Kas atrado plutonį. Kas yra plutonis
Istorija
Jį 1940 m. atrado Glennas Seaborgas, Edwinas McMillanas, Kennedy ir Arthuras Wahlas 1940 m. Berklyje (JAV), bombarduojant urano taikinį ciklotronu paspartintais deuteronais.
Vardo kilmė
Plutonis buvo pavadintas Plutono planetos vardu, nes anksčiau atrastas cheminis elementas buvo vadinamas Neptūnu.
Kvitas
Plutonis gaminamas branduoliniuose reaktoriuose.
Izotopas 238 U, kuris sudaro didžiąją natūralaus urano dalį, nėra labai tinkamas dalijimuisi. Branduoliniams reaktoriams uranas yra šiek tiek sodrinamas, tačiau 235 U dalis branduoliniame kure išlieka maža (apie 5%). Pagrindinė dalis kuro strypuose yra 238 U. Eksploatuojant branduolinį reaktorių, dalis 238 U branduolių fiksuoja neutronus ir virsta 239 Pu, kuriuos vėliau galima išskirti.
Gana sunku atskirti plutonį tarp branduolinių reakcijų produktų, nes plutonis (kaip ir uranas, toris, neptūnas) priklauso aktinidams, kurių cheminės savybės labai panašios. Užduotį apsunkina tai, kad tarp skilimo produktų buvo retųjų žemių elementų, kurių cheminės savybės taip pat panašios į plutonio. Naudojami tradiciniai radiocheminiai metodai – nusodinimas, ekstrahavimas, jonų mainai ir kt. Galutinis šios daugiapakopės technologijos produktas yra plutonio oksidai PuO 2 arba fluoridai (PuF 3, PuF 4).
Plutonis ekstrahuojamas metalotermijos metodu (aktyvių metalų redukcija iš oksidų ir druskų vakuume):
PuF 4 +2 Ba = 2BaF 2 + Pu
Izotopai
Yra žinoma daugiau nei tuzinas plutonio izotopų, visi jie radioaktyvūs.
Svarbiausias izotopas 239 Pu, galintys dalytis branduoliais ir grandininėmis branduolinėmis reakcijomis. Tai vienintelis izotopas, tinkamas naudoti branduoliniuose ginkluose. Jis turi geresnes neutronų sugerties ir sklaidos charakteristikas nei uranas-235, neutronų skaičių dalijimosi metu (apie 3, palyginti su 2,3) ir atitinkamai mažesnę kritinę masę. Jo pusinės eliminacijos laikas yra apie 24 tūkstančius metų. Kiti plutonio izotopai pirmiausia nagrinėjami jų kenksmingumo pirminiam (ginklui) naudojimui požiūriu.
Izotopas 238 Pu pasižymi dideliu alfa radioaktyvumu ir dėl to išsiskiria dideliu šilumos kiekiu (567 W/kg). Tai yra problematiška naudojant branduoliniuose ginkluose, tačiau ji gali būti naudojama branduolinėse baterijose. Beveik visi erdvėlaiviai, skridę už Marso orbitos, turi radioizotopinius reaktorius, naudojančius 238 Pu. Reaktoriaus plutonio dalis šio izotopo yra labai maža.
Izotopas 240 Pu yra pagrindinis ginklams skirto plutonio teršalas. Jis pasižymi dideliu savaiminio skilimo greičiu ir sukuria aukštą neutronų foną, o tai labai apsunkina branduolinių užtaisų detonaciją. Manoma, kad jo dalis ginkluose neturėtų viršyti 7%.
241 Pu turi žemą neutronų foną ir vidutinę šiluminę emisiją. Jo dalis yra šiek tiek mažesnė nei 1% ir neturi įtakos ginklų klasės plutonio savybėms. Tačiau su savo pusėjimo trukme 1914 virsta americiu-241, kuris išskiria daug šilumos, o tai gali sukelti problemų dėl įkrovų perkaitimo.
242 Pu turi labai mažą skerspjūvį neutronų gaudymo reakcijai ir kaupiasi branduoliniuose reaktoriuose, nors ir labai mažais kiekiais (mažiau nei 0,1%). Tai neturi įtakos ginklų klasės plutonio savybėms. Jis daugiausia naudojamas tolimesnėms branduolinėms reakcijoms transplutonio elementų sintezėje: terminiai neutronai nesukelia branduolio dalijimosi, todėl bet kokie šio izotopo kiekiai gali būti apšvitinti galingais neutronų srautais.
Kiti plutonio izotopai yra itin reti ir neturi jokios įtakos branduolinių ginklų gamybai. Sunkieji izotopai susidaro labai mažais kiekiais, turi trumpą gyvavimo laiką (mažiau nei kelias dienas ar valandas) ir beta skilimo metu paverčiami atitinkamais americio izotopais. Tarp jų išsiskiria 244 Pu– jo pusinės eliminacijos laikas yra apie 82 milijonus metų. Tai labiausiai izotopas iš visų transurano elementų.
Taikymas
1995 metų pabaigoje pasaulyje buvo pagaminta apie 1270 tonų plutonio, iš kurių 257 tonos buvo skirtos kariniams tikslams, kuriems tinka tik 239 Pu izotopas. Branduoliniuose reaktoriuose kaip kurą galima naudoti 239 Pu, tačiau ekonominiu požiūriu jis yra prastesnis už uraną. Branduolinio kuro perdirbimo, norint išgauti plutonį, kaina yra daug didesnė nei mažai prisodrinto (~5 % 235 U) urano. Tik Japonija turi plutonio energijos naudojimo programą.
Allotropinės modifikacijos
Kietoje formoje plutonis turi septynias alotropines modifikacijas (tačiau fazės ? ir ? 1 kartais derinamos ir laikomos viena faze). Kambario temperatūroje plutonis yra kristalinė struktūra, vadinama ?-fazė. Atomai yra sujungti kovalentiniu ryšiu (vietoj metalo ryšio), todėl fizinės savybės artimesnės mineralams nei metalams. Tai kieta, trapi medžiaga, kuri lūžta tam tikromis kryptimis. Jis turi mažą šilumos laidumą tarp visų metalų, mažą elektros laidumą, išskyrus manganą. α-fazė negali būti apdorojama naudojant įprastas metalo technologijas.
Keičiantis temperatūrai, plutonis restruktūrizuojasi ir patiria itin stiprius pokyčius. Kai kuriuos perėjimus tarp fazių lydi tiesiog ryškūs tūrio pokyčiai. Dviejose iš šių fazių (? ir?1) plutonis turi unikalią savybę – neigiamą temperatūros plėtimosi koeficientą, t.y. jis susitraukia didėjant temperatūrai.
Gama ir delta fazėse plutonis pasižymi įprastomis metalų savybėmis, ypač kaliuoju. Tačiau delta fazėje plutonis yra nestabilus. Esant nedideliam slėgiui, jis bando įsitvirtinti tankioje (25%) alfa fazėje. Ši savybė naudojama branduolinių ginklų sprogimo įtaisuose.
Gryname plutonyje, kurio slėgis didesnis nei 1 kilobaras, delta fazė iš viso neegzistuoja. Esant slėgiui virš 30 kilobarų, egzistuoja tik alfa ir beta fazės.
Plutonio metalurgija
Plutonį galima stabilizuoti delta fazėje esant normaliam slėgiui ir kambario temperatūrai, formuojant lydinį su trivalenčiais metalais, tokiais kaip galis, aliuminis, ceris, indis, kurio koncentracija yra keli moliniai procentai. Būtent tokia forma plutonis naudojamas branduoliniuose ginkluose.
Ginkluotas plutonis
Branduoliniams ginklams gaminti būtina pasiekti norimo izotopo (235 U arba 239 Pu) grynumą, didesnį nei 90%. Norint sukurti užtaisus iš urano, reikia daug sodrinimo etapų (nes 235 U dalis gamtiniame urane yra mažesnė nei 1%), o 239 Pu dalis reaktoriaus plutonyje paprastai yra nuo 50% iki 80% (ty beveik 100 kartų daugiau). O kai kuriais reaktorių veikimo režimais galima gauti plutonio, kuriame yra daugiau nei 90% 239 Pu – toks plutonis nereikalauja sodrinimo ir gali būti tiesiogiai naudojamas branduoliniams ginklams gaminti.
Biologinis vaidmuo
Plutonis yra viena iš labiausiai toksiškų žinomų medžiagų. Plutonio toksiškumas nulemtas ne tiek dėl jo cheminių savybių (nors plutonis galbūt toks pat toksiškas kaip ir bet kuris sunkusis metalas), bet greičiau dėl jo alfa radioaktyvumo. Alfa daleles sulaiko net ploni medžiagų ar audinių sluoksniai. Tarkime, kelių milimetrų oda visiškai sugers jų srautą, apsaugodama vidaus organus. Tačiau alfa dalelės labai kenkia audiniams, su kuriais jos liečiasi. Taigi, plutonis, patekęs į organizmą, kelia rimtą pavojų. Jis labai prastai absorbuojamas virškinimo trakte, net jei ten patenka tirpioje formoje. Tačiau nurijus pusę gramo plutonio, dėl ūmaus virškinimo trakto poveikio gali mirti per kelias savaites.
Įkvėpus dešimtosios gramo plutonio dulkių, per dešimt dienų mirštama nuo plaučių edemos. Įkvėpus 20 mg dozę, per mėnesį mirštama nuo fibrozės. Mažesnės dozės sukelia kancerogeninį poveikį. Išgėrus 1 mikrogramą plutonio, tikimybė susirgti plaučių vėžiu padidėja 1%. Todėl 100 mikrogramų plutonio organizme beveik garantuoja vėžio išsivystymą (per dešimt metų, nors audinių pažeidimai gali atsirasti anksčiau).
Biologinėse sistemose plutonis paprastai yra +4 oksidacijos būsenoje ir panašus į geležį. Patekęs į kraują, jis greičiausiai susikaups audiniuose, kuriuose yra geležies: kaulų čiulpuose, kepenyse, blužnyje. Jeigu kaulų čiulpuose nusės net 1-2 mikrogramai plutonio, imunitetas labai pablogės. Plutonio pašalinimo iš kaulinio audinio laikotarpis yra 80-100 metų, t.y. jis ten liks praktiškai visą gyvenimą.
Tarptautinė radiacinės saugos komisija nustatė didžiausią metinį plutonio suvartojimą – 280 nanogramų.
Pirmą kartą plutonio izotopą 238 Pu 1941 metų vasario 23 dieną dirbtinai gavo G. Seaborgo vadovaujama amerikiečių mokslininkų grupė, apšvitinant urano branduolius deuteronais. Tik tada plutonis buvo aptiktas gamtoje: 239 Pu urano rūdose paprastai randama nežymiai, kaip radioaktyvaus urano virsmo produktas. Plutonis yra pirmasis dirbtinis elementas, gautas tokiais kiekiais, kuriuos galima sverti (1942 m.), ir pirmasis, kurio gamyba pradėta pramoniniu mastu.
Elemento pavadinimas tęsia astronominę temą: jis pavadintas Plutono, antrosios planetos po Urano, vardu.
Būnant gamtoje, gauti:
Urano rūdose, urano branduoliams gaudant neutronus (pavyzdžiui, neutronus iš kosminės spinduliuotės), susidaro neptūnas (239 Np), produktas b- kurio skilimas yra natūralus plutonis-239. Tačiau plutonis susidaro tokiais mikroskopiniais kiekiais (0,4-15 dalių Pu 10 12 dalių U), kad jo gavyba iš urano rūdų nebegalima.
Plutonis gaminamas branduoliniuose reaktoriuose. Galinguose neutronų srautuose vyksta ta pati reakcija kaip ir urano rūdose, tačiau plutonio susidarymo ir kaupimosi greitis reaktoriuje yra daug didesnis – milijardą milijardų kartų. Balastinio urano-238 konvertavimo į energetinį plutonį-239 reakcijai sudaromos optimalios (priimtinos) sąlygos.
Plutonis-244 taip pat kaupėsi branduoliniame reaktoriuje. Elemento Nr.95 izotopas - americis, 243 Am, užfiksavęs neutroną, virto americiu-244; americis-244 virto kuriu, tačiau vienu iš 10 tūkstančių atvejų įvyko perėjimas į plutonį-244. Vos kelias milijonines gramo dalis sveriantis plutonio-244 preparatas buvo išskirtas iš americio ir kurio mišinio. Tačiau jų pakako, kad būtų nustatytas šio įdomaus izotopo pusinės eliminacijos laikas – 75 milijonai metų. Vėliau jis buvo patobulintas ir pasirodė lygus 82,8 milijono metų. 1971 metais šio izotopo pėdsakų buvo rasta retųjų žemių mineraliniame bastnäsite. 244 Pu yra ilgiausias iš visų transurano elementų izotopų.
Fizinės savybės:
Sidabriškai baltas metalas, turi 6 allotropines modifikacijas. Lydymosi temperatūra 637°C, virimo temperatūra – 3235°C. Tankis: 19,82 g/cm3.
Cheminės savybės:
Plutonis gali reaguoti su deguonimi ir sudaryti oksidą (IV), kuris, kaip ir visi pirmieji septyni aktinidai, turi silpną bazinį pobūdį.
Pu + O 2 = PuO 2
Reaguoja su praskiestomis sieros, druskos, perchloro rūgštimis.
Pu + 2HCl(p) = PuCl2 + H2; Pu + 2H 2 SO 4 = Pu(SO 4) 2 + 2H 2
Nereaguoja su azoto ir koncentruotomis sieros rūgštimis. Plutonio valentingumas svyruoja nuo trijų iki septynių. Cheminiu požiūriu stabiliausi (taigi ir labiausiai paplitę bei labiausiai ištirti) junginiai yra keturiavalentis plutonis. Panašių cheminių savybių aktinidų – urano, neptūno ir plutonio – atskyrimas gali būti pagrįstas jų tetra- ir šešiavalenčių junginių savybių skirtumais.
Svarbiausios jungtys:
Plutonio (IV) oksidas, PuO 2 , turi silpną pagrindinį pobūdį.
...
...
Taikymas:
Plutonis buvo plačiai naudojamas branduolinių ginklų gamyboje (vadinamasis „ginklų klasės plutonis“). Pirmasis plutonio pagrindu pagamintas branduolinis įtaisas buvo susprogdintas 1945 metų liepos 16 dieną Alamogordo bandymų poligone (bandymas kodiniu pavadinimu Trejybė).
Jis naudojamas (eksperimentiškai) kaip branduolinis kuras branduoliniams reaktoriams civiliniais ir mokslinių tyrimų tikslais.
Plutonis-242 svarbus kaip „žaliava“ santykinai greitam aukštesniųjų transurano elementų kaupimui branduoliniuose reaktoriuose. Jei plutonis-239 apšvitinamas įprastame reaktoriuje, prireiks maždaug 20 metų, kad iš gramų plutonio būtų sukauptas mikrogramų kiekis, pavyzdžiui, Kalifornijos-251. Plutonis-242 neskyla dėl šiluminių neutronų ir net dideliais kiekiais gali būti apšvitintas intensyviais neutronų srautais. Todėl reaktoriuose visi elementai nuo kalifornio iki einšteino yra „gaminami“ iš šio izotopo ir kaupiami svoriais.
Kovalenko O.A.
HF Tiumenės valstybinis universitetas
Šaltiniai:
"Kenksmingos cheminės medžiagos: radioaktyviosios medžiagos" Rodyklė L. 1990 p. 197
Rabinovičius V.A., Khavin Z.Ya. "Trumpa chemijos žinynas" L.: Chemija, 1977 p. 90, 306-307.
I.N. Bekmanas. Plutonis. (vadovėlis, 2009)
Chemija
Plutonis Pu – elementas Nr.94 siejamas su labai didelėmis žmonijos viltimis ir labai didelėmis baimėmis. Šiais laikais tai vienas svarbiausių, strategiškai svarbiausių elementų. Tai brangiausias iš techniškai svarbių metalų – jis daug brangesnis už sidabrą, auksą ir platiną. Jis tikrai brangus.
Fonas ir istorija
Pradžioje buvo protonai – galaktinis vandenilis. Dėl jo suspaudimo ir vėlesnių branduolinių reakcijų susidarė neįtikėtiniausi nukleonų „luitai“. Tarp šių „luitų“, matyt, buvo tokių, kuriuose buvo 94 protonai. Teoretikų skaičiavimais, apie 100 nukleonų darinių, kuriuose yra 94 protonai ir nuo 107 iki 206 neutronai, yra tokie stabilūs, kad juos galima laikyti elemento Nr.94 izotopų branduoliais.
Tačiau visi šie izotopai – hipotetiniai ir tikri – nėra tokie stabilūs, kad išliktų iki šių dienų nuo Saulės sistemos elementų susidarymo. Ilgiausiai gyvuojančio elemento Nr.94 izotopo pusinės eliminacijos laikas yra 81 milijonas metų. Galaktikos amžius matuojamas milijardais metų. Vadinasi, „pirminis“ plutonis neturėjo šansų išgyventi iki šių dienų. Jei jis susidarė per didžiąją Visatos elementų sintezę, tai tie senoviniai jos atomai „išnyko“ seniai, kaip išnyko dinozaurai ir mamutai.
XX amžiuje Naujoji era, po Kr., šis elementas buvo atkurtas. Iš 100 galimų plutonio izotopų buvo susintetinti 25. Ištirtos 15 jų branduolinės savybės. Keturias rado praktinį pritaikymą. Ir jis buvo atidarytas visai neseniai. 1940 m. gruodį, kai uranas buvo apšvitintas sunkiaisiais vandenilio branduoliais, amerikiečių radiochemikų grupė, vadovaujama Glenno T. Seaborgo, atrado anksčiau nežinomą alfa dalelių skleidėją, kurio pusinės eliminacijos laikas buvo 90 metų. Paaiškėjo, kad šis skleidėjas yra elemento Nr.94 izotopas, kurio masės skaičius yra 238. Tais pačiais metais, tačiau keliais mėnesiais anksčiau, E.M. McMillanas ir F. Abelsonas gavo pirmąjį elementą, sunkesnį už uraną, elemento numerį 93. Šis elementas buvo vadinamas neptūnu, o elementas 94 – plutoniu. Istorikas tikrai pasakys, kad šie vardai kilę iš romėnų mitologijos, tačiau iš esmės šių vardų kilmė yra veikiau ne mitologinė, o astronominė.
Elementai Nr.92 ir 93 pavadinti tolimų Saulės sistemos planetų – Urano ir Neptūno – vardais, tačiau Neptūnas Saulės sistemoje nėra paskutinis, dar toliau slypi Plutono – planetos, apie kurią dar beveik nieko nežinoma, orbita. .. Panaši konstrukcija Mes taip pat matome periodinės lentelės „kairėje pusėje“: uranas - neptūnas - plutonis, tačiau apie plutonį žmonija žino daug daugiau nei apie Plutoną. Beje, astronomai Plutoną atrado likus vos dešimčiai metų iki plutonio sintezės – beveik tiek pat laiko skyrė Urano – planetos ir urano – elemento atradimai.
Mįslės kriptografams
Pirmasis elemento Nr.94 izotopas plutonis-238 šiandien buvo praktiškai panaudotas. Tačiau 40-ųjų pradžioje jie apie tai net negalvojo. Praktiškai svarbius kiekius plutonio-238 galima gauti tik pasikliaujant galinga branduoline pramone. Tuo metu tai buvo tik pradinėje stadijoje. Tačiau jau buvo aišku, kad išleidžiant energiją, esančią sunkiųjų radioaktyviųjų elementų branduoliuose, buvo galima gauti precedento neturinčios galios ginklų. Pasirodė Manheteno projektas, kuris turėjo tik pavadinimą, bendrą su garsiąja Niujorko vietove. Tai buvo bendras visų darbų, susijusių su pirmųjų atominių bombų kūrimu JAV, pavadinimas. Manheteno projekto vadovu buvo paskirtas ne mokslininkas, o kariškis generolas Grovesas, kuris savo aukšto išsilavinimo kaltinimus „sudaužytais puodais“ pavadino „sudaužytais puodais“.
„Projekto“ vadovai nesidomėjo plutoniu-238. Jo branduoliai, kaip ir visų plutonio izotopų, turinčių lygų masės skaičių, branduoliai nėra skilintys mažos energijos neutronais, todėl jis negalėtų tarnauti kaip branduolinis sprogmuo. Nepaisant to, pirmieji nelabai aiškūs pranešimai apie elementus Nr.93 ir 94 spaudoje pasirodė tik 1942 metų pavasarį.
Kaip mes galime tai paaiškinti? Fizikai suprato: plutonio izotopų su nelyginiais masės skaičiais sintezė buvo laiko klausimas, o ne per ilgai. Buvo tikimasi, kad nelyginiai izotopai, tokie kaip uranas-235, galės palaikyti branduolinę grandininę reakciją. Kai kurie žmonės juos vertino kaip potencialius branduolinius sprogmenis, kurie dar nebuvo gauti. Ir šios viltys plutonis, deja, jis tai pateisino.
To meto šifravime elementas Nr.94 buvo vadinamas tik... variu. Ir kai atsirado poreikis pačiam variui (kaip statybinės medžiagos kai kurioms dalims), tada koduose kartu su „variu“ atsirado ir „tikrasis varis“.
"Gėrio ir blogio pažinimo medis"
1941 metais buvo aptiktas svarbiausias plutonio izotopas – izotopas, kurio masės skaičius 239. Ir beveik iš karto pasitvirtino teoretikų prognozė: plutonio-239 branduoliai buvo suskaidyti terminių neutronų. Be to, jų dalijimosi metu susidarė ne mažiau neutronų nei dalijantis uranui-235. Iš karto buvo aprašyti būdai, kaip gauti šį izotopą dideliais kiekiais...
Praėjo metai. Dabar niekam ne paslaptis, kad arsenaluose saugomos branduolinės bombos pripildytos plutonio-239 ir kad šių bombų pakanka padaryti nepataisomą žalą visai gyvybei Žemėje.
Plačiai manoma, kad žmonija aiškiai paskubėjo atrasti branduolinę grandininę reakciją (kurios neišvengiama pasekmė buvo branduolinės bombos sukūrimas). Galite galvoti kitaip arba apsimesti, kad galvojate kitaip - maloniau būti optimistu. Tačiau net optimistai neišvengiamai susiduria su mokslininkų atsakomybės klausimu. Prisimename pergalingą 1954-ųjų birželio dieną, dieną, kai Obninske įsijungė pirmoji atominė elektrinė. Tačiau negalime pamiršti 1945 m. rugpjūčio ryto – „Hirošimos ryto“, „juodosios Alberto Einšteino dienos“... Prisimename pirmuosius pokario metus ir siautėjantį atominį šantažą – tais metais Amerikos politikos pagrindą. . Bet ar žmonija vėlesniais metais nepatyrė daug rūpesčių? Be to, šį nerimą daug kartų sustiprino sąmonė, kad kilus naujam pasauliniam karui bus panaudoti branduoliniai ginklai.
Čia galite pabandyti įrodyti, kad plutonio atradimas nepridėjo žmonijai baimės, o atvirkščiai – buvo tik naudingas.
Tarkime, atsitiko taip, kad dėl kažkokių priežasčių arba, kaip senais laikais sakydavo, Dievo valia, plutonis mokslininkams buvo nepasiekiamas. Ar tada mūsų baimės ir rūpesčiai sumažėtų? Nieko neatsitiko. Branduolinės bombos būtų gaminamos iš urano-235 (ir ne mažiau nei iš plutonio), o šios bombos „suvalgytų“ dar didesnę biudžeto dalį nei dabar.
Tačiau be plutonio nebūtų perspektyvų taikiam branduolinės energijos naudojimui dideliu mastu. Urano-235 tiesiog neužtektų „taikiam atomui“. Blogis, kurį žmonijai padarė atradus branduolinę energiją, net iš dalies nebūtų subalansuotas „gerojo atomo“ pasiekimais.
Kaip išmatuoti, su kuo palyginti
Kai plutonio-239 branduolys neutronais padalijamas į du maždaug vienodos masės fragmentus, išsiskiria apie 200 MeV energijos. Tai yra 50 milijonų kartų daugiau energijos, išsiskiriančios garsiausioje egzoterminėje reakcijoje C + O 2 = CO 2. „Sudeginus“ branduoliniame reaktoriuje vienas gramas plutonio duoda 2107 kcal. Kad nebūtų pažeistos tradicijos (o populiariuose straipsniuose branduolinio kuro energija dažniausiai matuojama nesisteminiais vienetais – tonomis anglies, benzino, trinitrotolueno ir kt.), taip pat atkreipiame dėmesį: tai energija, esanti 4 tonose. anglies. O įprastoje antpirštyje yra toks plutonio kiekis, kuris energetiškai prilygsta keturiasdešimčiai automobilių krovinių gerų beržinių malkų.
Ta pati energija išsiskiria neutronams dalijantis urano-235 branduoliams. Tačiau didžioji dalis natūralaus urano (99,3 proc.!) yra izotopas 238 U, kurį galima panaudoti tik uraną paverčiant plutoniu...
Akmenų energija
Įvertinkime gamtinių urano atsargų esančius energijos išteklius.
Uranas yra mikroelementas ir randamas beveik visur. Kas lankėsi, pavyzdžiui, Karelijoje, tikriausiai prisimins granitinius riedulius ir pakrantės skardžius. Tačiau nedaugelis žino, kad tonoje granito yra iki 25 g urano. Granitas sudaro beveik 20% žemės plutos masės. Jei skaičiuotume tik uraną-235, tai tonoje granito yra 3,5-105 kcal energijos. Tai daug, bet...
Apdorojant granitą ir iš jo išgaunant uraną, reikia išleisti dar didesnį energijos kiekį – apie 106-107 kcal/t. Dabar, jei būtų galima kaip energijos šaltinį naudoti ne tik uraną-235, bet ir uraną-238, tai granitą būtų galima laikyti bent jau potencialia energetine žaliava. Tuomet iš tonos akmens gaunama energija būtų nuo 8-107 iki 5-108 kcal. Tai prilygsta 16–100 tonų anglies. Ir šiuo atveju granitas galėtų suteikti žmonėms beveik milijoną kartų daugiau energijos nei visos cheminio kuro atsargos Žemėje.
Tačiau urano-238 branduoliai nesiskiria neutronais. Šis izotopas nenaudingas branduolinei energijai. Tiksliau, būtų nenaudinga, jei jo nepavyktų paversti plutoniu-239. Ir kas ypač svarbu: šiai branduolinei transformacijai energijos išleisti praktiškai nereikia – atvirkščiai, šiame procese energija gaminama!
Pabandykime išsiaiškinti, kaip tai vyksta, bet pirmiausia keli žodžiai apie natūralų plutonį.
400 tūkstančių kartų mažiau nei radžio
Jau buvo pasakyta, kad plutonio izotopai nebuvo išsaugoti nuo elementų sintezės mūsų planetos formavimosi metu. Bet tai nereiškia, kad Žemėje nėra plutonio.
Jis visą laiką susidaro urano rūdose. Užfiksuojant neutronus iš kosminės spinduliuotės ir neutronus, susidarančius savaiminio urano-238 branduolių dalijimosi metu, kai kurie – labai nedaug – šio izotopo atomų virsta urano-239 atomais. Šie branduoliai yra labai nestabilūs, jie skleidžia elektronus ir taip padidina jų krūvį. Susidaro neptūnas, pirmasis transurano elementas. Neptūnas-239 taip pat yra labai nestabilus, o jo branduoliai išskiria elektronus. Vos per 56 valandas pusė neptūno-239 virsta plutoniu-239, kurio pusinės eliminacijos laikas jau gana ilgas – 24 tūkst.
Kodėl plutonis nėra išgaunamas iš urano rūdų?? Maža, per maža koncentracija. „Gamyba grame – darbas per metus“ – tai maždaug radis, o plutonis rūdose yra 400 tūkstančių kartų mažesnis nei radžio. Todėl labai sunku ne tik išgauti, bet net ir aptikti „sausumos“ plutonį. Tai buvo padaryta tik po to, kai buvo ištirtos branduoliniuose reaktoriuose gaminamo plutonio fizinės ir cheminės savybės.
Plutonis kaupiamas branduoliniuose reaktoriuose. Galinguose neutronų srautuose vyksta ta pati reakcija kaip ir urano rūdose, tačiau plutonio susidarymo ir kaupimosi greitis reaktoriuje yra daug didesnis – milijardą milijardų kartų. Balastinio urano-238 konvertavimo į energetinį plutonį-239 reakcijai sudaromos optimalios (priimtinos) sąlygos.
Jei reaktorius veikia šiluminiais neutronais (prisiminkime, kad jų greitis yra apie 2000 m per sekundę, o jų energija yra elektronvolto dalis), tai iš natūralaus urano izotopų mišinio gaunamas plutonio kiekis, kuris yra šiek tiek mažesnis nei „sudegusio“ urano-235 kiekis. Šiek tiek, bet mažiau, plius neišvengiami plutonio nuostoliai cheminiu būdu atskiriant jį nuo apšvitinto urano. Be to, branduolinė grandininė reakcija natūraliame urano izotopų mišinyje palaikoma tik tol, kol sunaudojama nedidelė urano-235 dalis. Taigi logiška išvada: „terminis“ reaktorius, kuriame naudojamas natūralus uranas – pagrindinė šiuo metu veikiančių reaktorių rūšis – negali užtikrinti išplėstinio branduolinio kuro atgaminimo. Bet kas tada yra perspektyvus? Norėdami atsakyti į šį klausimą, palyginkime branduolinės grandininės reakcijos eigą urane-235 ir plutonyje-239 ir į mūsų diskusijas įtrauksime kitą fizikinę koncepciją.
Svarbiausia bet kurio branduolinio kuro charakteristika yra vidutinis neutronų, išmetamų po to, kai branduolys užfiksavo vieną neutroną, skaičius. Fizikai jį vadina eta skaičiumi ir žymi graikiška raide q. „Šiluminiuose“ urano reaktoriuose stebimas toks modelis: kiekvienas neutronas generuoja vidutiniškai 2,08 neutrono (η = 2,08). Plutonis, patalpintas į tokį reaktorių, veikiamas šiluminių neutronų, duoda η = 2,03. Tačiau yra ir reaktorių, kurie veikia greitais neutronais. Nenaudinga į tokį reaktorių krauti natūralų urano izotopų mišinį: grandininė reakcija neįvyks. Bet jei „žaliava“ yra praturtinta uranu-235, ją galima sukurti „greitame“ reaktoriuje. Šiuo atveju c jau bus lygus 2,23. O plutonis, veikiamas greitos neutronų ugnies, duos η lygų 2,70. Turėsime „papildomą pusę neutrono“. Ir tai visai nėra mažai.
Pažiūrėkime, kam išleidžiami susidarę neutronai. Bet kuriame reaktoriuje branduolinei grandininei reakcijai palaikyti reikia vieno neutrono. Įrenginio statybinės medžiagos sugeria 0,1 neutrono. „Perteklius“ naudojamas plutoniui-239 kaupti. Vienu atveju „perteklius“ yra 1,13, kitu – 1,60. „Sudeginus“ kilogramą plutonio „greitame“ reaktoriuje išsiskiria kolosali energija ir susikaupia 1,6 kg plutonio. O uranas „greitame“ reaktoriuje suteiks tiek pat energijos ir 1,1 kg naujo branduolinio kuro. Abiem atvejais pastebimas išplėstas dauginimasis. Tačiau mes neturime pamiršti apie ekonomiką.
Dėl daugelio techninių priežasčių plutonio dauginimosi ciklas trunka keletą metų. Tarkime, penkeri metai. Tai reiškia, kad plutonio kiekis per metus padidės tik 2%, jei η=2,23, ir 12%, jei η=2,7! Branduolinis kuras yra kapitalas, ir bet koks kapitalas turėtų duoti, tarkime, 5% per metus. Pirmuoju atveju patiriami dideli nuostoliai, o antruoju – didelis pelnas. Šis primityvus pavyzdys iliustruoja kiekvieno dešimtosios skaičiaus „svorį“ branduolinėje energetikoje.
Svarbu ir dar kai kas. Branduolinė energija turi neatsilikti nuo augančio energijos poreikio. Skaičiavimai rodo, kad jo sąlyga ateityje bus įvykdyta tik tada, kai η artėja prie trijų. Jei branduolinės energijos šaltinių plėtra atsiliks nuo visuomenės energijos poreikių, tada liks dvi galimybės: arba „sulėtinti pažangą“, arba paimti energiją iš kitų šaltinių. Jie žinomi: termobranduolinė sintezė, materijos ir antimaterijos anihiliacijos energija, tačiau dar nėra techniškai prieinamos. Ir nežinia, kada jie taps tikrais žmonijos energijos šaltiniais. O sunkiųjų branduolių energija mums jau seniai tapo realybe, ir šiandien plutonis, kaip pagrindinis atominės energijos „tiekėjas“, neturi rimtų konkurentų, išskyrus galbūt uraną-233.
Daugelio technologijų suma
Kai dėl branduolinių reakcijų urane susikaupia reikiamas kiekis plutonio, jis turi būti atskirtas ne tik nuo paties urano, bet ir nuo skilimo fragmentų – tiek urano, tiek plutonio, sudegusių vykstant branduolinei grandininei reakcijai. Be to, urano-plutonio masėje taip pat yra tam tikras neptūno kiekis. Sunkiausia atskirti plutonį nuo neptūno ir retųjų žemių elementus (lantanidus). Plutoniui, kaip cheminiam elementui, tam tikru mastu nepasisekė. Chemiko požiūriu, pagrindinis branduolinės energijos elementas yra tik vienas iš keturiolikos aktinidų. Kaip ir retųjų žemių elementai, visi aktinio serijos elementai yra labai panašūs vienas į kitą cheminėmis savybėmis, visų elementų nuo aktinio iki 103 atomų išorinių elektronų apvalkalų struktūra yra tokia pati. Dar nemalonu yra tai, kad aktinidų cheminės savybės yra panašios į retųjų žemių elementų savybes, o tarp urano ir plutonio dalijimosi fragmentų yra daugiau nei pakankamai lantanidų. Bet tada elementas 94 gali būti penkių valentinių būsenų, ir tai „pasaldina piliulę“ - padeda atskirti plutonį ir nuo urano, ir nuo dalijimosi fragmentų.
Plutonio valentingumas svyruoja nuo trijų iki septynių. Cheminiu požiūriu stabiliausi (taigi ir labiausiai paplitę bei labiausiai ištirti) junginiai yra keturiavalentis plutonis.
Panašių cheminių savybių aktinidų – urano, neptūno ir plutonio – atskyrimas gali būti pagrįstas jų tetra- ir šešiavalenčių junginių savybių skirtumais.
Nereikia detaliai aprašyti visų plutonio ir urano cheminio atskyrimo etapų. Paprastai jų atskyrimas prasideda urano strypų ištirpinimu azoto rūgštyje, po to tirpale esantis uranas, neptulis, plutonis ir fragmentacijos elementai „atskiriami“, tam naudojant tradicinius radiocheminius metodus - nusodinimą, ekstrakciją, jonų mainus ir kt. . Galutiniai plutonio turintys šios daugiapakopės technologijos produktai yra jo dioksidas PuO 2 arba fluoridai – PuF 3 arba PuF 4. Jie redukuojami į metalą bario, kalcio ar ličio garais. Tačiau šiuose procesuose gautas plutonis netinka konstrukcinės medžiagos vaidmeniui – iš jo negalima pagaminti branduolinių reaktorių kuro elementų, negalima išlieti atominės bombos užtaiso. Kodėl? Plutonio lydymosi temperatūra – tik 640°C – yra gana pasiekiama.
Kad ir kokiomis „ypač švelniomis“ sąlygomis būtų liejamos dalys iš gryno plutonio, kietėjimo metu liejiniuose visada atsiras įtrūkimų. 640°C temperatūroje kietėjantis plutonis sudaro kubinę kristalinę gardelę. Temperatūrai mažėjant, metalo tankis palaipsniui didėja. Tačiau tada temperatūra pasiekė 480°C, o tada staiga plutonio tankis smarkiai sumažėja. Šios anomalijos priežastys buvo atrastos gana greitai: tokioje temperatūroje plutonio atomai persitvarko kristalinėje gardelėje. Jis tampa tetragoniškas ir labai „laisvas“. Toks plutonis gali plūduriuoti savo tirpale, kaip ledas ant vandens.
Temperatūra ir toliau krenta, dabar ji pasiekė 451 ° C, o atomai vėl sudarė kubinę gardelę, tačiau išsidėstę didesniu atstumu vienas nuo kito nei pirmuoju atveju. Toliau aušinant, grotelės pirmiausia tampa ortorombinės, paskui monoklininės. Iš viso plutonis sudaro šešias skirtingas kristalines formas! Du iš jų išsiskiria nepaprasta savybe – neigiamu šiluminio plėtimosi koeficientu: kylant temperatūrai metalas nesiplečia, o susitraukia.
Temperatūrai pasiekus 122°C ir plutonio atomams šeštą kartą pertvarkius eiles, tankis pasikeičia ypač dramatiškai – nuo 17,77 iki 19,82 g/cm 3 . Daugiau nei 10%!
Atitinkamai mažėja luito tūris. Jei metalas vis dar galėtų atsispirti įtempiams, kurie atsirado kitų perėjimų metu, tai šiuo metu sunaikinimas yra neišvengiamas.
Kaip tada pagaminti dalis iš šio nuostabaus metalo? Metalurgai legiruoja plutonį (į jį prideda nedidelius kiekius reikiamų elementų) ir išgauna liejinius be nė vieno įtrūkimo. Jie naudojami plutonio užtaisams gaminti branduolinėms bomboms. Krūvio svoris (jis pirmiausia nustatomas pagal kritinę izotopo masę) yra 5-6 kg. Jis gali lengvai tilpti į kubą, kurio krašto dydis yra 10 cm.
Sunkieji plutonio izotopai
Plutonio-239 nedideliais kiekiais yra ir didesnių šio elemento izotopų – kurių masės skaičiai 240 ir 241. Izotopas 240 Pu praktiškai nenaudingas – jis yra plutonio balastas. Iš 241 gaunamas americis - elementas Nr.95. Grynas, neprimaišant kitų izotopų, plutonį-240 ir plutonį-241 galima gauti elektromagnetiniu būdu atskiriant reaktoriuje susikaupusį plutonį. Prieš tai plutonis papildomai apšvitinamas neutronų srautais, turinčiais griežtai apibrėžtas charakteristikas. Žinoma, visa tai labai sudėtinga, juolab kad plutonis yra ne tik radioaktyvus, bet ir labai toksiškas. Darbas su juo reikalauja ypatingo atsargumo.
Vieną įdomiausių plutonio izotopų – 242 Pu – galima gauti ilgai apšvitinant 239 Pu neutronų srautais. 242 Pu labai retai fiksuoja neutronus, todėl reaktoriuje „perdega“ lėčiau nei kiti izotopai; jis išlieka net po to, kai likę plutonio izotopai beveik visiškai pavirto fragmentais arba pavirto į plutoniu-242.
Plutonis-242 svarbus kaip „žaliava“ santykinai greitam aukštesniųjų transurano elementų kaupimui branduoliniuose reaktoriuose. Jei plutonis-239 apšvitinamas įprastame reaktoriuje, prireiks maždaug 20 metų, kad iš plutonio gramų būtų sukauptas mikrogramų kiekis, pavyzdžiui, Kalifornijos-252.
Didinant neutronų srauto intensyvumą reaktoriuje, galima sumažinti aukštesnių izotopų kaupimosi laiką. Tai jie daro, bet tada jūs negalite apšvitinti daug plutonio-239. Juk šis izotopas dalijasi neutronais, o intensyviuose srautuose išsiskiria per daug energijos. Papildomų sunkumų kyla dėl reaktoriaus aušinimo. Norint išvengti šių sunkumų, reikėtų sumažinti apšvitinto plutonio kiekį. Todėl kalifornijos derlius vėl taptų menkas. Užburtas ratas!
Plutonis-242 neskyla šiluminiais neutronais, gali būti apšvitintas dideliais kiekiais intensyviais neutronų srautais... Todėl reaktoriuose iš šio izotopo „gaminami“ visi elementai nuo americio iki fermio ir kaupiami svoriais.
Kiekvieną kartą, kai mokslininkams pavyko gauti naują plutonio izotopą, buvo matuojamas jo branduolių pusinės eliminacijos laikas. Sunkiųjų radioaktyviųjų branduolių, kurių masės skaičius yra lygus, izotopų pusinės eliminacijos laikas nuolat keičiasi. (To negalima pasakyti apie nelyginius izotopus.)
Didėjant masei, ilgėja ir izotopo „gyvenimo laikas“. Prieš keletą metų aukščiausias šio grafiko taškas buvo plutonis-242. Ir kaip tada bus ši kreivė – toliau didėjant masės skaičiui? Į tašką 1, kuris atitinka 30 milijonų metų, arba į 2 tašką, kuris atitinka 300 milijonų metų? Atsakymas į šį klausimą buvo labai svarbus geomokslams. Pirmuoju atveju, jei prieš 5 milijardus metų Žemę sudarė tik 244 Pu, dabar visoje Žemės masėje liktų tik vienas plutonio-244 atomas. Jei antroji prielaida yra teisinga, plutonio-244 gali būti Žemėje tokios koncentracijos, kurią jau būtų galima aptikti. Jei pasisektų Žemėje rasti šį izotopą, mokslas gautų vertingiausios informacijos apie procesus, vykusius formuojantis mūsų planetai.
Kai kurių plutonio izotopų pusinės eliminacijos laikas
Prieš kelerius metus mokslininkai susidūrė su klausimu: ar verta bandyti Žemėje rasti sunkaus plutonio? Norint atsakyti į jį, pirmiausia reikėjo nustatyti plutonio-244 pusėjimo trukmę. Teoretikai negalėjo apskaičiuoti šios vertės reikiamu tikslumu. Visa viltis buvo tik eksperimentui.
Branduoliniame reaktoriuje sukauptas plutonis-244. Elementas Nr.95 – americis (izotopas 243 Am) buvo apšvitintas. Užfiksavęs neutroną, šis izotopas virto americiu-244; americis-244 vienu iš 10 tūkstančių atvejų virto plutoniu-244.
Plutonio-244 preparatas buvo išskirtas iš americio ir kurio mišinio. Mėginys svėrė tik kelias milijonines gramo dalis. Tačiau jų pakako, kad būtų nustatytas šio įdomaus izotopo pusinės eliminacijos laikas. Paaiškėjo, kad tai lygu 75 milijonams metų. Vėliau kiti tyrinėtojai išaiškino plutonio-244 pusėjimo trukmę, bet nedaug – 81 milijoną metų. 1971 metais šio izotopo pėdsakų buvo rasta retųjų žemių mineraliniame bastnäsite.
Mokslininkai daug bandė rasti transurano elemento izotopą, kuris gyvena ilgiau nei 244 Pu. Tačiau visi bandymai liko veltui. Vienu metu viltys buvo dedamos į curium-247, tačiau reaktoriuje susikaupus šiam izotopui paaiškėjo, kad jo pusinės eliminacijos laikas yra tik 16 milijonų metų. Sumušti plutonio-244 rekordo nepavyko – tai ilgiausiai iš visų transurano elementų izotopų.
Net sunkesni plutonio izotopai patiria beta skilimą, o jų gyvavimo trukmė svyruoja nuo kelių dienų iki kelių dešimtųjų sekundės dalių. Tikrai žinome, kad termobranduoliniai sprogimai sukuria visus plutonio izotopus, iki 257 Pu. Tačiau jų gyvavimo trukmė yra dešimtosios sekundės, o daugelis trumpalaikių plutonio izotopų dar nebuvo ištirti.
Pirmojo plutonio izotopo galimybės
Ir galiausiai – apie plutonį-238 – patį pirmąjį iš „žmogaus sukurtų“ plutonio izotopų – izotopą, kuris iš pradžių atrodė neperspektyvus. Iš tikrųjų tai labai įdomus izotopas. Jis yra veikiamas alfa skilimo, tai yra, jo branduoliai spontaniškai išskiria alfa daleles - helio branduolius. Plutonio-238 branduolių generuojamos alfa dalelės turi didelę energiją; išsklaidyta materijoje, ši energija virsta šiluma. Kokio dydžio ši energija? Skilus vienam plutonio-238 atominiam branduoliui, išsiskiria šeši milijonai elektronų voltų. Cheminėje reakcijoje ta pati energija išsiskiria, kai oksiduojasi keli milijonai atomų. Elektros šaltinis, kuriame yra vienas kilogramas plutonio-238, sukuria 560 vatų šiluminę galią. Didžiausia tos pačios masės cheminio srovės šaltinio galia yra 5 vatai.
Yra daug panašių energetinių charakteristikų spinduliuotę, tačiau dėl vienos plutonio-238 savybės šis izotopas yra nepakeičiamas. Alfa irimą dažniausiai lydi stipri gama spinduliuotė, prasiskverbianti per didelius medžiagos sluoksnius. 238 Pu yra išimtis. Jos branduolių irimą lydinčių gama spindulių energija yra maža, nuo jos apsisaugoti nesunku: spinduliuotę sugeria plonasienis indas. Savaiminio šio izotopo branduolių dalijimosi tikimybė taip pat maža. Todėl jis rado pritaikymą ne tik dabartiniuose šaltiniuose, bet ir medicinoje. Baterijos, kuriose yra plutonio-238, yra energijos šaltinis specialiuose širdies stimuliatoriuose.
Tačiau 238 Pu nėra lengviausias žinomas elemento Nr. 94 izotopas. Gauti plutonio izotopai, kurių masės svyruoja nuo 232 iki 237. Lengviausio izotopo pusinės eliminacijos laikas yra 36 minutės.
Plutonis yra didelė tema. Čia pasakojama apie svarbiausius dalykus. Juk jau tapo standartine fraze, kad plutonio chemija ištirta daug geriau nei tokių „senų“ elementų kaip geležies chemija. Apie plutonio branduolines savybes parašyta ištisos knygos. Plutonio metalurgija – dar viena nuostabi žmogaus žinių dalis... Todėl nereikėtų manyti, kad perskaitę šią istoriją tikrai sužinojote plutonio – svarbiausio XX amžiaus metalo.
- KAIP VEŽTI PLUTONIĄ. Radioaktyviam ir toksiškam plutoniui transportuojant reikia ypatingos priežiūros. Specialiai jo transportavimui buvo sukurtas konteineris – konteineris, kuris nesunaikinamas net lėktuvo avarijose. Jis pagamintas gana paprastai: tai storasienis nerūdijančio plieno indas, apsuptas raudonmedžio apvalkalo. Akivaizdu, kad plutonis to vertas, tačiau įsivaizduokite, kokio storio turi būti sienos, jei žinote, kad konteineris, skirtas gabenti tik du kilogramus plutonio, sveria 225 kg!
- NUODAI IR PRIEŠNUOTAS. 1977 m. spalio 20 d. Agence France-Presse pranešė, kad buvo rastas cheminis junginys, galintis pašalinti plutonį iš žmogaus kūno. Po kelerių metų apie šį junginį sužinojo gana daug. Šis sudėtingas junginys yra linijinis karboksilazės katechinamidas, chelatų klasės medžiaga (iš graikų kalbos „chela“ - letena). Laisvas arba surištas plutonio atomas yra užfiksuotas šioje cheminėje letenoje. Laboratorinėse pelėse ši medžiaga buvo naudojama iki 70% absorbuoto plutonio pašalinimui iš organizmo. Manoma, kad ateityje šis junginys padės išgauti plutonį tiek iš gamybos atliekų, tiek iš branduolinio kuro.
Plutonį, elementą numeris 94, atrado Glennas Seaborgas, Edwinas McMillanas, Kennedy ir Arthuras Wahlas 1940 m. Berklyje, bombarduodami urano taikinį deuteronais iš šešiasdešimties colių ciklotrono. 1940 m. gegužę plutonio savybes numatė Lewisas Turneris.
1940 m. gruodį buvo aptiktas plutonio izotopas Pu-238, kurio pusinės eliminacijos laikas yra ~90 metų, o po metų – svarbesnis Pu-239, kurio pusinės eliminacijos laikas ~24 000 metų.
Pu-239 yra natūraliame urane pėdsakų pavidalu (jo kiekis yra viena dalis iš 1015, kai U-238 branduolys užfiksuoja neutroną). Cerio rūdoje buvo rasta itin maži Pu-244 (ilgiausiai gyvuojančio plutonio izotopas, kurio pusinės eliminacijos laikas – 80 milijonų metų) kiekiai, matyt, likę susiformavus Žemei.
Iš viso yra žinoma 15 plutonio izotopų, kurie visi yra radioaktyvūs. Svarbiausi branduolinių ginklų projektavimui:
Pu238 -> (86 metai, alfa skilimas) -> U234
Pu239 -> (24 360 metų, alfa skilimas) -> U235
Pu240 -> (6580 metų, alfa skilimas) -> U236
Pu241 -> (14,0 metų, beta skilimas) -> Am241
Pu242 -> (370 000 metų, alfa skilimas) -> U238 Fizinės plutonio savybės
Plutonis yra labai sunkus sidabrinis metalas, šviežiai rafinuotas blizgantis kaip nikelis. Tai itin elektronegatyvus, chemiškai reaktyvus elementas, daug labiau nei uranas. Greitai išblunka ir susidaro vaivorykštė plėvelė (kaip vaivorykštė aliejinė plėvelė), iš pradžių šviesiai geltona, o galiausiai pasidaro tamsiai violetinė. Jei oksidacija yra gana stipri, ant jo paviršiaus atsiranda alyvuogių žalios spalvos oksido milteliai (PuO2).
Plutonis lengvai oksiduojasi ir greitai korozuoja net ir esant nedidelei drėgmei. Keista, bet inertinių dujų atmosferoje su vandens garais jis rūdija daug greičiau nei sausame ore ar gryname deguonyje. Taip yra dėl to, kad dėl tiesioginio deguonies poveikio plutonio paviršiuje susidaro oksido sluoksnis, kuris neleidžia toliau oksiduotis. Veikiant drėgmei susidaro birus oksido ir hidrido mišinys. Norint išvengti oksidacijos ir korozijos, reikalinga džiovinimo krosnelė.
Plutonis turi keturias valencijas, III-VI. Jis gerai tirpsta tik labai rūgštinėje terpėje, pavyzdžiui, azoto arba druskos rūgštyse, taip pat gerai tirpsta vandenilio jodo ir perchloro rūgštyse. Plutonio druskos lengvai hidrolizuojasi susilietus su neutraliais arba šarminiais tirpalais ir susidaro netirpus plutonio hidroksidas. Koncentruoti plutonio tirpalai yra nestabilūs dėl radiolitinio skilimo, dėl kurio susidaro krituliai.
Dėl savo radioaktyvumo plutonis yra šiltas liesti. Didelis plutonio gabalas termiškai izoliuotame apvalkale įkaitinamas iki temperatūros, viršijančios vandens virimo temperatūrą.
Pagrindinės fizinės plutonio savybės:
Lydymosi temperatūra: 641 °C;
Virimo temperatūra: 3232 °C;
Tankis: 19,84 (alfa fazėje).
Plutonis turi daug specifinių savybių. Jis turi mažiausią šilumos laidumą iš visų metalų, mažiausią elektros laidumą, išskyrus manganą (kitų šaltinių duomenimis, jis vis dar yra mažiausias iš visų metalų). Skystoje fazėje jis yra klampiausias metalas.
Keičiantis temperatūrai, plutonis patiria didžiausius ir nenatūraliausius tankio pokyčius. Plutonis turi šešias skirtingas kietos formos fazes (kristalų struktūras), daugiau nei bet kuris kitas elementas (iš tikrųjų, griežtesniais terminais, jų yra septynios). Kai kuriuos perėjimus tarp fazių lydi dramatiški tūrio pokyčiai. Dviejose iš šių fazių – delta ir delta pirminis – plutonis turi unikalią savybę trauktis kylant temperatūrai, o kitose – itin aukštą temperatūros plėtimosi koeficientą. Ištirpęs plutonis susitraukia, todėl neištirpęs plutonis gali plūduriuoti. Tankiausia forma, alfa fazė, plutonis yra šeštas tankiausias elementas (sunkesni yra tik osmis, iridis, platina, renis ir neptūnas). Alfa fazėje grynas plutonis yra trapus, tačiau yra lanksčių lydinių.
Plutonio aprašymas
Plutonis(Plutonis) – sidabrinis sunkusis cheminis elementas, radioaktyvus metalas, kurio atominis skaičius 94, periodinėje lentelėje pavaizduotas simboliu Pu.
Šis elektronegatyvus aktyvus cheminis elementas priklauso aktinidų grupei, kurios atominė masė yra 244,0642, ir, kaip ir neptūnas, kuris gavo savo pavadinimą to paties pavadinimo planetos garbei, ši cheminė medžiaga yra skolinga savo pavadinimą Plutono planetai, nes pirmtakai radioaktyvaus elemento Mendelejevo periodinėje cheminių elementų lentelėje yra ir neptulis, kurie taip pat buvo pavadinti tolimų kosminių mūsų galaktikos planetų vardais.
Plutonio kilmė
Elementas plutonis pirmą kartą 1940 metais Kalifornijos universitete atrado radiologų ir mokslo tyrinėtojų G. Seaborgas, E. McMillanas, Kennedy, A. Walchas grupė, kai urano taikinį iš ciklotrono bombardavo deuteronais – sunkiaisiais vandenilio branduoliais.
Tų pačių metų gruodį mokslininkai atrado plutonio izotopas– Pu-238, kurio pusinės eliminacijos laikas yra daugiau nei 90 metų, ir buvo nustatyta, kad sudėtingų branduolinių cheminių reakcijų įtakoje iš pradžių susidaro neptūno-238 izotopas, po kurio jau susidaro izotopas. plutonis-238.
1941 m. pradžioje mokslininkai atrado plutonis 239 kurių skilimo laikotarpis yra 25 000 metų. Plutonio izotopai gali turėti skirtingą neutronų kiekį branduolyje.
Grynas elemento junginys buvo gautas tik 1942 m. pabaigoje. Kiekvieną kartą, kai radiologai atrado naują izotopą, jie visada matavo izotopų pusėjimo trukmę.
Šiuo metu plutonio izotopai, kurių iš viso yra 15, skiriasi laiko trukme pusinės eliminacijos laikas. Būtent su šiuo elementu siejamos didelės viltys ir perspektyvos, bet kartu ir rimtos žmonijos baimės.
Plutonis pasižymi žymiai didesniu aktyvumu nei, pavyzdžiui, uranas ir yra viena brangiausių techniškai svarbių ir reikšmingiausių cheminio pobūdžio medžiagų.
Pavyzdžiui, plutonio gramo kaina yra kelis kartus didesnė nei vieno gramo ar kitų ne mažiau vertingų metalų.
Plutonio gamyba ir gavyba laikoma brangia, o vieno gramo metalo kaina mūsų laikais užtikrintai išlieka apie 4000 JAV dolerių.
Kaip gaunamas plutonis? Plutonio gamyba
Cheminis elementas gaminamas branduoliniuose reaktoriuose, kuriuose uranas suskaidomas dėl sudėtingų cheminių ir technologinių tarpusavyje susijusių procesų.
Uranas ir plutonis yra pagrindiniai, pagrindiniai komponentai atominio (branduolinio) kuro gamyboje.
Jei reikia gauti didelį kiekį radioaktyvaus elemento, taikomas transuraninių elementų, kuriuos galima gauti iš panaudoto branduolinio kuro ir apšvitinant uraną, apšvitinimo būdas. Sudėtingos cheminės reakcijos leidžia atskirti metalą nuo urano.
Norint gauti izotopų, būtent plutonio-238 ir ginklų klasės plutonio-239, kurie yra tarpiniai skilimo produktai, neptūnas-237 apšvitinamas neutronais.
Maža dalis plutonio-244, kuris yra ilgiausiai gyvuojantis izotopas dėl savo ilgo pusėjimo, buvo aptikta cerio rūdoje, kuri greičiausiai buvo išsaugota susiformavus mūsų planetai Žemei. Gamtoje šio radioaktyvaus elemento nėra.
Pagrindinės fizinės plutonio savybės ir savybės
Plutonis yra gana sunkus radioaktyvus cheminis elementas, turintis sidabrinę spalvą, kuris šviečia tik išvalytas. Branduolinės metalo plutonio masės lygus 244 a. e.m.
Dėl didelio radioaktyvumo šis elementas yra šiltas liesti ir gali įkaisti iki temperatūros, kuri viršija vandens virimo temperatūrą.
Plutonis, veikiamas deguonies atomų, greitai tamsėja ir yra padengtas plona, iš pradžių šviesiai geltonos, o vėliau sodrios arba rudos spalvos plėvele.
Esant stipriai oksidacijai, elemento paviršiuje susidaro PuO2 milteliai. Šio tipo cheminis metalas yra veikiamas stiprių oksidacijos procesų ir korozijos net esant žemam drėgmės lygiui.
Norint išvengti metalo paviršiaus korozijos ir oksidacijos, būtina įrengti džiovinimo įrangą. Plutonio nuotrauka galima peržiūrėti žemiau.
Plutonis yra keturiavalentis cheminis metalas, jis gerai ir greitai tirpsta vandenilio jodinėse medžiagose ir rūgštinėje aplinkoje, pavyzdžiui, chloro rūgštyje.
Metalų druskos greitai neutralizuojamos neutralioje terpėje ir šarminiuose tirpaluose, todėl susidaro netirpus plutonio hidroksidas.
Temperatūra, kurioje plutonis lydosi, yra 641 laipsnis Celsijaus, virimo temperatūra yra 3230 laipsnių.
Esant aukštai temperatūrai, atsiranda nenatūralūs metalo tankio pokyčiai. Savo forma plutonis turi įvairių fazių ir šešių kristalų struktūras.
Perėjimo tarp fazių metu vyksta reikšmingi elemento tūrio pokyčiai. Elementas įgauna tankiausią formą šeštojoje alfa fazėje (paskutinėje perėjimo stadijoje), o vieninteliai dalykai, sunkesni už metalą šioje būsenoje, yra neptūnas ir radis.
Ištirpęs elementas stipriai suspaudžiamas, todėl metalas gali plūduriuoti vandens ir kitų neagresyvių skystų terpių paviršiuje.
Nepaisant to, kad šis radioaktyvusis elementas priklauso cheminių metalų grupei, elementas yra gana lakus, o kai per trumpą laiką būna uždaroje erdvėje, jo koncentracija ore padidėja kelis kartus.
Pagrindinės metalo fizinės savybės yra: žemas laipsnis, visų esamų ir žinomų cheminių elementų šilumos laidumo lygis, mažas elektros laidumo lygis skystoje būsenoje, plutonis yra vienas klampiausių metalų.
Verta paminėti, kad bet kokie plutonio junginiai yra toksiški, nuodingi ir kelia rimtą pavojų žmogaus organizmui radiacija, kuri atsiranda dėl aktyvios alfa spinduliuotės, todėl visi darbai turi būti atliekami itin atsargiai ir tik su specialiais kostiumais su chemine apsauga. .
Daugiau apie unikalaus metalo savybes ir atsiradimo teorijas galite pasiskaityti knygoje Obručevas "Plutonija"“ Autorius V.A. Obručevas kviečia skaitytojus pasinerti į nuostabų ir nepakartojamą fantastinės šalies Plutonijos, esančios giliai žemės gelmėse, pasaulį.
Plutonio panaudojimas
Pramoninis cheminis elementas paprastai skirstomas į ginklų ir reaktorių ("energijos") plutonį.
Taigi branduolinių ginklų gamybai iš visų esamų izotopų leidžiama naudoti tik plutonio 239, kuriame neturėtų būti daugiau kaip 4,5% plutonio 240, nes jis savaime dalijasi, o tai labai apsunkina karinių sviedinių gamybą. .
Plutonis-238 naudojamas mažo dydžio radioizotopiniams elektros energijos šaltiniams eksploatuoti, pavyzdžiui, kaip energijos šaltinis kosmoso technologijoms.
Prieš kelis dešimtmečius plutonis buvo naudojamas medicinoje širdies stimuliatoriuose (širdies ritmo palaikymo prietaisuose).
Pirmoji pasaulyje sukurta atominė bomba turėjo plutonio užtaisą. Branduolinis plutonis(Pu 239) yra paklausus kaip branduolinis kuras, užtikrinantis elektrinių reaktorių funkcionavimą. Šis izotopas taip pat naudojamas kaip šaltinis transplutonio elementams gaminti reaktoriuose.
Jei branduolinį plutonį lygintume su grynu metalu, tai izotopas turi aukštesnius metalo parametrus ir neturi pereinamųjų fazių, todėl plačiai naudojamas kuro elementų gavimo procese.
Plutonio 242 izotopo oksidai taip pat yra paklausūs kaip energijos šaltinis kosminiams mirtiniems blokams, įrangai ir kuro strypams.
Ginklų klasės plutonis yra elementas, kuris pateikiamas kompaktiško metalo pavidalu, kuriame yra ne mažiau kaip 93% Pu239 izotopo.
Šio tipo radioaktyvusis metalas naudojamas įvairių rūšių branduolinių ginklų gamyboje.
Ginklams tinkamas plutonis gaminamas specializuotuose pramoniniuose branduoliniuose reaktoriuose, kuriuose, gaudant neutronus, naudojamas natūralus arba mažai prisodrintas uranas.