Enrico Fermi i njegovi saradnici na Univerzitetu u Rimu izvijestili su da su otkrili kemijski element s atomskim brojem 94 1934. godine. Fermi je ovaj element nazvao hesperijum, vjerujući da je otkrio element koji se sada zove plutonij, sugerirajući tako postojanje transuranijskih elemenata i postao njihov teorijski otkrivač. Ovog se stava držao u svom Nobelovom predavanju 1938., međutim, nakon što je saznao za otkriće nuklearne fisije od strane Otta Frisch-a i Fritza Strassmanna, bio je primoran da u štampanoj verziji objavljenoj u Stockholmu 1939. godine napravi bilješku, ukazujući na potrebu da se preispitati “cijeli problem transuranijumskih elemenata”. Rad njemačkih naučnika pokazao je da je aktivnost koju je Fermi otkrio u svojim eksperimentima posljedica upravo fisije, a ne otkrića transuranijumskih elemenata, kako je on ranije vjerovao.
Berkeley ciklotron, koji se koristi za proizvodnju neptunija i plutonijuma.
Otkriće plutonijuma od strane grupe zaposlenih na Kalifornijskom univerzitetu u Berkliju pod vođstvom G. T. Seaborga napravljeno je pomoću 60-inčnog ciklotrona koji je bio na raspolaganju univerzitetu. Prvo bombardovanje triuranijum-238 oktaoksida deuteronima ubrzano u ciklotronu do 14-22 MeV i prolaskom kroz aluminijumsku foliju debljine 0,002 inča izvršeno je 14. decembra 1940. godine. Upoređujući uzorke dobijene i odležane 2,3 dana sa izolovanom frakcijom čistog neptunija, naučnici su otkrili značajnu razliku u njihovoj alfa aktivnosti i sugerisali da je njeno povećanje nakon 2 dana posledica uticaja novog elementa, koji je ćerka neptunija. Dalja fizička i hemijska istraživanja su trajala 2 mjeseca. U noći između 23. i 24. februara 1941. izveden je odlučujući eksperiment oksidacije predloženog elementa upotrebom peroksid disulfat iona i iona srebra kao katalizatora, koji je pokazao da neptunijum-238, nakon dva dana, prolazi kroz beta-minus raspada i formira hemijski element broj 94 u sljedećoj reakciji:
23892U → 23893Np → 23894Pu
Glenn Theodore Seaborg i njegovi saradnici na Berkeleyu sintetizirali su plutonij po prvi put. Bio je vođa ili ključni član timova koji su dobili još osam elemenata: Am, Cm, Bk, Cf, Es, Fm, Md, No. U njegovu čast nazvan je element seaborgium. Edwin MacMillan i Glenn Seaborg dobili su Nobelovu nagradu 1951. za svoje “proučavanje hemije transuranijumskih elemenata”.
Tako su postojanje novog hemijskog elementa potvrdili G. T. Seaborg, E. M. Macmillan, J. W. Kennedy i A. K. Wall kroz proučavanje njegovih prvih hemijskih svojstava – sposobnost da ima najmanje dva oksidaciona stanja.
Nešto kasnije se pokazalo da je ovaj izotop nefisilan, pa samim tim i nezanimljiv za dalja istraživanja u vojne svrhe, jer granična jezgra ne mogu poslužiti kao osnova za lančanu reakciju fisije. Shvativši to, američki nuklearni fizičari usredotočili su svoje napore na dobivanje fisijskog izotopa-239. U martu 1941. godine, 1,2 kg najčistije soli uranijuma, umotane u veliki parafinski blok, bombardovano je neutronima u ciklotronu. Bombardiranje jezgri uranijuma trajalo je dva dana, usljed čega je dobiveno približno 0,5 μg plutonijuma-239. Pojavu novog elementa, kako je predviđala teorija, pratio je tok alfa čestica.
Eksperimenti koji su izvedeni 28. marta 1941. godine pokazali su da je Pu sposoban za fisiju pod uticajem sporih neutrona, sa poprečnim presekom veoma značajno većim od poprečnog preseka za U, a neutroni dobijeni tokom procesa fisije su pogodni za proizvodnju naknadnih akti nuklearne fisije, odnosno omogućavaju da se računa na provođenje lančane nuklearne reakcije. Od tog trenutka počeli su eksperimenti na stvaranju plutonijumske nuklearne bombe i izgradnji reaktora za njenu proizvodnju. Prvo čisto jedinjenje elementa dobijeno je 1942. godine, a prve masene količine metalnog plutonijuma 1943. godine.
U radu, dostavljenom za objavljivanje u časopisu Physical Review u martu 1941. godine, opisan je metod za dobijanje i proučavanje elementa. Međutim, objavljivanje ovog dokumenta je prekinuto nakon što su pristigli dokazi da bi se novi element mogao koristiti u nuklearnoj bombi. Do objavljivanja djela došlo je godinu dana nakon Drugog svjetskog rata iz sigurnosnih razloga i uz određena prilagođavanja.
U Trećem Rajhu, atomski istraživači takođe nisu ostali neaktivni. U laboratoriji Manfreda von Ardena razvijene su metode za dobijanje 94. elementa. U augustu 1941. fizičar Fritz Houtermans završio je svoj tajni izvještaj “O pitanju oslobađanja nuklearnih lančanih reakcija”. U njemu je ukazao na teorijske mogućnosti za proizvodnju novog eksploziva od prirodnog uranijuma u uranijumskom "kotlu".
Porijeklo imena
Uz pomoć ovog astrografa dobijene su prve fotografije Plutona.
Godine 1930. otkrivena je nova planeta o čijem postojanju je dugo govorio Percival Lovell, astronom, matematičar i autor fantastičnih eseja o životu na Marsu. Na osnovu višegodišnjih posmatranja kretanja Urana i Neptuna, došao je do zaključka da bi iza Neptuna u Sunčevom sistemu trebalo da postoji još jedna, deveta planeta, koja se nalazi četrdeset puta udaljenija od Sunca od Zemlje. Izračunao je orbitalne elemente nove planete 1915. godine. Pluton je otkriven na fotografijama koje je 21., 23. i 29. januara 1930. godine napravio astronom Klajd Tombo u opservatoriji Lowell u Flagstaffu. Planeta je otkrivena 18. februara 1930. godine. Ime planeti dala je jedanaestogodišnja učenica iz Oksforda, Venetia Burney. U grčkoj mitologiji Had je bog kraljevstva mrtvih.
Prvi štampani pomen pojma plutonijum datira od 21. marta 1942. godine. Naziv 94. hemijskog elementa predložili su Arthur Wahl i Glenn Seaborg. Edwin MacMillan je 1948. godine predložio da se 93. hemijski element nazove neptunijum, budući da je planeta Neptun prva iza Urana. Po analogiji, plutonijum je dobio ime po drugoj planeti iza Urana, Plutonu. Otkriće plutonijuma dogodilo se 10 godina nakon otkrića patuljaste planete.
Seaborg je u početku predložio da se novi element nazove plucij, ali je kasnije odlučio da naziv plutonijum zvuči bolje. Za označavanje elementa, u šali je koristio dva slova "Pu" činilo mu se najprihvatljivijim u periodnom sistemu. Seaborg je predložio i neke druge varijante imena, na primjer, ultimium, extermium. Međutim, zbog pogrešnog vjerovanja u to vrijeme da će plutonijum biti posljednji element u periodnom sistemu, element je nazvan "plutonijum" u čast otkrića posljednje planete u Sunčevom sistemu.
Prve studije
Nakon nekoliko mjeseci početnih istraživanja, hemija plutonijuma se počela smatrati sličnom hemiji uranijuma. Dalja istraživanja nastavljena su u tajnoj metalurškoj laboratoriji Univerziteta u Čikagu. Zahvaljujući Cunninghamu i Werneru, 18. avgusta 1942. godine, prvi mikrogram čistog plutonijumovog jedinjenja izolovan je iz 90 kg uranil nitrata ozračenog neutronima u ciklotronu. 10. septembra 1942. - nakon mjesec dana, tokom kojeg su naučnici povećavali količinu jedinjenja - izvršeno je vaganje. Ovaj istorijski uzorak težio je 2,77 mikrograma i sastojao se od plutonijum dioksida; trenutno se nalazi u Lawrence Hallu u Berkeleyu. Do kraja 1942. akumulirano je 500 mikrograma soli elementa. Da bi se novi element detaljnije proučio, u Sjedinjenim Državama formirano je nekoliko grupa:
- grupa naučnika koji su hemijskim metodama trebali izolovati čisti plutonijum,
- grupa koja je proučavala ponašanje plutonijuma u rastvorima, uključujući proučavanje njegovih oksidacionih stanja, potencijala jonizacije i kinetike reakcije,
- grupa koja je proučavala hemiju kompleksiranja jona plutonijuma i druge grupe.
Istraživanja su utvrdila da plutonijum može postojati u oksidacionim stanjima od 3 do 6, te da su niža oksidaciona stanja stabilnija u odnosu na neptunijum. Istovremeno je utvrđena sličnost hemijskih svojstava plutonijuma i neptunija. Godine 1942. iznenađujuće otkriće Stana Thomsona, člana grupe Glena Seaborga, pokazalo je da se tetravalentni plutonijum proizvodi u velikim količinama u kiselom rastvoru u prisustvu bizmut fosfata. To je kasnije dovelo do proučavanja i primjene bizmut fosfatne metode ekstrakcije plutonija. Novembra 1943. neke količine plutonijum fluorida su odvojene da bi se dobio čist uzorak elementa u obliku nekoliko mikrograma finog praha. Nakon toga su dobijeni uzorci koji su se mogli vidjeti golim okom.
Prvi ciklotron u SSSR-u koristio se za proizvodnju plutonijuma.
U SSSR-u su prvi eksperimenti na proizvodnji Pu počeli 1943-1944. pod vodstvom akademika I. V. Kurchatova i V.G. U kratkom vremenskom periodu u SSSR-u su obavljena opsežna istraživanja svojstava plutonijuma. Početkom 1945. godine, na prvom ciklotronu u Evropi, izgrađenom 1937. u Institutu za radijum, prvi sovjetski uzorak plutonijuma dobijen je neutronskim zračenjem jezgara uranijuma. U gradu Ozjorsku 1945. godine počela je izgradnja prvog industrijskog nuklearnog reaktora za proizvodnju plutonijuma, prvog pogona proizvodnog udruženja Majak, koji je pušten u rad 19. juna 1948. godine.
Produkcija u projektu Manhattan
Najvažnije lokacije za projekat Manhattan.
Projekat Manhattan započeo je pismom Ajnštajna Ruzveltu. U pismu je skrenuta pažnja predsjednika na činjenicu da nacistička Njemačka provodi aktivna istraživanja, uslijed kojih bi uskoro mogla nabaviti atomsku bombu. U avgustu 1939. Leo Silard je tražio potpis u pismu svom prijatelju Albertu Ajnštajnu. Kao rezultat pozitivnog odgovora Franklina Roosevelta, Manhattan Project je kasnije formiran u Sjedinjenim Državama.
Tokom Drugog svjetskog rata, cilj projekta je bio stvaranje nuklearne bombe. Nacrt atomskog programa, iz kojeg je formiran Projekt Manhattan, odobren je i istovremeno kreiran dekretom predsjednika Sjedinjenih Država 9. oktobra 1941. godine. Projekat Manhattan započeo je svoje aktivnosti 12. avgusta 1942. godine. Njegova tri glavna cilja bila su:
- Proizvodnja plutonijuma u kompleksu Hanford
- Obogaćivanje uranijuma u Oak Ridgeu, Tennessee
- Istraživanje u oblasti nuklearnog oružja i strukture atomske bombe u Nacionalnoj laboratoriji Los Alamos
Komemorativna fotografija naučnika koji su učestvovali u Chicago Woodpile-1. Prvi red, drugi s desna: Leo Sillard; prvi slijeva: Enrico Fermi.
Prvi nuklearni reaktor koji je omogućio proizvodnju velikih količina elementa u odnosu na ciklotrone bio je Chicago Woodpile-1. Puštena je u rad 2. decembra 1942. zahvaljujući Enriku Fermiju i Leu Silardu; Na današnji dan izvedena je prva samoodrživa nuklearna lančana reakcija. Uran-238 i uranijum-235 korišteni su za proizvodnju plutonijuma-239. Reaktor je izgrađen ispod tribina Stagg Field Univerziteta u Čikagu. Sastojao se od 6 tona metalnog uranijuma, 34 tone oksida uranijuma i 400 tona “crnih cigli” od grafita. Jedina stvar koja je mogla zaustaviti nuklearnu lančanu reakciju bili su kadmijski štapići, koji su dobri u hvatanju termalnih neutrona i, kao rezultat, mogu spriječiti moguću nesreću. Zbog nedostatka zaštite od zračenja i hlađenja, njegova uobičajena snaga bila je samo 0,5...200 W.
Radnici u grafitnom reaktoru X-10.
Drugi reaktor koji je omogućio proizvodnju plutonijuma-239 bio je grafitni reaktor X-10. Puštena je u rad 4. novembra 1943. godine u gradu Oak Ridž, a trenutno se nalazi na teritoriji nacionalne laboratorije Oak Ridž. Ovaj reaktor je bio drugi u svijetu nakon Chicago Woodpile 1 i prvi reaktor koji je nastao kao nastavak Manhattan projekta. Reaktor je bio prvi korak ka stvaranju snažnijih nuklearnih reaktora, odnosno bio je eksperimentalni. Kraj njegovog rada došao je 1963. godine; otvoren je za javnost od 1980-ih i jedan je od najstarijih nuklearnih reaktora na svijetu.
Emilio Segre je 5. aprila 1944. primio prve uzorke plutonijuma proizvedenog u reaktoru X-10. U roku od 10 dana otkrio je da je koncentracija plutonijuma-240 u reaktoru veoma visoka u poređenju sa ciklotronima. Ovaj izotop ima vrlo visoku sposobnost spontane fisije, što rezultira povećanjem ukupne pozadine neutronskog zračenja. Na osnovu toga, zaključeno je da upotreba visoko čistog plutonijuma u nuklearnoj bombi tipa pištolj, posebno u tankoj bombi, može dovesti do prerane detonacije. Zbog činjenice da se tehnologija razvoja nuklearnih bombi sve više usavršavala, ustanovljeno je da je za nuklearno punjenje najbolje koristiti nuklearni materijal u obliku kugli.
Izgradnja B reaktora, prvog nuklearnog reaktora sposobnog za proizvodnju plutonijuma u industrijskim razmjerima.
Prvi komercijalni nuklearni reaktor koji proizvodi Pu je Reaktor B, koji se nalazi u Sjedinjenim Državama. Izgradnja je počela u junu 1943., a završila u septembru 1944. Snaga reaktora bila je 250 MW. Kao rashladno sredstvo u ovom reaktoru prvi put je korišćena voda. Reaktor B proizvodi plutonijum-239, koji je prvi put korišten u Trinity testu. Nuklearni materijali prikupljeni iz ovog reaktora korišćeni su u bombi bačenoj na Nagasaki 9. avgusta 1945. Završeni reaktor je zatvoren u februaru 1968. i nalazi se u pustinjskom regionu države Vašington, u blizini grada Ričlanda.
Hanford kompleks. Reaktori B, D, F itd. nalaze se duž rijeke u gornjem dijelu dijagrama.
Tokom projekta Manhattan, u kompleksu Hanford stvorena su mnoga područja za proizvodnju, skladištenje, preradu i korištenje nuklearnih materijala. Ove grobnice sadrže oko 205 kg izotopa plutonijuma. Formirano je više prostora za skladištenje devet nuklearnih reaktora koji su proizvodili hemijski element, brojne pomoćne zgrade koje su zagađivale okolinu. Druga od ovih područja stvorena su u svrhu odvajanja plutonijuma i uranijuma od nečistoća hemijskim putem. Nakon zatvaranja ovog kompleksa, zbrinuto je više od 20 tona plutonijuma u sigurnim oblicima.
2004. godine, kao rezultat iskopavanja, otkriveni su ukopi na teritoriji kompleksa Hanford. Među njima je pronađen plutonijum za oružje, koji se nalazio u staklenoj posudi. Pokazalo se da je ovaj uzorak plutonijuma za oružje najdugovječniji i proučavao ga je Pacifička nacionalna laboratorija. Rezultati su pokazali da je ovaj uzorak nastao u grafitnom reaktoru X-10 1944. godine.
Jedan od učesnika projekta bio je uključen u tajni prenos crteža na principima uranijumske i plutonijumske bombe, kao i uzoraka uranijuma-235 i plutonijuma-239.
Triniti i Fatman
Prvi nuklearni test, nazvan Trinity, održan je 16. jula 1945. u blizini Alamogorda u Novom Meksiku i koristio je plutonijum kao nuklearno oružje. The Thing je koristio obične leće da komprimuje plutonijum kako bi dostigao kritičnu masu. Ovaj uređaj je stvoren za testiranje nove vrste nuklearne bombe, Fat Man, zasnovane na plutoniju. U isto vrijeme, neutroni su počeli teći iz Ježa za nuklearnu reakciju. Uređaj je napravljen od polonija i berilijuma; ovaj izvor je korišten u prvoj generaciji nuklearnih bombi, jer se u to vrijeme ovaj sastav smatrao jedinim izvorom neutrona. Cijela ova kompozicija omogućila je postizanje snažne nuklearne eksplozije. Ukupna masa bombe upotrijebljene u nuklearnom testu Triniti bila je 6 tona, iako je jezgro bombe sadržavalo samo 6,2 kg plutonijuma, a procijenjena visina za eksploziju iznad grada bila je oko 20% upotrijebljenog plutonijuma u ovoj bombi je bilo 20.000 tona u TNT ekvivalentu.
Bomba Fat Man bačena je na Nagasaki 9. avgusta 1945. Eksplozija je momentalno ubila 70 hiljada ljudi i povrijedila još 100 hiljada. Imala je sličan mehanizam: jezgro napravljeno od plutonijuma stavljeno je u sferičnu aluminijsku školjku, koja je bila obložena. hemijski eksplozivi. Prilikom detonacije granate, punjenje plutonijuma je stisnuto sa svih strana i njegova gustina je premašila kritičnu vrijednost, nakon čega je započela nuklearna lančana reakcija. Beba, dostavljena na Hirošimu tri dana ranije, koristila je uranijum-235, ali ne i plutonijum. Japan je 15. avgusta potpisao sporazum o predaji. Nakon ovih incidenata, u medijima je objavljen izvještaj o upotrebi novog hemijskog radioaktivnog elementa, plutonijuma.
Hladni rat
Velike količine plutonijuma proizvedene su tokom Hladnog rata od strane Sjedinjenih Država i Sovjetskog Saveza. Američki reaktori na lokaciji Savannah River Site i Hanfordu proizveli su 103 tone plutonijuma tokom rata, dok je SSSR proizveo 170 tona plutonijuma za oružje. Danas se oko 20 tona plutonija u nuklearnoj energiji proizvodi kao nusproizvod nuklearnih reakcija. Na svakih 1000 tona plutonija u skladištima, postoji 200 tona plutonijuma izvučeno iz nuklearnih reaktora. Od 2007. SIIPM je procijenio globalnu količinu plutonijuma na 500 tona, što je otprilike jednako podijeljeno između potreba za oružjem i energijom.
Predloženi raspored skladišta tunela za nuklearni otpad u odlagalištu planine Yucca.
Neposredno nakon završetka Hladnog rata, sve nuklearne zalihe postale su problem nuklearnog širenja. Na primjer, u SAD-u su blokovi od dvije tone topljeni od plutonija izvađenog iz nuklearnog oružja, u kojem je element u obliku inertnog plutonijum oksida. Ovi blokovi su zastakljeni borosilikatnim staklom koje sadrži cirkonijum i gadolinij. Ovi blokovi su zatim prekriveni nerđajućim čelikom i zakopani 4 km pod zemljom. Lokalne i državne vlasti u Sjedinjenim Državama nisu dozvolile odlaganje nuklearnog otpada na planinu Yucca. U martu 2010. američke vlasti odlučile su oduzeti dozvolu za pravo skladištenja nuklearnog otpada. Barack Obama je predložio reviziju politike skladištenja otpada i preporuke za razvoj novih i efikasnih metoda za kontrolu istrošenog goriva i otpada.
Medicinski eksperimenti
Tokom Drugog svjetskog rata i nakon njegovog završetka, naučnici su provodili eksperimente na životinjama i ljudima ubrizgavajući intravenske doze plutonijuma. Studije na životinjama pokazale su da je nekoliko miligrama plutonijuma po kilogramu tkiva smrtonosna doza. “Standardna” doza bila je 5 mikrograma plutonijuma, a 1945. ta brojka je smanjena na 1 mikrogram zbog činjenice da se plutonijum ima tendenciju nakupljanja u kostima i stoga je opasniji od radijuma.
Osamnaest testova plutonijuma na ljudima obavljeno je bez prethodnog pristanka kako bi se otkrilo gdje i kako je plutonijum koncentrisan u ljudskom tijelu i kako bi se razvili sigurnosni standardi za rukovanje njime. Prva mjesta na kojima su eksperimenti izvedeni u sklopu Manhattan projekta bila su: Hanford, Berkeley, Los Alamos, Chicago, Oak Ridge, Rochester.
hemija
Plutonijum Pu - element br. 94 povezan je sa veoma velikim nadama i velikim strahovima čovečanstva. Danas je to jedan od najvažnijih, strateški važnih elemenata. To je najskuplji od tehnički važnih metala - mnogo je skuplji od srebra, zlata i platine. On je zaista dragocen.
Pozadina i istorija
U početku su postojali protoni - galaktički vodonik. Kao rezultat njegove kompresije i naknadnih nuklearnih reakcija, formirani su najnevjerovatniji "ingoti" nukleona. Među njima, ovim "ingotima", očigledno je bilo onih koji sadrže 94 protona. Procjene teoretičara sugeriraju da je oko 100 nukleonskih formacija, koje uključuju 94 protona i od 107 do 206 neutrona, toliko stabilne da se mogu smatrati jezgrima izotopa elementa br. 94.
Ali svi ovi izotopi - hipotetički i stvarni - nisu toliko stabilni da prežive do danas od nastanka elemenata Sunčevog sistema. Poluživot najdugovječnijeg izotopa elementa br. 94 je 81 milion godina. Starost Galaksije mjeri se milijardama godina. Shodno tome, "primordijalni" plutonijum nije imao šanse da preživi do danas. Ako je nastao tokom velike sinteze elemenata Univerzuma, onda su ti njegovi drevni atomi "izumrli" davno, kao što su izumrli dinosaurusi i mamuti.
U 20. veku nova era, AD, ovaj element je ponovo kreiran. Od 100 mogućih izotopa plutonijuma, 25 je sintetizovano. Nuklearna svojstva 15 od njih su proučavana. Četiri su našla praktičnu primjenu. A otvoren je sasvim nedavno. U decembru 1940. godine, kada je uranijum bio ozračen teškim jezgrama vodika, grupa američkih radiohemičara predvođena Glennom T. Seaborgom otkrila je ranije nepoznati emiter alfa čestica s poluživotom od 90 godina. Ispostavilo se da je ovaj emiter izotop elementa br. 94 sa masenim brojem 238. Iste godine, ali nekoliko mjeseci ranije, E.M. McMillan i F. Abelson su dobili prvi element teži od uranijuma, element broj 93. Ovaj element je nazvan neptunijum, a element 94 je nazvan plutonijum. Istoričar će definitivno reći da ova imena potiču iz rimske mitologije, ali u suštini porijeklo ovih imena nije mitološko, već astronomsko.
Elementi broj 92 i 93 nazvani su po udaljenim planetama Sunčevog sistema - Uranu i Neptunu, ali Neptun nije poslednji u Sunčevom sistemu, čak dalje leži orbita Plutona - planete o kojoj se još uvek gotovo ništa ne zna. .. Sličnu konstrukciju vidimo i na „lijevom boku“ periodnog sistema: uranijum – neptunijum – plutonijum, međutim, čovečanstvo zna mnogo više o plutonijumu nego o Plutonu. Inače, astronomi su otkrili Pluton samo deset godina prije sinteze plutonijuma - gotovo isti vremenski period razdvajao je otkriće Urana - planete i uranijuma - elementa.
Zagonetke za kriptografe
Prvi izotop elementa br. 94, plutonijum-238, našao je praktičnu primenu ovih dana. Ali ranih 40-ih o tome nisu ni razmišljali. Moguće je dobiti plutonijum-238 u količinama od praktičnog interesa samo oslanjajući se na moćnu nuklearnu industriju. Tada je to bilo tek u povojima. Ali već je bilo jasno da je oslobađanjem energije sadržane u jezgrima teških radioaktivnih elemenata moguće dobiti oružje neviđene snage. Pojavio se projekat Manhattan, koji nije imao ništa više od zajedničkog imena sa čuvenim područjem New Yorka. Ovo je bio opći naziv za sav rad vezan za stvaranje prvih atomskih bombi u Sjedinjenim Državama. Nije naučnik, već vojni čovjek, general Groves, koji je imenovan za šefa Manhattan projekta, “s ljubavlju” nazvao svoje visoko obrazovane štićenike “razbijenim loncima”.
Vođe "projekta" nisu bili zainteresovani za plutonijum-238. Njegove jezgre, kao i jezgra svih izotopa plutonijuma s parnim masenim brojem, nisu fisijske na niskoenergetske neutrone, tako da ne može poslužiti kao nuklearni eksploziv. Ipak, prvi ne baš jasni izvještaji o elementima br. 93 i 94 pojavili su se u štampi tek u proljeće 1942. godine.
Kako to možemo objasniti? Fizičari su shvatili: sinteza izotopa plutonijuma sa neparnim masenim brojevima bila je pitanje vremena, i to ne predugo. Očekivalo se da će čudni izotopi, poput urana-235, moći podržati nuklearnu lančanu reakciju. Neki su ih vidjeli kao potencijalni nuklearni eksploziv, koji još nije primljen. I ove nade plutonijum, nažalost, opravdao je.
U šifriranju tog vremena, element broj 94 nije se zvao ništa drugo do... bakar. A kada se pojavila potreba za samim bakrom (kao građevinskim materijalom za neke dijelove), tada se u kodovima, uz "bakar", pojavio i "pravi bakar".
"Drvo poznanja dobra i zla"
Godine 1941. otkriven je najvažniji izotop plutonijuma - izotop masenog broja 239. I skoro odmah je potvrđeno predviđanje teoretičara: jezgra plutonijuma-239 su pocepana toplotnim neutronima. Štaviše, tokom njihove fisije nije proizveden ništa manji broj neutrona nego tokom fisije uranijuma-235. Odmah su navedeni načini za dobijanje ovog izotopa u velikim količinama...
Prošle su godine. Sada nikome nije tajna da su nuklearne bombe pohranjene u arsenalima napunjene plutonijumom-239 i da su te bombe dovoljne da izazovu nepopravljivu štetu cijelom životu na Zemlji.
Rašireno je uvjerenje da je čovječanstvo očito žurilo s otkrićem nuklearne lančane reakcije (čija je neizbježna posljedica bilo stvaranje nuklearne bombe). Možete razmišljati drugačije ili se pretvarati da mislite drugačije - ugodnije je biti optimista. Ali čak se i optimisti neizbježno suočavaju s pitanjem odgovornosti naučnika. Pamtimo trijumfalni junski dan 1954. godine, dan kada se uključila prva nuklearna elektrana u Obninsku. Ali ne možemo zaboraviti avgustovsko jutro 1945. - "jutro Hirošime", "crni dan Alberta Ajnštajna"... Setimo se prvih posleratnih godina i divlje atomske ucene - osnove američke politike tih godina. . Ali nije li čovječanstvo iskusilo mnogo nevolja u narednim godinama? Štaviše, ove strepnje su višestruko pojačane svešću da će, ako izbije novi svetski rat, biti upotrebljeno nuklearno oružje.
Ovdje možete pokušati dokazati da otkriće plutonijuma nije unijelo strah čovječanstvu, da je, naprotiv, bilo samo korisno.
Recimo, desilo se da je iz nekog razloga ili, kako bi se to nekada govorilo, voljom Božjom, plutonijum bio nedostupan naučnicima. Da li bi se onda naši strahovi i brige smanjili? Ništa se nije dogodilo. Nuklearne bombe bi se pravile od uranijuma-235 (i to u ne manjoj količini nego od plutonijuma), a te bi bombe „pojele“ i veći deo budžeta nego sada.
Ali bez plutonija ne bi bilo izgleda za mirno korištenje nuklearne energije u velikim razmjerima. Jednostavno ne bi bilo dovoljno uranijuma-235 za „mirni atom“. Zlo koje je naneseno čovječanstvu otkrićem nuklearne energije ne bi bilo uravnoteženo, čak ni djelomično, dostignućima „dobrog atoma“.
Kako izmjeriti, sa čime uporediti
Kada se jezgro plutonijum-239 neutronima podijeli na dva fragmenta približno jednake mase, oslobađa se oko 200 MeV energije. To je 50 miliona puta više energije koja se oslobađa u najpoznatijoj egzotermnoj reakciji C + O 2 = CO 2. "Sagorevanjem" u nuklearnom reaktoru, gram plutonijuma daje 2.107 kcal. Kako ne bismo narušili tradiciju (a u popularnim člancima energija nuklearnog goriva se obično mjeri u nesistemskim jedinicama - tonama uglja, benzina, trinitrotoluena itd.), također napominjemo: ovo je energija sadržana u 4 tone uglja. A običan naprstak sadrži količinu plutonijuma energetski ekvivalentnu četrdeset vagona dobrog brezovog ogreva.
Ista energija se oslobađa tokom fisije jezgara uranijuma-235 neutronima. Ali najveći deo prirodnog uranijuma (99,3%!) je izotop 238 U, koji se može iskoristiti samo pretvaranjem uranijuma u plutonijum...
Energija kamenja
Procijenimo energetske resurse sadržane u prirodnim rezervama uranijuma.
Uranijum je element u tragovima i nalazi se skoro svuda. Svako ko je posetio, na primer, Kareliju, verovatno će se setiti granitnih gromada i obalnih litica. Ali malo ljudi zna da tona granita sadrži do 25 g uranijuma. Graniti čine skoro 20% težine zemljine kore. Ako računamo samo uranijum-235, onda tona granita sadrži 3,5-105 kcal energije. Mnogo je, ali...
Prerada granita i vađenje uranijuma iz njega zahtijevaju još veću količinu energije - oko 106-107 kcal/t. Sada, kada bi bilo moguće koristiti ne samo uranijum-235, već i uranijum-238 kao izvor energije, onda bi se granit mogao smatrati barem potencijalnom energetskom sirovinom. Tada bi energija dobijena iz tone kamena bila od 8-107 do 5-108 kcal. To je ekvivalentno 16-100 tona uglja. I u ovom slučaju, granit bi ljudima mogao pružiti gotovo milion puta više energije od svih rezervi hemijskog goriva na Zemlji.
Ali jezgra uranijuma-238 se ne cijepaju neutronima. Ovaj izotop je beskoristan za nuklearnu energiju. Tačnije, bilo bi beskorisno da se ne može pretvoriti u plutonijum-239. I što je posebno važno: praktički ne treba trošiti energiju na ovu nuklearnu transformaciju – naprotiv, energija se proizvodi u tom procesu!
Pokušajmo shvatiti kako se to događa, ali prvo nekoliko riječi o prirodnom plutoniju.
400 hiljada puta manje od radijuma
Već je rečeno da izotopi plutonijuma nisu sačuvani od sinteze elemenata tokom formiranja naše planete. Ali to ne znači da na Zemlji nema plutonijuma.
Stalno se formira u rudama uranijuma. Hvatanjem neutrona iz kosmičkog zračenja i neutrona proizvedenih spontanom fisijom jezgri uranijuma-238, neki - vrlo mali - atomi ovog izotopa pretvaraju se u atome uranijuma-239. Ova jezgra su vrlo nestabilna, emituju elektrone i time povećavaju svoj naboj. Nastaje neptunijum, prvi element transuranija. Neptunijum-239 je takođe veoma nestabilan, a njegova jezgra emituju elektrone. Za samo 56 sati polovina neptunija-239 pretvara se u plutonijum-239, čiji je poluživot već prilično dug - 24 hiljade godina.
Zašto se plutonijum ne izdvaja iz ruda uranijuma?? Niska, preniska koncentracija. "Proizvodnja po gramu - rad godišnje" - radi se o radijumu, a plutonijum u rudama je 400 hiljada puta manji od radijuma. Stoga je izuzetno teško ne samo eksploatirati, već čak i otkriti „kopneni“ plutonijum. To je učinjeno tek nakon što su proučavana fizička i kemijska svojstva plutonija proizvedenog u nuklearnim reaktorima.
Plutonijum se akumulira u nuklearnim reaktorima. U snažnim tokovima neutrona dešava se ista reakcija kao i u uranijumskim rudama, ali je stopa formiranja i akumulacije plutonija u reaktoru mnogo veća - milijardu milijardi puta. Za reakciju pretvaranja balastnog uranijuma-238 u energetski plutonijum-239 stvaraju se optimalni (u okviru prihvatljivih) uslovi.
Ako reaktor radi na termičkim neutronima (podsjetimo da je njihova brzina oko 2000 m u sekundi, a njihova energija je djelić elektron-volta), tada se iz prirodne mješavine izotopa uranijuma dobiva količina plutonijuma koja je nešto manja od količina „sagorenog“ uranijuma-235. Malo, ali manje, plus neizbežni gubici plutonijuma tokom njegovog hemijskog odvajanja od ozračenog uranijuma. Osim toga, nuklearna lančana reakcija održava se u prirodnoj mješavini izotopa uranijuma samo dok se mali dio uranijuma-235 ne potroši. Otuda logičan zaključak: “termalni” reaktor koji koristi prirodni uran – glavni tip reaktora koji trenutno rade – ne može osigurati proširenu reprodukciju nuklearnog goriva. Ali šta onda obećava? Da bismo odgovorili na ovo pitanje, uporedimo tok nuklearne lančane reakcije u uranijumu-235 i plutonijumu-239 i uvedemo još jedan fizički koncept u naše rasprave.
Najvažnija karakteristika svakog nuklearnog goriva je prosječan broj neutrona koji se emituju nakon što je jezgro uhvatilo jedan neutron. Fizičari ga nazivaju eta brojem i označavaju ga grčkim slovom q. U „termalnim“ reaktorima na uranijumu, primećuje se sledeći obrazac: svaki neutron generiše u proseku 2,08 neutrona (η = 2,08). Plutonijum smešten u takav reaktor pod uticajem termičkih neutrona daje η = 2,03. Ali postoje i reaktori koji rade na brzim neutronima. Beskorisno je ubacivati prirodnu mješavinu izotopa uranijuma u takav reaktor: neće doći do lančane reakcije. Ali ako je “sirovina” obogaćena uranijumom-235, može se razviti u “brzom” reaktoru. U ovom slučaju, c će već biti jednako 2,23. A plutonijum, izložen vatri brzih neutrona, daće η jednako 2,70. Imat ćemo na raspolaganju “dodatnih pola neutrona”. A ovo nije nimalo malo.
Hajde da vidimo na šta se troše dobijeni neutroni. U svakom reaktoru potreban je jedan neutron za održavanje nuklearne lančane reakcije. Konstrukcijski materijali instalacije apsorbuju 0,1 neutrona. “Višak” se koristi za akumulaciju plutonijuma-239. U jednom slučaju “višak” je 1,13, au drugom 1,60. Nakon "sagorevanja" kilograma plutonija u "brzim" reaktoru, oslobađa se kolosalna energija i akumulira se 1,6 kg plutonija. A uranijum u "brzim" reaktoru će dati istu energiju i 1,1 kg novog nuklearnog goriva. U oba slučaja evidentna je proširena reprodukcija. Ali ne smijemo zaboraviti na ekonomiju.
Zbog niza tehničkih razloga, ciklus reprodukcije plutonijuma traje nekoliko godina. Recimo pet godina. To znači da će se količina plutonijuma godišnje povećati za samo 2% ako je η=2,23, odnosno za 12% ako je η=2,7! Nuklearno gorivo je kapital i svaki kapital treba da daje, recimo, 5% godišnje. U prvom slučaju postoje veliki gubici, au drugom veliki profit. Ovaj primitivni primjer ilustruje “težinu” svake desetine broja u nuklearnoj energiji.
Još nešto je takođe važno. Nuklearna energija mora držati korak sa rastućom potražnjom za energijom. Proračuni pokazuju da je njegov uslov u budućnosti ispunjen tek kada se η približi tri. Ako razvoj nuklearnih izvora energije zaostaje za energetskim potrebama društva, preostaju dvije opcije: ili „usporiti napredak“ ili uzimati energiju iz nekih drugih izvora. One su poznate: termonuklearna fuzija, energija anihilacije materije i antimaterije, ali još nisu tehnički dostupne. I ne zna se kada će postati pravi izvori energije za čovječanstvo. A energija teških jezgara odavno je postala stvarnost za nas, a danas plutonij, kao glavni "snabdjevač" atomske energije, nema ozbiljnih konkurenata, osim, možda, uranijuma-233.
Zbir mnogih tehnologija
Kada se kao rezultat nuklearnih reakcija akumulira potrebna količina plutonija u uranijumu, on se mora odvojiti ne samo od samog uranijuma, već i od fisijskih fragmenata - i urana i plutonija, koji su izgorjeli u nuklearnoj lančanoj reakciji. Osim toga, uranijum-plutonijumska masa sadrži i određenu količinu neptunija. Najteže je odvojiti plutonijum od neptunija i retkozemnih elemenata (lantanida). Plutonijum, kao hemijski element, donekle nije imao sreće. Sa kemičarske tačke gledišta, glavni element nuklearne energije je samo jedan od četrnaest aktinida. Poput rijetkih zemnih elemenata, svi elementi aktinijuma su vrlo slični jedni drugima po kemijskim svojstvima, struktura vanjskih elektronskih omotača atoma svih elemenata od aktinijuma do 103 je ista. Ono što je još neugodnije je da su hemijska svojstva aktinida slična svojstvima rijetkih zemnih elemenata, a među fisionim fragmentima uranijuma i plutonija ima više nego dovoljno lantanida. Ali tada element 94 može biti u pet valentnih stanja, a to "slađuje pilulu" - pomaže da se plutonijum odvoji i od uranijuma i od fisijskih fragmenata.
Valencija plutonijuma varira od tri do sedam. Hemijski, najstabilnija (a samim tim i najčešća i najviše proučavana) jedinjenja su četvorovalentni plutonijum.
Razdvajanje aktinida sličnih hemijskih svojstava - uranijuma, neptunijuma i plutonijuma - može se zasnivati na razlici u svojstvima njihovih tetra- i heksavalentnih jedinjenja.
Nema potrebe detaljno opisivati sve faze hemijskog odvajanja plutonijuma i uranijuma. Obično njihovo odvajanje počinje otapanjem uranovih šipki u dušičnoj kiselini, nakon čega se uran, neptun, plutonij i fragmentacijski elementi sadržani u otopini "odvajaju", koristeći tradicionalne radiohemijske metode za to - taloženje, ekstrakciju, ionsku izmjenu i druge . Konačni proizvodi ove višestepene tehnologije koji sadrže plutonij su njegov dioksid PuO 2 ili fluoridi - PuF 3 ili PuF 4. One se redukuju u metal sa parom barijuma, kalcijuma ili litijuma. Međutim, plutonijum dobijen u ovim procesima nije prikladan za ulogu konstrukcijskog materijala - od njega se ne mogu napraviti gorivi elementi nuklearnih energetskih reaktora, a ne može se baciti naboj atomske bombe. Zašto? Tačka topljenja plutonijuma - samo 640°C - je sasvim dostižna.
Bez obzira na to koji se "ultra-blagi" uslovi koriste za livenje delova od čistog plutonijuma, tokom skrućivanja uvek će se pojaviti pukotine na odlivcima. Na 640°C, plutonijum koji se skrućuje formira kubičnu kristalnu rešetku. Kako temperatura pada, gustoća metala se postepeno povećava. Ali temperatura je dostigla 480°C, a onda odjednom gustina plutonijuma naglo opada. Razlozi ove anomalije otkriveni su prilično brzo: na ovoj temperaturi atomi plutonijuma su preuređeni u kristalnoj rešetki. Postaje tetragonalno i vrlo „labavo“. Takav plutonijum može plutati u sopstvenom topljenju, poput leda na vodi.
Temperatura nastavlja da pada, sada je dostigla 451°C, a atomi su ponovo formirali kubičnu rešetku, ali se nalaze na većoj udaljenosti jedan od drugog nego u prvom slučaju. Daljnjim hlađenjem, rešetka prvo postaje ortorombna, a zatim monoklinska. Ukupno, plutonijum formira šest različitih kristalnih oblika! Dva od njih odlikuju se izvanrednim svojstvom - negativnim koeficijentom toplinskog širenja: s povećanjem temperature, metal se ne širi, već skuplja.
Kada temperatura dostigne 122°C i atomi plutonijuma po šesti put preurede svoje redove, gustina se posebno dramatično menja - sa 17,77 na 19,82 g/cm 3 . Više od 10%!
Shodno tome, volumen ingota se smanjuje. Ako je metal još uvijek mogao odoljeti naprezanjima koja su nastala na drugim prijelazima, tada je u ovom trenutku uništenje neizbježno.
Kako onda napraviti dijelove od ovog nevjerovatnog metala? Metalurzi legiraju plutonijum (dodajući mu male količine potrebnih elemenata) i dobijaju odlivke bez ijedne pukotine. Koriste se za pravljenje plutonijumskih punjenja za nuklearne bombe. Težina naboja (određena je prvenstveno kritičnom masom izotopa) je 5-6 kg. Lako se može uklopiti u kocku sa ivicom veličine 10 cm.
Teški izotopi plutonijuma
Plutonijum-239 takođe sadrži u malim količinama više izotope ovog elementa - sa masenim brojevima 240 i 241. Izotop 240 Pu je praktično beskoristan - balast je u plutonijumu. Od 241 se dobija americij - element br. 95. U svom čistom obliku, bez primjesa drugih izotopa, plutonijum-240 i plutonijum-241 se mogu dobiti elektromagnetnim odvajanjem plutonijuma nakupljenog u reaktoru. Prije toga plutonij se dodatno ozrači neutronskim tokovima sa strogo određenim karakteristikama. Naravno, sve je to vrlo komplikovano, pogotovo što plutonijum nije samo radioaktivan, već i veoma toksičan. Rad s njim zahtijeva izuzetan oprez.
Jedan od najzanimljivijih izotopa plutonijuma, 242 Pu, može se dobiti dugotrajnim zračenjem 239 Pu u neutronskim fluksovima. 242 Pu vrlo rijetko hvata neutrone i stoga „sagorijeva“ u reaktoru sporije od drugih izotopa; opstaje čak i nakon što su se preostali izotopi plutonijuma gotovo potpuno pretvorili u fragmente ili pretvorili u plutonijum-242.
Plutonijum-242 je važan kao "sirovina" za relativno brzo nakupljanje viših transuranijumskih elemenata u nuklearnim reaktorima. Ako se plutonijum-239 ozrači u konvencionalnom reaktoru, tada će biti potrebno oko 20 godina da se akumuliraju mikrogramske količine, na primjer, California-252 iz grama plutonijuma.
Moguće je smanjiti vrijeme akumulacije viših izotopa povećanjem intenziteta neutronskog fluksa u reaktoru. To je ono što oni rade, ali tada ne možete ozračiti velike količine plutonijuma-239. Uostalom, ovaj izotop je podijeljen neutronima, a previše energije se oslobađa u intenzivnim tokovima. Dodatne poteškoće nastaju kod hlađenja reaktora. Da bi se izbjegle ove poteškoće, bilo bi potrebno smanjiti količinu ozračenog plutonija. Posljedično, prinos kalifornija bi opet postao oskudan. Začarani krug!
Plutonijum-242 se ne deli na termičke neutrone, može se u velikim količinama ozračiti u intenzivnim neutronskim fluksovima... Stoga se u reaktorima svi elementi od americijuma do fermijuma „prave“ od ovog izotopa i akumuliraju u težinskim količinama.
Svaki put kada bi naučnici uspeli da dobiju novi izotop plutonijuma, mereno je vreme poluraspada njegovih jezgara. Period poluraspada izotopa teških radioaktivnih jezgara s parnim masenim brojevima se redovno mijenja. (To se ne može reći za čudne izotope.)
Kako se masa povećava, tako se povećava i "životni vijek" izotopa. Prije nekoliko godina, vrhunac ovog grafikona bio je plutonijum-242. I kako će onda ići ova kriva - sa daljim povećanjem masenog broja? Do tačke 1, koja odgovara životnom veku od 30 miliona godina, ili do tačke 2, koja odgovara 300 miliona godina? Odgovor na ovo pitanje bio je veoma važan za geonauke. U prvom slučaju, da se prije 5 milijardi godina Zemlja sastojala u potpunosti od 244 Pu, sada bi u cijeloj masi Zemlje ostao samo jedan atom plutonijuma-244. Ako je druga pretpostavka tačna, tada bi plutonijum-244 mogao biti u Zemlji u koncentracijama koje bi već mogle biti otkrivene. Ako bismo imali sreće da pronađemo ovaj izotop u Zemlji, nauka bi dobila najvrednije informacije o procesima koji su se odvijali tokom formiranja naše planete.
Poluživot nekih izotopa plutonijuma
Prije nekoliko godina, naučnici su se suočili s pitanjem: vrijedi li pokušati pronaći teški plutonijum u Zemlji? Da bi se odgovorilo, bilo je potrebno prije svega odrediti vrijeme poluraspada plutonijuma-244. Teoretičari nisu mogli izračunati ovu vrijednost sa potrebnom tačnošću. Sva nada bila je samo za eksperiment.
Plutonijum-244 akumuliran u nuklearnom reaktoru. Ozračen je element br. 95 - americij (izotop 243 Am). Nakon što je uhvatio neutron, ovaj izotop se pretvorio u americij-244; americij-244 se u jednom od 10 hiljada slučajeva pretvorio u plutonijum-244.
Preparat plutonijum-244 izolovan je iz mešavine americijuma i kurijuma. Uzorak je težio samo nekoliko milionitih delova grama. Ali bili su dovoljni da odrede vrijeme poluraspada ovog zanimljivog izotopa. Ispostavilo se da je jednako 75 miliona godina. Kasnije su drugi istraživači razjasnili vreme poluraspada plutonijuma-244, ali ne mnogo - 81 milion godina. Godine 1971. pronađeni su tragovi ovog izotopa u mineralu rijetke zemlje bastnäsite.
Naučnici su činili mnogo pokušaja da pronađu izotop elementa transuranija koji živi duže od 244 Pu. Ali svi pokušaji su ostali uzaludni. Svojevremeno su se nade polagale na kurijum-247, ali nakon što se ovaj izotop nakupio u reaktoru, pokazalo se da je njegovo vrijeme poluraspada samo 16 miliona godina. Nije bilo moguće oboriti rekord plutonijuma-244 - on je najdugovječniji od svih izotopa transuranijumskih elemenata.
Čak i teži izotopi plutonijuma prolaze kroz beta raspad, a njihov životni vek se kreće od nekoliko dana do nekoliko desetinki sekunde. Pouzdano znamo da termonuklearne eksplozije proizvode sve izotope plutonijuma, do 257 Pu. Ali njihov životni vijek je desetinki sekunde, a mnogi kratkotrajni izotopi plutonijuma još nisu proučavani.
Mogućnosti prvog izotopa plutonijuma
I na kraju - o plutonijumu-238 - prvom od "ljudskih" izotopa plutonijuma, izotopa koji se u početku činio neperspektivnim. To je zapravo vrlo zanimljiv izotop. Podložan je alfa raspadu, odnosno njegova jezgra spontano emituju alfa čestice - jezgra helijuma. Alfa čestice koje stvaraju jezgra plutonijum-238 nose visoku energiju; raspršena u materiji, ova energija se pretvara u toplotu. Koliko je velika ova energija? Šest miliona elektron volti oslobađa se raspadom jednog atomskog jezgra plutonijuma-238. U hemijskoj reakciji, ista energija se oslobađa kada se nekoliko miliona atoma oksidira. Izvor električne energije koji sadrži jedan kilogram plutonijuma-238 razvija toplotnu snagu od 560 vati. Maksimalna snaga hemijskog izvora struje iste mase je 5 vati.
Postoji mnogo emitera sa sličnim energetskim karakteristikama, ali jedna karakteristika plutonijuma-238 čini ovaj izotop nezamenljivim. Alfa raspad je obično praćen jakim gama zračenjem koje prodire kroz velike slojeve materije. 238 Pu je izuzetak. Energija gama zraka koja prati raspad njegovih jezgara je niska i nije teško zaštititi se od nje: zračenje se apsorbira tankosidnim spremnikom. Vjerovatnoća spontane fisije jezgara ovog izotopa je također niska. Stoga je pronašao primjenu ne samo u trenutnim izvorima, već iu medicini. Baterije koje sadrže plutonijum-238 služe kao izvor energije u specijalnim srčanim stimulatorima.
Ali 238 Pu nije najlakši poznati izotop elementa br. 94. Dobiveni su izotopi plutonijuma s masenim brojevima od 232 do 237. Vrijeme poluraspada najlakšeg izotopa je 36 minuta.
Plutonijum je velika tema. Ovdje su ispričane najvažnije stvari. Uostalom, već je postala standardna fraza da je hemija plutonijuma proučavana mnogo bolje od hemije takvih „starih“ elemenata kao što je gvožđe. O nuklearnim svojstvima plutonijuma napisane su čitave knjige. Metalurgija plutonijuma je još jedan neverovatan deo ljudskog znanja... Zato ne treba da mislite da ste nakon čitanja ove priče zaista naučili plutonijum - najvažniji metal 20. veka.
- KAKO NOSITI PLUTONIJUM. Radioaktivni i otrovni plutonijum zahteva posebnu pažnju tokom transporta. Kontejner je dizajniran posebno za njegov transport - kontejner koji se ne uništava ni u avionskim nesrećama. Izrađen je prilično jednostavno: to je posuda od nehrđajućeg čelika debelih stijenki okružena školjkom od mahagonija. Očigledno, plutonijum se isplati, ali zamislite koliko zidovi moraju biti debeli ako znate da je kontejner za transport samo dva kilograma plutonijuma težak 225 kg!
- OTROV I ANTIDOT. Agencija Frans pres je 20. oktobra 1977. izvijestila da je pronađeno hemijsko jedinjenje koje može ukloniti plutonijum iz ljudskog tijela. Nekoliko godina kasnije, dosta se saznalo o ovom spoju. Ovo složeno jedinjenje je linearni karboksilazni katehinamid, supstanca klase helata (od grčkog "chela" - kandža). Atom plutonijuma, slobodan ili vezan, je zarobljen u ovoj hemijskoj kandži. Kod laboratorijskih miševa ova supstanca je korištena za uklanjanje do 70% apsorbiranog plutonija iz tijela. Vjeruje se da će u budućnosti ovo jedinjenje pomoći ekstrahiranju plutonijuma i iz proizvodnog otpada i iz nuklearnog goriva.
Poznato je 15 izotopa plutonijuma. Najvažniji od njih je Pu-239 s vremenom poluraspada od 24.360 godina. Specifična težina plutonijuma je 19,84 na temperaturi od 25°C. Metal počinje da se topi na temperaturi od 641°C i ključa na 3232°C. Njegova valencija je 3, 4, 5 ili 6.
Metal ima srebrnastu nijansu i postaje žut kada je izložen kiseoniku. Plutonijum je hemijski reaktivan metal i lako se otapa u koncentrovanoj hlorovodoničnoj kiselini, perhlorovodoničnoj kiselini i jodovodonoj kiselini. Tokom raspadanja, metal oslobađa toplotnu energiju.
Plutonijum je drugi otkriveni transuranski aktinid. U prirodi se ovaj metal može naći u malim količinama u rudama uranijuma.
Plutonijum je otrovan i zahteva pažljivo rukovanje. Najfisioniji izotop plutonijuma korišten je kao nuklearno oružje. Konkretno, korišten je u bombi koja je bačena na japanski grad Nagasaki.
Ovo je radioaktivni otrov koji se nakuplja u koštanoj srži. Nekoliko nesreća, neke sa smrtnim ishodom, dogodilo se dok su eksperimentirali na ljudima radi proučavanja plutonijuma. Važno je da plutonijum ne dostigne kritičnu masu. U rastvoru, plutonijum formira kritičnu masu brže nego u čvrstom stanju.
Atomski broj 94 znači da su svi atomi plutonijuma 94. U vazduhu se na površini metala formira plutonijum oksid. Ovaj oksid je piroforan, pa će plutonijum koji tinja treperiti poput pepela.
Postoji šest alotropnih oblika plutonijuma. Sedmi oblik se pojavljuje na visokim temperaturama.
U vodenom rastvoru plutonijum menja boju. Različite nijanse pojavljuju se na površini metala dok oksidira. Proces oksidacije je nestabilan i boja plutonijuma se može naglo promeniti.
Za razliku od većine supstanci, plutonijum postaje gušći kada se topi. U rastopljenom stanju, ovaj element je viskozniji od drugih metala.
Metal se koristi u radioaktivnim izotopima u termoelektričnim generatorima koji napajaju svemirske letjelice. U medicini se koristi u proizvodnji elektronskih srčanih stimulatora.
Udisanje isparenja plutonijuma je opasno po zdravlje. U nekim slučajevima to može uzrokovati rak pluća. Udahnuti plutonijum ima metalni ukus.
Otkrili su ga 1940-41. američki naučnici G. Seaborg, E. McMillan, J. Kennedy i A. Wahl, koji su dobili izotop 238 Pu kao rezultat ozračivanja uranijuma teškim jezgrima vodonika - deuteronima. Nazvan po planeti Pluton, kao i prethodnici Plutonijuma u periodnom sistemu - uranijum i neptunijum, čija su imena takođe došla od planeta Urana i Neptuna. Poznati su izotopi plutonijuma sa masenim brojevima od 232 do 246. Tragovi izotopa 247 Pu i 255 Pu pronađeni su u prašini sakupljenoj nakon eksplozija termonuklearnih bombi. Najdugovječniji izotop plutonijuma je α-radioaktivni 244 Pu (vrijeme poluraspada T ½ oko 7,5 10 7 godina). T ½ vrijednosti svih izotopa plutonijuma su mnogo manje od starosti Zemlje, pa je stoga sav primarni plutonijum (koji je postojao na našoj planeti tokom njegovog formiranja) potpuno raspao. Međutim, male količine 239 Pu se konstantno formiraju tokom β-raspada 239 Np, što se, zauzvrat, događa tokom nuklearne reakcije uranijuma s neutronima (na primjer, neutroni iz kosmičkog zračenja). Stoga se tragovi plutonijuma nalaze u rudama uranijuma.
Plutonijum je sjajni bijeli metal, na temperaturama od sobne temperature do 640°C (t pl) i postoji u šest alotropskih modifikacija. Alotropske transformacije plutonija praćene su naglim promjenama gustoće. Jedinstvena karakteristika metalnog plutonijuma je da kada se zagreje od 310 do 480 °C, on se ne širi kao drugi metali, već se skuplja. Konfiguracija tri vanjske elektronske ljuske atoma Pu je 5s 2 5p 6 5d 10 5f 6 6s 2 6p 2 7s 2. Hemijska svojstva plutonijuma su na mnogo načina slična svojstvima njegovih prethodnika u periodnom sistemu - uranijuma i neptunija. Plutonijum stvara jedinjenja sa oksidacionim stanjima od +2 do +7. Poznati su oksidi PuO, Pu 2 O 3, PuO 2 i faza promenljivog sastava Pu 2 O 3 - Pu 4 O 7. U jedinjenjima sa halogenima plutonijum obično pokazuje oksidaciono stanje +3, ali su poznati i halogenidi PuF 4, PuF 6 i PuCl 4. U rastvorima plutonijum postoji u oblicima Pu 3+, Pu 4+, PuO 2 (plutonil jon), PuO 2+ (plutonil jon) i PuO s 3-, što odgovara oksidacionim stanjima od +3 do +7. Ovi joni (osim PuO 3-5) mogu biti u rastvoru istovremeno u ravnoteži. Ioni plutonijuma svih oksidacionih stanja skloni su hidrolizi i formiranju kompleksa.
Od svih izotopa plutonijuma, najvažniji je α-radioaktivni 239 Pu (T ½ = 2,4 10 4 godine). Jezgra 239 Pu su sposobna za lančanu reakciju fisije pod uticajem neutrona, pa se 239 Pu može koristiti kao izvor atomske energije (energija oslobođena tokom fisije 1 g 239 Pu je ekvivalentna toploti koja se oslobađa tokom sagorevanja od 4000 kg uglja). U SSSR-u su prvi eksperimenti na proizvodnji 239 Pu počeli 1943-44. godine pod vodstvom akademika I.V.Khlopina. Prvi put u SSSR-u plutonijum je izolovan iz uranijuma ozračenog neutronima 1945. godine. Opsežna proučavanja svojstava plutonijuma obavljena su u izuzetno kratkom vremenu, a 1949. godine u SSSR-u je počela sa radom prva fabrika za radiohemijsko odvajanje plutonijuma.
Industrijska proizvodnja 239 Pu temelji se na interakciji jezgri 238 U sa neutronima u nuklearnim reaktorima. Naknadno odvajanje Pu od U, Np i visoko radioaktivnih fisionih produkata vrši se radiohemijskim metodama (koprecipitacija, ekstrakcija, jonska izmjena i druge). Metalni plutonijum se obično dobija redukcijom PuF 3 , PuF 4 ili PuCO 2 sa parama barijuma, kalcijuma ili litijuma. Kao fisijski materijal, 238 Pu se koristi u nuklearnim reaktorima i u atomskim i termonuklearnim bombama. Izotop 238 Pu koristi se za proizvodnju atomskih električnih baterija, čiji vijek trajanja doseže 5 godina ili više. Takve baterije se mogu koristiti, na primjer, u strujnim generatorima koji stimuliraju srce.
Plutonijum u telu. Plutonijum je koncentriran u morskim organizmima: njegov koeficijent akumulacije (odnosno omjer koncentracija u tijelu i vanjskom okruženju) za alge je 1000-9000, za plankton (mješoviti) - oko 2300, za mekušce - do 380, za morske zvijezde - oko 1000, za mišiće, kosti, jetru i želudac ribe - 5, 570, 200 i 1060, respektivno. Kopnene biljke apsorbuju plutonijum uglavnom kroz korijenski sistem i akumuliraju ga do 0,01% svoje mase. U ljudskom organizmu plutonijum se zadržava uglavnom u kosturu i jetri, odakle se gotovo i ne izlučuje (posebno iz kostiju). Najtoksičniji 239 Pu uzrokuje hematopoetske poremećaje, osteosarkome i rak pluća. Od 70-ih godina 20. stoljeća povećava se udio plutonijuma u radioaktivnoj kontaminaciji biosfere (dakle, zračenje morskih beskičmenjaka zbog plutonijuma postaje veće nego zbog 90 Sr i 137 Cs).
Izotop plutonijuma 238 Pu je prvi put veštački dobijen 23. februara 1941. godine od strane grupe američkih naučnika predvođenih G. Seaborgom zračenjem jezgara uranijuma deuteronima. Tek tada je u prirodi otkriven plutonijum: 239 Pu se obično nalazi u zanemarljivim količinama u uranijumskim rudama kao proizvod radioaktivne transformacije uranijuma. Plutonijum je prvi veštački element dobijen u količinama dostupnim za vaganje (1942) i prvi čija je proizvodnja započela u industrijskoj skali.
Ime elementa nastavlja astronomsku temu: nazvan je po Plutonu, drugoj planeti nakon Urana.
Boravak u prirodi, primanje:
U rudama urana, kao rezultat hvatanja neutrona (na primjer, neutrona iz kosmičkog zračenja) jezgrima urana, nastaje neptunijum (239 Np), proizvod b- čiji je raspad prirodni plutonijum-239. Međutim, plutonijum se formira u takvim mikroskopskim količinama (0,4-15 delova Pu na 10 12 delova U) da ne dolazi u obzir njegovo izvlačenje iz ruda uranijuma.
Plutonijum se proizvodi u nuklearnim reaktorima. U snažnim tokovima neutrona dešava se ista reakcija kao i u uranijumskim rudama, ali je stopa formiranja i akumulacije plutonija u reaktoru mnogo veća - milijardu milijardi puta. Za reakciju pretvaranja balastnog uranijuma-238 u energetski plutonijum-239 stvaraju se optimalni (u okviru prihvatljivih) uslovi.
Plutonijum-244 se takođe nakupio u nuklearnom reaktoru. Izotop elementa br. 95 - americij, 243 Am, uhvativši neutron, pretvorio se u americij-244; americijum-244 se transformisao u kurijum, ali je u jednom od 10 hiljada slučajeva došlo do prelaska u plutonijum-244. Preparat plutonijum-244 težak samo nekoliko milionitih delova grama izolovan je iz mešavine americijuma i kurijuma. Ali bili su dovoljni da se odredi poluživot ovog zanimljivog izotopa - 75 miliona godina. Kasnije je rafiniran i ispostavilo se da je jednak 82,8 miliona godina. Godine 1971. pronađeni su tragovi ovog izotopa u mineralu rijetke zemlje bastnäsite. 244 Pu je najdugovječniji od svih izotopa transuranijumskih elemenata.
Fizička svojstva:
Srebrno-bijeli metal, ima 6 alotropnih modifikacija. Tačka topljenja 637°C, tačka ključanja - 3235°C. Gustina: 19,82 g/cm3.
Hemijska svojstva:
Plutonijum je sposoban da reaguje sa kiseonikom i formira oksid(IV), koji, kao i svih prvih sedam aktinida, ima slab osnovni karakter.
Pu + O 2 = PuO 2
Reaguje sa razblaženom sumpornom, hlorovodoničnom, perhlornom kiselinom.
Pu + 2HCl(p) = PuCl 2 + H 2 ; Pu + 2H 2 SO 4 = Pu(SO 4) 2 + 2H 2
Ne reaguje sa azotnom i koncentrovanom sumpornom kiselinom. Valencija plutonijuma varira od tri do sedam. Hemijski, najstabilnija (a samim tim i najčešća i najviše proučavana) jedinjenja su četvorovalentni plutonijum. Razdvajanje aktinida sličnih hemijskih svojstava - uranijuma, neptunijuma i plutonijuma - može se zasnivati na razlici u svojstvima njihovih tetra- i heksavalentnih jedinjenja.
Najvažnije veze:
Plutonijum(IV) oksid, PuO 2 , ima slab osnovni karakter.
...
...
primjena:
Plutonijum se široko koristio u proizvodnji nuklearnog oružja (tzv. „plutonijum za oružje”). Prva nuklearna naprava na bazi plutonijuma detonirana je 16. jula 1945. na poligonu Alamogordo (test kodnog naziva Trinity).
Koristi se (eksperimentalno) kao nuklearno gorivo za nuklearne reaktore u civilne i istraživačke svrhe.
Plutonijum-242 je važan kao "sirovina" za relativno brzo nakupljanje viših transuranijumskih elemenata u nuklearnim reaktorima. Ako se plutonijum-239 ozrači u konvencionalnom reaktoru, tada će biti potrebno oko 20 godina da se akumuliraju mikrogramske količine, na primjer, California-251 iz grama plutonijuma. Plutonijum-242 nije fisilan na termičke neutrone, pa čak i u velikim količinama može biti ozračen u intenzivnim neutronskim fluksovima. Stoga se u reaktorima svi elementi od kalifornija do einsteinijuma „izrađuju“ od ovog izotopa i akumuliraju u težinskim količinama.
Kovalenko O.A.
HF Tjumenski državni univerzitet
Izvori:
"Štetne hemikalije: Radioaktivne supstance" Imenik L. 1990. str
Rabinovich V.A., Khavin Z.Ya. "Kratki hemijski priručnik" L.: Hemija, 1977. str. 90, 306-307.
I.N. Beckman. Plutonijum. (udžbenik, 2009.)