플루토늄(라틴어 플루토늄, 기호 Pu)은 원자 번호 94, 원자량 244.064의 방사성 화학 원소입니다. 플루토늄은 드미트리 이바노비치 멘델레예프의 주기율표 III족에 속하며 악티늄족에 속합니다. 플루토늄은 무거운(정상 조건에서의 밀도 19.84g/cm3) 은백색의 부서지기 쉬운 방사성 금속입니다.
플루토늄에는 안정한 동위원소가 없습니다. 100가지의 플루토늄 동위원소 중에서 25가지가 합성되었습니다. 그 중 15개의 핵 특성이 연구되었습니다(질량수 232-246). 네 가지가 실제적인 적용을 찾았습니다. 가장 긴 동위원소는 244Pu(반감기 8.26~107년), 242Pu(반감기 3.76~105년), 239Pu(반감기 2.41~104년), 238Pu(반감기 87.74년)이다. 이미터 및 241Pu(반감기 14년) - β-이미터. 자연에서 플루토늄은 우라늄 광석(239Pu)에서 무시할 수 있는 양으로 발생합니다. 그것은 중성자의 영향으로 우라늄으로 형성되며, 그 원인은 α 입자와 가벼운 원소 (광석에 포함됨), 우라늄 핵의 자발적인 핵분열 및 우주 방사선과의 상호 작용 중에 발생하는 반응입니다.
94번째 원소는 1940년 버클리(캘리포니아 대학교)에서 글렌 시보그(Glenn Seaborg), 케네디(Kennedy), 에드윈 맥밀런(Edwin McMillan), 아서 월(Arthur Wahl) 등 미국 과학자 그룹이 고도로 가속된 중수소 핵에 의해 산화우라늄(U3O8) 표적을 폭격할 때 발견되었습니다. (듀테론)은 60인치 사이클로트론에서 발생합니다. 1940년 5월 루이스 터너는 플루토늄의 특성을 예측했습니다.
1940년 12월 반감기가 ~90년인 플루토늄 동위원소 Pu-238이 발견되었고, 1년 후에는 반감기가 ~24,000년인 더 중요한 Pu-239가 발견되었습니다.
1948년 에드윈 맥밀런(Edwin MacMillan)은 새로운 행성 명왕성의 발견을 기념하고 해왕성의 발견 이후 명명된 넵투늄과 유사하게 화학 원소의 이름을 플루토늄으로 명명할 것을 제안했습니다.
금속 플루토늄(239Pu 동위원소)은 핵무기에 사용되며 열중성자, 특히 빠른 중성자로 작동하는 동력로에서 핵연료로 사용됩니다. 금속인 239Pu의 임계 질량은 5.6kg입니다. 무엇보다도 239Pu 동위원소는 원자로에서 트랜스플루토늄 원소 생산을 위한 출발 물질입니다. 238Pu 동위원소는 우주 연구에 사용되는 소형 원자력 발전소는 물론 인간의 심장 자극제에도 사용됩니다.
플루토늄-242는 원자로에서 더 높은 수준의 초우라늄 원소를 상대적으로 빠르게 축적하기 위한 "원료"로서 중요합니다. δ-안정화 플루토늄 합금은 가열 시 상전이를 겪는 순수 플루토늄에 비해 야금학적 특성이 더 우수하기 때문에 연료 전지 제조에 사용됩니다. 플루토늄 산화물은 우주 기술의 에너지원으로 사용되며 연료봉에 적용됩니다.
모든 플루토늄 화합물은 독성이 있으며 이는 α 방사선의 결과입니다. 알파 입자는 그 근원이 감염된 사람의 신체에 있는 경우 심각한 위험을 초래하며 신체 주변 조직을 손상시킵니다. 플루토늄의 감마선은 신체에 위험하지 않습니다. 플루토늄의 동위원소마다 독성이 다르다는 점을 고려해 볼 가치가 있습니다. 예를 들어 일반적인 원자로 플루토늄은 알파 방사선의 강력한 원천인 240Pu 핵종에 의해 지배되기 때문에 순수한 239Pu보다 독성이 8~10배 더 높습니다. 플루토늄은 모든 악티나이드 중에서 가장 방사성 독성이 강한 원소이지만 라듐은 가장 유독한 플루토늄 동위원소인 239Pu보다 거의 천 배 더 위험하기 때문에 가장 위험한 원소와는 거리가 먼 것으로 간주됩니다.
생물학적 특성
플루토늄은 해양 유기체에 의해 농축됩니다. 조류에 대한 이 방사성 금속의 축적 계수(신체 및 외부 환경의 농도 비율)는 1000-9000, 플랑크톤의 경우 - 약 2300, 불가사리의 경우 - 약 1000, 연체동물의 경우 - 물고기의 근육, 뼈, 간 및 위의 경우 최대 380 - 각각 5, 570, 200 및 1060. 육상 식물은 주로 뿌리 시스템을 통해 플루토늄을 흡수하여 질량의 0.01%까지 축적합니다. 인체에서 94번째 요소는 주로 골격과 간에 유지되며 거의 배설되지 않습니다(특히 뼈에서).
플루토늄은 독성이 매우 높으며 다른 중금속과 마찬가지로 알파 방사선의 결과인 방사성 독성에 비해 화학적 위험(다른 중금속과 마찬가지로)이 훨씬 약합니다(화학적 관점에서 볼 때 납과 마찬가지로 독성이 있음). 더욱이 α 입자는 침투 능력이 상대적으로 낮습니다. 239Pu의 경우 공기 중 α 입자 범위는 3.7cm이고 연조직에서는 43μm입니다. 따라서 알파 입자의 출처가 감염된 사람의 신체에 있는 경우 알파 입자는 심각한 위험을 초래합니다. 동시에, 그들은 요소를 둘러싼 신체 조직을 손상시킵니다.
동시에 플루토늄도 방출하고 외부에서 신체에 침투할 수 있는 γ선과 중성자는 그 수준이 너무 낮아 건강에 해를 끼칠 수 없기 때문에 그다지 위험하지 않습니다. 플루토늄은 방사능 독성이 특히 높은 원소 그룹에 속합니다. 동시에, 플루토늄의 다양한 동위원소는 독성이 다릅니다. 예를 들어 일반적인 원자로 플루토늄은 알파 방사선의 강력한 원천인 240Pu 핵종에 의해 지배되기 때문에 순수한 239Pu보다 독성이 8~10배 더 높습니다.
물과 음식을 통해 섭취할 때 플루토늄은 카페인, 일부 비타민, 슈도에페드린, 많은 식물 및 곰팡이와 같은 물질보다 독성이 적습니다. 이는 이 성분이 위장관에 잘 흡수되지 않는다는 사실로 설명됩니다. 심지어 수용성 염의 형태로 공급되더라도 이 동일한 염은 위와 장의 내용물에 묶여 있습니다. 그러나 잘게 분할되거나 용해된 플루토늄 0.5g을 섭취하면 며칠 또는 몇 주 내에 급성 소화 방사선 조사로 사망할 수 있습니다(시안화물의 경우 이 값은 0.1g).
흡입의 관점에서 볼 때 플루토늄은 일반적인 독소입니다(수은 증기와 거의 동일함). 흡입 시 플루토늄은 발암성이 있으며 폐암을 유발할 수 있습니다. 따라서 흡입 시 폐에 머무르기에 최적인 크기(1-3 미크론)의 입자 형태로 된 100mg의 플루토늄은 1-10일 내에 폐부종으로 사망하게 됩니다. 20mg을 투여하면 약 한 달 안에 섬유증으로 사망합니다. 더 적은 양을 투여하면 만성 발암성 중독이 발생합니다. 플루토늄이 에어로졸을 형성하기 쉽기 때문에 플루토늄이 신체로 흡입될 위험이 증가합니다.
금속임에도 불구하고 휘발성이 매우 높습니다. 방에 금속을 잠시 머무르게 하면 공기 중 금속 농도가 크게 증가합니다. 폐로 들어간 플루토늄은 부분적으로 폐 표면에 침전되고 부분적으로 혈액으로 들어간 다음 림프와 골수로 들어갑니다. 대부분(약 60%)은 뼈 조직에, 30%는 간으로, 10%만이 자연적으로 배설됩니다. 신체에 유입되는 플루토늄의 양은 에어로졸 입자의 크기와 혈액 내 용해도에 따라 달라집니다.
어떤 식 으로든 인체에 들어가는 플루토늄은 제 2 철과 특성이 유사하므로 순환계에 침투하여 플루토늄은 철을 포함하는 조직, 즉 골수, 간, 비장에 집중되기 시작합니다. 신체는 플루토늄을 철로 인식하므로 트랜스페린 단백질은 철 대신 플루토늄을 섭취하여 결과적으로 신체의 산소 전달이 중단됩니다. 마이크로파지는 플루토늄을 림프절로 운반합니다. 몸에 들어간 플루토늄은 몸에서 제거되는 데 매우 오랜 시간이 걸립니다. 50년 이내에 몸에서 80%만 제거됩니다. 간의 반감기는 40년이다. 뼈 조직의 경우 플루토늄의 반감기는 80~100년이며 실제로 뼈 속 94번 원소의 농도는 일정합니다.
제2차 세계대전 기간과 전쟁이 끝난 후 맨해튼 프로젝트에 참여한 과학자들과 제3제국의 과학자 및 기타 연구 기관들은 동물과 인간을 대상으로 플루토늄을 사용하는 실험을 수행했습니다. 동물 연구에 따르면 조직 1kg당 몇 밀리그램의 플루토늄이 치사량에 해당하는 것으로 나타났습니다. 인간의 플루토늄 사용은 일반적으로 만성 질환 환자에게 근육 주사되는 플루토늄 5mcg으로 구성됩니다. 결국 환자에게 가해지는 치사량은 플루토늄 1마이크로그램이며, 플루토늄은 라듐보다 더 위험하고 뼈에 축적되는 경향이 있다는 것이 밝혀졌습니다.
알려진 바와 같이, 플루토늄은 실제로 자연에 존재하지 않는 원소입니다. 그러나 1945년부터 1963년까지의 핵실험 결과 약 5톤이 대기로 방출되었습니다. 1980년대 이전 핵실험으로 인해 대기로 방출된 플루토늄의 총량은 10톤으로 추산된다. 일부 추정에 따르면 미국의 토양에는 낙진 1km2당 평균 2밀리큐리(28mg)의 플루토늄이 포함되어 있으며, 태평양의 플루토늄 발생은 지구상의 전체 핵물질 분포에 비해 상대적으로 높습니다.
최근의 현상은 1950년대 중반 미국이 마샬군도의 태평양 시험장에서 행한 핵실험과 관련이 있다. 표층수에서 플루토늄의 체류 시간은 6~21년이지만, 이 기간이 지난 후에도 플루토늄은 생물 입자와 함께 바닥으로 떨어지며, 미생물 분해로 인해 가용성 형태로 감소됩니다.
94번째 원소로 인한 세계 오염은 핵실험뿐 아니라 이 원소와 상호작용하는 생산 및 장비 사고와도 관련이 있습니다. 그래서 1968년 1월에 4개의 핵탄두를 탑재한 미 공군 B-52가 그린란드에 추락했습니다. 폭발로 인해 전하가 파괴되고 플루토늄이 바다로 유출되었습니다.
사고로 인한 또 다른 환경 방사능 오염 사례는 1978년 1월 24일 소련 우주선 코스모스-954에서 발생했습니다. 통제되지 않은 궤도 이탈로 인해 원자력 발전소를 탑재한 위성이 캐나다 영토에 떨어졌습니다. 사고의 결과로 1kg 이상의 플루토늄-238이 환경으로 방출되어 약 124,000m²의 지역에 퍼졌습니다.
방사성 물질이 환경에 긴급 누출된 가장 끔찍한 사례는 1986년 4월 26일 발생한 체르노빌 원자력 발전소 사고입니다. 네 번째 발전소의 파괴로 인해 약 2200km²의 면적에 걸쳐 190톤의 방사성 물질(플루토늄 동위원소 포함)이 환경으로 방출되었습니다.
플루토늄이 환경으로 방출되는 것은 인재에만 관련된 것이 아닙니다. 실험실과 공장 모두에서 플루토늄 누출 사례가 알려져 있습니다. 235U 및 239Pu 실험실에서 20건 이상의 우발적인 누출이 발생한 것으로 알려져 있습니다. 1953-1978년 동안. 사고로 인해 0.81(Mayak, 1953년 3월 15일)에서 10.1kg(Tomsk, 1978년 12월 13일) 239Pu의 손실이 발생했습니다. 로스앨러모스(1945년 8월 21일, 1946년 5월 21일)에서는 두 건의 사고와 6.2kg의 플루토늄 손실로 인해 총 2명의 산업재해가 발생했다. 1953년과 1963년 사로프 시에서. 약 8kg과 17.35kg이 원자로 외부로 떨어졌습니다. 그 중 하나는 1953년 원자로의 파괴로 이어졌습니다.
238Pu 핵이 중성자와 분열하면 200MeV의 에너지가 방출됩니다. 이는 가장 유명한 발열 반응인 C + O2 → CO2보다 5천만 배 더 많은 에너지입니다. 원자로에서 플루토늄 1g을 "연소"하면 2,107kcal이 생성됩니다. 이는 석탄 4톤에 포함된 에너지입니다. 에너지 환산으로 플루토늄 연료 골무 하나는 좋은 장작 마차 40대와 맞먹을 수 있습니다!
플루토늄(244Pu)의 "천연 동위원소"는 모든 초우라늄 원소 중 가장 오래 지속되는 동위원소로 여겨집니다. 반감기는 8.26∙107년이다. 과학자들은 244Pu보다 오래 존재할 수 있는 초우라늄 원소의 동위원소를 얻기 위해 오랫동안 노력해 왔습니다. 이와 관련하여 큰 희망은 247Cm에 고정되어 있습니다. 그러나 합성 후 이 원소의 반감기는 1400만년에 불과한 것으로 밝혀졌습니다.
이야기
1934년에 엔리코 페르미(Enrico Fermi)가 이끄는 과학자 그룹은 로마 대학교에서 과학 연구를 하는 동안 일련 번호 94의 화학 원소를 발견했다고 발표했습니다. 페르미의 주장에 따라 그 원소는 헤스페륨으로 명명되었고 과학자는 그가 그는 현재 플루토늄이라고 불리는 새로운 원소를 발견하여 초우라늄 원소의 존재를 암시하고 그 이론적 발견자가 되었습니다. 페르미는 1938년 노벨 강연에서 이 가설을 옹호했습니다. 독일 과학자 오토 프리슈(Otto Frisch)와 프리츠 슈트라스만(Fritz Strassmann)이 핵분열을 발견한 후에야 페르미는 1939년 스톡홀름에서 출판된 인쇄본에 "초우라늄 원소의 전체 문제"를 재고할 필요성을 나타내는 메모를 작성해야 했습니다. 사실 Frisch와 Strassmann의 연구는 Fermi가 실험에서 발견한 활동이 이전에 믿었던 것처럼 초우라늄 원소의 발견에 의한 것이 아니라 정확히 핵분열에 의한 것임을 보여주었습니다.
1940년 말에 새로운 원소 94번이 발견되었습니다. 캘리포니아 대학교 버클리에서 일어난 일입니다. 글렌 T. 시보그(Glenn T. Seaborg)가 이끄는 미국 방사화학자 그룹은 산화우라늄(U3O8)에 중수소 핵(중수소)을 충돌시켜 반감기가 90년인 이전에 알려지지 않은 알파 입자 방출기를 발견했습니다. 이 방사체는 질량수 238의 94번 원소의 동위원소로 밝혀졌습니다. 따라서 1940년 12월 14일에 다른 원소 및 그 화합물의 혼합물과 함께 최초의 마이크로그램 양의 플루토늄이 얻어졌습니다.
1940년에 수행된 실험에서 핵반응 중에 짧은 수명의 동위원소인 넵투늄-238이 처음 생성되고(반감기 2.117일) 이로부터 플루토늄-238이 발견되었습니다.
23392U (d,2n) → 23893Np → (β−) 23894Pu
새로운 원소를 불순물로부터 분리하기 위한 길고 힘든 화학 실험은 두 달 동안 지속되었습니다. 새로운 화학 원소의 존재는 1941년 2월 23~24일 밤에 G. T. Seaborg, E. M. Macmillan, J. W. Kennedy 및 A. C. Wall에 의해 첫 번째 화학적 특성(최소 2개 이상의 산화를 갖는 능력)에 대한 연구를 통해 확인되었습니다. 상태. 실험이 끝난 후 조금 늦게 이 동위원소는 비핵분열성이므로 추가 연구에 흥미롭지 않다는 것이 확인되었습니다. 곧(1941년 3월) Kennedy, Seaborg, Segre 및 Wahl은 사이클로트론에서 고도로 가속된 중성자로 우라늄을 조사하여 더 중요한 동위원소인 플루토늄-239를 합성했습니다. 이 동위원소는 넵투늄-239의 붕괴로 형성되며 알파선을 방출하고 반감기는 24,000년입니다. 1942년에 처음으로 순수 원소 화합물이 얻어졌고, 1943년에 처음으로 중량량의 금속 플루토늄이 얻어졌습니다.
새로운 원소 94의 이름은 1948년 MacMillan에 의해 제안되었습니다. MacMillan은 플루토늄이 발견되기 몇 달 전 F. Eibelson과 함께 우라늄보다 무거운 최초의 원소인 93번 원소를 얻었으며 이를 기념하여 넵투늄이라고 명명했습니다. 해왕성 - 천왕성을 넘어선 최초의 행성. 비유적으로 그들은 명왕성이 천왕성 다음으로 두 번째이기 때문에 원소 번호 94를 플루토늄이라고 부르기로 결정했습니다. 이에 대해 Seaborg는 새로운 원소를 "플루토늄"이라고 부르자고 제안했지만, 그 이름이 "플루토늄"에 비해 그다지 좋게 들리지 않는다는 것을 깨달았습니다. 또한 그는 플루토늄이 주기율표의 마지막 화학 원소가 될 것이라는 잘못된 판단으로 인해 새로운 원소에 대해 울티늄(ultimium), 엑스테르미움(extermium)이라는 다른 이름을 제시했습니다. 그 결과, 이 원소는 태양계 마지막 행성의 발견을 기념하여 '플루토늄'으로 명명되었습니다.
자연 속에 존재하기
가장 오래 지속되는 플루토늄 동위원소의 반감기는 7,500만 년입니다. 그 수치는 매우 인상적이지만 은하계의 나이는 수십억 년으로 측정됩니다. 이로 인해 우주 요소의 대규모 합성 과정에서 형성된 94번째 원소의 주요 동위원소는 오늘날까지 살아남을 기회가 없었습니다. 그러나 이것이 지구에 플루토늄이 전혀 없다는 의미는 아닙니다. 우라늄 광석에서 지속적으로 형성됩니다. 우주 방사선에서 중성자를 포착하고 238U 핵의 자발적인 핵분열로 생성된 중성자를 포착함으로써 이 동위원소의 일부(극소수) 원자가 239U 원자로 변합니다. 이 원소의 핵은 매우 불안정하여 전자를 방출하여 전하를 증가시키고 첫 번째 초우라늄 원소인 넵투늄이 형성됩니다. 239Np도 불안정하고 핵도 전자를 방출하므로 단 56시간 만에 239Np의 절반이 239Pu로 변합니다.
이 동위원소의 반감기는 이미 매우 길어서 24,000년에 이릅니다. 평균적으로 239Pu의 함량은 라듐의 함량보다 약 400,000배 적습니다. 따라서 채굴뿐만 아니라 "지상" 플루토늄을 탐지하는 것조차 극도로 어렵습니다. 소량의 239Pu(1조분의 1)와 붕괴 생성물은 우라늄 광석(서아프리카 가봉 오클로의 천연 원자로)에서 발견될 수 있습니다. 소위 "천연 원자로"는 현재 악티늄족 원소와 그 핵분열 생성물이 지구권에서 형성되고 있는 세계 유일의 원자로로 간주됩니다. 현대의 추정에 따르면, 이 지역에서는 수백만 년 전에 열 방출과 관련된 자립적 반응이 일어났으며, 이는 50만 년 이상 지속되었습니다.
따라서 우리는 우라늄 광석에서 우라늄 핵이 중성자를 포획한 결과 넵투늄(239Np)이 형성되고 그 베타 붕괴 생성물이 천연 플루토늄-239라는 것을 이미 알고 있습니다. 특수 장비인 질량 분석기 덕분에 가장 긴 반감기(약 8천만 년)를 갖는 플루토늄-244(244Pu)의 존재가 선캄브리아기 바스트네사이트(세륨 광석)에서 발견되었습니다. 자연에서 244Pu는 주로 이산화물(PuO2) 형태로 발견되는데, 이는 모래(석영)보다 물에 덜 용해됩니다. 비교적 수명이 긴 동위원소 플루토늄-240(240Pu)은 플루토늄-244의 붕괴 사슬에 있기 때문에 붕괴가 발생하지만 이는 매우 드물게 발생합니다(10,000건 중 1건). 매우 적은 양의 플루토늄-238(238Pu)은 우라늄 광석에서 발견되는 모 동위원소인 우라늄-238의 매우 드문 이중 베타 붕괴로 인해 발생합니다.
열핵폭탄 폭발 후 수집된 먼지에서 동위원소 247Pu와 255Pu의 흔적이 발견되었습니다.
플루토늄과 관련하여 어떤 식으로든 수많은 핵실험이 수행되었다는 점을 고려하면 최소한의 양의 플루토늄이 인체에 가설적으로 존재할 수 있습니다. 플루토늄은 주로 골격과 간에 축적되며 실제로 배설되지 않습니다. 게다가 94번 원소는 해양 유기체에 의해 축적됩니다. 육상 식물은 주로 뿌리 시스템을 통해 플루토늄을 흡수합니다.
인위적으로 합성된 플루토늄은 자연계에 여전히 존재하는 것으로 밝혀졌는데, 왜 채굴하지 않고 인위적으로 획득하는 걸까요? 사실은 이 원소의 농도가 너무 낮다는 것입니다. 또 다른 방사성 금속인 라듐에 대해 그들은 "1g의 생산-1년의 작업"이라고 말하며 자연의 라듐은 플루토늄보다 400,000배 더 풍부합니다! 이러한 이유로 채굴뿐만 아니라 "지상" 플루토늄을 탐지하는 것조차 극도로 어렵습니다. 이는 원자로에서 생산된 플루토늄의 물리적, 화학적 특성이 연구된 후에만 수행되었습니다.
애플리케이션
239Pu 동위원소(U와 함께)는 열중성자 및 고속 중성자(주로)로 작동하는 동력로와 핵무기 제조에서 핵연료로 사용됩니다.
전 세계적으로 약 5,000개의 원자력 발전소가 약 370GW의 전력을 생산합니다(또는 전 세계 총 전력 생산량의 15%). 플루토늄-236은 수명이 5년 이상인 원자 전기 배터리 제조에 사용되며 심장을 자극하는 전류 발생기(심박 조율기)에 사용됩니다. 238Pu는 우주연구에 사용되는 소형 원자력발전소에 사용된다. 따라서 플루토늄-238은 뉴호라이즌스(New Horizons), 갈릴레오(Galileo), 카시니(Cassini) 탐사선, 큐리오시티(Curiosity) 탐사선 및 기타 우주선의 전력원입니다.
핵무기는 플루토늄-239를 사용하는데, 그 이유는 이 동위원소가 핵폭탄에 사용하기에 적합한 유일한 핵종이기 때문입니다. 또한, 핵폭탄에 플루토늄-239가 더 빈번하게 사용되는 것은 플루토늄이 구체(폭탄 코어가 위치한 곳)에서 더 적은 부피를 차지하기 때문이며, 이로 인해 폭탄의 폭발력을 얻을 수 있습니다. 재산.
플루토늄과 관련된 핵폭발이 발생하는 방식은 폭탄 자체의 설계에 있으며, 핵은 239Pu로 채워진 구체로 구성됩니다. 지면과 충돌하는 순간 구체는 설계와 이 구체를 둘러싼 폭발물 덕분에 백만 기압으로 압축됩니다. 충격 후 코어는 가능한 가장 짧은 시간(수십 마이크로초)에 부피와 밀도가 팽창하고 어셈블리는 열 중성자로 임계 상태를 뛰어넘고 빠른 중성자로 초임계 상태로 들어갑니다. 핵 연쇄 반응은 다음의 참여로 시작됩니다. 원소의 중성자와 핵. 핵폭탄의 최종 폭발은 수천만 도 정도의 온도를 방출합니다.
플루토늄 동위원소는 트랜스플루토늄(플루토늄 옆) 원소의 합성에 사용되는 것으로 나타났습니다. 예를 들어 Oak Ridge 국립 연구소에서는 239Pu, 24496Cm, 24296Cm, 24997Bk, 25298Cf, 25399Es 및 257100Fm의 장기 중성자 조사를 얻습니다. 같은 방식으로 아메리슘 24195Am이 1944년에 처음 획득되었습니다. 2010년에는 칼슘-48 이온이 충돌한 플루토늄-242 산화물이 우운콰듐의 공급원이 되었습니다.
δ-안정화 플루토늄 합금은 연료봉 제조에 사용되는데, 그 이유는 순수 플루토늄에 비해 야금학적 특성이 훨씬 더 우수하기 때문입니다. 순수 플루토늄은 가열 시 상전이를 겪고 매우 부서지기 쉽고 신뢰할 수 없는 재료입니다. 플루토늄과 다른 원소(금속간 화합물)의 합금은 일반적으로 필요한 비율로 원소의 직접적인 상호 작용에 의해 얻어지지만 아크 용융이 주로 사용됩니다. 때로는 불안정한 합금이 스프레이 증착 또는 용융물의 냉각에 의해 얻어집니다.
플루토늄의 주요 산업용 합금 원소는 갈륨, 알루미늄, 철이지만 플루토늄은 드물게 예외(칼륨, 나트륨, 리튬, 루비듐, 마그네슘, 칼슘, 스트론튬, 바륨, 유로뮴 및 이테르븀)를 제외한 대부분의 금속과 합금 및 중간체를 형성할 수 있습니다. . 내화성 금속: 몰리브덴, 니오븀, 크롬, 탄탈륨 및 텅스텐은 액체 플루토늄에 용해되지만 고체 플루토늄에는 거의 용해되지 않거나 약간 용해됩니다. 인듐, 실리콘, 아연 및 지르코늄은 급속 냉각 시 준안정 δ-플루토늄(δ"상)을 형성할 수 있습니다. 갈륨, 알루미늄, 아메리슘, 스칸듐 및 세륨은 실온에서 δ-플루토늄을 안정화할 수 있습니다.
다량의 홀뮴, 하프늄 및 탈륨을 사용하면 일부 δ-플루토늄을 실온에서 저장할 수 있습니다. 넵투늄은 고온에서 α-플루토늄을 안정화할 수 있는 유일한 원소입니다. 티타늄, 하프늄 및 지르코늄은 급속 냉각될 때 실온에서 β-플루토늄의 구조를 안정화시킵니다. 이러한 합금의 용도는 매우 다양합니다. 예를 들어, 플루토늄-갈륨 합금은 플루토늄의 δ 상을 안정화하는 데 사용되며 이는 α-δ 상 전이를 방지합니다. 플루토늄-갈륨-코발트 3원 합금(PuGaCo5)은 18.5K에서 초전도 합금입니다. 핵 연료로 사용되는 합금(플루토늄-지르코늄, 플루토늄-세륨 및 플루토늄-세륨-코발트)이 많이 있습니다.
생산
산업용 플루토늄은 두 가지 방법으로 생산됩니다. 이는 원자로에 포함된 238U 핵을 조사하거나 사용후 연료에 포함된 우라늄, 초우라늄 원소 및 핵분열 생성물로부터 플루토늄을 방사화학적 방법(공침, 추출, 이온 교환 등)으로 분리하는 것입니다.
첫 번째 경우, 가장 실용적인 동위원소 239Pu(240Pu의 작은 혼합물과 혼합)는 β-붕괴를 사용하는 우라늄 핵과 중성자의 참여와 중간 핵분열 생성물로 넵투늄 동위원소의 참여로 원자로에서 생산됩니다.
23892U + 21D → 23893Np + 210n;
23893Np → 23894Pu
β-붕괴
이 과정에서 중수소 하나가 우라늄-238에 들어가고, 그 결과 넵투늄-238과 두 개의 중성자가 형성됩니다. 넵투늄-238은 자연적으로 핵분열하여 플루토늄-238을 형성하는 베타 마이너스 입자를 방출합니다.
일반적으로 혼합물의 239Pu 함량은 90-95%, 240Pu는 1-7%이며, 기타 동위원소의 함량은 1/10%를 초과하지 않습니다. 반감기가 긴 동위원소(242Pu 및 244Pu)는 239Pu 중성자를 장기간 조사하여 얻습니다. 더욱이, 242Pu의 수율은 수십 퍼센트이고, 244Pu는 242Pu 함량의 몇 퍼센트에 불과합니다. 넵투늄-237에 중성자를 조사하면 소량의 동위원소적으로 순수한 플루토늄-238이 형성됩니다. 질량수가 232-237인 플루토늄의 가벼운 동위원소는 일반적으로 우라늄 동위원소에 α 입자를 조사하여 사이클로트론에서 얻습니다.
239Pu를 산업적으로 생산하는 두 번째 방법은 경질 희석제에 인산 트리부틸을 사용하여 추출하는 Purex 공정을 사용합니다. 첫 번째 사이클에서는 핵분열 생성물로부터 Pu와 U가 함께 정제된 후 분리됩니다. 두 번째와 세 번째 사이클에서는 플루토늄이 더욱 정제되고 농축됩니다. 이러한 공정의 계획은 분리되는 원소의 4가 및 6가 화합물의 특성 차이에 기초합니다.
처음에는 사용후 연료봉을 해체하고 사용후 플루토늄과 우라늄을 포함하는 피복재를 물리적, 화학적 방법으로 제거합니다. 다음으로 추출된 핵연료를 질산에 용해시킨다. 결국 용해되면 강력한 산화제가 되어 우라늄, 플루토늄, 불순물 등이 산화된다. 원자가가 0인 플루토늄 원자는 Pu+6으로 변환되고, 플루토늄과 우라늄이 모두 용해됩니다. 이러한 용액에서 94번째 원소는 이산화황을 사용하여 3가 상태로 환원된 다음 불화란타늄(LaF3)으로 침전됩니다.
그러나 퇴적물에는 플루토늄 외에도 넵투늄과 희토류 원소가 포함되어 있지만 대부분의 우라늄은 용액에 남아 있습니다. 다음으로, 플루토늄은 다시 Pu+6으로 산화되고 불화란타늄이 다시 첨가됩니다. 이제 희토류 원소가 침전되고 플루토늄은 용액에 남아 있습니다. 다음으로, 넵투늄은 브롬산 칼륨을 사용하여 4가 상태로 산화됩니다. 이 시약은 플루토늄에 영향을 미치지 않기 때문에 동일한 불화 란타늄으로 2차 침전 중에 3가 플루토늄이 침전물로 전달되고 넵투늄은 용액에 남아 있습니다. 이러한 작업의 최종 생성물은 플루토늄 함유 화합물(PuO2 이산화물 또는 불화물(PuF3 또는 PuF4))이며, 이로부터 금속 플루토늄이 얻어집니다(바륨, 칼슘 또는 리튬 증기로 환원).
보다 순수한 플루토늄은 텅스텐 또는 탄탈륨 음극을 사용하여 칼륨, 나트륨 및 염화플루토늄 전해질을 사용하여 700°C의 전기분해 전지에서 수행되는 열화학적으로 생성된 금속을 전해 정제하여 얻을 수 있습니다. 이렇게 얻은 플루토늄은 순도 99.99%이다.
대량의 플루토늄을 생산하기 위해 소위 "번식자"(영어 동사에서 번식 - 증식)라고 불리는 증식 원자로가 건설됩니다. 이 원자로라는 이름은 핵분열성 물질을 얻는 데 드는 비용을 초과하는 양으로 핵분열성 물질을 생산할 수 있는 능력 때문에 붙여진 이름입니다. 이 유형의 원자로와 다른 원자로의 차이점은 가능한 한 많은 원자로가 238U와 반응하기 위해 원자로의 중성자가 느려지지 않는다는 것입니다(예: 흑연과 같은 감속재가 없음).
반응 후 239U 원자가 형성되고, 이는 이후 239Pu를 형성합니다. 열화 이산화우라늄(UO2)에 PuO2를 포함하는 원자로의 노심은 훨씬 더 열화된 이산화우라늄-238(238UO2) 껍질로 둘러싸여 있으며, 그 안에서 239Pu가 형성됩니다. 238U와 235U를 함께 사용하면 "육종자"는 다른 원자로보다 천연 우라늄에서 50~60배 더 많은 에너지를 생산할 수 있습니다. 그러나 이러한 원자로에는 큰 단점이 있습니다. 연료봉은 물이 아닌 다른 매체로 냉각되어야 하므로 에너지가 감소합니다. 따라서 액체 나트륨을 냉각수로 사용하기로 결정했습니다.
미국에서 이러한 원자로 건설은 제2차 세계대전이 끝난 후 시작되었으며, 소련과 영국은 1950년대에야 건설을 시작했습니다.
물리적 특성
플루토늄은 니켈과 매우 유사한 정제된 상태의 매우 무거운(정상 밀도 19.84g/cm3) 은빛 금속이지만, 공기 중에서 플루토늄은 빠르게 산화되고 퇴색되어 무지개 빛깔의 필름을 형성하고 처음에는 연한 노란색을 띠다가 진한 보라색으로 변합니다. . 산화가 심해지면 금속 표면에 올리브 그린 산화물 분말(PuO2)이 나타난다.
플루토늄은 우라늄보다 훨씬 더 전기음성도가 높고 반응성이 높은 금속입니다. 7가지 동소체 변형(α, β, γ, δ, δ", ε 및 ζ)이 있으며 이는 특정 온도 범위와 특정 압력 범위에서 변합니다. 실온에서 플루토늄은 α 형태입니다. 플루토늄에 대한 가장 일반적인 동소체 변형 알파상에서 순수한 플루토늄은 부서지기 쉽고 매우 단단합니다. 이 구조는 다른 금속과 합금되지 않는 한 회주철만큼 단단하여 합금에 연성과 부드러움을 부여합니다. 또한, 이 최고 밀도 형태에서 플루토늄은 여섯 번째로 밀도가 높은 원소입니다(오스뮴, 이리듐, 백금, 레늄 및 넵투늄만 더 무겁습니다. 플루토늄의 추가 동소체 변형은 밀도의 급격한 변화를 동반합니다. 예를 들어 310°C에서 480°C로 가열하면 , 이는 다른 금속처럼 팽창하지 않지만 수축합니다(델타 상 "및 "델타 프라임"). 녹을 때(엡실론 상에서 액체 상으로 전환) 플루토늄도 수축하여 녹지 않은 플루토늄이 부유할 수 있게 합니다.
플루토늄은 많은 특이한 특성을 가지고 있습니다. 모든 금속 중 가장 낮은 열전도도를 가지고 있습니다. 300K에서는 6.7W/(mK)입니다. 플루토늄은 전기 전도성이 가장 낮습니다. 액체 상태에서 플루토늄은 가장 점성이 높은 금속입니다. 실온에서 94번째 요소의 저항률은 금속의 경우 매우 높으며, 이 특성은 온도가 감소함에 따라 증가하는데, 이는 금속의 경우 일반적이지 않습니다. 이 "이상 현상"은 최대 100K의 온도까지 추적될 수 있습니다. 이 표시 아래에서는 전기 저항이 감소합니다. 그러나 20K부터 금속의 방사 활동으로 인해 저항이 다시 증가하기 시작합니다.
플루토늄은 지금까지 연구된 모든 악티늄족 원소 중에서 가장 높은 전기 저항률을 가지며, 이는 150μΩcm(22°C에서)입니다. 이 금속은 녹는점(640°C)이 낮고 끓는점(3,227°C)이 비정상적으로 높습니다. 녹는점에 가까운 액체 플루토늄은 다른 금속에 비해 점도와 표면 장력이 매우 높습니다.
방사능으로 인해 플루토늄은 만졌을 때 따뜻합니다. 열 껍질에 있는 큰 플루토늄 조각이 물의 끓는점을 초과하는 온도로 가열됩니다! 또한 방사능으로 인해 플루토늄은 시간이 지남에 따라 결정 격자에 변화를 겪습니다. 100K 이상의 온도 상승으로 인한 자체 방사선으로 인해 일종의 어닐링이 발생합니다.
플루토늄에는 많은 동소체 변형이 존재하므로 상전이로 인해 금속을 가공하고 출시하기가 어렵습니다. 우리는 알파 형태의 94번째 원소가 주철과 특성이 유사하다는 것을 이미 알고 있습니다. 그러나 이 원소는 변하여 연성 재료로 바뀌는 경향이 있으며 더 높은 온도 범위에서 연성이 있는 β 형태를 형성합니다. δ 형태의 플루토늄은 일반적으로 310°C~452°C의 온도에서 안정적이지만 낮은 비율의 알루미늄, 세륨 또는 갈륨으로 도핑된 경우 실온에서도 존재할 수 있습니다. 이러한 금속과 합금하면 플루토늄을 용접에 사용할 수 있습니다. 일반적으로 델타 형태는 금속의 특성이 더 두드러집니다. 강도와 단조성이 알루미늄에 가깝습니다.
화학적 특성
94번째 원소의 화학적 성질은 주기율표의 이전 원소인 우라늄과 넵투늄의 성질과 여러 면에서 유사합니다. 플루토늄은 상당히 활동적인 금속으로 산화 상태가 +2에서 +7까지인 화합물을 형성합니다. 수용액에서 원소는 다음과 같은 산화 상태를 나타냅니다: Pu(III), Pu3+(산성 수용액에 존재, 연한 보라색을 가짐); Pu(IV), Pu4+(초콜릿 색상); Pu(V), PuO2+(경용액); Pu(VI)는 PuO22+(연한 주황색 용액)이고 Pu(VII)는 PuO53-(녹색 용액)입니다.
더욱이, 이러한 이온(PuO53- 제외)은 용액에서 동시에 평형 상태에 있을 수 있으며, 이는 전자 궤도의 국부화 및 비편재화 영역에 위치한 5f 전자의 존재로 설명됩니다. pH 5-8에서는 다른 원자가(산화 상태) 중에서 가장 안정적인 Pu(IV)가 우세합니다. 모든 산화 상태의 플루토늄 이온은 가수분해 및 복합체 형성 경향이 있습니다. 이러한 화합물을 형성하는 능력은 Pu5+ 시리즈에서 증가합니다.
소형 플루토늄은 공기 중에서 천천히 산화되어 무지개 빛깔의 기름진 산화물막으로 덮입니다. 다음과 같은 플루토늄 산화물이 알려져 있습니다: PuO, Pu2O3, PuO2 및 다양한 조성의 Pu2O3 - Pu4O7(Berthollides) 상. 소량의 수분이 있으면 산화 및 부식 속도가 크게 증가합니다. 금속이 소량의 습한 공기에 오랫동안 노출되면 표면에 이산화플루토늄(PuO2)이 형성됩니다. 산소가 부족하면 이수화물(PuH2)도 형성될 수 있습니다. 놀랍게도 플루토늄은 건조한 공기나 순수한 산소보다 수증기가 있는 불활성 가스(예: 아르곤) 분위기에서 훨씬 빨리 녹슬습니다. 실제로 이 사실은 설명하기 쉽습니다. 산소의 직접적인 작용은 플루토늄 표면에 산화물 층을 형성하여 추가 산화를 방지하며, 수분의 존재로 인해 산화물과 수소화물의 느슨한 혼합물이 생성됩니다. 그건 그렇고, 이 코팅 덕분에 금속은 자연 발화성이 있으며, 즉 자연 연소가 가능하므로 금속 플루토늄은 일반적으로 불활성 아르곤 또는 질소 분위기에서 처리됩니다. 동시에 산소는 보호 물질이며 습기가 금속에 영향을 미치는 것을 방지합니다.
94번째 원소는 산, 산소 및 그 증기와 반응하지만 알칼리와는 반응하지 않습니다. 플루토늄은 매우 산성인 매질(예: 염산 HCl)에만 잘 녹으며 염화수소, 요오드화수소, 브롬화수소, 72% 과염소산, 85% 오르토인산 H3PO4, 농축된 CCl3COOH, 설팜산 및 비등에도 용해됩니다. 농축 질산. 플루토늄은 알칼리 용액에 눈에 띄게 용해되지 않습니다.
4가 플루토늄을 함유한 용액이 알칼리에 노출되면 기본 성질을 갖는 수산화플루토늄 Pu(OH)4xH2O의 침전이 침전됩니다. PuO2+를 함유한 염 용액이 알칼리에 노출되면 양쪽성 수산화물 PuO2OH가 침전됩니다. 이는 Na2Pu2O6와 같은 플루토나이트와 같은 염분으로 대답됩니다.
플루토늄염은 중성 또는 알칼리성 용액과 접촉하면 쉽게 가수분해되어 불용성 수산화플루토늄을 생성합니다. 플루토늄 농축 용액은 방사성 분해로 인해 침전이 발생하기 때문에 불안정합니다.
핵폭발 장치에 사용되는 플루토늄의 주요 동위원소인 플루토늄-239는 우라늄 연료를 사용하는 모든 원자로에서 중성자가 우라늄-238 핵에 포획될 때 생성됩니다. 러시아에서는 거의 모든 무기급 플루토늄이 특수 산업용 원자로에서 생산되었습니다. 산업용 원자로의 특징은 상대적으로 낮은 연료 사용률입니다. 일반적인 연소도 값은 400~600MW-day/t입니다. 이는 연소 깊이가 깊어질수록 상당량의 플루토늄-240 동위원소가 연료에 형성되기 때문입니다. Pu-240 동위원소는 상당히 강력한 자연 중성자 방출체이므로 그 존재로 인해 무기급 물질인 플루토늄의 품질이 크게 저하됩니다.82 미국에서 채택된 분류에 따르면 무기급 플루토늄은 물질로 간주됩니다. Pu-240 함량이 5.8% 미만입니다.
사용후핵연료에서 플루토늄을 분리하는 작업은 특수 생산 시설에서 방사화학적 방법을 사용해 수행됩니다. 사용후핵연료의 높은 방사능으로 인해 모든 재처리 작업은 두꺼운 콘크리트 벽이 있는 "협곡"에서 원격 수단을 사용하여 수행됩니다. 플루토늄 생산 공정에는 대량의 방사성 및 독성 폐기물이 생성되며 단지 조성이 필요합니다. 처리 및 폐기를 위한 인프라.
산업용 원자로는 다른 핵무기 재료, 특히 열핵무기의 주요 구성 요소를 강화하기 위해 삼중수소-중수소 혼합물에 사용되는 삼중수소를 생산하는 데 사용되었습니다. 무기용 삼중수소 생산은 일반적으로 원자로에서 리튬-6.83 동위원소의 핵에 중성자를 조사하여 이루어지며, 생산된 삼중수소는 진공로에서 처리 과정에서 리튬 타겟에서 분리되고 화학적 방법으로 정제됩니다. 핵무기 개발 초기에 원자로에서는 폴로늄-210도 생산했는데, 이는 핵폭발 시 연쇄 반응을 시작하는 데 필요한 베릴륨-폴로늄 중성자 공급원을 생산하는 데 사용되었습니다. (이후 몇 년 동안 베릴륨-폴로늄 개시제는 정전기관을 기반으로 한 외부 중성자 개시 시스템으로 대체되었습니다.)84 폴로늄은 비스무트 타겟에 중성자를 조사하여 생성되었습니다.
원자로 기술 개발
소련에서 플루토늄을 생산하려면 주로 흑연을 중성자 감속재로 사용하고 연료 요소가 있는 채널을 통해 펌핑되는 물로 냉각되는 채널형 원자로가 사용되었습니다. 연료(알루미늄 껍질에 들어 있는 천연 금속 우라늄 블록)는 흑연 벽돌로 만든 수직 기술 채널에 적재되었습니다.
배우존. 물-흑연 산업용 원자로의 원자로 구역에서 전력 및 중성자 플럭스의 방사형 분포를 균등화하기 위해 고농축 우라늄 연료가 포함된 채널이 주변을 따라 위치했습니다.
총 3세대의 흑연 원자로가 소련에서 설계되었습니다. 1세대 원자로는 A로로 1948년 6월 Chelyabinsk-40(이후 Chelyabinsk-65)에서 가동되었습니다. N.A. Dollezhal이 설계한 원자로는 출력이 100MW였습니다(나중에 900MW로 증가했습니다). 반응기는 직접 흐름 방식을 사용하여 냉각되었습니다. 즉, 물과 냉각수를 외부 공급원에서 가져와 반응기 구역을 통해 펌핑하여 환경으로 배출했습니다. 연료(약 150톤의 우라늄)는 1353톤 흑연 스택의 수직 채널에 위치했습니다.85
2세대 원자로(예를 들어, 1950년에 가동된 AV-1 원자로)는 연료와 제어봉을 위한 수직 채널이 있는 수직 흑연 스택 실린더였습니다. 원자로 A에 비해 AV-1은 더 많은 전력을 갖고 더 안전했습니다. 원자로 A와 마찬가지로 2세대 원자로는 일회성 원자로였으며 무기급 플루토늄 생산에만 사용되었습니다.86
1958년 이후 건설된 3세대 원자로는 이중용도 원자로로 설계되었다.88 3세대 원자로의 대표적인 예로는 아직도 가동 중인 ADE 계열 원자로가 있다. 각각의 원자로는 약 2000MW의 출력을 가지며 연간 약 0.5톤의 무기급 플루토늄을 생산합니다. 운전 중 발생하는 증기는 약 350MW의 열과 150MW의 전기를 생산하는 데 사용됩니다. 1세대, 2세대 원자로와 달리 3세대 원자로는 1차 회로를 통한 물의 폐쇄 순환, 열교환기, 증기 발생기, 전기 생산용 터빈을 갖춘 이중 회로 냉각 시스템을 갖추고 있습니다.
| 힘 | 최대 2000MW |
| 발전 | 150-200MW(e) |
| 열 생산 | 300-350Gcal/h |
| 중재자 | 석묵 |
| 냉각수 | 물 |
| 채널 수 | 2832 |
| 채널의 연료 요소 수 | 66-67 |
300-350t |
75kg |
| 연료 연소 | 600-1000MW-일/t |
| 연료 구성(천연 우라늄) | 금속 천연 우라늄 |
| 연료 구성(HEU) | 분산됨(알루미늄 매트릭스에 UO2 8.5%) |
| 로드 직경 | 35mm |
| 쉘 소재 | 알루미늄 합금 |
| 쉘 두께 | gt; 1mm |
| 사용후연료 저장 | 젖은 |
| 표준 보관 시간 | 6 개월 |
| 최대 허용 보관 시간 | 18개월 |
테이블 3-2. ADE87 반응기의 특성
방사화학 기술 개발
국립 방사화학 학교의 개발은 Academician V. G. Khlopin의 지도력 하에 소련 과학 아카데미의 라듐 연구소에서 시작되었습니다. 1946년, 조사된 우라늄 연료로부터 플루토늄과 우라늄을 산업적으로 분리하기 위한 국내 최초의 아세트산-불소 기술이 RIAN에서 제안되었습니다. 이 기술은 NII-9 연구소의 실험용 방사화학 시설 U-5에서 테스트 및 테스트되었으며 Chelyabinsk-40(이후 Chelyabinsk-65)의 첫 번째 방사화학 공장(플랜트 B)에서 구현되었습니다.
가동 초기 단계에서 B 공장의 화학 처리는 우라닐 트리아세테이트의 아세테이트 침전의 산화환원 공정을 기반으로 했습니다. 이 공정은 두 단계로 진행되었습니다. 첫 번째 단계는 핵분열 생성물에서 플루토늄과 우라늄을 정제하는 단계와 아세테이트 증착 중에 우라늄에서 플루토늄을 분리하는 단계입니다. 두 번째 단계에서는 불화란탄을 사용하여 침전하는 동안 플루토늄의 정제(추가 정제)가 수행되었습니다.
방사화학 기술은 플루토늄과 우라늄의 안전성, 회수의 완전성, 순도를 향상시키고, 물질 소모량과 폐기물 발생량을 줄이기 위해 지속적으로 개선되어 왔습니다. 불소의 화학적 공격성이 높기 때문에 불화란탄 기술의 사용은 비용이 많이 들고 안전하지 않았습니다. 따라서 1950년대 후반 Chelyabinsk-40에 건설된 두 번째 방사성 화학 공장(BB 공장)을 개발할 때 이중 아세테이트 증착 사이클을 사용하는 대신 란탄-불화물 기술을 포기하기로 결정되었습니다. 그러나 아세테이트 기술은 비용이 많이 들고 용액과 폐기물이 많이 발생하며 수많은 보조 산업을 창출해야 했습니다. 따라서 60년대 초반 아세테이트 침전의 두 번째 사이클(플루토늄 정제 단계)은 이온 교환 수지에 의한 플루토늄의 선택적 흡수에 기초한 수착 방법으로 대체되었습니다. 수착 기술의 도입으로 식물 제품의 품질이 크게 향상되었습니다. 그러나 새로운 기술의 사용은 안전하지 않은 것으로 판명되었고, 1965년 첼랴빈스크에서 발생한 흡착탑 폭발 이후90 추출 기술 도입 작업을 시작하기로 결정되었습니다. (추출 기술에 대한 첫 번째 연구는 1940년대 후반에 시작되었습니다.) 추출 기술은 현재 Purex 유형의 사용후 핵연료 재처리를 위한 지배적인 계획의 기초가 되었으며 러시아의 모든 방사화학 플랜트에서 사용됩니다. Purex는 인산트리부틸을 사용하여 플루토늄과 우라늄을 선택적으로 추출하는 다단계 공정입니다.
많은 기관과 조직이 방사성 화학 기술 창출에 참여했습니다. 방사성 화학 기술의 과학적 개발과 테스트는 라듐 연구소, 전 러시아 무기 재료 연구소, 전 러시아 화학 기술 연구소에서 수행되었습니다.91 주요 설계 개발 및 장비 생산은 스베르들롭스크 화학공학 연구소. 설계 솔루션은 레닌그라드에 위치한 VNIPIET(All-Union Scientific Research and Design Institute of Energy Technologies)에서 검사하거나 개발했습니다. 과학 및 기술 솔루션을 테스트하고 기술을 도입하는 주요 부담은 플루토늄 생산 공장에서 직접 부담했습니다.
플루토늄 생산단지
플루토늄의 산업적 생산은 Chelyabinsk-65, Tomsk-7 및 Krasnoyarsk-26의 세 공장으로 구성된 통합 단지에서 수행되었습니다.
첼랴빈스크-65 (PO 마야크)
현재 PA Mayak으로 알려진 Chelyabinsk-65 공장92은 Ozersk시의 Chelyabinsk 지역 북쪽에 위치하고 있습니다. 1948년에 설립된 이 공장은 소련 최초의 플루토늄 및 플루토늄 제품 생산 단지였습니다. 플루토늄 생산은 1948년부터 1955년 사이에 발사된 5개의 우라늄-흑연 원자로(A, IR-AI, AV-1, AV-2 및 AV-3)에 의해 수행되었습니다.93 1987년부터 1990년 사이. 모든 우라늄-흑연 원자로가 폐쇄되었습니다. 현재는 과학적 관측에 사용되고 있으며 해체 준비가 진행되고 있습니다. 다양한 시기에 원자로 공장에는 삼중수소 및 기타 동위원소 생산에 사용되는 다른 유형의 원자로가 포함되었습니다.
산업용 원자로에서 조사된 연료는 공장의 일부인 방사성 화학 공장(공장 B)에서 처리되었습니다. 방사성 화학 공장은 1948년 12월 22일에 조사된 우라늄을 처리하기 시작했으며 운영 첫해는 극도로 어려웠습니다. 경험과 지식 부족, 불완전한 기술과 장비, 공정 용액의 높은 부식 및 방사능으로 인해 높은 사고율과 직원의 과다 노출이 발생했습니다.94 이 공장은 50년대 초반에 여러 차례 재건축되었으며 1959년까지 꾸준히 운영되었습니다. 그로부터 그 순간, 생산량이 감소하기 시작했고 60년대 초반에 공장이 폐쇄되었습니다. 이후 B공장 부지에 방사화학공장 RT-1이 건설됐다.
산업용 원자로 연료의 재처리는 BB 공장에서 계속되었습니다. 최초의 방사성 화학물질 생산을 대체하기 위해 설계된 BB 공장의 건설은 1954년에 시작되어 1959년 9월에 완전히 완료되었습니다. 1987년에 플루토늄을 생산하는 5기의 원자로 중 2기가 폐쇄된 후 BB 공장이 정지되고 무기 분리가 이루어졌습니다. Chelyabinsk 65의 플루토늄은 단종되었습니다. 1987년부터 1990년 사이 계속 작동 중인 산업용 원자로에서 조사된 연료는 재처리를 위해 Tomsk-7의 방사성 화학 공장으로 보내졌습니다.
방사성 화학 공장의 플루토늄 제품은 화학 및 금속 공장 B로 이전되었습니다. B 공장은 플루토늄 금속 및 핵무기 부품을 생산하기 위해 1948년에 건설되었습니다.95 공장의 두 번째 단계에서는 우라늄으로 무기 부품을 생산할 수 있게 되었습니다. 현재 이 공장에서는 핵분열성 무기 재료 가공과 탄약 부품 생산 작업을 계속하고 있습니다. 1997년에 이 공장은 Tomsk-7의 화학 및 야금 생산과 마찬가지로 무기급 우라늄 농축 작업을 시작했습니다.
플루토늄 생산 외에도 삼중수소 및 기타 특수 동위원소 생산이 Chelyabinsk-65.96에서 확립되었습니다. 1951년 이래로 2% 농축 우라늄을 연료로 사용하는 50MW AI 원자로가 이러한 목적으로 사용되었습니다. 다소 후에 삼중수소 생산이 중수로에서 조직되었는데, 그 중 첫 번째는 OK-180.97 원자로였습니다.(OK-180에서의 삼중수소 생산은 분명히 1954년 이후에 시작된 것으로 보입니다.) 1955년 12월 27일에 두 번째 중수로가 설립되었습니다. 가동 개시 OK-190. 이들 원자로는 1965년과 1986년에 폐쇄되었다. 두 개의 새로운 설치로 교체되었습니다. 1979년에는 경수(수-물) 원자로 "Ruslan"이 가동되었고, 1986~1987년에는 중수로 "Lyudmila"가 가동을 시작했습니다.98 "Ruslan"과 "Lyudmila" 원자로는 계속해서 다음과 같은 용도로 사용되고 있습니다. 삼중수소, 방사성 동위원소 공장용 동위원소 원료(플루토늄-238, 코발트-60, 탄소-14, 이리듐-192 등) 및 방사선 도핑된 실리콘 생산.
동위원소 분리는 RT-1 공장단지에 의해 수행됩니다. 삼중수소 생산을 위해 조사된 연료는 국내 유일의 생산업체인 마야크 PA 산하 삼중수소 공장으로 이송된다.
핵무기용 삼중수소 및 삼중수소 집합체." 동위원소 제품은 알파, 감마 및 베타 무선 소스, 플루토늄-238 및 스트론튬-90을 기반으로 한 열 발생기 및 광범위한 생산을 위해 방사성 동위원소 공장(1962년부터 운영)에 공급됩니다. 방사성 핵종.100
마야크 발전소는 원자력 발전소 원자로 및 기타 원자로 시설의 연료주기에서 중요한 부분입니다. 기존 방산공장 B 인프라의 상당 부분이 RT-1 방사화학 공장의 일부가 되었으며, 이는 1976년 가동에 들어갔습니다. 첫 번째 RT-1 라인은 산업 및 선박에서 나오는 고농축 우라늄-알루미늄 연료를 처리하도록 설계되었습니다. 원자로. 1978년에 이 공장은 VVER-440 원자로에서 나온 연료를 재처리하기 시작했습니다. 현재 3개의 RT-1 기술 라인이 VVER-440 및 BN-600 원자로의 연료, 수송 및 연구용 원자로의 연료, 산업용 원자로의 HEU 연료 처리에 사용됩니다. 연료 처리는 Purex 방식에 따라 수행됩니다. 이 발전소에는 사용후핵연료의 수용 및 중간 저장 시설, 방사성 폐기물의 저장, 처리 및 유리화 시설, 분리된 우라늄과 플루토늄 저장 시설도 포함되어 있습니다. RT-1 발전소는 원자력 발전소 원자로에서 나오는 연료 400톤과 수송 원자로에서 나오는 연료 10톤(연간 수송 발전소의 원자로 구역 20~30개)을 연간 처리할 수 있습니다.
연료 재처리 외에도 RT-1의 활동 범위에는 방사성 폐기물 관리 작업과 연구 실험 작업이 포함됩니다.
| 원자로 | | 유형 | 목적 | 힘 MW |
| PA "마야크"(Chelyabinsk-65) | | | |
|
| ㅏ | 1948-1987 | 물-흑연, 직접 흐름 | 플루토늄 | 100/900 |
| IR-AI | 1951-1987 | 물 흑연, 직접 흐름 | 플루토늄 | 50/500 |
| AB-1 | 1950-1989 | 물-흑연, 직접 흐름 | 플루토늄 | 300/1200 |
| AV-2 | 1951-1990 | 물-흑연, 직접 흐름 | 플루토늄 | 300/1200 |
| AB-3 | 1952-1990 | 물-흑연, 직접 흐름 | 플루토늄, 트리튬 | 300/1200 |
| OK-180 | 1951-1965 | 중수 | 삼중 수소 | 100? |
| OK-1EO | 1955-1986 | 중수 | 삼중 수소 | 100? |
| 루슬란 | 1979년~현재 | 물-물 | 삼중수소, 동위원소 | 데이터 없음 |
| 류드밀라 | 1986년~현재 | 중수 | 삼중수소, 동위원소 | 데이터 없음 |
| 시베리아 화학공장(Tomsk-7) | | |
||
| I-1 | 1955-1990 | 물-흑연, 직접 흐름 | 플루토늄 | 600/1200 |
| EI-2 | />1956-1990 | | 플루토늄 | 600/1200 |
| ADE-3 | 1961-1992 | 물-흑연, 이중 회로 | 플루토늄 | 1600/1900 |
| ADE-4 | 1964년~현재 | 물-흑연, 이중 회로 | 플루토늄 | 1600/1900 |
| ADE-5 | 1965년~현재 | 물-흑연, 이중 회로 | 플루토늄 | 1600/1900 |
| 광산 및 화학 공장(Krasnoyarsk-26) | | |
||
| 지옥 | 1958-1992 | 물-흑연, 직접 흐름 | 플루토늄 | 1600/1800 |
| ADE-1 | 1961-1992 | 물-흑연, 직접 흐름 | 플루토늄 | 1600/1800 |
| ADE-2 | 1964년~현재 | 물-흑연, 이중 회로 | 플루토늄 | 1600/1800 |
테이블 3-3. 소련에서 건설된 산업용 원자로
혼합 우라늄-플루토늄 산화물 연료(MOX 연료) 생산을 위한 파일럿 플랜트도 포함됩니다. 첼랴빈스크-65에서는 고속로용 플루토늄 연료 생산을 위한 공장 건설이 시작됐다(워크샵 300).101 반쯤 완성된 공장 건설은 1989년에 동결됐다.
Chelyabinsk-65는 핵분열성 물질을 저장하는 주요 장소 중 하나입니다. RT-1 발전소는 약 30톤의 핵급 플루토늄을 저장하고 있습니다.102 이 발전소는 또한 해체된 핵무기에서 회수된 상당한 양의 무기급 핵분열 물질을 저장하고 있습니다. 1994년 여름, 첼랴빈스크-65에서 핵무기 해체 과정에서 방출된 무기급 우라늄과 플루토늄을 위한 중앙 저장 시설 건설이 시작되었습니다. 무기급 자재가 담긴 컨테이너 25,000개를 수용할 수 있는 저장 시설의 첫 번째 단계는 1999년에 가동될 것으로 추정됩니다. 두 번째 단계를 건설하면 저장 용량이 컨테이너 5만 개로 늘어납니다. 상트페테르부르크 연구소 VNIPIET가 개발한 프로젝트에 따르면 저장소는 80~100년 동안 안전한 물질 보관을 제공해야 합니다.103
이 공장은 중앙 공장 실험실, 장비 공장, 공구 공장, 기계 수리 공장 및 전문 건설 부서를 포함하는 주요 생산 시설의 작업을 지원하기 위한 광범위한 과학 및 기술 기반을 갖추고 있습니다. 이 도시에는 응용핵물리학 분야에서 국내 최고의 대학인 모스크바 공학물리학연구소의 분교가 있습니다.
Tomsk-7 (시베리아 화학공장)
Tomsk-7104의 시베리아 화학 공장은 1949년 무기급 핵분열성 물질과 그 부품 생산을 위한 단지로 설립되었습니다. Tomsk-7의 플루토늄 생산은 I-1, EI-2, ADE-3, ADE-4 및 ADE-5의 5개 원자로에서 수행되었습니다. 11월 20일 가동에 들어간 I-1 원자로는 설계상 직접 흐름 원자로였으며 플루토늄 생산에만 사용되었습니다. 1958년 9월과 1961년 7월에 EI-2와 ADE-3 원자로가 각각 발전소에서 가동되기 시작했습니다. ADE-4 및 ADE-5 원자로는 1965년과 1967년에 가동되었습니다. I-1을 제외하고 모든 Tomsk-7 원자로는 폐쇄형 열 제거 회로를 갖고 있으며 플루토늄 생산과 열 및 전기 생산에 모두 사용되었습니다.
Tomsk-7의 처음 3개 원자로는 1990년 8월 21일(I-1), 1990년 12월 31일(EI-2), 1992년 8월 14일(ADE-3)에 폐쇄되었습니다. 현재 가동 중인 두 개의 원자로의 총 용량은 3,800MW이며, 660~700MW의 열과 300MW의 전기를 생산합니다. 열 에너지는 Seversk(Tomsk-7) 및 인근 Tomsk에 열을 공급하는 것뿐만 아니라 시베리아 화학 복합 시설 및 인근 석유화학 단지의 생산 요구에 사용됩니다.
현재 시베리아 화학 조합의 산업 원자로에서 나온 사용후 연료는 1956년에 가동된 공장에 포함된 방사성 화학 공장에서 재처리됩니다. 1983년까지 연료 재처리는 아세테이트 방식에 따라 수행되었습니다. 그 후 공장은 Purex 기술로 이전되었습니다.
최근까지 방사화학 공장에서 분리된 플루토늄은 금속 형태로 변환, 합금화, 탄약 부품 생산을 위해 Tomsk-7 화학 및 야금 공장에 공급되었습니다.105 분명히 새로 생산된 플루토늄은 폐기된 탄두에서 나온 플루토늄과 혼합되어 허용 가능한 농도 수준
플루토늄 속의 아메리슘-241.106 1994년 10월부터 새로 생산된 플루토늄은 이산화물로 전환되어 저장을 위해 보내집니다.
화학 및 야금 공장의 또 다른 부문에서는 고농축 우라늄을 처리하고 이를 통해 무기 부품을 생산하는 작업을 진행하고 있습니다. 1994년- HEU 판매에 관한 러시아-미국 협정의 일환으로 고농축 무기급 우라늄을 저농축 우라늄으로 전환하는 작업이 이곳에서 시작되었습니다. Tomsk-7에서 수행되는 작업에는 금속 우라늄을 산화물 형태로 변환하는 작업이 포함됩니다. 우라늄의 상당 부분은 화학 오염물질(합금 물질, 핵분열 생성물 잔류물, 초우라늄 원소)을 제거하기 위해 방사화학 처리 과정을 거칩니다. 정제된 산화우라늄 분말은 밀봉된 용기에 포장되어 불소화 및 농축을 위해 Sverdlovsk-44 및 Krasnoyarsk-45로 보내집니다. 1996년 말에는 Tomsk-7.107에서 불소화 및 우라늄 농축을 위한 생산 시설도 가동되기 시작했습니다.
크라스노야르스크-26(광산 및 화학 결합)
크라스노야르스크-26108에 있는 공장은 무기급 플루토늄 생산을 위해 1950~109년 2월에 건설되었습니다. 크라스노야르스크-26의 원자로 및 방사화학 공장과 관련 작업장, 실험실 및 창고의 특징은 지하 200-250m 깊이의 산맥 내부 다층 터널 시스템에 위치한다는 것입니다.
크라스노야르스크-26 원자로 공장은 1958년 8월 25일에 가동에 들어갔고, 1964년에는 3개의 흑연 원자로(AD, ADE-1, ADE-2)가 가동되었습니다. 1964년에 크라스노야르스크-26에서 방사화학 공장이 가동되기 시작했습니다. (1958년부터 1964년까지 사용후 원자로 연료는 Chelyabinsk-65 및/또는 Tomsk-7 발전소에서 재처리되었습니다.) 발전소의 최종 생성물인 이산화플루토늄은 Chelyabinsk-65 및/또는 Tomsk-7의 화학 및 야금 공장으로 이전되었습니다. 금속 플루토늄 및 무기 부품 생산을 위한 Tomsk-7. 1994년 10월부터 분리된 산화물 형태의 플루토늄이 공장 창고에 보관되었습니다.
크라스노야르스크-26의 관류형 원자로 2개(AD 및 ADE-1)는 1992년에 폐쇄되었습니다.11 세 번째 원자로에는 이중 회로 냉각 시스템이 있으며 설계가 Tomsk-7의 작동 원자로와 유사합니다. Tomsk-7과 마찬가지로 원자로는 지역 주민들을 위해 열을 생산하며 교체 용량을 구축하지 않으면 폐쇄될 수 없습니다.
1972년에 크라스노야르스크-26에 RT-2 방사화학 공장 단지 설계 작업이 시작되었습니다. 프로젝트에 따라 RT-2 발전소는 VVER-1000 원자로에서 나온 연료의 방사화학 처리를 수행해야 합니다. 사용후핵연료 저장공장의 1단계 건설은 지하단지에서 북쪽으로 4~5㎞ 떨어진 지상부지에서 1976년 시작됐다. 연료 6,000톤 규모의 저장시설이 1985년 12월 가동에 들어갔고, 1995년에는 연료가 15~20% 가득 찼으며, 연간 1,500톤 규모의 RT-2 방사화학공장 2단계 건설도 진행 중이다. 70년대 후반에 시작되었습니다. 그러나 자금 부족과 지역 환경 운동의 반대로 인해 1989년에 공장 건설(30% 완료)이 동결되었습니다. 1995년 2월 건설을 완료하기로 한 러시아 정부의 결정에도 불구하고112 RT-2 발전소의 미래는 여전히 불분명합니다.
그러나 원자로가 작동함에 따라 무기급 플루토늄 동위원소는 빠르게 연소되어 결과적으로 여러 중성자를 연속적으로 포획하여 형성된 많은 수의 동위원소 240 Pu, 241 Pu 및 242 Pu가 원자로에 축적됩니다. 연소 깊이는 일반적으로 경제적 요인에 의해 결정됩니다. 연소 깊이가 낮을수록, 조사된 핵연료에서 분리된 플루토늄을 함유하는 동위원소인 240 Pu, 241 Pu 및 242 Pu가 줄어들지만, 연료에서 생성되는 플루토늄의 양은 줄어듭니다.
거의 독점적으로 239 Pu를 포함하는 무기용 플루토늄의 특별 생산이 필요한 이유는 질량수가 240과 242인 동위원소가 높은 중성자 배경을 생성하여 효과적인 핵무기를 설계하기 어렵고, 240 Pu와 241 Pu의 주기가 상당히 짧기 때문입니다. 239 Pu보다 반감기가 길어서 플루토늄 부품이 가열되고 추가 열 제거 요소가 핵무기 설계에 도입되어야 합니다. 또한, 무거운 동위원소의 붕괴 생성물은 금속의 결정 격자를 손상시켜 플루토늄 부품의 형태를 변화시켜 핵폭발 장치의 고장을 초래할 수 있습니다.
원칙적으로 이러한 모든 어려움은 극복될 수 있으며 "원자로" 플루토늄으로 만든 핵폭발 장치는 성공적으로 테스트되었습니다. 그러나 소형화, 경량, 신뢰성 및 내구성이 중요한 역할을 하는 탄약에서는 특별히 생산된 무기급 무기에서만 사용됩니다. 플루토늄이 사용됩니다. 금속성 240 Pu와 242 Pu의 임계질량은 매우 크며, 241 Pu는 239 Pu보다 약간 더 큽니다.
생산
처분
1990년대 후반부터 미국과 러시아는 잉여 무기급 플루토늄을 처리하기 위한 합의를 진행해 왔습니다.
또한보십시오
노트
- 임계질량 // 유럽원자력학회(영어)
- Codex JSC가 작성한 플루토늄 생산 원자로 관련 협력에 관한 러시아 연방 정부와 미국 정부 간의 협정(2003년 3월 12일 개정)
- 지난 반세기 동안 무기급 플루토늄을 생산해왔던 젤레즈노고르스크의 마지막 원자로가 폐쇄되었습니다. (한정되지 않은) . 2014년 11월 10일에 확인함.
- 이반 푸르소프. 우라늄 다이어트: 미국 원자력 산업은 연료 부족에 직면할 수 있습니다(영어), RT(2013년 9월 25일). 2013년 12월 27일에 확인함. "미국(1988년)과 러시아(1994년) 모두에서 군용 플루토늄 생산이 중단되었습니다."
- 과잉 무기급 플루토늄 처리 분야에 대한 러시아의 국제 협력에 관하여 / 러시아 외무부, 러시아 외무부 안보 및 군축 문제 부서, 11-03-2001
- Ubeev A.V.플루토늄 처분 협정 / 핵 비확산: 간결한 백과사전, PIR 센터
- 2000년 플루토늄 관리 및 처분 계약 / State.gov, 대변인실, 2010년 4월 13일(영어)
- 국방 목적으로 더 이상 필요하지 않은 플루토늄 처리에 관한 러시아와 미국 정부 간의 협정을 비준하기 위한 법률이 서명되었습니다. // kremlin.ru, 2011년 6월 7일
- 크렘린.ru,
| 플루토늄 | |
|---|---|
| 원자 번호 | 94 |
| 단순한 물질의 모습 | |
| 원자의 성질 | |
| 원자 질량 (몰질량) |
244.0642a. 오전 (/mol) |
| 원자 반경 | 오후 151시 |
| 이온화 에너지 (첫 번째 전자) |
491.9(5.10) kJ/mol (eV) |
| 전자 구성 | 5f 6 7s 2 |
| 화학적 특성 | |
| 공유결합 반경 | 해당 없음 오후 |
| 이온 반경 | (+4e) 93 (+3e) 오후 108시 |
| 전기음성도 (폴링에 따르면) |
1,28 |
| 전극 전위 | 푸←푸 4+ -1.25V 푸←푸 3+ -2.0V 푸←푸 2+ -1.2V |
| 산화 상태 | 6, 5, 4, 3 |
| 단순 물질의 열역학적 특성 | |
| 밀도 | 19.84/cm3 |
| 몰 열용량 | 32.77J/(몰) |
| 열 전도성 | (6.7) W/(·) |
| 녹는 온도 | 914 |
| 녹는 열 | 2.8kJ/몰 |
| 끓는점 온도 | 3505 |
| 기화열 | 343.5kJ/mol |
| 몰량 | 12.12cm³/mol |
| 단체의 결정 격자 | |
| 격자 구조 | 단사정계의 |
| 격자 매개변수 | a=6.183 b=4.822 c=10.963 β=101.8 |
| C/A 비율 | — |
| 데바이 온도 | 162 |
플루토늄- 생산에 널리 사용되는 악티나이드 족의 방사성 화학 원소 핵무기(소위 "무기급 플루토늄"), 그리고 (실험적으로) 민간 및 연구 목적의 원자로용 핵 연료로도 사용됩니다. 무게를 측정할 수 있는 양으로 얻은 최초의 인공 요소(1942).
오른쪽 표는 실온 및 상압에서 플루토늄의 주요 동소체 변형인 α-Pu의 주요 특성을 보여줍니다.
플루토늄의 역사
플루토늄 동위원소 238 Pu는 1941년 2월 23일 글렌 시보그(Glenn Seaborg)가 이끄는 미국 과학자 그룹이 핵을 조사하여 처음으로 인공적으로 생산되었습니다. 우라늄듀테론. 인공 생산 후에야 자연에서 플루토늄이 발견되었다는 점은 주목할 만합니다. 239 Pu는 일반적으로 우라늄의 방사성 변형의 산물로 우라늄 광석에서 발견됩니다.
자연에서 플루토늄 찾기
우라늄 광석에서는 우라늄 핵이 중성자(예: 우주 방사선의 중성자)를 포획한 결과, 넵투늄(239 Np), β-붕괴 생성물은 천연 플루토늄-239입니다. 그러나 플루토늄은 아주 미세한 양(U 1012당 Pu 0.4~15부)으로 형성되어 우라늄 광석에서 추출하는 것이 불가능합니다.
이름의 유래플루토늄
1930년에 천문학계는 놀라운 소식에 흥분했습니다. 새로운 행성이 발견되었으며, 그 존재는 천문학자이자 수학자이자 화성 생명체에 관한 환상적인 에세이의 저자인 퍼시벌 로벨(Percival Lovell)이 오랫동안 언급해 왔던 것입니다. 수년간의 움직임 관찰을 바탕으로 천왕성그리고 해왕성 Lovell은 태양계의 해왕성 너머에 지구보다 태양에서 40배 더 멀리 떨어진 또 다른 9번째 행성이 있어야 한다는 결론에 도달했습니다.
Lovell이 1915년에 계산한 궤도 요소인 이 행성은 1930년 1월 21일, 23일, 29일에 천문학자 K. Tombaugh가 플래그스태프 천문대에서 촬영한 사진에서 발견되었습니다. 미국) . 행성의 이름이 정해졌다 명왕성. 1940년 말 핵에서 인공적으로 얻은 94번째 원소는 해왕성 너머 태양계에 위치한 이 행성의 이름을 따서 명명되었습니다. 원자 우라늄 G. Seaborg가 이끄는 미국 과학자 그룹.
물리적 특성플루토늄
플루토늄에는 15개의 동위원소가 있습니다. 질량수가 238에서 242 사이인 동위원소가 가장 많이 생산됩니다.
238 Pu -> (반감기 86년, 알파붕괴) -> 234 U,
이 동위원소는 예를 들어 화성 궤도를 넘어 비행한 모든 차량에서 우주 목적으로 RTG에서 거의 독점적으로 사용됩니다.
239 Pu -> (반감기 24,360년, 알파붕괴) -> 235 U,
이 동위원소는 핵무기와 고속 중성자 원자로 건설에 가장 적합합니다.
240 Pu -> (반감기 6580년, 알파 붕괴) -> 236 U, 241 Pu -> (반감기 14.0년, 베타 붕괴) -> 241 Am, 242 Pu -> (반감기 370,000년, 알파 -부패) -> 238U
이 세 가지 동위원소는 산업적으로 심각한 의미는 없지만 우라늄-238 핵에 의해 여러 중성자를 순차적으로 포획하여 우라늄을 사용하는 원자로에서 에너지를 생산할 때 부산물로 얻어집니다. 동위원소 242는 우라늄-238과 핵 특성이 가장 유사합니다. 동위원소 241이 붕괴하여 생성된 아메리슘-241은 연기 탐지기에 사용되었습니다.
플루토늄은 다른 어떤 화학 원소보다 응고 온도에서 실온까지 6단계 전이를 겪는다는 점에서 흥미롭습니다. 후자의 경우 밀도가 갑자기 11% 증가하여 결과적으로 플루토늄 주조물에 균열이 발생합니다. 알파상은 실온에서 안정하며 그 특성은 표에 나와 있습니다. 적용에는 밀도가 낮은 델타상과 체심 입방 격자가 더 편리합니다. 델타상의 플루토늄은 매우 연성이 있는 반면, 알파상의 플루토늄은 부서지기 쉽습니다. 델타 단계의 플루토늄을 안정화하기 위해 3가 금속을 사용한 도핑이 사용됩니다(첫 번째 핵 전하에서는 갈륨이 사용되었습니다).
플루토늄의 응용
최초의 플루토늄 기반 핵 장치는 1945년 7월 16일 앨라모고도 시험장(시험 코드명 Trinity)에서 폭발했습니다.
플루토늄의 생물학적 역할
플루토늄은 독성이 매우 높습니다. 개방 수역과 작업실 공기의 239 Pu에 대한 최대 허용 농도는 각각 81.4 및 3.3 * 10 −5 Bq/l입니다. 대부분의 플루토늄 동위원소는 높은 이온화 밀도와 짧은 입자 경로 길이를 가지므로 플루토늄의 독성은 화학적 특성(플루토늄은 이 점에서 다른 중금속보다 독성이 더 높지 않음)보다는 이온화 효과에 기인합니다. 주변 신체 조직에. 플루토늄은 방사능 독성이 특히 높은 원소 그룹에 속합니다. 체내에서 플루토늄은 골격, 간, 비장, 신장에 돌이킬 수 없는 큰 변화를 일으키고 암을 유발합니다. 신체 내 최대 허용 플루토늄 함량은 1/10 마이크로그램을 초과해서는 안 됩니다.
주제와 관련된 작품플루토늄
- 플루토늄은 영화 백 투 더 퓨처(Back to the Future)에서 De Lorean DMC-12 기계에 플럭스 축적기의 연료로 사용되어 미래나 과거로 여행하는 데 사용되었습니다.
— 톰 클랜시의 <세계의 모든 공포>에서 테러리스트들이 미국 덴버에서 터뜨린 원자폭탄의 혐의는 플루토늄에서 만들어졌습니다.
— 오에 겐자부로 <핀치 러너의 노트>
— 2006년에 Beacon Pictures는 영화 Plutonium-239( "푸-239")
플루토늄에 대한 설명
플루토늄(플루토늄)은 은빛 중화학 원소로, 원자 번호 94의 방사성 금속으로 주기율표에서 기호 Pu로 표시됩니다.
이 전기 음성 활성 화학 원소는 원자 질량이 244.0642인 악티늄족에 속하며, 같은 이름의 행성을 기리기 위해 이름을 받은 넵투늄과 마찬가지로 이 화학 물질은 그 이름이 명왕성 행성에 유래합니다. 멘델레예프의 화학 원소 주기율표에 있는 방사성 원소 중 넵투늄은 우리 은하계에 있는 먼 우주 행성의 이름을 따서 명명되었습니다.
플루토늄의 유래
원소 플루토늄 1940년 캘리포니아 대학에서 방사선학자 및 과학 연구자 그룹인 G. Seaborg, E. McMillan, Kennedy, A. Walch가 중수소 핵인 사이클로트론의 우라늄 표적을 폭격할 때 처음 발견되었습니다.
같은 해 12월 과학자들은 플루토늄 동위원소– 반감기가 90년 이상인 Pu-238. 복잡한 핵 화학 반응의 영향으로 동위원소인 넵투늄-238이 처음에 생성된 후 동위원소가 이미 형성되는 것으로 밝혀졌습니다. 플루토늄-238.
1941년 초에 과학자들은 플루토늄 239붕괴기간은 25,000년이다. 플루토늄 동위원소는 핵 내 중성자 함량이 다를 수 있습니다.
순수한 원소 화합물은 1942년 말에야 얻어졌습니다. 방사선 과학자들은 새로운 동위원소를 발견할 때마다 항상 동위원소의 반감기를 측정했습니다.
현재 총 15개의 플루토늄 동위원소는 지속 시간이 다릅니다. 반감기. 이 요소에는 큰 희망과 전망이 연관되어 있지만 동시에 인류에 대한 심각한 두려움도 있습니다.
플루토늄은 예를 들어 우라늄보다 훨씬 더 큰 활성을 가지며 가장 비싸고 기술적으로 중요하고 화학적 성질이 중요한 물질 중 하나입니다.
예를 들어, 플루토늄 1g의 가격은 1g 또는 기타 동등하게 가치 있는 금속보다 몇 배 더 높습니다.
플루토늄의 생산과 추출은 비용이 많이 드는 것으로 간주되며, 우리 시대의 금속 1g 가격은 약 4,000달러에 달합니다.
플루토늄은 어떻게 얻나요? 플루토늄 생산
화학 원소의 생산은 원자로에서 발생하며, 원자로 내부에서는 복잡한 화학적 및 기술적 상호 관련 공정의 영향으로 우라늄이 분할됩니다.
우라늄과 플루토늄은 원자(핵) 연료 생산의 주요 구성 요소입니다.
다량의 방사성원소를 확보할 필요가 있는 경우에는 사용후핵연료에서 얻을 수 있는 초우라늄원소를 조사하는 방법과 우라늄을 조사하는 방법을 사용한다. 복잡한 화학 반응을 통해 금속이 우라늄에서 분리될 수 있습니다.
중간 붕괴 생성물인 동위원소, 즉 플루토늄-238과 무기급 플루토늄-239를 얻기 위해 넵투늄-237에 중성자를 조사하는 방법이 사용됩니다.
긴 반감기로 인해 가장 오래 지속되는 동위원소인 플루토늄-244의 극히 일부가 세륨 광석에서 발견되었는데, 이는 지구가 형성될 때 보존되었을 가능성이 높습니다. 이 방사성 원소는 자연계에서 자연적으로 발생하지 않습니다.
플루토늄의 기본 물리적 특성 및 특성
플루토늄은 정제되었을 때만 빛나는 은빛 색상을 지닌 상당히 무거운 방사성 화학 원소입니다. 핵무기 금속 플루토늄의 질량 244a와 같습니다. 먹다.
방사능이 높기 때문에 이 원소는 만졌을 때 따뜻하며 물의 끓는점을 초과하는 온도까지 가열될 수 있습니다.
플루토늄은 산소 원자의 영향으로 빠르게 어두워지고 처음에는 연한 노란색의 무지개 빛깔의 얇은 필름으로 덮여 있다가 나중에는 짙거나 갈색을 띕니다.
강한 산화로 인해 요소 표면에 PuO2 분말이 형성됩니다. 이러한 유형의 화학 금속은 낮은 습도에서도 강한 산화 과정과 부식을 겪습니다.
금속 표면의 부식 및 산화를 방지하기 위해서는 건조시설이 필요합니다. 플루토늄의 사진아래에서 볼 수 있습니다.
플루토늄은 4가 화학 금속으로, 요오드화수소 물질과 산성 환경(예: 염소산)에 잘 용해되고 빠르게 용해됩니다.
금속염은 중성 반응, 알칼리성 용액 환경에서 빠르게 중화되며 불용성 수산화플루토늄을 형성합니다.
플루토늄이 녹는 온도는 섭씨 641도, 끓는점은 3230도입니다.
고온의 영향으로 금속 밀도의 부자연스러운 변화가 발생합니다. 형태상 플루토늄은 다양한 상을 가지며 6개의 결정 구조를 가지고 있습니다.
단계 간 전환 중에 요소 부피에 상당한 변화가 발생합니다. 이 원소는 6번째 알파 단계(전이의 마지막 단계)에서 가장 밀도가 높은 형태를 얻습니다. 이 상태에서 금속보다 무거운 유일한 물질은 넵투늄과 라듐입니다.
녹으면 요소가 강한 압축을 받기 때문에 금속은 물 표면과 기타 공격적이지 않은 액체 매체에 떠 있을 수 있습니다.
이 방사성 원소는 화학 금속 그룹에 속한다는 사실에도 불구하고 매우 휘발성이 높으며 짧은 시간 동안 밀폐된 공간에 있으면 공기 중 농도가 여러 번 증가합니다.
금속의 주요 물리적 특성에는 낮은 수준, 기존 및 알려진 모든 화학 원소의 열 전도성 수준, 낮은 수준의 전기 전도성이 포함됩니다. 액체 상태에서 플루토늄은 가장 점성이 높은 금속 중 하나입니다.
모든 플루토늄 화합물은 독성이 있고 독성이 있으며 활성 알파 방사선으로 인해 발생하는 인체에 방사선의 심각한 위험을 초래하므로 모든 작업은 최대한 주의를 기울여 수행해야 하며 화학적 보호 기능이 있는 특수 슈트를 착용해야 합니다. .
책에서 독특한 금속의 기원에 대한 속성과 이론에 대해 자세히 알아볼 수 있습니다. 오브루초프 "플루토니아"" 저자 V.A. Obruchev는 독자들이 지구의 깊숙한 곳에 위치한 환상적인 나라 Plutonia의 놀랍고 독특한 세계로 뛰어들도록 초대합니다.
플루토늄의 응용
산업용 화학 원소는 일반적으로 무기 등급과 원자로 등급(“에너지 등급”) 플루토늄으로 분류됩니다.
따라서 핵무기 생산에는 기존의 모든 동위원소 중에서 플루토늄 240이 4.5% 이상 포함되어서는 안 되는 플루토늄 239만 사용하는 것이 허용됩니다. 플루토늄 240은 자발적 핵분열을 일으키기 때문에 군용 발사체 생산을 상당히 복잡하게 만들기 때문입니다. .
플루토늄-238예를 들어 우주 기술의 에너지원과 같은 소형 방사성 동위원소 전기 에너지원의 작동에 사용됩니다.
수십 년 전에 플루토늄은 심장 박동 조절기(심장 박동을 유지하는 장치)의 의학에 사용되었습니다.
세계 최초의 원자폭탄은 플루토늄을 함유하고 있었습니다. 핵 플루토늄(Pu 239)는 동력로의 기능을 보장하기 위한 핵연료로 수요가 높습니다. 이 동위원소는 원자로에서 트랜스플루토늄 원소를 생산하기 위한 공급원으로도 사용됩니다.
핵 플루토늄을 순수 금속과 비교하면 동위원소는 금속 매개변수가 더 높고 전이 단계가 없으므로 연료 요소를 얻는 과정에서 널리 사용됩니다.
플루토늄 242 동위원소의 산화물은 우주 살상 장치, 장비, 연료봉의 동력원으로도 수요가 높습니다.
무기급 플루토늄 Pu239 동위원소를 93% 이상 함유한 컴팩트한 금속 형태로 존재하는 원소입니다.
이러한 유형의 방사성 금속은 다양한 유형의 핵무기 생산에 사용됩니다.
무기급 플루토늄은 중성자 포획의 결과로 천연 우라늄 또는 저농축 우라늄을 사용하는 특수 산업용 원자로에서 생산됩니다.