Enrico Fermi og hans samarbeidspartnere ved Universitetet i Roma rapporterte at de oppdaget det kjemiske elementet med atomnummer 94 i 1934. Fermi kalte dette grunnstoffet hesperium, og trodde at han hadde oppdaget elementet som nå kalles plutonium, og antydet dermed eksistensen av transuranelementer og ble deres teoretiske oppdager. Han holdt fast ved denne posisjonen i sin Nobel-forelesning i 1938, men etter å ha lært om oppdagelsen av kjernefysisk fisjon av Otto Frisch og Fritz Strassmann, ble han tvunget til å gjøre et notat i den trykte versjonen utgitt i Stockholm i 1939, og indikerte behovet for å revurdere "hele problemet med transuraniske elementer". Arbeidet til tyske forskere viste at aktiviteten Fermi oppdaget i sine eksperimenter skyldtes nettopp fisjon, og ikke oppdagelsen av transuranelementer, slik han tidligere hadde trodd.
Berkeley-sykklotronen, brukes til å produsere neptunium og plutonium.
Oppdagelsen av plutonium av en gruppe ansatte ved University of California i Berkeley under ledelse av G. T. Seaborg ble gjort ved å bruke en 60-tommers syklotron til universitetets disposisjon. Det første bombardementet av triuran-238 oktaoksid med deuteroner akselerert i en syklotron til 14-22 MeV og passerer gjennom 0,002-tommers tykk aluminiumsfolie ble utført 14. desember 1940. Ved å sammenligne prøver oppnådd og aldret i 2,3 dager med den isolerte fraksjonen av rent neptunium, fant forskerne en betydelig forskjell i deres alfa-aktiviteter og antydet at veksten etter 2 dager skyldes påvirkningen av et nytt element, som er en datter av neptunium. Ytterligere fysiske og kjemiske studier varte i 2 måneder. Natten til 23. til 24. februar 1941 ble det utført et avgjørende eksperiment på oksidasjon av det foreslåtte grunnstoffet ved bruk av peroksiddisulfationer og sølvioner som katalysator, som viste at neptunium-238 etter to dager gjennomgår beta-minus forfall, og danner det kjemiske elementet nummer 94 i følgende reaksjon:
23892U → 23893Np → 23894Pu
Glenn Theodore Seaborg og hans samarbeidspartnere ved Berkeley syntetiserte plutonium for første gang. Han var en leder eller nøkkelmedlem i team som fikk åtte flere elementer: Am, Cm, Bk, Cf, Es, Fm, Md, No. Grunnstoffet seaborgium er navngitt til hans ære. Edwin MacMillan og Glenn Seaborg ble tildelt Nobelprisen i 1951 for deres "studie av kjemien til transuranelementer."
Således ble eksistensen av et nytt kjemisk element bekreftet av G. T. Seaborg, E. M. Macmillan, J. W. Kennedy og A. K. Wall gjennom studiet av dets første kjemiske egenskaper - evnen til å ha minst to oksidasjonstilstander.
Litt senere ble det funnet at denne isotopen er ikke-fisjonbar, og derfor uinteressant for videre forskning for militære formål, siden terskelkjerner ikke kan tjene som grunnlag for en fisjonskjedereaksjon. Når de innså dette, fokuserte amerikanske kjernefysikere innsatsen på å skaffe den spaltbare isotopen-239. I mars 1941 ble 1,2 kg av det reneste uransaltet, immurert i en stor parafinblokk, bombardert med nøytroner i en syklotron. Bombardementet av urankjerner varte i to dager, noe som resulterte i omtrent 0,5 mikrogram plutonium-239. Utseendet til et nytt element, som forutsagt av teorien, ble ledsaget av en strøm av alfapartikler.
Den 28. mars 1941 viste eksperimenter at Pu er i stand til fisjon under påvirkning av langsomme nøytroner, med et tverrsnitt som er meget betydelig større enn tverrsnittet for U, og nøytronene oppnådd under fisjonsprosessen er egnet for å produsere påfølgende handlinger av kjernefysisk fisjon, det vil si at de lar en stole på gjennomføringen av en kjedereaksjon. Fra det øyeblikket begynte eksperimenter med å lage en atombombe av plutonium og bygging av reaktorer for produksjonen. Den første rene forbindelsen av grunnstoffet ble oppnådd i 1942, og de første vektmengdene av metallisk plutonium i 1943.
Artikkelen, sendt inn for publisering til tidsskriftet Physical Review i mars 1941, beskrev en metode for å skaffe og studere elementet. Publiseringen av dette dokumentet ble imidlertid stoppet etter at det ble mottatt bevis på at det nye elementet kunne brukes i en atombombe. Utgivelsen av verket skjedde et år etter andre verdenskrig på grunn av sikkerhetsmessige årsaker og med noen justeringer.
I Det tredje riket forble heller ikke atomforskere inaktive. I laboratoriet til Manfred von Arden ble det utviklet metoder for å oppnå det 94. elementet. I august 1941 fullførte fysikeren Fritz Houtermans sin hemmelige rapport "Om spørsmålet om utløsning av kjernefysiske kjedereaksjoner." I den indikerte han de teoretiske mulighetene for å produsere et nytt eksplosiv fra naturlig uran i en "gryte" av uran.
opprinnelse til navnet
Ved hjelp av denne astrografen ble de første fotografiene av Pluto tatt.
I 1930 ble en ny planet oppdaget, hvis eksistens lenge hadde blitt snakket om av Percival Lovell, en astronom, matematiker og forfatter av fantastiske essays om livet på Mars. Basert på mange års observasjoner av Uranus og Neptuns bevegelser, kom han til den konklusjon at bak Neptun i solsystemet skulle det være en annen, niende planet, plassert førti ganger lenger fra Solen enn Jorden. Han beregnet orbitalelementene til den nye planeten i 1915. Pluto ble oppdaget på fotografier tatt 21., 23. og 29. januar 1930 av astronomen Clyde Tombaugh ved Lowell-observatoriet i Flagstaff. Planeten ble oppdaget 18. februar 1930. Navnet på planeten ble gitt av en elleve år gammel skolejente fra Oxford, Venetia Burney. I gresk mytologi er Hades guden for de dødes rike.
Den første trykte omtalen av begrepet plutonium dateres tilbake til 21. mars 1942. Navnet på det 94. kjemiske elementet ble foreslått av Arthur Wahl og Glenn Seaborg. I 1948 foreslo Edwin MacMillan å navngi det 93. kjemiske elementet neptunium, siden planeten Neptun er den første utenfor Uranus. I analogi ble plutonium oppkalt etter den andre planeten bak Uranus, Pluto. Oppdagelsen av plutonium skjedde 10 år etter oppdagelsen av dvergplaneten.
Seaborg foreslo opprinnelig å kalle det nye grunnstoffet plutium, men bestemte seg senere for at navnet plutonium hørtes bedre ut. For å betegne elementet brukte han spøkefullt to bokstaver "Pu"; denne betegnelsen virket for ham den mest akseptable i det periodiske systemet. Seaborg foreslo også noen andre varianter av navn, for eksempel ultimium, extermium. Men på grunn av den feilaktige troen på den tiden at plutonium ville være det siste grunnstoffet i det periodiske systemet, ble grunnstoffet kalt "plutonium" til ære for oppdagelsen av den siste planeten i solsystemet.
Første studier
Etter flere måneder med innledende forskning begynte kjemien til plutonium å bli ansett som lik kjemien til uran. Ytterligere forskning ble fortsatt i det hemmelige metallurgiske laboratoriet ved University of Chicago. Takket være Cunningham og Werner, 18. august 1942, ble det første mikrogrammet av ren plutoniumforbindelse isolert fra 90 kg uranylnitrat bestrålt med nøytroner i en syklotron. Den 10. september 1942 - etter en måned, hvor forskerne økte mengden av forbindelsen - fant en veiing sted. Denne historiske prøven veide 2,77 mikrogram og besto av plutoniumdioksid; for tiden plassert i Lawrence Hall i Berkeley. Ved slutten av 1942 hadde 500 mikrogram av elementets salt blitt samlet. For å studere det nye elementet mer detaljert, ble det dannet flere grupper i USA:
- en gruppe forskere som skulle isolere rent plutonium ved hjelp av kjemiske metoder,
- en gruppe som studerte oppførselen til plutonium i løsninger, inkludert studiet av dets oksidasjonstilstander, ioniseringspotensialer og reaksjonskinetikk,
- en gruppe som studerte kjemien til kompleksdannelse av plutoniumioner og andre grupper.
Forskning har bestemt at plutonium kan eksistere i oksidasjonstilstander fra 3 til 6, og at lavere oksidasjonstilstander har en tendens til å være mer stabile sammenlignet med neptunium. Samtidig ble likheten mellom de kjemiske egenskapene til plutonium og neptunium etablert. I 1942 viste en overraskende oppdagelse av Stan Thomson, medlem av Glenn Seaborgs gruppe, at fireverdig plutonium ble produsert i store mengder når det var i en sur løsning i nærvær av vismutfosfat. Dette førte senere til studiet og anvendelsen av vismutfosfatmetoden for plutoniumekstraksjon. I november 1943 ble noen mengder plutoniumfluorid separert for å få en ren prøve av grunnstoffet i form av noen mikrogram fint pulver. Deretter ble det tatt prøver som kunne sees med det blotte øye.
Den første syklotronen i USSR pleide å produsere plutonium.
I USSR begynte de første eksperimentene med produksjon av Pu i 1943-1944. under ledelse av akademikerne I.V. Kurchatov og V.G. Khlopin. I løpet av kort tid ble det utført omfattende forskning på egenskapene til plutonium i USSR. I begynnelsen av 1945, ved den første syklotronen i Europa, bygget i 1937 ved Radium Institute, ble den første sovjetiske prøven av plutonium oppnådd ved nøytronbestråling av urankjerner. I byen Ozyorsk begynte byggingen av den første industrielle atomreaktoren for produksjon av plutonium i 1945, det første anlegget til Mayak Production Association, som ble lansert 19. juni 1948.
Produksjon ved Manhattan Project
De viktigste stedene for Manhattan-prosjektet.
Manhattan-prosjektet begynte med et brev fra Einstein til Roosevelt. Brevet trakk presidentens oppmerksomhet til det faktum at Nazi-Tyskland drev aktiv forskning, som et resultat av at det snart kunne skaffe seg en atombombe. I august 1939 ba Leo Sillard om en signatur i et brev til vennen Albert Einstein. Som et resultat av Franklin Roosevelts positive respons ble Manhattan-prosjektet senere dannet i USA.
Under andre verdenskrig var målet med prosjektet å lage en atombombe. Utkastet til atomprogram, som Manhattan-prosjektet ble dannet fra, ble godkjent og samtidig opprettet ved dekret fra USAs president 9. oktober 1941. Manhattan-prosjektet startet sin virksomhet 12. august 1942. De tre hovedmålene var:
- Plutoniumproduksjon ved Hanford-komplekset
- Anrikning av uran i Oak Ridge, Tennessee
- Forskning innen atomvåpen og strukturen til atombomben ved Los Alamos National Laboratory
Et minnefotografi av forskerne som deltok i Chicago Woodpile-1. Forreste rad, andre fra høyre: Leo Sillard; først fra venstre: Enrico Fermi.
Den første atomreaktoren som gjorde det mulig å produsere store mengder av grunnstoffet sammenlignet med syklotroner, var Chicago Woodpile-1. Den ble tatt i bruk 2. desember 1942, takket være Enrico Fermi og Leo Sillard; På denne dagen ble den første selvopprettholdende kjernefysiske kjedereaksjonen utført. Uran-238 og uran-235 ble brukt til å produsere plutonium-239. Reaktoren ble bygget under tribunene til University of Chicagos Stagg Field. Den besto av 6 tonn uranmetall, 34 tonn uranoksyd og 400 tonn "svarte murstein" av grafitt. Det eneste som kunne stoppe den kjernefysiske kjedereaksjonen var kadmiumstaver, som er gode til å fange opp termiske nøytroner og som et resultat kan forhindre en mulig ulykke. På grunn av mangelen på strålebeskyttelse og kjøling var dens vanlige effekt bare 0,5...200 W.
Arbeidere ved X-10 Graphite Reactor.
Den andre reaktoren som gjorde det mulig å produsere plutonium-239 var X-10 Graphite Reactor. Den ble tatt i bruk 4. november 1943 i byen Oak Ridge, og ligger for tiden på territoriet til Oak Ridge National Laboratory. Denne reaktoren var den andre i verden etter Chicago Woodpile 1 og den første reaktoren som ble opprettet som en fortsettelse av Manhattan-prosjektet. Reaktoren var det første skrittet mot etableringen av kraftigere atomreaktorer, det vil si at den var eksperimentell. Slutten på hans arbeid kom i 1963; har vært åpen for publikum siden 1980-tallet og er en av de eldste atomreaktorene i verden.
5. april 1944 mottok Emilio Segre de første prøvene av plutonium produsert i X-10-reaktoren. I løpet av 10 dager oppdaget han at konsentrasjonen av plutonium-240 i reaktoren var svært høy sammenlignet med syklotroner. Denne isotopen har en meget høy evne til spontan fisjon, noe som resulterer i en økning i den generelle bakgrunnen for nøytronbestråling. På dette grunnlaget ble det konkludert med at bruk av høyrent plutonium i en atombombe av pistoltype, spesielt i Thin Bomb, kunne føre til for tidlig detonasjon. På grunn av det faktum at teknologien for å utvikle atombomber ble stadig bedre, ble det funnet at for en atomladning er det best å bruke kjernefysisk materiale i form av kuler.
Bygging av B-reaktoren, den første atomreaktoren som er i stand til å produsere plutonium i industriell skala.
Den første kommersielle atomreaktoren som produserer Pu er Reactor B, som ligger i USA. Byggingen startet i juni 1943 og ble avsluttet i september 1944. Reaktoreffekten var på 250 MW. Vann ble brukt som kjølevæske i denne reaktoren for første gang. Reaktor B produserte plutonium-239, som først ble brukt i Trinity-testen. Atommaterialer som ble utvunnet fra denne reaktoren ble brukt i bomben som ble sluppet over Nagasaki 9. august 1945. Den ferdige reaktoren ble stengt i februar 1968 og ligger i ørkenregionen i delstaten Washington, nær byen Richland.
Hanford-komplekset. Reaktorer B, D, F osv. er plassert langs elven i øvre del av diagrammet.
Under Manhattan-prosjektet ble det opprettet mange områder ved Hanford-komplekset for produksjon, lagring, prosessering og bruk av kjernefysiske materialer. Disse gravstedene inneholder omtrent 205 kg plutoniumisotoper. Flere områder ble dannet for å lagre ni atomreaktorer som produserte det kjemiske elementet, en rekke hjelpebygninger som forurenset miljøet. Andre av disse områdene ble opprettet med det formål å skille plutonium og uran fra urenheter med kjemiske midler. Ved stenging av dette komplekset ble mer enn 20 tonn plutonium i trygge former kastet.
I 2004, som et resultat av utgravninger, ble det oppdaget begravelser på territoriet til Hanford-komplekset. Blant dem ble det funnet plutonium av våpenkvalitet, som var i et glasskar. Denne prøven av plutonium av våpenkvalitet viste seg å være den lengstlevende og ble studert av Pacific National Laboratory. Resultatene viste at denne prøven ble laget ved X-10 grafittreaktoren i 1944.
En av prosjektdeltakerne var involvert i hemmelig overføring av tegninger på prinsippene for uran- og plutoniumbomber, samt prøver av uran-235 og plutonium-239.
Trinity og Fatman
Den første atomprøvesprengningen, kalt Trinity, fant sted 16. juli 1945 nær Alamogordo, New Mexico, og brukte plutonium som atomvåpen. The Thing brukte vanlige linser for å komprimere plutoniumet for å nå kritisk masse. Denne enheten ble laget for å teste en ny type atombombe, Fat Man, basert på plutonium. Samtidig begynte nøytroner å strømme fra Hedgehog for en kjernefysisk reaksjon. Enheten var laget av polonium og beryllium; denne kilden ble brukt i den første generasjonen av atombomber, siden denne sammensetningen på den tiden ble ansett som den eneste kilden til nøytroner. Hele denne sammensetningen gjorde det mulig å oppnå en kraftig atomeksplosjon. Den totale massen til bomben som ble brukt i Trinity-atomprøven var 6 tonn, selv om bombekjernen bare inneholdt 6,2 kg plutonium, og den estimerte høyden for eksplosjonen over byen var 225-500 m. Omtrent 20 % av plutoniumet som ble brukt i denne bomben var 20.000 tonn i TNT-ekvivalent.
Fat Man-bomben ble sluppet på Nagasaki 9. august 1945. Eksplosjonen drepte øyeblikkelig 70 tusen mennesker og skadet ytterligere 100 tusen. Den hadde en lignende mekanisme: en kjerne laget av plutonium ble plassert i et sfærisk aluminiumsskall, som var foret med kjemiske eksplosiver. Under detonasjonen av granaten ble plutoniumladningen komprimert på alle sider og dens tetthet oversteg den kritiske verdien, hvoretter en kjernefysisk kjedereaksjon begynte. Babyen, som ble sluppet ned på Hiroshima tre dager tidligere, brukte uran-235, men ikke plutonium. Japan signerte en overgivelsesavtale 15. august. Etter disse hendelsene ble det publisert en rapport i media om bruken av et nytt kjemisk radioaktivt grunnstoff, plutonium.
Kald krig
Store mengder plutonium ble produsert under den kalde krigen av USA og Sovjetunionen. De amerikanske reaktorene ved Savannah River Site og Hanford produserte 103 tonn plutonium under krigen, mens USSR produserte 170 tonn plutonium av våpenkvalitet. I dag produseres rundt 20 tonn plutonium i kjernekraft som et biprodukt av kjernefysiske reaksjoner. For hver 1000 tonn plutonium i lagringsanlegg, er det 200 tonn plutonium utvunnet fra atomreaktorer. Fra og med 2007 estimerte SIIPM den globale mengden plutonium til 500 tonn, som er omtrent likt fordelt mellom våpen og energibehov.
Foreslått utforming av et lagringsanlegg for atomavfallstunnel ved Yucca Mountain-depotet.
Umiddelbart etter slutten av den kalde krigen ble alle atomlagre et spørsmål om atomspredning. For eksempel, i USA ble to-tonns blokker smeltet sammen fra plutonium utvunnet fra atomvåpen, der elementet er i form av inert plutoniumoksid. Disse blokkene er glasert med borosilikatglass som inneholder zirkonium og gadolinium. Disse blokkene ble deretter dekket med rustfritt stål og begravd 4 km under jorden. Lokale og statlige myndigheter i USA tillot ikke at atomavfall ble dumpet ved Yucca Mountain. I mars 2010 besluttet amerikanske myndigheter å tilbakekalle lisensen for retten til å lagre atomavfall. Barack Obama foreslo en overhaling av retningslinjer for avfallslagring og anbefalinger for utvikling av nye og effektive metoder for å kontrollere brukt brensel og avfall.
Medisinske eksperimenter
Gjennom andre verdenskrig og etter slutten, utførte forskere eksperimenter på dyr og mennesker ved å injisere intravenøse doser av plutonium. Dyrestudier har vist at noen få milligram plutonium per kilo vev er en dødelig dose. "Standard" dosen var 5 mikrogram plutonium, og i 1945 ble dette tallet redusert til 1 mikrogram på grunn av det faktum at plutonium har en tendens til å samle seg i bein og derfor er farligere enn radium.
Atten tester av plutonium på mennesker ble utført uten forhåndssamtykke for å finne ut hvor og hvordan plutonium er konsentrert i menneskekroppen og for å utvikle sikkerhetsstandarder for håndteringen. De første stedene hvor eksperimenter ble utført som en del av Manhattan-prosjektet var: Hanford, Berkeley, Los Alamos, Chicago, Oak Ridge, Rochester.
Kjemi
Plutonium Pu - grunnstoff nr. 94 er forbundet med veldig store forhåpninger og veldig stor frykt for menneskeheten. I disse dager er det et av de viktigste, strategisk viktige elementene. Det er det dyreste av de teknisk viktige metallene – det er mye dyrere enn sølv, gull og platina. Han er virkelig verdifull.
Bakgrunn og historie
I begynnelsen var det protoner - galaktisk hydrogen. Som et resultat av dens kompresjon og påfølgende kjernefysiske reaksjoner, ble de mest utrolige "blokkene" av nukleoner dannet. Blant dem, disse "blokkene", var det tilsynelatende de som inneholdt 94 protoner. Teoretikeres anslag tyder på at rundt 100 nukleonformasjoner, som inkluderer 94 protoner og fra 107 til 206 nøytroner, er så stabile at de kan betraktes som kjernene til isotoper av grunnstoff nr. 94.
Men alle disse isotopene - hypotetiske og reelle - er ikke så stabile at de overlever til i dag siden dannelsen av elementene i solsystemet. Halveringstiden til den lengstlevende isotopen til grunnstoff nr. 94 er 81 millioner år. Galaksens alder måles i milliarder av år. Følgelig hadde det "urgamle" plutoniumet ingen sjanse til å overleve til i dag. Hvis det ble dannet under den store syntesen av elementene i universet, så "utdøde" de gamle atomene i det for lenge siden, akkurat som dinosaurer og mammuter ble utryddet.
På 1900-tallet ny æra, AD, ble dette elementet gjenskapt. Av de 100 mulige isotopene av plutonium er det syntetisert 25. De kjernefysiske egenskapene til 15 av dem er studert. Fire har funnet praktisk anvendelse. Og den ble åpnet ganske nylig. I desember 1940, da uran ble bestrålt med tunge hydrogenkjerner, oppdaget en gruppe amerikanske radiokjemikere ledet av Glenn T. Seaborg en tidligere ukjent alfapartikkelutsender med en halveringstid på 90 år. Denne emitteren viste seg å være isotopen til grunnstoff nr. 94 med et massetall på 238. Samme år, men noen måneder tidligere, ble E.M. McMillan og F. Abelson oppnådde det første grunnstoffet tyngre enn uran, grunnstoffnummer 93. Dette grunnstoffet ble kalt neptunium, og grunnstoff 94 ble kalt plutonium. Historikeren vil definitivt si at disse navnene har sin opprinnelse i romersk mytologi, men i hovedsak er opprinnelsen til disse navnene snarere ikke mytologisk, men astronomisk.
Grunnstoffene nr. 92 og 93 er oppkalt etter de fjerne planetene i solsystemet - Uranus og Neptun, men Neptun er ikke den siste i solsystemet, enda lenger ligger banen til Pluto - en planet som nesten ingenting fortsatt er kjent om. .. En lignende konstruksjon Vi ser også på "venstre flanke" av det periodiske system: uran - neptunium - plutonium, men menneskeheten vet mye mer om plutonium enn om Pluto. Forresten, astronomer oppdaget Pluto bare ti år før syntesen av plutonium - nesten samme tidsperiode skilte funnene til Uranus - planeten og uran - elementet.
Gåter for kryptografer
Den første isotopen av grunnstoff nr. 94, plutonium-238, har funnet praktisk anvendelse i disse dager. Men på begynnelsen av 40-tallet tenkte de ikke engang på det. Det er mulig å få tak i plutonium-238 i mengder av praktisk interesse bare ved å stole på den kraftige atomindustrien. På den tiden var det bare i sin spede begynnelse. Men det var allerede klart at ved å frigjøre energien inneholdt i kjernene til tunge radioaktive elementer, var det mulig å skaffe våpen med enestående kraft. Manhattan-prosjektet dukket opp, som ikke hadde noe mer enn et navn til felles med det berømte New York-området. Dette var det generelle navnet på alt arbeid knyttet til opprettelsen av de første atombombene i USA. Det var ikke en vitenskapsmann, men en militærmann, general Groves, som ble utnevnt til sjef for Manhattan-prosjektet, som «kjærlig» kalte sine høyt utdannede anklager «knekte potter».
Lederne for "prosjektet" var ikke interessert i plutonium-238. Dens kjerner, som kjernene til alle plutoniumisotoper med jevne massetall, er ikke spaltbare av lavenerginøytroner, så den kan ikke tjene som et kjernefysisk eksplosiv. Likevel kom de første lite klare rapportene om elementer nr. 93 og 94 på trykk først våren 1942.
Hvordan kan vi forklare dette? Fysikere forsto: syntesen av plutoniumisotoper med odde massetall var et spørsmål om tid, og ikke for lang. Odd isotoper ble forventet å, i likhet med uran-235, kunne støtte en kjernefysisk kjedereaksjon. Noen mennesker så dem som potensielle atomeksplosiver, som ennå ikke var mottatt. Og disse forhåpningene plutonium, dessverre rettferdiggjorde han det.
I datidens kryptering ble element nr. 94 ikke kalt noe mer enn... kobber. Og når behovet oppsto for selve kobber (som et strukturelt materiale for noen deler), så dukket det opp i kodene, sammen med "kobber", "ekte kobber".
"Treet til kunnskap om godt og ondt"
I 1941 ble den viktigste isotopen av plutonium oppdaget - en isotop med massenummer 239. Og nesten umiddelbart ble teoretikernes spådom bekreftet: plutonium-239-kjerner ble spaltet av termiske nøytroner. Dessuten ble det produsert ikke mindre antall nøytroner under fisjoneringen enn under fisjonen av uran-235. Måter å oppnå denne isotopen i store mengder ble umiddelbart skissert ...
År har gått. Nå er det ingen hemmelighet for noen at atombombene som er lagret i arsenaler er fylt med plutonium-239, og at disse bombene er nok til å forårsake uopprettelig skade på alt liv på jorden.
Det er en utbredt oppfatning at menneskeheten tydeligvis hadde det travelt med oppdagelsen av den kjernefysiske kjedereaksjonen (den uunngåelige konsekvensen var opprettelsen av en atombombe). Du kan tenke annerledes eller late som du tenker annerledes - det er mer behagelig å være optimist. Men selv optimister står uunngåelig overfor spørsmålet om forskernes ansvar. Vi husker den triumferende junidagen 1954, dagen da det første atomkraftverket i Obninsk slo seg på. Men vi kan ikke glemme morgenen august 1945 - "morgenen til Hiroshima", "den svarte dagen til Albert Einstein"... Vi husker de første etterkrigsårene og den voldsomme atomutpressingen - grunnlaget for amerikansk politikk i disse årene . Men har ikke menneskeheten opplevd mange problemer de påfølgende årene? Dessuten ble disse bekymringene forsterket mange ganger av bevisstheten om at hvis en ny verdenskrig brøt ut, ville atomvåpen bli brukt.
Her kan du prøve å bevise at oppdagelsen av plutonium ikke tilførte frykt til menneskeheten, at det tvert imot bare var nyttig.
La oss si at det skjedde at plutonium av en eller annen grunn, eller som de ville si i gamle dager, etter Guds vilje, var utilgjengelig for forskere. Ville vår frykt og bekymring da reduseres? Ingenting skjedde. Atombomber ville bli laget av uran-235 (og i ikke mindre mengde enn fra plutonium), og disse bombene ville «spise opp» enda større deler av budsjettene enn nå.
Men uten plutonium ville det ikke vært noen utsikter for fredelig bruk av atomenergi i stor skala. Det ville rett og slett ikke være nok uran-235 for et "fredelig atom". Det onde menneskeheten ble påført ved oppdagelsen av atomenergi ville ikke balanseres, selv delvis, av prestasjonene til det "gode atomet."
Hvordan måle, hva sammenligne med
Når en plutonium-239 kjerne deles av nøytroner i to fragmenter med omtrent lik masse, frigjøres omtrent 200 MeV energi. Dette er 50 millioner ganger mer energi som frigjøres i den mest kjente eksoterme reaksjonen C + O 2 = CO 2. "Brent" i en atomreaktor gir et gram plutonium 2107 kcal. For ikke å bryte tradisjonen (og i populære artikler måles energien til kjernebrensel vanligvis i ikke-systemiske enheter - tonn kull, bensin, trinitrotoluen, etc.), merker vi også: dette er energien som finnes i 4 tonn av kull. Og et vanlig fingerbøl inneholder en mengde plutonium som energimessig tilsvarer førti billass med god bjørkeved.
Den samme energien frigjøres under fisjon av uran-235-kjerner av nøytroner. Men hoveddelen av naturlig uran (99,3 %) er isotopen 238 U, som kun kan brukes ved å gjøre uran om til plutonium...
Energi av steiner
La oss vurdere energiressursene som finnes i naturlige uranreserver.
Uran er et sporstoff og finnes nesten overalt. Alle som har besøkt for eksempel Karelen, vil nok huske granittblokker og kystklipper. Men få mennesker vet at et tonn granitt inneholder opptil 25 g uran. Granitter utgjør nesten 20 % av vekten av jordskorpen. Hvis vi bare teller uran-235, så inneholder et tonn granitt 3,5-105 kcal energi. Det er mye, men...
Å bearbeide granitt og utvinne uran fra den krever å bruke en enda større mengde energi - omtrent 106-107 kcal/t. Nå, hvis det var mulig å bruke ikke bare uran-235, men også uran-238 som energikilde, så kunne granitt i det minste betraktes som et potensielt energiråmateriale. Da vil energien som oppnås fra et tonn stein være fra 8-107 til 5-108 kcal. Dette tilsvarer 16-100 tonn kull. Og i dette tilfellet kan granitt gi mennesker nesten en million ganger mer energi enn alle de kjemiske drivstoffreservene på jorden.
Men uran-238-kjerner spalter ikke av nøytroner. Denne isotopen er ubrukelig for kjernekraft. Mer presist ville det være ubrukelig om det ikke kunne omdannes til plutonium-239. Og det som er spesielt viktig: praktisk talt ingen energi trenger å brukes på denne kjernefysiske transformasjonen - tvert imot, energi produseres i denne prosessen!
La oss prøve å finne ut hvordan dette skjer, men først noen få ord om naturlig plutonium.
400 tusen ganger mindre enn radium
Det har allerede blitt sagt at isotoper av plutonium ikke har blitt bevart siden syntesen av elementer under dannelsen av planeten vår. Men dette betyr ikke at det ikke er plutonium i jorden.
Det dannes hele tiden i uranmalm. Ved å fange nøytroner fra kosmisk stråling og nøytroner produsert ved spontan fisjon av uran-238-kjerner, blir noen - svært få - atomer av denne isotopen til atomer av uran-239. Disse kjernene er svært ustabile, de sender ut elektroner og øker dermed ladningen. Neptunium, det første transuranelementet, dannes. Neptunium-239 er også svært ustabil, og kjernene sender ut elektroner. På bare 56 timer blir halvparten av neptunium-239 til plutonium-239, hvis halveringstid allerede er ganske lang - 24 tusen år.
Hvorfor utvinnes ikke plutonium fra uranmalm?? Lav, for lav konsentrasjon. "Produksjon per gram - arbeidskraft per år" - dette handler om radium, og plutonium i malm er 400 tusen ganger mindre enn radium. Derfor er det ekstremt vanskelig ikke bare å utvinne, men til og med å oppdage "jordisk" plutonium. Dette ble gjort først etter at de fysiske og kjemiske egenskapene til plutonium produsert i atomreaktorer ble studert.
Plutonium akkumuleres i atomreaktorer. I kraftige nøytronstrømmer skjer den samme reaksjonen som i uranmalm, men hastigheten for dannelse og akkumulering av plutonium i reaktoren er mye høyere - en milliard milliarder ganger. For reaksjonen med å konvertere ballast uran-238 til energikvalitetsplutonium-239, skapes optimale (innenfor akseptable) forhold.
Hvis reaktoren opererer på termiske nøytroner (husk at hastigheten deres er omtrent 2000 m per sekund, og energien deres er en brøkdel av en elektronvolt), så oppnås en mengde plutonium fra en naturlig blanding av uranisotoper som er litt mindre enn mengde "utbrent" uran-235. Litt, men mindre, pluss de uunngåelige tapene av plutonium under dets kjemiske separasjon fra bestrålt uran. I tillegg opprettholdes den kjernefysiske kjedereaksjonen i den naturlige blandingen av uranisotoper bare inntil en liten del av uran-235 er konsumert. Derav den logiske konklusjonen: en "termisk" reaktor som bruker naturlig uran - hovedtypen av reaktorer i drift - kan ikke sikre utvidet reproduksjon av kjernebrensel. Men hva er lovende da? For å svare på dette spørsmålet, la oss sammenligne forløpet av kjernefysisk kjedereaksjon i uran-235 og plutonium-239 og introdusere et annet fysisk konsept i diskusjonene våre.
Den viktigste egenskapen til ethvert kjernebrensel er det gjennomsnittlige antallet nøytroner som sendes ut etter at kjernen har fanget ett nøytron. Fysikere kaller det eta-tallet og betegner det med den greske bokstaven q. I "termiske" reaktorer på uran observeres følgende mønster: hvert nøytron genererer et gjennomsnitt på 2,08 nøytroner (η = 2,08). Plutonium plassert i en slik reaktor under påvirkning av termiske nøytroner gir η = 2,03. Men det finnes også reaktorer som opererer på raske nøytroner. Det er nytteløst å laste en naturlig blanding av uranisotoper inn i en slik reaktor: en kjedereaksjon vil ikke oppstå. Men hvis "råmaterialet" er anriket med uran-235, kan det utvikles i en "rask" reaktor. I dette tilfellet vil c allerede være lik 2,23. Og plutonium, utsatt for rask nøytronbrann, vil gi η lik 2,70. Vi vil ha "ekstra halvt nøytron" til rådighet. Og dette er slett ikke lite.
La oss se hva de resulterende nøytronene brukes på. I enhver reaktor er det nødvendig med ett nøytron for å opprettholde en kjernefysisk kjedereaksjon. 0,1 nøytroner absorberes av konstruksjonsmaterialene til installasjonen. "Overskuddet" brukes til å akkumulere plutonium-239. I det ene tilfellet er "overskuddet" 1,13, i det andre er det 1,60. Etter "brenning" av et kilo plutonium i en "rask" reaktor, frigjøres kolossal energi og 1,6 kg plutonium akkumuleres. Og uran i en "rask" reaktor vil gi samme energi og 1,1 kg nytt kjernebrensel. I begge tilfeller er utvidet reproduksjon tydelig. Men vi må ikke glemme økonomien.
På grunn av en rekke tekniske årsaker tar reproduksjonssyklusen for plutonium flere år. La oss si fem år. Dette betyr at mengden plutonium per år vil øke med kun 2 % hvis η=2,23, og med 12 % hvis η=2,7! Kjernebrensel er kapital, og enhver kapital bør gi for eksempel 5 % per år. I det første tilfellet er det store tap, og i det andre er det store overskudd. Dette primitive eksemplet illustrerer "vekten" av hver tiende av et tall i kjernekraft.
Noe annet er også viktig. Atomkraft må holde tritt med økende energibehov. Beregninger viser at betingelsen hans er oppfylt i fremtiden først når η nærmer seg tre. Hvis utviklingen av kjernefysiske energikilder henger etter samfunnets energibehov, vil det være to alternativer igjen: enten «bremse fremdriften» eller ta energi fra andre kilder. De er kjent: termonukleær fusjon, utslettelsesenergi av materie og antimaterie, men er ennå ikke teknisk tilgjengelig. Og det er ikke kjent når de vil bli virkelige energikilder for menneskeheten. Og energien til tunge kjerner har lenge blitt en realitet for oss, og i dag har plutonium, som den viktigste "leverandøren" av atomenergi, ingen seriøse konkurrenter, bortsett fra kanskje uran-233.
Summen av mange teknologier
Når den nødvendige mengden plutonium som følge av kjernefysiske reaksjoner har samlet seg i uran, må det separeres ikke bare fra selve uranet, men også fra fisjonsfragmenter - både uran og plutonium, brent opp i kjernekjedereaksjonen. I tillegg inneholder uran-plutonium-massen også en viss mengde neptunium. De vanskeligste tingene å skille er plutonium fra neptunium og sjeldne jordartselementer (lantanider). Plutonium, som et kjemisk grunnstoff, har vært uheldig til en viss grad. Fra et kjemikers synspunkt er hovedelementet i kjernekraft bare ett av fjorten aktinider. Som sjeldne jordartsmetaller er alle elementene i aktiniumserien veldig like hverandre i kjemiske egenskaper; strukturen til de ytre elektronskallene til atomene til alle elementene fra aktinium til 103 er den samme. Det som er enda mer ubehagelig er at de kjemiske egenskapene til aktinider ligner egenskapene til sjeldne jordartselementer, og blant fisjonsfragmentene av uran og plutonium er det mer enn nok lantanider. Men da kan element 94 være i fem valenstilstander, og dette "søter pillen" - det hjelper å skille plutonium fra både uran og fisjonsfragmenter.
Valensen til plutonium varierer fra tre til syv. Kjemisk er de mest stabile (og derfor de vanligste og mest studerte) forbindelsene fireverdig plutonium.
Separasjonen av aktinider med lignende kjemiske egenskaper - uran, neptunium og plutonium - kan være basert på forskjellen i egenskapene til deres tetra- og seksverdige forbindelser.
Det er ikke nødvendig å beskrive i detalj alle stadiene i den kjemiske separasjonen av plutonium og uran. Vanligvis begynner deres separasjon med oppløsningen av uranstenger i salpetersyre, hvoretter uran-, neptunium-, plutonium- og fragmenteringselementene i løsningen "separeres", ved bruk av tradisjonelle radiokjemiske metoder for dette - utfelling, ekstraksjon, ionebytting og andre . De endelige plutoniumholdige produktene av denne flertrinnsteknologien er dens dioksid PuO 2 eller fluorider - PuF 3 eller PuF 4. De reduseres til metall med barium-, kalsium- eller litiumdamp. Plutoniumet som oppnås i disse prosessene er imidlertid ikke egnet for rollen som et strukturelt materiale - drivstoffelementer til atomkraftreaktorer kan ikke lages av det, og ladningen til en atombombe kan ikke støpes. Hvorfor? Smeltepunktet for plutonium - bare 640°C - er ganske oppnåelig.
Uansett hvilke "ultra-skånsomme" forhold som brukes for å støpe deler av rent plutonium, vil det alltid oppstå sprekker i støpegodset under størkning. Ved 640°C danner størknende plutonium et kubisk krystallgitter. Når temperaturen synker, øker tettheten til metallet gradvis. Men så nådde temperaturen 480°C, og så synker plutselig tettheten av plutonium kraftig. Årsakene til denne anomalien ble oppdaget ganske raskt: ved denne temperaturen blir plutoniumatomer omorganisert i krystallgitteret. Den blir tetragonal og veldig "løs". Slikt plutonium kan flyte i sin egen smelte, som is på vann.
Temperaturen fortsetter å synke, nå har den nådd 451°C, og atomene dannet igjen et kubisk gitter, men plassert i større avstand fra hverandre enn i det første tilfellet. Ved ytterligere avkjøling blir gitteret først ortorhombisk, deretter monoklinisk. Totalt danner plutonium seks forskjellige krystallinske former! To av dem utmerker seg med en bemerkelsesverdig egenskap - en negativ termisk ekspansjonskoeffisient: med økende temperatur utvider metallet seg ikke, men trekker seg sammen.
Når temperaturen når 122°C og plutoniumatomene omorganiserer radene sine for sjette gang, endres tettheten spesielt dramatisk - fra 17,77 til 19,82 g/cm 3 . Mer enn 10 %!
Følgelig avtar volumet av barren. Hvis metallet fortsatt kunne motstå påkjenningene som oppsto ved andre overganger, så er i dette øyeblikk ødeleggelse uunngåelig.
Hvordan lage deler av dette fantastiske metallet? Metallurger leger plutonium (tilfører små mengder av de nødvendige elementene til det) og får støpegods uten en eneste sprekk. De brukes til å lage plutoniumladninger til atombomber. Vekten av ladningen (det bestemmes først og fremst av den kritiske massen til isotopen) er 5-6 kg. Den kunne lett passe inn i en kube med en kantstørrelse på 10 cm.
Tunge isotoper av plutonium
Plutonium-239 inneholder også i små mengder høyere isotoper av dette grunnstoffet - med massetall 240 og 241. 240 Pu-isotopen er praktisk talt ubrukelig - den er ballast i plutonium. Fra 241 oppnås americium - element nr. 95. I sin rene form, uten blanding av andre isotoper, kan plutonium-240 og plutonium-241 oppnås ved elektromagnetisk separasjon av plutonium akkumulert i reaktoren. Før dette blir plutonium i tillegg bestrålt med nøytronflukser med strengt definerte egenskaper. Selvfølgelig er alt dette veldig komplisert, spesielt siden plutonium ikke bare er radioaktivt, men også veldig giftig. Å jobbe med det krever ekstrem forsiktighet.
En av de mest interessante isotopene av plutonium, 242 Pu, kan oppnås ved å bestråle 239 Pu i lang tid i nøytronflukser. 242 Pu fanger svært sjelden nøytroner og "brenner ut" i reaktoren saktere enn andre isotoper; det vedvarer selv etter at de gjenværende isotopene av plutonium nesten fullstendig har blitt til fragmenter eller blitt til plutonium-242.
Plutonium-242 er viktig som "råmateriale" for relativt rask akkumulering av høyere transuranelementer i atomreaktorer. Hvis plutonium-239 blir bestrålt i en konvensjonell reaktor, vil det ta omtrent 20 år å akkumulere mikrogrammengder av for eksempel California-252 fra gram plutonium.
Det er mulig å redusere akkumuleringstiden for høyere isotoper ved å øke intensiteten til nøytronfluksen i reaktoren. Dette er hva de gjør, men da kan du ikke bestråle store mengder plutonium-239. Tross alt er denne isotopen delt av nøytroner, og for mye energi frigjøres i intense strømmer. Ytterligere vanskeligheter oppstår med reaktorkjøling. For å unngå disse vanskelighetene vil det være nødvendig å redusere mengden plutonium som bestråles. Følgelig ville utbyttet av californium igjen bli lite. Ond sirkel!
Plutonium-242 er ikke spaltbart av termiske nøytroner, det kan bestråles i store mengder i intense nøytronflukser... Derfor, i reaktorer, blir alle grunnstoffer fra americium til fermium "laget" fra denne isotopen og akkumulert i vektmengder.
Hver gang forskere klarte å skaffe en ny isotop av plutonium, ble halveringstiden til kjernene målt. Halveringstidene til isotoper av tunge radioaktive kjerner med jevne massetall endres regelmessig. (Dette kan ikke sies om rare isotoper.)
Når massen øker, øker også "levetiden" til isotopen. For flere år siden var høydepunktet på denne grafen plutonium-242. Og hvordan vil så denne kurven gå - med en ytterligere økning i massetallet? Til punkt 1, som tilsvarer en levetid på 30 millioner år, eller til punkt 2, som tilsvarer 300 millioner år? Svaret på dette spørsmålet var svært viktig for geovitenskap. I det første tilfellet, hvis jorden for 5 milliarder år siden helt bestod av 244 Pu, ville nå bare ett atom av plutonium-244 være igjen i hele jordens masse. Hvis den andre antagelsen er sann, kan plutonium-244 være i jorden i konsentrasjoner som allerede kunne påvises. Hvis vi var heldige nok til å finne denne isotopen i jorden, ville vitenskapen motta den mest verdifulle informasjonen om prosessene som fant sted under dannelsen av planeten vår.
Halveringstider for noen isotoper av plutonium
For noen år siden ble forskere møtt med spørsmålet: er det verdt å prøve å finne tungt plutonium i jorden? For å svare på det var det først og fremst nødvendig å bestemme halveringstiden til plutonium-244. Teoretikere kunne ikke beregne denne verdien med den nødvendige nøyaktigheten. Alt håp var bare for eksperimentet.
Plutonium-244 akkumulert i en atomreaktor. Grunnstoff nr. 95 - americium (isotop 243 Am) ble bestrålt. Etter å ha fanget et nøytron, ble denne isotopen til americium-244; americium-244 ble i ett av 10 tusen tilfeller til plutonium-244.
Preparatet av plutonium-244 ble isolert fra en blanding av americium og curium. Prøven veide bare noen få milliondeler av et gram. Men de var nok til å bestemme halveringstiden til denne interessante isotopen. Det viste seg å være lik 75 millioner år. Senere avklarte andre forskere halveringstiden til plutonium-244, men ikke mye - 81 millioner år. I 1971 ble det funnet spor av denne isotopen i det sjeldne jordartsmineralet bastnäsitt.
Mange forsøk har blitt gjort av forskere for å finne en isotop av transuranelementet som lever lenger enn 244 Pu. Men alle forsøk forble forgjeves. På et tidspunkt ble det satt håp til curium-247, men etter at denne isotopen ble samlet i reaktoren, viste det seg at halveringstiden bare er 16 millioner år. Det var ikke mulig å slå rekorden for plutonium-244 - det er den lengstlevende av alle isotoper av transuranelementer.
Selv tyngre isotoper av plutonium gjennomgår beta-forfall, og levetiden deres varierer fra noen få dager til noen få tideler av et sekund. Vi vet med sikkerhet at alle isotoper av plutonium dannes i termonukleære eksplosjoner, opp til 257 Pu. Men levetiden deres er tideler av et sekund, og mange kortlivede isotoper av plutonium er ennå ikke studert.
Mulighetene til den første plutoniumisotopen
Og til slutt - om plutonium-238 - den aller første av de "menneskeskapte" isotopene av plutonium, en isotop som til å begynne med virket lite lovende. Det er faktisk en veldig interessant isotop. Den er utsatt for alfa-forfall, det vil si at dens kjerner spontant avgir alfapartikler - heliumkjerner. Alfa-partikler generert av plutonium-238 kjerner bærer høy energi; spres i materie, blir denne energien til varme. Hvor stor er denne energien? Seks millioner elektronvolt frigjøres fra forfallet av én atomkjernen av plutonium-238. I en kjemisk reaksjon frigjøres den samme energien når flere millioner atomer oksideres. En strømkilde som inneholder ett kilo plutonium-238 utvikler en termisk effekt på 560 watt. Den maksimale effekten til en kjemisk strømkilde med samme masse er 5 watt.
Det er mange emittere med lignende energiegenskaper, men en egenskap ved plutonium-238 gjør denne isotopen uunnværlig. Alfa-forfall er vanligvis ledsaget av sterk gammastråling, som trenger gjennom store lag av materie. 238 Pu er et unntak. Energien til gammastråler som følger med forfallet av kjernene er lav, og det er ikke vanskelig å beskytte mot det: strålingen absorberes av en tynnvegget beholder. Sannsynligheten for spontan fisjon av kjerner i denne isotopen er også lav. Derfor har den funnet anvendelse ikke bare i nåværende kilder, men også i medisin. Batterier som inneholder plutonium-238 tjener som en energikilde i spesielle hjertestimulatorer.
Men 238 Pu er ikke den letteste kjente isotopen av grunnstoff nr. 94, isotoper av plutonium er oppnådd med massetall fra 232 til 237. Halveringstiden til den letteste isotopen er 36 minutter.
Plutonium er et stort tema. Det viktigste er fortalt her. Tross alt har det allerede blitt en standardfrase at kjemien til plutonium har blitt studert mye bedre enn kjemien til slike "gamle" elementer som jern. Det er skrevet hele bøker om de kjernefysiske egenskapene til plutonium. Metallurgien til plutonium er en annen fantastisk del av menneskelig kunnskap... Derfor bør du ikke tro at etter å ha lest denne historien, har du virkelig lært plutonium - det viktigste metallet i det 20. århundre.
- HVORDAN BÆRE PLUTONIUM. Radioaktivt og giftig plutonium krever spesiell forsiktighet under transport. En container ble designet spesielt for transport - en container som ikke blir ødelagt selv i flyulykker. Det er laget ganske enkelt: det er et tykkvegget rustfritt stålkar omgitt av et mahogniskall. Det er klart at plutonium er verdt det, men forestill deg hvor tykke veggene må være hvis du vet at en container for transport av bare to kilo plutonium veier 225 kg!
- GIFT OG MOTID. Den 20. oktober 1977 rapporterte Agence France-Presse at det var funnet en kjemisk forbindelse som kan fjerne plutonium fra menneskekroppen. Noen år senere ble ganske mye kjent om denne forbindelsen. Denne komplekse forbindelsen er et lineært karboksylase katekinamid, et stoff i chelatklassen (fra gresk "chela" - klo). Plutoniumatomet, fritt eller bundet, er fanget i denne kjemiske kloen. I laboratoriemus ble dette stoffet brukt til å fjerne opptil 70 % av absorbert plutonium fra kroppen. Det antas at denne forbindelsen i fremtiden vil bidra til å utvinne plutonium fra både produksjonsavfall og kjernebrensel.
Det er 15 kjente isotoper av plutonium. Den viktigste av disse er Pu-239 med en halveringstid på 24 360 år. Egenvekten til plutonium er 19,84 ved en temperatur på 25°C. Metallet begynner å smelte ved en temperatur på 641°C og koker ved 3232°C. Valensen er 3, 4, 5 eller 6.
Metallet har en sølvfarget fargetone og blir gult når det utsettes for oksygen. Plutonium er et kjemisk reaktivt metall og løses lett opp i konsentrert saltsyre, perklorsyre og jodsyre. Under forfall frigjør metallet varmeenergi.
Plutonium er det andre transuraniske aktinidet som er oppdaget. I naturen kan dette metallet finnes i små mengder i uranmalm.
Plutonium er giftig og krever forsiktig håndtering. Den mest spaltbare isotopen av plutonium har blitt brukt som atomvåpen. Spesielt ble den brukt i en bombe som ble sluppet over den japanske byen Nagasaki.
Dette er en radioaktiv gift som samler seg i benmargen. Flere ulykker, noen dødelige, skjedde mens de eksperimenterte med mennesker for å studere plutonium. Det er viktig at plutoniumet ikke når kritisk masse. I løsning danner plutonium en kritisk masse raskere enn i fast tilstand.
Atomnummer 94 betyr at alle plutoniumatomer er 94. I luft dannes plutoniumoksid på overflaten av metallet. Dette oksidet er pyrofor, så ulmende plutonium vil flimre som aske.
Det er seks allotropiske former for plutonium. Den syvende formen vises ved høye temperaturer.
I en vandig løsning endrer plutonium farge. Ulike nyanser vises på overflaten av metallet når det oksiderer. Oksydasjonsprosessen er ustabil og fargen på plutonium kan endres plutselig.
I motsetning til de fleste stoffer, blir plutonium tettere når det smeltes. I smeltet tilstand er dette elementet mer viskøst enn andre metaller.
Metallet brukes i radioaktive isotoper i termoelektriske generatorer som driver romfartøy. I medisin brukes det til produksjon av elektroniske hjertestimulatorer.
Innånding av plutoniumdamp er helsefarlig. I noen tilfeller kan dette forårsake lungekreft. Inhalert plutonium har en metallisk smak.
Den ble oppdaget i 1940-41 av amerikanske vitenskapsmenn G. Seaborg, E. McMillan, J. Kennedy og A. Wahl, som oppnådde isotopen 238 Pu som et resultat av bestråling av uran med tunge hydrogenkjerner - deuteroner. Oppkalt etter planeten Pluto, i likhet med Plutoniums forgjengere i det periodiske systemet – uran og neptunium, hvis navn også kom fra planetene Uranus og Neptun. Plutoniumisotoper er kjent med massetall fra 232 til 246. Spor av isotopene 247 Pu og 255 Pu ble funnet i støv samlet etter eksplosjoner av termonukleære bomber. Den lengstlevende isotopen av Plutonium er α-radioaktiv 244 Pu (halveringstid T ½ ca. 7,5 10 7 år). T ½-verdiene til alle Plutonium-isotoper er mye mindre enn jordens alder, og derfor forfalt alt primært Plutonium (som eksisterte på planeten vår under dannelsen) fullstendig. Imidlertid dannes det hele tiden små mengder 239 Pu under β-forfallet av 239 Np, som igjen skjer under kjernefysisk reaksjon av uran med nøytroner (for eksempel nøytroner fra kosmisk stråling). Derfor finnes spor av Plutonium i uranmalm.
Plutonium er et skinnende hvitt metall, ved temperaturer fra romtemperatur til 640 ° C (t pl) finnes det i seks allotropiske modifikasjoner. Allotropiske transformasjoner av plutonium er ledsaget av brå endringer i tetthet. En unik egenskap ved metallisk plutonium er at når det varmes opp fra 310 til 480 °C, utvider det seg ikke som andre metaller, men trekker seg sammen. Konfigurasjonen av de tre ytre elektronskallene til Pu-atomet er 5s 2 5p 6 5d 10 5f 6 6s 2 6p 2 7s 2. De kjemiske egenskapene til plutonium ligner på mange måter egenskapene til forgjengerne i det periodiske systemet - uran og neptunium. Plutonium danner forbindelser med oksidasjonstilstander fra +2 til +7. Oksydene PuO, Pu 2 O 3, PuO 2 og fasen med variabel sammensetning Pu 2 O 3 - Pu 4 O 7 er kjent. I forbindelser med halogener har plutonium vanligvis +3-oksidasjonstilstanden, men halogenidene PuF 4, PuF 6 og PuCl 4 er også kjent. I løsninger finnes Plutonium i formene Pu 3+, Pu 4+, PuO 2 (plutonylion), PuO 2+ (plutonylion) og PuO s 3-, tilsvarende oksidasjonstilstander fra +3 til +7. Disse ionene (bortsett fra PuO 3-5) kan være i løsningen samtidig i likevekt. Plutoniumioner i alle oksidasjonstilstander er utsatt for hydrolyse og kompleksdannelse.
Av alle isotoper av Plutonium er den viktigste α-radioaktive 239 Pu (T ½ = 2,4 10 4 år). 239 Pu-kjerner er i stand til en kjedefisjonsreaksjon under påvirkning av nøytroner, derfor kan 239 Pu brukes som en kilde til atomenergi (energien som frigjøres under fisjon av 1 g av 239 Pu tilsvarer varmen som frigjøres under forbrenningen på 4000 kg kull). I USSR begynte de første eksperimentene med produksjon av 239 Pu i 1943-44 under ledelse av akademikerne I.V. Kurchatov og V.G. Khlopin. For første gang i USSR ble plutonium isolert fra nøytronbestrålt uran i 1945. Omfattende studier av egenskapene til Plutonium ble utført på ekstremt kort tid, og i 1949 begynte det første anlegget for radiokjemisk separasjon av Plutonium å operere i USSR.
Industriell produksjon av 239 Pu er basert på samspillet mellom 238 U-kjerner og nøytroner i atomreaktorer. Den påfølgende separasjonen av Pu fra U, Np og høyradioaktive fisjonsprodukter utføres ved radiokjemiske metoder (samutfelling, ekstraksjon, ionebytting og andre). Plutoniummetall oppnås vanligvis ved å redusere PuF 3 , PuF 4 eller PuCO 2 med barium-, kalsium- eller litiumdamp. Som spaltbart materiale brukes 238 Pu i atomreaktorer og i atom- og termonukleære bomber. 238 Pu-isotopen brukes til fremstilling av atombatterier, hvis levetid når 5 år eller mer. Slike batterier kan for eksempel brukes i strømgeneratorer som stimulerer hjertet.
Plutonium i kroppen. Plutonium er konsentrert av marine organismer: dens akkumuleringskoeffisient (det vil si forholdet mellom konsentrasjoner i kroppen og i det ytre miljø) for alger er 1000-9000, for plankton (blandet) - omtrent 2300, for bløtdyr - opptil 380, for sjøstjerner - omtrent 1000, for muskler, bein, lever og mage til fisk - henholdsvis 5, 570, 200 og 1060. Landplanter absorberer plutonium hovedsakelig gjennom rotsystemet og akkumulerer det til 0,01% av massen. I menneskekroppen holdes Plutonium hovedsakelig tilbake i skjelettet og leveren, hvorfra det nesten ikke skilles ut (spesielt fra bein). Den mest giftige 239 Pu forårsaker hematopoietiske lidelser, osteosarkomer og lungekreft. Siden 70-tallet av 1900-tallet har andelen plutonium i radioaktiv forurensning av biosfæren økt (dermed blir bestrålingen av marine virvelløse dyr på grunn av Plutonium større enn på grunn av 90 Sr og 137 Cs).
Plutoniumisotopen 238 Pu ble først kunstig oppnådd 23. februar 1941 av en gruppe amerikanske forskere ledet av G. Seaborg ved å bestråle urankjerner med deuteroner. Først da ble plutonium oppdaget i naturen: 239 Pu finnes vanligvis i ubetydelige mengder i uranmalm som et produkt av radioaktiv omdannelse av uran. Plutonium er det første kunstige grunnstoffet oppnådd i mengder tilgjengelig for veiing (1942) og det første hvis produksjon startet i industriell skala.
Elementets navn fortsetter det astronomiske temaet: det er oppkalt etter Pluto, den andre planeten etter Uranus.
Å være i naturen, motta:
I uranmalm, som et resultat av fangst av nøytroner (for eksempel nøytroner fra kosmisk stråling) av urankjerner, dannes neptunium (239 Np), produktet b- hvis forfall er naturlig plutonium-239. Plutonium dannes imidlertid i så mikroskopiske mengder (0,4-15 deler Pu per 10 12 deler U) at utvinning fra uranmalm er uaktuelt.
Plutonium produseres i atomreaktorer. I kraftige nøytronstrømmer skjer den samme reaksjonen som i uranmalm, men hastigheten for dannelse og akkumulering av plutonium i reaktoren er mye høyere - en milliard milliarder ganger. For reaksjonen med å konvertere ballast uran-238 til energikvalitetsplutonium-239, skapes optimale (innenfor akseptable) forhold.
Plutonium-244 samlet seg også i en atomreaktor. Isotop av element nr. 95 - americium, 243 Am, etter å ha fanget et nøytron, omgjort til americium-244; americium-244 forvandlet til curium, men i ett av 10 tusen tilfeller skjedde en overgang til plutonium-244. Et plutonium-244-preparat som bare veide noen få milliondeler av et gram ble isolert fra en blanding av americium og curium. Men de var nok til å bestemme halveringstiden til denne interessante isotopen - 75 millioner år. Senere ble den foredlet og viste seg å være lik 82,8 millioner år. I 1971 ble det funnet spor av denne isotopen i det sjeldne jordartsmineralet bastnäsitt. 244 Pu er den lengstlevende av alle isotoper av transuranelementer.
Fysiske egenskaper:
Sølvhvitt metall, har 6 allotropiske modifikasjoner. Smeltepunkt 637°C, kokepunkt - 3235°C. Tetthet: 19,82 g/cm3.
Kjemiske egenskaper:
Plutonium er i stand til å reagere med oksygen for å danne oksid(IV), som, som alle de første syv aktinidene, har en svak grunnkarakter.
Pu + O 2 = PuO 2
Reagerer med fortynnede svovelsyre, saltsyre, perklorsyre.
Pu + 2HCl(p) = PuCl2 + H2; Pu + 2H2SO4 = Pu(SO4)2 + 2H2
Reagerer ikke med salpetersyre og konsentrerte svovelsyrer. Valensen til plutonium varierer fra tre til syv. Kjemisk er de mest stabile (og derfor de vanligste og mest studerte) forbindelsene fireverdig plutonium. Separasjonen av aktinider med lignende kjemiske egenskaper - uran, neptunium og plutonium - kan være basert på forskjellen i egenskapene til deres tetra- og seksverdige forbindelser.
De viktigste forbindelsene:
Plutonium(IV)oksid, PuO 2 , har en svak grunnkarakter.
...
...
Applikasjon:
Plutonium ble mye brukt i produksjonen av atomvåpen (såkalt "våpenplutonium"). Den første plutoniumbaserte kjernefysiske enheten ble detonert 16. juli 1945 på teststedet Alamogordo (testkodenavnet Trinity).
Det brukes (eksperimentelt) som kjernebrensel for atomreaktorer for sivile og forskningsformål.
Plutonium-242 er viktig som "råmateriale" for relativt rask akkumulering av høyere transuranelementer i atomreaktorer. Hvis plutonium-239 blir bestrålt i en konvensjonell reaktor, vil det ta omtrent 20 år å akkumulere mikrogrammengder av for eksempel California-251 fra gram plutonium. Plutonium-242 er ikke spaltbart av termiske nøytroner, og selv i store mengder kan det bestråles i intense nøytronstrømmer. Derfor, i reaktorer, er alle elementer fra californium til einsteinium "laget" fra denne isotopen og akkumulert i vektmengder.
Kovalenko O.A.
HF Tyumen State University
Kilder:
"Skadelige kjemikalier: Radioaktive stoffer" Directory L. 1990 s. 197
Rabinovich V.A., Khavin Z.Ya. "En kort kjemisk oppslagsbok" L.: Chemistry, 1977 s. 90, 306-307.
I. Beckman. Plutonium. (lærebok, 2009)