxidot képeznek.
A plutónium olvadási hőmérséklete 641 Celsius fok, forráspontja 3230 fok.
A magas hőmérséklet hatására a fém sűrűségében természetellenes változások következnek be. A plutóniumnak különböző fázisai vannak, és hat kristályszerkezete van.
A fázisok közötti átmenet során jelentős változások következnek be az elem térfogatában. Az elem legsűrűbb formáját a hatodik alfa fázisban (az átmenet utolsó szakaszában) nyeri el, míg a fémnél ebben az állapotban csak a neptunium és a rádium nehezebb.
Olvadáskor az elem erős összenyomáson megy keresztül, így a fém lebeghet a víz és más nem agresszív folyékony közeg felszínén.
Annak ellenére, hogy ez a radioaktív elem a kémiai fémek csoportjába tartozik, az elem meglehetősen illékony, és ha rövid ideig zárt térben van, koncentrációja a levegőben többszörösére nő.
A fém fő fizikai tulajdonságai a következők: alacsony fok, az összes létező és ismert kémiai elem hővezető képessége, alacsony elektromos vezetőképesség; folyékony állapotban a plutónium az egyik legviszkózusabb fém.
Érdemes megjegyezni, hogy minden plutóniumvegyület mérgező, mérgező és komoly sugárzási veszélyt jelent az emberi szervezetre, ami az aktív alfa sugárzás miatt következik be, ezért minden munkát a legnagyobb körültekintéssel és csak speciális, vegyi védelemmel ellátott ruhában kell végezni. .
A könyvben bővebben olvashat egy egyedi fém tulajdonságairól és eredetelméleteiről Obrucsev "Plutonia"" A szerző V.A. Obrucsev arra invitálja az olvasókat, hogy merüljenek bele a Föld mélyén található fantasztikus ország, Plutónia csodálatos és egyedi világába.
A plutónium alkalmazásai
Az ipari vegyi elemeket általában fegyver- és reaktor-minőségű („energia-minőségű”) plutóniumra osztják.
Így nukleáris fegyverek előállításához az összes létező izotóp közül csak a plutónium 239 használata megengedett, amely legfeljebb 4,5% plutónium 240-et tartalmazhat, mivel spontán hasadásnak van kitéve, ami jelentősen megnehezíti a katonai lövedékek gyártását. .
Plutónium-238 kis méretű radioizotópos elektromos energiaforrások működtetésére használják, például űrtechnológiai energiaforrásként.
Több évtizeddel ezelőtt a plutóniumot a gyógyászatban pacemakerekben (szívritmus fenntartására szolgáló eszközökben) használták.
A világon elsőként létrehozott atombombának plutónium töltete volt. Nukleáris plutónium(Pu 239) nukleáris fűtőanyagként keresett az erőművi reaktorok működésének biztosítására. Ez az izotóp forrásként szolgál transzplutóniumelemek reaktorokban történő előállításához is.
Ha a nukleáris plutóniumot a tiszta fémmel hasonlítjuk össze, akkor az izotóp fémes paraméterei magasabbak, és nincsenek átmeneti fázisai, ezért széles körben használják a fűtőelemek előállítási folyamatában.
A Plutónium 242 izotóp oxidjai is keresettek energiaforrásként az űrben halált okozó egységek, berendezések és üzemanyagrudak számára.
Fegyverminőségű plutónium egy olyan elem, amely tömör fém formájában van jelen, és amely a Pu239 izotóp legalább 93%-át tartalmazza.
Ezt a fajta radioaktív fémet különféle típusú nukleáris fegyverek gyártásához használják.
Fegyverminőségű plutóniumot speciális ipari atomreaktorokban állítanak elő, amelyek természetes vagy alacsony dúsítású uránnal működnek a neutronok befogása eredményeként.