A plutónium (latinul Plutonium, Pu szimbólum) egy radioaktív kémiai elem, amelynek rendszáma 94 és atomtömege 244,064. A plutónium Dmitrij Ivanovics Mengyelejev periódusos rendszerének III. csoportjának eleme, és az aktinidák családjába tartozik. A plutónium nehéz (normál körülmények között sűrűsége 19,84 g/cm³) rideg radioaktív fém, ezüstös-fehér színű.
A plutóniumnak nincsenek stabil izotópjai. A plutónium száz lehetséges izotópja közül huszonötöt szintetizáltak. Közülük tizenöt nukleáris tulajdonságait vizsgálták (232-246 tömegszámok). Négyen találtak gyakorlati alkalmazást. A leghosszabb életű izotópok a 244Pu (felezési idő 8,26-107 év), a 242Pu (felezési idő 3,76-105 év), a 239Pu (felezési idő 2,41-104 év), a 238Pu (felezési idő 87,74 év) - . emitterek és 241Pu (felezési idő 14 év) - β-emitter. A természetben a plutónium elhanyagolható mennyiségben fordul elő az uránércekben (239Pu); uránból neutronok hatására képződik, melynek forrásai az α-részecskék és az ércekben lévő könnyű elemekkel való kölcsönhatás során fellépő reakciók, az uránmagok spontán hasadása és a kozmikus sugárzás.
A kilencvennegyedik elemet amerikai tudósok egy csoportja – Glenn Seaborg, Kennedy, Edwin McMillan és Arthur Wahl fedezte fel 1940-ben Berkeley-ben (a Kaliforniai Egyetemen), amikor urán-oxid (U3O8) célpontot bombáztak erősen felgyorsult deutériummagokkal. (deuteronok) egy hatvan hüvelykes ciklotronból. 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.
Edwin MacMillan 1948-ban javasolta, hogy a kémiai elemet plutóniumnak nevezzék el az új Plútó bolygó felfedezésének tiszteletére, és a neptunium analógiájára, amelyet a Neptunusz felfedezéséről neveztek el.
A fémes plutóniumot (239Pu izotóp) nukleáris fegyverekben használják, és nukleáris üzemanyagként szolgál termikus és különösen gyors neutronokon működő reaktorokban. A 239Pu fém kritikus tömege 5,6 kg. Többek között a 239Pu izotóp a kiindulási anyag a transzplutónium elemek atomreaktorokban történő előállításához. A 238Pu izotópot az űrkutatásban használt kis méretű nukleáris energiaforrásokban, valamint emberi szívstimulánsokban használják.
A plutónium-242 „nyersanyagként” fontos a magasabb transzurán elemek viszonylag gyors felhalmozódásához az atomreaktorokban. A δ-stabilizált plutóniumötvözeteket üzemanyagcellák gyártása során használják, mivel jobb kohászati tulajdonságokkal rendelkeznek, mint a tiszta plutónium, amely hevítéskor fázisátalakulásokon megy keresztül. A plutónium-oxidokat az űrtechnológia energiaforrásaként használják, és üzemanyagrudakban is alkalmazzák.
Minden plutóniumvegyület mérgező, ami az α-sugárzás következménye. Az alfa-részecskék komoly veszélyt jelentenek, ha forrásuk egy fertőzött ember szervezetében van, károsítják a környező szöveteket. A plutónium gammasugárzása nem veszélyes a szervezetre. Érdemes megfontolni, hogy a plutónium különböző izotópjai eltérő toxicitásúak, például a tipikus reaktorban lévő plutónium 8-10-szer mérgezőbb, mint a tiszta 239Pu, mivel 240Pu-nuklidok dominálnak benne, amely erős alfa-sugárzásforrás. A plutónium az összes aktinidák közül a leginkább radiotoxikus elem, azonban messze nem a legveszélyesebb elemnek tekinthető, mivel a rádium majdnem ezerszer veszélyesebb, mint a plutónium legmérgezőbb izotópja - a 239Pu.
Biológiai tulajdonságok
A plutóniumot tengeri élőlények koncentrálják: ennek a radioaktív fémnek a felhalmozódási együtthatója (a testben és a külső környezetben lévő koncentráció aránya) algáknál 1000-9000, planktonnál - körülbelül 2300, tengeri csillagnál - körülbelül 1000, puhatestűeknél - 380-ig, a hal izomzatához, csontjaihoz, májához és gyomrához - 5, 570, 200 és 1060. A szárazföldi növények főként a gyökérrendszeren keresztül szívják fel a plutóniumot, és tömegük 0,01%-ára halmozzák fel. Az emberi szervezetben a kilencvennegyedik elem főként a csontvázban és a májban marad meg, ahonnan szinte nem ürül ki (főleg a csontokból).
A plutónium erősen mérgező, kémiai veszélye (mint minden más nehézfém) sokkal gyengébb (kémiai szempontból mérgező is, mint az ólom.) az alfa-sugárzás következményeként jelentkező radioaktív toxicitáshoz képest. Ezenkívül az α-részecskék viszonylag alacsony áthatoló képességgel rendelkeznek: a 239Pu esetében az α-részecskék tartománya a levegőben 3,7 cm, a lágy biológiai szövetekben pedig 43 μm. Ezért az alfa-részecskék komoly veszélyt jelentenek, ha forrásuk egy fertőzött ember szervezetében van. Ugyanakkor károsítják az elemet körülvevő test szöveteit.
Ugyanakkor a plutónium által is kibocsátott γ-sugarak és neutronok, amelyek kívülről képesek behatolni a szervezetbe, nem túl veszélyesek, mert szintjük túl alacsony ahhoz, hogy egészségkárosodást okozzon. A plutónium a különösen nagy radiotoxicitású elemek csoportjába tartozik. Ugyanakkor a plutónium különböző izotópjai eltérő toxicitásúak, például a tipikus reaktor plutónium 8-10-szer mérgezőbb, mint a tiszta 239Pu, mivel a 240Pu-nuklidok dominálják, ami az alfa-sugárzás erős forrása.
Vízzel és élelmiszerrel bejutva a plutónium kevésbé mérgező, mint az olyan anyagok, mint a koffein, egyes vitaminok, pszeudoefedrin, valamint számos növény és gomba. Ez azzal magyarázható, hogy ezt az elemet rosszul szívja fel a gyomor-bél traktus, még akkor is, ha oldható só formájában szállítják, ugyanezt a sót megköti a gyomor és a belek tartalma. 0,5 gramm finoman eloszlatott vagy oldott plutónium lenyelése azonban napokon vagy heteken belül halált okozhat akut emésztőrendszeri besugárzás miatt (cianid esetében ez az érték 0,1 gramm).
Belégzési szempontból a plutónium közönséges méreganyag (nagyjából egyenértékű a higanygőzével). Belélegezve a plutónium rákkeltő hatású, és tüdőrákot okozhat. Tehát belélegzéskor száz milligramm plutónium a tüdőben való visszatartáshoz optimális méretű (1-3 mikron) részecskék formájában 1-10 napon belül tüdőödéma okozta halálhoz vezet. A húsz milligrammos adag körülbelül egy hónapon belül halálhoz vezet fibrózis miatt. Kisebb dózisok krónikus rákkeltő mérgezéshez vezetnek. A plutónium szervezetbe történő belélegzésének veszélye megnő, mivel a plutónium hajlamos aeroszolok képződésére.
Annak ellenére, hogy fém, meglehetősen illékony. A fém rövid ideig tartó helyiségben való tartózkodása jelentősen megnöveli annak koncentrációját a levegőben. A tüdőbe kerülő plutónium részben megülepedik a tüdő felszínén, részben átjut a vérbe, majd a nyirokba és a csontvelőbe. A legtöbb (körülbelül 60%) a csontszövetben, 30%-a a májban köt ki, és csak 10%-a ürül ki természetesen. A szervezetbe jutó plutónium mennyisége az aeroszol részecskék méretétől és a vérben való oldhatóságától függ.
Az emberi szervezetbe valamilyen módon bekerülő plutónium tulajdonságaiban hasonló a vasvashoz, ezért a keringési rendszerbe behatolva a plutónium a vastartalmú szövetekben kezd koncentrálódni: csontvelőben, májban, lépben. A szervezet vasként érzékeli a plutóniumot, ezért a transzferrin fehérje vas helyett plutóniumot vesz fel, aminek következtében leáll az oxigén átadása a szervezetben. A mikrofágok plutóniumot szállítanak a nyirokcsomókba. A szervezetbe kerülő plutónium nagyon hosszú idő alatt ürül ki a szervezetből – 50 éven belül már csak a 80%-a távozik el a szervezetből. A májból származó felezési idő 40 év. A csontszövetben a plutónium felezési ideje 80-100 év, valójában a kilencvennégyes elem koncentrációja a csontokban állandó.
A második világháború alatt és annak befejezése után a Manhattan Projektben dolgozó tudósok, valamint a Harmadik Birodalom tudósai és más kutatószervezetek kísérleteket végeztek plutóniummal állatokon és embereken. Állatkísérletek kimutatták, hogy néhány milligramm plutónium szövetkilogrammonként halálos adag. A plutónium emberben történő alkalmazása általában 5 mikrogramm plutónium intramuszkuláris injekciójából állt krónikus beteg betegekbe. Végül megállapították, hogy a beteg halálos dózisa egy mikrogramm plutónium volt, és hogy a plutónium veszélyesebb, mint a rádium, és hajlamos felhalmozódni a csontokban.
Mint ismeretes, a plutónium a természetben gyakorlatilag hiányzó elem. Ebből azonban körülbelül öt tonna került a légkörbe az 1945-1963 közötti időszakban végrehajtott nukleáris kísérletek eredményeként. Az 1980-as évek előtt a nukleáris kísérletek következtében a légkörbe került plutónium teljes mennyiségét 10 tonnára becsülik. Egyes becslések szerint az Egyesült Államok talaja átlagosan 2 millicurie (28 mg) plutóniumot tartalmaz négyzetkilométerenként, és a plutónium előfordulása a Csendes-óceánban magasabb a nukleáris anyagok földi eloszlásához képest.
A legújabb jelenség az 1950-es évek közepén a Marshall-szigeteken, a csendes-óceáni kísérleti helyen végzett amerikai nukleáris kísérletekhez köthető. A plutónium tartózkodási ideje a felszíni óceánvizekben 6 és 21 év között van, azonban a plutónium ezen időszak után is a biogén részecskékkel együtt a fenékre hullik, ahonnan a mikrobiális bomlás következtében oldható formákká redukálódik.
A kilencvennegyedik elem globális szennyezése nemcsak a nukleáris kísérletekhez, hanem a termelésben és az ezzel az elemmel kölcsönhatásba lépő berendezésekben bekövetkezett balesetekhez is kapcsolódik. Így 1968 januárjában az Egyesült Államok légierejének négy nukleáris robbanófejet szállító B-52-es gépe lezuhant Grönlandon. A robbanás következtében a töltetek megsemmisültek, és a plutónium az óceánba szivárgott.
1978. január 24-én a Kozmosz-954 szovjet űrszondával egy baleset következtében újabb radioaktív környezetszennyezés történt. Ellenőrizetlen deorbitálás következtében Kanada területére zuhant egy műhold, amelynek fedélzetén atomenergia-forrás volt. A baleset következtében több mint egy kilogramm plutónium-238 került a környezetbe, amely körülbelül 124 000 m²-en terjedt el.
A radioaktív anyagok környezetbe való vészhelyzeti szivárgásának legszörnyűbb példája a csernobili atomerőmű balesete, amely 1986. április 26-án történt. A negyedik erőmű megsemmisítése következtében mintegy 2200 km²-en 190 tonna radioaktív anyag (plutónium izotópokkal együtt) került a környezetbe.
A plutónium környezetbe való kibocsátása nem csak az ember okozta eseményekhez kapcsolódik. A plutónium szivárgása laboratóriumi és gyári körülmények között is ismert. Több mint húsz véletlen szivárgás ismert a 235U és a 239Pu laboratóriumból. 1953-1978 között. balesetek 0,81 (Mayak, 1953. március 15.) és 10,1 kg (Tomsk, 1978. december 13.) 239Pu veszteséghez vezettek. Az ipari incidensek összesen két halálesetet okoztak Los Alamosban (1945. augusztus 21-én és 1946. május 21-én), két baleset és 6,2 kg plutónium elvesztése miatt. Sarov városában 1953-ban és 1963-ban. körülbelül 8 és 17,35 kg esett az atomreaktoron kívülre. Az egyikük egy atomreaktor tönkretételéhez vezetett 1953-ban.
Amikor egy 238Pu atommag neutronokkal hasad, 200 MeV energia szabadul fel, ami 50 milliószor több, mint a leghíresebb exoterm reakció: C + O2 → CO2. Egy atomreaktorban „égetve” egy gramm plutónium 2107 kcal-t termel - ez az az energia, amelyet 4 tonna szén tartalmaz. Egy gyűszű plutónium üzemanyag energiaegyenértékben megegyezik negyven vagon jó tűzifával!
A plutónium „természetes izotópja” (244 Pu) a transzurán elemek leghosszabb élettartamú izotópja. Felezési ideje 8,26∙107 év. A tudósok régóta próbálkoznak egy olyan transzurán elem izotópjának beszerzésével, amely hosszabb ideig létezne, mint 244 Pu - e tekintetben nagy reményeket fűztek a 247 cm-hez. A szintézis után azonban kiderült, hogy ennek az elemnek a felezési ideje mindössze 14 millió év.
Sztori
1934-ben Enrico Fermi vezette tudóscsoport kijelentette, hogy a Római Egyetemen végzett tudományos munka során felfedeztek egy 94-es sorozatszámú kémiai elemet. Fermi ragaszkodására az elemet hesperiumnak nevezték el, a tudós meg volt győződve arról, hogy felfedezett egy új elemet, amelyet ma plutóniumnak hívnak, ami a transzurán elemek létezésére utal, és elméleti felfedezőjévé vált. Fermi 1938-ban Nobel-előadásában megvédte ezt a hipotézist. Csak azután, hogy Otto Frisch és Fritz Strassmann német tudósok felfedezték az atommaghasadást, Fermi kénytelen volt az 1939-ben Stockholmban megjelent nyomtatott változatban feljegyzést tenni, jelezve, hogy újra kell gondolni „a transzurán elemek egész problémáját”. A helyzet az, hogy Frisch és Strassmann munkája kimutatta, hogy a Fermi által a kísérletei során felfedezett tevékenység pontosan a hasadásnak köszönhető, nem pedig a transzurán elemek felfedezésének, ahogyan azt korábban hitte.
1940 végén fedeztek fel egy új elemet, a kilencvennegyedet. Berkeleyben, a Kaliforniai Egyetemen történt. Az urán-oxid (U3O8) nehéz hidrogén atommagokkal (deuteronokkal) történő bombázásával amerikai radiokémikusok egy csoportja 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. Így 1940. december 14-én az első mikrogrammos plutónium mennyiséget más elemek és vegyületeik keverékével együtt kapták meg.
Egy 1940-ben végzett kísérlet során kiderült, hogy egy nukleáris reakció során először a neptúnium-238 rövid élettartamú izotóp keletkezik (felezési ideje 2,117 nap), ebből pedig a plutónium-238:
23392U (d,2n) → 23893Np → (β−) 23894Pu
A hosszú és fáradságos kémiai kísérletek az új elem szennyeződésektől való elválasztására két hónapig tartottak. Egy új kémiai elem létezését 1941. február 23-ról 24-re virradó éjszaka G. T. Seaborg, E. M. Macmillan, J. W. Kennedy és A. C. Wall megerősítette első kémiai tulajdonságainak – legalább két oxidációs képességének – tanulmányozásával. Államok. Valamivel később, mint a kísérletek vége, megállapították, hogy ez az izotóp nem hasadó, és ezért nem érdekli a további tanulmányozást. Hamarosan (1941 márciusában) Kennedy, Seaborg, Segre és Wahl egy fontosabb izotópot, a plutónium-239-et szintetizáltak úgy, hogy egy ciklotronban erősen gyorsított neutronokkal sugározták be az uránt. Ez az izotóp a neptunium-239 bomlásakor keletkezik, alfa-sugarakat bocsát ki, felezési ideje 24 000 év. Az elem első tiszta vegyületét 1942-ben, az első tömegű fémes plutóniumot pedig 1943-ban állították elő.
Az új 94-es elem nevét 1948-ban MacMillan javasolta, aki néhány hónappal a plutónium felfedezése előtt F. Eibelsonnal együtt megszerezte az első uránnál nehezebb elemet - a 93-as elemet, amelyet tiszteletére neptuniumnak neveztek el. a Neptunusz bolygóról – az első az Uránuszon túlról. Hasonlatosan úgy döntöttek, hogy a 94-es elemet plutóniumnak nevezik, mivel a Plútó bolygó a második az Uránusz után. Seaborg viszont azt javasolta, hogy az új elemet „plúciónak” nevezzék, de aztán rájött, hogy a név nem hangzik túl jól a „plutónium”-hoz képest. Emellett más elnevezéseket is javasolt az új elemnek: ultimium, extermium, az akkori téves ítélet miatt, amely szerint a plutónium lesz az utolsó kémiai elem a periódusos rendszerben. Ennek eredményeként az elemet „plutóniumnak” nevezték el a Naprendszer utolsó bolygójának felfedezésének tiszteletére.
A természetben lenni
A plutónium leghosszabb életű izotópjának felezési ideje 75 millió év. Az adat nagyon lenyűgöző, azonban a Galaxis korát évmilliárdokban mérik. Ebből az következik, hogy az Univerzum elemeinek nagy szintézise során keletkezett kilencvennegyedik elem elsődleges izotópjainak a mai napig esélyük sem volt a fennmaradásra. Ez azonban nem jelenti azt, hogy egyáltalán nincs plutónium a Földön. Az uránércekben folyamatosan képződik. A kozmikus sugárzásból származó neutronok és a 238 U atommagok spontán hasadásából származó neutronok befogásával ennek az izotópnak néhány - nagyon kevés - atomja 239 U atomokká alakul. Ennek az elemnek a magjai nagyon instabilok, elektronokat bocsátanak ki és ezáltal növelik töltésüket, és létrejön a neptunium, az első transzurán elem. A 239Np is instabil, atommagjai is elektronokat bocsátanak ki, így mindössze 56 óra alatt a 239Np fele 239Pu-vá alakul.
Ennek az izotópnak a felezési ideje már nagyon hosszú, és eléri a 24 000 évet. A 239Pu-tartalom átlagosan körülbelül 400 000-szer kevesebb, mint a rádiumé. Ezért rendkívül nehéz nemcsak bányászni, de még kimutatni is a „földi” plutóniumot. Kis mennyiségű 239Pu - trillió rész - és bomlástermékek találhatók az uránércekben, például a gaboni (Nyugat-Afrika) oklói természetes atomreaktorban. Az úgynevezett „természetes atomreaktort” tartják az egyetlennek a világon, amelyben jelenleg aktinidák és hasadási termékeik képződnek a geoszférában. A modern becslések szerint ezen a vidéken több millió évvel ezelőtt önfenntartó reakció zajlott le a hő felszabadulásával, amely több mint félmillió évig tartott.
Tehát már tudjuk, hogy az uránércekben a neutronok uránmagok általi befogása következtében neptunium (239Np) keletkezik, amelynek β-bomlási terméke a természetes plutónium-239. Speciális műszereknek - tömegspektrométereknek - köszönhetően a prekambriumi basztnaezitben (cériumérc) fedezték fel a plutónium-244 (244Pu) jelenlétét, amelynek felezési ideje a leghosszabb - körülbelül 80 millió év. A természetben a 244Pu túlnyomórészt dioxid (PuO2) formájában található meg, amely még kevésbé oldódik vízben, mint a homok (kvarc). Mivel a plutónium-240 (240Pu) viszonylag hosszú élettartamú izotópja a plutónium-244 bomlási láncában van, bomlása megtörténik, de ez nagyon ritkán (10 000-ből 1 eset). Nagyon kis mennyiségű plutónium-238 (238Pu) az uránércekben talált kiindulási izotóp, az urán-238 nagyon ritka kettős béta bomlásának köszönhető.
A 247Pu és a 255Pu izotóp nyomait termonukleáris bombák robbanása után összegyűlt porban találták.
Elképzelhető, hogy minimális mennyiségű plutónium jelen lehet az emberi szervezetben, tekintettel arra, hogy rengeteg nukleáris kísérletet hajtottak végre ilyen vagy olyan módon a plutóniummal kapcsolatban. A plutónium főként a csontvázban és a májban halmozódik fel, ahonnan gyakorlatilag nem ürül ki. Ezenkívül a kilencvennégy elemet a tengeri élőlények halmozzák fel; A szárazföldi növények főként a gyökérrendszeren keresztül szívják fel a plutóniumot.
Kiderült, hogy mesterségesen szintetizált plutónium még mindig létezik a természetben, miért nem bányászják, hanem mesterségesen nyerik ki? Az a tény, hogy ennek az elemnek a koncentrációja túl alacsony. Egy másik radioaktív fémről - a rádiumról azt mondják: „egy gramm termelés - egy év munka”, és a rádium a természetben 400 000-szer nagyobb mennyiségben található, mint a plutónium! Emiatt 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.
Alkalmazás
A 239Pu izotópot (az U-val együtt) nukleáris fűtőanyagként használják termikus és gyorsneutronon (főleg neutronon) működő reaktorokban, valamint nukleáris fegyverek gyártásában.
Világszerte mintegy félezer atomerőmű termel körülbelül 370 GW villamos energiát (vagyis a világ teljes villamosenergia-termelésének 15%-át). A Plutónium-236-ot olyan atomelektromos akkumulátorok gyártásához használják, amelyek élettartama eléri az öt évet vagy annál többet, ezeket a szívet stimuláló áramgenerátorokban (pacemakerek) használják. A 238Pu-t az űrkutatásban használt kis méretű nukleáris energiaforrásokban használják. Így a plutónium-238 a New Horizons, a Galileo és a Cassini szondák, a Curiosity rover és más űrszondák energiaforrása.
Az atomfegyverek plutónium-239-et használnak, mivel ez az izotóp az egyetlen alkalmas nuklid atombombában való felhasználásra. Ráadásul a plutónium-239 nukleáris bombákban való gyakoribb alkalmazása annak köszönhető, hogy a plutónium kisebb térfogatot foglal el a gömbben (ahol a bombamag található), így a bomba robbanóereje ennek köszönhetően nyerhető. ingatlan.
A plutóniumot tartalmazó nukleáris robbanás séma magának a bombának a kialakításában rejlik, amelynek magja egy 239Pu-val töltött gömbből áll. A talajjal való ütközés pillanatában a gömb a kialakításnak és a gömböt körülvevő robbanóanyagnak köszönhetően millió atmoszférára sűríti össze. A becsapódás után a mag térfogata és sűrűsége a lehető legrövidebb idő alatt - több tíz mikroszekundum alatt - kitágul, a szerelvény termikus neutronokkal átugrik a kritikus állapoton, és gyors neutronokkal szuperkritikus állapotba kerül - magláncreakció kezdődik a az elem neutronjai és magjai. Az atombomba végső felrobbanása több tízmillió fokos nagyságrendű hőmérsékletet bocsát ki.
A plutónium izotópokat a transzplutónium (plutónium mellett) elemek szintézisében alkalmazzák. Például az Oak Ridge National Laboratory-ban 239Pu, 24496Cm, 24296Cm, 24997Bk, 25298Cf, 25399E és 257100Fm hosszú távú neutronbesugárzást kapnak. Ugyanígy, az americium 24195Am-et először 1944-ben szerezték be. 2010-ben a kalcium-48 ionokkal bombázott plutónium-242-oxid szolgált az ununquadium forrásaként.
A δ-Stabilizált plutóniumötvözeteket üzemanyagrudak gyártása során használják, mert lényegesen jobb kohászati tulajdonságokkal rendelkeznek a tiszta plutóniumhoz képest, amely hevítéskor fázisátalakulásokon megy keresztül, és nagyon törékeny és megbízhatatlan anyag. A plutónium ötvözeteit más elemekkel (intermetallikus vegyületek) általában az elemek szükséges arányú közvetlen kölcsönhatásával állítják elő, míg főként az ívolvasztást alkalmazzák; néha instabil ötvözeteket permetezéssel vagy olvadékok hűtésével állítanak elő.
A plutónium fő ipari ötvözőelemei a gallium, az alumínium és a vas, bár a plutónium ritka kivételekkel (kálium, nátrium, lítium, rubídium, magnézium, kalcium, stroncium, bárium, európium és itterbium) képes ötvözetek és intermedierek képzésére. . Tűzálló fémek: molibdén, nióbium, króm, tantál és volfrám oldódik folyékony plutóniumban, de szinte oldhatatlan vagy kevéssé oldódik szilárd plutóniumban. Az indium, a szilícium, a cink és a cirkónium gyorsan lehűtve képesek metastabil δ-plutóniumot (δ"-fázis) képezni. A gallium, az alumínium, az americium, a szkandium és a cérium stabilizálni tudja a δ-plutóniumot szobahőmérsékleten.
A nagy mennyiségű holmium, hafnium és tallium lehetővé teszi a δ-plutónium szobahőmérsékleten való tárolását. A neptunium az egyetlen elem, amely képes stabilizálni az α-plutóniumot magas hőmérsékleten. A titán, a hafnium és a cirkónium stabilizálja a β-plutónium szerkezetét szobahőmérsékleten, amikor gyorsan lehűtik. Az ilyen ötvözetek alkalmazása meglehetősen változatos. Például egy plutónium-gallium ötvözetet használnak a plutónium δ fázisának stabilizálására, ami elkerüli az α-δ fázisátalakulást. A plutónium-gallium-kobalt háromkomponensű ötvözet (PuGaCo5) 18,5 K hőmérsékleten szupravezető ötvözet. Számos ötvözetet (plutónium-cirkónium, plutónium-cérium és plutónium-cérium-kobalt) használnak nukleáris üzemanyagként.
Termelés
Az ipari plutóniumot kétféleképpen állítják elő. Ez vagy az atomreaktorokban található 238U atommagok besugárzása, vagy a plutónium radiokémiai módszerekkel (koprecipitáció, extrakció, ioncsere stb.) történő elválasztása az urántól, a transzurán elemektől és a kiégett fűtőelemekben található hasadási termékektől.
Az első esetben a legpraktikusabb 239Pu izotópot (kevés 240Pu keverékkel keverve) atomreaktorokban állítják elő uránmagok és neutronok részvételével β-bomlás felhasználásával, és közbenső hasadási termékként a neptúnium izotópok részvételével:
23892U + 21D → 23893Np + 210n;
23893Np → 23894Pu
β-bomlás
Ebben a folyamatban egy deuteron belép az urán-238-ba, aminek eredményeként neptúnium-238 és két neutron képződik. A neptunium-238 ezután spontán hasad, és béta-mínusz részecskéket bocsát ki, amelyek plutónium-238-at alkotnak.
Jellemzően a keverék 239Pu-tartalma 90-95%, a 240Pu 1-7%, az egyéb izotópok tartalma nem haladja meg a tized százalékot. Hosszú felezési idejű izotópok - 242Pu és 244Pu 239Pu neutronokkal történő hosszan tartó besugárzással nyerhetők. Ráadásul a 242Pu hozama több tíz százalék, a 244Pu pedig a 242Pu tartalom százalékának töredéke. Kis mennyiségű izotóptiszta plutónium-238 keletkezik, amikor a neptunium-237-et neutronokkal besugározzák. A 232-237 tömegszámú plutónium könnyű izotópjait általában ciklotronban nyerik uránizotópok α-részecskékkel történő besugárzásával.
A 239Pu ipari előállításának második módszere a Purex eljárást alkalmazza, amely tributil-foszfáttal történő extrakción alapul, könnyű hígítószerben. Az első ciklusban a pu-t és az U-t közösen megtisztítják a hasadási termékektől, majd elválasztják. A második és harmadik ciklusban a plutóniumot tovább tisztítják és koncentrálják. Egy ilyen eljárás sémája az elválasztandó elemek tetra- és hat vegyértékű vegyületeinek tulajdonságainak különbségén alapul.
Kezdetben a kiégett fűtőelem-rudakat leszerelték, és a kiégett plutóniumot és uránt tartalmazó burkolatot fizikai és kémiai úton távolítják el. Ezután a kivont nukleáris üzemanyagot salétromsavban oldják. Végül is feloldva erős oxidálószer, és oxidálódik az urán, a plutónium és a szennyeződések. A nulla vegyértékű plutónium atomok Pu+6-dá alakulnak, és a plutónium és az urán is feloldódik. Egy ilyen oldatból a kilencvennegyedik elemet kén-dioxiddal háromértékű állapotba redukálják, majd lantán-fluoriddal (LaF3) kicsapják.
Az üledék azonban a plutóniumon kívül neptuniumot és ritkaföldfém elemeket is tartalmaz, de az urán tömege oldatban marad. Ezután a plutóniumot ismét Pu+6-dá oxidálják, és ismét lantán-fluoridot adnak hozzá. Most a ritkaföldfém elemek kicsapódnak, és a plutónium oldatban marad. Ezután a neptúniumot kálium-bromáttal négy vegyértékű állapotba oxidálják, mivel ez a reagens nincs hatással a plutóniumra, majd ugyanazzal a lantán-fluoriddal végzett másodlagos kicsapás során a háromértékű plutónium csapadékká alakul, és a neptunium oldatban marad. Az ilyen műveletek végtermékei plutóniumtartalmú vegyületek - PuO2-dioxid vagy fluoridok (PuF3 vagy PuF4), amelyekből fémes plutóniumot nyernek (bárium-, kalcium- vagy lítiumgőzzel történő redukcióval).
Tisztább plutónium érhető el a pirokémiai úton előállított fém elektrolitikus finomításával, amelyet elektrolizáló cellákban 700 °C-on kálium-, nátrium- és plutónium-klorid elektrolittal, volfrám vagy tantál katód segítségével végeznek. Az így nyert plutónium tisztasága 99,99%.
Nagy mennyiségű plutónium előállításához nemesítő reaktorokat, úgynevezett „tenyésztőket” építenek (az angol tenyészteni - szaporodni igéből). Ezek a reaktorok nevüket arról kapták, hogy képesek olyan mennyiségű hasadó anyagot előállítani, amely meghaladja az anyag beszerzési költségét. Az ilyen típusú reaktorok és a többi reaktor között az a különbség, hogy a bennük lévő neutronok nincsenek lelassítva (nincs moderátor, pl. grafit), hogy minél többen reagálhassanak a 238U-val.
A reakció után 239U atomok keletkeznek, amelyek ezt követően 239Pu-t képeznek. Egy ilyen, szegényített urán-dioxidban (UO2) PuO2-t tartalmazó reaktor zónáját egy még inkább szegényített urán-dioxid-238 (238UO2) héj veszi körül, amelyben 239Pu képződik. A 238U és 235U együttes alkalmazása lehetővé teszi a „tenyésztőknek”, hogy 50-60-szor több energiát állítsanak elő természetes uránból, mint más reaktorokban. Ezeknek a reaktoroknak azonban van egy nagy hátrányuk: a fűtőelemrudakat nem vízzel kell hűteni, ami csökkenti az energiájukat. Ezért úgy döntöttek, hogy hűtőfolyadékként folyékony nátriumot használnak.
Az ilyen reaktorok építése az Amerikai Egyesült Államokban a második világháború után kezdődött, a Szovjetunióban és Nagy-Britanniában csak az 1950-es években kezdték építeni.
Fizikai tulajdonságok
A plutónium egy nagyon nehéz (normál szinten 19,84 g/cm³ sűrűségű) ezüstös fém, tisztított állapotban nagyon hasonlít a nikkelhez, de levegőben a plutónium gyorsan oxidálódik, elhalványul, irizáló filmet képezve, először világossárgává, majd sötétlilává változik. . Súlyos oxidáció esetén olívazöld oxidpor (PuO2) jelenik meg a fém felületén.
A plutónium erősen elektronegatív és reaktív fém, még az uránnál is sokszorosa. Hét allotróp módosulata van (α, β, γ, δ, δ", ε és ζ), amelyek egy bizonyos hőmérsékleti tartományban és egy bizonyos nyomástartományban változnak. Szobahőmérsékleten a plutónium α-formában van - ez a a plutónium leggyakoribb allotróp módosítása Az alfa fázisban a tiszta plutónium törékeny és meglehetősen kemény – ez a szerkezet körülbelül olyan kemény, mint a szürkeöntvény, hacsak nem ötvözik más fémekkel, ami rugalmasságot és lágyságot biztosít az ötvözetnek. ebben a legnagyobb sűrűségű formában a plutónium a hatodik legsűrűbb elem (Csak az ozmium, az irídium, a platina, a rénium és a neptunium nehezebb. A plutónium további allotróp átalakulásait hirtelen sűrűségváltozások kísérik. Például 310-ről 480 °C-ra hevítve , nem tágul, mint más fémek, hanem összehúzódik (delta fázis " és "delta prime") Amikor megolvad (átmenet az epszilon fázisból a folyékony fázisba), a plutónium is összehúzódik, lehetővé téve a megolvadatlan plutónium lebegését.
A plutóniumnak számos szokatlan tulajdonsága van: az összes fém közül a legalacsonyabb hővezető képességgel rendelkezik - 300 K-en 6,7 W/(m K); a plutóniumnak van a legalacsonyabb elektromos vezetőképessége; Folyékony fázisában a plutónium a legviszkózusabb fém. A kilencvennegyedik elem ellenállása szobahőmérsékleten nagyon nagy egy fémnél, és ez a tulajdonság a hőmérséklet csökkenésével nőni fog, ami a fémekre nem jellemző. Ez az „anomália” 100 K hőmérsékletig követhető – e jel alatt az elektromos ellenállás csökkenni fog. 20 K-től azonban az ellenállás ismét növekedni kezd a fém sugárzási aktivitása miatt.
A vizsgált aktinidák közül (eddig) a plutóniumnak van a legnagyobb elektromos ellenállása, amely 150 μΩ cm (22 °C-on). Ennek a fémnek alacsony olvadáspontja (640 °C) és szokatlanul magas forráspontja (3227 °C). Az olvadásponthoz közelebb a folyékony plutóniumnak nagyon magas a viszkozitása és a felületi feszültsége más fémekhez képest.
Radioaktivitása miatt a plutónium meleg tapintású. A termikus héjban lévő nagy darab plutóniumot a víz forráspontját meghaladó hőmérsékletre hevítik! Ráadásul a plutónium radioaktivitása miatt idővel változásokon megy keresztül a kristályrácsa – a 100 K feletti hőmérséklet-emelkedés miatti önbesugárzás miatt egyfajta lágyulás következik be.
A plutóniumban található allotróp módosulatok nagy száma megnehezíti a fém feldolgozását és kigörgetését a fázisátalakulások miatt. Azt már tudjuk, hogy az alfa formában a kilencvennegyedik elem tulajdonságaiban hasonló az öntöttvashoz, azonban hajlamos átalakulni, képlékeny anyaggá alakulni, és magasabb hőmérsékleti tartományban képlékeny β-formát alkotni. A δ formájú plutónium általában 310 °C és 452 °C közötti hőmérsékleten stabil, de szobahőmérsékleten is létezhet, ha kis százalékban alumíniummal, cériummal vagy galliummal adalékolják. Ha ezekkel a fémekkel ötvözik, a plutónium hegesztéshez használható. Általánosságban elmondható, hogy a delta formájú fém jellemzői kifejezettebbek - erőssége és kovácsolhatósága közel áll az alumíniumhoz.
Kémiai tulajdonságok
A kilencvennegyedik elem kémiai tulajdonságai sok tekintetben hasonlóak a periódusos rendszerben szereplő elődeihez - az uránhoz és a neptuniumhoz. A plutónium meglehetősen aktív fém, +2 és +7 közötti oxidációs állapotú vegyületeket képez. Vizes oldatokban az elem a következő oxidációs állapotokat mutatja: Pu (III), mint Pu3+ (savas vizes oldatokban létezik, világos lila színű); Pu (IV), mint Pu4+ (csokoládé árnyalat); Pu (V), mint PuO2+ (könnyű oldat); Pu (VI), mint PuO22+ (világos narancssárga oldat) és Pu(VII), mint PuO53- (zöld oldat).
Ráadásul ezek az ionok (a PuO53- kivételével) egyidejűleg is egyensúlyban lehetnek az oldatban, ami az 5f elektron jelenlétével magyarázható, amelyek az elektronpálya lokalizált és delokalizált zónájában helyezkednek el. 5-8 pH-értéken a Pu(IV) dominál, amely a többi vegyérték (oxidációs állapot) között a legstabilabb. Az összes oxidációs állapotú plutóniumionok hajlamosak a hidrolízisre és a komplexképződésre. Az ilyen vegyületek képződésének képessége nő a Pu5+ sorozatban
A kompakt plutónium lassan oxidálódik a levegőben, és egy irizáló, olajos oxidréteg borítja. A következő plutónium-oxidok ismertek: PuO, Pu2O3, PuO2 és egy változó összetételű Pu2O3-Pu4O7 fázis (Berthollidok). Kis mennyiségű nedvesség jelenlétében az oxidáció és a korrózió sebessége jelentősen megnő. Ha egy fémet elég hosszú ideig kis mennyiségű nedves levegő éri, plutónium-dioxid (PuO2) képződik a felületén. Oxigénhiány esetén dihidridje (PuH2) is képződhet. Meglepő módon a plutónium sokkal gyorsabban rozsdásodik egy inert gáz (például argon) atmoszférájában vízgőzzel, mint száraz levegőben vagy tiszta oxigénben. Valójában ez a tény könnyen megmagyarázható - az oxigén közvetlen hatása oxidréteget képez a plutónium felületén, amely megakadályozza a további oxidációt; a nedvesség jelenléte oxid és hidrid laza keverékét eredményezi. Egyébként ennek a bevonatnak köszönhetően a fém piroforossá válik, azaz spontán égésre képes, ezért a fémes plutóniumot általában inert argon- vagy nitrogénatmoszférában dolgozzák fel. Ugyanakkor az oxigén védőanyag, és megakadályozza, hogy a nedvesség befolyásolja a fémet.
A kilencvennegyedik elem savakkal, oxigénnel és ezek gőzeivel reagál, lúgokkal azonban nem. A plutónium csak nagyon savas közegekben (például sósav HCl) jól oldódik, és oldódik hidrogén-kloridban, hidrogén-jodidban, hidrogén-bromidban, 72% perklórsavban, 85% ortofoszforsavban H3PO4, tömény CCl3COOH-ban, szulfaminsavban és forrásban is. tömény salétromsav. A plutónium nem oldódik észrevehetően lúgos oldatokban.
Ha a négy vegyértékű plutóniumot tartalmazó oldatokat lúgoknak tesszük ki, bázikus tulajdonságokkal rendelkező plutónium-hidroxid Pu(OH)4 xH2O csapadék válik ki. Ha a PuO2+ tartalmú sók oldatait lúgoknak teszik ki, PuO2OH amfoter-hidroxid válik ki. Erre sók – plutonitok, például Na2Pu2O6 – válaszolnak.
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.
A plutónium-239, a nukleáris robbanószerkezetekben használt plutónium fő izotópja bármely atomreaktorban előállítható urán üzemanyag felhasználásával, amikor egy urán-238 atommag befog egy neutront. Oroszországban szinte az összes fegyveres minőségű plutóniumot speciális ipari reaktorokban állították elő. Az ipari reaktorok jellemzője a viszonylag alacsony tüzelőanyag-felhasználás - a jellemző kiégési érték 400-600 MW-nap/t. Ez annak köszönhető, hogy nagyobb égési mélység mellett jelentős mennyiségű plutónium-240 izotóp képződik az üzemanyagban. A Pu-240 izotóp meglehetősen intenzív spontán neutronok kibocsátója, ezért jelenléte jelentősen rontja a plutónium, mint fegyverminőségű anyag minőségét.82 Az Egyesült Államokban elfogadott osztályozás szerint a fegyveres minőségű plutónium anyagnak minősül. 5,8% alatti Pu-240-tartalommal.
A plutónium elválasztását a kiégett fűtőelemektől radiokémiai módszerekkel, speciális termelési létesítményekben végzik. A kiégett fűtőelemek magas radioaktivitása miatt minden újrafeldolgozási műveletet távoli eszközökkel, vastag betonfalú „kanyonokban” hajtanak végre. feldolgozásukhoz és ártalmatlanításukhoz szükséges infrastruktúra.
Az ipari reaktorokat más nukleáris fegyverekhez használt anyagok, különösen trícium előállítására használták, amelyet a trícium-deutérium keverékben használtak a termonukleáris fegyverek elsődleges összetevőinek megerősítésére. A trícium fegyverkezési célú előállítása általában atomreaktorban történik, a lítium-6.83 izotóp magjainak neutronokkal történő besugárzásával, a keletkezett tríciumot vákuumkemencében történő feldolgozásuk során választják el a lítium céltárgyaktól, és kémiai módszerekkel tisztítják. A nukleáris arzenál fejlesztésének kezdeti éveiben a reaktorok polónium-210-et is gyártottak, amelyet a nukleáris töltés felrobbantásakor a láncreakció megindításához szükséges berillium-polónium neutronforrások előállításához használtak. (A következő években a berillium-polónium iniciátorokat felváltották az elektrosztatikus csövön alapuló külső neutroniniciáló rendszerek.)84 A polóniumot bizmut céltárgyak neutronokkal történő besugárzásával állították elő.
Reaktortechnológia fejlesztése
A Szovjetunióban a plutónium előállításához főként csatorna típusú reaktorokat használtak, grafitot használva neutron moderátorként, és fűtőelemekkel ellátott csatornákon keresztül szivattyúzott vízzel hűtötték. A grafit falazatban kialakított függőleges technológiai csatornákba üzemanyagot - természetes fém urán tömböket alumínium héjban - töltöttek be.
színész zóna. A víz-grafit ipari reaktorok reaktorzónájában a teljesítmény és a neutronfluxusok radiális eloszlásának kiegyenlítése érdekében a perifériáján erősen dúsított urántüzelőanyagot tartalmazó csatornákat helyeztek el.
Összesen három generációs grafitreaktort terveztek a Szovjetunióban. Az első generációs reaktor az A reaktor, amelyet 1948 júniusában helyeztek üzembe Cseljabinszk-40-ben (később Cseljabinszk-65). Az N.A. Dollezhal által tervezett reaktor teljesítménye 100 MW volt (később 900 MW-ra növelték). A reaktor hűtése közvetlen áramlású rendszerrel történt - a vizet és a hűtőfolyadékot külső forrásból vették, átszivattyúzták a reaktorzónán, és a környezetbe engedték. Az üzemanyag (kb. 150 tonna urán) egy 1353 tonnás grafitköteg függőleges csatornáiban helyezkedett el.85
A második generációs reaktor (például az AV-1 reaktor, amelyet 1950-ben helyeztek üzembe) egy függőleges grafit henger volt, függőleges csatornákkal az üzemanyag és a vezérlőrudak számára. Az A reaktorhoz képest az AV-1 nagyobb teljesítményű és biztonságosabb volt. Az A reaktorhoz hasonlóan a második generációs reaktorok is egyszer áthaladtak, és kizárólag fegyveres minőségű plutónium előállítására használták őket.86
Az 1958 után épült harmadik generációs reaktorokat kettős felhasználású reaktornak tervezték.88 A harmadik generációs reaktorok képviselői a jelenleg is működő ADE sorozatú reaktorok. Mindegyik ilyen reaktor teljesítménye körülbelül 2000 MW, és évente körülbelül 0,5 tonna fegyveres minőségű plutóniumot állít elő. Az üzemelés során keletkező gőzt körülbelül 350 MW hő és 150 MW villamos energia előállítására használják fel. Az első és második generációs reaktoroktól eltérően a harmadik generációs reaktorok kettős áramkörű hűtőrendszerrel, zárt vízkeringtetéssel a primer körön keresztül, hőcserélővel, gőzfejlesztővel és elektromos áramot termelő turbinával rendelkeznek.
| Erő | 2000 MW-ig |
| Energiatermelés | 150-200 MW(e) |
| Hőtermelés | 300-350 Gcal/óra |
| Moderátor | grafit |
| Hűtőfolyadék | víz |
| Csatornák száma | 2832 |
| Tüzelőanyag-elemek száma a csatornában | 66-67 |
300-350 t |
75 kg |
| Az üzemanyag elégetése | 600-1000 MW-nap/t |
| Tüzelőanyag-összetétel (természetes urán) | fém természetes urán |
| Üzemanyag-összetétel (HEU) | diszpergált (8,5% U02 alumíniummátrixban) |
| Rúd átmérője | 35 mm |
| Kagyló anyaga | Alumínium ötvözet |
| Héj vastagsága | gt; 1 mm |
| Kiégett üzemanyag tárolása | nedves |
| Normál tárolási idő | 6 hónap |
| Maximális megengedett tárolási idő | 18 hónap |
asztal 3-2. Az ADE87 reaktor jellemzői
Radiokémiai technológia fejlesztése
A nemzeti radiokémiai iskola fejlesztése a Szovjetunió Tudományos Akadémia Rádium Intézetében kezdődött V. G. Khlopin akadémikus vezetésével. 1946-ban a RIAN javasolta az ország első acetát-fluorid technológiáját a plutónium és az urán ipari szétválasztására a besugárzott urán üzemanyagból. A technológiát az NII-9 Intézet U-5 kísérleti radiokémiai létesítményében tesztelték és tesztelték, és a Cseljabinszk-40 (később Cseljabinszk-65) első radiokémiai üzemében (B üzem) vezették be.
A B üzem kémiai feldolgozása a működés kezdeti szakaszában az uranil-triacetát acetátos kicsapásának redox folyamatán alapult. Ez a folyamat két szakaszban zajlott - az elsőben a plutónium és az urán megtisztítása a hasadási termékekből, valamint a plutónium és az urán elválasztása az acetátos leválasztás során történt. A második lépésben a plutónium finomítását (további tisztítását) végeztük a kicsapás során lantán-fluoriddal.
A radiokémiai technológiát folyamatosan fejlesztették annak érdekében, hogy javítsák biztonságát, a plutónium és urán kinyerésének teljességét és tisztaságát, valamint csökkentsék az anyagfelhasználást és a keletkező hulladék mennyiségét. A fluor magas kémiai agresszivitása miatt a lantán-fluorid technológia alkalmazása drága és nem biztonságos volt. Ezért az 50-es évek végén a Cseljabinszk-40-ben épült második radiokémiai üzem (BB üzem) kifejlesztésekor úgy döntöttek, hogy elhagyják a lantán-fluorid technológiát a kettős acetátos leválasztási ciklus alkalmazása érdekében. Az acetát technológia azonban szintén nagyon drága volt, nagy mennyiségű oldatot és hulladékot eredményezett, és számos segédipar létrehozását követelte meg. Ezért a 60-as évek elején az acetátos kicsapás második ciklusát (a plutónium finomítási szakaszában) a plutónium ioncserélő gyanták általi szelektív abszorpcióján alapuló szorpciós módszerek váltották fel. A szorpciós technológia bevezetése jelentősen javította az üzem termékeinek minőségét. Az új technológia alkalmazása azonban nem bizonyult biztonságosnak, és a cseljabinszki szorpciós oszlop 1965-ben történt felrobbanása90 után úgy döntöttek, hogy megkezdik az extrakciós technológiák bevezetését. (Az extrakciós technológiákkal kapcsolatos első kutatások a 40-es évek végén kezdődtek.) Az extrakciós technológiák a jelenleg domináns Purex típusú kiégett reaktorfűtőelemek újrafeldolgozásának alapjává váltak, és Oroszország összes radiokémiai üzemében használják. A Purex egy többlépcsős eljárás, amely a plutónium és az urán szelektív extrakcióján alapul tributil-foszfát segítségével.
Számos intézet és szervezet vett részt a radiokémiai technológiák megalkotásában. A radiokémiai technológiák tudományos fejlesztését és tesztelését a Rádium Intézetben, az Összoroszországi Szervetlen Anyagkutató Intézetben és az Összoroszországi Kémiai Technológiai Kutatóintézetben végezték.91 A fő tervezési fejlesztéseket és a berendezések gyártását az ún. Szverdlovszki Vegyipari Kutatóintézet. A tervezési megoldásokat a leningrádi Energetikai Technológiai Tudományos Kutató és Tervező Intézet (VNIPIET) vizsgálta vagy fejlesztette ki. A tudományos és műszaki megoldások tesztelésének és a technológiák bevezetésének fő terhét közvetlenül a plutóniumgyártó üzemek viselték.
Plutónium termelő komplexum
A plutónium ipari előállítását három üzemből álló integrált komplexum végezte: Cseljabinszk-65, Tomszk-7 és Krasznojarszk-26.
Cseljabinszk-65 (PO Majak)
A Cseljabinszk-65 üzem, jelenleg PA Mayak,92 néven ismert, a cseljabinszki régió északi részén, Ozersk városában található. Az 1948-ban alapított üzem volt az első komplexum a Szovjetunióban, ahol plutóniumot és plutóniumtermékeket gyártottak. A plutóniumtermelést öt urán-grafit reaktor (A, IR-AI, AV-1, AV-2 és AV-3) végezte, amelyeket 1948 és 1955 között indítottak.93 1987 és 1990 között. az összes urán-grafit reaktort leállították. Jelenleg tudományos megfigyelésekre használják, és készülnek a szétszerelésre. A reaktorüzem különböző időpontokban tartalmazott (és tartalmaz) más típusú reaktorokat, amelyeket trícium és más izotópok előállítására használtak.
Az ipari reaktorokból származó besugárzott üzemanyagot az üzem részét képező radiokémiai üzemben (B üzem) dolgozták fel. A radiokémiai üzem 1948. december 22-én kezdte meg a besugárzott urán feldolgozását, működésének első évei rendkívül nehezek voltak. A tapasztalat és tudás hiánya, a technológia és berendezések hiányossága, a technológiai megoldások magas korróziója és radioaktivitása magas baleseti rátához és a személyzet túlzott kitettségéhez vezetett.94 Az üzemet az 50-es évek elején többször rekonstruálták, és 1959-ig folyamatosan üzemelt. pillanatban a termelési volumen csökkenni kezdett, és a 60-as évek elején az üzemet bezárták. Ezt követően a B üzem helyén megépült az RT-1 radiokémiai üzem.
A BB üzemben folytatódott az ipari reaktorok tüzelőanyagának újrafeldolgozása. Az első radiokémiai termelést helyettesítő BB-üzem építése 1954-ben kezdődött, és 1959 szeptemberében fejeződött be. 1987-ben, miután az öt plutóniumot termelő reaktor közül kettőt leállítottak, a BB-gyárat leállították és a fegyverek szétválasztását A cseljabinszki 65-ös osztályú plutónium gyártását leállították. 1987 és 1990 között A tovább üzemelő ipari reaktorokból besugárzott üzemanyagot újrafeldolgozásra a Tomszk-7-ben található radiokémiai üzembe küldték.
A radiokémiai üzemek plutóniumtermékeit átvitték a B vegyi és kohászati üzembe. A B üzemet 1948-ban építették plutónium fém és nukleáris fegyveralkatrészek gyártására.95 Az üzem második szakasza lehetővé tette fegyveralkatrészek uránból történő előállítását. Az üzem jelenleg is a hasadó fegyverek feldolgozásával és lőszeralkatrészek gyártásával foglalkozik. 1997-ben az üzem a Tomszk-7 vegyi és kohászati termeléséhez hasonlóan megkezdte a fegyveres minőségű urán dúsítását.
A plutónium előállítása mellett a trícium és más speciális izotópok gyártását is létrehozták Cseljabinszk-65-ben.96 1951-től 50 MW-os mesterséges intelligencia reaktort alkalmaztak ezekre a célokra, üzemanyagként 2%-ban dúsított uránt használva. Valamivel később a tríciumgyártást nehézvizes reaktorokban szervezték meg, amelyek közül az első az OK-180.97 reaktor volt (az OK-180-as tríciumtermelést nyilván csak 1954 után kezdték el) 1955. december 27-én a második nehézvizes reaktort üzembe helyezték OK-190. Ezeket a reaktorokat 1965-ben és 1986-ban leállították. és két új telepítéssel helyettesítették őket. 1979-ben üzembe helyezték a "Ruslan" könnyűvizes (víz-víz) reaktort, 1986-1987-ben pedig a "Ljudmila" nehézvizes reaktort.98 A "Ruslan" és a "Ljudmila" reaktorokat továbbra is használják trícium, izotóp nyersanyagok a radioizotóp üzem számára (plutónium-238, kobalt-60, szén-14, irídium-192 és mások) és sugárzással adalékolt szilícium előállítása.
Az izotópok szétválasztását az RT-1 növénykomplexum végzi. A trícium előállítása céljából besugárzott tüzelőanyagot a tríciumgyárba szállítják, amely az ország egyetlen termelő vállalata, a Mayak PA része.
trícium és trícium szerelvények nukleáris fegyverekhez." Az 1962 óta üzemelő radioizotópgyárba izotóptermékeket szállítanak alfa-, gamma- és béta-rádióforrások, plutónium-238 és stroncium-90 alapú hőgenerátorok, valamint széles választék előállításához. a radionuklidok.100
A Mayak erőmű fontos része az atomerőművi reaktorok és más reaktorlétesítmények üzemanyagciklusának. A régi B védelmi üzem infrastruktúrájának jelentős része az RT-1 radiokémiai üzem része lett, amelyet 1976-ban helyeztek üzembe. Az első RT-1 vonalat magas dúsítású urán-alumínium ipari és hajózási üzemanyag feldolgozására tervezték. reaktorok. 1978-ban az üzem megkezdte a VVER-440 reaktorokból származó üzemanyag újrafeldolgozását. Jelenleg három RT-1 technológiai vonalat használnak a VVER-440 és BN-600 reaktorok tüzelőanyagának, a közlekedési és kutatási reaktorok üzemanyagának, valamint az ipari reaktorok HEU üzemanyagának feldolgozására. Az üzemanyag-feldolgozás a Purex rendszer szerint történik. Az erőmű a kiégett fűtőelemek átvételére és közbenső tárolására, a radioaktív hulladékok tárolására, feldolgozására és üvegesítésére szolgáló létesítményeket, valamint az elkülönített urán és plutónium tárolására szolgáló létesítményeket is tartalmaz. Az RT-1 erőmű évente 400 tonna atomerőművi reaktorból és 10 tonna szállítóreaktorból (évente 20-30 reaktorzóna szállítóüzemből) képes feldolgozni.
Az RT-1 tevékenységi körébe az üzemanyag-újrafeldolgozáson túl a radioaktív hulladékok kezelésével kapcsolatos munka és a kutatási kísérleti munka is tartozik.
| Reaktor | | típus | Célja | Erő MW |
| PA "Mayak" (Cseljabinszk-65) | | | |
|
| A | 1948-1987 | víz-grafit, közvetlen áramlás | plutónium | 100/900 |
| IR-AI | 1951-1987 | víz-grafit, közvetlen folyású | plutónium | 50/500 |
| AB-1 | 1950-1989 | víz-grafit, közvetlen áramlás | plutónium | 300/1200 |
| AV-2 | 1951-1990 | víz-grafit, közvetlen áramlás | plutónium | 300/1200 |
| AB-3 | 1952-1990 | víz-grafit, közvetlen áramlás | plutónium, trícium | 300/1200 |
| OK-180 | 1951-1965 | nehézvizű | trícium | 100? |
| OK-1EO | 1955-1986 | nehézvizű | trícium | 100? |
| Ruslan | 1979-től napjainkig | víz-víz | trícium, izotópok | Nincs adat |
| Ljudmila | 1986-tól napjainkig | nehézvizű | trícium, izotópok | nincs adat |
| Szibériai Vegyi Üzem (Tomsk-7) | | |
||
| I-1 | 1955-1990 | víz-grafit, közvetlen áramlás | plutónium | 600/1200 |
| EI-2 | />1956-1990 | | plutónium | 600/1200 |
| ADE-3 | 1961-1992 | víz-grafit, kettős áramkör | plutónium | 1600/1900 |
| ADE-4 | 1964-től napjainkig | víz-grafit, kettős áramkör | plutónium | 1600/1900 |
| ADE-5 | 1965-től napjainkig | víz-grafit, kettős áramkör | plutónium | 1600/1900 |
| Bányászati és vegyi üzem (Krasznojarszk-26) | | |
||
| POKOL | 1958-1992 | víz-grafit, közvetlen áramlás | plutónium | 1600/1800 |
| ADE-1 | 1961-1992 | víz-grafit, közvetlen áramlás | plutónium | 1600/1800 |
| ADE-2 | 1964-től napjainkig | víz-grafit, kettős áramkör | plutónium | 1600/1800 |
asztal 3-3. A Szovjetunióban épített ipari reaktorok
valamint kísérleti üzemek vegyes urán-plutónium-oxid üzemanyag (MOX üzemanyag) előállítására. A Cseljabinszk-65-ben megkezdték a gyorsreaktorokhoz való plutónium-üzemanyag előállítására szolgáló üzem építését (300-as műhely).101 A félig kész üzem építését 1989-ben befagyasztották.
A Cseljabinszk-65 a hasadóanyagok tárolásának egyik fő helyszíne. Az RT-1 üzem megközelítőleg 30 tonna nukleáris minőségű plutóniumot tárol.102 Az üzem jelentős mennyiségű, szétszerelt nukleáris fegyverekből kinyert, fegyveres minőségű hasadóanyagot is tárol. 1994 nyarán a Cseljabinszk-65-ben megkezdődött az atomfegyverek leszerelése során felszabaduló, fegyveres minőségű urán és plutónium központi tárolójának építése. Feltételezések szerint 1999-ben helyezik üzembe a 25 ezer, fegyveres anyagokat tartalmazó konténer befogadására alkalmas tároló első ütemét; A második ütem megépítése 50 ezer konténerre növeli a tárolókapacitást. A Szentpétervári Intézet VNIPIET projektje szerint a tárolónak 80-100 évig biztonságosan kell tárolnia az anyagokat.103
Az üzem széles tudományos és műszaki bázissal támogatja főbb termelő létesítményei munkáját, amely magában foglal egy központi üzemi laboratóriumot, egy műszergyárat, egy szerszámgyárat, egy gépjavító műhelyt és egy speciális építőipari részleget. A városban működik a Moszkvai Mérnöki Fizikai Intézet, az ország vezető egyeteme az alkalmazott magfizika területén.
Tomszk-7 (szibériai vegyi üzem)
A Tomszk-7104-ben található Szibériai Vegyi Üzemet 1949-ben alapították fegyverminőségű hasadóanyagok és azokból készült alkatrészek előállítására szolgáló komplexumként. A Tomszk-7-ben a plutóniumtermelést öt reaktorral végezték: I-1, EI-2, ADE-3, ADE-4 és ADE-5. A november 20-án üzembe helyezett I-1 reaktor tervezésénél fogva közvetlen áramlású reaktor volt, és kizárólag plutónium előállítására használták. 1958 szeptemberében és 1961 júliusában kezdte meg működését az üzemben az EI-2, illetve az ADE-3 reaktor. Az ADE-4 és ADE-5 reaktorokat 1965-ben és 1967-ben helyezték üzembe. Az I-1 kivételével minden Tomszk-7 reaktor zárt hőelvezető körrel rendelkezett, és mind plutónium-, mind hő- és villamosenergia-termelésre használták.
A Tomszk-7 első három reaktorát 1990. augusztus 21-én (I-1), 1990. december 31-én (EI-2) és 1992. augusztus 14-én (ADE-3) állították le. Az üzemben maradó két reaktor összteljesítménye 3800 MW, és 660-700 MW hőt és 300 MW villamos energiát termelnek. A hőenergiát Szeverszk (Tomsk-7) és a közeli Tomszk hőellátására, valamint a Szibériai Vegyi Kombinát és a szomszédos petrolkémiai komplexum termelési igényeire használják fel.
Jelenleg a Szibériai Vegyi Kombinát ipari reaktoraiból származó kiégett fűtőelemek újrafeldolgozása az üzemben található, 1956-ban üzembe helyezett radiokémiai üzemben történik. Ezt követően az üzem átkerült a Purex technológiára.
Egészen a közelmúltig a radiokémiai üzemben izolált plutóniumot a Tomszk-7 vegyi és kohászati üzembe szállították fémformává alakítás, ötvözés és lőszeralkatrészek gyártása céljából.105 Úgy tűnik, a frissen előállított plutóniumot a leszerelt robbanófejekből származó plutóniummal keverték össze, hogy fenntartsák a elfogadható koncentrációs szint
americium-241 plutóniumban.106 1994 októberétől a frissen előállított plutóniumot dioxiddá alakítják és tárolásra küldik.
A vegyi és kohászati üzem másik részlege nagydúsított urán feldolgozásával és fegyveralkatrészeinek előállításával foglalkozik. 1994-ben- Itt kezdődtek meg a nagymértékben dúsított, fegyveres minőségű urán alacsony dúsítású uránná alakítására irányuló műveletek a HEU eladásáról szóló orosz-amerikai megállapodás részeként. A Tomszk-7-ben végzett munka része a fémurán oxiddá alakítása. Az urán jelentős része radiokémiai feldolgozáson megy keresztül a kémiai szennyeződések (ötvöző anyagok, hasadási termékmaradványok és transzurán elemek) eltávolítására. A tisztított urán-oxid port zárt tartályokba csomagolják, és a Szverdlovszk-44-be és a Krasznojarszk-45-be küldik fluorozásra és dúsításra. 1996 végén Tomszk-7.107-ben megkezdte működését egy fluorozási és urándúsító üzem is.
Krasznojarszk-26 (Bányászati és Vegyipari Kombinát)
A Krasznojarszk-26108-as üzemet 1950 februárjában hozták létre 109 fegyveres minőségű plutónium előállítására. A Krasznojarszk-26 reaktor- és radiokémiai üzemeinek, valamint a kapcsolódó műhelyeknek, laboratóriumoknak és raktáraknak megkülönböztető jellemzője, hogy egy többszintű alagútrendszerben helyezkednek el egy hegység belsejében, 200-250 m mélységben a föld alatt.
A Krasznojarszk-26 reaktortelepet 1958. augusztus 25-én helyezték üzembe, 1964-re már három grafitreaktor működött az üzemben (AD, ADE-1, ADE-2). 1964-ben egy radiokémiai üzem kezdte meg működését a Krasznojarszk-26-ban. (1958-tól 1964-ig a kiégett reaktorfűtőelemeket a Cseljabinszk-65 és/vagy Tomszk-7 erőművekben dolgozták fel.) Az üzem végterméke, a plutónium-dioxid a Cseljabinszk-65 és/vagy a vegyi és kohászati üzemekbe került. Tomszk-7 fém plutónium és fegyveralkatrészek gyártására. 1994 októbere óta az elválasztott plutóniumot oxid formában tárolják az üzem raktáraiban.
A Krasznojarszk-26 két egyszeri reaktorát (AD és ADE-1) 1992-ben leállították.11 A harmadik reaktor kétkörös hűtőrendszerrel rendelkezik, és felépítésében hasonló a Tomszk-7 működő reaktoraihoz. A Tomszk-7-hez hasonlóan a reaktor hőt termel a helyi lakosság számára, és nem lehet leállítani cserekapacitás kiépítése nélkül.
1972-ben megkezdődtek a Krasznojarszk-26 RT-2 radiokémiai üzem komplexumának tervezési munkálatai. A projekttel összhangban az RT-2 erőműnek a VVER-1000 reaktorokból származó üzemanyag radiokémiai feldolgozását kell végeznie. A kiégett fűtőelem-tároló első ütemének építése 1976-ban kezdődött a földalatti komplexumtól 4-5 km-re északra található föld feletti területen. A 6000 tonna fűtőanyag-tárolót 1985 decemberében helyezték üzembe, 1995-re 15-20%-os telítettségű volt.Az RT-2 radiokémiai üzem második ütemének építése is 1500 tonna/év kapacitással. a 70-es évek végén kezdődött. Az elégtelen finanszírozás és a helyi környezetvédelmi mozgalom ellenállása miatt azonban 1989-ben az üzem építését (30%-ban elkészült) befagyasztották. Annak ellenére, hogy az orosz kormány 1995 februárjában úgy döntött, hogy befejezi az építkezést,112 az RT-2 erőmű jövője továbbra is tisztázatlan.
De ahogy a reaktor működik, a plutónium fegyveres minőségű izotópja gyorsan kiég, ennek eredményeként nagyszámú 240 Pu, 241 Pu és 242 Pu izotóp halmozódik fel a reaktorban, amelyek több neutron egymás utáni befogásával jönnek létre - mivel a az égési mélységet általában gazdasági tényezők határozzák meg. Minél kisebb az égési mélység, annál kevesebb 240 Pu, 241 Pu és 242 Pu izotóp tartalmaz majd a besugárzott nukleáris üzemanyagtól elválasztott plutóniumot, de annál kevesebb plutónium képződik az üzemanyagban.
A szinte kizárólag 239 Pu-t tartalmazó fegyverek speciális plutónium előállítására elsősorban azért van szükség, mert a 240 és 242 tömegszámú izotópok magas neutron hátteret hoznak létre, ami megnehezíti a hatékony nukleáris fegyverek tervezését, emellett a 240 Pu és 241 Pu időtartama lényegesen rövidebb. felezési idő, mint 239 Pu, ami miatt a plutónium részek felmelegszenek, és további hőelvezető elemeket kell bevinni az atomfegyver tervezésébe. Ezenkívül a nehéz izotópok bomlástermékei rontják a fém kristályrácsát, ami a plutónium részek alakjának megváltozásához vezethet, ami egy nukleáris robbanószerkezet meghibásodásához vezethet.
Elvileg mindezen nehézségek leküzdhetők, és sikeresen tesztelték a „reaktoros” plutóniumból készült nukleáris robbanószerkezeteket, azonban lőszerben, ahol a kompaktság, a könnyű súly, a megbízhatóság és a tartósság fontos szerepet játszik, kizárólag speciálisan gyártott fegyverminőség plutóniumot használnak. A fémes 240 Pu és 242 Pu kritikus tömege nagyon nagy, a 241 Pu valamivel nagyobb, mint a 239 Pué.
Termelés
Ártalmatlanítás
Az 1990-es évek vége óta az Egyesült Államok és Oroszország megállapodásokat dolgozott ki a fegyveres minőségű plutónium feleslegének ártalmatlanítására.
Lásd még
Megjegyzések
- Kritikus tömeg // Európai nukleáris társadalom (angol)
- Megállapodás az Orosz Föderáció kormánya és az Amerikai Egyesült Államok kormánya között a plutóniumot előállító reaktorokkal kapcsolatos együttműködésről (2003. március 12-én módosított), a Codex JSC.
- Zseleznogorszkban bezárták az ország utolsó reaktorát, amely az elmúlt fél évszázadban fegyveres minőségű plutóniumot állított elő. (határozatlan) . Letöltve: 2014. november 10.
- Ivan Fursov. Urándiéta: Az amerikai atomenergia-ipar üzemanyaghiánnyal nézhet szembe (angol), RT (2013. szeptember 25.). Letöltve: 2013. december 27. "A katonai minőségű plutónium előállítását az Egyesült Államokban (1988-ban) és Oroszországban (1994-ben) is leállították."
- Oroszország nemzetközi együttműködéséről a felesleges fegyvertisztaságú plutónium ártalmatlanítása terén / Orosz Föderáció Külügyminisztériuma, Az Orosz Föderáció Külügyminisztériumának Biztonsági és Leszerelési Ügyek Osztálya, 2001.03.11.
- Ubeev A.V. Megállapodás a plutónium elhelyezéséről / Nukleáris atomsorompó: tömör lexikon, PIR Center
- 2000. évi plutóniumkezelési és -elhelyezési megállapodás / State.gov, Office of the Spokesman, 2010. április 13. (angol)
- Törvényt írtak alá az Oroszország és az Egyesült Államok kormánya közötti, a védelmi célokra már nem szükséges plutónium ártalmatlanításáról szóló megállapodás ratifikálásáról // kremlin.ru, 2011. június 7.
- kremlin.ru,
| Plutónium | |
|---|---|
| Atomszám | 94 |
| Egy egyszerű anyag megjelenése | |
| Az atom tulajdonságai | |
| Atomtömeg (móltömeg) |
244.0642 a. e.m. (/mol) |
| Atomsugár | 151 óra |
| Ionizációs energia (első elektron) |
491,9 (5,10) kJ/mol (eV) |
| Elektronikus konfiguráció | 5f 6 7s 2 |
| Kémiai tulajdonságok | |
| Kovalens sugár | n/a pm |
| Ion sugara | (+4e) 93 (+3e) 108 óra |
| Elektronegativitás (Pauling szerint) |
1,28 |
| Elektróda potenciál | Pu←Pu 4+ -1,25V Pu←Pu 3+ -2.0V Pu←Pu 2+ -1,2V |
| Oxidációs állapotok | 6, 5, 4, 3 |
| Egy egyszerű anyag termodinamikai tulajdonságai | |
| Sűrűség | 19,84 /cm³ |
| Moláris hőkapacitás | 32,77 J/(mol) |
| Hővezető | (6,7) W/( ·) |
| Olvadási hőmérséklet | 914 |
| Olvadáshő | 2,8 kJ/mol |
| Forráshőmérséklet | 3505 |
| Párolgási hő | 343,5 kJ/mol |
| Moláris térfogat | 12,12 cm³/mol |
| Egyszerű anyag kristályrácsa | |
| Rácsszerkezet | monoklinika |
| Rács paraméterei | a=6,183 b=4,822 c=10,963 β=101,8 |
| c/a arány | — |
| Debye hőmérséklet | 162 |
Plutónium- az aktinid csoport radioaktív kémiai eleme, amelyet széles körben használnak a gyártásban nukleáris fegyverek(az úgynevezett „fegyverminőségű plutónium”), valamint (kísérletileg) nukleáris üzemanyagként nukleáris reaktorok számára polgári és kutatási célokra. Az első olyan mesterséges elem, amelyet mérhető mennyiségben nyertek (1942).
A jobb oldali táblázat az α-Pu, a plutónium fő allotróp módosulatának fő tulajdonságait mutatja szobahőmérsékleten és normál nyomáson.
A plutónium története
A 238 Pu plutónium izotópot először 1941. február 23-án állította elő mesterségesen egy amerikai tudóscsoport Glenn Seaborg vezetésével atommagok besugárzásával. uránium deuteronok. Figyelemre méltó, hogy a plutóniumot csak mesterséges előállítás után fedezték fel a természetben: elhanyagolható mennyiségben 239 Pu általában az uránércekben található az urán radioaktív átalakulásának termékeként.
Plutónium megtalálása a természetben
Az uránércekben a neutronok (például a kozmikus sugárzásból származó neutronok) uránmagok általi befogása következtében, neptunium(239 Np), melynek β-bomlási terméke 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.
név eredete plutónium
1930-ban csodálatos hír izgatta a csillagászati világot: új bolygót fedeztek fel, amelynek létezéséről régóta beszélt Percival Lovell csillagász, matematikus, fantasztikus esszék írója a Mars életéről. Sok éves mozgásmegfigyelések alapján UránuszÉs Neptun Lovell arra a következtetésre jutott, hogy a Naprendszerben a Neptunuszon túl kell lennie egy másik, kilencedik bolygónak, amely negyvenszer távolabb van a Naptól, mint a Föld.
Ezt a bolygót, amelynek keringési elemeit Lovell még 1915-ben kiszámította, K. Tombaugh csillagász 1930. január 21-én, 23-án és 29-én a Flagstaff Obszervatóriumban készített fényképeken fedezte fel ( Egyesült Államok) . A bolygót elnevezték Plútó. A 94. elemet, amelyet 1940 végén mesterségesen nyertek magokból, erről a bolygóról nevezték el, amely a Neptunuszon túli Naprendszerben található. atomok uránium amerikai tudósok csoportja G. Seaborg vezetésével.
Fizikai tulajdonságok plutónium
A plutóniumnak 15 izotópja van - A 238-242 tömegszámú izotópokat állítják elő a legnagyobb mennyiségben:
238 Pu -> (felezési idő 86 év, alfa-bomlás) -> 234 U,
Ezt az izotópot szinte kizárólag az űrkutatási célú RTG-kben használják, például minden olyan járművön, amely a Mars pályáján túlra repült.
239 Pu -> (felezési idő 24 360 év, alfa-bomlás) -> 235 U,
Ez az izotóp a legalkalmasabb nukleáris fegyverek és gyorsneutronos atomreaktorok építésére.
240 Pu -> (felezési idő 6580 év, alfa-bomlás) -> 236 U, 241 Pu -> (felezési idő 14,0 év, béta-bomlás) -> 241 Am, 242 Pu -> (felezési idő 370 000 év, alfa) -bomlás) -> 238 U
Ennek a három izotópnak nincs komoly ipari jelentősége, hanem melléktermékként keletkezik, amikor uránt használó atomreaktorokban állítanak elő energiát, több neutron urán-238 atommagok általi egymás utáni befogásával. A 242-es izotóp nukleáris tulajdonságaiban hasonlít leginkább az urán-238-hoz. A 241-es izotóp bomlásával keletkező americium-241-et füstérzékelőkben használták.
A plutónium azért érdekes, mert hat fázisátmeneten megy keresztül a megszilárdulási hőmérsékletéről a szobahőmérsékletre, jobban, mint bármely más kémiai elem. Ez utóbbinál a sűrűség ugrásszerűen, 11%-kal nő, ennek következtében a plutóniumöntvények megrepednek. Az alfa fázis szobahőmérsékleten stabil, ennek jellemzőit a táblázat tartalmazza. Alkalmazáshoz kényelmesebb a delta fázis, amely kisebb sűrűségű, és egy köbös testközpontú rács. A delta fázisban lévő plutónium nagyon képlékeny, míg az alfa fázis rideg. A plutónium delta fázisban való stabilizálására háromértékű fémekkel való adalékolást alkalmaznak (az első nukleáris töltéseknél galliumot használtak).
A plutónium alkalmazásai
Az első plutónium alapú nukleáris eszközt 1945. július 16-án robbantották fel az alamogordo-i kísérleti helyszínen (Trinity kódnéven).
A plutónium biológiai szerepe
A plutónium erősen mérgező; A 239 Pu megengedett legnagyobb koncentrációja a nyílt víztestekben és a munkatermek levegőjében 81,4, illetve 3,3 * 10 −5 Bq/l. A plutónium legtöbb izotópjának nagy az ionizációs sűrűsége és rövid a részecskeúthossza, így toxicitása nem annyira kémiai tulajdonságainak köszönhető (a plutónium valószínűleg nem mérgezőbb ebből a szempontból, mint más nehézfémek), hanem inkább az ionizáló hatásnak. a környező testszöveteken. A plutónium a különösen nagy radiotoxicitású elemek csoportjába tartozik. A szervezetben a plutónium nagy visszafordíthatatlan változásokat idéz elő a csontvázban, a májban, a lépben és a vesékben, és rákot okoz. A szervezetben megengedett legnagyobb plutóniumtartalom nem haladhatja meg a tized mikrogrammot.
A témához kapcsolódó alkotások plutónium
- A plutóniumot a De Lorean DMC-12 géphez használták a Vissza a jövőbe című filmben, üzemanyagként egy fluxus-akkumulátorhoz, amely a jövőbe vagy a múltba utazhat.
- Plutóniumból készült a terroristák által az amerikai Denverben felrobbantott atombomba töltete Tom Clancy „A világ minden félelme” című művében.
- Kenzaburo Oe „Egy csipetnyi futó jegyzetei”
— 2006-ban a Beacon Pictures kiadta a Plutónium-239 című filmet ( "Pu-239")
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 összehasonlítjuk a nukleáris plutóniumot a tiszta fémmel, akkor az izotóp fémes paraméterei magasabbak, és nincsenek átmeneti fázisai, ezért széles körben használják a fűtőelemek beszerzésének 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.
A fegyvertisztaságú plutóniumot speciális ipari nukleáris reaktorokban állítják elő, amelyek természetes vagy alacsony dúsítású uránnal működnek a neutronok befogása eredményeként.