Популярная библиотека химических элементов. Химический элемент плутоний


Плутоний (элемент) - это... Что такое Плутоний (элемент)?

Плутоний (Pu) Свойства атома Химические свойства Термодинамические свойства простого вещества Кристаллическая решётка простого вещества
Атомный номер 94
Внешний вид простого вещества
Атомная масса(молярная масса) 244,0642 а. е. м. (г/моль)
Радиус атома 151 пм
Энергия ионизации(первый электрон) 491,9(5,10) кДж/моль (эВ)
Электронная конфигурация [Rn] 5f6 7s2
Ковалентный радиус n/a пм
Радиус иона (+4e) 93 (+3e) 108 пм
Электроотрицательность(по Полингу) 1,28
Электродный потенциал Pu←Pu4+ -1,25ВPu←Pu3+ -2,0ВPu←Pu2+ -1,2В
Степени окисления 6, 5, 4, 3
Плотность 19,84 г/см³
Удельная теплоёмкость n/a Дж/(K·моль)
Теплопроводность (6,7) Вт/(м·K)
Температура плавления 914 K
Теплота плавления 2,8 кДж/моль
Температура кипения 3505 K
Теплота испарения 343,5 кДж/моль
Молярный объём n/a см³/моль
Структура решётки моноклинная
Период решётки n/a Å
Отношение c/a n/a
Температура Дебая n/a K

Плуто́ний — радиоактивный химический элемент группы актиноидов, широко использовавшийся в производстве ядерного оружия (т. н. «оружейный плутоний»), а также (экспериментально) в качестве ядерного топлива для атомных реакторов гражданского и исследовательского назначения. Первый искусственный элемент, полученный в доступных для взвешивания количествах (1942 г.).

В таблице справа приведены основные свойства α-Pu — основной аллотропной модификации плутония при комнатной температуре и нормальном давлении.

История

Изотоп плутония 238Pu впервые искусственно получен 23.02.1941 года группой американских ученых во главе с Г. Сиборгом путем облучения ядер урана дейтронами. Примечательно, что только после искусственного получения плутоний был обнаружен в природе: в ничтожно малых количествах 239Pu обычно содержится в урановых рудах как продукт радиоактивного превращения урана.

Нахождение в природе

В урановых рудах в результате захвата нейтронов (например, нейтронов из космического излучения) ядрами урана образуется нептуний (239Np), продуктом β-распада которого и является природный плутоний-239. Однако плутоний образуется в таких микроскопических количествах (0,4—15 частей Pu на 1012 частей U), что о его добыче из урановых руд не может быть и речи.

Происхождение названия

В 1930 году астрономический мир был взбудоражен замечательной новостью: открыта новая планета, о существовании которой давно говорил Персиваль Ловелл, астроном, математик и автор фантастических очерков о жизни на Марсе. На основе многолетних наблюдений за движениями Урана и Нептуна Ловелл пришел к заключению, что за Нептуном в солнечной системе должна быть еще одна, девятая планета, отстоящая от Солнца в сорок раз дальше, чем Земля. Эта планета, элементы орбиты которой Ловелл рассчитал еще в 1915 году, и была обнаружена на фотографических снимках, полученных 21, 23 и 29 января 1930 г. астрономом К. Томбо в обсерватории Флагстафф (США). Планету назвали Плутоном[1]. По имени этой планеты, расположенной в солнечной системе за Нептуном, был назван плутонием 94-й элемент, искусственно полученный в конце 1940 г. из ядер атомов урана группой американских ученых во главе с Г. Сиборгом.

Физические свойства

Существует 15 изотопов плутония - В наибольших количествах получаются изотопы с массовыми числами от 238 до 242:

238Pu -> (период полураспада 86 лет, альфа-распад) -> 234U,

Этот изотоп используется почти исключительно в РИТЭГ космического назначения, например, на всех аппаратах, улетавших дальше орбиты Марса.

239Pu -> (период полураспада 24 360 лет, альфа-распад) -> 235U,

Этот изотоп наиболее подходит для конструирования ядерного оружия и ядерных реакторов на быстрых нейтронах.

240Pu -> (период полураспада 6580 лет, альфа-распад) -> 236U, 241Pu -> (период полураспада 14.0 лет, бета-распад) -> 241Am, 242Pu -> (период полураспада 370 000 лет, альфа-распад) -> 238U [1]

Эти три изотопа серьёзного промышленного значения не имеют, но получаются, как побочные продукты, при получении энергии в ядерных реакторах на уране, путём последовательного захвата нескольких нейтронов ядрами урана-238. Изотоп 242 по ядерным свойствам наиболее похож на уран-238. Америций-241, получавшийся при распаде изотопа 241, использовался в детекторах дыма.

Плутоний интересен тем, что от температуры затвердевания до комнатной претерпевает шесть фазовых переходов, больше, чем любой другой химический элемент. При последнем плотность увеличивается скачком на 11%, в результате, отливки из плутония растрескиваются. Стабильной при комнатной температуре является альфа-фаза, характеристики которой и приведены в таблице. Для применения более удобной является дельта-фаза, имеющая меньшую плотность, и кубическую объёмно-центрированную решётку. Плутоний в дельта-фазе весьма пластичен, в то время, как альфа-фаза хрупкая. Для стабилизации плутония в дельта-фазе применяется легирование трёхвалентными металлами (в первых ядерных зарядах использовался галлий).

Применение

  • Первый ядерный заряд на основе плутония был взорван 16 июля 1945 года на полигоне Аламогордо (испытание под кодовым названием "Тринити").

Биологическая роль

Плутоний высокотоксичен; ПДК для 239Pu в открытых водоемах и воздухе рабочих помещений составляет соответственно 81,4 и 3,3*10−5Бк/л. Большинство изотопов плутония обладают высокой величиной плотности ионизации и малой длиной пробега частиц, поэтому его токсичность обусловлена не столько его химическими свойствами (вероятно, в этом отношении плутоний токсичен не более, чем другие тяжелые металлы), сколько ионизирующим действием на окружающие ткани организма. Плутоний относится к группе элементов с особо высокой радиотоксичностью. В организме плутоний производит большие необратимые изменения в скелете, печени, селезенке, почках, вызывает рак. Максимально допустимое содержание плутония в организме не должно превышать десятых долей микрограмма.

Примечания

Плутоний в художественных произведениях

  • Плутоний использовался для машины De Lorean DMC-12 в фильме Назад в будущее как заряд для переправки в будущее или в прошлое.
  • Из плутония состоял заряд атомной бомбы, взорванной террористами в Денвере, США, в произведении Тома Клэнси "Все страхи мира"
  • Кэндзабуро Оэ "Записки пинчранера"

См. также

Ссылки

Wikimedia Foundation. 2010.

dic.academic.ru

Плутоний. Описание плутония. Свойства плутония

Описание плутония

Плутоний (Plutonium) представляет собой тяжелый химический элемент серебристого цвета, радиоактивный металл с атомным числом 94, который в периодической таблице Менделеева обозначается символом Pu.

Данный электроотрицательный активный химический элемент относится к группе актиноидов с атомной массой 244,0642, и, как и нептуний, который получил свое название в честь одноименной планеты, своим названием этот химический обязан планете Плутон, поскольку предшественниками радиоактивного элемента в периодической таблице химических элементов Менделеева является уран и нептуний, которые также были названы в честь далеких космических планет нашей Галактики.

Происхождение плутония

Элемент плутоний впервые был открыт в 1940 году в Калифорнийском Университете группой ученых-радиологов и научных исследователей Г. Сиборгом, Э. Макмилланом, Кеннеди, А. Уолхом при бомбардировании урановой мишени из циклотрона дейтронами —  ядрами тяжелого водорода.

В декабре того же года учеными был открыт изотоп плутония – Pu-238, период полураспада которого составляет более 90 лет, при этом было установлено, что под воздействием сложнейших ядерных химических реакций изначально получается изотоп нептуний-238, после чего уже происходит образование изотопа плутония-238.

В начале 1941 года ученые открыли плутоний 239 с периодом распада в 25 000 лет. Изотопы плутония могут иметь различное содержание нейтронов в ядре.

Чистое соединение элемента смогли получить только в конце 1942. Каждый раз, когда ученые-радиологи открывали новый изотоп, они всегда измеряли время периодов полураспада изотопов.

В настоящий момент изотопы плутония, которых всего насчитывается 15, отличаются по времени продолжительности периода полураспада. Именно с этим элементом связаны большие надежды, перспективы, но и в тот же момент, серьезные опасения человечества.

Плутоний имеет значительно большую активность, чем, к примеру, уран и принадлежит к самым дорогостоящим технически важным и значимым веществам химической природы.

К примеру, стоимость грамма плутония в несколько раз больше цены одного грама платина, золота, серебра или других не менее ценных металлов.

Производство, добыча плутония считается затратной, а стоимость одного грамма металла в наше время уверенно держится на отметке в 4000 американских долларов.

Как получают плутоний? Производство плутония

Производство химического элемента происходит в атомных реакторах, внутри которых уран расщепляется под воздействием сложных химическо-технологических взаимосвязанных процессов.

Уран и плутоний являются главными, основными компонентами при производстве атомного (ядерного) горючего.

При необходимости получения большого количества радиоактивного элемента применяют метод облучения трансурановых элементов, которые можно получить из отработанного атомного топлива и облучения урана. Протекание сложных химических реакций позволяет отделить металл от урана.

Чтобы получить изотопы, а именно плутоний-238 и оружейный плутоний-239, которые представляют собой промежуточные продукты распада, используют облучение нептуния-237 нейтронами.

Ничтожно малую часть плутония-244, который является самым «долгоживущим» вариантом изотопа, по причине его длительного периода полураспада, обнаружили при исследованиях в цериевой руде, которая, скорее всего, сохранилась с момента формирования нашей Планеты Земля. В естественном виде в природе данный радиоактивный элемент не встречается.

Основные физические свойства и характеристики плутония

Плутоний — довольно тяжелый радиоактивный химический элемент серебристого цвета, который блестит только в очищенном виде. Атомная масса металла плутоний равна 244 а. е. м.

По причине своей высокой радиоактивности данный элемент теплый на ощупь, может разогреться до температуры, которая превышает температурный показатель при кипении воды.

Плутоний, под воздействием атомов кислорода быстро темнеет и покрывается радужной тонкой пленочкой изначально светло-желтого, а затем насыщенного красно—коричневого или бурого оттенка.

При сильном окислении происходит образование на поверхности элемента изумрудно—желтого порошка PuO2. Данный вид химического металла подвержен сильным процессам окисления и воздействия коррозии даже при незначительном уровне влажности.

Чтобы предотвратить коррозирование и оксидировании поверхности металла, необходима сушильная печь. Фото плутония можно посмотреть ниже.

Плутоний относится к четырехвалентным химическим металлам, хорошо и быстро растворяется в йодистоводородных веществах, кислых средах, к примеру, в азотной, хлорной, соляной кислотах.

Соли металла быстро нейтрализуются в средах с нейтральной реакцией, щелочных растворах, при этом образовывая нерастворимый гидрооксид плутония.

Температура, при которой происходит плавление плутония равна 641 градусам Цельсия, температура кипения – 3230 градусов.

Под воздействием высоких температурных режимов происходят неестественные изменения плотности металла. В твердом виде плутоний обладает различными фазами, имеет шесть кристаллических структур.

При переходе между фазами происходят значительные изменения объемах элемента. Наиболее плотную форму элемент приобретает в шестой альфа-фазе (последняя стадия перехода), при этом тяжелее металла в этом состоянии бывает только иридий, платина, нептуний, радий.

При расплавлении происходит сильное сжатие элемента, поэтому металл может держаться на поверхности воды и других неагрессивных жидких сред.

Несмотря на то, что данный радиоактивный элемент принадлежит к группе химических металлов, элемент довольно летуч, и при нахождении в закрытом пространстве за непродолжительный период времени увеличивается и возрастает в несколько раз его концентрация в воздухе.

К основным физическим свойствам металла можно отнести: невысокую степень, уровень теплопроводности из всех существующих и известных химических элементов, низкий уровень электропроводности, в жидком состоянии плутоний относится к одним из наиболее вязких металлов.

Стоит отметить, что любые соединения плутония относятся к токсичным, ядовитым и представляют серьезную опасность облучения для человеческого организма, которое происходит по причине активного альфа-излучения, поэтому все работы нужно выполнять предельно внимательно и только в специальных костюмах с химической защитой.

Больше о свойствах, теориях происхождения уникального металла можно прочитать в книге Обручева «Плутония». Автор В.А. Обручев приглашает читателей окунуться в удивительный и уникальный мир фантастической страны Плутония, которая расположена в глубине недр Земли.

Применение плутония

Промышленный химический элемент принято классифицировать на оружейный и реакторный («энергетический») плутоний.

Так, для производства ядерного вооружения из всех существующих изотопов допустимо применять только плутоний 239, в котором не должно быть более 4.5% плутония 240, так как он подвержен самопроизвольному делению, что значительно затрудняет изготовление боевых снарядов.

Плутоний-238 находит применение для функционирования малогабаритных радиоизотопных источников электрической энергии, к примеру, в качестве источника энергии для космической техники.

Несколько десятилетий тому назад плутоний применяли в медицине в кардиостимуляторах (приборы для поддержания сердечного ритма).

Первая атомная бомба, созданная в мире, имела плутониевый заряд. Ядерный плутоний  (Pu 239) востребован как ядерное топливо для обеспечения функционирования энергетических реакторов. Также этот изотоп служит источником для получения в реакторах трансплутониевых элементов.

Если провести сравнение ядерного плутония с чистым металлом, изотоп обладает более высокими металлическими параметрами, не имеет фаз перехода, поэтому его широко используют в процессе получения элементов топлива.

Оксиды изотопа Плутония 242 также востребованы как источник питания для космических летальных агрегатов, техники, в ТВЭЛах.

Оружейный плутоний – это элемент, который представлен в виде компактного металла, в котором содержится не меньше 93% изотопа Pu239.

Данный вид радиоактивного металла применяют про производстве различных видов ядерного оружения.

Получают оружейный плутоний в специализированных промышленных атомных реакторах, которые функционируют на природном или на низкообогащенном уране, в результате захвата им нейтронов.

tvoi-uvelirr.ru

Плутоний химический элемент

Плутоний Pu - элемент № 94 связаны очень большие надежды и очень большие опасения человечества. В наши дни это один из самых важных, стратегически важных, элементов. Это самый дорогой из технически важных металлов — он намного дороже серебра, золота и платины. Он поистине драгоценен.

Предыстория и история

...Вначале были протоны — галактический водород. В результате его сжатия и последовавших затем ядерных реакций образовались самые невероятные «слитки» нуклонов. Среди них, этих «слитков», были, по-видимому, и содержащие по 94 протона. Оценки теоретиков позволяют считать, что около 100 нуклонных образований, в состав которых входят 94 протона и от 107 до 206 нейтронов, настолько стабильны, что их можно считать ядрами изотопов элемента № 94.Но все эти изотопы — гипотетические и реальные — не настолько стабильны, чтобы сохраниться до наших дней с момента образования элементов солнечной системы. Период полураспада самого долгоживущего изотопа элемента №94 — 81 млн. лет. Возраст Галактики измеряется миллиардами лет. Следовательно, у «первородного» плутония не было шансов дожить до наших дней. Если он и образовывался при великом синтезе элементов Вселенной, то те давние его атомы давно «вымерли», подобно тому как вымерли динозавры и мамонты.В XX в. новой эры, нашей эры, этот элемент был воссоздан. Из 100 возможных изотопов плутония синтезированы 25. У 15 из них изучены ядерные свойства. Четыре нашли практическое применение. А открыли его совсем недавно. В декабре 1940 г. при облучении урана ядрами тяжелого водорода группа американских радиохимиков во главе с Гленном Т. Сиборгом обнаружила неизвестный прежде излучатель альфа-частиц с периодом полураспада 90 лет. Этим излучателем оказался изотоп элемента № 94 с массовым числом 238. В том же году, но несколькими месяцами раньше Э.М. Макмиллан и Ф. Эйбельсон получили первый элемент, более тяжелый, чем уран, — элемент № 93. Этот элемент назвали нептунием, а 94-й — плутонием. Историк определенно скажет, что названия эти берут начало в римской мифологии, но в сущности происхождение этих названий скорее не мифологическое, а астрономическое.Элементы № 92 и 93 названы в честь далеких планет солнечной системы — Урана и Нептуна, но и Нептун в солнечной системе — не последний, еще дальше пролегает орбита Плутона — планеты, о которой до сих пор почти ничего не известно... Подобное же построение наблюдаем и на «левом фланге» менделеевской таблицы: uranium — neptunium — plutonium, однако о плутонии человечество знает намного больше, чем о Плутоне. Кстати, Плутон астрономы открыли всего за десять лет до синтеза плутония — почти такой же отрезок времени разделял открытия Урана — планеты и урана — элемента.

Загадки для шифровальщиков

Первый изотоп элемента № 94 — плутоний-238 в наши дни нашел практическое применение. Но в начале 40-х годов об этом и не думали. Получать плутоний-238 в количествах, представляющих практический интерес, можно, только опираясь на мощную ядерную промышленность. В то время она лишь зарождалась. Но уже было ясно, что, освободив энергию, заключенную в ядрах тяжелых радиоактивных элементов, можно получить оружие невиданной прежде силы. Появился Манхэттенский проект, не имевший ничего, кроме названия, общего с известным районом Нью-Йорка. Это было общее название всех работ, связанных с созданием в США первых атомных бомб. Руководителем Манхэттенского проекта был назначен не ученый, а военный — генерал Гровс, «ласково» величавший своих высокообразованных подопечных «битыми горшками».Руководителей «проекта» плутоний-238 не интересовал. Его ядра, как, впрочем, ядра всех изотопов плутония с четными массовыми числами, нейтронами низких энергий не делятся, поэтому он не мог служить ядерной взрывчаткой. Тем не менее первые не очень внятные сообщения об элементах № 93 и 94 попали в печать лишь весной 1942 г.Чем это объяснить? Физики понимали: синтез изотопов плутония с нечетными массовыми числами — дело времени, и недалекого. От нечетных изотопов ждали, что, подобно урану-235, они смогут поддерживать цепную ядерную реакцию. В них, еще не полученных, кое-кому виделась потенциальная ядерная взрывчатка. И эти надежды плутоний, к сожалению, оправдывал.В шифровках того времени элемент № 94 именовался не иначе, как... медью. А когда возникла необходимость в самой меди (как конструкционном материале для каких-то деталей), то в шифровках наряду с «медью» появилась «подлинная медь».

«Древо познания добра и зла»

В 1941 г. был открыт важнейший изотоп плутония — изотоп с массовым числом 239. И почти сразу же подтвердилось предсказание теоретиков: ядра плутония-239 делились тепловыми нейтронами. Более того, в процессе их деления рождалось не меньшее число нейтронов, чем при делении урана-235. Тотчас же были намечены пути получения этого изотопа в больших количествах...Прошли годы. Теперь уже ни для кого не секрет, что ядерные бомбы, хранящиеся в арсеналах, начинены плутонием-239 и что их, этих бомб, достаточно, чтобы нанести непоправимый ущерб всему живому на Земле.Распространено мнение, что с открытием цепной ядерной реакции (неизбежным следствием которого стало создание ядерной бомбы) человечество явно поторопилось. Можно думать по-другому или делать вид, что думаешь по-другому, — приятнее быть оптимистом. Но и перед оптимистами неизбежно встает вопрос об ответственности ученых. Мы помним триумфальный июньский день 1954 г., день, когда дала ток первая атомная электростанция в Обнинске. Но мы не можем забыть и августовское утро 1945 г. — «утро Хиросимы», «черный день Альберта Эйнштейна»... Помним первые послевоенные годы и безудержный атомный шантаж — основу американской политики тех лет. А разве мало тревог пережило человечество в последующие годы? Причем эти тревоги многократно усиливались сознанием, что, если вспыхнет новая мировая война, ядерное оружие будет пущено в ход.Здесь можно попробовать доказать, что открытие плутония не прибавило человечеству опасений, что, напротив, оно было только полезно.Допустим, случилось так, что по какой-то причине или, как сказали бы в старину, по воле божьей, плутоний оказался недоступен ученым. Разве уменьшились бы тогда наши страхи и опасения? Ничуть не бывало. Ядерные бомбы делали бы из урана-235 (и в не меньшем количестве, чем из плутония), и эти бомбы «съедали» бы еще большие, чем сейчас, части бюджетов.Зато без плутония не существовало бы перспективы мирного использования ядерной энергии и больших масштабах. Для «мирного атома» просто не хватило бы урана-235. Зло, нанесенное человечеству открытием ядерной энергии, не уравновешивалось бы, пусть даже частично, достижениями «доброго атома».

Как измерить, с чем сравнить

Когда ядро плутония-239 делится нейтронами на два осколка примерно равной массы, выделяется около 200 Мэв энергии. Это в 50 млн. раз больше энергии, освобождающейся в самой известной экзотермической реакции С + O2 = СO2. «Сгорая» в ядерном реакторе, грамм плутония дает 2107 ккал. Чтобы не нарушать традиции (а в популярных статьях энергию ядерного горючего принято измерять внесистемными единицами — тоннами угля, бензина, тринитротолуола и т. д.), заметим и мы: это энергия, заключенная в 4 т угля. А в обычный наперсток помещается количество плутония, энергетически эквивалентное сорока вагонам хороших березовых дров.Такая же энергия выделяется и при делении нейтронами ядер урана-235. Но основную массу природного урана (99,3%!) составляет изотоп 238U, который можно использовать, только превратив уран в плутоний...

Энергия камней

Оценим энергетические ресурсы, заключенные в природных запасах урана.Уран — рассеянный элемент, и практически он есть всюду. Каждому, кто побывал, к примеру, в Карелии, наверняка запомнились гранитные валуны и прибрежные скалы. Но мало кто знает, что в тонне гранита до 25 г урана. Граниты составляют почти 20% веса земной коры. Если считать только уран-235, то в тонне гранита заключено 3,5-105 ккал энергии. Это очень много, но...На переработку гранита и извлечение из него урана нужно затратить еще большее количество энергии — порядка 106—107 ккал/т. Вот если бы удалось в качестве источника энергии использовать не тол ко уран-235, а и уран-238, тогда гранит можно было бы рассматривать хотя бы как потенциальное энергетическое сырье. Тогда энергия, полученная из тонны камня, составила бы уже от 8-107 до 5-108 ккал. Это равноценно 16-100 т угля. И в этом случае гранит мог бы дать людям почти в миллион раз больше энергии, чем все запасы химического топлива на Земле.Но ядра урана-238 нейтронами не делятся. Для атомной энергетики этот изотоп бесполезен. Точнее, был бы бесполезен, если бы его не удалось превратить в плутоний-239. И что особенно важно: на это ядерное превращение практически не нужно тратить энергию — напротив, в этом процессе энергия производится!Попробуем разобраться, как это происходит, но вначале несколько слов о природном плутонии.

В 400 тысяч раз меньше, чем радия

Уже говорилось, что изотопы плутония не сохранились со времени синтеза элементов при образовании нашей планеты. Но это не означает, что плутония в Земле нет.Он все время образуется в урановых рудах. Захватывая нейтроны космического излучения и нейтроны, образующиеся при самопроизвольном (спонтанном) делении ядер урана-238, некоторые — очень немногие — атомы этого изотопа превращаются в атомы урана-239. Эти ядра очень нестабильны, они испускают электроны и тем самым повышают свой заряд. Образуется нептуний — первый трансурановый элемент. Нептуний-239 тоже весьма неустойчив, и его ядра испускают электроны. Всего за 56 часов половина нептуния-239 превращается в плутоний-239, период полураспада которого уже достаточно велик — 24 тыс. лет.Почему не добывают плутоний из урановых руд? Мала, слишком мала концентрация. «В грамм добыча — в год труды» — это о радии, а плутония в рудах содержится в 400 тыс. раз меньше, чем радия. Поэтому не только добыть — даже обнаружить «земной» плутоний необыкновенно трудно. Сделать это удалось только после того, как были изучены физические и химические свойства плутония, полученного в атомных реакторах.Накапливают плутоний в ядерных реакторах. В мощных потоках нейтронов происходит та же реакция, что и в урановых рудах, но скорость образования и накопления плутония в реакторе намного выше — в миллиард миллиардов раз. Для реакции превращения балластного урана-238 в энергетический плутоний-239 создаются оптимальные (в пределах допустимого) условия.Если реактор работает на тепловых нейтронах (напомним, что их скорость — порядка 2000 м в секунду, а энергия — доли электронвольта), то из естественной смеси изотопов урана получают количество плутония, немногим меньшее, чем количество «выгоревшего» урана-235. Немногим, но меньшее, плюс неизбежные потери плутония при химическом выделении его из облученного урана. К тому же цепная ядерная реакция подцеживается в природной смеси изотопов урана только до тех пор, пока не израсходована незначительная доля урана-235. Отсюда закономерен вывод: «тепловой» реактор на естественном уране — основной тип ныне действующих реакторов — не может обеспечить расширенного воспроизводства ядерного горючего. Но что же тогда перспективно? Для ответа на этот вопрос сравним ход цепной ядерной реакции в уране-235 и плутонии-239 и введем в наши рассуждения еще одно физическое понятие.Важнейшая характеристика любого ядерного горючего — среднее число нейтронов, испускаемых после того, как ядро захватило один нейтрон. Физики называют его эта-числом и обозначают греческой буквой ц. В «тепловых» реакторах на уране наблюдается такая закономерность: каждый нейтрон порождает в среднем 2,08 нейтрона (η=2,08). Помещенный в такой реактор плутоний под действием тепловых нейтронов дает η=2,03. Но есть еще реакторы, работающие на быстрых нейтронах. Естественную смесь изотопов урана в такой реактор загружать бесполезно: цепная реакция не пойдет. Но если обогатить «сырье» ураном-235, она сможет развиваться и в «быстром» реакторе. При этом ц будет равно уже 2,23. А плутоний, помещенный под обстрел быстрыми нейтронами, даст η равное 2,70. В наше распоряжение поступит «лишних полнейтрона». И это совсем не мало.

Проследим, на что тратятся полученные нейтроны. В любом реакторе один нейтрон нужен для поддержания цепной ядерной реакции. 0,1 нейтрона поглощается конструкционными материалами установки. «Избыток» идет на накопление плутония-239. В одном случае «избыток» равен 1,13, в другом — 1,60. После «сгорания» килограмма плутония в «быстром» реакторе выделяется колоссальная энергия и накапливается 1,6 кг плутония. А уран и в «быстром» реакторе даст туже энергию и 1,1 кг нового ядерного горючего. И в том и в другом случае налицо расширенное воспроизводство. Но нельзя забывать об экономике. В силу ряда технических причин цикл воспроизводства плутония занимает несколько лет. Допустим, что пять лет. Значит, в год количество плутония увеличится только на 2%, если η=2,23, и на 12%, если η=2,7! Ядерное горючее — капитал, а всякий капитал должен давать, скажем, 5% годовых. В первом случае налицо большие убытки, а во втором — большая прибыль. Этот примитивный пример иллюстрирует «вес» каждой десятой числа в ядерной энергетике. Важно и другое. Ядерная энергетика должна поспевать за ростом потребности в энергии. Расчеты показывают: его условие выполнимо в будущем только тогда, когда η приближается к трем. Если же развитие ядерных энергетических источников будет отставать от потребностей общества в энергии, то останется два пути: либо «затормозить прогресс», либо брать энергию из каких-то других источников. Они известны: термоядерный синтез, энергия аннигиляции вещества и антивещества, но пока еще технически недоступны. И не известно, когда они будут реальными источниками энергии для человечества. А энергия тяжелых ядер уже давно стала для нас реальностью, и сегодня у плутония как главного «поставщика» энергии атома нет серьезных конкурентов, кроме, может быть, урана-233.

Сумма многих технологий

Когда в результате ядерных реакций в уране накопится необходимое количество плутония, его необходимо отделить не только от самого урана, но и от осколков деления — как урана, так и плутония, выгоревших в цепной ядерной реакции. Кроме того, в урано-плутониевой массе есть и некоторое количество нептуния. Сложнее всего отделить плутоний от нептуния и редкоземельных элементов (лантаноидов). Плутонию как химическому элементу в какой-то мере не повезло. С точки зрения химика, главный элемент ядерной энергетики — всего лишь один из четырнадцати актиноидов. Подобно редкоземельным элементам, все элементы актиниевого ряда очень близки между собой по химическим свойствам, строение внешних электронных оболочек атомов всех элементов от актиния до 103-го одинаково. Еще неприятнее, что химические свойства актиноидов подобны свойствам редкоземельных элементов, а среди осколков деления урана и плутония лантаноидов хоть отбавляй. Но зато 94-й элемент может находиться в пяти валентных состояниях, и это «подслащивает пилюлю» — помогает отделить плутоний и от урана, и от осколков деления.Валентность плутония меняется от трех до семи. Химически наиболее стабильны (а следовательно, наиболее распространены и наиболее изучены) соединения четырехвалентного плутония.Разделение близких по химическим свойствам актиноидов — урана, нептуния и плутония — может быть основано на разнице в свойствах их четырех- и шестивалентных соединений.

Нет нужды подробно описывать все стадии химического разделения плутония и урана. Обычно разделение их начинают с растворения урановых брусков в азотной кислоте, после чего содержащиеся в растворе уран, нептуний, плутоний и осколочные элементы «разлучают», применяя для этого уже традиционные радиохимические методы — осаждение, экстракцию, ионный обмен и другие. Конечные плутонийсодержащие продукты этой многостадийной технологии — его двуокись PuO2 или фториды — PuF3 или PuF4. Их восстанавливают до металла парами бария, кальция или лития. Однако полученный в этих процессах плутоний не годится на роль конструкционного материала — тепловыделяющих элементов энергетических ядерных реакторов из него не сделать, заряда атомной бомбы не отлить. Почему? Температура плавления плутония — всего 640°С — вполне достижима. При каких бы «ультращадящих» режимах ни отливали детали из чистого плутония, в отливках при затвердевании всегда появятся трещины. При 640°С твердеющий плутоний образует кубическую кристаллическую решетку. По мере уменьшения температуры плотность металла постепенно растет. Но вот температура достигла 480°С, и тут неожиданно плотность плутония резко падает. До причин этой аномалии докопались довольно быстро: при этой температуре атомы плутония перестраиваются в кристаллической решетке. Она становится тетрагональной и очень «рыхлой». Такой плутоний может плавать в собственном расплаве, как лед на воде. Температура продолжает падать, вот она достигла 451°С, и атомы снова образовали кубическую решетку, но расположились на большем, чем в первом случае, расстоянии друг от друга. При дальнейшем охлаждении решетка становится сначала орторомбической, затем моноклинной. Всего плутоний образует шесть различных кристаллических форм! Две из них отличаются замечательным свойством — отрицательным коэффициентом температурного расширения: с ростом температуры металл не расширяется, а сжимается. Когда температура достигает 122°С и атомы плутония в шестой раз перестраивают свои ряды, плотность меняется особенно сильно — от 17,77 до 19,82 г/см3. Больше, чем на 10%! Соответственно уменьшается объем слитка. Если против напряжений, возникавших на других переходах, металл еще мог устоять, то в этот момент разрушение неизбежно. Как же тогда изготовить детали из этого удивительного металла? Металлурги легируют плутоний (добавляют в него незначительные количества нужных элементов) и получают отливки без единой трещины. Из них и делают плутониевые заряды ядерных бомб. Вес заряда (он определяется прежде всего критической массой изотопа) 5-6 кг. Он без труда поместился бы в кубике с размером ребра 10 см.

Тяжелые изотопы плутония

В плутонии-239 в незначительном количестве содержатся и высшие изотопы этого элемента — с массовыми числами 240 и 241. Изотоп 240Pu практически бесполезен — это балласт в плутонии. Из 241-го получают америций — элемент № 95. В чистом виде, без примеси других изотопов, плутоний-240 и плутоний-241 можно получить при электромагнитном разделении плутония, накопленного в реакторе. Перед этим плутоний дополнительно облучают нейтронными потоками со строго определенными характеристиками. Конечно, все это очень сложно, тем более что плутоний не только радиоактивен, но и весьма токсичен. Работа с ним требует исключительной осторожности.Один из самых интересных изотопов плутония — 242Pu можно получить, облучая длительное время 239Pu в потоках нейтронов. 242Pu очень редко захватывает нейтроны и потому «выгорает» в реакторе медленнее остальных изотопов; он сохраняется и после того, как остальные изотопы плутония почти полностью перешли в осколки или превратились в плутоний-242.Плутоний-242 важен как «сырье» для сравнительно быстрого накопления высших трансурановых элементов в ядерных реакторах. Если в обычном реакторе облучать плутоний-239, то на накопление из граммов плутония микрограммовых количеств, к примеру, калифорния-252 потребуется около 20 лет.Можно сократить время накопления высших изотопов, увеличив интенсивность потока нейтронов в реакторе. Так и делают, но тогда нельзя облучать большое количество плутония-239. Ведь этот изотоп делится нейтронами, и в интенсивных потоках выделяется слишком много энергии. Возникают дополнительные сложности с охлаждением реактора. Чтобы избежать этих сложностей, пришлось бы уменьшить количество облучаемого плутония. Следовательно, выход калифорния стал бы снова мизерным. Замкнутый круг!Плутоний-242 тепловыми нейтронами не делится, его и в больших количествах можно облучать в интенсивных нейтронных потоках... Поэтому в реакторах из этого изотопа «делают» и накапливают в весовых количествах все элементы от америция до фермия.Всякий раз, когда ученым удавалось получить новый изотоп плутония, измеряли период полураспада его ядер. Периоды полураспада изотопов тяжелых радиоактивных ядер с четными массовыми числами меняются закономерно. (Этого нельзя сказать о нечетных изотопах.)С увеличением массы растет и «время жизни» изотопа. Несколько лет назад высшей точкой этого графика был плутоний-242. А дальше как пойдет эта кривая — с дальнейшим ростом массового числа? В точку 1, которая соответствует времени жизни 30 млн. лет, или в точку 2, которая отвечает уже 300 млн. лет? Ответ на этот вопрос был очень важен для наук о Земле. В первом случае, если бы 5 млрд, лет назад Земля целиком состояла из 244Pu, сейчас во всей массе Земли остался бы только один атом плутония-244. Если же верно второе предположение, то плутоний-244 может быть в Земле в таких концентрациях, которые уже можно было бы обнаружить. Если бы посчастливилось найти в Земле этот изотоп, наука получила бы ценнейшую информацию о процессах, происходивших при формировании нашей планеты.

 

Периоды полураспада некоторых изотопов плутония

 

Несколько лет назад перед учеными встал вопрос: стоит ли пытаться найти тяжелый плутоний в Земле? Для ответа на него нужно было прежде всего определить период полураспада плутония-244. Теоретики не могли рассчитать эту величину с нужной точностью. Вся надежда была только на эксперимент.Плутоний-244 накопили в ядерном реакторе. Облучали элемент № 95 — америций (изотоп 243Am). Захватив нейтрон, этот изотоп переходил в америций-244; америций- 244 в одном из 10 тыс. случаев переходил в плутоний-244.Из смеси америция с кюрием выделили препарат плутония-244. Образец весил всего несколько миллионных долей грамма. Но их хватило для того чтобы определить период полураспада этого интереснейшего изотопа. Он оказался равным 75 млн. лет. Позже другие исследователи уточнили период полураспада плутония-244, но ненамного — 81 млн. лет. В 1971 г. следы этого изотопа нашли в редкоземельном минерале бастнезите.Много попыток предпринимали ученые, чтобы найти изотоп трансуранового элемента, живущий дольше, чем 244Pu. Но все попытки остались тщетными. Одно время возлагали надежды на кюрий-247, но после того, как этот изотоп был накоплен в реакторе, выяснилось, что его период полураспада всего 16 млн. лет. Побить рекорд плутония-244 не удалось, — это самый долгоживущий из всех изотопов трансурановых элементов.Еще более тяжелые изотопы плутония подвержены бета-распаду, и их время жизни лежит в интервале от нескольких дней до нескольких десятых секунды. Мы знаем наверное, что в термоядерных взрывах образуются все изотопы плутония, вплоть до 257Pu. Но их время жизни — десятые доли секунды, и изучить многие короткоживущие изотопы плутония пока не удалось.

Возможности первого изотопа плутония

И напоследок — о плутонии-238 — самом первом из «рукотворных» изотопов плутония, изотопе, который вначале казался бесперспективным. В действительности это очень интересный изотоп. Он подвержен альфа-распаду, т. е. его ядра самопроизвольно испускают альфа-частицы — ядра гелия. Альфа-частицы, порожденные ядрами плутония-238, несут большую энергию; рассеявшись в веществе, эта энергия превращается в тепло. Как велика эта энергия? Шесть миллионов электронвольт освобождается при распаде одного атомного ядра плутония-238. В химической реакции та же энергия выделяется при окислении нескольких миллионов атомов. В источнике электричества, содержащем один килограмм плутония-238, развивается тепловая мощность 560 ватт. Максимальная мощность такого же по массе химического источника тока — 5 ватт.Существует немало излучателей с подобными энергетическими характеристиками, но одна особенность плутония-238 делает этот изотоп незаменимым. Обычно альфа- распад сопровождается сильным гамма-излучением, проникающим через большие толщи вещества. 238Pu — исключение. Энергия гамма-квантов, сопровождающих распад его ядер, невелика, защититься от нее несложно: излучение поглощается тонкостенным контейнером. Мала и вероятность самопроизвольного деления ядер этого изотопа. Поэтому он нашел применение не только в источниках тока, но и в медицине. Батарейки с плутонием-238 служат источником энергии в специальных стимуляторах сердечной деятельности.Но 238Pu не самый легкий из известных изотопов элемента № 94, получены изотопы плутония с массовыми числами от 232 до 237. Период полураспада самого легкого изотопа — 36 минут.

Плутоний — большая тема. Здесь рассказано главное из самого главного. Ведь уже стала стандартной фраза, что химия плутония изучена гораздо лучше, чем химия таких «старых» элементов, как железо. О ядерных свойствах плутония написаны целые книги. Металлургия плутония — еще один удивительный раздел человеческих знаний... Поэтому не нужно думать, что, прочитав этот рассказ, вы по-настоящему узнали плутоний — важнейший металл XX в.

  • КАК ВОЗЯТ ПЛУТОНИЙ. Радиоактивный и токсичный плутоний требует особой осторожности при перевозке. Сконструирован контейнер специально для его транспортировки — контейнер, который не разрушается даже при авиационных катастрофах. Сделан он довольно просто: это толстостенный сосуд из нержавеющей стали, окруженный оболочкой из красного дерева. Очевидно, плутоний того стоит, но прпредставьте, какой толщины должны быть стенки, если известно, что контейнер для перевозки всего двух килограммов плутония весит 225 кг!
  • ЯД И ПРОТИВОЯДИЕ. 20 октября 1977 г. агентство «Франс Пресс» сообщило: найдено химическое соединение, способное выводить из организма человека плутоний. Через несколько лет об этом соединении стало известно довольно многое. Это комплексное соединение — линейный катехинамид карбоксилазы, вещество класса хелатов (от греческого — «хела» — клешня). В эту химическую клешню и захватывается атом плутония, свободный или связанный. У лабораторных мышей с помощью этого вещества из организма выводили до 70% поглощенного плутония. Полагают, что в дальнейшем это соединение поможет извлекать плутоний и из отходов производства, и из ядерного горючего.

natural-museum.ru

Плутоний — Мегаэнциклопедия Кирилла и Мефодия — статья

Плуто́ний (лат. Plutonium, от названия планеты Плутон), Pu (читается «плутоний»), радиоактивный искусственно полученный химический элемент, атомный номер 94. Стабильных нуклидов не имеет. Относится к актиноидам, расположен в IIIB группе, в 7 периоде периодической системы. Электронная конфигурация трех внешних слоев невозбужденного атома 5s2p6d10f66s2p67s2. В соединениях проявляет степени окисления +3, +4 (наиболее устойчива), +5, +6 и +7 (валентности III, IV, V, VI и VII).

Радиус нейтрального атома Pu 0, 160 нм, ионов Pu3+ 0, 0974 нм, Pu4+ 0, 0896 нм, Pu 5+ 0, 087 нм, Pu 6+0, 081 нм. Энергия ионизации нейтрального атома 5, 71 эВ. Электроотрицательность по Полингу 1, 2.Впервые Pu получили в 1940 американские исследователи Г. Сиборг , Э. М. Макмилан, Дж. Кеннеди и А. Валь облучением 238U разогнанными на ускорителе ядрами дейтерия:

23892U + 21H = 23893Np + 21n.

Образующийся 238Np за счет быстрого β−превращения (Т1/2 2, 117 сут) дает 238Pu (α-радиоактивен, Т1/2 87, 74 года). Из опасения создания ядерного оружия в годы Второй мировой войны сведения о получении плутония были опубликовали только в 1946. В 1942 американские физики получили 239Pu облучением нейтронами 238U. К настоящему времени получены 15 изотопов Pu с массовыми числами 232-246. Наиболее устойчивы 244Pu (α-распад, Т1/2 = 8, 26.107 лет) и 242Pu (α-распад, Т1/2 = 3, 76.105 лет).

В природе встречается в ничтожных количествах в урановых рудах (239Pu), он образуется из урана под действием нейтронов, источником которых является спонтанное деление ядер U и космическое излучение.

В настоящее время плутоний (его радионуклид 239Pu в смеси с небольшой примесью 240Pu) получают из продуктов облучения урана в ядерных реакторах. При отделении плутония от урана и нептуния используют различия в устойчивости степеней окисления +4, +5 и +6 для Pu (наиболее устойчив в растворе в степени окисления +4), Np (наиболее устойчив в растворе в степени окисления +5) и U (наиболее устойчив в растворе в степени окисления +6). Мировое производство плутония составляет несколько десятков тонн в год.

Для получения металлического плутония тетрафторид PuF4 или трихлорид плутония PuCl3 восстанавливают магнием или кальцием при нагревании:

PuF4 + 2Са = 2СаF2 + Pu

Плутоний — хрупкий серебристый металл.

До температуры плавления, 640°C, существует в шести полиморфных модификациях: α, β, γ, δ, δ' (иногда обозначается η) и ε. Каждое полиморфное превращение сопровождается перестройкой атомов плутония в кристаллической решетке и изменением плотности (кроме превращения модификаций δ δ'). При 320-480°C плутоний не расширяется, как другие металлы, а сжимается.

Устойчивая при температурах до 122°C α-модификация имеет моноклинную решетку, с а = 0, 6183 нм, в = 0, 4822 нм и с = 0, 1, 096 нм, угол 101, 79°. Плотность Pu при 20°C 19, 86 кг/дм3. Температура кипения 3352°C.

Компактный плутоний медленно окисляется на воздухе, порошок загорается при нагревании до 300°C. Медленно взаимодействует с водой. Легко растворяется в соляной, фосфорной и хлорной кислотах, пассивируется концентрированными серной, уксусной и азотной кислотами. В щелочах не растворяется.

При прокаливании на воздухе соединений плутония (кроме фторида) образуется диоксид PuO2. Восстановление водородом при нагревании или нагревание диоксида в вакууме дает Pu2O3. Получены оксиды плутония переменных составов PuO2-Pu2O3.

Плутоний реагирует с галогенами. С фтором образует фториды PuF6, PuF4, PuF3. Для остальных галогенов получены тригалогениды составов PuX3. Получены также оксигалогениды составов PuOX и соединения Pu с S, P, Si и другими неметаллами.

В кислых водных растворах Pu существует в виде катионов Pu3+(цвет в растворе сине-фиолетовый), Pu4+(цвет желто-коричневый), PuО2+?, плутоноил-ион (цвет светло-розовый), PuО22+, плутонил-ион (цвет розово-оранжевый). Для ионов Pu4+ и PuО2+ в растворах характерны реакции диспропорционирования:

3Pu4+ + 2Н2О = 2Pu3+ + PuО22+ +4Н+

2PuО2+ + 4Н+ = Pu4+ + PuО22+ + Н2О

Плутоний в степени окисления +7 впервые получили в 1967 советские химики Н. Н.Крот и А. Д.Гельман окислением PuО22+ озоном в щелочной среде.

Плутоний в степени окисления +4 в растворах образует устойчивые комплексы с разными лигандами (с ацетилацетонатом, цитратом, ацетатом).

При действии щелочей на растворы, содержащие Pu4+, выпадает осадок гидроксида плутония Pu(OH)4·xh3O, обладающий основными свойствами. При действии щелочей на растворы солей, содержащих PuO2+, выпадает амфотерный гидроксид PuO2OH. Ему отвечают соли — плутониты, например, Na2Pu2O6.

При добавлении щелочи к раствору соли Pu(VI) образуются соли плутониевых кислот плутонаты типа Na2PuO4 и полиплутонаты.

Стандартный окислительный потенциал пары Pu(IV)/Pu(III) +0, 982 B, пары Pu(V)/Pu(IV) +1, 170 B, пары Pu(VI)/Pu(IV) +1, 043 B, пары Pu(VI)/Pu(III) +1, 023 B.

239Pu используют в качестве ядерного горючего в ядерных реакторах, при изготовлении плутониевых бомб. Критическая масса 239Pu в виде металла составляет 5, 6 килограмм. Изотоп 239Pu является исходным веществом для получения в ядерных реакторах трансплутониевых элементов (америция, кюрия).

238Pu используют в малогабаритных ядерных источниках электрического тока, используемых в космических исследованиях и стимуляторах сердечной деятельности.

Плутоний и его соединения высокотоксичны. Для 239Pu ПДК в воздухе рабочих помещений 3, 3·10-2 Бк/м3, в воде открытых водоемов 8, 14·10-4 Бк/л.

  • Келлер К. Химия трансурановых элементов. М., 1976.
  • Несмеянов Ан. Н. Радиохимия. М., 1978.
  • Плутоний. Справочник / Под ред. О. Вика (пер. с англ.). М., 1971.
  • Плутоний. Радиационная безопасность. - М.: ИздАТ, 2005.
  • Плутоний в России. Экология, экономика, политика. - М.: Социал.-экол. союз, 1994.

megabook.ru

Плутоний - История

Химия - Плутоний - История

01 марта 2011

Оглавление:1. Плутоний2. История3. Свойства4. Нахождение в природе5. Изотопы6. Сплавы7. Меры предосторожности8. Методы отделения9. Применение10. Плутоний в художественных произведениях

Открытие

Энрико Ферми вместе со своими сотрудниками в Университете Рима сообщил, что они обнаружили химический элемент с порядковым номером 94 в 1934 году. Ферми назвал этот элемент гесперием, считая, что открыл элемент, который сейчас называют плутонием, таким образом сделав предположение о существовании трансурановых элементов и став их теоретическим первооткрывателем. Он придерживался этой позиции и в своей Нобелевской лекции в 1938 году, однако, узнав об открытии деления ядра Отто Фришем и Фрицем Штрассманом, был вынужден сделать в печатной версии, вышедшей в Стокгольме в 1939 году, примечание, указывающее на необходимость пересмотра «всей проблемы трансурановых элементов». Работа немецких учёных показала, что активность, обнаруженная Ферми в его экспериментах, была обусловлена именно делением, а не открытием трансурановых элементов, как он ранее полагал.

Циклотрон в Беркли, использовавшийся для получения нептуния и плутония.

Открытие плутония группой сотрудников Калифорнийского университета в Беркли под руководством Г. Т. Сиборга было совершено с помощью 60-дюймового циклотрона, имевшегося в распоряжении университета. Первая бомбардировка октаоксида триурана-238 дейтронами, разогнанными в циклотроне до 14—22 МэВ и проходящими через алюминиевую фольгу толщиной 0,002 дюйма, была произведена 14 декабря 1940 года. Сравнивая образцы, полученные и выдержанные в течение 2,3 суток, с выделенной фракцией чистого нептуния, учёные обнаружили существенную разницу в их альфа-активностях и предположили, что её рост через 2 суток обусловлен влиянием нового элемента, являющегося дочерним по отношению к нептунию. Дальнейшие физические и химические исследования продолжались 2 месяца. В ночь с 23 на 24 февраля 1941 года был проведён решающий эксперимент по окислению предполагаемого элемента с помощью пероксиддисульфат-ионов и ионами серебра в качестве катализатора, который показал, что нептуний-238, спустя два дня претерпевает бета-минус-распад, и образует химический элемент под номером 94 в следующей реакции:

23892U → 23893Np → 23894Pu

Гленн Теодор Сиборг вместе с сотрудниками в Беркли впервые синтезировали плутоний. Он был руководителем или ключевым членом команд, получивших еще восемь элементов: Am, Cm, Bk, Cf, Es, Fm, Md, No. В его честь назван элемент сиборгий. Эдвин Макмиллан и Гленн Сиборг в 1951 году были удостоены Нобелевской премии за «изучение химии трансурановых элементов».

Таким образом, существование нового химического элемента было подтверждено Г. Т. Сиборгом, Э. М. Макмилланом, Дж. В. Кеннеди  и А. К. Валлем  благодаря изучению его первых химических свойств — возможностью обладать по крайней мере двумя степенями окисления.

Немного позднее было установлено, что этот изотоп является неделящимся, а следовательно, неинтересным для дальнейших исследований в военных целях, так как пороговые ядра не могут служить основой цепной реакции деления. Поняв это, физики-ядерщики США направили свои усилия на получение делящегося изотопа-239. В марте 1941 года 1,2 кг чистейшей соли урана, замурованной в большой парафиновый блок, подвергли в циклотроне бомбардировке нейтронами. На протяжении двух суток длилась бомбардировка урановых ядер, в результате чего были получены приблизительно 0,5 мкг плутония-239. Появление нового элемента, как и было предсказано теорией, сопровождалось потоком альфа-частиц.

28 марта 1941 года проведённые эксперименты показали, что Pu способен делиться под действием медленных нейтронов, с сечением, весьма значительно превышающим сечение для U, причём нейтроны, полученные в процессе деления, пригодны для получения следующих актов ядерного деления, то есть позволяют расчитывать на осуществление цепной ядерной реакции. С этого момента были начаты опыты по созданию плутониевой ядерной бомбы и строительства реакторов для его наработки. Первое чистое соединение элемента было получено в 1942 году, а первые весовые количества металлического плутония — в 1943 году.

В работе, отправленной на публикацию в журнал Physical Review в марте 1941 г., был описан метод получения и изучения элемента. Однако, публикация этого документа была остановлена после того, как были получены данные, что новый элемент может быть использован в ядерной бомбе. Публикация работы произошла спустя год после Второй мировой войны из соображений безопасности и с некоторыми корректировками.

В Третьем рейхе исследователи атома также не оставались бездеятельными. В лаборатории Манфреда фон Ардена были разработаны методы для получения 94-го элемента. В августе 1941 года физик Фриц Хоутерманс закончил свой секретный доклад «К вопросу о развязывании цепных ядерных реакций». В нем он указывал теоретические возможности для изготовления в урановом «котле» нового взрывчатого вещества из природного урана.

Происхождение названия

С помощью этого астрографа были получены первые снимки Плутона.

В 1930 году была открыта новая планета, о существовании которой давно говорил Персиваль Ловелл — астроном, математик и автор фантастических очерков о жизни на Марсе. На основе многолетних наблюдений за движениями Урана и Нептуна он пришёл к заключению, что за Нептуном в солнечной системе должна быть ещё одна, девятая планета, располагающаяся от Солнца в сорок раз дальше, чем Земля. Элементы орбиты новой планеты были им рассчитаны в 1915 году. Плутон был обнаружен на фотографических снимках, полученных 21, 23 и 29 января 1930 г. астрономом Клайдом Томбо в обсерватории Лоуэлла в Флагстаффе. Планета была открыта 18 февраля 1930 года. Название планете было дано одиннадцатилетней школьницей из Оксфорда Венецией Бёрни. В греческой мифологии Аид является богом царства мёртвых.

Первое печатное упоминание термина плутоний датируется 21 марта 1942 года. Название 94-му химическому элементу было предложено Артуром Валем и Гленном Сиборгом. В 1948 году Эдвин Макмиллан предложил назвать 93-й химический элемент нептунием, так как планета Нептун — первая за Ураном. По аналогии в честь второй планеты за Ураном, Плутона, был назван плутоний. Открытие плутония произошло через 10 лет после открытия карликовой планеты.

Первоначально Сиборг предложил назвать новый элемент «плутием», однако позже решил, что название «плутоний» звучит лучше. Для обозначения элемента он в шутку привёл две буквы «Pu» — это обозначение представилось ему наиболее приемлемым в периодической таблице. Также Сиборгом были предложены некоторые другие варианты названий, например ультимий, экстермий. Однако из-за ошибочного в то время суждения, что плутоний станет последним химическим элементом в периодической таблице, элемент назвали «плутоний» в честь открытия последней планеты солнечной системы.

Первые исследования

После нескольких месяцев первоначальных исследований, химия плутония стала считаться похожей на химию урана. Дальнейшие исследования были продолжены в секретной металлургической лаборатории Чикагского университета. Благодаря Каннинхэму и Вернеру 18 августа 1942 года был выделен первый микрограмм чистого соединения плутония из 90 кг уранилнитрата, облученного нейтронами на циклотроне. 10 сентября 1942 года — спустя месяц, на протяжении которого ученые увеличивали количество соединения — произошло взвешивание. Этот исторический образец весил 2,77 мкг и состоял из диоксида плутония; в настоящее время хранится в Лоуренсовском зале в Беркли. К концу 1942 года было накоплено 500 мкг соли элемента. Для более подробного изучения нового элемента в США было сформировано несколько групп:

  • группа ученых, которая должна была выделить чистый плутоний химическими методами,
  • группа, которая изучала поведение плутония в растворах, включая изучение его степеней окисления, потенциалов ионизации и кинетику реакций,
  • группа, которая изучала химию комплексообразования ионов плутония и другие группы.

В ходе исследований было установлено, что плутоний может находиться в степенях окисления от 3 до 6, и что более низшие степени окисления, как правило, более стабильны по сравнению с нептунием. Тогда же было установлено сходство химических свойств плутония и нептуния. В 1942 году неожиданным стало открытие Стэна Томсона, входящего в группу Гленна Сиборга, которое показало, что четырехвалентный плутоний получается в больших количествах при нахождении в кислом растворе в присутствии фосфата висмута. В дальнейшем это привело к изучению и применению висмут-фосфатного метода экстракции плутония. В ноябре 1943 г. некоторые количества фторида плутония были подвергнуты разделению для получения чистого образца элемента в виде нескольких микрограммов мелкодисперсного порошка. Впоследствии были получены образцы, которые можно было бы рассмотреть невооруженным глазом.

Первый циклотрон в СССР использовавшийся для получения плутония.

В СССР первые опыты по получению Pu были начаты в 1943—1944 гг. под руководством академиков И. В. Курчатова и В. Г. Хлопина. В короткий срок в СССР были выполнены обширные исследования свойств плутония. В начале 1945 года на первом в Европе циклотроне, построенном в 1937 году в Радиевом институте, был получен первый советский образец плутония путём нейтронного облучения ядер урана. В городе Озёрск с 1945 года началось строительство первого промышленного ядерного реактора по производству плутония, первый объект ПО Маяк, пуск которого был осуществлён 19 июня 1948 года.

Производство в Манхэттенском проекте

Наиболее важные места для Манхэттенского проекта.

Манхэттенский проект берёт свое начало с письма Эйнштейна Рузвельту. Письмо обращало внимание президента на то, что нацистская Германия ведёт активные исследования, в результате которых может вскоре обзавестись атомной бомбой. В августе 1939 года Лео Силлард попросил подписаться в письме его другу Альберту Эйнштейну. В результате положительного ответа Франклина Рузвельта впоследствии в США был образован Манхэттенский проект.

Во время Второй мировой войны целью проекта являлось создание ядерной бомбы. Проект атомной программы, из которой образовался Манхэттенский проект, был одобрен и одновременно создан указом Президента США 9 октября 1941 года. Свою деятельность Манхэттенский проект начал 12 августа 1942 года. Тремя его основными целями являлись:

  • Производство плутония на территории Хэнфордского комплекса
  • Обогащение урана в городе Оук-Ридж, штат Теннесси
  • Исследования в области ядерного оружия и строения атомной бомбы на территории Лос-Аламосской национальной лаборатории

Памятная фотография ученых, принимавших участие на Чикагской поленнице-1. В первом ряду, второй справа: Лео Силлард; первый слева: Энрико Ферми.

Первым ядерным реактором, позволявшим получать большие количества элемента по сравнению с циклотронами, была Чикагская поленница-1. Он был введен в эксплуатацию 2 декабря 1942 года благодаря Энрико Ферми и Лео Силларду; в этот день была произведена первая самоподдерживающаяся ядерная цепная реакция. Для производства плутония-239 использовались уран-238 и уран-235. Реактор был сооружен под трибунами стадиона Stagg Field Чикагского университета. Он состоял из 6 тонн металлического урана, 34 тонн оксида урана и 400 тонн «чёрных кирпичей» графита. Единственным, что могло остановить цепную ядерную реакцию, были стержни из кадмия, которые хорошо захватывают тепловые нейтроны и, как следствие, могут предотвратить возможное происшествие. Из-за отсутствия радиационой защиты и охлаждения его обычная мощность была всего 0,5...200 Вт.

Работники на Графитовом реакторе X-10.

Вторым реактором, который позволил получать плутоний-239, был Графитовый реактор X-10. Он был введен в эксплуатацию 4 ноября 1943 года в городе Оук-Ридж, в настоящее время он располагается на терриории Оук-Риджской национальной лаборатории . Этот реактор был вторым в мире после Чикагской поленницы-1 и первым реактором, который был создан в продолжении Манхэттенского проекта. Реактор был первым шагом на пути к созданию более мощных ядерных реакторов, то есть он был экспериментальным. Окончание его работы наступило в 1963 г.; открыт для посещения с 1980-х годов и является одним из старейших ядерных реакторов в мире.

Пятого апреля 1944 года Эмилио Сегре получил первые образцы плутония, произведенного в реакторе X-10. В течение 10-ти дней он обнаружил, что концентрация плутония-240 в реакторе очень высока, по сравнению с циклотронами. Данный изотоп имеет очень высокую способность к спонтанному делению, в результате чего повышается общий фон нейтронного облучения. На данном основании был сделан вывод, что использование особо чистого плутония в ядерной бомбе пушечного типа , в частности в бомбе Худой, может привести к преждевременной детонации. Благодаря тому, что технология разработок ядерных бомб всё более улучшалась, было установлено, что для ядерного заряда лучше всего использовать ядерное вещество в виде сфер .

Строительство реактора B — первого ядерного реактора, способного получать плутоний в промышленном масштабе.

Первым промышленным ядерным реактором по производству Pu является реактор B, расположенный в США. Строительство началось с июня 1943 г. и закончилось в сентябре 1944 г. Мощность реактора составила 250 МВт. В качестве теплоносителя в этом реакторе впервые применялась вода. Реактор B позволил получить плутоний-239, который был впервые использован в испытании Тринити. Ядерные материалы, одержанные на этом реакторе, были использованы в бомбе сброшенной на Нагасаки 9 августа 1945 г. Построенный реактор был закрыт в феврале 1968 года и расположен в пустынном районе штата Вашингтон, недалеко от города Ричланд .

Хэнфордский комплекс. Реакторы B, D, F и др. расположены вдоль течения реки в верхней части схемы.

В ходе Манхэттенского проекта на Хэнфордском комплексе было создано множество районов предназначенных для получения, хранения, переработки и использования ядерных материалов. На этих захоронениях расположено около 205 кг изотопов плутония. Множественные районы были образованы для хранения девяти ядерных реакторов, которые производили химический элемент, многочисленных вспомогательных построек, которые загрязняли окружающую среду. Другие из этих районов были созданы с целью отделения плутония и урана от примесей химическими способами. По закрытию этого комплекса утилизировано более 20 т плутония в безопасных формах.

В 2004 г. в результате раскопок были обнаружены захоронения на территории Хэнфордского комплекса. В числе них был найден оружейный плутоний, который находился в стеклянном сосуде. Этот образец оружейного плутония оказался самым долгоживущим и был исследован Тихоокеанской национальной лабораторией. Результаты показали, что этот образец был создан на графитовом реакторе X-10 в 1944 году.

Один из участников проекта был причастен к тайной передаче чертежей о принципах устройства урановой и плутониевой бомб, а также образцов урана-235 и плутония-239.

Тринити и Толстяк

Первое ядерное испытание под названием Тринити, проведенное 16 июля 1945 г. возле города Аламогордо, Нью-Мексико, использовало плутоний в качестве ядерного заряда. В Штучке  использовались обычные линзы для того, чтобы сжать плутоний для достижения критической массы. Это устройство было создано для пробы нового типа ядерной бомбы «Толстяк» на основе плутония. Одновременно с этим из Ежа  начали поступать нейтроны для ядерной реакции. Устройство было сделано из полония и бериллия; этот источник применялся в первом поколении ядерных бомб, так как в то время единственным источником нейтронов считалась эта композиция. Вся эта композиция позволила достичь мощного ядерного взрыва. Полная масса бомбы, использованной при ядерном испытании Тринити, составляла 6 т, хотя в ядре бомбы было всего 6,2 кг плутония, а предполагаемая высота для взрыва над городом составляла 225—500 м. Приблизительно 20 % использованного плутония в этой бомбе составило 20000 т в тротиловом эквиваленте.

Бомба Толстяк была сброшена на Нагасаки 9 августа 1945. В результате взрыва моментально погибло 70 тыс. человек и ранено ещё 100 тыс. Она имела схожий механизм: сделанное из плутония ядро помещалось в сферическую алюминиевую оболочку, которая обкладывалась химической взрывчаткой. Во время детонирования оболочки плутониевый заряд сжимался со всех сторон и его плотность перерастала критическую, после чего начиналась цепная ядерная реакция. В Малыше, сброшенном на Хиросиму тремя днями ранее, использовался уран-235, но не плутоний. Япония 15 августа подписала соглашение о капитуляции. После этих случаев в СМИ было опубликовано сообщение о применении нового химического радиоактивного элемента — плутония.

Холодная война

Большие количества плутония были произведены во время Холодной войны США и СССР. Реакторы США, находящиеся в Savannah River Site  и Хэнфорде, во время войны произвели 103 т плутония, в то время как СССР произвел 170 т оружейного плутония. На сегодня около 20 т плутония в ядерной энергетике производится как побочный продукт ядерных реакций. На 1000 т плутония, находящегося в хранилищах, приходится 200 т плутония, извлеченного из ядерных реакторов. На 2007 год СИИПМ оценил мировое количество плутония в 500 т, который примерно одинаково разделен на оружейные и энергетические нужды.

Предполагаемая схема туннельного хранилища ядерных отходов в репозитории Юкка Маунтин.

Сразу же по окончанию Холодной войны все ядерные запасы стали проблемой распространения ядерного оружия . Например в США из извлеченного из ядерного оружия плутония были сплавлены двухтонные блоки, в которых элемент находится в виде инертного оксида плутония. Данные блоки застеклены боросиликатным стеклом с примесью циркония и гадолиния. Затем эти блоки были покрыты нержавеющей сталью и закопаны в землю на глубину 4 км. Местная и государственная власть США не позволила складировать ядерные отходы в гору Юкка . В марте 2010 г. власти США решили отозвать лицензию на право складировать ядерные отходы. Барак Обама предложил провести ревизию политики хранения отходов и предоставить рекомендации по разработке новых эффективных методов по контролю за отработанным топливом и отходами.

Медицинские эксперименты

На протяжении Второй мировой войны и после её окончания учёные проводили эксперименты на животных и людях, вводя внутривенно дозы плутония. Исследования на животных показали, что несколько миллиграммов плутония на килограмм ткани — смертельная доза. «Стандартная» доза составляла 5 мкг плутония, а в 1945 году эта цифра уменьшилась до 1 мкг за счет того, что плутоний склонен к накоплению в костях и из-за этого более опасен, чем радий.

Восемнадцать испытаний плутония на людях были проведены без предварительного согласия , для того, чтобы выяснить, где и как концентрируется плутоний в человеческом организме, и выработать стандарты безопасности обращения с ним. Первые места, в которых проводились эксперименты в рамках Манхэттенского проекта, были: Хэнфорд, Беркли, Лос-Аламос, Чикаго, Оук-Ридж, Рочестер.

Просмотров: 15420

4108.ru

плутоний - это... Что такое плутоний?

ПЛУТО́НИЙ -я; м. Химический элемент (Pu), радиоактивный серебристо-белый металл, относящийся к актиноидам (получается искусственным путём; используется в ядерной энергетике как сырьё для получения ядерного топлива). Оружейный п. (использующийся в атомном оружии).

◁ Плуто́ниевый, -ая, -ое. П-ая бомба. П-ая пушка (с направленным пучком радиоактивности).

ПЛУТО́НИЙ (лат. Plutonium, от названия планеты Плутон), Pu (читается «плутоний»), радиоактивный искусственно полученный химический элемент, атомный номер 94. Стабильных нуклидов не имеет. Относится к актиноидам, расположен в IIIB группе, в 7 периоде периодической системы. Электронная конфигурация трех внешних слоев невозбужденного атома 5s2p6d10f66s2p67s2. В соединениях проявляет степени окисления +3 , +4 (наиболее устойчива), +5, +6 и +7 (валентности III, IV, V, VI и VII). Радиус нейтрального атома Pu 0,160 нм, ионов Pu3+ 0,0974 нм, Pu4+ 0,0896 нм, Pu 5+ 0,087 нм, Pu 6+0,081 нм. Энергия ионизации нейтрального атома 5,71 эВ. Электроотрицательность по Полингу (см. ПОЛИНГ Лайнус) 1,2. История открытия Впервые Pu получили в 1940 американские исследователи Г. Сиборг (см. СИБОРГ Гленн Теодор) , Э. М. Макмилан (см. МАКМИЛЛАН Эдвин Маттисон) , Дж. Кеннеди и А. Валь облучением 238U разогнанными на ускорителе ядрами дейтерия (см. ДЕЙТЕРИЙ): 23892U + 21H = 23893Np + 21n. Образующийся 238Np за счет быстрого b-превращения (Т1/2 2,117 сут) дает 238Pu (a-радиоактивен, Т1/2 87,74 года). Из опасения создания ядерного оружия в годы Вޑސ٠мировой войны сведения о получении плутония были опубликовали только в 1946. В 1942 американские физики получили 239Pu облучением нейтронами 238U. К настоящему времени получены 15 изотопов Pu с массовыми числами 232—246. Наиболее устойчивы 244Pu (a-распад, Т1/2 = 8,26.107 лет) и 242Pu (a-распад, Т1/2 = 3,76.105 лет). Нахождение в природе В природе встречается в ничтожных количествах в урановых рудах (239Pu), он образуется из урана под действием нейтронов, источником которых является спонтанное деление ядер U и космическое излучение. Получение В настоящее время плутоний (его радионуклид 239Pu в смеси с небольшой примесью 240Pu) получают из продуктов облучения урана в ядерных реакторах. При отделении плутония от урана и нептуния используют различия в устойчивости степеней окисления +4, +5 и +6 для Pu (наиболее устойчив в растворе в степени окисления +4), Np (наиболее устойчив в растворе в степени окисления +5) и U (наиболее устойчив в растворе в степени окисления +6). Мировое производство плутония составляет несколько десятков тонн в год. Для получения металлического плутония тетрафторид PuF4 или трихлорид плутония PuCl3 восстанавливают магнием или кальцием при нагревании: PuF4 + 2Са = 2СаF2 + Pu Физические и химические свойства Плутоний — хрупкий серебристый металл. До температуры плавления, 640°C, существует в шести полиморфных модификациях: a, b, g, d, d" (иногда обозначается h) и e. Каждое полиморфное превращение сопровождается перестройкой атомов плутония в кристаллической решетке и изменением плотности (кроме превращения модификаций d d"). При 320—480°C плутоний не расширяется, как другие металлы, а сжимается. Устойчивая при температурах до 122°C a-модификация имеет моноклинную решетку, с а = 0,6183 нм, в = 0,4822 нм и с = 0,1,096 нм, угол 101,79°. Плотность Pu при 20°C 19,86 кг/дм3. Температура кипения 3352°C. Компактный плутоний медленно окисляется на воздухе, порошок загорается при нагревании до 300°C. Медленно взаимодействует с водой. Легко растворяется в соляной, фосфорной и хлорной кислотах, пассивируется концентрированными серной, уксусной и азотной кислотами. В щелочах не растворяется. При прокаливании на воздухе соединений плутония (кроме фторида) образуется диоксид PuO2. Восстановление водородом при нагревании или нагревание диоксида в вакууме дает Pu2O3. Получены оксиды плутония переменных составов PuO2-Pu2O3. Плутоний реагирует с галогенами (см. ГАЛОГЕНЫ). С фтором образует фториды PuF6, PuF4, PuF3. Для остальных галогенов получены тригалогениды составов PuX3. Получены также оксигалогениды составов PuOX и соединения Pu с S,P, Si и другими неметаллами. В кислых водных растворах Pu существует в виде катионов Pu3+(цвет в растворе сине-фиолетовый), Pu4+(цвет желто-коричневый), PuО2+?, плутоноил-ион (цвет светло-розовый), PuО22+, плутонил-ион (цвет розово-оранжевый). Для ионов Pu4+ и PuО2+ в растворах характерны реакции диспропорционирования: 3Pu4+ + 2Н2О = 2Pu3+ + PuО22+ +4Н+2PuО2+ + 4Н+ = Pu4+ + PuО22+ + Н2О Плутоний в степени окисления +7 впервые получили в 1967 советские химики Н. Н.Крот и А. Д.Гельман окислением PuО22+ озоном в щелочной среде. Плутоний в степени окисления +4 в растворах образует устойчивые комплексы с разными лигандами (см. ЛИГАНДЫ) (с ацетилацетонатом, цитратом, ацетатом). При действии щелочей на растворы, содержащие Pu4+, выпадает осадок гидроксида плутония Pu(OH)4·xh3O, обладающий основными свойствами. При действии щелочей на растворы солей, содержащих PuO2+, выпадает амфотерный гидроксид PuO2OH. Ему отвечают соли — плутониты, например, Na2Pu2O6. При добавлении щелочи к раствору соли Pu(VI) образуются соли плутониевых кислот плутонаты типа Na2PuO4 и полиплутонаты. Стандартный окислительный потенциал пары Pu(IV)/Pu(III) +0,982 B, пары Pu(V)/Pu(IV) +1,170 B, пары Pu(VI)/Pu(IV) +1,043 B, пары Pu(VI)/Pu(III) +1,023 B. Применение239Pu используют в качестве ядерного горючего в ядерных реакторах, при изготовлении плутониевых бомб. Критическая масса 239Pu в виде металла составляет 5,6 килограмм. Изотоп 239Pu является исходным веществом для получения в ядерных реакторах трансплутониевых элементов (америция (см. АМЕРИЦИЙ), кюрия (см. КЮРИЙ)). 238Pu используют в малогабаритных ядерных источниках электрического тока, используемых в космических исследованиях и стимуляторах сердечной деятельности. Физиологическое действие Плутоний и его соединения высокотоксичны. Для 239Pu ПДК в воздухе рабочих помещений 3,3·10-2 Бк/м3, в воде открытых водоемов 8,14·10-4 Бк/л.

dic.academic.ru

Популярная библиотека химических элементов. Раритетные издания. Наука и техника

Плутоний

94

Pu

2 8 24 32 18 8 2
ПЛУТОНИЙ
[244]
5f67s2

С элементом №94 связаны очень большие надежды и очень большие опасения человечества. Это самый дорогой из технически важных металлов – он намного дороже серебра, золота и платины. Он поистине драгоценен.

Предыстория и история

...Вначале были протоны – галактический водород. В результате его сжатия и последовавших затем ядерных реакций образовались самые невероятные «слитки» нуклонов. Среди них, этих «слитков», были, по-видимому, и содержащие по 94 протона. Оценки теоретиков позволяют считать, что около 100 нуклонных образований, в состав которых входят 94 протона и от 107 до 206 нейтронов, настолько стабильны, что их можно считать ядрами изотопов элемента №94.

Но все эти изотопы – гипотетические и реальные – не настолько стабильны, чтобы сохраниться до наших дней с момента образования элементов солнечной системы. Период полураспада самого долгоживущего изотопа элемента №94 – 75 млн лет. Возраст Галактики измеряется миллиардами лет. Следовательно, у «первородного» плутония не было шансов дожить до наших дней. Если он и образовывался при великом синтезе элементов Вселенной, то те давние его атомы давно «вымерли», подобно тому как вымерли динозавры и мамонты.

В XX в. новой эры, нашей эры, этот элемент был воссоздан. Из 100 возможных изотопов плутония синтезированы 25. У 15 из них изучены ядерные свойства. Четыре нашли практическое применение. А открыли его совсем недавно. В декабре 1940 г. при облучении урана ядрами тяжелого водорода группа американских радиохимиков во главе с Гленном Т. Сиборгом обнаружила неизвестный прежде излучатель альфа-частиц с периодом полураспада 90 лет. Этим излучателем оказался изотоп элемента №94 с массовым числом 238. В том же году, но несколькими месяцами раньше Э.М. Макмиллан и Ф. Эйбельсон получили первый элемент, более тяжелый, чем уран, – элемент №93. Этот элемент назвали нептунием, а 94-й – плутонием. Историк определенно скажет, что названия эти берут начало в римской мифологии, но в сущности происхождение этих названий скорее не мифологическое, а астрономическое.

Элементы №92 и 93 названы в честь далеких планет солнечной системы – Урана и Нептуна, но и Нептун в солнечной системе – не последний, еще дальше пролегает орбита Плутона – планеты, о которой до сих пор почти ничего не известно... Подобное же построение наблюдаем и на «левом фланге» менделеевской таблицы: uranium – neptunium – plutonium, однако о плутонии человечество знает намного больше, чем о Плутоне. Кстати, Плутон астрономы открыли всего за десять лет до синтеза плутония – почти такой же отрезок времени разделял открытия Урана – планеты и урана – элемента.

Загадки для шифровальщиков

Первый изотоп элемента №94 – плутоний-238 в наши дни нашел практическое применение. Но в начале 40-х годов об этом и не думали. Получать плутоний-238 в количествах, представляющих практический интерес, можно, только опираясь на мощную ядерную промышленность. В то время она лишь зарождалась. Но уже было ясно, что, освободив энергию, заключенную в ядрах тяжелых радиоактивных элементов, можно получить оружие невиданной прежде силы. Появился Манхэттенский проект, не имевший ничего, кроме названия, общего с известным районом Нью-Йорка. Это было общее название всех работ, связанных с созданием в США первых атомных бомб. Руководителем Манхэттенского проекта был назначен не ученый, а военный – генерал Гровс, «ласково» величавший своих высокообразованных подопечных «битыми горшками».

Руководителей «проекта» плутоний-238 не интересовал. Его ядра, как, впрочем, ядра всех изотопов плутония с четными массовыми числами, нейтронами низких энергий* не делятся, поэтому он не мог служить ядерной взрывчаткой. Тем не менее первые не очень внятные сообщения об элементах №93 и 94 попали в печать лишь весной 1942 г.

* Нейтронами низких энергий мы называем нейтроны, энергия которых не превышает 10 кэВ. Нейтроны с энергией, измеряемой долями электронвольта, называются тепловыми, а самые медленные нейтроны – с энергией меньше 0,005 эВ – холодными. Если же энергия нейтрона больше 100 кэВ, то такой нейтрон считается уже быстрым.

Чем это объяснить? Физики понимали: синтез изотопов плутония с нечетными массовыми числами – дело времени, и недалекого. От нечетных изотопов ждали, что, подобно урану-235, они смогут поддерживать цепную ядерную реакцию. В них, еще не полученных, кое-кому виделась потенциальная ядерная взрывчатка. И эти надежды плутоний, к сожалению, оправдывал.

В шифровках того времени элемент №94 именовался не иначе, как... медью. А когда возникла необходимость в самой меди (как конструкционном материале для каких-то деталей), то в шифровках наряду с «медью» появилась «подлинная медь».

«Древо познания добра и зла»

В 1941 г. был открыт важнейший изотоп плутония – изотоп с массовым числом 239. И почти сразу же подтвердилось предсказание теоретиков: ядра плутония-239 делились тепловыми нейтронами. Более того, в процессе их деления рождалось не меньшее число нейтронов, чем при делении урана-235. Тотчас же были намечены пути получения этого изотопа в больших количествах...

Прошли годы. Теперь уже ни для кого не секрет, что ядерные бомбы, хранящиеся в арсеналах, начинены плутонием-239 и что их, этих бомб, достаточно, чтобы нанести непоправимый ущерб всему живому на Земле.

Распространено мнение, что с открытием цепной ядерной реакции (неизбежным следствием которого стало создание ядерной бомбы) человечество явно поторопилось. Можно думать по-другому или делать вид, что думаешь по-другому, – приятнее быть оптимистом. Но и перед оптимистами неизбежно встает вопрос об ответственности ученых. Мы помним триумфальный июньский день 1954 г., день, когда дала ток первая атомная электростанция в Обнинске. Но мы не можем забыть и августовское утро 1945 г. – «утро Хиросимы», «черный день Альберта Эйнштейна»... Помним первые послевоенные годы и безудержный атомный шантаж – основу американской политики тех лет. А разве мало тревог пережило человечество в последующие годы? Причем эти тревоги многократно усиливались сознанием, что, если вспыхнет новая мировая война, ядерное оружие будет пущено в ход.

Здесь можно попробовать доказать, что открытие плутония не прибавило человечеству опасений, что, напротив, оно было только полезно.

Допустим, случилось так, что по какой-то причине или, как сказали бы в старину, по воле божьей, плутоний оказался недоступен ученым. Разве уменьшились бы тогда наши страхи и опасения? Ничуть не бывало. Ядерные бомбы делали бы из урана-235 (и в не меньшем количестве, чем из плутония), и эти бомбы «съедали» бы еще большие, чем сейчас, части бюджетов.

Зато без плутония не существовало бы перспективы мирного использования ядерной энергии в больших масштабах. Для «мирного атома» просто не хватило бы урана-235. Зло, нанесенное человечеству открытием ядерной энергии, не уравновешивалось бы, пусть даже частично, достижениями «доброго атома».

Как измерить, с чем сравнить

Когда ядро плутония-239 делится нейтронами на два осколка примерно равной массы, выделяется около 200 МэВ энергии. Это в 50 млн раз больше энергии, освобождающейся в самой известной экзотермической реакции C + O2 = CO2. «Сгорая» в ядерном реакторе, грамм плутония дает 2·107 ккал. Чтобы не нарушать традиции (а в популярных статьях энергию ядерного горючего принято измерять внесистемными единицами – тоннами угля, бензина, тринитротолуола и т.д.), заметим и мы: это энергия, заключенная в 4 т угля. А в обычный наперсток помещается количество плутония, энергетически эквивалентное сорока вагонам хороших березовых дров.

Такая же энергия выделяется и при делении нейтронами ядер урана-235. Но основную массу природного урана (99,3%!) составляет изотоп 238U, который можно использовать, только превратив уран в плутоний...

Энергия камней

Оценим энергетические ресурсы, заключенные в природных запасах урана.

Уран – рассеянный элемент, и практически он есть всюду. Каждому, кто побывал, к примеру, в Карелии, наверняка запомнились гранитные валуны и прибрежные скалы. Но мало кто знает, что в тонне гранита до 25 г урана. Граниты составляют почти 20% веса земной коры. Если считать только уран-235, то в тонне гранита заключено 3,5·105 ккал энергии. Это очень много, но...

На переработку гранита и извлечение из него урана нужно затратить еще большее количество энергии – порядка 106...107 ккал/т. Вот если бы удалось в качестве источника энергии использовать не только уран-235, а и уран-238, тогда гранит можно было бы рассматривать хотя бы как потенциальное энергетическое сырье. Тогда энергия, полученная из тонны камня, составила бы уже от 8·107 до 5·108 ккал. Это равноценно 16...100 т угля. И в этом случае гранит мог бы дать людям почти в миллион раз больше энергии, чем все запасы химического топлива на Земле.

Но ядра урана-238 нейтронами не делятся. Для атомной энергетики этот изотоп бесполезен. Точнее, был бы бесполезен, если бы его не удалось превратить в плутоний-239. И что особенно важно: на это ядерное превращение практически не нужно тратить энергию – напротив, в этом процессе энергия производится!

Попробуем разобраться, как это происходит, но вначале несколько слов о природном плутонии.

В 400 тысяч раз меньше, чем радия

Уже говорилось, что изотопы плутония не сохранились со времени синтеза элементов при образовании нашей планеты. Но это не означает, что плутония в Земле нет.

Он все время образуется в урановых рудах. Захватывая нейтроны космического излучения и нейтроны, образующиеся при самопроизвольном (спонтанном) делении ядер урана-238, некоторые – очень немногие – атомы этого изотопа превращаются в атомы урана-239. Эти ядра очень нестабильны, они испускают электроны и тем самым повышают свой заряд. Образуется нептуний – первый трансурановый элемент. Нептуний-239 тоже весьма неустойчив, и его ядра испускают электроны. Всего за 56 часов половина нептуния-239 превращается в плутоний-239, период полураспада которого уже достаточно велик – 24 тыс. лет.

Почему не добывают плутоний из урановых руд? Мала, слишком мала концентрация. «В грамм добыча – в год труды» – это о радии, а плутония в рудах содержится в 400 тыс. раз меньше, чем радия. Поэтому не только добыть – даже обнаружить «земной» плутоний необыкновенно трудно. Сделать это удалось только после того, как были изучены физические и химические свойства плутония, полученного в атомных реакторах.

Когда 2,70 >> 2,23

Накапливают плутоний в ядерных реакторах. В мощных потоках нейтронов происходит та же реакция, что и в урановых рудах, но скорость образования и накопления плутония в реакторе намного выше – в миллиард миллиардов раз. Для реакции превращения балластного урана-238 в энергетический плутоний-239 создаются оптимальные (в пределах допустимого) условия.

Если реактор работает на тепловых нейтронах (напомним, что их скорость – порядка 2000 м в секунду, а энергия – доли электронвольта), то из естественной смеси изотопов урана получают количество плутония, немногим меньшее, чем количество «выгоревшего» урана-235. Немногим, но меньшее, плюс неизбежные потери плутония при химическом выделении его из облученного урана. К тому же цепная ядерная реакция поддерживается в природной смеси изотопов урана только до тех пор, пока не израсходована незначительная доля урана-235. Отсюда закономерен вывод: «тепловой» реактор на естественном уране – основной тип ныне действующих реакторов – не может обеспечить расширенного воспроизводства ядерного горючего. Но что же тогда перспективно? Для ответа на этот вопрос сравним ход цепной ядерной реакции в уране-235 и плутонии-239 и введем в наши рассуждения еще одно физическое понятие.

Важнейшая характеристика любого ядерного горючего – среднее число нейтронов, испускаемых после того, как ядро захватило один нейтрон. Физики называют его эта-числом и обозначают греческой буквой η. В «тепловых» реакторах на уране наблюдается такая закономерность: каждый нейтрон порождает в среднем 2,08 нейтрона (η = 2,08). Помещенный в такой реактор плутоний под действием тепловых нейтронов дает η = 2,03. Но есть еще реакторы, работающие на быстрых нейтронах. Естественную смесь изотопов урана в такой реактор загружать бесполезно: цепная реакция не пойдет. Но если обогатить «сырье» ураном-235, она сможет развиваться и в «быстром» реакторе. При этом η будет равно уже 2,23. А плутоний, помещенный под обстрел быстрыми нейтронами, даст η, равное 2,70. В наше распоряжение поступит «лишних полнейтрона». И это совсем не мало.

Проследим, на что тратятся полученные нейтроны. В любом реакторе один нейтрон нужен для поддержания цепной ядерной реакции. 0,1 нейтрона поглощается конструктивными материалами установки. «Избыток» идет на накопление плутония-239. В одном случае «избыток» равен 1,13, в другом – 1,60. После «сгорания» килограмма плутония в «быстром» реакторе выделяется колоссальная энергия и накапливается 1,6 кг плутония. А уран и в «быстром» реакторе даст ту же энергию и 1,1 кг нового ядерного горючего. И в том и в другом случае налицо расширенное воспроизводство. Но нельзя забывать об экономике.

В силу ряда технических причин цикл воспроизводства плутония занимает несколько лет. Допустим, что пять лет. Значит, в год количество плутония увеличится только на 2%, если η = 2,23, и на 12%, если η = 2,7! Ядерное горючее – капитал, а всякий капитал должен давать, скажем, 5% годовых. В первом случае налицо большие убытки, а во втором – большая прибыль. Этот примитивный пример иллюстрирует «вес» каждой десятой числа η в ядерной энергетике.

Важно и другое. Ядерная энергетика должна поспевать за ростом потребности в энергии. Расчеты показывают: это условие выполнимо в будущем только тогда, когда η приближается к трем. Если же развитие ядерных энергетических источников будет отставать от потребностей общества в энергии, то останется два пути: либо «затормозить прогресс», либо брать энергию из каких-то других источников. Они известны: термоядерный синтез, энергия аннигиляции вещества и антивещества, но пока еще технически недоступны. И не известно, когда они будут реальными источниками энергии для человечества. А энергия тяжелых ядер уже давно стала для нас реальностью, и сегодня у плутония как главного «поставщика» энергии атома нет серьезных конкурентов, кроме, может быть, урана-233, о котором рассказано в статьях «Торий» и «Уран».

Сумма многих технологий

Когда в результате ядерных реакций в уране накопится необходимое количество плутония, его необходимо отделить не только от самого урана, но и от осколков деления – как урана, так и плутония, выгоревших в цепной ядерной реакции. Кроме того, в урано-плутониевой массе есть и некоторое количество нептуния. Сложнее всего отделить плутоний от нептуния и редкоземельных элементов (лантаноидов). Плутонию как химическому элементу в какой-то мере не повезло. С точки зрения химика, главный элемент ядерной энергетики – всего лишь один из четырнадцати актиноидов. Подобно редкоземельным элементам, все элементы актиниевого ряда очень близки между собой по химическим свойствам, строение внешних электронных оболочек атомов всех элементов от актиния до 103-го одинаково. Еще неприятнее, что химические свойства актиноидов подобны свойствам редкоземельных элементов, а среди осколков деления урана и плутония лантаноидов хоть отбавляй. Но зато 94-й элемент может находиться в пяти валентных состояниях, и это «подслащивает пилюлю» – помогает отделить плутоний и от урана, и от осколков деления.

Валентность плутония меняется от трех до семи. Химически наиболее стабильны (а следовательно, наиболее распространены и наиболее изучены) соединения четырехвалентного плутония.

Разделение близких по химическим свойствам актиноидов – урана, нептуния и плутония – может быть основано на разнице в свойствах их четырех- и шестивалентных соединений.

Нет нужды подробно описывать все стадии химического разделения плутония и урана. Обычно разделение их начинают с растворения урановых брусков в азотной кислоте, после чего содержащиеся в растворе уран, нептуний, плутоний и осколочные элементы «разлучают», применяя для этого уже традиционные радиохимические методы – соосаждение с носителями, экстракцию, ионный обмен и другие. Конечные плутонийсодержащие продукты этой многостадийной технологии – его двуокись PuO2 или фториды – PuF3 или PuF4. Их восстанавливают до металла парами бария, кальция или лития. Однако полученный в этих процессах плутоний не годится на роль конструкционного материала – тепловыделяющих элементов энергетических ядерных реакторов из него не сделать, заряда атомной бомбы не отлить. Почему? Температура плавления плутония – всего 640°C – вполне достижима.

При каких бы «ультращадящих» режимах ни отливали детали из чистого плутония, в отливках при затвердевании всегда появятся трещины. При 640°C твердеющий плутоний образует кубическую кристаллическую решетку. По мере уменьшения температуры плотность металла постепенно растет. Но вот температура достигла 480°C, и тут неожиданно плотность плутония резко падает. До причин этой аномалии докопались довольно быстро: при этой температуре атомы плутония перестраиваются в кристаллической решетке. Она становится тетрагональной и очень «рыхлой». Такой плутоний может плавать в собственном расплаве, как лед на воде.

Температура продолжает падать, вот она достигла 451°C, и атомы снова образовали кубическую решетку, но расположились на большем, чем в первом случае, расстоянии друг от друга. При дальнейшем охлаждении решетка становится сначала орторомбической, затем моноклинной. Всего плутоний образует шесть различных кристаллических форм! Две из них отличаются замечательным свойством – отрицательным коэффициентом температурного расширения: с ростом температуры металл не расширяется, а сжимается.

Когда температура достигает 122°C и атомы плутония в шестой раз перестраивают свои ряды, плотность меняется особенно сильно – от 17,77 до 19,82 г/см3. Больше, чем на 10%! Соответственно уменьшается объем слитка. Если против напряжений, возникавших на других переходах, металл еще мог устоять, то в этот момент разрушение неизбежно.

Как же тогда изготовить детали из этого удивительного металла? Металлурги легируют плутоний (добавляют в него незначительные количества нужных элементов) и получают отливки без единой трещины. Из них и делают плутониевые заряды ядерных бомб. Вес заряда (он определяется прежде всего критической массой изотопа) 5...6 кг. Он без труда поместился бы в кубике с размером ребра 10 см.

Тяжелые изотопы

В плутонии-239 в незначительном количестве содержатся и высшие изотопы этого элемента – с массовыми числами 240 и 241. Изотоп 240Pu практически бесполезен – этот балласт в плутонии. Из 241-го получают америций – элемент №95. В чистом виде, без примеси других изотопов, длутоний-240 и плутоний-241 можно получить при электромагнитном разделении плутония, накопленного в реакторе. Перед этим плутоний дополнительно облучают нейтронными потоками со строго определенными характеристиками. Конечно, все это очень сложно, тем более что плутоний не только радиоактивен, но и весьма токсичен. Работа с ним требует исключительной осторожности.

Один из самых интересных изотопов плутония – 242Pu можно получить, облучая длительное время 239Pu в потоках нейтронов. 242Pu очень редко захватывает нейтроны и потому «выгорает» в реакторе медленнее остальных изотопов; он сохраняется и после того, как остальные изотопы плутония почти полностью перешли в осколки или превратились в плутоний-242.

Плутоний-242 важен как «сырье» для сравнительно быстрого накопления высших трансурановых элементов в ядерных реакторах. Если в обычном реакторе облучать плутоний-239, то на накопление из граммов плутония микрограммовых количеств, к примеру, калифорния-251 потребуется около 20 лет.

Можно сократить время накопления высших изотопов, увеличив интенсивность потока нейтронов в реакторе. Так и делают, но тогда нельзя облучать большое количество плутония-239. Ведь этот изотоп делится нейтронами, и в интенсивных потоках выделяется слишком много энергии. Возникают дополнительные сложности с охлаждением контейнера и реактора. Чтобы избежать этих сложностей, пришлось бы уменьшить количество облучаемого плутония. Следовательно, выход калифорния стал бы снова мизерным. Замкнутый круг!

Плутоний-242 тепловыми нейтронами не делится, его и в больших количествах можно облучать в интенсивных нейтронных потоках... Поэтому в реакторах из этого изотопа «делают» и накапливают в весовых количествах все элементы от калифорния до эйнштейния.

Не самый тяжелый, но самый долгоживущий

Всякий раз, когда учеными удавалось получить новый изотоп плутония, измеряли период полураспада его ядер. Периоды полураспада изотопов тяжелых радиоактивных ядер с четными массовыми числами меняются закономерно. (Этого нельзя сказать о нечетных изотопах.)

Рис. 8. Периоды полураспада некоторых изотопов плутония

Посмотрите на график, где отражена зависимость периода полураспада четных изотопов плутония от массового числа. С увеличением массы растет и «время жизни» изотопа. Несколько лет назад высшей точки этого графика был плутоний-242. А дальше как пойдет эта кривая – с дальнейшим ростом массового числа? В точку 1, которая соответствует времени жизни 30 млн, лет, или в точку 2, которая отвечает уже 300 млн лет? Ответ на этот вопрос был очень важен для наук о Земле. В первом случае, если бы 5 млрд лет назад Земля целиком состояла из 244Pu, сейчас во всей массе Земли остался бы только один атом плутония-244. Если же верно второе предположение, то плутоний-244 может быть в Земле в таких концентрациях, которые уже можно было бы обнаружить. Если бы посчастливилось найти в Земле этот изотоп, наука получила бы ценнейшую информацию о процессах, происходивших при формировании нашей планеты.

Несколько лет назад перед учеными встал вопрос: стоит ли пытаться найти тяжелый плутоний в Земле? Для ответа на него нужно было прежде всего определить период полураспада плутония-244. Теоретики не могли рассчитать эту величину с нужной точностью. Вся надежда была только на эксперимент.

Плутоний-244 накопили в ядерном реакторе. Облучали элемент №95 – америций (изотоп 243Am). Захватив нейтрон, этот изотоп переходил в америций-244; америций-244 в одном из 10 тыс. случаев переходил в плутоний-244.

Из смеси америция с кюрием выделили препарат плутония-244. Образец весил всего несколько миллионных долей грамма. Но их хватило для того чтобы определить период полураспада этого интереснейшего изотопа. Он оказался равным 75 млн лет. Позже другие исследователи уточнили период полураспада плутония-244, но ненамного – 82,8 млн лет. В 1971 г. следы этого изотопа нашли в редкоземельном минерале бастнезите.

Много попыток предпринимали ученые, чтобы найти изотоп трансуранового элемента, живущий дольше, чем 244Pu. Но все попытки остались тщетными. Одно время возлагали надежды на кюрий-247, но после того, как этот изотоп был накоплен в реакторе, выяснилось, что его период полураспада всего 14 млн лет. Побить рекорд плутония-244 не удалось, – это самый долгоживущий из всех изотопов трансурановых элементов.

Еще более тяжелые изотопы плутония подвержены бета-распаду, и их время жизни лежит в интервале от нескольких дней до нескольких десятых секунды. Мы знаем наверное, что в термоядерных взрывах образуются все изотопы плутония, вплоть до 257Pu. Но их время жизни – десятые доли секунды, и изучить многие короткоживущие изотопы плутония пока не удалось.

Возможности первого изотопа

И напоследок – о плутонии-238 – самом первом из «рукотворных» изотопов плутония, изотопе, который вначале казался бесперспективным. В действительности это очень интересный изотоп. Он подвержен альфа-распаду, т.е. его ядра самопроизвольно испускают альфа-частицы – ядра гелия. Альфа-частицы, порожденные ядрами плутония-238, несут большую энергию; рассеявшись в веществе, эта энергия превращается в тепло. Как велика эта энергия? Шесть миллионов электрон-вольт освобождается при распаде одного атомного ядра плутония-238. В химической реакции та же энергия выделяется при окислении нескольких миллионов атомов. В источнике электричества, содержащем один килограмм плутония-238, развивается тепловая мощность 560 ватт. Максимальная мощность такого же по массе химического источника тока – 5 ватт.

Существует немало излучателей с подобными энергетическими характеристиками, но одна особенность плутония-238 делает этот изотоп незаменимым. Обычно альфа-распад сопровождается сильным гамма-излучением, проникающим через большие толщи вещества. 238Pu – исключение. Энергия гамма-квантов, сопровождающих распад его ядер, невелика, защититься от нее несложно: излучение поглощается тонкостенным контейнером. Мала и вероятность самопроизвольного деления ядер этого изотопа. Поэтому он нашел применение не только в источниках тока, но и в медицине. Батарейки с плутонием-238 служат источником энергии в специальных стимуляторах сердечной деятельности.

Но 238Pu не самый легкий из известных изотопов элемента №94, получены изотопы плутония с массовыми числами от 232 до 237. Период полураспада самого легкого изотопа – 36 минут.

Плутоний – большая тема. Здесь рассказано главное из самого главного. Ведь уже стала стандартной фраза, что химия плутония изучена гораздо лучше, чем химия таких «старых» элементов, как железо. О ядерных свойствах плутония написаны целые книги. Металлургия плутония – еще один удивительный раздел человеческих знаний... Поэтому не нужно думать, что, прочитав этот рассказ, вы по-настоящему узнали плутоний – важнейший металл XX в.

 

• Америций

• Оглавление

Дата публикации:

14 октября 2003 года

n-t.ru