Plutónium (lat. Plutónium, symbol Pu) je rádioaktívny chemický prvok s atómovým číslom 94 a atómovou hmotnosťou 244,064. Plutónium je prvkom skupiny III periodickej tabuľky Dmitrija Ivanoviča Mendelejeva a patrí do rodiny aktinidov. Plutónium je ťažký (hustota za normálnych podmienok 19,84 g/cm³) krehký rádioaktívny kov strieborno-bielej farby.
Plutónium nemá stabilné izotopy. Zo sto možných izotopov plutónia bolo syntetizovaných dvadsaťpäť. Študovali sa jadrové vlastnosti pätnástich z nich (hmotnostné čísla 232-246). Štyri našli praktické uplatnenie. Najdlhšie žijúce izotopy sú 244Pu (polčas rozpadu 8,26-107 rokov), 242Pu (polčas rozpadu 3,76-105 rokov), 239Pu (polčas rozpadu 2,41-104 rokov), 238Pu (polčas rozpadu 87,74 rokov) - žiaričmi a 241Pu (polčas rozpadu 14 rokov) - β-emitor. V prírode sa plutónium vyskytuje v zanedbateľných množstvách v uránových rudách (239Pu); vzniká z uránu pod vplyvom neutrónov, ktorých zdrojom sú reakcie prebiehajúce pri interakcii α-častíc s ľahkými prvkami (vrátane rúd), samovoľné štiepenie jadier uránu a kozmické žiarenie.
Deväťdesiaty štvrtý prvok objavila skupina amerických vedcov - Glenn Seaborg, Kennedy, Edwin McMillan a Arthur Wahl v roku 1940 v Berkeley (na Kalifornskej univerzite) pri bombardovaní cieľa oxidu uránu (U3O8) vysoko zrýchlenými jadrami deutéria. (deuteróny) zo šesťdesiatpalcového cyklotrónu. V máji 1940 vlastnosti plutónia predpovedal Lewis Turner.
V decembri 1940 bol objavený izotop plutónia Pu-238 s polčasom rozpadu ~90 rokov, po ktorom o rok neskôr nasledoval dôležitejší Pu-239 s polčasom rozpadu ~24 000 rokov.
Edwin MacMillan v roku 1948 navrhol pomenovať chemický prvok plutónium na počesť objavu novej planéty Pluto a analogicky s neptúniom, ktoré bolo pomenované po objavení Neptúna.
Kovové plutónium (izotop 239Pu) sa používa v jadrových zbraniach a slúži ako jadrové palivo v energetických reaktoroch pracujúcich na tepelných a najmä rýchlych neutrónoch. Kritická hmotnosť pre 239Pu ako kov je 5,6 kg. Izotop 239Pu je okrem iného východiskovým materiálom na výrobu transplutóniových prvkov v jadrových reaktoroch. Izotop 238Pu sa používa v malých jadrových zdrojoch energie používaných vo vesmírnom výskume, ako aj v ľudských srdcových stimulantoch.
Plutónium-242 je dôležité ako „surovina“ pre relatívne rýchlu akumuláciu vyšších transuránových prvkov v jadrových reaktoroch. δ-stabilizované zliatiny plutónia sa používajú pri výrobe palivových článkov, pretože majú lepšie metalurgické vlastnosti v porovnaní s čistým plutóniom, ktoré pri zahrievaní prechádza fázovými prechodmi. Oxidy plutónia sa používajú ako zdroj energie pre vesmírne technológie a nachádzajú svoje uplatnenie v palivových tyčiach.
Všetky zlúčeniny plutónia sú jedovaté, čo je dôsledkom α-žiarenia. Častice alfa predstavujú vážne nebezpečenstvo, ak je ich zdroj v tele infikovanej osoby, poškodzujú okolité tkanivo tela. Gama žiarenie z plutónia nie je pre telo nebezpečné. Stojí za zváženie, že rôzne izotopy plutónia majú rôznu toxicitu, napríklad typické reaktorové plutónium je 8-10-krát toxickejšie ako čisté 239Pu, keďže v ňom dominujú nuklidy 240Pu, ktoré je silným zdrojom alfa žiarenia. Plutónium je najrádiotoxickejší prvok zo všetkých aktinidov, nepovažuje sa však za najnebezpečnejší prvok, pretože rádium je takmer tisíckrát nebezpečnejšie ako najjedovatejší izotop plutónia - 239Pu.
Biologické vlastnosti
Plutónium koncentrujú morské organizmy: akumulačný koeficient tohto rádioaktívneho kovu (pomer koncentrácií v tele a vo vonkajšom prostredí) pre riasy je 1000-9000, pre planktón - približne 2300, pre hviezdice - asi 1000, pre mäkkýše - do 380, pre svaly, kosti, pečeň a žalúdok rýb - 5, 570, 200 a 1060, v tomto poradí. Suchozemské rastliny absorbujú plutónium hlavne cez koreňový systém a akumulujú ho na 0,01 % svojej hmoty. V ľudskom tele sa deväťdesiaty štvrtý prvok zadržiava najmä v kostre a pečeni, odkiaľ sa takmer nevylučuje (najmä z kostí).
Plutónium je vysoko toxické a jeho chemická nebezpečnosť (ako každého iného ťažkého kovu) je oveľa slabšia (z chemického hľadiska je aj jedovatý ako olovo.) v porovnaní s jeho rádioaktívnou toxicitou, ktorá je dôsledkom alfa žiarenia. Okrem toho majú α-častice relatívne nízku penetračnú schopnosť: pre 239Pu je rozsah α-častíc vo vzduchu 3,7 cm a v mäkkom biologickom tkanive 43 μm. Alfa častice preto predstavujú vážne nebezpečenstvo, ak je ich zdroj v tele infikovanej osoby. Zároveň poškodzujú tkanivá tela obklopujúce prvok.
Zároveň γ-lúče a neutróny, ktoré plutónium tiež vyžaruje a ktoré sú schopné prenikať do tela zvonka, nie sú veľmi nebezpečné, pretože ich hladina je príliš nízka na to, aby spôsobili ujmu na zdraví. Plutónium patrí do skupiny prvkov s obzvlášť vysokou rádiotoxicitou. Zároveň majú rôzne izotopy plutónia rôznu toxicitu, napríklad typické reaktorové plutónium je 8-10-krát toxickejšie ako čisté 239Pu, keďže v ňom dominujú nuklidy 240Pu, ktoré sú silným zdrojom alfa žiarenia.
Pri požití vodou a potravou je plutónium menej toxické ako látky ako kofeín, niektoré vitamíny, pseudoefedrín a mnohé rastliny a huby. To je vysvetlené skutočnosťou, že tento prvok je zle absorbovaný gastrointestinálnym traktom, aj keď je dodávaný vo forme rozpustnej soli, tá istá soľ je viazaná obsahom žalúdka a čriev. Avšak požitie 0,5 gramu jemne rozomletého alebo rozpusteného plutónia môže mať za následok smrť v dôsledku akútneho ožiarenia tráviaceho traktu v priebehu dní alebo týždňov (pre kyanid je táto hodnota 0,1 gramu).
Z hľadiska inhalácie je plutónium obyčajný toxín (približne ekvivalentný ortuťovým parám). Pri vdýchnutí je plutónium karcinogénne a môže spôsobiť rakovinu pľúc. Takže pri vdýchnutí sto miligramov plutónia vo forme častíc optimálnej veľkosti na zadržiavanie v pľúcach (1-3 mikróny) vedie k smrti na pľúcny edém za 1-10 dní. Dávka dvadsať miligramov vedie k úmrtiu na fibrózu približne za mesiac. Menšie dávky vedú k chronickej karcinogénnej otrave. Nebezpečenstvo vdýchnutia plutónia do tela sa zvyšuje v dôsledku skutočnosti, že plutónium je náchylné na tvorbu aerosólov.
Aj keď ide o kov, je dosť prchavý. Krátky pobyt kovu v miestnosti výrazne zvyšuje jeho koncentráciu vo vzduchu. Plutónium, ktoré vstupuje do pľúc, sa čiastočne usadzuje na povrchu pľúc, čiastočne prechádza do krvi a potom do lymfy a kostnej drene. Väčšina (približne 60 %) končí v kostnom tkanive, 30 % v pečeni a len 10 % sa vylúči prirodzene. Množstvo plutónia, ktoré vstupuje do tela, závisí od veľkosti častíc aerosólu a rozpustnosti v krvi.
Plutónium vstupujúce do ľudského tela tak či onak má podobné vlastnosti ako trojmocné železo, preto sa plutónium po preniknutí do obehového systému začína koncentrovať v tkanivách obsahujúcich železo: kostná dreň, pečeň, slezina. Telo vníma plutónium ako železo, preto proteín transferín berie plutónium namiesto železa, v dôsledku čoho sa zastaví prenos kyslíka v tele. Mikrofágy prenášajú plutónium do lymfatických uzlín. Plutóniu, ktoré sa dostane do tela, trvá veľmi dlho, kým sa z tela odstráni – do 50 rokov sa z tela odstráni len 80 %. Polčas rozpadu z pečene je 40 rokov. Pre kostné tkanivo je polčas rozpadu plutónia 80-100 rokov, v skutočnosti je koncentrácia prvku 94 v kostiach konštantná.
Počas druhej svetovej vojny a po jej skončení robili vedci pracujúci v projekte Manhattan, ako aj vedci z Tretej ríše a iných výskumných organizácií pokusy s použitím plutónia na zvieratách a ľuďoch. Štúdie na zvieratách ukázali, že niekoľko miligramov plutónia na kilogram tkaniva je smrteľná dávka. Použitie plutónia u ľudí pozostávalo z obyčajnej intramuskulárnej injekcie 5 mcg plutónia chronicky chorým pacientom. Nakoniec sa zistilo, že smrteľná dávka pre pacienta je jeden mikrogram plutónia a že plutónium je nebezpečnejšie ako rádium a má tendenciu sa hromadiť v kostiach.
Ako je známe, plutónium je prvok, ktorý sa v prírode prakticky nevyskytuje. V dôsledku jadrových testov v rokoch 1945-1963 sa ho však dostalo do atmosféry asi päť ton. Celkové množstvo plutónia uvoľneného do atmosféry v dôsledku jadrových testov pred 80. rokmi sa odhaduje na 10 ton. Podľa niektorých odhadov pôda v Spojených štátoch obsahuje v priemere 2 milicurie (28 mg) plutónia na km2 spadu a výskyt plutónia v Tichom oceáne je zvýšený v porovnaní s celkovou distribúciou jadrových materiálov na Zemi.
Najnovší fenomén je spojený s americkým jadrovým testovaním na Marshallových ostrovoch v tichomorskom testovacom mieste v polovici 50. rokov minulého storočia. Doba zotrvania plutónia v povrchových vodách oceánu sa pohybuje od 6 do 21 rokov, avšak aj po tomto období plutónium padá na dno spolu s biogénnymi časticami, z ktorých sa v dôsledku mikrobiálneho rozkladu redukuje na rozpustné formy.
Globálne znečistenie deväťdesiatym štvrtým prvkom je spojené nielen s jadrovými testami, ale aj s nehodami vo výrobe a zariadeniach interagujúcich s týmto prvkom. A tak v januári 1968 v Grónsku havarovalo americké letectvo B-52 nesúce štyri jadrové hlavice. V dôsledku výbuchu boli nálože zničené a plutónium uniklo do oceánu.
Ďalší prípad rádioaktívnej kontaminácie životného prostredia v dôsledku havárie sa stal so sovietskou kozmickou loďou Kosmos-954 24. januára 1978. V dôsledku nekontrolovaného deorbitu spadol na kanadské územie satelit s jadrovým zdrojom energie na palube. V dôsledku havárie sa do životného prostredia dostalo viac ako kilogram plutónia-238, ktoré sa rozprestieralo na ploche asi 124 000 m².
Najstrašnejším príkladom havarijného úniku rádioaktívnych látok do životného prostredia je nehoda v jadrovej elektrárni v Černobyle, ku ktorej došlo 26. apríla 1986. V dôsledku zničenia štvrtej elektrárne sa do životného prostredia na ploche asi 2200 km² uvoľnilo 190 ton rádioaktívnych látok (vrátane izotopov plutónia).
Uvoľňovanie plutónia do životného prostredia nie je spojené len s nehodami spôsobenými človekom. Sú známe prípady úniku plutónia z laboratórnych aj výrobných podmienok. Známych je viac ako dvadsať náhodných únikov z laboratórií 235U a 239Pu. V rokoch 1953-1978. nehody viedli k strate 0,81 (Mayak, 15. marca 1953) až 10,1 kg (Tomsk, 13. decembra 1978) 239Pu. Priemyselné incidenty mali za následok celkovo dve úmrtia v Los Alamos (21. augusta 1945 a 21. mája 1946) v dôsledku dvoch nehôd a straty 6,2 kg plutónia. V meste Sarov v rokoch 1953 a 1963. mimo jadrového reaktora spadlo približne 8 a 17,35 kg. Jeden z nich viedol v roku 1953 k zničeniu jadrového reaktora.
Keď sa jadro 238Pu štiepi s neutrónmi, uvoľní sa 200 MeV energie, čo je 50 miliónov krát viac ako pri najznámejšej exotermickej reakcii: C + O2 → CO2. „Spaľovaním“ v jadrovom reaktore jeden gram plutónia produkuje 2 107 kcal - to je energia obsiahnutá v 4 tonách uhlia. Náprstok plutóniového paliva v energetickom ekvivalente môže zodpovedať štyridsiatim vagónom dobrého palivového dreva!
Predpokladá sa, že „prírodný izotop“ plutónia (244Pu) je izotopom s najdlhšou životnosťou zo všetkých transuránových prvkov. Jeho polčas rozpadu je 8,26∙107 rokov. Vedci sa už dlho snažia získať izotop transuránového prvku, ktorý by existoval dlhšie ako 244Pu – veľké nádeje sa v tomto smere vkladali do 247Cm. Po jeho syntéze sa však ukázalo, že polčas rozpadu tohto prvku je len 14 miliónov rokov.
Príbeh
V roku 1934 skupina vedcov pod vedením Enrica Fermiho urobila vyhlásenie, že počas vedeckej práce na univerzite v Ríme objavili chemický prvok s poradovým číslom 94. Na Fermiho naliehanie bol prvok pomenovaný hesperium, vedec bol presvedčený, že objavil nový prvok, ktorý sa teraz nazýva plutónium, čo naznačuje existenciu transuránových prvkov a stal sa ich teoretickým objaviteľom. Fermi obhajoval túto hypotézu vo svojej Nobelovej prednáške v roku 1938. Až po objavení jadrového štiepenia nemeckými vedcami Ottom Frischom a Fritzom Strassmannom bol Fermi nútený urobiť poznámku v tlačenej verzii vydanej v Štokholme v roku 1939, ktorá naznačuje potrebu prehodnotiť „celý problém transuránových prvkov“. Faktom je, že práca Frischa a Strassmanna ukázala, že aktivita, ktorú Fermi objavil vo svojich experimentoch, bola spôsobená práve štiepením, a nie objavom transuránových prvkov, ako predtým veril.
Koncom roku 1940 bol objavený nový prvok, deväťdesiaty štvrtý. Stalo sa to v Berkeley na Kalifornskej univerzite. Bombardovaním oxidu uránu (U3O8) ťažkými vodíkovými jadrami (deuterónmi) objavila skupina amerických rádiochemikov pod vedením Glenna T. Seaborga dovtedy neznámy žiarič alfa častíc s polčasom rozpadu 90 rokov. Ukázalo sa, že tento žiarič je izotop prvku č. 94 s hmotnostným číslom 238. Tak sa 14. decembra 1940 získali prvé mikrogramové množstvá plutónia spolu s prímesou ďalších prvkov a ich zlúčenín.
Počas experimentu uskutočneného v roku 1940 sa zistilo, že počas jadrovej reakcie sa najskôr vytvorí izotop neptúnia-238 s krátkym polčasom rozpadu (polčas 2,117 dňa) a z neho plutónium-238:
23392U (d,2n) → 23893Np → (β−) 23894Pu
Dlhé a namáhavé chemické pokusy na oddelenie nového prvku od nečistôt trvali dva mesiace. Existenciu nového chemického prvku potvrdili v noci z 23. na 24. februára 1941 G. T. Seaborg, E. M. Macmillan, J. W. Kennedy a A. C. Wall štúdiom jeho prvých chemických vlastností - schopnosti mať aspoň dve oxidácie. štátov. O niečo neskôr ako na konci experimentov sa zistilo, že tento izotop nie je štiepny, a preto je pre ďalšie štúdium nezaujímavý. Čoskoro (marec 1941) Kennedy, Seaborg, Segre a Wahl syntetizovali dôležitejší izotop, plutónium-239, ožiarením uránu vysoko zrýchlenými neutrónmi v cyklotróne. Tento izotop vzniká rozpadom neptúnia-239, vyžaruje alfa lúče a má polčas rozpadu 24 000 rokov. Prvá čistá zlúčenina prvku bola získaná v roku 1942 a prvé hmotnostné množstvá kovového plutónia boli získané v roku 1943.
Názov nového prvku 94 navrhol v roku 1948 MacMillan, ktorý pár mesiacov pred objavom plutónia spolu s F. Eibelsonom získal prvý prvok ťažší ako urán – prvok č.93, ktorý dostal na počesť pomenovanie neptúnium. planéty Neptún - prvej za Uránom. Analogicky sa rozhodli nazvať prvok č. 94 plutónium, pretože planéta Pluto je druhá po Uráne. Seaborg zase navrhol nazvať nový prvok „plútiom“, ale potom si uvedomil, že názov neznie veľmi dobre v porovnaní s „plutóniom“. Okrem toho navrhol ďalšie názvy pre nový prvok: ultimium, extermium, kvôli chybnému úsudku v tom čase, že plutónium sa stane posledným chemickým prvkom v periodickej tabuľke prvkov. V dôsledku toho bol prvok nazvaný „plutónium“ na počesť objavu poslednej planéty v slnečnej sústave.
Byť v prírode
Polčas rozpadu najdlhšieho izotopu plutónia je 75 miliónov rokov. Tento údaj je veľmi pôsobivý, avšak vek Galaxie sa meria na miliardy rokov. Z toho vyplýva, že primárne izotopy deväťdesiateho štvrtého prvku, ktoré vznikli počas veľkej syntézy prvkov Vesmíru, nemali šancu prežiť dodnes. To však neznamená, že na Zemi vôbec nie je plutónium. Neustále sa tvorí v uránových rudách. Zachytením neutrónov z kozmického žiarenia a neutrónov produkovaných spontánnym štiepením jadier 238U sa niektoré - veľmi málo - atómy tohto izotopu premenia na atómy 239U. Jadrá tohto prvku sú veľmi nestabilné, emitujú elektróny a tým zvyšujú svoj náboj a dochádza k tvorbe neptunia, prvého transuránového prvku. 239Np je tiež nestabilný, jeho jadrá tiež emitujú elektróny, takže len za 56 hodín sa polovica 239Np zmení na 239Pu.
Polčas rozpadu tohto izotopu je už veľmi dlhý a dosahuje 24 000 rokov. V priemere je obsah 239Pu asi 400 000-krát menší ako obsah rádia. Preto je mimoriadne ťažké nielen ťažiť, ale dokonca aj odhaliť „pozemské“ plutónium. Malé množstvá 239 Pu – časti na bilión – a produkty rozpadu možno nájsť v uránových rudách, napríklad v prírodnom jadrovom reaktore v Oklo, Gabon (západná Afrika). Takzvaný „prírodný jadrový reaktor“ sa považuje za jediný na svete, v ktorom v súčasnosti v geosfére vznikajú aktinidy a ich štiepne produkty. Podľa moderných odhadov sa v tejto oblasti pred niekoľkými miliónmi rokov odohrala samoudržiavacia reakcia s uvoľňovaním tepla, ktorá trvala viac ako pol milióna rokov.
Takže už vieme, že v uránových rudách v dôsledku zachytávania neutrónov jadrami uránu vzniká neptúnium (239Np), ktorého β-produktom rozpadu je prírodné plutónium-239. Vďaka špeciálnym prístrojom - hmotnostným spektrometrom - bola v prekambrickom bastnaesite (cerová ruda) objavená prítomnosť plutónia-244 (244Pu), ktoré má najdlhší polčas rozpadu - približne 80 miliónov rokov. V prírode sa 244Pu nachádza prevažne vo forme oxidu (PuO2), ktorý je ešte menej rozpustný vo vode ako piesok (kremeň). Keďže relatívne dlho žijúci izotop plutónia-240 (240Pu) je v rozpadovom reťazci plutónia-244, dochádza k jeho rozpadu, ale vyskytuje sa veľmi zriedkavo (1 prípad z 10 000). Veľmi malé množstvá plutónia-238 (238Pu) sú spôsobené veľmi zriedkavým dvojitým beta rozpadom materského izotopu, uránu-238, ktorý sa našiel v uránových rudách.
Stopy izotopov 247Pu a 255Pu sa našli v prachu zozbieranom po výbuchoch termonukleárnych bômb.
Minimálne množstvá plutónia by mohli byť hypoteticky prítomné v ľudskom tele, vzhľadom na to, že sa vykonalo veľké množstvo jadrových testov tak či onak súvisiacich s plutóniom. Plutónium sa hromadí najmä v kostre a pečeni, odkiaľ sa prakticky nevylučuje. Okrem toho prvok deväťdesiatštyri akumulujú morské organizmy; Pozemné rastliny absorbujú plutónium hlavne cez koreňový systém.
Ukazuje sa, že umelo syntetizované plutónium v prírode stále existuje, tak prečo sa neťaží, ale získava umelo? Faktom je, že koncentrácia tohto prvku je príliš nízka. O ďalšom rádioaktívnom kove - rádiu sa hovorí: „gram produkcie - rok práce“ a rádium v prírode je 400 000-krát viac ako plutónium! Z tohto dôvodu je mimoriadne ťažké nielen ťažiť, ale dokonca aj odhaliť „pozemské“ plutónium. Stalo sa tak až po preštudovaní fyzikálnych a chemických vlastností plutónia vyrobeného v jadrových reaktoroch.
Aplikácia
Izotop 239Pu (spolu s U) sa používa ako jadrové palivo v energetických reaktoroch pracujúcich na tepelných a rýchlych neutrónoch (hlavne), ako aj pri výrobe jadrových zbraní.
Približne pol tisícky jadrových elektrární na celom svete generuje približne 370 GW elektriny (alebo 15 % z celkovej svetovej produkcie elektriny). Plutónium-236 sa používa pri výrobe atómových elektrických batérií, ktorých životnosť dosahuje päť a viac rokov, používajú sa v generátoroch prúdu, ktoré stimulujú srdce (kardiostimulátory). 238Pu sa používa v malých jadrových zdrojoch energie používaných vo vesmírnom výskume. Plutónium-238 je teda zdrojom energie pre sondy New Horizons, Galileo a Cassini, rover Curiosity a ďalšie kozmické lode.
Jadrové zbrane využívajú plutónium-239, pretože tento izotop je jediným vhodným nuklidom na použitie v jadrovej bombe. Okrem toho častejšie používanie plutónia-239 v jadrových bombách je spôsobené skutočnosťou, že plutónium zaberá menší objem v sfére (kde sa nachádza jadro bomby), a preto je možné získať výbušnú silu bomby. nehnuteľnosť.
Schéma, podľa ktorej dôjde k jadrovému výbuchu plutónia, spočíva v návrhu samotnej bomby, ktorej jadro pozostáva z gule naplnenej 239Pu. V momente zrážky so zemou je guľa vďaka dizajnu a vďaka výbušnine obklopujúcej túto guľu stlačená na milión atmosfér. Po dopade sa jadro roztiahne v objeme a hustote v čo najkratšom čase - desiatky mikrosekúnd, zostava preskočí kritickým stavom s tepelnými neutrónmi a prejde do superkritického stavu s rýchlymi neutrónmi - začína sa jadrová reťazová reakcia za účasti neutróny a jadrá prvku. Posledný výbuch jadrovej bomby uvoľní teploty rádovo v desiatkach miliónov stupňov.
Izotopy plutónia našli svoje využitie pri syntéze prvkov transplutónia (vedľa plutónia). Napríklad v národnom laboratóriu Oak Ridge sa s dlhodobým neutrónovým ožiarením získajú 239Pu, 24496Cm, 24296Cm, 24997Bk, 25298Cf, 25399Es a 257100Fm. Rovnakým spôsobom sa v roku 1944 prvýkrát získalo americium 24195Am. V roku 2010 slúžil ako zdroj ununquadia oxid plutónia-242 bombardovaný iónmi vápnika-48.
δ-Stabilizované zliatiny plutónia sa používajú pri výrobe palivových tyčí, pretože majú výrazne lepšie metalurgické vlastnosti v porovnaní s čistým plutóniom, ktoré pri zahrievaní prechádza fázovými prechodmi a je veľmi krehkým a nespoľahlivým materiálom. Zliatiny plutónia s inými prvkami (intermetalické zlúčeniny) sa zvyčajne získavajú priamou interakciou prvkov v požadovaných pomeroch, pričom sa využíva najmä oblúkové tavenie, niekedy sa nestabilné zliatiny získavajú rozprašovaním alebo ochladzovaním tavenín.
Hlavnými priemyselnými legovacími prvkami pre plutónium sú gálium, hliník a železo, hoci plutónium je schopné vytvárať zliatiny a medziprodukty s väčšinou kovov až na zriedkavé výnimky (draslík, sodík, lítium, rubídium, horčík, vápnik, stroncium, bárium, európium a ytterbium). . Žiaruvzdorné kovy: molybdén, niób, chróm, tantal a volfrám sú rozpustné v tekutom plutóniu, ale takmer nerozpustné alebo mierne rozpustné v pevnom plutóniu. Indium, kremík, zinok a zirkónium sú schopné pri rýchlom ochladení vytvárať metastabilné δ-plutónium (δ"-fáza). Gálium, hliník, amerícium, skandium a cér môžu stabilizovať δ-plutónium pri izbovej teplote.
Veľké množstvá holmia, hafnia a tália umožňujú skladovanie určitého množstva δ-plutónia pri izbovej teplote. Neptúnium je jediný prvok, ktorý dokáže stabilizovať α-plutónium pri vysokých teplotách. Titán, hafnium a zirkónium pri rýchlom ochladení stabilizujú štruktúru β-plutónia pri izbovej teplote. Použitie takýchto zliatin je veľmi rôznorodé. Napríklad zliatina plutónium-gálium sa používa na stabilizáciu fázy 5 plutónia, ktorá zabraňuje fázovému prechodu α-5. Terná zliatina plutónium-gálium-kobalt (PuGaCo5) je supravodivá zliatina pri 18,5 K. Existuje množstvo zliatin (plutónium-zirkónium, plutónium-cér a plutónium-cér-kobalt), ktoré sa používajú ako jadrové palivo.
Výroba
Priemyselné plutónium sa vyrába dvoma spôsobmi. Ide buď o ožarovanie jadier 238U obsiahnutých v jadrových reaktoroch, alebo o separáciu rádiochemickými metódami (spoluzrážanie, extrakcia, iónová výmena a pod.) plutónia od uránu, transuránových prvkov a produktov štiepenia obsiahnutých vo vyhoretom palive.
V prvom prípade sa najpraktickejší izotop 239Pu (zmiešaný s malou prímesou 240Pu) vyrába v jadrových reaktoroch za účasti jadier uránu a neutrónov pomocou β-rozpadu a za účasti izotopov neptúnia ako medziproduktu štiepenia:
23892U + 21D → 23893Np + 210n;
23893Np → 23894Pu
β-rozpad
V tomto procese deuterón vstupuje do uránu-238, čo vedie k vytvoreniu neptúnia-238 a dvoch neutrónov. Neptúnium-238 sa potom spontánne štiepi a emituje beta-mínus častice, ktoré tvoria plutónium-238.
Typicky je obsah 239Pu v zmesi 90-95%, 240Pu je 1-7%, obsah ostatných izotopov nepresahuje desatiny percenta. Izotopy s dlhými polčasmi - 242Pu a 244Pu sa získajú predĺženým ožarovaním neutrónmi 239Pu. Navyše výťažok 242Pu je niekoľko desiatok percent a 244Pu je zlomok percenta obsahu 242Pu. Malé množstvá izotopovo čistého plutónia-238 sa tvoria, keď je neptúnium-237 ožiarené neutrónmi. Ľahké izotopy plutónia s hmotnostnými číslami 232-237 sa zvyčajne získavajú v cyklotróne ožiarením izotopov uránu α-časticami.
Druhý spôsob priemyselnej výroby 239Pu využíva proces Purex, založený na extrakcii tributylfosfátom v ľahkom riedidle. V prvom cykle sa Pu a U spoločne čistia zo štiepnych produktov a potom sa oddelia. V druhom a treťom cykle sa plutónium ďalej čistí a koncentruje. Schéma takéhoto procesu je založená na rozdiele vlastností tetra- a šesťmocných zlúčenín separovaných prvkov.
Najprv sa demontujú vyhoreté palivové tyče a fyzikálnymi a chemickými prostriedkami sa odstráni plášť obsahujúci vyhorené plutónium a urán. Potom sa vyťažené jadrové palivo rozpustí v kyseline dusičnej. Koniec koncov, pri rozpustení je to silné oxidačné činidlo a oxiduje sa urán, plutónium a nečistoty. Atómy plutónia s nulovou mocnosťou sa premenia na Pu+6 a rozpustia sa plutónium aj urán. Z takéhoto roztoku sa deväťdesiaty štvrtý prvok redukuje oxidom siričitým na trojmocný stav a potom sa vyzráža fluoridom lantanitým (LaF3).
Okrem plutónia však sediment obsahuje neptúnium a prvky vzácnych zemín, ale väčšina (urán) zostáva v roztoku. Potom sa plutónium opäť oxiduje na Pu+6 a znova sa pridá fluorid lantanitý. Teraz sa prvky vzácnych zemín vyzrážajú a plutónium zostáva v roztoku. Ďalej sa neptúnium oxiduje na štvormocný stav bromičnanom draselným, pretože toto činidlo nemá žiadny vplyv na plutónium, potom počas sekundárneho zrážania rovnakým fluoridom lantanitým prechádza trojmocné plutónium do zrazeniny a neptúnium zostáva v roztoku. Konečnými produktmi takýchto operácií sú zlúčeniny obsahujúce plutónium - oxid PuO2 alebo fluoridy (PuF3 alebo PuF4), z ktorých sa získava kovové plutónium (redukciou parou bária, vápnika alebo lítia).
Čistejšie plutónium sa dá dosiahnuť elektrolytickou rafináciou pyrochemicky vyrobeného kovu, ktorá sa robí v elektrolytických článkoch pri 700 °C s elektrolytom draslíka, sodíka a chloridu plutónia pomocou volfrámovej alebo tantalovej katódy. Plutónium získané týmto spôsobom má čistotu 99,99 %.
Na výrobu veľkého množstva plutónia sa stavajú množivé reaktory, takzvané „množiteľské“ (z anglického slovesa množiť sa – množiť sa). Tieto reaktory dostali svoje meno vďaka schopnosti produkovať štiepny materiál v množstvách prevyšujúcich náklady na získanie tohto materiálu. Rozdiel medzi reaktormi tohto typu a ostatnými je v tom, že neutróny v nich nie sú spomalené (nemá moderátor napr. grafit), aby čo najviac z nich reagovalo s 238U.
Po reakcii sa vytvorí 239U atómov, ktoré následne tvoria 239Pu. Jadro takéhoto reaktora, obsahujúce PuO2 v ochudobnenom oxide uránovom (UO2), je obklopené plášťom z ešte viac ochudobneného oxidu uranového-238 (238UO2), v ktorom sa tvorí 239Pu. Kombinované použitie 238U a 235U umožňuje „chovateľom“ vyrábať 50-60-krát viac energie z prírodného uránu ako iné reaktory. Tieto reaktory však majú veľkú nevýhodu – palivové tyče musia byť chladené iným médiom ako vodou, čo znižuje ich energiu. Preto bolo rozhodnuté použiť ako chladivo tekutý sodík.
Výstavba takýchto reaktorov v Spojených štátoch amerických začala po skončení druhej svetovej vojny, ZSSR a Veľká Británia začali s ich výstavbou až v 50. rokoch 20. storočia.
Fyzikálne vlastnosti
Plutónium je veľmi ťažký (hustota pri normálnej úrovni 19,84 g/cm³) striebristý kov, v čistenom stave veľmi podobný niklu, ale na vzduchu plutónium rýchlo oxiduje, bledne, vytvára dúhový film, najskôr svetložltý, potom sa zmení na tmavofialový . Keď dôjde k silnej oxidácii, na povrchu kovu sa objaví olivovozelený oxidový prášok (PuO2).
Plutónium je vysoko elektronegatívny a reaktívny kov, mnohokrát dokonca viac ako urán. Má sedem alotropných modifikácií (α, β, γ, δ, δ", ε a ζ), ktoré sa menia v určitom rozsahu teplôt a pri určitom rozsahu tlaku. Pri izbovej teplote je plutónium vo forme α - to je najbežnejšia alotropická modifikácia plutónia V alfa fáze je čisté plutónium krehké a dosť tvrdé - táto štruktúra je tvrdá asi ako sivá liatina, pokiaľ nie je legovaná inými kovmi, čo dodá zliatine ťažnosť a mäkkosť. v tejto forme s najvyššou hustotou je plutónium šiestym najhustejším prvkom (Ťažšie sú len osmium, irídium, platina, rénium a neptúnium. Ďalšie alotropické premeny plutónia sú sprevádzané prudkými zmenami hustoty. Napríklad pri zahriatí z 310 na 480 °C neexpanduje, ako iné kovy, ale sa sťahuje (delta fázy " a "delta prime") Pri roztavení (prechod z fázy epsilon do kvapalnej fázy) sa plutónium tiež sťahuje, čo umožňuje plutóniu plávať.
Plutónium má veľké množstvo nezvyčajných vlastností: má najnižšiu tepelnú vodivosť zo všetkých kovov – pri 300 K je 6,7 W/(m K); plutónium má najnižšiu elektrickú vodivosť; V kvapalnej fáze je plutónium najviskóznejší kov. Odpor deväťdesiateho štvrtého prvku pri izbovej teplote je pre kov veľmi vysoký a táto vlastnosť sa bude zvyšovať s klesajúcou teplotou, čo nie je typické pre kovy. Túto „anomáliu“ možno vysledovať až do teploty 100 K – pod touto značkou sa elektrický odpor zníži. Od 20 K však začne odpor opäť narastať v dôsledku radiačnej aktivity kovu.
Plutónium má najvyšší elektrický odpor zo všetkých študovaných aktinoidov (doteraz), ktorý je 150 μΩ cm (pri 22 °C). Tento kov má nízku teplotu topenia (640 °C) a nezvyčajne vysokú teplotu varu (3 227 °C). Tekuté plutónium, ktoré je bližšie k bodu topenia, má v porovnaní s inými kovmi veľmi vysokú viskozitu a povrchové napätie.
Plutónium je vďaka svojej rádioaktivite teplé na dotyk. Veľký kus plutónia v tepelnom obale sa zahreje na teplotu presahujúcu bod varu vody! Okrem toho plutónium v dôsledku svojej rádioaktivity prechádza v priebehu času zmenami vo svojej kryštálovej mriežke - dochádza k určitému druhu žíhania v dôsledku samoožiarenia v dôsledku zvýšenia teploty nad 100 K.
Prítomnosť veľkého počtu alotropných modifikácií v plutóniu spôsobuje, že je ťažké spracovať a vyvinúť kov v dôsledku fázových prechodov. Už vieme, že vo forme alfa má 94. prvok podobné vlastnosti ako liatina, má však tendenciu meniť sa a premieňať na tvárny materiál a pri vyšších teplotných rozsahoch vytvárať tvárnu β-formu. Plutónium vo forme δ je zvyčajne stabilné pri teplotách medzi 310 °C a 452 °C, ale môže existovať pri izbovej teplote, ak je dopované nízkymi percentami hliníka, céru alebo gália. Po legovaní s týmito kovmi možno plutónium použiť pri zváraní. Vo všeobecnosti má delta forma výraznejšie vlastnosti kovu - je blízka hliníku v pevnosti a kujnosti.
Chemické vlastnosti
Chemické vlastnosti deväťdesiateho štvrtého prvku sú v mnohom podobné vlastnostiam jeho predchodcov v periodickej tabuľke – uránu a neptúnia. Plutónium je pomerne aktívny kov, tvorí zlúčeniny s oxidačným stavom od +2 do +7. Vo vodných roztokoch prvok vykazuje nasledujúce oxidačné stavy: Pu (III), ako Pu3+ (existuje v kyslých vodných roztokoch, má svetlofialovú farbu); Pu (IV), ako Pu4+ (čokoládový odtieň); Pu (V), ako PuO2+ (svetlý roztok); Pu (VI), ako PuO22+ (svetlo oranžový roztok) a Pu(VII), ako PuO53- (zelený roztok).
Navyše tieto ióny (okrem PuO53-) môžu byť v roztoku súčasne v rovnováhe, čo sa vysvetľuje prítomnosťou 5f elektrónov, ktoré sa nachádzajú v lokalizovanej a delokalizovanej zóne elektrónového orbitálu. Pri pH 5-8 dominuje Pu(IV), ktorý je spomedzi ostatných valencií (oxidačných stavov) najstabilnejší. Plutóniové ióny všetkých oxidačných stavov sú náchylné na hydrolýzu a tvorbu komplexov. Schopnosť vytvárať takéto zlúčeniny sa zvyšuje v sérii Pu5+
Kompaktné plutónium pomaly oxiduje na vzduchu a pokryje sa dúhovým, mastným filmom oxidu. Známe sú nasledovné oxidy plutónia: PuO, Pu2O3, PuO2 a fáza rôzneho zloženia Pu2O3 - Pu4O7 (Berthollides). V prítomnosti malého množstva vlhkosti sa výrazne zvyšuje rýchlosť oxidácie a korózie. Ak je kov dostatočne dlho vystavený malému množstvu vlhkého vzduchu, na jeho povrchu sa vytvorí oxid plutónový (PuO2). Pri nedostatku kyslíka môže vzniknúť aj jeho dihydrid (PuH2). Prekvapivo, plutónium hrdzavie oveľa rýchlejšie v atmosfére inertného plynu (ako je argón) s vodnou parou ako v suchom vzduchu alebo čistom kyslíku. V skutočnosti je táto skutočnosť ľahko vysvetliteľná - priamym pôsobením kyslíka sa na povrchu plutónia vytvorí vrstva oxidu, ktorá zabráni ďalšej oxidácii, prítomnosťou vlhkosti vzniká sypká zmes oxidu a hydridu. Mimochodom, vďaka tomuto povlaku sa kov stáva samozápalným, to znamená, že je schopný samovznietenia, z tohto dôvodu sa kovové plutónium zvyčajne spracováva v inertnej atmosfére argónu alebo dusíka. Kyslík je zároveň ochrannou látkou a zabraňuje tomu, aby vlhkosť pôsobila na kov.
Deväťdesiaty štvrtý prvok reaguje s kyselinami, kyslíkom a ich parami, nie však so zásadami. Plutónium je vysoko rozpustné iba vo veľmi kyslom prostredí (napríklad kyselina chlorovodíková HCl) a je tiež rozpustné v chlorovodíku, jodovodíku, bromovodíku, 72 % kyseline chloristej, 85 % kyseline ortofosforečnej H3PO4, koncentrovanom CCl3COOH, kyseline sulfámovej a varu koncentrovaná kyselina dusičná. Plutónium sa v alkalických roztokoch výrazne nerozpúšťa.
Keď sú roztoky obsahujúce štvormocné plutónium vystavené alkáliám, vyzráža sa zrazenina hydroxidu plutónia Pu(OH)4 xH2O, ktorý má zásadité vlastnosti. Keď sú roztoky solí obsahujúcich PuO2+ vystavené alkáliám, vyzráža sa amfotérny hydroxid PuO2OH. Odpovedajú na to soli - plutonity, napríklad Na2Pu2O6.
Plutóniové soli sa po kontakte s neutrálnymi alebo alkalickými roztokmi ľahko hydrolyzujú a vytvárajú nerozpustný hydroxid plutónia. Koncentrované roztoky plutónia sú nestabilné v dôsledku rádiolytického rozkladu vedúceho k zrážaniu.
Plutónium-239, hlavný izotop plutónia používaného v jadrových výbušných zariadeniach, sa vyrába v akomkoľvek jadrovom reaktore s uránovým palivom, keď je neutrón zachytený jadrom uránu-238. V Rusku sa takmer všetko plutónium na zbrane vyrábalo v špeciálnych priemyselných reaktoroch. Charakteristickým znakom priemyselných reaktorov je relatívne nízky stupeň spotreby paliva - typická hodnota vyhorenia je 400-600 MW-deň/t. Je to spôsobené tým, že pri väčšej hĺbke vyhorenia sa v palive tvorí značné množstvo izotopu plutónia-240. Izotop Pu-240 je pomerne intenzívny žiarič spontánnych neutrónov, a preto jeho prítomnosť výrazne zhoršuje kvalitu plutónia ako materiálu pre zbrane.82 Podľa klasifikácie prijatej v Spojených štátoch sa plutónium na zbrane považuje za materiál s obsahom Pu-240 menším ako 5,8 %.
Separácia plutónia z vyhoreného paliva sa vykonáva rádiochemickými metódami v špeciálnych výrobných zariadeniach. Vzhľadom na vysokú rádioaktivitu vyhoreného paliva sa všetky operácie prepracovania uskutočňujú diaľkovými prostriedkami v „kaňonoch“ s hrubými betónovými stenami.Proces výroby plutónia je sprevádzaný tvorbou veľkého množstva rádioaktívneho a toxického odpadu a vyžaduje vytvorenie komplexného infraštruktúru na ich spracovanie a likvidáciu.
Priemyselné reaktory sa používali na výrobu iných materiálov jadrových zbraní, najmä trícia, používaného v zmesi trícium-deutérium na posilnenie primárnych komponentov termonukleárnych zbraní. Výroba trícia na zbrojárske účely sa zvyčajne uskutočňuje v jadrovom reaktore ožiarením jadier izotopu lítia 6,83 neutrónmi.Vyrobené trícium sa pri ich spracovaní vo vákuovej peci oddelí od lítiových terčov a čistí sa chemickými metódami. V prvých rokoch vývoja jadrového arzenálu sa v reaktoroch vyrábalo aj polónium-210, ktoré sa využívalo pri výrobe berýliovo-polóniových neutrónových zdrojov potrebných na spustenie reťazovej reakcie pri odpálení jadrovej nálože. (V nasledujúcich rokoch boli berýliovo-polóniové iniciátory nahradené externými neutrónovými iniciačnými systémami na báze elektrostatických trubíc.)84 Polónium sa vyrábalo ožarovaním bizmutových terčov neutrónmi.
Vývoj technológie reaktorov
Na výrobu plutónia v ZSSR sa používali hlavne kanálové reaktory s grafitom ako moderátorom neutrónov a chladené vodou čerpanou cez kanály s palivovými článkami. Do zvislých technologických kanálov vytvorených v grafitovom murive sa nakladalo palivo - bloky prírodného kovového uránu v hliníkovom plášti.
herecká zóna. Na vyrovnanie radiálneho rozloženia výkonu a tokov neutrónov v reaktorovej zóne vodno-grafitových priemyselných reaktorov boli po jej obvode umiestnené kanály s vysoko obohateným uránovým palivom.
Celkovo boli v ZSSR navrhnuté tri generácie grafitových reaktorov. Reaktor prvej generácie je reaktor A, ktorý bol uvedený do prevádzky v júni 1948 v Čeľabinsku-40 (neskôr Čeľabinsk-65). Reaktor navrhnutý N.A. Dollezhalom mal výkon 100 MW (neskôr bol zvýšený na 900 MW). Reaktor bol chladený pomocou schémy priameho toku - voda a chladivo boli odoberané z externého zdroja, čerpané cez reaktorovú zónu a vypúšťané do okolia. Palivo (asi 150 ton uránu) sa nachádzalo vo vertikálnych kanáloch 1353-tonového grafitového komína.85
Reaktor druhej generácie (napríklad reaktor AV-1, uvedený do prevádzky v roku 1950) bol vertikálny grafitový valec s vertikálnymi kanálmi pre palivové a regulačné tyče. V porovnaní s reaktorom A mal AV-1 väčší výkon a bol bezpečnejší. Podobne ako reaktor A, aj reaktory druhej generácie boli jednorazové a používali sa výlučne na výrobu plutónia na zbrane.86
Reaktory tretej generácie postavené po roku 1958 boli projektované ako reaktory s dvojakým použitím.88 Reaktormi tretej generácie sú reaktory série ADE, ktoré sú stále v prevádzke. Každý takýto reaktor má výkon približne 2000 MW a ročne vyprodukuje približne 0,5 tony plutónia na zbrane. Para vznikajúca počas prevádzky sa využíva na výrobu približne 350 MW tepla a 150 MW elektriny. Na rozdiel od reaktorov prvej a druhej generácie majú reaktory tretej generácie dvojokruhový chladiaci systém s uzavretým obehom vody v primárnom okruhu, výmenníkom tepla, parogenerátorom a turbínou na výrobu elektriny.
| Moc | až 2000 MW |
| Vytváranie energie | 150-200 MW(e) |
| Výroba tepla | 300-350 Gcal/h |
| Moderátor | grafit |
| Chladiaca kvapalina | voda |
| Počet kanálov | 2832 |
| Počet palivových článkov v kanáli | 66-67 |
300-350 t |
75 kg |
| Vyhorenie paliva | 600-1000 MW-deň/t |
| Zloženie paliva (prírodný urán) | kovový prírodný urán |
| Zloženie paliva (HEU) | dispergovaný (8,5 % U02 v hliníkovej matrici) |
| Priemer tyče | 35 mm |
| Materiál škrupiny | Hliníková zliatina |
| Hrúbka škrupiny | gt; 1 mm |
| Sklad vyhoreného paliva | mokré |
| Štandardná doba skladovania | 6 mesiacov |
| Maximálny povolený čas skladovania | 18 mesiacov |
Tabuľka 3-2. Charakteristika reaktora ADE87
Vývoj rádiochemickej technológie
Rozvoj národnej rádiochémie sa začal v Rádiovom ústave Akadémie vied ZSSR pod vedením akademika V. G. Khlopina. V roku 1946 bola v RIAN navrhnutá prvá acetát-fluoridová technológia v krajine na priemyselnú separáciu plutónia a uránu z ožiareného uránového paliva. Technológia bola testovaná a testovaná na experimentálnom rádiochemickom zariadení U-5 v Inštitúte NII-9 a implementovaná v prvom rádiochemickom závode (závod B) v Čeľabinsku-40 (neskôr Čeľabinsk-65).
V počiatočnom štádiu prevádzky bolo chemické spracovanie závodu B založené na redoxnom procese acetátového zrážania triacetátu uranylu. Tento proces prebiehal v dvoch etapách – prvá zahŕňala čistenie plutónia a uránu zo štiepnych produktov a separáciu plutónia od uránu počas depozície acetátu. V druhom stupni sa uskutočnila rafinácia (dočistenie) plutónia počas jeho zrážania pomocou fluoridu lantanitého.
Rádiochemická technológia sa neustále zdokonaľuje, aby sa zlepšila jej bezpečnosť, úplnosť zhodnotenia a čistoty plutónia a uránu a znížila sa spotreba materiálov a objem vznikajúceho odpadu. Vzhľadom na vysokú chemickú agresivitu fluóru bolo použitie technológie fluoridu lantanitého drahé a nebezpečné. Preto sa pri vývoji druhého rádiochemického závodu (závod BB), vybudovaného v Čeľabinsku-40 koncom 50-tych rokov, rozhodlo o upustení od technológie fluoridu lantanitého v prospech použitia cyklu dvojitého nanášania acetátu. Acetátová technológia však bola tiež veľmi drahá, viedla k veľkým objemom roztokov a odpadu a vyžadovala vytvorenie množstva pomocných odvetví. Preto bol začiatkom 60. rokov druhý cyklus zrážania acetátu (v štádiu rafinácie plutónia) nahradený sorpčnými metódami založenými na selektívnej absorpcii plutónia iónomeničovými živicami. Zavedením sorpčnej technológie sa výrazne zlepšila kvalita produktov závodu. Použitie novej technológie sa však ukázalo ako nebezpečné a po výbuchu sorpčnej kolóny, ku ktorému došlo v Čeľabinsku v roku 1965,90 bolo rozhodnuté začať práce na zavedení extrakčných technológií. (Prvý výskum extrakčných technológií sa začal koncom 40. rokov.) Ťažobné technológie sa stali základom v súčasnosti dominantnej schémy prepracovania vyhoreného reaktorového paliva typu Purex a používajú sa vo všetkých rádiochemických závodoch v Rusku. Purex je viacstupňový proces založený na selektívnej extrakcii plutónia a uránu pomocou tributylfosfátu.
Na tvorbe rádiochemických technológií sa podieľali mnohé ústavy a organizácie. Vedecký vývoj a testovanie rádiochemických technológií sa uskutočňovali v Radium Institute, Celoruskom výskumnom ústave anorganických materiálov a Celoruskom výskumnom ústave chemickej technológie.91 Hlavný vývoj dizajnu a výrobu zariadení realizovala tzv. Výskumný ústav chemického inžinierstva Sverdlovsk. Dizajnové riešenia boli preskúmané alebo vyvinuté Všeobecným vedeckým výskumným a konštrukčným inštitútom energetických technológií (VNIPIET) so sídlom v Leningrade. Hlavnú ťarchu testovania vedeckých a technických riešení a zavádzania technológií znášali priamo závody na výrobu plutónia.
Výrobný komplex plutónia
Priemyselnú výrobu plutónia vykonával integrovaný komplex troch závodov: Čeľabinsk-65, Tomsk-7 a Krasnojarsk-26.
Čeľabinsk-65 (PO Mayak)
Závod Čeľabinsk-65, v súčasnosti známy ako PA Mayak,92 sa nachádza na severe Čeľabinskej oblasti v meste Ozersk. Závod bol založený v roku 1948 a bol prvým komplexom v ZSSR na výrobu plutónia a produktov z plutónia. Výroba plutónia bola realizovaná piatimi uránovo-grafitovými reaktormi (A, IR-AI, AV-1, AV-2 a AV-3), ktoré boli spustené v rokoch 1948 až 1955.93 V rokoch 1987 až 1990. všetky uránovo-grafitové reaktory boli odstavené. V súčasnosti slúžia na vedecké pozorovania a pripravujú sa na demontáž. Reaktorové zariadenie v rôznych časoch zahŕňalo (a zahŕňa) ďalšie typy reaktorov používaných na výrobu trícia a iných izotopov.
Ožiarené palivo z priemyselných reaktorov sa spracovávalo v rádiochemickom závode (závod B), ktorý bol súčasťou závodu. Rádiochemický závod začal spracovávať ožiarený urán 22. decembra 1948 a prvé roky jeho prevádzky boli mimoriadne náročné. Nedostatok skúseností a znalostí, nedokonalá technológia a vybavenie, vysoká korózia a rádioaktivita procesných riešení viedli k vysokej nehodovosti a preexponovaniu personálu.94 Závod bol začiatkom 50. rokov niekoľkokrát rekonštruovaný a nepretržite fungoval až do roku 1959. Od toho V momente začali objemy výroby klesať a začiatkom 60-tych rokov bol závod odstavený. Následne bol na mieste závodu B vybudovaný rádiochemický závod RT-1.
V závode BB pokračovalo prepracovanie paliva do priemyselných reaktorov. Výstavba závodu BB, ktorý mal nahradiť prvú rádiochemickú výrobu, sa začala v roku 1954 a úplne dokončená bola v septembri 1959. V roku 1987, po odstavení dvoch z piatich reaktorov vyrábajúcich plutónium, bol závod BB zastavený a separácia zbraní Plutónium v Čeľabinsku 65 bolo ukončené. V rokoch 1987 až 1990 Ožiarené palivo z priemyselných reaktorov, ktoré pokračovali v prevádzke, bolo odoslané na prepracovanie do rádiochemického závodu v Tomsku-7.
Plutóniové produkty z rádiochemických závodov boli prevezené do chemického a metalurgického závodu B. Závod B bol vybudovaný v roku 1948 na výrobu plutóniového kovu a súčiastok jadrových zbraní.95 Druhá etapa závodu umožnila výrobu súčiastok zbraní z uránu. V súčasnosti závod pokračuje v spracovaní materiálov štiepnych zbraní a výrobe súčiastok munície. V roku 1997 závod, podobne ako chemická a hutnícka výroba v Tomsku-7, začal práce na obohacovaní uránu na zbrane.
Okrem výroby plutónia bola v Čeľabinsku-65 zavedená aj výroba trícia a iných špeciálnych izotopov.96 Od roku 1951 sa na tieto účely používal 50-MW AI reaktor, ktorý ako palivo využíval 2 % obohatený urán. O niečo neskôr bola výroba trícia organizovaná v ťažkovodných reaktoroch, z ktorých prvým bol reaktor OK-180.97 (výroba trícia v OK-180 začala zrejme až po roku 1954). uviesť do prevádzky.OK-190. Tieto reaktory boli odstavené v rokoch 1965 a 1986. a nahradili ich dve nové inštalácie. V roku 1979 bol uvedený do prevádzky ľahkovodný (vodno-vodný) reaktor „Ruslan“ a v rokoch 1986 – 1987 bol uvedený do prevádzky ťažkovodný reaktor „Ľudmila“.98 Reaktor „Ruslan“ a „Ľudmila“ sa naďalej používa na výroba trícia, izotopových surovín pre rádioizotopové závody (plutónium-238, kobalt-60, uhlík-14, irídium-192 a iné) a radiáciou dopovaného kremíka.
Separáciu izotopov vykonáva rastlinný komplex RT-1. Palivo ožiarené za účelom výroby trícia sa presúva do závodu na trícium, ktorý je súčasťou Mayak PA, jediného výrobného podniku v krajine.
tríciové a tríciové zostavy pre jadrové zbrane." Izotopové produkty sa dodávajú do závodu na výrobu rádioizotopov (v prevádzke od roku 1962) na výrobu rádiových zdrojov alfa, gama a beta, tepelných generátorov na báze plutónia-238 a stroncia-90 a širokého sortimentu rádionuklidov.100
Elektráreň Mayak je dôležitou súčasťou palivového cyklu reaktorov jadrových elektrární a ďalších reaktorových zariadení. Významná časť infraštruktúry starého obranného závodu B sa stala súčasťou rádiochemického závodu RT-1, ktorý bol uvedený do prevádzky v roku 1976. Prvá linka RT-1 bola navrhnutá na spracovanie vysoko obohateného uránovo-hlinitého paliva z priemyselných a lodných reaktory. V roku 1978 závod začal s prepracovaním paliva z reaktorov VVER-440. V súčasnosti sa na troch technologických linkách RT-1 spracováva palivo z reaktorov VVER-440 a BN-600, palivo z dopravných a výskumných reaktorov a palivo HEU z priemyselných reaktorov. Spracovanie paliva sa vykonáva podľa schémy Purex. Súčasťou závodu sú aj zariadenia na preberanie a medzisklad vyhoretého paliva, zariadenia na skladovanie, spracovanie a vitrifikáciu rádioaktívnych odpadov a sklady separovaného uránu a plutónia. Zariadenie RT-1 je schopné ročne spracovať 400 ton paliva z reaktorov jadrových elektrární a 10 ton paliva z transportných reaktorov (20-30 reaktorových zón dopravných zariadení ročne).
Okrem prepracovania paliva je náplňou činnosti RT-1 práca na nakladaní s rádioaktívnymi odpadmi a experimentálne práce na výskume
| Reaktor | | Typ | Účel | Moc MW |
| PA "Mayak" (Čeljabinsk-65) | | | |
|
| A | 1948-1987 | voda-grafit, priamy tok | plutónium | 100/900 |
| IR-AI | 1951-1987 | vodno-grafitové, priamoprúdové | plutónium | 50/500 |
| AB-1 | 1950-1989 | voda-grafit, priamy tok | plutónium | 300/1200 |
| AV-2 | 1951-1990 | voda-grafit, priamy tok | plutónium | 300/1200 |
| AB-3 | 1952-1990 | voda-grafit, priamy tok | plutónium, trícium | 300/1200 |
| OK-180 | 1951-1965 | ťažká voda | trícium | 100? |
| OK-1EO | 1955-1986 | ťažká voda | trícium | 100? |
| Ruslan | 1979-súčasnosť | voda-voda | trícium, izotopy | Žiadne dáta |
| Ľudmila | 1986-súčasnosť | ťažká voda | trícium, izotopy | žiadne dáta |
| Sibírsky chemický závod (Tomsk-7) | | |
||
| I-1 | 1955-1990 | voda-grafit, priamy tok | plutónium | 600/1200 |
| EI-2 | />1956-1990 | | plutónium | 600/1200 |
| ADE-3 | 1961-1992 | vodno-grafitové, dvojokruhové | plutónium | 1600/1900 |
| ADE-4 | 1964-súčasnosť | vodno-grafitové, dvojokruhové | plutónium | 1600/1900 |
| ADE-5 | 1965-súčasnosť | vodno-grafitové, dvojokruhové | plutónium | 1600/1900 |
| Ťažobný a chemický závod (Krasnojarsk-26) | | |
||
| PEKLO | 1958-1992 | voda-grafit, priamy tok | plutónium | 1600/1800 |
| ADE-1 | 1961-1992 | voda-grafit, priamy tok | plutónium | 1600/1800 |
| ADE-2 | 1964-súčasnosť | vodno-grafitové, dvojokruhové | plutónium | 1600/1800 |
Tabuľka 3-3. Priemyselné reaktory postavené v ZSSR
a pilotné zariadenia na výrobu zmiešaného paliva s oxidom uránu a plutónia (palivo MOX). V Čeľabinsku-65 sa začala výstavba závodu na výrobu plutóniového paliva pre rýchle reaktory (Workshop 300).101 Výstavba z polovice dokončeného závodu bola v roku 1989 zmrazená.
Čeľabinsk-65 je jedným z hlavných miest na skladovanie štiepnych materiálov. V závode RT-1 sa skladuje približne 30 ton plutónia jadrovej kvality.102 Závod skladuje aj značné množstvo štiepneho materiálu na zbrane získaného z demontovaných jadrových zbraní. V lete 1994 sa v Čeľabinsku-65 začala výstavba centrálneho skladu uránu a plutónia na zbrane, ktoré sa uvoľnili pri demontáži jadrových zbraní. Predpokladá sa, že v roku 1999 bude uvedená do prevádzky prvá etapa skladu, do ktorej sa zmestí 25 tisíc kontajnerov s materiálom na zbrane; výstavbou druhej etapy sa zvýši skladovacia kapacita na 50 tisíc kontajnerov. Podľa projektu, ktorý vypracoval petrohradský inštitút VNIPIET, by úložisko malo poskytovať bezpečné skladovanie materiálov na 80-100 rokov.103
Závod má širokú vedeckú a technickú základňu na podporu práce svojich hlavných výrobných zariadení, ku ktorým patrí centrálne závodné laboratórium, prístrojová prevádzka, nástrojáreň, strojná opravovňa a špecializované konštrukčné oddelenie. Mesto má pobočku Moskovského inštitútu inžinierskej fyziky, poprednej univerzity v krajine v oblasti aplikovanej jadrovej fyziky.
Tomsk-7 (sibírsky chemický závod)
Sibírska chemická továreň v Tomsku-7104 bola založená v roku 1949 ako komplex na výrobu štiepnych materiálov na zbrane a súčiastok z nich. Výroba plutónia v Tomsku-7 bola vykonávaná piatimi reaktormi: I-1, EI-2, ADE-3, ADE-4 a ADE-5. Reaktor I-1, uvedený do prevádzky 20. novembra, bol svojou konštrukciou reaktor s priamym prietokom a slúžil výlučne na výrobu plutónia. V septembri 1958 a júli 1961 začali v elektrárni pracovať reaktory EI-2 a ADE-3, resp. Reaktory ADE-4 a ADE-5 boli uvedené do prevádzky v rokoch 1965 a 1967. S výnimkou I-1 mali všetky reaktory Tomsk-7 uzavretý okruh odvodu tepla a používali sa tak na výrobu plutónia, ako aj na výrobu tepla a elektriny.
Prvé tri reaktory v Tomsku-7 boli odstavené 21. augusta 1990 (I-1), 31. decembra 1990 (EI-2) a 14. augusta 1992 (ADE-3). Dva reaktory zostávajúce v prevádzke majú celkovú kapacitu 3800 MW a produkujú 660-700 MW tepla a 300 MW elektriny. Tepelná energia sa využíva na zásobovanie teplom Seversk (Tomsk-7) a neďaleký Tomsk, ako aj pre potreby výroby Sibírskeho chemického kombinátu a susedného petrochemického komplexu.
V súčasnosti sa vyhoreté palivo z priemyselných reaktorov Sibírskeho chemického kombinátu prepracováva v rádiochemickom závode zaradenom do závodu, ktorý bol uvedený do prevádzky v roku 1956. Do roku 1983 sa prepracovanie paliva vykonávalo podľa acetátovej schémy. Potom bol závod prevedený na technológiu Purex.
Donedávna sa plutónium izolované v rádiochemickom závode dodávalo do chemického a metalurgického závodu Tomsk-7 na konverziu do kovovej formy, legovanie a výrobu častí munície.105 Čerstvo vyrobené plutónium sa zrejme miešalo s plutóniom z vyradených hlavíc, aby sa zachoval prijateľná úroveň koncentrácie
amerícium-241 v plutóniu.106 Počnúc októbrom 1994 sa čerstvo vyrobené plutónium premieňa na oxid a posiela sa na uskladnenie.
Ďalší úsek chemického a hutníckeho závodu pracuje na spracovaní vysoko obohateného uránu a výrobe súčiastok zbraní z neho. V roku 1994- Začali sa tu operácie na konverziu vysoko obohateného uránu na zbrane na urán s nízkym obohatením v rámci rusko-americkej dohody o predaji HEU. Časť prác vykonaných v Tomsku-7 zahŕňa konverziu kovového uránu na oxidovú formu. Značná časť uránu prechádza rádiochemickým spracovaním na odstránenie chemických kontaminantov (legujúcich materiálov, zvyškov produktov štiepenia a transuránových prvkov). Vyčistený prášok oxidu uránu sa balí do zapečatených nádob a posiela sa do Sverdlovska-44 a Krasnojarska-45 na fluoráciu a zbavenie sa obohatenia. Koncom roku 1996 začala fungovať aj výrobňa fluoridácie a obohacovania uránu v Tomsku-7.107.
Krasnojarsk-26 (Banícky a chemický kombinát)
Závod v Krasnojarsku-26108 bol vytvorený vo februári 1950109 na výrobu plutónia na zbrane. Charakteristickým znakom reaktorových a rádiochemických závodov a pridružených dielní, laboratórií a skladov Krasnojarsk-26 je ich umiestnenie vo viacúrovňovom tunelovom systéme vo vnútri pohoria, v hĺbke 200 - 250 m pod zemou.
Reaktorová elektráreň Krasnojarsk-26 bola uvedená do prevádzky 25. augusta 1958 a do roku 1964 v elektrárni fungovali tri grafitové reaktory (AD, ADE-1, ADE-2). V roku 1964 začala fungovať rádiochemická továreň v Krasnojarsku-26. (V rokoch 1958 až 1964 sa vyhoreté reaktorové palivo prepracovávalo v elektrárňach Čeľabinsk-65 a/alebo Tomsk-7.) Oxid plutóniový, konečný produkt elektrárne, bol prevezený do chemických a metalurgických závodov Čeľabinsk-65 a/alebo Tomsk-7 na výrobu kovového plutónia a častí zbraní. Od októbra 1994 sa v skladoch závodu skladuje separované plutónium vo forme oxidu.
Dva prietokové reaktory Krasnojarsk-26 (AD a ADE-1) boli odstavené v roku 1992.11 Tretí reaktor má dvojokruhový chladiaci systém a má podobnú konštrukciu ako prevádzkované reaktory Tomsk-7. Podobne ako v prípade Tomsk-7, reaktor vyrába teplo pre miestne obyvateľstvo a nemožno ho odstaviť bez vybudovania náhradnej kapacity.
V roku 1972 sa začali práce na projekte komplexu rádiochemických závodov RT-2 v Krasnojarsku-26. V súlade s projektom musí elektráreň RT-2 realizovať rádiochemické spracovanie paliva z reaktorov VVER-1000. Výstavba prvej etapy skladu vyhoreného reaktorového paliva sa začala v roku 1976 na nadzemnom pozemku 4-5 km severne od podzemného komplexu. Sklad s kapacitou 6000 ton paliva bol uvedený do prevádzky v decembri 1985 a do roku 1995 bol naplnený na 15-20% Výstavba druhej etapy rádiochemického závodu RT-2 s kapacitou 1500 ton/rok tiež začala koncom 70. rokov. V dôsledku nedostatočného financovania a odporu miestneho environmentálneho hnutia však bola v roku 1989 výstavba závodu (dokončená na 30 %) zmrazená. Napriek rozhodnutiu ruskej vlády dokončiť výstavbu vo februári 1995112 zostáva budúcnosť závodu RT-2 nejasná.
Ale ako reaktor funguje, izotop plutónia na výrobu zbraní rýchlo zhorí, v dôsledku čoho sa v reaktore nahromadí veľké množstvo izotopov 240 Pu, 241 Pu a 242 Pu, ktoré vznikajú postupným zachytením niekoľkých neutrónov. hĺbka vyhorenia je zvyčajne určená ekonomickými faktormi. Čím nižšia je hĺbka vyhorenia, tým menej izotopov 240 Pu, 241 Pu a 242 Pu bude obsahovať plutónium oddelené od ožiareného jadrového paliva, ale tým menej plutónia sa v palive vytvorí.
Špeciálna výroba plutónia pre zbrane obsahujúce takmer výlučne 239 Pu je potrebná najmä preto, že izotopy s hmotnostnými číslami 240 a 242 vytvárajú vysoké neutrónové pozadie, čo sťažuje navrhovanie účinných jadrových zbraní, navyše 240 Pu a 241 Pu majú výrazne kratšiu periódu polčas rozpadu ako 239 Pu, vďaka čomu sa časti plutónia zahrievajú, a do konštrukcie jadrovej zbrane je potrebné zaviesť ďalšie prvky na odvod tepla. Okrem toho produkty rozpadu ťažkých izotopov poškodzujú kryštálovú mriežku kovu, čo môže viesť k zmene tvaru častí plutónia, čo môže viesť k zlyhaniu jadrového výbušného zariadenia.
V zásade je možné všetky tieto ťažkosti prekonať a jadrové výbušné zariadenia vyrobené z „reaktorového“ plutónia boli úspešne testované v munícii, kde hrá dôležitú úlohu kompaktnosť, nízka hmotnosť, spoľahlivosť a odolnosť, a to výhradne špeciálne vyrábané zbrane. používa sa plutónium. Kritická hmotnosť kovových 240 Pu a 242 Pu je veľmi veľká, 241 Pu je o niečo väčšia ako 239 Pu.
Výroba
Dispozícia
Od konca 90. rokov 20. storočia Spojené štáty a Rusko pripravujú dohody o likvidácii prebytočného plutónia na zbrane.
pozri tiež
Poznámky
- Kritické množstvo // Európska jadrová spoločnosť (anglicky)
- DOHODA medzi vládou Ruskej federácie a vládou Spojených štátov amerických o spolupráci v súvislosti s reaktormi na výrobu plutónia (v znení zmien a doplnkov z 12. marca 2003), pripravená Codexom JSC
- V Železnogorsku zatvorili posledný reaktor v krajine, ktorý posledné polstoročie vyrábal plutónium na zbrane. (nedefinované) . Získané 10. novembra 2014.
- Ivan Fursov. Uránová diéta: Jadrová energetika USA by mohla čeliť nedostatku paliva (anglicky), RT (25. septembra 2013). Získané 27. decembra 2013. "Výroba plutónia vojenskej kvality bola tiež zastavená v USA (v roku 1988) aj v Rusku (v roku 1994)."
- O medzinárodnej spolupráci Ruska v oblasti likvidácie prebytočného plutónia na zbrane / Ministerstvo zahraničných vecí Ruskej federácie, Odbor pre otázky bezpečnosti a odzbrojenia Ministerstva zahraničných vecí Ruskej federácie, 11.03.2001
- Ubeev A.V. Dohoda o likvidácii plutónia / Nešírenie jadrových zbraní: Stručná encyklopédia, Centrum PIR
- Dohoda o riadení a likvidácii plutónia z roku 2000 / State.gov, Úrad hovorcu, 13. apríla 2010 (v angličtine)
- Bol podpísaný zákon na ratifikáciu Dohody medzi vládami Ruska a Spojených štátov amerických o likvidácii plutónia, ktoré už nie je potrebné na obranné účely // kremlin.ru, 7. júna 2011
- kremlin.ru,
| Plutónium | |
|---|---|
| Atómové číslo | 94 |
| Vzhľad jednoduchej látky | |
| Vlastnosti atómu | |
| Atómová hmotnosť (molárna hmota) |
244,0642 a. e.m. (/mol) |
| Atómový polomer | 151 hod |
| Ionizačná energia (prvý elektrón) |
491,9 (5,10) kJ/mol (eV) |
| Elektronická konfigurácia | 5f 6 7s 2 |
| Chemické vlastnosti | |
| Kovalentný polomer | n/a pm |
| Polomer iónov | (+4e) 93 (+3e) 23:00 |
| Elektronegativita (podľa Paulinga) |
1,28 |
| Elektródový potenciál | Pu←Pu 4+ -1,25V Pu←Pu 3+ -2,0V Pu←Pu 2+ -1,2V |
| Oxidačné stavy | 6, 5, 4, 3 |
| Termodynamické vlastnosti jednoduchej látky | |
| Hustota | 19,84 /cm³ |
| Molárna tepelná kapacita | 32,77 J/(mol) |
| Tepelná vodivosť | (6,7) W/( ·) |
| Teplota topenia | 914 |
| Teplo topenia | 2,8 kJ/mol |
| Teplota varu | 3505 |
| Výparné teplo | 343,5 kJ/mol |
| Molárny objem | 12,12 cm³/mol |
| Kryštálová mriežka jednoduchej látky | |
| Mriežková štruktúra | monoklinika |
| Parametre mriežky | a=6,183 b=4,822 c=10,963 β=101,8 |
| pomer c/a | — |
| Debyeho teplota | 162 |
Plutónium- rádioaktívny chemický prvok zo skupiny aktinidov, široko používaný pri výrobe jadrové zbrane(takzvané „plutónium pre zbrane“) a tiež (experimentálne) ako jadrové palivo pre jadrové reaktory na civilné a výskumné účely. Prvý umelý prvok získaný v množstvách dostupných na váženie (1942).
V tabuľke vpravo sú uvedené hlavné vlastnosti α-Pu, hlavnej alotropickej modifikácie plutónia pri izbovej teplote a normálnom tlaku.
História plutónia
Izotop plutónia 238 Pu bol prvýkrát umelo vyrobený 23. februára 1941 skupinou amerických vedcov vedených Glennom Seaborgom ožiarením jadier urán deuteróny. Je pozoruhodné, že až po umelej výrobe bolo v prírode objavené plutónium: v zanedbateľných množstvách sa 239 Pu zvyčajne nachádza v uránových rudách ako produkt rádioaktívnej premeny uránu.
Nájdenie plutónia v prírode
V uránových rudách v dôsledku zachytávania neutrónov (napríklad neutrónov z kozmického žiarenia) jadrami uránu, neptúnium(239 Np), ktorého produktom β-rozpadu je prírodné plutónium-239. Plutónium sa však tvorí v takých mikroskopických množstvách (0,4-15 dielov Pu na 10 12 dielov U), že jeho extrakcia z uránových rúd neprichádza do úvahy.
pôvod mena plutónium
V roku 1930 bol astronomický svet nadšený úžasnou správou: bola objavená nová planéta, o ktorej existencii už dlho hovoril Percival Lovell, astronóm, matematik a autor fantastických esejí o živote na Marse. Na základe dlhoročných pozorovaní pohybu Urán A Neptún Lovell dospel k záveru, že za Neptúnom v slnečnej sústave by mala byť ďalšia, deviata planéta, štyridsaťkrát ďalej od Slnka ako Zem.
Táto planéta, ktorej orbitálne prvky Lovell vypočítal už v roku 1915, bola objavená na fotografiách, ktoré urobil 21., 23. a 29. januára 1930 astronóm K. Tombaugh na Flagstaff Observatory ( USA) . Planéta bola pomenovaná Pluto. 94. prvok, umelo získaný koncom roku 1940 z jadier, bol pomenovaný podľa tejto planéty, nachádzajúcej sa v slnečnej sústave za Neptúnom. atómov urán skupina amerických vedcov vedená G. Seaborgom.
Fyzikálne vlastnosti plutónium
Existuje 15 izotopov plutónia - Izotopy s hmotnostnými číslami od 238 do 242 sa vyrábajú v najväčších množstvách:
238 Pu -> (polčas rozpadu 86 rokov, alfa rozpad) -> 234 U,
Tento izotop sa používa takmer výlučne v RTG na vesmírne účely, napríklad na všetkých vozidlách, ktoré preleteli za obežnú dráhu Marsu.
239 Pu -> (polčas rozpadu 24 360 rokov, alfa rozpad) -> 235 U,
Tento izotop je najvhodnejší na konštrukciu jadrových zbraní a jadrových reaktorov s rýchlymi neutrónmi.
240 Pu -> (polčas rozpadu 6580 rokov, alfa rozpad) -> 236 U, 241 Pu -> (polčas rozpadu 14,0 rokov, beta rozpad) -> 241 Am, 242 Pu -> (polčas rozpadu 370 000 rokov, alfa -rozpad) -> 238 U
Tieto tri izotopy nemajú vážny priemyselný význam, ale získavajú sa ako vedľajšie produkty pri výrobe energie v jadrových reaktoroch s použitím uránu postupným zachytávaním niekoľkých neutrónov jadrami uránu-238. Izotop 242 sa svojimi jadrovými vlastnosťami najviac podobá uránu-238. Americium-241, produkované rozpadom izotopu 241, bolo použité v detektoroch dymu.
Plutónium je zaujímavé, pretože prechádza šiestimi fázovými prechodmi z teploty tuhnutia na izbovú teplotu, viac ako ktorýkoľvek iný chemický prvok. Pri druhom sa hustota prudko zvýši o 11%, v dôsledku čoho odliatky plutónia praskajú. Alfa fáza je stabilná pri izbovej teplote, ktorej charakteristiky sú uvedené v tabuľke. Na aplikáciu je vhodnejšia delta fáza, ktorá má nižšiu hustotu, a kubická mriežka centrovaná na telo. Plutónium vo fáze delta je veľmi ťažné, zatiaľ čo fáza alfa je krehká. Na stabilizáciu plutónia v delta fáze sa používa dopovanie trojmocnými kovmi (v prvých jadrových náložiach bolo použité gálium).
Aplikácie plutónia
Prvé jadrové zariadenie na báze plutónia bolo odpálené 16. júla 1945 na testovacom mieste Alamogordo (test s kódovým označením Trinity).
Biologická úloha plutónia
Plutónium je vysoko toxické; Najvyššia prípustná koncentrácia 239 Pu v otvorených vodných útvaroch a vzduchu pracovných miestností je 81,4 a 3,3 * 10 −5 Bq/l. Väčšina izotopov plutónia má vysokú hustotu ionizácie a krátku dĺžku dráhy častíc, takže jeho toxicita nie je spôsobená ani tak jeho chemickými vlastnosťami (plutónium pravdepodobne nie je v tomto ohľade toxickejšie ako iné ťažké kovy), ale skôr ionizačným účinkom. na okolité telesné tkanivá. Plutónium patrí do skupiny prvkov s obzvlášť vysokou rádiotoxicitou. V tele plutónium spôsobuje veľké nezvratné zmeny v kostre, pečeni, slezine, obličkách a spôsobuje rakovinu. Maximálny prípustný obsah plutónia v tele by nemal presiahnuť desatiny mikrogramu.
Umelecké diela súvisiace s témou plutónium
- Plutónium bolo použité pre stroj De Lorean DMC-12 vo filme Návrat do budúcnosti ako palivo pre akumulátor toku na cestu do budúcnosti alebo minulosti.
— Nálož z atómovej bomby odpálenej teroristami v Denveri v USA vo filme Toma Clancyho „All the Fears of the World“ bola vyrobená z plutónia.
— Kenzaburo Oe „Notes of a Pinch Runner“
— V roku 2006 vydala spoločnosť Beacon Pictures film Plutónium-239 ( "Pu-239")
Popis plutónia
Plutónium(Plutónium) je striebristý ťažký chemický prvok, rádioaktívny kov s atómovým číslom 94, ktorý je v periodickej tabuľke označený symbolom Pu.
Tento elektronegatívny aktívny chemický prvok patrí do skupiny aktinoidov s atómovou hmotnosťou 244,0642 a podobne ako neptúnium, ktoré dostalo svoj názov na počesť rovnomennej planéty, aj táto chemikália vďačí za svoj názov planéte Pluto, keďže predchodcovia rádioaktívneho prvku v Mendelejevovej periodickej tabuľke chemických prvkov sú a neptúnium, ktoré boli tiež pomenované podľa vzdialených kozmických planét v našej Galaxii.
Pôvod plutónia
Prvok plutónium prvýkrát objavila v roku 1940 na Kalifornskej univerzite skupina rádiológov a vedeckých výskumníkov G. Seaborg, E. McMillan, Kennedy, A. Walch pri bombardovaní uránového terča z cyklotrónu deuterónmi – jadrami ťažkého vodíka.
V decembri toho istého roku vedci objavili izotop plutónia– Pu-238, ktorého polčas rozpadu je viac ako 90 rokov, a zistilo sa, že pod vplyvom zložitých jadrových chemických reakcií sa spočiatku vyrába izotop neptunium-238, po ktorom sa už tvorí izotop plutónium-238.
Začiatkom roku 1941 vedci objavili plutónium 239 s dobou rozpadu 25 000 rokov. Izotopy plutónia môžu mať v jadre rôzny obsah neutrónov.
Čistá zlúčenina prvku bola získaná až koncom roku 1942. Vždy, keď rádiológovia objavili nový izotop, vždy merali polčasy rozpadu izotopov.
V súčasnosti sa izotopy plutónia, ktorých je celkovo 15, líšia v trvaní času polovičný život. Práve s týmto prvkom sú spojené veľké nádeje a vyhliadky, no zároveň aj vážne obavy ľudstva.
Plutónium má podstatne väčšiu aktivitu ako napríklad urán a je jednou z najdrahších technicky dôležitých a významných látok chemickej povahy.
Napríklad cena gramu plutónia je niekoľkonásobne vyššia ako jeden gram alebo iných rovnako cenných kovov.
Výroba a ťažba plutónia sa považuje za nákladnú a cena jedného gramu kovu v súčasnosti s istotou zostáva na úrovni približne 4 000 amerických dolárov.
Ako sa získava plutónium? Výroba plutónia
Výroba chemického prvku prebieha v jadrových reaktoroch, v ktorých sa štiepi urán pod vplyvom zložitých chemických a technologických procesov.
Urán a plutónium sú hlavné, hlavné zložky pri výrobe atómového (jadrového) paliva.
Ak je potrebné získať veľké množstvo rádioaktívneho prvku, používa sa metóda ožarovania transuránových prvkov, ktoré je možné získať z vyhoreného jadrového paliva a ožarovanie uránom. Komplexné chemické reakcie umožňujú oddelenie kovu od uránu.
Na získanie izotopov, konkrétne plutónia-238 a plutónia-239 na zbrane, čo sú medziprodukty rozpadu, sa používa ožarovanie neptúnia-237 neutrónmi.
Malý zlomok plutónia-244, ktorý je izotopom s najdlhšou životnosťou vďaka svojmu dlhému polčasu rozpadu, bol objavený v cérovej rude, ktorá sa pravdepodobne zachovala z obdobia vzniku našej planéty Zem. Tento rádioaktívny prvok sa v prírode prirodzene nevyskytuje.
Základné fyzikálne vlastnosti a charakteristiky plutónia
Plutónium je pomerne ťažký rádioaktívny chemický prvok so striebristou farbou, ktorý svieti len po prečistení. Jadrový hmotnosť kovového plutónia rovná 244 a. jesť.
Pre svoju vysokú rádioaktivitu je tento prvok teplý na dotyk a dokáže sa zahriať na teplotu, ktorá presahuje teplotu varu vody.
Plutónium pod vplyvom atómov kyslíka rýchlo stmavne a pokryje sa dúhovým tenkým filmom, ktorý má spočiatku svetložltý a potom bohatý alebo hnedý odtieň.
Pri silnej oxidácii dochádza na povrchu prvku k tvorbe prášku PuO2. Tento typ chemického kovu podlieha silným oxidačným procesom a korózii aj pri nízkej úrovni vlhkosti.
Aby sa zabránilo korózii a oxidácii kovového povrchu, je potrebné zariadenie na sušenie. Fotografia plutónia si môžete pozrieť nižšie.
Plutónium je štvormocný chemický kov, dobre a rýchlo sa rozpúšťa v jódových látkach a kyslom prostredí, napríklad v kyseline chlórnej.
Kovové soli sa rýchlo neutralizujú v prostrediach s neutrálnou reakciou, alkalické roztoky, pričom tvoria nerozpustný hydroxid plutónia.
Teplota, pri ktorej sa plutónium topí, je 641 stupňov Celzia, bod varu je 3230 stupňov.
Pod vplyvom vysokých teplôt dochádza k neprirodzeným zmenám hustoty kovu. Plutónium má vo svojej forme rôzne fázy a má šesť kryštálových štruktúr.
Pri prechode medzi fázami dochádza k výrazným zmenám objemu prvku. Prvok získava svoju najhustejšiu formu v šiestej fáze alfa (posledná fáza prechodu), pričom jediné veci ťažšie ako kov v tomto stave sú neptúnium a rádium.
Pri roztavení prvok podlieha silnému stlačeniu, takže kov môže plávať na povrchu vody a iných neagresívnych kvapalných médií.
Napriek tomu, že tento rádioaktívny prvok patrí do skupiny chemických kovov, prvok je dosť prchavý a keď je v uzavretom priestore počas krátkej doby, jeho koncentrácia vo vzduchu sa niekoľkonásobne zvyšuje.
Medzi hlavné fyzikálne vlastnosti kovu patrí: nízky stupeň, úroveň tepelnej vodivosti všetkých existujúcich a známych chemických prvkov, nízka úroveň elektrickej vodivosti, v kvapalnom stave je plutónium jedným z najviskóznejších kovov.
Stojí za zmienku, že akékoľvek zlúčeniny plutónia sú toxické, jedovaté a predstavujú vážne nebezpečenstvo žiarenia pre ľudské telo, ku ktorému dochádza v dôsledku aktívneho alfa žiarenia, preto všetky práce musia byť vykonávané s maximálnou starostlivosťou a len v špeciálnych oblekoch s chemickou ochranou. .
Viac o vlastnostiach a teóriách vzniku unikátneho kovu sa dočítate v knihe Obruchev "Plutonia"" Autor V.A. Obruchev pozýva čitateľov, aby sa ponorili do úžasného a jedinečného sveta fantastickej krajiny Plutónia, ktorá sa nachádza hlboko v útrobách Zeme.
Aplikácie plutónia
Priemyselný chemický prvok sa zvyčajne klasifikuje na plutónium na úrovni zbraní a reaktora („energetická kvalita“).
Na výrobu jadrových zbraní je teda zo všetkých existujúcich izotopov prípustné použiť len plutónium 239, ktoré by nemalo obsahovať viac ako 4,5 % plutónia 240, pretože podlieha samovoľnému štiepeniu, čo značne komplikuje výrobu vojenských projektilov. .
Plutónium-238 sa používa na prevádzku malých rádioizotopových zdrojov elektrickej energie, napríklad ako zdroj energie pre vesmírnu techniku.
Pred niekoľkými desaťročiami sa plutónium používalo v medicíne v kardiostimulátoroch (zariadeniach na udržiavanie srdcového rytmu).
Prvá atómová bomba vytvorená na svete mala plutóniovú náplň. Jadrové plutónium(Pu 239) je žiadaný ako jadrové palivo na zabezpečenie fungovania energetických reaktorov. Tento izotop tiež slúži ako zdroj na výrobu transplutóniových prvkov v reaktoroch.
Ak porovnáme jadrové plutónium s čistým kovom, izotop má vyššie kovové parametre a nemá prechodné fázy, preto je široko používaný v procese získavania palivových článkov.
Oxidy izotopu Plutónium 242 sú tiež žiadané ako zdroj energie pre vesmírne smrtiace jednotky, zariadenia a palivové tyče.
Plutónium na úrovni zbraní je prvok, ktorý je prezentovaný vo forme kompaktného kovu, ktorý obsahuje najmenej 93 % izotopu Pu239.
Tento typ rádioaktívneho kovu sa používa pri výrobe rôznych typov jadrových zbraní.
Plutónium pre zbrane sa vyrába v špecializovaných priemyselných jadrových reaktoroch, ktoré pracujú s prírodným alebo nízko obohateným uránom v dôsledku zachytávania neutrónov.