Plutonium (latin Plutonium, symbol Pu) är ett radioaktivt kemiskt grundämne med atomnummer 94 och atomvikt 244,064. Plutonium är ett element i grupp III i Dmitry Ivanovich Mendeleevs periodiska system och tillhör aktinidfamiljen. Plutonium är en tung (densitet under normala förhållanden 19,84 g/cm³) spröd radioaktiv metall med silvervit färg.

Plutonium har inga stabila isotoper. Av de hundra möjliga isotoper av plutonium har tjugofem syntetiserats. De nukleära egenskaperna hos femton av dem studerades (massnummer 232-246). Fyra hittades praktisk användning. De längsta livstidsisotoperna är 244Pu (halveringstid 8,26-107 år), 242Pu (halveringstid 3,76-105 år), 239Pu (halveringstid 2,41-104 år), 238Pu (halveringstid 87,74 år) -α emitters och 241Pu (halveringstid 14 år) - β-emitter. I naturen förekommer plutonium i försumbara mängder i uranmalmer (239Pu); det bildas av uran under inverkan av neutroner, vars källor är reaktioner som uppstår under interaktionen av α-partiklar med lätta element (ingår i malmer), spontan klyvning av urankärnor och kosmisk strålning.

Det nittiofjärde grundämnet upptäcktes av en grupp amerikanska forskare - Glenn Seaborg, Kennedy, Edwin McMillan och Arthur Wahl 1940 i Berkeley (vid University of California) när de bombade ett mål med uranoxid (U3O8) av starkt accelererade deuteriumkärnor (deuteroner) från en sextiotums cyklotron. I maj 1940 förutspådde Lewis Turner egenskaperna hos plutonium.

I december 1940 upptäcktes plutoniumisotopen Pu-238, med en halveringstid på ~90 år, följt ett år senare av den viktigare Pu-239 med en halveringstid på ~24 000 år.

Edwin MacMillan föreslog 1948 att namnge det kemiska grundämnet plutonium för att hedra upptäckten av den nya planeten Pluto och i analogi med neptunium, som fick sitt namn efter upptäckten av Neptunus.

Metalliskt plutonium (239Pu isotop) används i kärnvapen och fungerar som kärnbränsle i kraftreaktorer som drivs med termiska och särskilt snabba neutroner. Den kritiska massan för 239Pu som metall är 5,6 kg. Bland annat är 239Pu-isotopen utgångsmaterialet för att erhålla kärnreaktorer transplutoniumelement. 238Pu-isotopen används i små kärnkraftskällor elektrisk ström, Använd i rymdforskning, såväl som i humana hjärtstimulerande medel.

Plutonium-242 är viktigt som ”råvara” för relativt snabb ackumulering högre transuranämnen i kärnreaktorer. δ-stabiliserade plutoniumlegeringar används vid tillverkning av bränsleceller, eftersom de har bättre metallurgiska egenskaper jämfört med rent plutonium, som genomgår fasövergångar vid uppvärmning. Plutoniumoxider används som energikälla för rymdteknik och finner sin tillämpning i bränslestavar.

Alla plutoniumföreningar är giftiga, vilket är en följd av α-strålning. Alfa-partiklar utgör en allvarlig fara om deras källa finns i en infekterad person, de skadar den omgivande vävnaden i kroppen. Gammastrålning från plutonium är inte farlig för kroppen. Det är värt att tänka på att olika isotoper av plutonium har olika toxicitet, till exempel är typisk reaktorplutonium 8-10 gånger giftigare än ren 239Pu, eftersom den domineras av 240Pu-nuklider, som är en kraftfull källa till alfastrålning. Plutonium är det mest radiotoxiska elementet av alla aktinider, men det anses långt ifrån det farligaste elementet, eftersom radium är nästan tusen gånger farligare än den giftigaste isotopen av plutonium - 239Pu.

Biologiska egenskaper

Plutonium koncentreras av marina organismer: ackumuleringskoefficienten för denna radioaktiva metall (förhållandet mellan koncentrationer i kroppen och i yttre miljön) för alger är 1000-9000, för plankton - cirka 2300, för sjöstjärnor - cirka 1000, för blötdjur - upp till 380, för muskler, ben, lever och mage hos fisk - 5, 570, 200 respektive 1060. Landväxter absorberar plutonium huvudsakligen genom rotsystemet och ackumulerar det till 0,01 % av sin massa. I människokroppen behålls det nittiofjärde elementet huvudsakligen i skelettet och levern, varifrån det nästan inte utsöndras (särskilt från benen).

Plutonium är mycket giftigt, och dess kemiska fara (som alla andra tungmetaller) är mycket svagare (ur kemisk synvinkel är det också giftigt som bly.) jämfört med dess radioaktiva toxicitet, som är en följd av alfastrålning. Dessutom har α-partiklar en relativt låg penetreringsförmåga: för 239Pu är intervallet för α-partiklar i luft 3,7 cm och i mjuk biologisk vävnad 43 μm. Därför utgör alfapartiklar en allvarlig fara om deras källa finns i en infekterad persons kropp. Samtidigt skadar de vävnaderna i kroppen som omger elementet.

Samtidigt är γ-strålar och neutroner, som plutonium också avger och som kan penetrera kroppen från utsidan, inte särskilt farliga, eftersom deras nivå är för låg för att skada hälsan. Plutonium tillhör en grupp grundämnen med särskilt hög radiotoxicitet. Samtidigt har olika isotoper av plutonium olika toxicitet, till exempel är typiskt reaktorplutonium 8-10 gånger giftigare än ren 239Pu, eftersom den domineras av 240Pu-nuklider, som är en kraftfull källa till alfastrålning.

När det intas genom vatten och mat är plutonium mindre giftigt än ämnen som koffein, vissa vitaminer, pseudoefedrin och många växter och svampar. Detta förklaras av det faktum att detta element absorberas dåligt av mag-tarmkanalen, även när det levereras i form av ett lösligt salt, är samma salt bundet av innehållet i magen och tarmarna. Däremot kan intag av 0,5 gram finfördelat eller löst plutonium resultera i dödsfall från akut matsmältningsbestrålning inom dagar eller veckor (för cyanid är detta värde 0,1 gram).

Ur inandningssynpunkt är plutonium ett vanligt toxin (ungefär motsvarande kvicksilverånga). Vid inandning är plutonium cancerframkallande och kan orsaka lungcancer. Så, vid inandning, leder hundra milligram plutonium i form av partiklar av en optimal storlek för retention i lungorna (1-3 mikron) till döden från lungödem på 1-10 dagar. En dos på tjugo milligram leder till dödsfall av fibros på ungefär en månad. Mindre doser leder till kronisk cancerframkallande förgiftning. Faran för inandning av plutonium i kroppen ökar på grund av att plutonium är benäget att bilda aerosoler.

Även om det är en metall är den ganska flyktig. En kort vistelse av metall i ett rum ökar avsevärt dess koncentration i luften. Plutonium som kommer in i lungorna lägger sig delvis på lungornas yta, passerar delvis in i blodet och sedan in i lymfan och benmärgen. Mest av(cirka 60 %) kommer in i benvävnaden, 30 % i levern och endast 10 % utsöndras naturligt. Mängden plutonium som kommer in i kroppen beror på storleken på aerosolpartiklarna och lösligheten i blodet.

Plutonium som kommer in i människokroppen på ett eller annat sätt liknar järnjärn i egenskaper, därför börjar plutonium att tränga in i cirkulationssystemet koncentreras i vävnader som innehåller järn: benmärg, lever, mjälte. Kroppen uppfattar plutonium som järn, därför tar transferrinproteinet plutonium istället för järn, vilket resulterar i att överföringen av syre i kroppen stoppas. Mikrofager bär plutonium till lymfkörtlarna. Plutonium som kommer in i kroppen tar väldigt lång tid att avlägsnas från kroppen - inom 50 år kommer endast 80% att avlägsnas från kroppen. Halveringstiden från levern är 40 år. För benvävnad är halveringstiden för plutonium 80-100 år, i själva verket är koncentrationen av grundämne nittiofyra i benen konstant.

Under andra världskriget och efter dess slut genomförde forskare som arbetade i Manhattan-projektet, såväl som forskare från Tredje riket och andra forskningsorganisationer, experiment med plutonium på djur och människor. Djurstudier har visat att några milligram plutonium per kilo vävnad är en dödlig dos. Användningen av plutonium hos människor bestod i att vanligtvis 5 mcg plutonium injicerades intramuskulärt i kroniskt sjuka patienter. Det fastställdes så småningom att den dödliga dosen för en patient var ett mikrogram plutonium, och att plutonium var farligare än radium och tenderade att ackumuleras i ben.

Som bekant är plutonium ett grundämne som praktiskt taget saknas i naturen. Emellertid släpptes cirka fem ton av det ut i atmosfären som ett resultat av kärnvapenprov under perioden 1945-1963. Den totala mängden plutonium som släpptes ut i atmosfären på grund av kärnvapenprov före 1980-talet uppskattas till 10 ton. Enligt vissa uppskattningar innehåller jorden i USA i genomsnitt 2 millicurie (28 mg) plutonium per km2 från nedfall, och närvaron av plutonium i Stilla havetökat jämfört med den totala spridningen av kärnmaterial på jorden.

Det senaste fenomenet är förknippat med USA:s kärnvapenprov på Marshallöarna vid Pacific Test Site i mitten av 1950-talet. Uppehållstiden för plutonium i ytvattenvatten varierar från 6 till 21 år, men även efter denna period faller plutonium till botten tillsammans med biogena partiklar, från vilka det reduceras till lösliga former som ett resultat av mikrobiell nedbrytning.

Globala föroreningar med det nittiofjärde elementet är inte bara förknippat med kärnvapenprov, utan också med olyckor i produktion och utrustning som interagerar med detta element. Så i januari 1968 kraschade en US Air Force B-52 med fyra kärnstridsspetsar på Grönland. Som ett resultat av explosionen förstördes laddningarna och plutonium läckte ut i havet.

Ett annat fall av radioaktiv kontaminering av miljön till följd av en olycka inträffade med den sovjetiska rymdfarkosten Kosmos-954 den 24 januari 1978. Som ett resultat av en okontrollerad omloppsbana föll en satellit med en kärnkraftskälla ombord på kanadensiskt territorium. Som ett resultat av olyckan släpptes mer än ett kilo plutonium-238 ut i miljön och spred sig över ett område på cirka 124 000 m².

Det mest fruktansvärda exemplet på ett nödläckage av radioaktiva ämnen i miljön är olyckan vid kärnkraftverket i Tjernobyl, som inträffade den 26 april 1986. Som ett resultat av förstörelsen av den fjärde kraftenheten släpptes 190 ton radioaktiva ämnen (inklusive plutoniumisotoper) ut i miljön över ett område på cirka 2200 km².

Utsläpp av plutonium i miljön är inte bara förknippat med människan orsakade incidenter. Det finns kända fall av plutoniumläckage, både från laboratorie- och fabriksförhållanden. Mer än tjugo oavsiktliga läckor från laboratorierna 235U och 239Pu är kända. Under 1953-1978. olyckor ledde till en förlust av 0,81 (Mayak, 15 mars 1953) till 10,1 kg (Tomsk, 13 december 1978) 239Pu. Industriella incidenter resulterade i totalt två dödsfall i Los Alamos (21 augusti 1945 och 21 maj 1946) på grund av två olyckor och förlusten av 6,2 kg plutonium. I staden Sarov 1953 och 1963. cirka 8 och 17,35 kg föll utanför kärnreaktorn. En av dem ledde till förstörelsen av en kärnreaktor 1953.

När en 238Pu kärna klyvs med neutroner frigörs 200 MeV energi, vilket är 50 miljoner gånger mer än den mest kända exoterma reaktionen: C + O2 → CO2. Ett gram plutonium "brinner" i en kärnreaktor producerar 2 107 kcal - detta är energin som finns i 4 ton kol. En fingerborg plutoniumbränsle i energiekvivalent kan motsvara fyrtio vagnar med bra ved!

Den "naturliga isotopen" av plutonium (244Pu) tros vara den längsta livslängda isotopen av alla transuranelement. Dess halveringstid är 8,26∙107 år. Forskare har länge försökt att få fram en isotop av ett transuranelement som skulle existera längre än 244Pu - stora förhoppningar i detta avseende ställdes till 247Cm. Men efter dess syntes visade det sig att halveringstiden för detta element bara är 14 miljoner år.

Berättelse

1934 gjorde en grupp forskare under ledning av Enrico Fermi ett uttalande att under vetenskapliga arbeten Vid universitetet i Rom upptäckte de ett kemiskt grundämne med serienummer 94. Grundämnet fick namnet hesperium på Fermis insisterande, var vetenskapsmannen övertygad om att han hade upptäckt ett nytt grundämne, som nu kallas plutonium, vilket gjorde antagandet om existensen; av transuranelement och bli deras teoretiska upptäckare. Fermi försvarade denna hypotes i sin Nobelföreläsning 1938. Det var först efter upptäckten av kärnklyvning av de tyska forskarna Otto Frisch och Fritz Strassmann som Fermi tvingades göra en anteckning i den tryckta versionen som publicerades i Stockholm 1939 som angav behovet av att ompröva "hela problemet med transuranelement". Faktum är att Frisch och Strassmanns arbete visade att aktiviteten som upptäcktes av Fermi i sina experiment berodde just på klyvning, och inte på upptäckten av transuranelement, som han tidigare hade trott.

Ett nytt element, det nittiofjärde, upptäcktes i slutet av 1940. Det hände i Berkeley vid University of California. Genom att bombardera uranoxid (U3O8) med tunga vätekärnor (deuteroner) upptäckte en grupp amerikanska radiokemister under ledning av Glenn T. Seaborg en tidigare okänd alfapartikelsändare med en halveringstid på 90 år. Denna sändare visade sig vara isotopen för grundämnet nr 94 med ett masstal av 238. Den 14 december 1940 erhölls således de första mikrogramkvantiteterna plutonium tillsammans med en blandning av andra grundämnen och deras föreningar.

Under ett experiment utfört 1940 fann man att under en kärnreaktion produceras först den kortlivade isotopen neptunium-238 (halveringstid 2,117 dagar), och från den plutonium-238:

23392U (d,2n) → 23893Np → (β−) 23894Pu

Lång och arbetsintensiv kemiska experiment Det tog två månader att separera det nya elementet från föroreningar. Förekomsten av ett nytt kemiskt grundämne bekräftades natten mellan den 23 och 24 februari 1941 av G. T. Seaborg, E. M. Macmillan, J. W. Kennedy och A. C. Wall genom studiet av dess första kemiska egenskaper - förmågan att ha minst två oxidationer stater. Lite senare än slutet av experimenten fastställdes att denna isotop är icke-klyvbar och därför ointressant för vidare studier. Snart (mars 1941) syntetiserade Kennedy, Seaborg, Segre och Wahl en viktigare isotop, plutonium-239, genom att bestråla uran med högaccelererade neutroner i en cyklotron. Denna isotop bildas genom sönderfallet av neptunium-239, avger alfastrålar och har en halveringstid på 24 000 år. Den första rena föreningen av grundämnet erhölls 1942, och de första viktmängderna av metalliskt plutonium erhölls 1943.

Namnet på det nya grundämnet 94 föreslogs 1948 av MacMillan, som några månader före upptäckten av plutonium tillsammans med F. Eibelson fick det första grundämnet tyngre än uran - grundämnet nr 93, som fick namnet neptunium till ära av planeten Neptunus - den första bortom Uranus. I analogi bestämde de sig för att kalla grundämnet nr 94 för plutonium, eftersom planeten Pluto är tvåa efter Uranus. I sin tur föreslog Seaborg att kalla det nya grundämnet "plutium", men insåg sedan att namnet inte lät särskilt bra jämfört med "plutonium." Dessutom lade han fram andra namn för det nya grundämnet: ultimium, extermium, på grund av den felaktiga bedömningen vid den tiden att plutonium skulle bli det sista kemiska grundämnet i det periodiska systemet. Som ett resultat fick elementet namnet "plutonium" för att hedra upptäckten av den sista planeten i solsystemet.

Att vara i naturen

Halveringstiden för den längsta livslängda isotopen av plutonium är 75 miljoner år. Siffran är mycket imponerande, men galaxens ålder mäts i miljarder år. Det följer av detta att de primära isotoperna av det nittiofjärde elementet, som bildades under den stora syntesen av universums element, inte hade någon chans att överleva till denna dag. Och ändå betyder det inte att det inte finns något plutonium i jorden alls. Det bildas ständigt i uranmalmer. Genom att fånga neutroner från kosmisk strålning och neutroner som produceras av den spontana klyvningen av 238U kärnor, förvandlas några - väldigt få - atomer av denna isotop till 239U atomer. Kärnorna i detta element är mycket instabila, de avger elektroner och ökar därmed deras laddning, och bildandet av neptunium, det första transuranelementet, inträffar. 239Np är också instabilt, dess kärnor avger också elektroner, så på bara 56 timmar förvandlas hälften av 239Np till 239Pu.

Halveringstiden för denna isotop är redan mycket lång och uppgår till 24 000 år. I genomsnitt är halten 239Pu cirka 400 000 gånger mindre än radiumhalten. Därför är det extremt svårt att inte bara bryta, utan till och med att upptäcka "markbundet" plutonium. Små mängder av 239Pu - delar per biljon - och sönderfallsprodukter kan hittas i uranmalmer, till exempel i den naturliga kärnreaktorn i Oklo, Gabon ( Västafrika). Den så kallade "naturliga kärnreaktorn" anses vara den enda i världen där aktinider och deras klyvningsprodukter för närvarande bildas i geosfären. Förbi moderna uppskattningar I denna region, för flera miljoner år sedan, ägde en självuppehållande reaktion med utsläpp av värme rum, som varade i mer än en halv miljon år.

Så vi vet redan att i uranmalmer, som ett resultat av att neutroner fångas av urankärnor, bildas neptunium (239Np), vars β-sönderfallsprodukt är naturligt plutonium-239. Tack vare speciella enheter- masspektrometrar har upptäckt närvaron av plutonium-244 (244Pu), som har den längsta halveringstiden på cirka 80 miljoner år, i prekambrisk bastnaesit (ceriummalm). I naturen finns 244Pu övervägande i form av dioxid (PuO2), som är ännu mindre lösligt i vatten än sand (kvarts). Eftersom den relativt långlivade isotopen plutonium-240 (240Pu) finns i sönderfallskedjan av plutonium-244 sker dess sönderfall, men detta sker mycket sällan (1 fall av 10 000). Mycket små mängder plutonium-238 (238Pu) beror på det mycket sällsynta dubbelbeta-sönderfallet av moderisotopen uranium-238, som hittades i uranmalmer.

Spår av isotoperna 247Pu och 255Pu hittades i damm som samlats efter explosioner av termonukleära bomber.

Minimala mängder plutonium skulle hypotetiskt kunna finnas i människokroppen, givet vad som har gjorts stor mängd kärnvapenprov på ett eller annat sätt relaterade till plutonium. Plutonium ansamlas huvudsakligen i skelettet och levern, varifrån det praktiskt taget inte utsöndras. Dessutom ackumuleras element nittiofyra av marina organismer; Landväxter absorberar plutonium huvudsakligen genom rotsystemet.

Det visar sig att artificiellt syntetiserat plutonium fortfarande existerar i naturen, så varför bryts det inte utan erhålls på konstgjord väg? Faktum är att koncentrationen av detta element är för låg. Om en annan radioaktiv metall - radium säger de: "ett gram produktion - ett års arbete", och radium i naturen är 400 000 gånger mer rikligt än plutonium! Av denna anledning är det extremt svårt att inte bara bryta, utan till och med att upptäcka "markbundet" plutonium. Detta gjordes först efter de fysikaliska och kemiska egenskaperna hos plutonium som erhållits i kärnreaktorer.

Ansökan

239Pu-isotopen (tillsammans med U) används som kärnbränsle i kraftreaktorer som drivs med termiska och snabba neutroner (främst), samt vid tillverkning av kärnvapen.

Cirka ett halvt tusen kärnkraftverk runt om i världen genererar cirka 370 GW el (eller 15 % av världens totala elproduktion). Plutonium-236 används vid tillverkning av atomelektriska batterier, vars livslängd når fem år eller mer, de används i strömgeneratorer som stimulerar hjärtat (pacemakers). 238Pu används i små kärnkraftskällor som används i rymdforskning. Således är plutonium-238 kraftkällan för New Horizons, Galileo och Cassini-sonderna, Curiosity-rovern och andra rymdfarkoster.

Kärnvapen använder plutonium-239 eftersom denna isotop är den enda lämpliga nukliden för användning i en kärnvapenbomb. Dessutom mer frekvent användning plutonium-239 i kärnvapenbomber beror på att plutonium upptar en mindre volym i sfären (där bombkärnan är belägen), därför är det möjligt att få in bombens explosiva kraft på grund av denna egenskap.

Schemat med vilket en kärnvapenexplosion som involverar plutonium inträffar ligger i designen av själva bomben, vars kärna består av en sfär fylld med 239Pu. I ögonblicket för kollision med marken komprimeras sfären till en miljon atmosfärer på grund av designen och tack vare det explosiva ämnet som omger denna sfär. Efter nedslaget expanderar kärnan i volym och densitet för kortaste tiden- tiotals mikrosekunder, sammansättningen passerar det kritiska tillståndet på termiska neutroner och går in i det superkritiska tillståndet på snabba neutroner - en kärnkedjereaktion börjar med deltagande av neutroner och kärnor i elementet. Den slutliga explosionen av en kärnvapenbomb släpper ut temperaturer i storleksordningen tiotals miljoner grader.

Plutoniumisotoper har funnit sin användning i syntesen av transplutonium (bredvid plutonium) element. Till exempel, vid Oak Ridge National Laboratory, erhålls med långvarig neutronbestrålning av 239Pu, 24496Cm, 24296Cm, 24997Bk, 25298Cf, 25399Es och 257100Fm. På samma sätt erhölls americium 24195Am första gången 1944. 2010 fungerade plutonium-242-oxid bombarderad med kalcium-48-joner som en källa för ununquadium.

δ-Stabiliserade plutoniumlegeringar används vid tillverkning av bränslestavar, eftersom de har betydligt bättre metallurgiska egenskaper jämfört med rent plutonium, som genomgår fasövergångar vid upphettning och är ett mycket sprött och opålitligt material. Legeringar av plutonium med andra grundämnen (intermetalliska föreningar) erhålls vanligtvis genom direkt växelverkan mellan grundämnen i de erforderliga proportionerna, medan bågsmältning huvudsakligen används ibland instabila legeringar genom sprayavsättning eller kylning av smältor.

De viktigaste industriella legeringselementen för plutonium är gallium, aluminium och järn, även om plutonium kan bilda legeringar och mellanprodukter med de flesta metaller med sällsynta undantag (kalium, natrium, litium, rubidium, magnesium, kalcium, strontium, barium, europium och ytterbium) . Eldfasta metaller: molybden, niob, krom, tantal och volfram är lösliga i flytande plutonium, men nästan olösliga eller svagt lösliga i fast plutonium. Indium, kisel, zink och zirkonium kan bilda metastabil δ-plutonium (δ"-fas) när de kyls snabbt. Gallium, aluminium, americium, scandium och cerium kan stabilisera δ-plutonium vid rumstemperatur.

Stora mängder holmium, hafnium och tallium gör att en del δ-plutonium kan förvaras i rumstemperatur. Neptunium är det enda grundämnet som kan stabilisera α-plutonium vid höga temperaturer. Titan, hafnium och zirkonium stabiliserar strukturen av β-plutonium vid rumstemperatur när de kyls snabbt. Tillämpningarna av sådana legeringar är ganska olika. Till exempel används en plutonium-galliumlegering för att stabilisera δ-fasen av plutonium, vilket undviker α-δ-fasövergången. Plutonium-gallium-kobolt ternär legering (PuGaCo5) är en supraledande legering vid 18,5 K. Det finns ett antal legeringar (plutonium-zirkonium, plutonium-cerium och plutonium-cerium-kobolt) som används som kärnbränsle.

Produktion

Industriellt plutonium framställs på två sätt. Detta är antingen bestrålning av 238U kärnor som finns i kärnreaktorer, eller radioseparation med kemiska medel(samfällning, extraktion, jonbyte etc.) av plutonium från uran, transuranelement och klyvningsprodukter som finns i använt bränsle.

I det första fallet produceras den mest praktiska isotopen 239Pu (blandad med en liten blandning av 240Pu) i kärnreaktorer med deltagande av urankärnor och neutroner med hjälp av β-sönderfall och med deltagande av neptuniumisotoper som en mellanklyvningsprodukt:

23892U + 21D → 23893Np + 210n;

23893Np → 23894Pu

β-sönderfall

I denna process kommer en deuteron in i uran-238, vilket resulterar i bildandet av neptunium-238 och två neutroner. Neptunium-238 klyvs sedan spontant och avger beta-minus-partiklar som bildar plutonium-238.

Vanligtvis är innehållet av 239Pu i blandningen 90-95%, 240Pu är 1-7%, innehållet av andra isotoper överstiger inte tiondels procent. Isotoper med långa halveringstider - 242Pu och 244Pu erhålls genom långvarig bestrålning med 239Pu-neutroner. Dessutom är utbytet av 242Pu flera tiotals procent, och 244Pu är en bråkdel av en procent av 242Pu-innehållet. Små mängder isotopiskt rent plutonium-238 bildas när neptunium-237 bestrålas med neutroner. Lätta isotoper av plutonium med massnummer 232-237 erhålls vanligtvis i en cyklotron genom att bestråla uranisotoper med a-partiklar.

Den andra metoden för industriell produktion av 239Pu använder Purex-processen, baserad på extraktion med tributylfosfat i ett lätt spädningsmedel. I den första cykeln renas Pu och U gemensamt från fissionsprodukter och separeras sedan. I den andra och tredje cykeln renas plutoniumet ytterligare och koncentreras. Schemat för en sådan process baseras på skillnaden i egenskaperna hos tetra- och hexavalenta föreningar hos de element som separeras.

Inledningsvis demonteras använda bränslestavar och beklädnaden som innehåller använt plutonium och uran avlägsnas med fysikaliska och kemiska medel. Därefter löses det utvunna kärnbränslet i salpetersyra. När allt kommer omkring är det ett starkt oxidationsmedel när det löses upp, och uran, plutonium och föroreningar oxideras. Plutoniumatomer med noll valens omvandlas till Pu+6 och både plutonium och uran löses upp. Från en sådan lösning reduceras det nittiofjärde elementet till det trevärda tillståndet med svaveldioxid och fälls sedan ut med lantanfluorid (LaF3).

Men förutom plutonium innehåller sedimentet neptunium och sällsynta jordartsmetaller, men huvuddelen (uran) förblir i lösning. Därefter oxideras plutoniumet igen till Pu+6 och lantanfluorid tillsätts igen. Nu faller de sällsynta jordartsmetallerna ut och plutoniumet förblir i lösning. Därefter oxideras neptunium till ett fyrvärt tillstånd med kaliumbromat, eftersom detta reagens inte har någon effekt på plutonium, sedan under sekundär utfällning med samma lantanfluorid, passerar trevärt plutonium till en fällning och neptunium förblir i lösning. Slutprodukterna av sådana operationer är plutoniumhaltiga föreningar - PuO2-dioxid eller fluorider (PuF3 eller PuF4), från vilka metalliskt plutonium erhålls (genom reduktion med barium-, kalcium- eller litiumånga).

Renare plutonium kan uppnås genom elektrolytisk raffinering av den pyrokemiskt framställda metallen, vilket görs i elektrolysceller vid 700°C med en elektrolyt av kalium, natrium och plutoniumklorid med hjälp av en volfram- eller tantalkatod. Det på detta sätt erhållna plutoniumet har en renhet på 99,99 %.

För att producera stora mängder plutonium, förädlarreaktorer, så kallade "breeders" (från Engelska verb att avla - att föröka sig). Dessa reaktorer har fått sitt namn på grund av deras förmåga att producera klyvbart material i mängder som överstiger kostnaden för att få fram detta material. Skillnaden mellan reaktorer av denna typ och andra är att neutronerna i dem inte bromsas ner (det finns ingen moderator, till exempel grafit) för att så många av dem som möjligt ska reagera med 238U.

Efter reaktionen bildas 239U-atomer, som sedan bildar 239Pu. Kärnan i en sådan reaktor, som innehåller PuO2 i utarmad urandioxid (UO2), är omgiven av ett skal av ännu mer utarmad urandioxid-238 (238UO2), i vilket 239Pu bildas. Den kombinerade användningen av 238U och 235U tillåter "uppfödare" att producera 50-60 gånger mer energi från naturligt uran än andra reaktorer. Dessa reaktorer har dock en stor nackdel - bränslestavar måste kylas med ett annat medium än vatten, vilket minskar deras energi. Därför beslutades det att använda flytande natrium som kylmedel.

Byggandet av sådana reaktorer i USA började efter slutet av andra världskriget och Storbritannien började byggas först på 1950-talet.

Fysikaliska egenskaper

Plutonium är en mycket tung (densitet vid normal nivå 19,84 g/cm³) silverfärgad metall, i ett renat tillstånd mycket likt nickel, men i luften oxiderar plutonium snabbt, bleknar och bildar en regnbågsskimrande film, först ljusgul och sedan till mörklila . När allvarlig oxidation inträffar uppstår ett olivgrönt oxidpulver (PuO2) på metallytan.

Plutonium är en mycket elektronegativ och reaktiv metall, många gånger mer än uran. Den har sju allotropa modifikationer (α, β, γ, δ, δ", ε och ζ), som ändras i ett visst temperaturområde och vid ett visst tryckområde. Vid rumstemperatur är plutonium i α-form - detta är den vanligaste allotropiska modifieringen för plutonium I alfafasen är rent plutonium skört och ganska hårt - denna struktur är ungefär lika hård som grått gjutjärn, såvida den inte är legerad med andra metaller, vilket ger legeringen formbarhet och mjukhet , i denna mest täta form är plutonium det sjätte tätaste grundämnet (endast osmium, iridium, platina, rhenium och neptunium är tyngre. Ytterligare allotropa omvandlingar av plutonium åtföljs av plötsliga förändringar i densitet till exempel 480°C expanderar det inte, som andra metaller, utan drar ihop sig (delta faser) När det smälts (övergång från epsilonfasen till vätskefasen), drar plutoniumet ihop sig, vilket gör att osmält plutonium kan tränga ihop sig. flyta.

Plutonium har ett stort antal ovanliga egenskaper: det har den lägsta värmeledningsförmågan av alla metaller - vid 300 K är det 6,7 W/(m K); plutonium har den lägsta elektriska ledningsförmågan; I sin flytande fas är plutonium den mest trögflytande metallen. Resistiviteten hos det nittiofjärde elementet vid rumstemperatur är mycket hög för en metall, och denna egenskap kommer att öka med sjunkande temperatur, vilket inte är typiskt för metaller. Denna "avvikelse" kan spåras upp till en temperatur på 100 K - under detta märke kommer det elektriska motståndet att minska. Men från 20 K börjar motståndet att öka igen på grund av metallens strålningsaktivitet.

Plutonium har den högsta specifika elektrisk resistans bland alla studerade aktinider (hittills), vilket är 150 μΩ cm (vid 22 °C). Denna metall har en låg smältpunkt (640 °C) och en ovanligt hög kokpunkt (3 227 °C). Närmare smältpunkten har flytande plutonium en mycket hög viskositet och ytspänning jämfört med andra metaller.

På grund av sin radioaktivitet är plutonium varmt vid beröring. En stor bit plutonium i ett termiskt skal värms upp till en temperatur som överstiger vattnets kokpunkt! Dessutom, på grund av sin radioaktivitet, genomgår plutonium förändringar i sitt kristallgitter över tiden - en sorts glödgning uppstår på grund av självbestrålning på grund av temperaturökningar över 100 K.

Tillgänglighet stor kvantitet allotropa modifieringar av plutonium gör det till en svår metall att bearbeta och rulla ut på grund av fasövergångar. Vi vet redan att i alfaformen liknar det nittiofjärde elementet i egenskaper gjutjärn, men det tenderar att förändras och förvandlas till ett formbart material och bilda en formbar β-form vid högre temperaturområden. Plutonium i δ-form är vanligtvis stabilt vid temperaturer mellan 310 °C och 452 °C, men kan existera i rumstemperatur om det dopas med låga andelar aluminium, cerium eller gallium. När det är legerat med dessa metaller kan plutonium användas vid svetsning. I allmänhet har deltaformen mer uttalade egenskaper hos en metall - den är nära aluminium i styrka och smidbarhet.

Kemiska egenskaper

De kemiska egenskaperna hos det nittiofjärde elementet liknar på många sätt egenskaperna hos dess föregångare i periodiska systemet- uran och neptunium. Plutonium är en ganska aktiv metall den bildar föreningar med oxidationstillstånd från +2 till +7. I vattenlösningar uppvisar grundämnet följande oxidationstillstånd: Pu (III), eftersom Pu3+ (finns i sura vattenlösningar, har en ljuslila färg); Pu (IV), som Pu4+ (chokladskugga); Pu (V), som Pu02+ (lätt lösning); Pu (VI), som PuO22+ (ljus orange lösning) och Pu(VII), som PuO53- (grön lösning).

Dessutom kan dessa joner (förutom PuO53-) samtidigt vara i jämvikt i lösningen, vilket förklaras av närvaron av 5f-elektroner, som är belägna i den lokaliserade och delokaliserade zonen av elektronorbitalen. Vid pH 5-8 dominerar Pu(IV), vilket är det mest stabila bland andra valenser (oxidationstillstånd). Plutoniumjoner av alla oxidationstillstånd är benägna att hydrolys och komplexbildning. Förmågan att bilda sådana föreningar ökar i Pu5+-serien

Kompakt plutonium oxiderar långsamt i luften och täcks av en skimrande, oljig oxidfilm. Följande plutoniumoxider är kända: PuO, Pu2O3, PuO2 och en fas med variabel sammansättning Pu2O3 - Pu4O7 (Berthollides). I närvaro av små mängder fukt ökar hastigheten för oxidation och korrosion avsevärt. Om metallen utsätts för små mängder tillräckligt länge fuktig luft, då bildas plutoniumdioxid (PuO2) på dess yta. Vid brist på syre kan dess dihydrid (PuH2) också bildas. Överraskande nog rostar plutonium mycket snabbare i en atmosfär av en inert gas (som t.ex. argon) med vattenånga än i torr luft eller rent syre. Faktum är att detta faktum är lätt att förklara - direkt åtgärd syre bildar ett lager av oxid på ytan av plutonium, vilket förhindrar ytterligare oxidation ger en lös blandning av oxid och hydrid. Förresten, tack vare denna beläggning, blir metallen pyrofor, det vill säga den är kapabel till spontan förbränning av denna anledning, metalliskt plutonium bearbetas vanligtvis i en inert atmosfär av argon eller kväve. Samtidigt är syre ett skyddande ämne och förhindrar att fukt påverkar metallen.

Det nittiofjärde elementet reagerar med syror, syre och deras ångor, men inte med alkalier. Plutonium är mycket lösligt endast i mycket sura medier (till exempel saltsyra HCl), och är också lösligt i väteklorid, vätejodid, vätebromid, 72% perklorsyra, 85% ortofosforsyra H3PO4, koncentrerad CCl3COOH, sulfaminsyra och kokning koncentrerad salpetersyra. Plutonium löses inte märkbart i alkaliska lösningar.

När lösningar som innehåller fyrvärt plutonium utsätts för alkalier fälls en fällning av plutoniumhydroxid Pu(OH)4 xH2O, som har grundläggande egenskaper, ut. När lösningar av salter som innehåller PuO2+ utsätts för alkalier fälls den amfotera hydroxiden PuO2OH ut. Det besvaras av salter - plutoniter, till exempel Na2Pu2O6.

Plutoniumsalter hydrolyserar lätt vid kontakt med neutrala eller alkaliska lösningar, vilket skapar olöslig plutoniumhydroxid. Koncentrerade lösningar av plutonium är instabila på grund av radiolytisk nedbrytning som leder till nederbörd.

(Pu) är en silvervit radioaktiv metall av aktinidgruppen, varm vid beröring (på grund av dess radioaktivitet. Finns naturligt i mycket små mängder i uranitbeck och andra uran- och ceriummalmer, betydande mängder produceras på konstgjord väg. Cirka 5 ton plutonium släpptes ut i atmosfären som ett resultat av kärnvapenprov.
Berättelse
Upptäcktes 1940 av Glenn Seaborg, Edwin McMillan, Kennedy och Arthur Wahl 1940 i Berkeley (USA) under bombarderingen av ett uranmål med deuteroner accelererade i en cyklotron.
namnets ursprung
Plutonium fick sitt namn efter planeten Pluto, eftersom det tidigare upptäckta kemiska elementet hette Neptunium.
Mottagande
Plutonium produceras i kärnreaktorer.
Isotopen 238 U, som utgör huvuddelen av naturligt uran, är inte särskilt lämplig för fission. För kärnreaktorer anrikas uran något, men andelen 235 U i kärnbränsle är fortfarande liten (cirka 5%). Huvuddelen i bränslestavar är 238 U. Under drift av en kärnreaktor fångar en del av 238 U-kärnorna neutroner och förvandlas till 239 Pu, som senare kan isoleras.

Det är ganska svårt att isolera plutonium bland produkterna från kärnreaktioner, eftersom plutonium (som uran, torium, neptunium) tillhör aktinider som är mycket lika i kemiska egenskaper. Uppgiften kompliceras av det faktum att bland sönderfallsprodukterna innehöll sällsynta jordartsmetaller, vars kemiska egenskaper också liknar plutonium. Traditionella radiokemiska metoder används - utfällning, extraktion, jonbyte, etc. Slutprodukten av denna flerstegsteknologi är plutoniumoxider PuO 2 eller fluorider (PuF 3, PuF 4).
Plutonium extraheras med metallotermisk metod (reduktion av aktiva metaller från oxider och salter i vakuum):

PuF4 +2 Ba = 2BaF2 + Pu

Isotoper
Mer än ett dussin isotoper av plutonium är kända, alla är radioaktiva.
Den viktigaste isotopen 239 Pu, kapabel till kärnklyvning och kärnkedjereaktioner. Det är den enda isotopen som är lämplig för användning i kärnvapen. Den har bättre neutronabsorption och spridningsegenskaper än uran-235, antalet neutroner per klyvning (cirka 3 mot 2,3) och följaktligen en lägre kritisk massa. Dess halveringstid är cirka 24 tusen år. Andra isotoper av plutonium betraktas främst utifrån deras skadlighet för primär (vapen) användning.
Isotop 238 Pu har kraftfull alfa-radioaktivitet och, som en konsekvens, betydande värmeutveckling (567 W / kg). Detta är problematiskt för användning i kärnvapen, men har tillämpningar i kärnkraftsbatterier. Nästan alla rymdskepp, som flög bortom Mars omloppsbana, har radioisotopreaktorer som använder 238 Pu. I reaktorplutonium är andelen av denna isotop mycket liten.
Isotop 240 Puär den huvudsakliga föroreningen av plutonium av vapenkvalitet. Den har en hög hastighet av spontant sönderfall och skapar en hög neutronbakgrund, vilket avsevärt komplicerar detonationen av kärnladdningar. Man tror att dess andel av vapen inte bör överstiga 7%.
241 Pu har låg neutronbakgrund och måttlig termisk emission. Dess andel är något mindre än 1 % och påverkar inte egenskaperna hos vapenplutonium. Men med sin halveringstid förvandlas 1914 till americium-241, som genererar mycket värme, vilket kan skapa problem med överhettning av laddningar.
242 Pu har ett mycket litet tvärsnitt för neutroninfångningsreaktionen och ackumuleras i kärnreaktorer, men i mycket små mängder (mindre än 0,1%). Det påverkar inte egenskaperna hos vapenplutonium. Det används främst för ytterligare kärnreaktioner vid syntesen av transplutoniumelement: termiska neutroner orsakar inte kärnklyvning, så alla kvantiteter av denna isotop kan bestrålas med kraftfulla neutronflöden.
Andra isotoper av plutonium är extremt sällsynta och har ingen effekt på tillverkningen av kärnvapen. Tunga isotoper bildas i mycket små mängder, har en kort livslängd (mindre än några dagar eller timmar) och omvandlas genom beta-sönderfall till motsvarande isotoper av americium. Bland dem sticker ut 244 Pu– dess halveringstid är cirka 82 miljoner år. Det är den mest isotopen av alla transuranelement.
Ansökan
I slutet av 1995 hade världen producerat cirka 1 270 ton plutonium, varav 257 ton för militärt bruk, för vilket endast 239 Pu-isotopen är lämplig. Det är möjligt att använda 239 Pu som bränsle i kärnreaktorer, men det är ekonomiskt sämre än uran. Kostnaden för att upparbeta kärnbränsle för att utvinna plutonium är mycket högre än kostnaden för låganrikat (~5 % 235 U) uran. Endast Japan har ett program för energianvändning av plutonium.
Allotropa modifieringar
I fast form har plutonium sju allotropa modifikationer (dock är faserna a och a1 ibland kombinerade och betraktas som en fas). Vid rumstemperatur är plutonium en kristallin struktur som kallas ?-fas. Atomerna är förbundna med en kovalent bindning (istället för en metallbindning), så de fysikaliska egenskaperna är närmare mineraler än metaller. Det är ett hårt, sprött material som går sönder i vissa riktningar. Den har låg värmeledningsförmåga bland alla metaller, låg elektrisk ledningsförmåga, med undantag för mangan. β-fasen kan inte bearbetas med konventionella metallteknologier.
När temperaturen ändras genomgår plutonium en omstrukturering och upplever extremt starka förändringar. Vissa övergångar mellan faserna åtföljs av helt enkelt slående volymförändringar. I två av dessa faser (? och?1) har plutonium en unik egenskap - en negativ, d.v.s. den drar ihop sig med ökande temperatur.
I gamma- och deltafaserna uppvisar plutonium de vanliga egenskaperna hos metaller, särskilt formbarhet. Men i deltafasen uppvisar plutonium instabilitet. Under lätt tryck försöker den lägga sig i en tät (25 %) alfafas. Denna egenskap används i implosionsanordningar av kärnvapen.
I rent plutonium vid tryck över 1 kilobar existerar inte deltafasen alls. Vid tryck över 30 kilobar existerar endast alfa- och betafaser.
Plutoniummetallurgi
Plutonium kan stabiliseras i deltafasen vid normalt tryck och rumstemperatur genom att bilda en legering med trevärda metaller som gallium, aluminium, cerium, indium i en koncentration av flera molprocent. Det är i denna form som plutonium används i kärnvapen.
Vapeniserat plutonium
För att producera kärnvapen är det nödvändigt att uppnå en renhet av den önskade isotopen (235 U eller 239 Pu) på mer än 90%. Att skapa laddningar från uran kräver många anrikningssteg (eftersom andelen 235 U i naturligt uran är mindre än 1 %), medan andelen 239 Pu i reaktorplutonium vanligtvis är från 50 % till 80 % (dvs nästan 100 gånger mer). Och i vissa reaktordriftslägen är det möjligt att få plutonium som innehåller mer än 90% 239 Pu - sådant plutonium kräver inte anrikning och kan användas direkt för tillverkning av kärnvapen.
Biologisk roll
Plutonium är ett av de giftigaste ämnena man känner till. Giftigheten av plutonium beror inte så mycket kemiska egenskaper(även om plutonium kanske är lika giftigt som vilken tungmetall som helst), hur mycket är dess alfa-radioaktivitet. Alfa-partiklar hålls kvar även av tunna lager av material eller tyger. Säg, några millimeter hud kommer att helt absorbera deras flöde och skydda inre organ. Men alfapartiklar är extremt skadliga för de vävnader som de kommer i kontakt med. Så, plutonium utgör en allvarlig fara om det kommer in i kroppen. Det absorberas mycket dåligt i mag-tarmkanalen, även om det kommer dit i löslig form. Men att få i sig ett halvt gram plutonium kan leda till döden inom några veckor på grund av akut exponering för matsmältningskanalen.
Inandning av en tiondel av ett gram plutoniumdamm leder till dödsfall av lungödem inom tio dagar. Inandning av en dos på 20 mg leder till dödsfall av fibros inom en månad. Mindre doser ger en cancerframkallande effekt. Intag av 1 mcg plutonium ökar sannolikheten för lungcancer med 1 %. Därför garanterar 100 mikrogram plutonium i kroppen nästan utvecklingen av cancer (inom tio år, även om vävnadsskada kan inträffa tidigare).
I biologiska system är plutonium vanligtvis i +4 oxidationstillstånd och uppvisar likheter med järn. Väl i blodet kommer det troligen att koncentreras i vävnader som innehåller järn: benmärg, lever, mjälte. Om ens 1-2 mikrogram plutonium sätter sig i benmärgen kommer immuniteten att försämras avsevärt. Perioden för avlägsnande av plutonium från benvävnad är 80-100 år, d.v.s. han kommer att stanna där praktiskt taget hela sitt liv.
Internationella strålskyddskommissionen har satt det maximala årliga plutoniumupptaget till 280 nanogram.

Beskrivning av plutonium

Plutonium(Plutonium) är ett silverfärgat tungt kemiskt grundämne, en radioaktiv metall med atomnummer 94, som i det periodiska systemet representeras av symbolen Pu.

Detta elektronegativa aktiva kemiska element tillhör gruppen aktinider med en atommassa på 244,0642, och liksom neptunium, som fick sitt namn för att hedra planeten med samma namn, har denna kemikalie sitt namn till planeten Pluto, sedan föregångarna av det radioaktiva grundämnet i Mendelejevs periodiska system över kemiska grundämnen är och neptunium, som också fick sitt namn efter avlägsna rymdplaneter av vår galax.

Ursprunget till plutonium

Grundämne plutonium upptäcktes först 1940 vid University of California av en grupp radiologer och forskare G. Seaborg, E. McMillan, Kennedy, A. Walch när de bombarderade ett uranmål från en cyklotron med deuteroner - tunga vätekärnor.

I december samma år upptäckte forskare plutonium isotop– Pu-238, vars halveringstid är mer än 90 år, och man fann att isotopen neptunium-238 under inverkan av komplexa kärnkemiska reaktioner initialt produceras, varefter isotopen redan bildas plutonium-238.

I början av 1941 upptäckte forskare plutonium 239 med en förfallstid på 25 000 år. Isotoper av plutonium kan ha olika neutroninnehåll i kärnan.

En ren förening av grundämnet erhölls först i slutet av 1942. Varje gång radiologiska forskare upptäckte en ny isotop, mätte de alltid isotopernas halveringstider.

För närvarande skiljer sig plutoniumisotoper, av vilka det finns 15 totalt, i tidslängd halveringstid. Det är med detta element som stora förhoppningar och framtidsutsikter är förknippade, men samtidigt allvarliga rädslor för mänskligheten.

Plutonium har betydligt större aktivitet än till exempel uran och är ett av de dyraste tekniskt viktiga och betydande ämnena av kemisk natur.

Till exempel är kostnaden för ett gram plutonium flera gånger mer än ett gram, eller andra lika värdefulla metaller.

Produktionen och utvinningen av plutonium anses kostsam, och kostnaden för ett gram metall ligger i vår tid säkert kvar på cirka 4 000 US-dollar.

Hur erhålls plutonium? Plutoniumproduktion

Produktionen av det kemiska elementet sker i kärnreaktorer, inuti vilka uran delas under påverkan av komplexa kemiska och tekniska sammanhängande processer.

Uran och plutonium är huvudkomponenterna i produktionen av atomärt (kärn)bränsle.

Om det är nödvändigt att erhålla en stor mängd av ett radioaktivt grundämne, används metoden för bestrålning av transuraniska element, som kan erhållas från använt kärnbränsle och bestrålning av uran. Komplexa kemiska reaktioner gör att metallen kan separeras från uran.

För att erhålla isotoper, nämligen plutonium-238 och vapenplutonium-239, som är mellanliggande sönderfallsprodukter, används bestrålning av neptunium-237 med neutroner.

En liten del av plutonium-244, som är den längsta livslängden isotopen på grund av dess långa halveringstid, upptäcktes i ceriummalm, som sannolikt är bevarad från bildandet av vår planet Jorden. Detta radioaktiva element förekommer inte naturligt i naturen.

Grundläggande fysikaliska egenskaper och egenskaper hos plutonium

Plutonium är ett ganska tungt radioaktivt kemiskt grundämne med en silverfärgad färg som bara lyser när det renas. Kärn massa av metallplutonium lika med 244 a. äta.

På grund av sin höga radioaktivitet är detta element varmt vid beröring och kan värmas upp till en temperatur som överstiger vattnets koktemperatur.

Plutonium, under påverkan av syreatomer, mörknar snabbt och blir täckt med en iriserande tunn film av initialt ljusgul och sedan en rik eller brun nyans.

Vid stark oxidation sker bildandet av PuO2-pulver på elementets yta. Denna typ av kemisk metall utsätts för starka oxidationsprocesser och korrosion även vid låga luftfuktighetsnivåer.

För att förhindra korrosion och oxidation av metallytan är en torkningsanläggning nödvändig. Foto av plutonium kan ses nedan.

Plutonium är en fyrvärd kemisk metall den löses väl och snabbt i jodväteämnen och sura miljöer, till exempel i klorsyra.

Metallsalter neutraliseras snabbt i miljöer med neutral reaktion, alkaliska lösningar, samtidigt som olöslig plutoniumhydroxid bildas.

Temperaturen vid vilken plutonium smälter är 641 grader Celsius, kokpunkten är 3230 grader.

Under inflytande av hög temperaturförhållanden onaturliga förändringar i metallens densitet inträffar. I sin form har plutonium olika faser och har sex kristallstrukturer.

Under övergången mellan faserna inträffar betydande förändringar i elementets volym. Grundämnet får sin tätaste form i den sjätte alfafasen (det sista steget av övergången), medan det enda som är tyngre än metallen i detta tillstånd är neptunium och radium.

När det smälts genomgår elementet stark kompression, så att metallen kan flyta på ytan av vatten och andra icke-aggressiva flytande medier.

Trots att detta radioaktiva element tillhör gruppen kemiska metaller, elementet är ganska flyktigt, och när det hålls i ett stängt utrymme under en kort tid, ökar dess koncentration i luften och ökar flera gånger.

Till huvudet fysikaliska egenskaper metall kan hänföras till: låg grad, nivå av värmeledningsförmåga för alla befintliga och kända kemiska element, låg nivå av elektrisk ledningsförmåga i flytande tillstånd, plutonium är en av de mest viskösa metallerna.

Det är värt att notera att eventuella plutoniumföreningar är giftiga, giftiga och utgör en allvarlig fara för strålning för människokroppen, som uppstår på grund av aktiv alfastrålning, därför måste allt arbete utföras med största försiktighet och endast i speciella dräkter med kemiskt skydd .

Du kan läsa mer om egenskaperna och teorierna om ursprunget till en unik metall i boken Obruchev "Plutonia"" Författaren V.A. Obruchev inbjuder läsarna att kasta sig in i den fantastiska och unika världen i det fantastiska landet Plutonia, som ligger djupt inne i jordens tarmar.

Tillämpningar av plutonium

Det industriella kemiska elementet klassificeras vanligtvis i plutonium av vapenkvalitet och reaktorkvalitet ("energiklassat").

För tillverkning av kärnvapen, av alla befintliga isotoper, är det således tillåtet att endast använda plutonium 239, som inte bör innehålla mer än 4,5 % plutonium 240, eftersom det är föremål för spontan klyvning, vilket avsevärt komplicerar produktionen av militära projektiler .

Plutonium-238 finner tillämpning för drift av små radioisotopkällor elektrisk energi t.ex. som energikälla för rymdteknik.

För flera decennier sedan användes plutonium i medicin i pacemakers (anordningar för att upprätthålla hjärtrytmen).

Den första atombomben som skapades i världen hade en plutoniumladdning. Nukleärt plutonium(Pu 239) efterfrågas som kärnbränsle för att säkerställa att kraftreaktorer fungerar. Denna isotop fungerar också som en källa för att producera transplutoniumelement i reaktorer.

Om vi ​​jämför kärnplutonium med ren metall, har isotopen högre metallparametrar och har inga övergångsfaser, så den används ofta i processen för att erhålla bränsleelement.

Oxider av Plutonium 242-isotopen är också efterfrågade som en kraftkälla för rymdfarliga enheter, utrustning och bränslestavar.

Plutonium av vapenkvalitetär ett grundämne som presenteras i form av en kompakt metall som innehåller minst 93% av Pu239-isotopen.

Denna typ av radioaktiv metall används i produktionen olika typer kärnvapen.

Vapenplutonium produceras i specialiserade industriella kärnreaktorer som arbetar på naturligt eller låganrikat uran som ett resultat av infångning av neutroner.

Denna metall kallas ädel, men inte för sin skönhet, utan för sin oersättlighet. I Mendeleevs periodiska system upptar detta element cell nummer 94. Det är med det som forskarna ställer sina största förhoppningar, och det är plutonium som de kallar den farligaste metallen för mänskligheten.

Plutonium: beskrivning

Till utseendet är det en silvervit metall. Det är radioaktivt och kan representeras i form av 15 isotoper med olika halveringstider, till exempel:

• Pu-238 – cirka 90 år
• Pu-239 – cirka 24 tusen år
• Pu-240 – 6580 år
• Pu-241 – 14 år
• Pu-242 – 370 tusen år
• Pu-244 – cirka 80 miljoner år

Denna metall kan inte utvinnas ur malm, eftersom den är en produkt av radioaktiv omvandling av uran.

Hur erhålls plutonium?

Tillverkningen av plutonium kräver klyvning av uran, vilket endast kan göras i kärnreaktorer. Om vi ​​talar om närvaron av elementet Pu in jordskorpan, då blir det för 4 miljoner ton uranmalm bara 1 gram rent plutonium. Och detta gram bildas av naturlig infångning av neutroner av urankärnor. Sålunda, för att erhålla detta kärnbränsle (vanligtvis isotopen 239-Pu) i en mängd av flera kilogram, ett komplex teknisk process i en kärnreaktor.

Egenskaper av plutonium

Den radioaktiva metallen plutonium har följande fysikaliska egenskaper:

• densitet 19,8 g/cm 3
• smältpunkt – 641°C
• kokpunkt – 3232°C
• värmeledningsförmåga (vid 300 K) – 6,74 W/(m K)

Plutonium är radioaktivt, vilket är anledningen till att det är varmt vid beröring. Dessutom kännetecknas denna metall av den lägsta termiska och elektriska ledningsförmågan. Flytande plutonium är den mest trögflytande av alla befintliga metaller.

Den minsta förändringen i plutoniumtemperaturen leder till en omedelbar förändring av ämnets densitet. I allmänhet förändras massan av plutonium ständigt, eftersom kärnorna i denna metall är i ett tillstånd av konstant klyvning till mindre kärnor och neutroner. Den kritiska massan av plutonium är namnet på den minsta massan av ett klyvbart ämne vid vilket klyvning (en kärnkedjereaktion) fortfarande är möjlig. Till exempel är den kritiska massan för vapenplutonium 11 kg (för jämförelse är den kritiska massan för höganrikat uran 52 kg).

Uran och plutonium är de viktigaste kärnbränslena. För att få plutonium i stora mängder används två tekniker:

• uranbestrålning
• bestrålning av transuranelement erhållna från använt bränsle

Båda metoderna innebär separation av plutonium och uran som ett resultat av en kemisk reaktion.

För att erhålla rent plutonium-238 används neutronbestrålning av neptunium-237. Samma isotop är inblandad i skapandet av plutonium-239 av vapen, i synnerhet, det är en mellanliggande sönderfallsprodukt. 1 miljon dollar är priset för 1 kg plutonium-238.

Det finns 15 kända isotoper av plutonium. Den viktigaste av dessa är Pu-239 med en halveringstid på 24 360 år. Den specifika vikten för plutonium är 19,84 vid en temperatur på 25°C. Metallen börjar smälta vid en temperatur på 641°C och kokar vid 3232°C. Dess valens är 3, 4, 5 eller 6.

Metallen har en silverfärgad nyans och blir gul när den utsätts för syre. Plutonium är en kemiskt reaktiv metall och löser sig lätt i koncentrerad saltsyra, perklorsyra och jodvätesyra. Under sönderfallet frigör metallen värmeenergi.

Plutonium är den andra transuranaktiniden som upptäckts. I naturen kan denna metall finnas i små mängder i uranmalmer.

Plutonium är giftigt och kräver noggrann hantering. Den mest klyvbara isotopen av plutonium har använts som kärnvapen. I synnerhet användes den i en bomb som släpptes över den japanska staden Nagasaki.

Detta är ett radioaktivt gift som ackumuleras i benmärgen. Flera olyckor, några med dödlig utgång, inträffade när man experimenterade på människor för att studera plutonium. Det är viktigt att plutoniumet inte når kritisk massa. I lösning bildar plutonium en kritisk massa snabbare än i fast tillstånd.

Atomnummer 94 betyder att alla plutoniumatomer är 94. I luften bildas plutonium på metallens yta. Denna oxid är pyrofor, så pyrande plutonium kommer att flimra som aska.

Det finns sex allotropa former av plutonium. Den sjunde formen visas högst upp.

I vattenlösning plutonium ändrar färg. Olika nyanser visas på ytan av metallen när den oxiderar. Oxidationsprocessen är instabil och färgen på plutonium kan plötsligt ändras.

Till skillnad från de flesta ämnen blir plutonium tätare när det smälts. I smält tillstånd är detta element kraftfullare än andra metaller.

Metallen används i radioaktiva isotoper i termoelektriska generatorer som driver rymdfarkoster. Det används vid tillverkning av elektroniska hjärtstimulatorer.

Inandning av plutoniumånga är hälsofarligt. I vissa fall kan detta orsaka lungcancer. Inhalerat plutonium har en metallisk smak.