Plutonium (latin Plutonium, symbol Pu) är ett radioaktivt kemiskt grundämne med atomnummer 94 och atomvikt 244,064. Plutonium är ett element i grupp III i Dmitry Ivanovich Mendeleevs periodiska system och tillhör aktinidfamiljen. Plutonium är en tung (densitet under normala förhållanden 19,84 g/cm³) spröd radioaktiv metall med silvervit färg.
Plutonium har inga stabila isotoper. Av de hundra möjliga isotoper av plutonium har tjugofem syntetiserats. De nukleära egenskaperna hos femton av dem studerades (massnummer 232-246). Fyra har hittat praktisk tillämpning. De längsta livstidsisotoperna är 244Pu (halveringstid 8,26-107 år), 242Pu (halveringstid 3,76-105 år), 239Pu (halveringstid 2,41-104 år), 238Pu (halveringstid 87,74 år) -α emitters och 241Pu (halveringstid 14 år) - β-emitter. I naturen förekommer plutonium i försumbara mängder i uranmalmer (239Pu); det bildas av uran under inverkan av neutroner, vars källor är reaktioner som uppstår under interaktionen av α-partiklar med lätta element (ingår i malmer), spontan klyvning av urankärnor och kosmisk strålning.
Det nittiofjärde grundämnet upptäcktes av en grupp amerikanska forskare - Glenn Seaborg, Kennedy, Edwin McMillan och Arthur Wahl 1940 vid Berkeley (vid University of California) när de bombade ett mål av uranoxid (U3O8) av starkt accelererade deuteriumkärnor (deuteroner) från en sextiotums cyklotron. I maj 1940 förutspådde Lewis Turner egenskaperna hos plutonium.
I december 1940 upptäcktes plutoniumisotopen Pu-238, med en halveringstid på ~90 år, följt ett år senare av den viktigare Pu-239 med en halveringstid på ~24 000 år.
Edwin MacMillan föreslog 1948 att namnge det kemiska grundämnet plutonium för att hedra upptäckten av den nya planeten Pluto och i analogi med neptunium, som fick sitt namn efter upptäckten av Neptunus.
Metalliskt plutonium (239Pu isotop) används i kärnvapen och fungerar som kärnbränsle i kraftreaktorer som drivs med termiska och särskilt snabba neutroner. Den kritiska massan för 239Pu som metall är 5,6 kg. Isotopen 239Pu är bland annat utgångsmaterialet för produktion av transplutoniumelement i kärnreaktorer. 238Pu-isotopen används i små kärnkraftskällor som används i rymdforskning, såväl som i mänskliga hjärtstimulerande medel.
Plutonium-242 är viktigt som "råvara" för relativt snabb ackumulering av högre transuranelement i kärnreaktorer. δ-stabiliserade plutoniumlegeringar används vid tillverkning av bränsleceller, eftersom de har bättre metallurgiska egenskaper jämfört med rent plutonium, som genomgår fasövergångar vid uppvärmning. Plutoniumoxider används som energikälla för rymdteknik och finner sin tillämpning i bränslestavar.
Alla plutoniumföreningar är giftiga, vilket är en följd av α-strålning. Alfa-partiklar utgör en allvarlig fara om deras källa finns i en infekterad persons kropp; de skadar den omgivande vävnaden i kroppen. Gammastrålning från plutonium är inte farlig för kroppen. Det är värt att tänka på att olika isotoper av plutonium har olika toxicitet, till exempel är typisk reaktorplutonium 8-10 gånger giftigare än ren 239Pu, eftersom den domineras av 240Pu-nuklider, som är en kraftfull källa till alfastrålning. Plutonium är det mest radiotoxiska elementet av alla aktinider, men det anses långt ifrån det farligaste elementet, eftersom radium är nästan tusen gånger farligare än den giftigaste isotopen av plutonium - 239Pu.
Biologiska egenskaper
Plutonium koncentreras av marina organismer: ackumuleringskoefficienten för denna radioaktiva metall (förhållandet mellan koncentrationer i kroppen och i den yttre miljön) för alger är 1000-9000, för plankton - cirka 2300, för sjöstjärnor - cirka 1000, för blötdjur - upp till 380, för muskler, ben, lever och mage hos fisk - 5, 570, 200 respektive 1060. Landväxter absorberar plutonium huvudsakligen genom rotsystemet och ackumulerar det till 0,01% av sin massa. I människokroppen behålls det nittiofjärde elementet huvudsakligen i skelettet och levern, varifrån det nästan inte utsöndras (särskilt från benen).
Plutonium är mycket giftigt, och dess kemiska fara (som alla andra tungmetaller) är mycket svagare (ur kemisk synvinkel är det också giftigt som bly.) jämfört med dess radioaktiva toxicitet, som är en följd av alfastrålning. Dessutom har α-partiklar en relativt låg penetreringsförmåga: för 239Pu är intervallet för α-partiklar i luft 3,7 cm och i mjuk biologisk vävnad 43 μm. Därför utgör alfapartiklar en allvarlig fara om deras källa finns i en infekterad persons kropp. Samtidigt skadar de vävnaderna i kroppen som omger elementet.
Samtidigt är γ-strålar och neutroner, som plutonium också avger och som kan penetrera kroppen från utsidan, inte särskilt farliga, eftersom deras nivå är för låg för att skada hälsan. Plutonium tillhör en grupp grundämnen med särskilt hög radiotoxicitet. Samtidigt har olika isotoper av plutonium olika toxicitet, till exempel är typiskt reaktorplutonium 8-10 gånger giftigare än ren 239Pu, eftersom den domineras av 240Pu-nuklider, som är en kraftfull källa till alfastrålning.
När det intas genom vatten och mat är plutonium mindre giftigt än ämnen som koffein, vissa vitaminer, pseudoefedrin och många växter och svampar. Detta förklaras av det faktum att detta element absorberas dåligt av mag-tarmkanalen, även när det levereras i form av ett lösligt salt, är samma salt bundet av innehållet i magen och tarmarna. Men intag av 0,5 gram finfördelat eller löst plutonium kan leda till dödsfall från akut matsmältningsbestrålning inom dagar eller veckor (för cyanid är detta värde 0,1 gram).
Ur inandningssynpunkt är plutonium ett vanligt toxin (ungefär motsvarande kvicksilverånga). Vid inandning är plutonium cancerframkallande och kan orsaka lungcancer. Så, vid inandning, leder hundra milligram plutonium i form av partiklar av en optimal storlek för retention i lungorna (1-3 mikron) till döden från lungödem på 1-10 dagar. En dos på tjugo milligram leder till dödsfall av fibros på ungefär en månad. Mindre doser leder till kronisk cancerframkallande förgiftning. Faran för inandning av plutonium i kroppen ökar på grund av att plutonium är benäget att bilda aerosoler.
Även om det är en metall är den ganska flyktig. En kort vistelse av metall i ett rum ökar avsevärt dess koncentration i luften. Plutonium som kommer in i lungorna lägger sig delvis på lungornas yta, passerar delvis in i blodet och sedan in i lymfan och benmärgen. De flesta (cirka 60 %) hamnar i benvävnad, 30 % i levern och endast 10 % utsöndras naturligt. Mängden plutonium som kommer in i kroppen beror på storleken på aerosolpartiklarna och lösligheten i blodet.
Plutonium som kommer in i människokroppen på ett eller annat sätt liknar järnjärn i egenskaper, därför börjar plutonium att tränga in i cirkulationssystemet koncentreras i vävnader som innehåller järn: benmärg, lever, mjälte. Kroppen uppfattar plutonium som järn, därför tar transferrinproteinet plutonium istället för järn, vilket resulterar i att överföringen av syre i kroppen stoppas. Mikrofager transporterar plutonium till lymfkörtlarna. Plutonium som kommer in i kroppen tar väldigt lång tid att avlägsnas från kroppen - inom 50 år kommer endast 80% att avlägsnas från kroppen. Halveringstiden från levern är 40 år. För benvävnad är halveringstiden för plutonium 80-100 år, i själva verket är koncentrationen av grundämne nittiofyra i ben konstant.
Under andra världskriget och efter dess slut genomförde forskare som arbetade i Manhattan-projektet, såväl som forskare från Tredje riket och andra forskningsorganisationer, experiment med plutonium på djur och människor. Djurstudier har visat att några milligram plutonium per kilo vävnad är en dödlig dos. Användningen av plutonium hos människor bestod i att vanligtvis 5 mcg plutonium injicerades intramuskulärt i kroniskt sjuka patienter. Det fastställdes så småningom att den dödliga dosen för en patient var ett mikrogram plutonium, och att plutonium var farligare än radium och tenderade att ackumuleras i ben.
Som bekant är plutonium ett grundämne som praktiskt taget saknas i naturen. Emellertid släpptes cirka fem ton av det ut i atmosfären som ett resultat av kärnvapenprov under perioden 1945-1963. Den totala mängden plutonium som släpptes ut i atmosfären på grund av kärnvapenprov före 1980-talet uppskattas till 10 ton. Enligt vissa uppskattningar innehåller marken i USA i genomsnitt 2 millicurie (28 mg) plutonium per km2 nedfall, och förekomsten av plutonium i Stilla havet är förhöjd i förhållande till den totala fördelningen av kärnmaterial på jorden.
Det senaste fenomenet är förknippat med USA:s kärnvapenprov på Marshallöarna vid Pacific Test Site i mitten av 1950-talet. Uppehållstiden för plutonium i ytvattenvatten varierar från 6 till 21 år, men även efter denna period faller plutonium till botten tillsammans med biogena partiklar, från vilka det reduceras till lösliga former som ett resultat av mikrobiell nedbrytning.
Globala föroreningar med det nittiofjärde elementet är inte bara förknippat med kärnvapenprov, utan också med olyckor i produktion och utrustning som interagerar med detta element. Så i januari 1968 kraschade en US Air Force B-52 med fyra kärnstridsspetsar på Grönland. Som ett resultat av explosionen förstördes laddningarna och plutonium läckte ut i havet.
Ett annat fall av radioaktiv kontaminering av miljön till följd av en olycka inträffade med den sovjetiska rymdfarkosten Kosmos-954 den 24 januari 1978. Som ett resultat av en okontrollerad omloppsbana föll en satellit med en kärnkraftskälla ombord på kanadensiskt territorium. Som ett resultat av olyckan släpptes mer än ett kilo plutonium-238 ut i miljön och spred sig över ett område på cirka 124 000 m².
Det mest fruktansvärda exemplet på ett nödläckage av radioaktiva ämnen i miljön är olyckan vid kärnkraftverket i Tjernobyl, som inträffade den 26 april 1986. Som ett resultat av förstörelsen av den fjärde kraftenheten släpptes 190 ton radioaktiva ämnen (inklusive plutoniumisotoper) ut i miljön över ett område på cirka 2200 km².
Utsläpp av plutonium i miljön är inte bara förknippat med människan orsakade incidenter. Det finns kända fall av plutoniumläckage, både från laboratorie- och fabriksförhållanden. Mer än tjugo oavsiktliga läckor från laboratorierna 235U och 239Pu är kända. Under 1953-1978. olyckor ledde till en förlust av 0,81 (Mayak, 15 mars 1953) till 10,1 kg (Tomsk, 13 december 1978) 239Pu. Industriella incidenter resulterade i totalt två dödsfall i Los Alamos (21 augusti 1945 och 21 maj 1946) på grund av två olyckor och förlusten av 6,2 kg plutonium. I staden Sarov 1953 och 1963. cirka 8 och 17,35 kg föll utanför kärnreaktorn. En av dem ledde till att en kärnreaktor förstördes 1953.
När en 238Pu kärna klyvs med neutroner frigörs 200 MeV energi, vilket är 50 miljoner gånger mer än den mest kända exoterma reaktionen: C + O2 → CO2. Ett gram plutonium "brinner" i en kärnreaktor producerar 2 107 kcal - detta är energin som finns i 4 ton kol. En fingerborg plutoniumbränsle i energiekvivalent kan motsvara fyrtio vagnar med bra ved!
Den "naturliga isotopen" av plutonium (244Pu) tros vara den längsta livslängda isotopen av alla transuranelement. Dess halveringstid är 8,26∙107 år. Forskare har länge försökt att få fram en isotop av ett transuranelement som skulle existera längre än 244Pu - stora förhoppningar i detta avseende ställdes till 247Cm. Men efter dess syntes visade det sig att halveringstiden för detta element bara är 14 miljoner år.
Berättelse
1934 gjorde en grupp forskare under ledning av Enrico Fermi ett uttalande att de under vetenskapligt arbete vid universitetet i Rom hade upptäckt ett kemiskt grundämne med serienummer 94. På Fermis insisterande fick grundämnet namnet hesperium, vetenskapsmannen var övertygad om att han hade upptäckt ett nytt grundämne, som nu kallas plutonium, vilket tyder på existensen av transuranelement och blev deras teoretiska upptäckare. Fermi försvarade denna hypotes i sin Nobelföreläsning 1938. Det var först efter upptäckten av kärnklyvning av de tyska forskarna Otto Frisch och Fritz Strassmann som Fermi tvingades göra en anteckning i den tryckta versionen som publicerades i Stockholm 1939 som angav behovet av att ompröva "hela problemet med transuranelement". Faktum är att Frisch och Strassmanns arbete visade att aktiviteten som upptäcktes av Fermi i sina experiment berodde just på klyvning, och inte på upptäckten av transuranelement, som han tidigare hade trott.
Ett nytt element, det nittiofjärde, upptäcktes i slutet av 1940. Det hände i Berkeley vid University of California. Genom att bombardera uranoxid (U3O8) med tunga vätekärnor (deuteroner) upptäckte en grupp amerikanska radiokemister under ledning av Glenn T. Seaborg en tidigare okänd alfapartikelsändare med en halveringstid på 90 år. Denna sändare visade sig vara isotopen för grundämnet nr 94 med ett masstal av 238. Den 14 december 1940 erhölls således de första mikrogramkvantiteterna plutonium tillsammans med en blandning av andra grundämnen och deras föreningar.
Under ett experiment utfört 1940 fann man att under en kärnreaktion produceras först den kortlivade isotopen neptunium-238 (halveringstid 2,117 dagar), och från den plutonium-238:
23392U (d,2n) → 23893Np → (β−) 23894Pu
Långa och mödosamma kemiska experiment för att separera det nya grundämnet från föroreningar varade i två månader. Förekomsten av ett nytt kemiskt grundämne bekräftades natten mellan den 23 och 24 februari 1941 av G. T. Seaborg, E. M. Macmillan, J. W. Kennedy och A. C. Wall genom studiet av dess första kemiska egenskaper - förmågan att ha minst två oxidationer stater. Lite senare än slutet av experimenten fastställdes det att denna isotop är icke-klyvbar och därför ointressant för vidare studier. Snart (mars 1941) syntetiserade Kennedy, Seaborg, Segre och Wahl en viktigare isotop, plutonium-239, genom att bestråla uran med högaccelererade neutroner i en cyklotron. Denna isotop bildas genom sönderfallet av neptunium-239, avger alfastrålar och har en halveringstid på 24 000 år. Den första rena föreningen av grundämnet erhölls 1942, och de första viktmängderna av metalliskt plutonium erhölls 1943.
Namnet på det nya grundämnet 94 föreslogs 1948 av MacMillan, som några månader före upptäckten av plutonium tillsammans med F. Eibelson fick det första grundämnet tyngre än uran - grundämnet nr 93, som fick namnet neptunium till ära av planeten Neptunus - den första bortom Uranus. I analogi bestämde de sig för att kalla grundämnet nr 94 för plutonium, eftersom planeten Pluto är andra efter Uranus. I sin tur föreslog Seaborg att kalla det nya grundämnet "plutium", men insåg sedan att namnet inte lät särskilt bra jämfört med "plutonium." Dessutom lade han fram andra namn för det nya grundämnet: ultimium, extermium, på grund av den felaktiga bedömningen vid den tiden att plutonium skulle bli det sista kemiska grundämnet i det periodiska systemet. Som ett resultat fick elementet namnet "plutonium" för att hedra upptäckten av den sista planeten i solsystemet.
Att vara i naturen
Halveringstiden för den längsta livslängda isotopen av plutonium är 75 miljoner år. Siffran är mycket imponerande, men galaxens ålder mäts i miljarder år. Det följer av detta att de primära isotoperna av det nittiofjärde elementet, som bildades under den stora syntesen av universums element, inte hade någon chans att överleva till denna dag. Och ändå betyder det inte att det inte finns något plutonium i jorden alls. Det bildas ständigt i uranmalmer. Genom att fånga neutroner från kosmisk strålning och neutroner som produceras av den spontana klyvningen av 238U kärnor, förvandlas några - väldigt få - atomer av denna isotop till 239U atomer. Kärnorna i detta element är mycket instabila, de avger elektroner och ökar därmed deras laddning, och bildandet av neptunium, det första transuranelementet, inträffar. 239Np är också instabilt, dess kärnor avger också elektroner, så på bara 56 timmar förvandlas hälften av 239Np till 239Pu.
Halveringstiden för denna isotop är redan mycket lång och uppgår till 24 000 år. I genomsnitt är halten 239Pu cirka 400 000 gånger mindre än radiumhalten. Därför är det extremt svårt att inte bara bryta, utan till och med att upptäcka "markbundet" plutonium. Små mängder av 239Pu - delar per biljon - och sönderfallsprodukter kan hittas i uranmalmer, till exempel i den naturliga kärnreaktorn i Oklo, Gabon (Västafrika). Den så kallade "naturliga kärnreaktorn" anses vara den enda i världen där aktinider och deras klyvningsprodukter för närvarande bildas i geosfären. Enligt moderna uppskattningar ägde en självförsörjande reaktion med frigöring av värme rum i denna region för flera miljoner år sedan, som varade mer än en halv miljon år.
Så vi vet redan att i uranmalmer, som ett resultat av att neutroner fångas av urankärnor, bildas neptunium (239Np), vars β-sönderfallsprodukt är naturligt plutonium-239. Tack vare speciella instrument - masspektrometrar - upptäcktes närvaron av plutonium-244 (244Pu), som har den längsta halveringstiden - cirka 80 miljoner år, i prekambrisk bastnaesit (ceriummalm). I naturen finns 244Pu övervägande i form av dioxid (PuO2), som är ännu mindre lösligt i vatten än sand (kvarts). Eftersom den relativt långlivade isotopen plutonium-240 (240Pu) finns i sönderfallskedjan av plutonium-244 sker dess sönderfall, men detta sker mycket sällan (1 fall av 10 000). Mycket små mängder plutonium-238 (238Pu) beror på det mycket sällsynta dubbelbeta-sönderfallet av moderisotopen uranium-238, som hittades i uranmalmer.
Spår av isotoperna 247Pu och 255Pu hittades i damm som samlats efter explosioner av termonukleära bomber.
Minimala mängder plutonium skulle hypotetiskt kunna förekomma i människokroppen, med tanke på att ett stort antal kärnvapenprov har utförts på ett eller annat sätt relaterat till plutonium. Plutonium ackumuleras huvudsakligen i skelettet och levern, varifrån det praktiskt taget inte utsöndras. Dessutom ackumuleras element nittiofyra av marina organismer; Landväxter absorberar plutonium huvudsakligen genom rotsystemet.
Det visar sig att artificiellt syntetiserat plutonium fortfarande existerar i naturen, så varför bryts det inte utan erhålls på konstgjord väg? Faktum är att koncentrationen av detta element är för låg. Om en annan radioaktiv metall - radium säger de: "ett gram produktion - ett års arbete", och radium i naturen är 400 000 gånger mer rikligt än plutonium! Av denna anledning är det extremt svårt att inte bara bryta, utan till och med att upptäcka "markbundet" plutonium. Detta gjordes först efter att de fysikaliska och kemiska egenskaperna hos plutonium som produceras i kärnreaktorer studerats.
Ansökan
239Pu-isotopen (tillsammans med U) används som kärnbränsle i kraftreaktorer som drivs med termiska och snabba neutroner (främst), samt vid tillverkning av kärnvapen.
Cirka ett halvt tusen kärnkraftverk runt om i världen genererar cirka 370 GW el (eller 15 % av världens totala elproduktion). Plutonium-236 används vid tillverkning av atomelektriska batterier, vars livslängd når fem år eller mer, de används i strömgeneratorer som stimulerar hjärtat (pacemakers). 238Pu används i små kärnkraftskällor som används i rymdforskning. Således är plutonium-238 kraftkällan för New Horizons, Galileo och Cassini-sonderna, Curiosity-rovern och andra rymdfarkoster.
Kärnvapen använder plutonium-239 eftersom denna isotop är den enda lämpliga nukliden för användning i en kärnvapenbomb. Dessutom beror den mer frekventa användningen av plutonium-239 i kärnvapenbomber på att plutonium upptar mindre volym i sfären (där bombkärnan är placerad), därför kan bombens explosiva kraft uppnås på grund av detta fast egendom.
Schemat med vilket en kärnvapenexplosion som involverar plutonium inträffar ligger i designen av själva bomben, vars kärna består av en sfär fylld med 239Pu. I ögonblicket för kollision med marken komprimeras sfären till en miljon atmosfärer på grund av designen och tack vare det explosiva ämnet som omger denna sfär. Efter nedslaget expanderar kärnan i volym och densitet på kortast möjliga tid - tiotals mikrosekunder, aggregatet hoppar genom det kritiska tillståndet med termiska neutroner och går in i det superkritiska tillståndet med snabba neutroner - en kärnkedjereaktion börjar med deltagande av elementets neutroner och kärnor. Den slutliga explosionen av en kärnvapenbomb släpper ut temperaturer i storleksordningen tiotals miljoner grader.
Plutoniumisotoper har funnit sin användning i syntesen av transplutonium (bredvid plutonium) element. Till exempel, vid Oak Ridge National Laboratory, erhålls med långvarig neutronbestrålning av 239Pu, 24496Cm, 24296Cm, 24997Bk, 25298Cf, 25399Es och 257100Fm. På samma sätt erhölls americium 24195Am första gången 1944. 2010 fungerade plutonium-242-oxid bombarderad med kalcium-48-joner som en källa för ununquadium.
δ-Stabiliserade plutoniumlegeringar används vid tillverkning av bränslestavar, eftersom de har betydligt bättre metallurgiska egenskaper jämfört med rent plutonium, som genomgår fasövergångar vid upphettning och är ett mycket sprött och opålitligt material. Legeringar av plutonium med andra element (intermetalliska föreningar) erhålls vanligtvis genom direkt växelverkan mellan element i de erforderliga proportionerna, medan bågsmältning huvudsakligen används; ibland erhålls instabila legeringar genom sprayavsättning eller kylning av smältor.
De viktigaste industriella legeringselementen för plutonium är gallium, aluminium och järn, även om plutonium kan bilda legeringar och mellanprodukter med de flesta metaller med sällsynta undantag (kalium, natrium, litium, rubidium, magnesium, kalcium, strontium, barium, europium och ytterbium) . Eldfasta metaller: molybden, niob, krom, tantal och volfram är lösliga i flytande plutonium, men nästan olösliga eller svagt lösliga i fast plutonium. Indium, kisel, zink och zirkonium kan bilda metastabil δ-plutonium (δ"-fas) när de kyls snabbt. Gallium, aluminium, americium, scandium och cerium kan stabilisera δ-plutonium vid rumstemperatur.
Stora mängder holmium, hafnium och tallium gör att en del δ-plutonium kan förvaras i rumstemperatur. Neptunium är det enda grundämnet som kan stabilisera α-plutonium vid höga temperaturer. Titan, hafnium och zirkonium stabiliserar strukturen av β-plutonium vid rumstemperatur när de kyls snabbt. Tillämpningarna av sådana legeringar är ganska olika. Till exempel används en plutonium-galliumlegering för att stabilisera δ-fasen av plutonium, vilket undviker α-δ-fasövergången. Plutonium-gallium-kobolt ternär legering (PuGaCo5) är en supraledande legering vid 18,5 K. Det finns ett antal legeringar (plutonium-zirkonium, plutonium-cerium och plutonium-cerium-kobolt) som används som kärnbränsle.
Produktion
Industriellt plutonium framställs på två sätt. Detta är antingen bestrålning av 238U kärnor som finns i kärnreaktorer, eller separation med radiokemiska metoder (samutfällning, extraktion, jonbyte, etc.) av plutonium från uran, transuraniska grundämnen och klyvningsprodukter som finns i använt bränsle.
I det första fallet produceras den mest praktiska isotopen 239Pu (blandad med en liten blandning av 240Pu) i kärnreaktorer med deltagande av urankärnor och neutroner med hjälp av β-sönderfall och med deltagande av neptuniumisotoper som en mellanklyvningsprodukt:
23892U + 21D → 23893Np + 210n;
23893Np → 23894Pu
β-sönderfall
I denna process kommer en deuteron in i uran-238, vilket resulterar i bildandet av neptunium-238 och två neutroner. Neptunium-238 klyvs sedan spontant och avger beta-minus-partiklar som bildar plutonium-238.
Vanligtvis är innehållet av 239Pu i blandningen 90-95%, 240Pu är 1-7%, innehållet av andra isotoper överstiger inte tiondels procent. Isotoper med långa halveringstider - 242Pu och 244Pu erhålls genom långvarig bestrålning med 239Pu neutroner. Dessutom är utbytet av 242Pu flera tiotals procent, och 244Pu är en bråkdel av en procent av 242Pu-innehållet. Små mängder isotopiskt rent plutonium-238 bildas när neptunium-237 bestrålas med neutroner. Lätta isotoper av plutonium med massnummer 232-237 erhålls vanligtvis i en cyklotron genom att bestråla uranisotoper med a-partiklar.
Den andra metoden för industriell produktion av 239Pu använder Purex-processen, baserad på extraktion med tributylfosfat i ett lätt spädningsmedel. I den första cykeln renas Pu och U gemensamt från fissionsprodukter och separeras sedan. I den andra och tredje cykeln renas plutoniumet ytterligare och koncentreras. Schemat för en sådan process baseras på skillnaden i egenskaperna hos tetra- och hexavalenta föreningar hos de element som separeras.
Inledningsvis demonteras använda bränslestavar och beklädnaden som innehåller använt plutonium och uran avlägsnas med fysikaliska och kemiska medel. Därefter löses det utvunna kärnbränslet i salpetersyra. När allt kommer omkring är det ett starkt oxidationsmedel när det löses upp, och uran, plutonium och föroreningar oxideras. Plutoniumatomer med noll valens omvandlas till Pu+6, och både plutonium och uran löses upp. Från en sådan lösning reduceras det nittiofjärde elementet till det trevärda tillståndet med svaveldioxid och fälls sedan ut med lantanfluorid (LaF3).
Men förutom plutonium innehåller sedimentet neptunium och sällsynta jordartsmetaller, men huvuddelen (uran) förblir i lösning. Därefter oxideras plutoniumet igen till Pu+6 och lantanfluorid tillsätts igen. Nu faller de sällsynta jordartsmetallerna ut och plutoniumet förblir i lösning. Därefter oxideras neptunium till ett fyrvärt tillstånd med kaliumbromat, eftersom detta reagens inte har någon effekt på plutonium, sedan under sekundär utfällning med samma lantanfluorid, passerar trevärt plutonium till en fällning och neptunium förblir i lösning. Slutprodukterna av sådana operationer är plutoniumhaltiga föreningar - PuO2-dioxid eller fluorider (PuF3 eller PuF4), från vilka metalliskt plutonium erhålls (genom reduktion med barium-, kalcium- eller litiumånga).
Renare plutonium kan uppnås genom elektrolytisk raffinering av den pyrokemiskt framställda metallen, vilket görs i elektrolysceller vid 700°C med en elektrolyt av kalium, natrium och plutoniumklorid med hjälp av en volfram- eller tantalkatod. Det på detta sätt erhållna plutoniumet har en renhet på 99,99 %.
För att producera stora mängder plutonium byggs uppfödarreaktorer, så kallade "uppfödare" (från det engelska verbet att avla - att föröka sig). Dessa reaktorer har fått sitt namn på grund av deras förmåga att producera klyvbart material i mängder som överstiger kostnaden för att få fram detta material. Skillnaden mellan reaktorer av denna typ och andra är att neutronerna i dem inte bromsas ner (det finns ingen moderator, till exempel grafit) för att så många av dem som möjligt ska reagera med 238U.
Efter reaktionen bildas 239U-atomer, som sedan bildar 239Pu. Kärnan i en sådan reaktor, som innehåller PuO2 i utarmad urandioxid (UO2), är omgiven av ett skal av ännu mer utarmad urandioxid-238 (238UO2), i vilket 239Pu bildas. Den kombinerade användningen av 238U och 235U tillåter "uppfödare" att producera 50-60 gånger mer energi från naturligt uran än andra reaktorer. Dessa reaktorer har dock en stor nackdel - bränslestavar måste kylas med ett annat medium än vatten, vilket minskar deras energi. Därför beslutades det att använda flytande natrium som kylmedel.
Byggandet av sådana reaktorer i USA började efter andra världskrigets slut; Sovjetunionen och Storbritannien började byggas först på 1950-talet.
Fysikaliska egenskaper
Plutonium är en mycket tung (densitet vid normal nivå 19,84 g/cm³) silverfärgad metall, i ett renat tillstånd mycket likt nickel, men i luften oxiderar plutonium snabbt, bleknar och bildar en regnbågsskimrande film, först ljusgul och sedan till mörklila . När allvarlig oxidation inträffar uppstår ett olivgrönt oxidpulver (PuO2) på metallytan.
Plutonium är en mycket elektronegativ och reaktiv metall, många gånger mer än uran. Den har sju allotropa modifikationer (α, β, γ, δ, δ", ε och ζ), som ändras i ett visst temperaturområde och vid ett visst tryckområde. Vid rumstemperatur är plutonium i α-form - detta är den vanligaste allotropiska modifieringen för plutonium I alfafasen är rent plutonium skört och ganska hårt - denna struktur är ungefär lika hård som grått gjutjärn om den inte är legerad med andra metaller, vilket kommer att ge legeringen duktilitet och mjukhet. i denna form med högsta densitet är plutonium det sjätte tätaste grundämnet (Endast osmium, iridium, platina, rhenium och neptunium är tyngre. Ytterligare allotropa omvandlingar av plutonium åtföljs av plötsliga förändringar i densitet. Till exempel vid uppvärmning från 310 till 480 °C , expanderar det inte, som andra metaller, utan drar ihop sig (deltafaser " och "delta prime") När det smälts (övergång från epsilonfasen till vätskefasen), drar plutoniumet sig också ihop, vilket gör att osmält plutonium kan flyta.
Plutonium har ett stort antal ovanliga egenskaper: det har den lägsta värmeledningsförmågan av alla metaller - vid 300 K är det 6,7 W/(m K); plutonium har den lägsta elektriska ledningsförmågan; I sin flytande fas är plutonium den mest trögflytande metallen. Resistiviteten hos det nittiofjärde elementet vid rumstemperatur är mycket hög för en metall, och denna egenskap kommer att öka med sjunkande temperatur, vilket inte är typiskt för metaller. Denna "avvikelse" kan spåras upp till en temperatur på 100 K - under detta märke kommer det elektriska motståndet att minska. Men från 20 K börjar motståndet att öka igen på grund av metallens strålningsaktivitet.
Plutonium har den högsta elektriska resistiviteten av alla studerade aktinider (hittills), vilket är 150 μΩ cm (vid 22 °C). Denna metall har en låg smältpunkt (640 °C) och en ovanligt hög kokpunkt (3 227 °C). Närmare smältpunkten har flytande plutonium en mycket hög viskositet och ytspänning jämfört med andra metaller.
På grund av sin radioaktivitet är plutonium varmt vid beröring. En stor bit plutonium i ett termiskt skal värms upp till en temperatur som överstiger vattnets kokpunkt! Dessutom, på grund av sin radioaktivitet, genomgår plutonium förändringar i sitt kristallgitter över tiden - en sorts glödgning uppstår på grund av självbestrålning på grund av temperaturökningar över 100 K.
Närvaron av ett stort antal allotropa modifieringar i plutonium gör det till en svår metall att bearbeta och rulla ut på grund av fasövergångar. Vi vet redan att i alfaformen liknar det nittiofjärde elementet i egenskaper gjutjärn, men det tenderar att förändras och förvandlas till ett formbart material och bilda en formbar β-form vid högre temperaturområden. Plutonium i δ-form är vanligtvis stabilt vid temperaturer mellan 310 °C och 452 °C, men kan existera i rumstemperatur om det dopas med låga andelar aluminium, cerium eller gallium. När det är legerat med dessa metaller kan plutonium användas vid svetsning. I allmänhet har deltaformen mer uttalade egenskaper hos en metall - den är nära aluminium i styrka och smidbarhet.
Kemiska egenskaper
De kemiska egenskaperna hos det nittiofjärde elementet liknar på många sätt egenskaperna hos dess föregångare i det periodiska systemet - uran och neptunium. Plutonium är en ganska aktiv metall, den bildar föreningar med oxidationstillstånd från +2 till +7. I vattenlösningar uppvisar grundämnet följande oxidationstillstånd: Pu (III), eftersom Pu3+ (finns i sura vattenlösningar, har en ljuslila färg); Pu (IV), som Pu4+ (chokladskugga); Pu (V), som Pu02+ (lätt lösning); Pu (VI), som PuO22+ (ljus orange lösning) och Pu(VII), som PuO53- (grön lösning).
Dessutom kan dessa joner (förutom PuO53-) samtidigt vara i jämvikt i lösningen, vilket förklaras av närvaron av 5f-elektroner, som är belägna i den lokaliserade och delokaliserade zonen av elektronorbitalen. Vid pH 5-8 dominerar Pu(IV), vilket är det mest stabila bland andra valenser (oxidationstillstånd). Plutoniumjoner av alla oxidationstillstånd är benägna att hydrolys och komplexbildning. Förmågan att bilda sådana föreningar ökar i Pu5+-serien
Kompakt plutonium oxiderar långsamt i luften och täcks av en skimrande, oljig oxidfilm. Följande plutoniumoxider är kända: PuO, Pu2O3, PuO2 och en fas med variabel sammansättning Pu2O3 - Pu4O7 (Berthollider). I närvaro av små mängder fukt ökar hastigheten för oxidation och korrosion avsevärt. Om en metall utsätts för små mängder fuktig luft tillräckligt länge bildas plutoniumdioxid (PuO2) på dess yta. Vid brist på syre kan dess dihydrid (PuH2) också bildas. Överraskande nog rostar plutonium mycket snabbare i en atmosfär av en inert gas (som t.ex. argon) med vattenånga än i torr luft eller rent syre. Faktum är att detta faktum är lätt att förklara - den direkta verkan av syre bildar ett lager av oxid på ytan av plutonium, vilket förhindrar ytterligare oxidation; närvaron av fukt producerar en lös blandning av oxid och hydrid. Förresten, tack vare denna beläggning, blir metallen pyrofor, det vill säga den är kapabel till spontan förbränning; av denna anledning bearbetas metalliskt plutonium vanligtvis i en inert atmosfär av argon eller kväve. Samtidigt är syre ett skyddande ämne och förhindrar att fukt påverkar metallen.
Det nittiofjärde elementet reagerar med syror, syre och deras ångor, men inte med alkalier. Plutonium är mycket lösligt endast i mycket sura medier (till exempel saltsyra HCl), och är också lösligt i väteklorid, vätejodid, vätebromid, 72% perklorsyra, 85% ortofosforsyra H3PO4, koncentrerad CCl3COOH, sulfaminsyra och kokning koncentrerad salpetersyra. Plutonium löses inte märkbart i alkaliska lösningar.
När lösningar som innehåller fyrvärt plutonium utsätts för alkalier fälls en fällning av plutoniumhydroxid Pu(OH)4 xH2O, som har grundläggande egenskaper, ut. När lösningar av salter som innehåller PuO2+ utsätts för alkalier fälls amfoter hydroxid PuO2OH ut. Det besvaras av salter - plutoniter, till exempel Na2Pu2O6.
Plutoniumsalter hydrolyserar lätt vid kontakt med neutrala eller alkaliska lösningar, vilket skapar olöslig plutoniumhydroxid. Koncentrerade lösningar av plutonium är instabila på grund av radiolytisk nedbrytning som leder till nederbörd.
Plutonium-239, huvudisotopen för plutonium som används i kärnsprängladdningar, produceras i alla kärnreaktorer som använder uranbränsle när en neutron fångas upp av en uran-238 kärna. I Ryssland producerades nästan allt plutonium av vapenkvalitet i speciella industriella reaktorer. Karakteristiskt för industriella reaktorer är den relativt låga graden av bränsleanvändning - det typiska utbränningsvärdet är 400-600 MW-dag/t. Detta beror på det faktum att med ett större utbränningsdjup bildas en betydande mängd av plutonium-240-isotopen i bränslet. Pu-240-isotopen är en ganska intensiv utsändare av spontana neutroner och därför försämrar dess närvaro avsevärt kvaliteten på plutonium som ett vapenklassat material.82 Enligt den klassificering som antagits i USA anses vapenplutonium vara material. med en Pu-240-halt på mindre än 5,8%.
Separeringen av plutonium från använt bränsle utförs med radiokemiska metoder i speciella produktionsanläggningar. På grund av den höga radioaktiviteten hos använt bränsle utförs alla upparbetningsoperationer med hjälp av avlägsna medel i "raviner" med tjocka betongväggar. Plutoniumproduktionsprocessen åtföljs av bildandet av stora volymer radioaktivt och giftigt avfall och kräver skapandet av komplext infrastruktur för bearbetning och bortskaffande.
Industriella reaktorer användes för att producera andra kärnvapenmaterial, i synnerhet tritium, som användes i tritium-deuteriumblandningen för att stärka de primära komponenterna i termonukleära vapen. Framställningen av tritium för vapenändamål sker vanligtvis i en kärnreaktor genom att kärnorna i isotopen litium-6.83 bestrålas med neutroner.Det producerade tritiumet separeras från litiummål under deras bearbetning i en vakuumugn och renas med kemiska metoder. Under de första åren av utvecklingen av kärnarsenalen producerade reaktorer också polonium-210, som användes vid produktion av beryllium-polonium neutronkällor som var nödvändiga för att initiera en kedjereaktion när en kärnladdning sprängdes. (Under efterföljande år ersattes beryllium-poloniuminitiatorer av externa neutroninitieringssystem baserade på elektrostatiska rör.)84 Polonium producerades genom att bestråla vismutmål med neutroner.
Utveckling av reaktorteknik
För produktion av plutonium i Sovjetunionen användes huvudsakligen reaktorer av kanaltyp, som använde grafit som neutronmoderator och kyldes av vatten som pumpades genom kanaler med bränsleelement. Bränsle - block av naturlig metalluran i ett aluminiumskal - laddades i vertikala tekniska kanaler gjorda i grafitmurverket.
skådespelare zon. För att utjämna den radiella fördelningen av kraft och neutronflöden i reaktorzonen för industriella reaktorer med vattengrafit placerades kanaler med starkt anrikat uranbränsle längs dess periferi.
Totalt designades tre generationer grafitreaktorer i Sovjetunionen. Den första generationens reaktor är reaktor A, som togs i drift i juni 1948 i Chelyabinsk-40 (senare Chelyabinsk-65). Reaktorn designad av N.A. Dollezhal hade en effekt på 100 MW (senare ökades den till 900 MW). Reaktorn kyldes med ett direktflödesschema - vatten och kylvätska togs från en extern källa, pumpades genom reaktorzonen och släpptes ut i miljön. Bränslet (cirka 150 ton uran) fanns i vertikala kanaler i en 1353-tons grafitstack.85
Den andra generationens reaktor (till exempel AV-1-reaktorn, som togs i drift 1950) var en vertikal grafitstapelcylinder med vertikala kanaler för bränsle och styrstavar. Jämfört med reaktor A hade AV-1 mer kraft och var säkrare. Liksom reaktor A var andra generationens reaktorer engångsreaktorer och användes uteslutande för tillverkning av vapenplutonium.86
Tredje generationens reaktorer byggda efter 1958 utformades som reaktorer med dubbla användningsområden.88 Representanter för tredje generationens reaktorer är ADE-seriens reaktorer som fortfarande är i drift. Varje sådan reaktor har en effekt på cirka 2000 MW och producerar cirka 0,5 ton vapenplutonium per år. Den ånga som genereras under driften används för att producera cirka 350 MW värme och 150 MW el. Till skillnad från reaktorer av den första och andra generationen, har reaktorer av den tredje generationen ett dubbelkrets kylsystem med sluten cirkulation av vatten genom primärkretsen, en värmeväxlare, en ånggenerator och en turbin för att producera el.
| Kraft | upp till 2000 MW |
| Kraftproduktion | 150-200 MW(e) |
| Värmeproduktion | 300-350 Gcal/h |
| Moderator | grafit |
| Kylvätska | vatten |
| Antal kanaler | 2832 |
| Antal bränsleelement i kanalen | 66-67 |
300-350 ton |
75 kg |
| Bränslebränning | 600-1000 MW-dag/t |
| Bränslesammansättning (naturligt uran) | metall naturligt uran |
| Bränslesammansättning (HEU) | dispergerad (8,5 % U02 i aluminiummatris) |
| Stångens diameter | 35 mm |
| Skalmaterial | Aluminiumlegering |
| Skaltjocklek | gt; 1 mm |
| Lagring av använt bränsle | våt |
| Standard lagringstid | 6 månader |
| Maximal tillåten lagringstid | 18 månader |
Tabell 3-2. Egenskaper för ADE87-reaktorn
Utveckling av radiokemisk teknik
Utvecklingen av den nationella skolan för radiokemi började vid Radium Institute of the USSR Academy of Sciences under ledning av akademiker V. G. Khlopin. 1946 föreslogs landets första acetat-fluoridteknologi för industriell separation av plutonium och uran från bestrålat uranbränsle vid RIAN. Tekniken testades och testades vid den experimentella radiokemiska installationen U-5 vid NII-9 Institute och implementerades vid den första radiokemiska anläggningen (anläggning B) i Chelyabinsk-40 (senare Chelyabinsk-65).
I det inledande skedet av driften baserades den kemiska bearbetningen av anläggning B på redoxprocessen för acetatutfällning av uranyltriacetat. Denna process ägde rum i två steg - den första innebar rening av plutonium och uran från klyvningsprodukter och separation av plutonium från uran under acetatavsättning. I det andra steget utfördes raffinering (ytterligare rening) av plutonium under dess utfällning med lantanfluorid.
Radiokemisk teknik har ständigt förbättrats för att förbättra dess säkerhet, fullständig återvinning och renhet av plutonium och uran, och för att minska förbrukningen av material och mängden avfall som genereras. På grund av den höga kemiska aggressiviteten hos fluor var användningen av lantanfluorid-teknik dyr och osäker. Därför, när man utvecklade den andra radiokemiska anläggningen (BB-anläggningen), byggd i Chelyabinsk-40 i slutet av 50-talet, beslutades det att överge lantan-fluorid-tekniken till förmån för att använda en dubbel acetatavsättningscykel. Acetatteknologin var dock också mycket dyr, resulterade i stora volymer lösningar och avfall och krävde skapandet av ett antal hjälpindustrier. Därför, i början av 60-talet, ersattes den andra cykeln av acetatutfällning (vid plutoniumraffineringsstadiet) av sorptionsmetoder baserade på selektiv absorption av plutonium av jonbytarhartser. Införandet av sorptionsteknik förbättrade avsevärt kvaliteten på anläggningens produkter. Användningen av den nya tekniken visade sig dock vara osäker och efter explosionen av en sorptionskolonn som inträffade i Chelyabinsk 1965,90 beslutades det att påbörja arbetet med införandet av extraktionsteknik. (Den första forskningen om utvinningsteknik började i slutet av 40-talet.) Utvinningsteknik har blivit grunden för det för närvarande dominerande systemet för upparbetning av använt reaktorbränsle av typen Purex och används vid alla radiokemiska anläggningar i Ryssland. Purex är en flerstegsprocess baserad på selektiv extraktion av plutonium och uran med tributylfosfat.
Många institut och organisationer deltog i skapandet av radiokemisk teknik. Vetenskaplig utveckling och testning av radiokemisk teknologi utfördes vid Radiuminstitutet, All-Russian Research Institute of Inorganic Materials och All-Russian Research Institute of Chemical Technology.91 Den huvudsakliga designutvecklingen och produktionen av utrustning utfördes av Sverdlovsk Research Institute of Chemical Engineering. Designlösningar undersöktes eller utvecklades av All-Union Scientific Research and Design Institute of Energy Technologies (VNIPIET) i Leningrad. Den största bördan med att testa vetenskapliga och tekniska lösningar och införa teknik bars direkt av plutoniumproduktionsanläggningar.
Plutoniumproduktionskomplex
Industriell produktion av plutonium utfördes av ett integrerat komplex av tre anläggningar: Chelyabinsk-65, Tomsk-7 och Krasnoyarsk-26.
Chelyabinsk-65 (PO Mayak)
Chelyabinsk-65-fabriken, för närvarande känd som PA Mayak,92 ligger i norra delen av Chelyabinsk-regionen i staden Ozersk. Anläggningen grundades 1948 och var det första komplexet i Sovjetunionen för produktion av plutonium och plutoniumprodukter. Plutoniumproduktionen utfördes av fem urangrafitreaktorer (A, IR-AI, AV-1, AV-2 och AV-3), lanserade mellan 1948 och 1955.93 Mellan 1987 och 1990. alla urangrafitreaktorer stängdes. De används för närvarande för vetenskapliga observationer och förbereds för demontering. Reaktoranläggningen inkluderade vid olika tidpunkter (och inkluderar) andra typer av reaktorer som används för framställning av tritium och andra isotoper.
Bestrålat bränsle från industriella reaktorer bearbetades vid den radiokemiska anläggningen (anläggning B) som ingick i anläggningen. Den radiokemiska anläggningen började bearbeta bestrålat uran den 22 december 1948 och de första åren av dess drift var extremt svåra. Brist på erfarenhet och kunskap, ofullständig teknik och utrustning, hög korrosion och radioaktivitet hos processlösningar ledde till hög olycksfrekvens och överexponering av personal.94 Anläggningen rekonstruerades flera gånger i början av 50-talet och fortsatte att fungera stadigt fram till 1959. Från det ögonblicket började produktionsvolymerna minska och i början av 60-talet lades fabriken ner. Därefter byggdes den radiokemiska anläggningen RT-1 på platsen för anläggning B.
Upparbetningen av industriellt reaktorbränsle fortsatte vid BB-anläggningen. Bygget av BB-anläggningen, som är avsedd att ersätta den första radiokemiska produktionen, påbörjades 1954 och avslutades helt i september 1959. 1987, efter att två av de fem reaktorerna som producerade plutonium stängdes, stoppades BB-anläggningen och separeringen av vapen -grade plutonium i Chelyabinsk 65 avbröts. Mellan 1987 och 1990 Det bestrålade bränslet från industriella reaktorer som fortsatte att fungera skickades för upparbetning till den radiokemiska anläggningen i Tomsk-7.
Plutoniumprodukter från radiokemiska anläggningar överfördes till kemisk och metallurgisk anläggning B. Anläggning B byggdes 1948 för att tillverka plutoniummetall- och kärnvapendelar.95 Den andra etappen av anläggningen gjorde det möjligt att tillverka vapendelar av uran. För närvarande fortsätter anläggningen att arbeta med att bearbeta klyvbart vapenmaterial och producera ammunitionsdelar. 1997 började anläggningen, liksom den kemiska och metallurgiska produktionen i Tomsk-7, arbetet med anrikning av vapenuran.
Förutom produktionen av plutonium etablerades produktionen av tritium och andra speciella isotoper i Chelyabinsk-65.96 Sedan 1951 användes en 50-MW AI-reaktor för dessa ändamål, med 2% anrikat uran som bränsle. Något senare organiserades tritiumproduktion i tungvattenreaktorer, varav den första var OK-180.97-reaktorn (Tritiumproduktionen vid OK-180 började, tydligen, först efter 1954) Den 27 december 1955 var den andra tungvattenreaktorn tas i drift. OK-190. Dessa reaktorer stängdes 1965 och 1986. och de ersattes av två nya installationer. 1979 togs lättvattenreaktorn (vatten-vatten) "Ruslan" i drift och 1986-1987 tog tungvattenreaktorn "Lyudmila" i drift.98 Reaktorerna "Ruslan" och "Lyudmila" fortsätter att användas för produktion av tritium, isotopråvaror för radioisotopväxten (plutonium-238, kobolt-60, kol-14, iridium-192 med flera) och stråldopat kisel.
Separationen av isotoper utförs av RT-1-växtkomplexet. Bränslet som bestrålas i syfte att producera tritium överförs till tritiumfabriken, som är en del av Mayak PA, det enda produktionsföretaget i landet.
tritium- och tritiumenheter för kärnvapen." Isotopprodukter levereras till radioisotopfabriken (i drift sedan 1962) för produktion av alfa-, gamma- och betaradiokällor, termiska generatorer baserade på plutonium-238 och strontium-90 och ett brett sortiment av radionuklider.100
Mayak-anläggningen är en viktig del av bränslecykeln för kärnkraftverksreaktorer och andra reaktoranläggningar. En betydande del av infrastrukturen i det gamla försvarsverket B blev en del av den radiokemiska anläggningen RT-1, som togs i drift 1976. Den första RT-1-linjen konstruerades för att bearbeta höganrikat uran-aluminiumbränsle från industri och fartyg reaktorer. 1978 började anläggningen upparbeta bränsle från VVER-440-reaktorer. För närvarande används tre RT-1 tekniska linjer för att bearbeta bränsle från VVER-440 och BN-600 reaktorer, bränsle från transport- och forskningsreaktorer och HEU-bränsle från industriella reaktorer. Bränslebearbetning utförs enligt Purex-schemat. Anläggningen omfattar även anläggningar för mottagning och mellanlagring av använt bränsle, anläggningar för lagring, bearbetning och förglasning av radioaktivt avfall samt lagringsanläggningar för separerat uran och plutonium. RT-1-anläggningen kan årligen bearbeta 400 ton bränsle från kärnkraftverksreaktorer och 10 ton bränsle från transportreaktorer (20-30 reaktorzoner av transportanläggningar per år).
Utöver bränsleupparbetning omfattar RT-1:s verksamhetsområde arbete med hantering av radioaktivt avfall och experimentellt arbete med forskning
| Reaktor | | Typ | Syfte | Kraft MW |
| PA "Mayak" (Chelyabinsk-65) | | | |
|
| A | 1948-1987 | vatten-grafit, direktflöde | plutonium | 100/900 |
| IR-AI | 1951-1987 | vatten-grafit, direktflöde | plutonium | 50/500 |
| AB-1 | 1950-1989 | vatten-grafit, direktflöde | plutonium | 300/1200 |
| AV-2 | 1951-1990 | vatten-grafit, direktflöde | plutonium | 300/1200 |
| AB-3 | 1952-1990 | vatten-grafit, direktflöde | plutonium, tritium | 300/1200 |
| OK-180 | 1951-1965 | tungt vatten | tritium | 100? |
| OK-1EO | 1955-1986 | tungt vatten | tritium | 100? |
| Ruslan | 1979-nutid | vatten-vatten | tritium, isotoper | Inga data |
| Lyudmila | 1986-nutid | tungt vatten | tritium, isotoper | inga data |
| Siberian Chemical Plant (Tomsk-7) | | |
||
| I-1 | 1955-1990 | vatten-grafit, direktflöde | plutonium | 600/1200 |
| EI-2 | />1956-1990 | | plutonium | 600/1200 |
| ADE-3 | 1961-1992 | vatten-grafit, dubbelkrets | plutonium | 1600/1900 |
| ADE-4 | 1964-nutid | vatten-grafit, dubbelkrets | plutonium | 1600/1900 |
| ADE-5 | 1965-nutid | vatten-grafit, dubbelkrets | plutonium | 1600/1900 |
| Gruv- och kemisk anläggning (Krasnoyarsk-26) | | |
||
| HELVETE | 1958-1992 | vatten-grafit, direktflöde | plutonium | 1600/1800 |
| ADE-1 | 1961-1992 | vatten-grafit, direktflöde | plutonium | 1600/1800 |
| ADE-2 | 1964-nutid | vatten-grafit, dubbelkrets | plutonium | 1600/1800 |
Tabell 3-3. Industriella reaktorer byggda i Sovjetunionen
och pilotanläggningar för produktion av blandat uran-plutoniumoxidbränsle (MOX-bränsle). I Chelyabinsk-65 påbörjades bygget av en anläggning för produktion av plutoniumbränsle för snabba reaktorer (Workshop 300).101 Byggandet av den halvfärdiga anläggningen frystes 1989.
Chelyabinsk-65 är en av de viktigaste platserna för lagring av klyvbart material. RT-1-anläggningen lagrar cirka 30 ton plutonium av kärnkraftskvalitet.102 Anläggningen lagrar också betydande mängder klyvbart material av vapenkvalitet som återvunnits från demonterade kärnvapen. Sommaren 1994 påbörjades byggandet i Tjeljabinsk-65 av en central lagringsanläggning för vapenklassat uran och plutonium som frigjordes under nedmonteringen av kärnvapen. Det antas att den första etappen av lagringsanläggningen, som kan ta emot 25 tusen containrar med material av vapenkvalitet, kommer att tas i drift 1999; konstruktionen av den andra etappen kommer att öka lagringskapaciteten till 50 tusen containrar. Enligt projektet som utvecklats av St. Petersburg Institute VNIPIET ska förvaret ge säker lagring av material i 80-100 år.103
Anläggningen har en bred vetenskaplig och teknisk bas för att stödja arbetet i dess huvudsakliga produktionsanläggningar, som inkluderar ett centralt fabrikslaboratorium, en instrumentanläggning, en verktygsanläggning, en maskinreparationsverkstad och en specialiserad konstruktionsavdelning. Staden har en filial av Moscow Engineering Physics Institute, landets ledande universitet inom tillämpad kärnfysik.
Tomsk-7 (Siberian Chemical Plant)
Siberian Chemical Plant i Tomsk-7104 grundades 1949 som ett komplex för tillverkning av klyvbara material av vapenkvalitet och delar från dem. Plutoniumproduktionen i Tomsk-7 utfördes av fem reaktorer: I-1, EI-2, ADE-3, ADE-4 och ADE-5. I-1-reaktorn, som togs i drift den 20 november, var en direktflödesreaktor av design och användes uteslutande för plutoniumproduktion. I september 1958 och juli 1961 började reaktorerna EI-2 och ADE-3 fungera vid anläggningen. ADE-4- och ADE-5-reaktorerna togs i drift 1965 och 1967. Med undantag för I-1 hade alla Tomsk-7-reaktorer en sluten värmeavledningskrets och användes både för plutoniumproduktion och för produktion av värme och el.
De tre första reaktorerna vid Tomsk-7 stängdes 21 augusti 1990 (I-1), 31 december 1990 (EI-2) och 14 augusti 1992 (ADE-3). De två kvarvarande reaktorerna har en total kapacitet på 3800 MW och producerar 660-700 MW värme och 300 MW el. Termisk energi används för att leverera värme till Seversk (Tomsk-7) och närliggande Tomsk, samt för produktionsbehoven för Siberian Chemical Combine och det angränsande petrokemiska komplexet.
För närvarande upparbetas det använda bränslet från industriella reaktorer i Siberian Chemical Combine vid den radiokemiska anläggning som ingår i anläggningen, som togs i drift 1956. Fram till 1983 utfördes bränsleupparbetning enligt acetatschemat. Efter detta överfördes anläggningen till Purex-teknik.
Tills nyligen levererades plutonium isolerat vid den radiokemiska anläggningen till den kemiska och metallurgiska anläggningen Tomsk-7 för omvandling till metallform, legering och tillverkning av ammunitionsdelar.105 Uppenbarligen blandades nyproducerat plutonium med plutonium från avvecklade stridsspetsar för att upprätthålla en acceptabel koncentrationsnivå
americium-241 i plutonium.106 Med början i oktober 1994 omvandlas nyproducerat plutonium till dioxid och skickas till lagring.
En annan del av den kemiska och metallurgiska fabriken arbetar med att bearbeta höganrikat uran och tillverka vapendelar från det. 1994- Verksamheter för att omvandla höganrikat uran av vapenkvalitet till låganrikningsuran som en del av det rysk-amerikanska avtalet om försäljning av HEU inleddes här. En del av arbetet som utförs i Tomsk-7 inkluderar omvandlingen av metalliskt uran till oxidform. En betydande del av uranet passerar genom radiokemisk bearbetning för att avlägsna kemiska föroreningar (legeringsmaterial, rester av klyvningsprodukter och transuranelement). Renat uranoxidpulver förpackas i slutna behållare och skickas till Sverdlovsk-44 och Krasnoyarsk-45 för fluorering och avanrikning. I slutet av 1996 började även en produktionsanläggning för fluorering och uranberikning att fungera i Tomsk-7.107
Krasnoyarsk-26 (gruvdrift och kemiska skördetröskor)
Anläggningen i Krasnoyarsk-26108 skapades i februari 1950109 för produktion av plutonium av vapenkvalitet. Ett utmärkande drag för reaktor- och radiokemiska anläggningar och tillhörande verkstäder, laboratorier och lager i Krasnoyarsk-26 är deras placering i ett tunnelsystem med flera nivåer inuti en bergskedja, på ett djup av 200-250 m under jord.
Krasnoyarsk-26-reaktoranläggningen togs i drift den 25 augusti 1958, och 1964 fanns det tre grafitreaktorer i drift vid anläggningen (AD, ADE-1, ADE-2). 1964 började en radiokemisk anläggning att fungera i Krasnoyarsk-26. (Från 1958 till 1964 upparbetades använt reaktorbränsle vid anläggningarna i Chelyabinsk-65 och/eller Tomsk-7.) Plutoniumdioxid, slutprodukten från anläggningen, överfördes till de kemiska och metallurgiska anläggningarna i Chelyabinsk-65 och/eller Tomsk-7 för tillverkning av metalliskt plutonium och vapendelar. Sedan oktober 1994 har separerat plutonium i oxidform lagrats i anläggningens lager.
Två engångsreaktorer av Krasnoyarsk-26 (AD och ADE-1) stängdes 1992.11 Den tredje reaktorn har ett kylsystem med dubbla kretsar och liknar sin konstruktion som de arbetande reaktorerna i Tomsk-7. Liksom med Tomsk-7 producerar reaktorn värme till lokalbefolkningen och kan inte stängas av utan att bygga ersättningskapacitet.
1972 började arbetet med designen av det radiokemiska anläggningskomplexet RT-2 i Krasnoyarsk-26. I enlighet med projektet ska RT-2-anläggningen utföra radiokemisk bearbetning av bränsle från VVER-1000-reaktorer. Byggandet av den första etappen av anläggningen för lagring av använt reaktorbränsle påbörjades 1976 på en plats ovan jord belägen 4-5 km norr om det underjordiska komplexet. Lagringsanläggningen med en kapacitet på 6000 ton bränsle togs i drift i december 1985 och var full 15-20% 1995. Byggandet av andra etappen av den radiokemiska anläggningen RT-2 med en kapacitet på 1500 ton/år också började i slutet av 70-talet. Men på grund av otillräcklig finansiering och motstånd från den lokala miljörörelsen, 1989 frystes byggandet av anläggningen (30 % färdig). Trots den ryska regeringens beslut att slutföra bygget i februari 1995,112 är framtiden för RT-2-anläggningen fortfarande oklar.
Men när reaktorn är i drift bränns den vapenklassade isotopen av plutonium snabbt upp, som ett resultat av att ett stort antal isotoper 240 Pu, 241 Pu och 242 Pu ackumuleras i reaktorn, bildade av successiv infångning av flera neutroner - eftersom Utbränningsdjupet bestäms vanligtvis av ekonomiska faktorer. Ju lägre utbränningsdjup, desto färre isotoper 240 Pu, 241 Pu och 242 Pu kommer att innehålla plutonium separerat från bestrålat kärnbränsle, men desto mindre plutonium bildas i bränslet.
Specialtillverkning av plutonium för vapen innehållande nästan uteslutande 239 Pu krävs främst för att isotoper med massnummer 240 och 242 skapar en hög neutronbakgrund, vilket gör det svårt att designa effektiva kärnvapen, dessutom har 240 Pu och 241 Pu en betydligt kortare period halveringstid än 239 Pu, på grund av vilken plutoniumdelarna värms upp, och ytterligare värmeavlägsnande element måste införas i kärnvapnets utformning. Dessutom förstör sönderfallsprodukterna från tunga isotoper metallens kristallgitter, vilket kan leda till en förändring i formen på plutoniumdelar, vilket kan leda till att en kärnvapensprängningsanordning går sönder.
I princip kan alla dessa svårigheter övervinnas, och nukleära explosiva anordningar tillverkade av "reaktor"-plutonium har framgångsrikt testats, dock i ammunition, där kompakthet, låg vikt, tillförlitlighet och hållbarhet spelar en viktig roll, exklusivt specialtillverkade vapenklassade plutonium används. Den kritiska massan för metalliska 240 Pu och 242 Pu är mycket stor, 241 Pu är något större än den för 239 Pu.
Produktion
Förfogande
Sedan slutet av 1990-talet har USA och Ryssland utvecklat avtal för att göra sig av med överskott av vapenplutonium.
se även
Anteckningar
- Kritisk massa // Det europeiska kärnkraftssamhället (engelska)
- AVTAL mellan Ryska federationens regering och USA:s regering om samarbete med avseende på reaktorer som producerar plutonium (som ändrat den 12 mars 2003), utarbetat av Codex JSC
- I Zheleznogorsk stängdes landets sista reaktor, som hade producerat plutonium av vapenkvalitet under det senaste halvseklet. (odefinierad) . Hämtad 10 november 2014.
- Ivan Fursov. Urandiet: USA:s kärnkraftsindustri kan möta bränslebrist (engelska), RT (25 september 2013). Hämtad 27 december 2013. "Tillverkningen av plutonium av militär kvalitet har också stoppats i både USA (1988) och Ryssland (1994)."
- Om Rysslands internationellt samarbete inom området för bortskaffande av överskott av vapenplutonium / Ryska federationens utrikesministerium, avdelningen för säkerhets- och nedrustningsfrågor vid Ryska federationens utrikesministerium, 2001-03-11
- Ubeev A.V. Plutonium Disposition Agreement / Nuclear Non-Proliferation: A Concise Encyclopedia, PIR Center
- 2000 Plutonium Management and Disposition Agreement / State.gov, talesmannens kontor, 13 april 2010 (engelska)
- En lag har undertecknats för att ratificera avtalet mellan Rysslands och USA:s regeringar om bortskaffande av plutonium som inte längre är nödvändigt för försvarsändamål // kremlin.ru, 7 juni 2011
- kremlin.ru,
| Plutonium | |
|---|---|
| Atomnummer | 94 |
| Utseendet av en enkel substans | |
| Atomens egenskaper | |
| Atomisk massa (molar massa) |
244.0642 a. e.m. (/mol) |
| Atom radie | 151 pm |
| Joniseringsenergi (första elektronen) |
491,9 (5,10) kJ/mol (eV) |
| Elektronisk konfiguration | 5f 6 7s 2 |
| Kemiska egenskaper | |
| Kovalent radie | n/a pm |
| Jonradie | (+4e) 93 (+3e) 108 pm |
| Elektronnegativitet (enligt Pauling) |
1,28 |
| Elektrodpotential | Pu←Pu 4+ -1,25V Pu←Pu 3+ -2,0V Pu←Pu 2+ -1,2V |
| Oxidationstillstånd | 6, 5, 4, 3 |
| Termodynamiska egenskaper hos ett enkelt ämne | |
| Densitet | 19,84/cm³ |
| Molär värmekapacitet | 32,77 J/(mol) |
| Värmeledningsförmåga | (6,7) W/( ·) |
| Smält temperatur | 914 |
| Smältvärme | 2,8 kJ/mol |
| Koktemperatur | 3505 |
| Förångningsvärme | 343,5 kJ/mol |
| Molar volym | 12,12 cm³/mol |
| Kristallgitter av en enkel substans | |
| Gallerstruktur | monoklinisk |
| Gitterparametrar | a=6,183 b=4,822 c=10,963 β=101,8 |
| c/a-förhållande | — |
| Debye temperatur | 162 |
Plutonium- ett radioaktivt kemiskt element av aktinidgruppen, som används i stor utsträckning i produktionen kärnvapen(det så kallade ”vapenplutoniumet”), och även (experimentellt) som kärnbränsle för kärnreaktorer för civila och forskningsändamål. Det första konstgjorda elementet som erhölls i mängder tillgängliga för vägning (1942).
Tabellen till höger visar huvudegenskaperna hos α-Pu, den huvudsakliga allotropiska modifieringen av plutonium vid rumstemperatur och normalt tryck.
Historien om plutonium
Plutoniumisotopen 238 Pu producerades först artificiellt den 23 februari 1941 av en grupp amerikanska vetenskapsmän ledda av Glenn Seaborg genom att bestråla kärnor uran deuteroner. Det är anmärkningsvärt att först efter konstgjord produktion upptäcktes plutonium i naturen: i försumbara mängder finns 239 Pu vanligtvis i uranmalmer som en produkt av radioaktiv omvandling av uran.
Att hitta plutonium i naturen
I uranmalmer, som ett resultat av att urankärnor fångar neutroner (till exempel neutroner från kosmisk strålning) neptunium(239 Np), vars β-sönderfallsprodukt är naturligt plutonium-239. Plutonium bildas dock i sådana mikroskopiska mängder (0,4-15 delar Pu per 10 12 delar U) att dess utvinning ur uranmalmer inte är aktuellt.
namnets ursprung plutonium
År 1930 var den astronomiska världen upphetsad av underbara nyheter: en ny planet hade upptäckts, vars existens länge hade talats om av Percival Lovell, en astronom, matematiker och författare till fantastiska essäer om livet på Mars. Baserat på många års rörelseobservationer Uranus Och Neptunus Lovell kom till slutsatsen att bortom Neptunus i solsystemet borde det finnas en annan, nionde planet, fyrtio gånger längre bort från solen än jorden.
Denna planet, vars orbitalelement Lovell beräknade redan 1915, upptäcktes i fotografier tagna den 21, 23 och 29 januari 1930 av astronomen K. Tombaugh vid Flagstaff Observatory ( USA) . Planeten fick namnet Pluto. Det 94:e elementet, artificiellt erhållet i slutet av 1940 från kärnor, fick sitt namn efter denna planet, belägen i solsystemet bortom Neptunus. atomer uran en grupp amerikanska vetenskapsmän ledda av G. Seaborg.
Fysikaliska egenskaper plutonium
Det finns 15 isotoper av plutonium - Isotoper med masstal från 238 till 242 produceras i de största kvantiteterna:
238 Pu -> (halveringstid 86 år, alfasönderfall) -> 234 U,
Denna isotop används nästan uteslutande i RTGs för rymdändamål, till exempel på alla fordon som har flugit bortom Mars omloppsbana.
239 Pu -> (halveringstid 24 360 år, alfasönderfall) -> 235 U,
Denna isotop är mest lämplig för konstruktion av kärnvapen och snabba neutronkärnreaktorer.
240 Pu -> (halveringstid 6580 år, alfa-sönderfall) -> 236 U, 241 Pu -> (halveringstid 14,0 år, beta-sönderfall) -> 241 Am, 242 Pu -> (halveringstid 370 000 år, alfa) -förfall) -> 238 U
Dessa tre isotoper har ingen allvarlig industriell betydelse, utan erhålls som biprodukter när energi produceras i kärnreaktorer med uran, genom sekventiell infångning av flera neutroner av uran-238 kärnor. Isotop 242 är mest lik uran-238 i kärntekniska egenskaper. Americium-241, framställt av sönderfallet av isotopen 241, användes i rökdetektorer.
Plutonium är intressant eftersom det genomgår sex fasövergångar från sin stelningstemperatur till rumstemperatur, mer än något annat kemiskt element. Med den senare ökar densiteten abrupt med 11%, som ett resultat av att plutoniumgjutgods spricker. Alfafasen är stabil vid rumstemperatur, vars egenskaper anges i tabellen. För applicering är deltafasen, som har en lägre densitet, och ett kubiskt kroppscentrerat gitter bekvämare. Plutonium i deltafasen är mycket seg, medan alfafasen är spröd. För att stabilisera plutonium i deltafasen används dopning med trevärda metaller (gallium användes i de första kärnladdningarna).
Tillämpningar av plutonium
Den första plutoniumbaserade kärnkraftsanordningen detonerades den 16 juli 1945 vid Alamogordo-testplatsen (testkodnamnet Trinity).
Plutoniums biologiska roll
Plutonium är mycket giftigt; Den högsta tillåtna koncentrationen för 239 Pu i öppna vattendrag och luften i arbetsrum är 81,4 respektive 3,3 * 10 −5 Bq/l. De flesta isotoper av plutonium har en hög joniseringstäthet och en kort partikelvägslängd, så dess toxicitet beror inte så mycket på dess kemiska egenskaper (plutonium är förmodligen inte mer giftigt i detta avseende än andra tungmetaller), utan snarare på den joniserande effekten på omgivande kroppsvävnader. Plutonium tillhör en grupp grundämnen med särskilt hög radiotoxicitet. I kroppen producerar plutonium stora irreversibla förändringar i skelettet, levern, mjälten, njurarna och orsakar cancer. Det högsta tillåtna innehållet av plutonium i kroppen bör inte överstiga tiondels mikrogram.
Konstverk relaterade till temat plutonium
– Plutonium användes för De Lorean DMC-12-maskinen i filmen Back to the Future som bränsle för en flödesackumulator för att resa till framtiden eller det förflutna.
— Anklagelsen om atombomben som detonerades av terrorister i Denver, USA, i Tom Clancys "All the Fears of the World" var gjord av plutonium.
— Kenzaburo Oe "Notes of a Pinch Runner"
— 2006 släppte Beacon Pictures filmen Plutonium-239 ( "Pu-239")
Beskrivning av plutonium
Plutonium(Plutonium) är ett silverfärgat tungt kemiskt grundämne, en radioaktiv metall med atomnummer 94, som i det periodiska systemet representeras av symbolen Pu.
Detta elektronegativa aktiva kemiska element tillhör gruppen aktinider med en atommassa på 244,0642, och liksom neptunium, som fick sitt namn för att hedra planeten med samma namn, har denna kemikalie sitt namn till planeten Pluto, sedan föregångarna av det radioaktiva grundämnet i Mendelejevs periodiska system över kemiska grundämnen är och neptunium, som också fick sitt namn efter avlägsna kosmiska planeter i vår galax.
Ursprunget till plutonium
Grundämne plutonium upptäcktes först 1940 vid University of California av en grupp radiologer och forskare G. Seaborg, E. McMillan, Kennedy, A. Walch när de bombarderade ett uranmål från en cyklotron med deuteroner - tunga vätekärnor.
I december samma år upptäckte forskare plutoniumisotop– Pu-238, vars halveringstid är mer än 90 år, och man fann att isotopen neptunium-238 under inverkan av komplexa kärnkemiska reaktioner initialt produceras, varefter isotopen redan bildas plutonium-238.
I början av 1941 upptäckte forskare plutonium 239 med en förfallstid på 25 000 år. Isotoper av plutonium kan ha olika neutroninnehåll i kärnan.
En ren förening av grundämnet erhölls först i slutet av 1942. Varje gång radiologiska forskare upptäckte en ny isotop, mätte de alltid isotopernas halveringstider.
För närvarande skiljer sig plutoniumisotoper, av vilka det finns 15 totalt, i tidslängd halveringstid. Det är med detta element som stora förhoppningar och framtidsutsikter är förknippade, men samtidigt allvarliga rädslor för mänskligheten.
Plutonium har betydligt större aktivitet än till exempel uran och är ett av de dyraste tekniskt viktiga och betydande ämnena av kemisk natur.
Till exempel är kostnaden för ett gram plutonium flera gånger mer än ett gram, eller andra lika värdefulla metaller.
Produktionen och utvinningen av plutonium anses kostsam, och kostnaden för ett gram metall ligger i vår tid säkert kvar på cirka 4 000 US-dollar.
Hur erhålls plutonium? Plutoniumproduktion
Produktionen av det kemiska elementet sker i kärnreaktorer, inuti vilka uran delas under påverkan av komplexa kemiska och tekniska sammanhängande processer.
Uran och plutonium är huvudkomponenterna i produktionen av atomärt (kärn)bränsle.
Om det är nödvändigt att erhålla en stor mängd av ett radioaktivt grundämne, används metoden för bestrålning av transuraniska element, som kan erhållas från använt kärnbränsle och bestrålning av uran. Komplexa kemiska reaktioner gör att metallen kan separeras från uran.
För att erhålla isotoper, nämligen plutonium-238 och vapenplutonium-239, som är mellanliggande sönderfallsprodukter, används bestrålning av neptunium-237 med neutroner.
En liten del av plutonium-244, som är den längsta livslängden isotopen på grund av dess långa halveringstid, upptäcktes i ceriummalm, som sannolikt är bevarad från bildandet av vår planet Jorden. Detta radioaktiva element förekommer inte naturligt i naturen.
Grundläggande fysikaliska egenskaper och egenskaper hos plutonium
Plutonium är ett ganska tungt radioaktivt kemiskt grundämne med en silverfärgad färg som bara lyser när det renas. Kärn massa av metallplutonium lika med 244 a. äta.
På grund av sin höga radioaktivitet är detta element varmt vid beröring och kan värmas upp till en temperatur som överstiger vattnets koktemperatur.
Plutonium, under påverkan av syreatomer, mörknar snabbt och blir täckt med en iriserande tunn film av initialt ljusgul och sedan en rik eller brun nyans.
Vid stark oxidation sker bildandet av PuO2-pulver på elementets yta. Denna typ av kemisk metall utsätts för starka oxidationsprocesser och korrosion även vid låga luftfuktighetsnivåer.
För att förhindra korrosion och oxidation av metallytan är en torkningsanläggning nödvändig. Foto av plutonium kan ses nedan.
Plutonium är en fyrvärd kemisk metall, den löses väl och snabbt i jodväteämnen och sura miljöer, till exempel i klorsyra.
Metallsalter neutraliseras snabbt i miljöer med neutral reaktion, alkaliska lösningar, samtidigt som olöslig plutoniumhydroxid bildas.
Temperaturen vid vilken plutonium smälter är 641 grader Celsius, kokpunkten är 3230 grader.
Under inverkan av höga temperaturer uppstår onaturliga förändringar i metallens densitet. I sin form har plutonium olika faser och har sex kristallstrukturer.
Under övergången mellan faserna inträffar betydande förändringar i elementets volym. Grundämnet får sin tätaste form i den sjätte alfafasen (det sista steget av övergången), medan det enda som är tyngre än metallen i detta tillstånd är neptunium och radium.
När det smälts genomgår elementet stark kompression, så att metallen kan flyta på ytan av vatten och andra icke-aggressiva flytande medier.
Trots att detta radioaktiva grundämne tillhör gruppen kemiska metaller är grundämnet ganska flyktigt, och när det befinner sig i ett slutet utrymme under en kort tidsperiod ökar dess koncentration i luften flera gånger.
Metallens huvudsakliga fysikaliska egenskaper inkluderar: låg grad, nivå av värmeledningsförmåga för alla befintliga och kända kemiska element, låg nivå av elektrisk ledningsförmåga; i flytande tillstånd är plutonium en av de mest viskösa metallerna.
Det är värt att notera att eventuella plutoniumföreningar är giftiga, giftiga och utgör en allvarlig fara för strålning för människokroppen, som uppstår på grund av aktiv alfastrålning, därför måste allt arbete utföras med största försiktighet och endast i speciella dräkter med kemiskt skydd .
Du kan läsa mer om egenskaperna och teorierna om ursprunget till en unik metall i boken Obruchev "Plutonia"" Författaren V.A. Obruchev inbjuder läsarna att kasta sig in i den fantastiska och unika världen i det fantastiska landet Plutonia, som ligger djupt inne i jordens tarmar.
Tillämpningar av plutonium
Det industriella kemiska elementet klassificeras vanligtvis i plutonium av vapenkvalitet och reaktorkvalitet ("energiklassat").
För tillverkning av kärnvapen, av alla befintliga isotoper, är det således tillåtet att endast använda plutonium 239, som inte bör innehålla mer än 4,5 % plutonium 240, eftersom det är föremål för spontan klyvning, vilket avsevärt komplicerar produktionen av militära projektiler .
Plutonium-238 används för drift av små radioisotopkällor för elektrisk energi, till exempel som energikälla för rymdteknik.
För flera decennier sedan användes plutonium i medicin i pacemakers (anordningar för att upprätthålla hjärtrytmen).
Den första atombomben som skapades i världen hade en plutoniumladdning. Nukleärt plutonium(Pu 239) efterfrågas som kärnbränsle för att säkerställa att kraftreaktorer fungerar. Denna isotop fungerar också som en källa för att producera transplutoniumelement i reaktorer.
Om vi jämför kärnplutonium med ren metall, har isotopen högre metallparametrar och har inga övergångsfaser, så den används ofta i processen för att erhålla bränsleelement.
Oxider av Plutonium 242-isotopen är också efterfrågade som en kraftkälla för rymdfarliga enheter, utrustning och bränslestavar.
Plutonium av vapenkvalitetär ett grundämne som presenteras i form av en kompakt metall som innehåller minst 93% av Pu239-isotopen.
Denna typ av radioaktiv metall används vid tillverkning av olika typer av kärnvapen.
Vapenplutonium produceras i specialiserade industriella kärnreaktorer som arbetar på naturligt eller låganrikat uran som ett resultat av infångning av neutroner.