Descrierea plutoniului

Plutoniu(Plutoniul) este un element chimic greu argintiu, un metal radioactiv cu număr atomic 94, care este reprezentat în tabelul periodic prin simbolul Pu.

Acest element chimic activ electronegativ aparține grupului de actinide cu o masă atomică de 244,0642 și, la fel ca neptuniul, care și-a primit numele în onoarea planetei cu același nume, această substanță chimică își datorează numele planetei Pluto, încă de la predecesori. ale elementului radioactiv din tabelul periodic al elementelor chimice al lui Mendeleev sunt și neptuniu, care au fost, de asemenea, numite după planetele cosmice îndepărtate din galaxia noastră.

Originea plutoniului

Element plutoniu a fost descoperit pentru prima dată în 1940 la Universitatea din California de un grup de radiologi și cercetători științifici G. Seaborg, E. McMillan, Kennedy, A. Walch când bombarda o țintă de uraniu de la un ciclotron cu deuteroni - nuclee grele de hidrogen.

În decembrie același an, oamenii de știință au descoperit izotop de plutoniu– Pu-238, al cărui timp de înjumătățire este de peste 90 de ani și s-a constatat că sub influența reacțiilor chimice nucleare complexe se produce inițial izotopul neptunium-238, după care izotopul este deja format plutoniu-238.

La începutul anului 1941, oamenii de știință au descoperit plutoniu 239 cu o perioadă de decădere de 25.000 de ani. Izotopii plutoniului pot avea conținut diferit de neutroni în nucleu.

Un compus pur al elementului a fost obținut abia la sfârșitul anului 1942. De fiecare dată când oamenii de știință radiologi au descoperit un nou izotop, au măsurat întotdeauna timpul de înjumătățire al izotopilor.

În prezent, izotopii de plutoniu, dintre care sunt 15 în total, diferă în ceea ce privește durata de timp jumătate de viață. Cu acest element sunt asociate mari speranțe și perspective, dar, în același timp, temeri serioase ale umanității.

Plutoniul are o activitate semnificativ mai mare decât, de exemplu, uraniul și este una dintre cele mai scumpe substanțe importante din punct de vedere tehnic și semnificative de natură chimică.

De exemplu, costul unui gram de plutoniu este de câteva ori mai mare decât un gram, , sau alte metale la fel de valoroase.

Producția și extracția plutoniului este considerată costisitoare, iar costul unui gram de metal în vremea noastră rămâne cu încredere la aproximativ 4.000 de dolari SUA.

Cum se obține plutoniul? Producția de plutoniu

Producerea elementului chimic are loc în reactoare nucleare, în interiorul cărora uraniul este divizat sub influența unor procese chimice și tehnologice complexe, interdependente.

Uraniul și plutoniul sunt principalele componente ale producției de combustibil atomic (nuclear).

Dacă este necesară obținerea unei cantități mari de element radioactiv, se utilizează metoda de iradiere a elementelor transuranice, care poate fi obținută din combustibil nuclear uzat și iradierea uraniului. Reacțiile chimice complexe permit separarea metalului de uraniu.

Pentru a obține izotopi, și anume plutoniu-238 și plutoniu-239 de calitate pentru arme, care sunt produse intermediare de degradare, se folosește iradierea neptuniului-237 cu neutroni.

O mică fracțiune de plutoniu-244, care este cel mai longeviv izotop datorită timpului său lung de înjumătățire, a fost descoperită în minereul de ceriu, care este probabil păstrat de la formarea planetei noastre Pământ. Acest element radioactiv nu se găsește în mod natural în natură.

Proprietățile fizice de bază și caracteristicile plutoniului

Plutoniul este un element chimic radioactiv destul de greu, cu o culoare argintie, care strălucește doar atunci când este purificat. Nuclear masa de plutoniu metalic egal cu 244 a. mânca.

Datorită radioactivității sale ridicate, acest element este cald la atingere și se poate încălzi până la o temperatură care depășește temperatura de fierbere a apei.

Plutoniul, sub influența atomilor de oxigen, se întunecă rapid și devine acoperit cu o peliculă subțire irizată de galben deschis inițial, apoi o nuanță bogată sau maro.

Cu oxidare puternică, pe suprafața elementului are loc formarea de pulbere de PuO2. Acest tip de metal chimic este supus unor procese puternice de oxidare și coroziune chiar și la niveluri scăzute de umiditate.

Pentru a preveni coroziunea și oxidarea suprafeței metalice, este necesară o instalație de uscare. Fotografie cu plutoniu poate fi vizualizat mai jos.

Plutoniul este un metal chimic tetravalent; se dizolvă bine și rapid în substanțe iodhidrice și medii acide, de exemplu, în acid cloric.

Sărurile metalice sunt rapid neutralizate în medii cu reacție neutră, soluții alcaline, formând în același timp hidroxid de plutoniu insolubil.

Temperatura la care se topește plutoniul este de 641 de grade Celsius, punctul de fierbere este de 3230 de grade.

Sub influența temperaturilor ridicate, apar modificări nenaturale ale densității metalului. În forma sa, plutoniul are diverse faze și are șase structuri cristaline.

În timpul tranziției între faze, apar modificări semnificative ale volumului elementului. Elementul capătă cea mai densă formă în a șasea fază alfa (ultima etapă a tranziției), în timp ce singurele lucruri mai grele decât metalul în această stare sunt neptuniul și radiul.

Când este topit, elementul suferă o comprimare puternică, astfel încât metalul poate pluti pe suprafața apei și a altor medii lichide neagresive.

În ciuda faptului că acest element radioactiv aparține grupului de metale chimice, elementul este destul de volatil, iar atunci când se află într-un spațiu închis pe o perioadă scurtă de timp, concentrația sa în aer crește de câteva ori.

Principalele proprietăți fizice ale metalului includ: gradul scăzut, nivelul de conductivitate termică a tuturor elementelor chimice existente și cunoscute, nivelul scăzut de conductivitate electrică; în stare lichidă, plutoniul este unul dintre cele mai vâscoase metale.

Este de remarcat faptul că orice compuși ai plutoniului sunt toxici, otrăvitori și prezintă un pericol grav de radiație pentru corpul uman, care apare din cauza radiațiilor alfa active, prin urmare toate lucrările trebuie efectuate cu cea mai mare grijă și numai în costume speciale cu protecție chimică. .

Puteți citi mai multe despre proprietățile și teoriile despre originea unui metal unic în carte Obruchev „Plutonia”" Autorul V.A. Obruchev invită cititorii să se cufunde în lumea uimitoare și unică a țării fantastice Plutonia, care este situată adânc în măruntaiele Pământului.

Aplicații ale plutoniului

Elementul chimic industrial este de obicei clasificat în plutoniu de calitate pentru arme și de calitate pentru reactor („de calitate energetică”).

Astfel, pentru producția de arme nucleare, dintre toți izotopii existenți, este permisă utilizarea numai a plutoniului 239, care nu trebuie să conțină mai mult de 4,5% plutoniu 240, deoarece este supus fisiunii spontane, ceea ce complică semnificativ producția de proiectile militare. .

Plutoniu-238 este utilizat pentru operarea surselor de radioizotopi de dimensiuni mici de energie electrică, de exemplu, ca sursă de energie pentru tehnologia spațială.

Cu câteva decenii în urmă, plutoniul era folosit în medicină în stimulatoare cardiace (dispozitive pentru menținerea ritmului cardiac).

Prima bombă atomică creată în lume avea o încărcătură de plutoniu. Plutoniu nuclear(Pu 239) este solicitat ca combustibil nuclear pentru a asigura funcționarea reactoarelor de putere. Acest izotop servește și ca sursă pentru producerea elementelor de transplutoniu în reactoare.

Dacă comparăm plutoniul nuclear cu metalul pur, izotopul are parametri metalici mai mari și nu are faze de tranziție, deci este utilizat pe scară largă în procesul de obținere a elementelor combustibile.

Oxizii izotopului Plutoniu 242 sunt, de asemenea, solicitați ca sursă de energie pentru unitățile, echipamentele și barele de combustibil letale în spațiu.

Plutoniu de calitate pentru arme este un element care se prezintă sub forma unui metal compact care conține cel puțin 93% izotopul Pu239.

Acest tip de metal radioactiv este utilizat în producția de diferite tipuri de arme nucleare.

Plutoniul de calitate pentru arme este produs în reactoare nucleare industriale specializate care funcționează cu uraniu natural sau slab îmbogățit ca urmare a captării neutronilor.

Plutoniul a fost descoperit la sfârșitul anului 1940 la Universitatea din California. A fost sintetizat de McMillan, Kennedy și Wahl prin bombardarea oxidului de uraniu (U 3 O 8) cu nuclee de deuteriu (deuteroni) foarte accelerate într-un ciclotron. Ulterior s-a constatat că această reacție nucleară produce mai întâi izotopul de scurtă durată neptunium-238 și din acesta plutoniu-238 cu un timp de înjumătățire de aproximativ 50 de ani. Un an mai târziu, Kennedy, Seaborg, Segre și Wahl au sintetizat un izotop mai important, plutoniul-239, prin iradierea uraniului cu neutroni foarte accelerați într-un ciclotron. Plutoniul-239 se formează din degradarea neptuniului-239; emite raze alfa și are un timp de înjumătățire de 24.000 de ani. Compusul de plutoniu pur a fost obținut pentru prima dată în 1942. Apoi s-a cunoscut că există plutoniu natural găsit în minereurile de uraniu, în special în minereurile depozitate în Congo.

Denumirea elementului a fost propusă în 1948: McMillan a numit primul element transuranic neptunium datorită faptului că planeta Neptun este prima dincolo de Uranus. Prin analogie, au decis să numească elementul 94 plutoniu, deoarece planeta Pluto este a doua după Uranus. Pluto, descoperit în 1930, și-a primit numele de la numele zeului Pluto, conducătorul lumii interlope în mitologia greacă. La începutul secolului al XIX-lea. Clark a propus denumirea elementului bariu plutoniu, derivând acest nume direct din numele zeului Pluto, dar propunerea sa nu a fost acceptată.

Izotopul plutoniului 238 Pu a fost obținut pentru prima dată artificial pe 23 februarie 1941 de un grup de oameni de știință americani condus de G. Seaborg prin iradierea nucleelor ​​de uraniu cu deuteroni. Abia atunci a fost descoperit plutoniul în natură: 239 Pu se găsește de obicei în cantități neglijabile în minereurile de uraniu ca produs al transformării radioactive a uraniului. Plutoniul este primul element artificial obținut în cantități disponibile pentru cântărire (1942) și primul a cărui producție a început la scară industrială.
Numele elementului continuă tema astronomică: poartă numele lui Pluto, a doua planetă după Uranus.

Fiind în natură, primind:

În minereurile de uraniu, ca urmare a captării neutronilor (de exemplu, neutroni din radiația cosmică) de către nucleele de uraniu, se formează neptuniu (239 Np), produsul b- a cărui descompunere este plutoniul natural-239. Cu toate acestea, plutoniul se formează în cantități atât de microscopice (0,4-15 părți Pu per 10 12 părți U), încât extracția sa din minereurile de uraniu este exclusă.
Plutoniul este produs în reactoare nucleare. În fluxurile puternice de neutroni, are loc aceeași reacție ca și în minereurile de uraniu, dar rata de formare și acumulare a plutoniului în reactor este mult mai mare - de un miliard de miliard de ori. Pentru reacția de transformare a uraniului de balast-238 în plutoniu de calitate energetică-239, sunt create condiții optime (în limita acceptabile).
Plutoniul-244 s-a acumulat și într-un reactor nuclear. Izotopul elementului nr. 95 - americiu, 243 Am, după ce a capturat un neutron, s-a transformat în americiu-244; americiu-244 s-a transformat în curiu, dar într-unul din 10 mii de cazuri a avut loc o tranziție în plutoniu-244. Un preparat de plutoniu-244 cântărind doar câteva milionimi de gram a fost izolat dintr-un amestec de americiu și curiu. Dar au fost suficiente pentru a determina timpul de înjumătățire al acestui izotop interesant - 75 de milioane de ani. Mai târziu a fost rafinat și s-a dovedit a fi egal cu 82,8 milioane de ani. În 1971, au fost găsite urme ale acestui izotop în bastnäsite-ul mineral de pământuri rare. 244 Pu este cel mai longeviv dintre toți izotopii elementelor transuraniului.

Proprietăți fizice:

Metal alb-argintiu, are 6 modificări alotropice. Punct de topire 637°C, punctul de fierbere - 3235°C. Densitate: 19,82 g/cm3.

Proprietăți chimice:

Plutoniul este capabil să reacționeze cu oxigenul pentru a forma oxid (IV), care, la fel ca toate primele șapte actinide, are un caracter de bază slab.
Pu + O 2 = PuO 2
Reacționează cu acizi sulfuric, clorhidric, percloric diluați.
Pu + 2HCI(p) = PuCI2 + H2; Pu + 2H2SO4 = Pu(SO4)2 + 2H2
Nu reacționează cu acizii azotic și sulfuric concentrat. Valența plutoniului variază de la trei la șapte. Din punct de vedere chimic, cei mai stabili (și, prin urmare, cei mai comuni și mai studiați) compuși sunt plutoniul tetravalent. Separarea actinidelor cu proprietăți chimice similare - uraniu, neptunium și plutoniu - se poate baza pe diferența dintre proprietățile compușilor lor tetra- și hexavalenți.

Cele mai importante conexiuni:

Oxid de plutoniu (IV)., PuO 2 , are un caracter de bază slab.
...
...

Aplicație:

Plutoniul a fost utilizat pe scară largă în producția de arme nucleare (așa-numitul „plutoniu de calitate pentru arme”). Primul dispozitiv nuclear pe bază de plutoniu a fost detonat pe 16 iulie 1945 la locul de testare Alamogordo (test cu nume de cod Trinity).
Este folosit (experimental) ca combustibil nuclear pentru reactoare nucleare în scopuri civile și de cercetare.
Plutoniul-242 este important ca „materie primă” pentru acumularea relativ rapidă de elemente transuraniu superioare în reactoarele nucleare. Dacă plutoniul-239 este iradiat într-un reactor convențional, atunci va dura aproximativ 20 de ani pentru a acumula cantități de micrograme de, de exemplu, California-251 din grame de plutoniu. Plutoniul-242 nu este fisionabil de neutroni termici și chiar și în cantități mari poate fi iradiat în fluxuri intense de neutroni. Prin urmare, în reactoare, toate elementele de la californiu la einsteiniu sunt „fabricate” din acest izotop și acumulate în cantități de greutate.

Kovalenko O.A.
Universitatea de Stat HF ​​Tyumen

Surse:
„Sustanțele chimice nocive: Substanțe radioactive” Director L. 1990 p. 197
Rabinovici V.A., Khavin Z.Ya. „A short chemical reference book” L.: Chemistry, 1977 p. 90, 306-307.
ÎN. Beckman. Plutoniu. (manual, 2009)

Plutoniu (plutoniu) Pu, - element chimic radioactiv obtinut artificial, Z=94, masa atomica 244,0642; aparține actinidelor. În prezent, sunt cunoscuți 19 izotopi ai plutoniului. Cel mai ușor dintre ele este 228 Ri (71/2=1,1 s), cel mai greu este ^Pu (7i/ 2 = 2,27 zile), 8 izomeri nucleari. Cel mai stabil izotop este 2A- 236, 238, 239, 240, 242 și 244: 21013, 6.29-11,2.33-10,8.51109, 3.7-12,1.48-8 și respectiv 6.66-uz Bq. Energia medie a radiației a a izotopilor cu A = 236, 238, 239, 240, 242 și 244 este de 5,8, 5,5, 5,1, 5,2, 4,9 și, respectiv, 4,6 MeV. Izotopii ușori ai plutoniului (2 3 2 Pu, 2 34 Pu, 235 Pu, 2 3 7 Pu) sunt supuși captării de electroni. 2 4 "Pi - p-emițător (Ep = 0,0052 MeV). Practic, cel mai important este 2 39Ru (7|/ 2 =2,44-104 ani, a-decay, fisiune spontană (z, my %)) este împărțit sub influența neutronilor lenți și este folosit în reactoare nucleare ca combustibil, iar în bombe atomice ca substanță de încărcare.

Plutoniu-236 (7i/2 =2,85i ani), a-emițător: 5,72 MeV (30,56%) și 5,77 MeV (69,26%), nuclid fiu 2 3 2 U, activitate specifică 540 Ci/ G. Probabilitatea fisiunii spontane kg 6. Viteza de fisiune spontană de 5,8-7 diviziuni la 1 g/oră corespunde unui timp de înjumătățire pentru acest proces de 3,5-109 ani.

Poate fi obținut prin reacții:

Acest izotop se formează și în timpul dezintegrarii emițătorului a 2 4оСш (7i/ 2 =27 zile) și a emițătorului p 23 6m Np (7i/ 2 =22 h). 2 h 6 Ri se descompune în următoarele direcții: a-desintegrare, probabilitate 100% și fisiune spontană (probabilitate

Plutopium-237 (7!/ 2 =45> 2 zile), produs fiică 2 37Np. Poate fi obținut prin bombardarea uraniului natural cu ioni de heliu cu o energie de 40 MeV prin reacții nucleare:

De asemenea, se formează în cantități mici atunci când uraniul este iradiat cu neutroni din reactor. Principalul tip de dezintegrare este captarea electronilor

(99%, emisie caracteristică de raze X, produs fiică ^Np), dar există o degradare pentru a forma 2 zi și o emisie slabă y, timp de înjumătățire 45,2 zile. 2 z7Rts este utilizat în sistemele de monitorizare a randamentului chimic al plutoniului în timpul izolării acestuia din probe de componente ale mediului, precum și pentru studiul metabolismului plutoniului în corpul uman

Plutoniu-238, 7*1/2=87,74 ani, emițător a (energii 5,495(76%), 5,453(24%) și 5,351(0,15%) MeV, emițător slab y (energii de la 0,044 la 0,149 MeV). Activitatea a 1 g din acest nuclid este de ~633,7 GBq (activitate specifică 17 Ci/g); în fiecare secundă în aceeași cantitate de substanță au loc -1200 acte de fisiune spontană.Rata de fisiune spontană este de 5,1-6 fisiuni la 1 g. /oră corespund timpului de înjumătățire pentru acest proces de 3,8-10 10 ani.În acest caz se dezvoltă o putere termică foarte mare: 567 W/kg.G D el = 3,8-10 10 ani.Secțiune transversală a captării neutronilor termici a = 500 barn , secțiunea transversală de fisiune sub influența neutronilor termici este de barn de 18. Are o α-radioactivitate specifică foarte mare (de 283 de ori mai puternică decât ^Pu), ceea ce o face mult mai gravă sursă de neutroni din reacții (a, n).

• 2 h 8Pu se formează ca urmare a următoarelor dezintegrari:
  • (3 -dezintegrarea nuclidului 2 3 8 Np:

2 h 8 Ru se formează în orice reactor nuclear care funcționează cu uraniu natural sau slab îmbogățit, conținând în principal izotopul 2 h 8 u. În acest caz, apar următoarele reacții nucleare:

De asemenea, se formează atunci când uraniul este bombardat cu ioni de heliu cu o energie de 40 MeV:

dezintegrarea are loc în următoarele direcții: a-decay în 2 34U (probabilitate 10%, energie de dezintegrare 5,593 MeV):

energia particulelor alfa emise este de 5,450 Mei (în 2,9% din cazuri; și 5,499 Mei (în 70,91% din cazuri). Probabilitatea de fisiune spontană este de 1,9-7%.

În timpul dezintegrarii a a 2 3 8 Pu, se eliberează 5,5 MeV de energie. Într-o sursă de energie electrică care conține un kilogram de 2-3 8 Ri se dezvoltă o putere termică de ~50 wați. Puterea maximă a unei surse de curent chimic de aceeași masă este de 5 wați. Există mulți emițători cu caracteristici energetice similare, dar o caracteristică a 2 3Ri face ca acest izotop să fie de neînlocuit. De obicei, o degradare este însoțită de o emisie puternică de y. 2 z 8 Ri este o excepție. Energia y-quanta care însoțește dezintegrarea nucleelor ​​sale este scăzută. Probabilitatea fisiunii spontane a nucleelor ​​acestui izotop este de asemenea scăzută. 288 Ri este utilizat pentru fabricarea bateriilor electrice nucleare și a surselor de neutroni, ca surse de energie pentru stimulatoare cardiace, pentru generarea de energie termică în nave spațiale, ca parte a detectoarelor de fum cu radioizotopi etc.

Plutoniu-239, 71/2=2,44-lea 4 ani, a-decay 00%, energie totală de dezintegrare 5,867 MeV, emite a-particule cu energii de 5,15 (69%), 5,453 (24%) și 5,351(0, 15% ) și radiație y slabă, secțiune transversală de captare termică a neutronilor st = 271 barn. Activitate specifică 2,33109 Bq/g. Rata de diviziune spontană de 36 de diviziuni/g/oră corespunde diviziilor de 7” = 5,5-10*5 ani. 1 kg 2 39Ri este echivalent cu 2,2-107 kilowați-oră de energie termică. Explozia a 1 kg de plutoniu este egală cu explozia a 20.000 de tone de TNT. Singurul izotop al plutoniului folosit în armele atomice. 2 39Pu face parte din familia 2P+3. Produsul său de degradare este 2 35U. Acest izotop este fisionat de neutroni termici și este folosit în reactoare nucleare ca combustibil. 2 39Ri se obține în paktop-uri jalopy conform pakpiya:

Secțiune transversală de reacție -455 barn. *39Pu se formează și când

bombardarea uraniului cu deuteroni cu energii peste 8 MeV prin reacții nucleare:

precum și atunci când uraniul este bombardat cu ioni de heliu cu o energie de 40 MeV
diviziune spontană, probabilitate 1,36-10*7%.

Separarea chimică a plutoniului de uraniu este o sarcină relativ mai simplă decât separarea izotopilor de uraniu. Ca urmare, costul plutoniului este de câteva ori mai mic decât costul 2 zzi. Când un nucleu de 2 39Pu este divizat de neutroni în două fragmente de masă aproximativ egală, se eliberează aproximativ 200 MeV de energie. Capabil să mențină o reacție în lanț de fisiune. Timpul de înjumătățire relativ scurt al 2 39Pu (comparativ cu ^u) implică o eliberare semnificativă de energie în timpul dezintegrarii radioactive. 2 39Rc produce 1,92 W/kg. Un bloc de plutoniu bine izolat se încălzește până la o temperatură de peste 100° în două ore și în curând până la punctul de tranziție a-p, ceea ce pune o problemă pentru proiectarea armelor din cauza modificărilor de volum în timpul tranzițiilor de fază ale plutoniului. Activitate specifică 2 39Pu 2,28-12 Bq/g. 2 39Pu este ușor fisionabil de către neutronii termici. Izotopul fisionabil 239 Pu la degradarea completă furnizează energie termică echivalentă cu 25.000.000 kWh/kg. 2 39Pi are o secțiune transversală de fisiune pentru neutroni lenți de 748 barn și o secțiune transversală de captare a radiațiilor de 315 barn. 2 39Pu are secțiuni transversale de împrăștiere și absorbție mai mari decât uraniul și un număr mai mare de neutroni în timpul fisiunii (3,03 neutroni per eveniment de fisiune comparativ cu 2,47 pentru 2 zzi) și, în consecință, o masă critică mai mică. Pure 2 39Pu are o emisie medie de neutroni din fisiunea spontană de -30 neutroni/s-kg (-10 fisiuni/s).-

Plutoniu-240, 71/2=6564 l, dezintegrare a, activitate specifică 8,51-109 Bq/g. Viteza de fisiune spontană 1,6-6 diviziuni/g/oră, Ti/2=i.2-io u l. 24°Pu are o secțiune transversală efectivă de captare a neutronilor de trei ori mai mică decât 239 Pu și în majoritatea cazurilor se transformă în 2 4*Pu.

24op și se formează în timpul dezintegrarii anumitor radionuclizi:

Energia de dezintegrare 5,255 MeV, particule a cu energii 5,168 (72,8%), 5,123 (27,10%) MeV;

Împărțire spontană, probabilitate 5,7-6.

În combustibilul cu uraniu, conținutul de ^Pu crește în timpul funcționării reactorului. În combustibilul uzat al unui reactor nuclear există 70% *39Pu și 26% 2 4°Pu, ceea ce face dificilă fabricarea armelor atomice, astfel încât plutoniul de calitate pentru arme este obținut în reactoare special concepute pentru aceasta prin prelucrarea uraniului după câteva zeci. de zile de iradiere. *4°Pu este izotopul principal care poluează 39Pu de gradul 2 pentru arme. Nivelul conținutului său este important din cauza intensității fisiunii spontane - 415.000 fisiune/s-kg, sunt emiși 1000 neutroni/s-kg, deoarece fiecare fisiune produce 2,26 neutroni - de 30.000 de ori mai mult decât o masă egală de 2 39Ri. Prezența a doar 1% din acest izotop produce atât de mulți neutroni încât circuitul de încărcare a tunului este inoperabil - inițierea timpurie a exploziei va începe și sarcina va fi atomizată înainte ca cea mai mare parte a explozivului să explodeze. Schema de tun este posibilă numai cu un conținut de *39Pu, ceea ce este practic imposibil de realizat. Prin urmare, bombele cu plutoniu sunt asamblate folosind o schemă de implozie, care permite utilizarea plutoniului care este destul de puternic contaminat cu izotopul IgPu. Plutoniul de calitate pentru arme conține 2 4°Pu

Datorită activității specifice mai mari (1/4 din 2 39Pi), puterea termică este mai mare, 7,1 W/kg, ceea ce agravează problema supraîncălzirii. Activitatea specifică a ^Pu este de 8,4109 Bq/g. Conținutul de IgPu în plutoniu pentru arme (0,7%) și în plutoniu pentru reactor (>19%). Prezența a 24 °Pu în combustibil pentru reactoarele termice este nedorită, dar acest izotop servește drept combustibil în reactoarele rapide.

Plutoniu-241, G,/2=14 l, produs fiică 241 Am, p- (99%, ?рmax=0,014 MeV), a (1%, două linii: 4,893 (75%) și 4,848 (25%) MeV ) și emițător y, activitate specifică a ^Pu 3,92-12 Ci/g. Se obține prin iradierea puternică a plutoniului cu neutroni, precum și într-un ciclotron prin reacția 2 3 8 U(a,n) 241 Pu. Acest izotop este fisionabil de neutroni de orice energie (secțiunea transversală de absorbție a neutronilor a ^'Pu este cu 1/3 mai mare decât cea a ^Phi, secțiunea transversală de fisiune a neutronilor termici este de aproximativ 100 barn, probabilitatea de fisiune la absorbția unui neutronul este de 73%), are un fond de neutroni scăzut și o putere termică moderată și, prin urmare, nu afectează în mod direct ușurința de utilizare a plutoniului. Se descompune în 241 Am, care se fisiază foarte slab și creează multă căldură: 10 6 W/kg. ^‘Pu are o secțiune transversală mare de fisiune pentru neutronii din reactor (poo barn), ceea ce îi permite să fie folosit ca combustibil. Dacă o armă conține inițial 241 Ri, atunci după câțiva ani reactivitatea ei scade, iar acest lucru ar trebui luat în considerare pentru a preveni o scădere a puterii de încărcare și o creștere a autoîncălzirii. 24 'Ru în sine nu se încălzește mult (doar 3,4 W/kg) în ciuda timpului său de înjumătățire foarte scurt din cauza radiației P foarte slabe. Când un neutron este absorbit de un nucleu de 24 * Pu, dacă nu se fisiază, se transformă în 242 Pu. 241 Pu este sursa principală de ^‘As.

Plutoniu-242 (^/2=373300 ani),

Plutoniu-243 No/2=4-956 ore), p"- (energie 0,56 MeV) și emițător y (mai multe linii în intervalul 0,09-0,16 MeV) Secțiune transversală a reacției 242 Pu(n,y) 243 Pu pe neutroni lenţi 00 barn. Formată în timpul dezintegrarii p a „^sPu 24 zAsh, se poate obţine prin iradiere cu neutroni 2 4 2 Pu. Datorită timpului său scurt de înjumătățire, este prezent în combustibilul iradiat al reactorului în cantități mici.

Plutoniu-244 (Ti/ 2 =8.o*io 7 ani), emițător a, E a = 4,6 MeV, capabil de fisiune spontană, activitate specifică 6,66-105 Bq/g, secțiune transversală de captare termică a neutronilor 0=19 barn. Nu este doar cel mai longeviv izotop al plutoniului, ci și cel mai longeviv dintre toți izotopii elementelor transuraniului. Activitatea specifica 2

Chiar și izotopii mai grei ai plutoniului sunt supuși dezintegrarii p, iar durata lor de viață variază de la câteva zile la câteva zecimi de secundă. În exploziile termonucleare se formează toți izotopii plutoniului, până la 2 57Pu. Dar durata lor de viață este de zecimi de secundă, iar mulți izotopi de scurtă durată ai plutoniului nu au fost încă studiați.

Plutoniul este un metal foarte greu, alb-argintiu, care strălucește ca nichelul când este proaspăt rafinat. Masa atomică 244,0642 umă. (g/mol), raza atomică 151 pm, energie de ionizare (primul electron) 491,9(5,10) kJ/mol (eV), configurație electronică 5f 6 7s 2. Raza ionică: (+4e) 93, (+3e) 08 pm, electronegativitate (Pauling) 1,28, T P l = 639,5°, G K ip = 3235°, densitatea plutoniului 19,84 (faza a), căldura de evaporare a plutoniului este 80,46 kcal/mol. Presiunea de vapori a plutoniului este semnificativ mai mare decât presiunea de vapori a uraniului (la 1540 0 300 de ori). Plutoniul poate fi distilat din uraniu topit. Sunt cunoscute șase modificări alotropice ale plutoniului metalic. La temperaturi

În condiții de laborator, plutoniul metalic poate fi obținut prin reacțiile de reducere a halogenurilor de plutoniu cu litiu, calciu, bariu sau magneziu la 1200°:

Plutoniul metalic se obține și prin reducerea trifluorurii de plutoniu în faza de vapori la 1300 0 folosind siliciură de calciu conform reacției

sau descompunerea termică a halogenurilor de plutoniu în vid.

Plutoniul are multe proprietăți specifice. Are cea mai scăzută conductivitate termică dintre toate metalele, cea mai scăzută conductivitate electrică, cu excepția manganului. În faza sa lichidă este cel mai vâscos metal. Când temperatura se schimbă, plutoniul suferă cele mai severe și nenaturale modificări ale densității.

Plutoniul are șase faze diferite (structuri cristaline) în formă solidă (Tabelul 3), mai mult decât orice alt element. Unele tranziții între faze sunt însoțite de schimbări dramatice ale volumului. În două dintre aceste faze - delta și delta prim - plutoniul are proprietatea unică de a se contracta pe măsură ce temperatura crește, iar în celelalte are un coeficient de dilatare extrem de ridicat de temperatură. Când este topit, plutoniul se contractă, permițând plutoniului netopit să plutească. În forma sa cea mai densă, faza a, plutoniul este al șaselea element cel mai dens (doar osmiul, iridiul, platina, reniul și neptuniul sunt mai grele). În faza a, plutoniul pur este fragil. Se cunosc un număr mare de aliaje și compuși intermetalici ai plutoniului cu Al, Be, Co, Fe, Mg, Ni, Ag. Compusul PuBe, 3 este o sursă de neutroni cu o intensitate de 6,7 * 107 neutroni/skg.

Orez. 5.

Datorită radioactivității sale, plutoniul este cald la atingere. O bucată mare de plutoniu într-o înveliș izolată termic este încălzită la o temperatură care depășește punctul de fierbere al apei. Plutoniul măcinat fin este piromorf și se aprinde spontan la 300 0. Reacţionează cu halogeni şi halogenuri de hidrogen, formând halogenuri, cu hidrogen - hidruri, cu carbon - carbură, cu azotul reacţionează la 250 0 formând nitrură, iar expus la amoniac formează şi nitruri. Reduce CO2 la CO sau C și se formează carbură. Interacționează cu compușii gazoși ai sulfului. Plutoniul este ușor solubil în acizi clorhidric, 85% fosforic, iodhidric, percloric și cloroacetic concentrat. H2SO4 diluat dizolvă plutoniul lent, dar H2S04 și HN03 concentrate îl pasivează și nu reacționează cu el. Alcaliile nu au niciun efect asupra plutoniului metalic. Sărurile de plutoniu se hidrolizează ușor la contactul cu soluții neutre sau alcaline, creând hidroxid de plutoniu insolubil. Soluțiile concentrate de plutoniu sunt instabile din cauza descompunerii radiolitice care duce la precipitații.

Masa 3. Densitățile și intervalul de temperatură al fazelor de plutoniu:

Valenta principala a plutoniului este 4+. Este un element electronegativ, reactiv chimic (cu 0,2 V), mult mai mult decât uraniul. Se estompează rapid, formând o peliculă irizată, inițial galben deschis, transformându-se în cele din urmă în violet închis. Dacă oxidarea este destul de rapidă, pe suprafața sa apare o pulbere de oxid verde măsline (PuO 2).

Plutoniul se oxidează ușor și se corodează rapid chiar și în prezența unei ușoare umiditate. Devine ruginita intr-o atmosfera de gaz inert cu vapori de apa mult mai repede decat in aer uscat sau oxigen pur. Când plutoniul este încălzit în prezența hidrogenului, carbonului, azotului, oxigenului, fosforului, arsenului, fluorului, siliciului și telurului, formează compuși solizi insolubili cu aceste elemente.

Dintre oxizii de plutoniu sunt cunoscuți Pu 2 0 3 și Pu 0 2.

Dioxidul de plutoniu Pu02 este o pulbere de culoare verde măsline, cristale negre strălucitoare sau bile de la roșu-maroniu la galben-chihlimbar. Structura cristalină este de tip fluorit (Pu-* + formează un sistem cubic centrat pe fețe, iar O 2- formează un tetraedru). Densitate 11,46, Gpl=2400°. Se formează din aproape toate sărurile (de exemplu, oxalat, peroxid) de plutoniu la încălzire în aer sau în atmosferă de 0 2, la temperaturi de 700-1000 0, indiferent de starea de oxidare a plutoniului din aceste săruri. De exemplu, poate fi obținut prin calcinarea Pu(IV) Pu(C 2 0 4) 2 -6H 2 0 oxalat hexahidrat (format în timpul reprocesării combustibilului uzat):

Pu0 2, amiază la temperaturi scăzute, se dizolvă ușor în acizi clorhidric și azotic concentrați. Dimpotrivă, Pu0 2 calcinat este greu de dizolvat și poate fi adus în soluție doar ca urmare a unui tratament special. Este insolubil în apă și solvenți organici. Reacționează lent cu un amestec fierbinte de HNO3 concentrat cu HF. Acest compus stabil este utilizat ca formă gravimetrică în determinarea plutoniului. De asemenea, este folosit pentru prepararea combustibilului în energia nucleară.

Pu0 2 deosebit de reactiv, dar care conţine cantităţi mici de oxalat, se obţine prin descompunerea Pu(C 2 0 4) 2 -6H 2 0 la 130-^-300°.

Hidrura R11H3 obtinut din elemente la 150-5-200°.

Plutoniul formează halogenuri și oxihalogenuri, disilicid PuSi 2 și sesquisulfură PuSi,33^b5, care prezintă interes datorită fuzibilității lor scăzute, precum și carburi de diferite stoichiometrii: de la PuS la Pu 2C 3. RiS - cristale negre, G 11L = 1664 0. Împreună cu UC poate fi folosit ca combustibil pentru reactoare nucleare.

Nitrură de plutoniu, PuN - cristale de culoare gri (până la negru) cu o rețea cubică centrată pe față de tip NaCl (0 = 0,4905 nm, z = 4, grupa spațială Ptzm; parametrul rețelei crește cu timpul sub influența propriei sale a-radiatie); T pl.=2589° (cu descompunere); densitate 14350 kg/mc. Are conductivitate termică ridicată. La temperaturi ridicate (~1boo°) este volatil (cu descompunere). Se obține prin reacția plutoniului cu azotul la 6oo° sau cu un amestec de hidrogen și amoniac (presiune 4 kPa). Plutoniul PuN sub formă de pulbere se oxidează în aer la temperatura camerei, transformându-se complet în Pu0 2 după 3 zile, plutoniul dens se oxidează lent (0,3% în 30 de zile). Se hidrolizează lent cu apă rece și rapid la încălzire, formând Pu0 2; se dizolvă ușor în acizi clorhidric și sulfuric diluați pentru a forma sărurile Pu(III) corespunzătoare; După forţa de acţiune asupra nitrurii de plutoniu, acizii pot fi aranjaţi în seria HN0 3 >HC1>H 3 P0 4 >>H 2 S04>HF. Poate fi folosit ca combustibil pentru reactoare.

Există mai multe fluoruri de plutoniu: PuF 3, PuF 4, PuF6.

tetrafluorura de plutoniu PuF 4 este o substanță roz sau cristale maro, sistem monoclinic. Izomorf cu tetrafluorură de Zr, Hf, Th, U, Np și Ce. Г pl = 1037 0, Г к, «1 = 1277°. Este slab solubil în apă și solvenți organici, dar se dizolvă ușor în soluții apoase în prezența sărurilor Ce(IV), Fe(III), Al(III) sau a ionilor care formează complexe stabili cu ionii de fluor. Precipitatul roz PuF 4 -2,5H 2 0 se obţine prin precipitare cu acid fluorhidric din soluţii apoase de săruri Pu(III). Acest compus se deshidratează atunci când este încălzit la 350 m într-un curent de HF.

PuF 4 se formează prin acțiunea fluorurii de hidrogen asupra dioxidului de plutoniu în prezența oxigenului la 550° conform reacției:

PuF 4 se poate obţine şi prin tratarea PuF 3 cu fluor la 300 0 sau prin încălzirea sărurilor Pu(III) sau Pu(IV) şi a unui flux de fluorură de hidrogen. Din soluții apoase de Pu(IV), PuF 4 se precipită cu acid fluorhidric sub formă de precipitat roz cu compoziția 2PuF 4 H 2 0. PuF 4 coprecipită aproape complet cu LaF 3. Când este încălzit în aer la 400 0 PuF 4 se transformă în Pu0 2.

hexafluorura de plutoniu, PuFe - cristale volatile la temperatura camerei de culoare maro-gălbui (la temperaturi scăzute - incolore) cu o structură ortorombica, Gpl = 52°, T knp =b2° la presiune atmosferică, densitate 5060 kgm-z, căldură de sublimare 12,1 kcal/mol, căldură de evaporare = 7,4 kcal mol * 1, căldură de fuziune = 4,71 kcal/mol, foarte predispus la coroziune și sensibil la autoradioliză. PuFe este un lichid cu punct de fierbere scăzut, mult mai puțin stabil din punct de vedere termic și mai puțin volatil decât UF6. Vaporii de PuFe sunt colorați ca NO 2, lichidul este maro închis. Agent puternic de fluorurare și agent de oxidare; reactioneaza violent cu apa. Extrem de sensibil la umiditate; c H 2 0 în lumina zilei poate reacționa foarte viguros cu o fulgerare pentru a forma Pu0 2 și PuF 4 . PuFe, condensat la -195 0 pe gheață, când este încălzit, se hidrolizează lent la Pu0 2 Fo. Compact PuFe se descompune spontan din cauza radiației a a plutoniului.

UF6 se obţine prin tratarea PuF4 sau Pu02 cu fluor la 6004-700°.

Fluorurarea PuF 4 cu fluor la 7004-800° are loc foarte rapid și este o reacție exotermă. Pentru a evita descompunerea, PuF6 rezultat este îndepărtat rapid din zona fierbinte - înghețat sau sinteza se efectuează într-un flux de fluor, care elimină rapid produsul din volumul de reacție.

PuFa poate, de asemenea primi prin rambursare:

Există nitrați Pu(III), Pu(IV) și Pu(VII): Pu(N0 3) 3, Pu(N0 3) 4 și respectiv Pu0 2 (N0 3) 2.

azotat de plutoniu, Pu(N03)4*5H20 se obţine prin evaporarea lentă (pe câteva luni) a unei soluţii concentrate de azotat Pu(IV) la temperatura camerei. Bine solubil în HN0 3 și apă (soluția de acid azotic este verde închis, maro). Solubil în acetonă, eter și tributil fosfat. Soluțiile de nitrat de plutoniu și nitrați de metale alcaline în acid azotic concentrat la evaporare eliberează nitrați dubli Me 2 [Pu(N0 3)b], unde Me + =Cs +, Rb +, K +, Th +, C 9 H 7 NH + , C5H5NH+, NH4+.

Oxalatul de plutoniu (IV), Pu(C 2 0 4) 2 -6H 2 0, este o pulbere nisipoasă (uneori galben-verde). Izomorf cu U(C 2 0 4)-6H 2 0. Oxalat de plutoniu hexahidrat este slab solubil în acizi minerali și bine în soluții de oxalați și carbonați de amoniu sau metale alcaline cu formare de compuși complecși. Precipitat cu acid oxalic din nitrat (i.5*4.5M HNO.0 soluții de Pu(IV):

Se deshidratează când este încălzit în aer la 0°, peste 400 0 se descompune:

În compuși, plutoniul prezintă stări de oxidare de la +2 la +7. În soluții apoase formează ioni corespunzători stărilor de oxidare de la +3 la +7. În acest caz, ionii din toate stările de oxidare, cu excepția Pu(VII), pot fi în soluție simultan în echilibru. Ionii de plutoniu în soluție suferă hidroliză și formează cu ușurință compuși complecși. Capacitatea de a forma compuși complecși crește în seria Pu5 +

Ionii Pu(IV) sunt cei mai stabili în soluție. Pu(V) este disproporționat în Pu(lV) și Pu(Vl). Starea de valență a Pu(VI) este caracteristică soluțiilor apoase puternic oxidante și corespunde ionului plutonil Pu0 2 2+. Ionii de plutoniu cu sarcini 3 + și 4 + există în soluții apoase în absența hidrolizei și a formării complexelor sub formă de cationi foarte hidratați. Pu(V) și Pu(VI) în soluții acide sunt cationi care conțin oxigen de tip M0 2 + și M0 2 2+.

Stările de oxidare ale plutoniului (III, IV, V și VI) corespund următoarelor stări ionice în soluții acide: Pu 3+, Pu4 +, Pu0 2 2+ și Pu0 5 3 Datorită „apropierii potențialelor de oxidare ale plutoniului”. ioni unul față de celălalt” în soluții pot exista simultan ioni de plutoniu cu diferite stări de oxidare în echilibru. În plus, se observă o disproporție de Pu(IV) și Pu(V):

Rata disproporționării crește odată cu creșterea concentrației și a temperaturii plutoniului.

Soluțiile Reese+ au o culoare albastru-violet. În proprietățile sale, Rts + este aproape de elementele pământurilor rare. Hidroxidul, fluorura, fosfatul și oxalatul său sunt insolubile. Pu(IV) este cea mai stabilă stare a plutoniului în soluții apoase. Pu(IV) este predispus la formarea complexă cu acizi azotic, sulfuric, clorhidric, acetic și alți acizi. Astfel, în acidul azotic concentrat, Pu(IV) formează complecși Pu(N0 3)5- și Pu(G) 3)6 2". În soluții apoase, Pu(IV) este ușor hidrolizat. Hidroxidul de plutoniu (verde) este predispus. la polimerizare.Florura insolubila, hidroxid, oxalat, iodat Pu(IV).Pu(IV) coprecipiteaza bine cu hidroxizi insolubili, fluorura de lantan, iodati de Zr, Th, Ce, fosfati de Zr si Bi, Th, U(IV), Bi, Oxalații La.Pu(IV) formează duble fluoruri și sulfați cu Na,K,Rb,Cs și NH4+.Pu(obținut în aproximativ.2 M soluție de HN03 prin amestecarea soluțiilor de Pu(III) și Pu(VI) Din sărurile Pu(VI) de interes sunt plutonilacetatul de sodiu NaPu0 2 (C 2 H 3 0 2) 3 și plutonilacetatul de amoniu NH 4 Pu0 2 (C 2 H 3 0 2), care sunt similare ca structură cu compușii corespunzători U. , Np și At.

Potențialele formale de oxidare ale plutoniului (în V) în soluție lM de HC10 4:

Stabilitatea complexului format cu acest anion pentru ionii de actinidă scade în următoarea ordine: M4 + >M0 2+ >M3 + >M0 2 2+ > M0 2+, adică. în ordinea potenţialului ionic descrescător. Capacitatea anionilor de a forma complecși cu ionii de actinidă scade pentru anionii cu încărcare unică - fluor > nitrat > clorură > perclorat; pentru anioni cu încărcare dublă carbonat>oxalat>sulfat. Cu substanțe organice se formează un număr mare de ioni complecși.

Atât Pu(IV), cât și Pu(VI) sunt bine extrase din soluții acide cu eter etilic, TBP, diizopropilcetonă etc. Complexele în formă de gheare, de exemplu, cu a-tenoiltrifluoracetonă, p-dicetonă, cuferonă, sunt bine extrase cu solvenți organici nepolari. Extracția complecșilor Pu(IV) cu a-thenoiltrifluoracetona (TTA) face posibilă purificarea plutoniului din majoritatea impurităților, inclusiv actinide și elemente de pământuri rare.

Soluțiile apoase de ioni de plutoniu în diferite stări au următoarele culori: Pu(III), ca Pcs + (albastru sau lavandă); Pu(IV), ca Pc4* (galben-maro); Pu(VI), ca Pu0 2 2+ (roz-portocaliu). Pu(V), ca Pu0 2+, este inițial roz, dar fiind instabil în soluție, acest ion se disproporționează în Pu 4+ și Pu0 2 2+; Pu 4+ este apoi oxidat, trecând de la Pu0 2 + la Pu0 2 2+ și redus la Pu 3+. Astfel, o soluție apoasă de plutoniu în timp devine un amestec de Pcs + și Pu0 2 2+. Pu(VII), ca Pu0 5 2 - (albastru închis).

Pentru detectarea plutoniului se folosește o metodă radiometrică, bazată pe măsurarea radiației a a plutoniului și a energiei acestuia. Această metodă se caracterizează printr-o sensibilitate destul de mare: permite descoperi 0,0001 µg 2 39Pi. Dacă există alți emițători α în proba analizată, identificarea plutoniului poate fi efectuată prin măsurarea energiei particulelor α folosind spectrometre α.

O serie de metode chimice și fizico-chimice pentru determinarea calitativă a plutoniului utilizează diferența dintre proprietățile formelor de valență ale plutoniului. Ionul Pu(III) din soluțiile apoase destul de concentrate poate fi detectat prin culoarea albastră strălucitoare, care diferă puternic de culoarea galben-maro a soluțiilor apoase care conțin ioni Pu(IV).

Spectrele de absorbție a luminii ale soluțiilor de săruri de plutoniu în diferite stări de oxidare au benzi de absorbție specifice și înguste, ceea ce face posibilă identificarea formelor de valență și detectarea uneia dintre ele în prezența altora. Cele mai caracteristice maxime de absorbție a luminii ale Pu(III) se află în regiunea de 600 și 900 mmk, Pu(IV) - 480 și 66 mmk, Pu(V) - 569 mmk și Pu(VI) 830+835 mmk.

Deși plutoniul este toxic chimic, ca orice metal greu, acest efect este slab în comparație cu radiotoxicitatea sa. Proprietățile toxice ale plutoniului apar ca o consecință a radioactivității a.

Pentru 2 s 8 Pu, 2 39Pu, 24op U) 242p u> 244Pu grupa de pericol de radiații A, MZA=z,7-uz Bq; pentru 2 4>Pu și 2 43Pu grupa B de pericol de radiații, MZA = 3,7-104 Bq. Dacă toxicitatea radiologică este 2 3 și luată ca unitate, același indicator pentru plutoniu și alte elemente formează seria: 235U 1,6 - 2 39Pu 5,0 - 2 4 1 Frasină 3,2 - 9"Sr 4,8 - ^Ra 3,0. Se poate observa că plutoniul nu este cel mai periculos dintre radionuclizi.

Să discutăm pe scurt despre producția industrială de plutoniu.

Izotopii de plutoniu sunt produși în reactoare puternice de uraniu folosind neutroni lenți folosind reacția (p, y) și în reactoare de reproducere folosind neutroni rapizi. Izotopii de plutoniu sunt produși și în reactoarele de putere. Până la sfârșitul secolului al XX-lea, lumea a produs un total de -1300 de tone de plutoniu, din care ~300 de tone erau destinate utilizării armelor, restul era un produs secundar al centralelor nucleare (plutoniu reactor).

Plutoniul de calitate pentru arme se distinge de plutoniul de reactor nu atât prin gradul de îmbogățire și compoziția chimică, cât prin compoziția sa izotopică, care depinde într-un mod complex atât de timpul de iradiere a uraniului cu neutroni, cât și de timpul de depozitare după iradiere. Conținutul izotopilor 24°Pu și 2 4‘Pu este deosebit de important. Deși o bombă atomică poate fi creată cu orice conținut al acestor izotopi în plutoniu, totuși, prezența lui 2 4 «p u în 239r determină calitatea armei, deoarece fondul neutronic și fenomene precum creșterea masei critice și a puterii termice depind de el. Fondul de neutroni afectează dispozitivul exploziv prin limitarea masei totale a plutoniului și necesitatea de a atinge viteze mari de implozie. Prin urmare, bombele vechilor modele necesitau un conținut scăzut de 2 4 sau și. Dar proiectele de design „înalt” folosesc plutoniu de orice puritate. Prin urmare, termenul „plutoniu pentru arme” nu are sens militar; acesta este un parametru economic: un design de bombă „înalt” este semnificativ mai scump decât unul „scăzut”.

Pe măsură ce ponderea 24op U) crește, costul plutoniului scade și masa critică crește. Conținutul de 7% 24°Pu face ca costul total al plutoniului să fie minim. Compoziția medie a plutoniului de calitate pentru arme: 93,4% 239 Ri, 6,o%

24°Pu și 0,6% 241 Pu. Puterea termică a unui astfel de plutoniu este de 2,2 W/kg, nivelul de fisiune spontană este de 27100 fisiuni/s. Acest nivel permite utilizarea a 4 kg de plutoniu într-o armă cu o probabilitate foarte scăzută de pre-detonare într-un sistem de implozie bun. După 20 de ani, majoritatea celor 24, Pu se va transforma în ^'At, crescând semnificativ degajarea de căldură - până la 2,8 W/kg. Deoarece 241 Pu este foarte fisionabil, dar 241 At nu este, acest lucru va duce la o scădere a marjei de reactivitate a plutoniului. Radiația neutronică de la 5 kg de plutoniu pentru arme de 300.000 neutroni/s creează un nivel de radiație de 0,003 rad/oră la o distanță de 1 m. Fondul este redus cu un factor de 10 de reflector și explozivul care îl înconjoară. Cu toate acestea, contactul prelungit al personalului de întreținere cu un dispozitiv exploziv nuclear în timpul întreținerii acestuia poate duce la o doză de radiații egală cu limita anuală.

Datorită micii diferențe a maselor de 2 - "* 9 Pu și 24 °Pu, acești izotopi nu sunt separați prin metode de îmbogățire industrială. Deși pot fi separați cu ajutorul unui separator electromagnetic. Este, totuși, mai ușor să obțineți un mai pur. 2 zeRi prin reducerea timpului de rezidență în reactor *3 *i Nu există niciun motiv pentru a reduce conținutul de 24 °Pi la mai puțin de 6%, deoarece această concentrație nu interferează cu crearea declanșatorilor efectivi ai sarcinilor termonucleare.

Pe lângă plutoniul de calitate pentru arme, există și plutoniu de calitate pentru reactoare. Plutoniul din combustibilul nuclear uzat este format din mulți izotopi. Compoziția depinde de tipul de reactor și de modul de funcționare. Valori tipice pentru un reactor cu apă ușoară: 2 × 8 Pu - 2%, 239Pu - 61%, 24 °Pll - 24%, 24iPu - 10%, 242 Pll - 3%. Este dificil să faci o bombă dintr-un astfel de plutoniu (practic imposibil pentru teroriști), dar în țările cu tehnologie dezvoltată, plutoniul din reactor poate fi folosit pentru a produce încărcături nucleare.

Masa 4. Caracteristicile tipurilor de plutoniu.

Compoziția izotopică a plutoniului acumulat în reactor depinde de gradul de ardere a combustibilului. Din cei cinci izotopi principali formați, doi sunt cu impar Z- 2 39Pi și 24,Pi sunt fisionabile, adică capabil de fisiune sub influența neutronilor termici și poate fi folosit ca combustibil pentru reactoare. În cazul utilizării plutoniului ca combustibil pentru reactor, cantitatea de 2 39 Ri și 241 Ri acumulate este importantă. Dacă plutoniul recuperat din combustibilul uzat este reutilizat în reactoare cu neutroni rapidi, compoziția sa izotopică devine treptat mai puțin adecvată pentru utilizarea armelor. După mai multe cicluri de combustibil, acumularea de 2 × 8 Pu, #2 4″ Pu și ^ 2 Pu îl face inadecvat pentru acest scop. Amestecarea într-un astfel de material este o metodă convenabilă de „denaturare” a plutoniului, asigurându-se că materialele fisionabile nu proliferează.

Atât plutoniul pentru arme cât și cel pentru reactor conțin o anumită cantitate de ^Pu. ^'Pu se descompune în 24 'Am prin emisia unei particule p. Deoarece fiica 241 At are un timp de înjumătățire semnificativ mai lung (432 l) decât părintele 241 Pu (14,4 l), cantitatea sa în încărcătură (sau în deșeurile NFC) crește pe măsură ce ^'Pu se descompune. ca urmare a dezintegrarii lui 241 Am, mult mai puternic decat a lui 241 Pu, prin urmare, si el creste in timp.Concentratia de ®4phi si perioada de stocare a acestuia coreleaza direct cu nivelul de radiatie y rezultat dintr-o crestere. in continutul de 24 'As. Plutoniul nu poate fi depozitat mult timp - Odata ce a fost folosit, trebuie folosit, altfel va trebui supus din nou unei reciclari consumatoare de timp si costisitoare.

Masa 5. Câteva caracteristici ale plutoniului de calitate pentru arme și reactor

Cel mai important izotop practic 2 39Pu este produs în reactoarele nucleare în timpul iradierii pe termen lung cu neutroni a uraniului natural sau îmbogățit:

Din păcate, au loc și alte reacții nucleare, ducând la apariția altor izotopi ai plutoniului: 2 - 38 Pu, a4or u, 24 Phi și 242 Pu, a căror separare de 2 39Rc, deși rezolvabilă, este o sarcină foarte dificilă. :

Când uraniul este iradiat de neutronii din reactor, se formează atât izotopi ușoare, cât și grei ai plutoniului. Să luăm în considerare mai întâi formarea izotopilor de plutoniu cu o masă mai mică de 239.

O mică parte din neutronii emiși în timpul fisiunii au energie suficientă pentru a excita reacția 2 3 8 U(n,2n) 2 3?u. 237 U este un emițător p și cu T’,/ 2 =6,8 zile se transformă în 2 37Np cu viață lungă. Acest izotop dintr-un reactor de grafit pe uraniu natural se formează într-o cantitate de 0,1% din cantitatea totală de 2 39Pu format simultan. Captarea neutronilor lenți de 2 3?Np duce la formarea de 2 3 8 Np. Secțiunea transversală a acestei reacții este de 170 barn. Lanțul de reacții arată astfel:

Deoarece aici sunt implicați doi neutroni, randamentul este proporțional cu pătratul dozei de radiație, iar raportul cantităților de 238 Pu la 2 39Pu este proporțional cu raportul de 2 39Pu la 238 U. Proporționalitatea nu este respectată strict datorită întârzierea în formarea 23?Np asociată cu timpul de înjumătățire al perioadei de 6,8 zile a ^U. O sursă mai puțin importantă a formării de 238 Pu în 2 39Pu este dezintegrarea 242 St, formată în reactoarele cu uraniu. 238 Pu este formata si din reactiile:

Deoarece aceasta este o reacție cu neutroni de ordinul trei, raportul dintre cantitatea de 2 3 8 Pu formată în acest fel și 2 39 Pu este proporțional cu pătratul raportului * 3 8 Pu la 2 3 8 U. Cu toate acestea, acest lanț de reacţii devine relativ mai semnificativă atunci când se lucrează cu uraniu îmbogăţit în ^u.

Concentrația de 2 × 8 Pu într-o probă care conține 5,6% 24 °Pu este de 0,0115%. Această valoare are o contribuție destul de semnificativă la a-activitatea totală a medicamentelor, deoarece ^Pu Ti/2= 86,4 l.

Prezența a 2 6 Pu în plutoniu produs în reactor este asociată cu o serie de reacții:

Randamentul de 2 3 6 Pu în timpul iradierii uraniului este ~ω-9-io" 8%.

Din punct de vedere al acumulării plutoniului în uraniu, principalele transformări sunt asociate cu formarea izotopului 2 39Pu. Dar și alte reacții secundare sunt importante, deoarece determină randamentul și puritatea produsului țintă. Conținutul relativ al izotopilor grei 240 Pu, ^Phi, 242 Pu, precum și 23Pu, 2 37Np și ^"Cenusa depinde de doza de iradiere cu neutroni a uraniului (timpul de rezidență al uraniului în reactor). Secțiunile transversale pentru captarea neutronilor de către izotopii plutoniului sunt suficient de mari pentru a provoca reacții succesive (n, y) chiar și la concentrații scăzute de 2 39Pu în uraniu.

Masa 6. Compoziția izotopică a plutoniului izolat din iradiat tronuri de uraniu natural. _

Pu 241 format în timpul iradierii uraniului cu neutroni se transformă în 241 As, care se descarcă în timpul prelucrării chimico-tehnologice a blocurilor de uraniu (241 At însă se acumulează din nou treptat în plutoniu purificat). De exemplu, activitatea a a plutoniului metalic, care conține 7,5% 24 °Pu, crește cu 2% după un an (datorită formării lui 24, At). 24, Pu are o secțiune transversală mare de fisiune pentru neutronii din reactor, în valoare de to - poo barn, care este important atunci când se utilizează plutoniu ca combustibil pentru reactor.

Dacă uraniul sau plutoniul sunt supuse unei iradieri puternice cu neutroni, începe sinteza actinidelor minore:

Format din 2 4*Pu, 2 4*Am reacționează la rândul său cu neutronii, formând 2 3 8 Pu și 2 4 2 Pu:

Acest proces deschide posibilitatea obținerii de preparate de plutoniu cu radiații y relativ scăzute.

Orez. 6. Modificarea raportului izotopilor de plutoniu în timpul iradierii pe termen lung a 2 39Pu cu un flux de neutroni de 3*10*4 n/cm 2 s.

Astfel, izotopii cu viață lungă ai plutoniului - ^Pu și 2 44Pu se formează în timpul iradierii pe termen lung (aproximativ o sută de zile sau mai mult) cu 2 neutroni 39Pu. În acest caz, randamentul de 2 4 2 Pu atinge câteva zeci de procente, în timp ce cantitatea de 2 44 Pu formată este o fracțiune de procent din ^Pu. În același timp, se obțin Am, Cm și alte transplutonii, precum și elemente de fragmentare.

În producția de plutoniu, uraniul (sub formă de metal) este iradiat într-un reactor industrial (termic sau rapid), ale cărui avantaje sunt densitatea mare de neutroni, temperatura scăzută și posibilitatea de iradiere pentru un timp mult mai scurt decât campanie de reactoare.

Principala problemă care a apărut în timpul producției de plutoniu de calitate pentru arme într-un reactor a fost alegerea momentului optim pentru iradierea uraniului. Faptul este că izotopul 238, care alcătuiește cea mai mare parte a uraniului natural, captează neutroni, formând 239Pu, în timp ce 2333 susține reacția în lanț de fisiune. Deoarece formarea izotopilor grei ai plutoniului necesită captarea suplimentară de neutroni, cantitatea de astfel de izotopi din uraniu crește mai lent decât cantitatea de 2 39Pu. Uraniul iradiat într-un reactor pentru o perioadă scurtă de timp conține o cantitate mică de 2 39Pu, dar este mai pur decât la expuneri lungi, deoarece izotopii grei nocivi nu au avut timp să se acumuleze. Cu toate acestea, 2 39Рц în sine este supus fisiunii și odată cu creșterea concentrației sale în reactor, viteza de transmutare crește. Prin urmare, uraniul trebuie îndepărtat din reactor la câteva săptămâni după începerea iradierii.

Orez. 7- Acumularea izotopilor de plutoniu în reactor: l - ^Pu; 2 - 240 Pu (la perioade scurte, se formează plutoniu de calitate pentru arme și, la perioade lungi, se formează plutoniu de calitate pentru reactor, adică nepotrivit pentru utilizarea armelor).

Rata totală de iradiere a unei celule de combustibil este exprimată în megawați zile/tonă. Plutoniul de calitate pentru arme este produs din elemente cu o cantitate mică de MW-zi/t și produce mai puțini izotopi subproduși. Pilele de combustie din reactoarele moderne cu apă sub presiune ating niveluri de 33.000 MW-zi/t. Expunerea tipică într-un reactor reproductor este de 100 MW-zi/t. În timpul Proiectului Manhattan, combustibilul cu uraniu natural a primit doar 100 MW-zi/t, astfel încât a produs un 239 Ri de foarte înaltă calitate (total 1 % 2 4°Pll).

Chimie

Plutoniul Pu - elementul nr. 94 este asociat cu speranțe foarte mari și temeri foarte mari față de umanitate. În zilele noastre este unul dintre cele mai importante, importante elemente strategice. Este cel mai scump dintre metalele importante din punct de vedere tehnic - este mult mai scump decât argintul, aurul și platina. El este cu adevărat prețios.

Context și istorie

La început au existat protoni - hidrogen galactic. Ca urmare a comprimării sale și a reacțiilor nucleare ulterioare, s-au format cele mai incredibile „lingouri” de nucleoni. Printre ei, aceste „lingouri”, se pare că erau cele care conțineau 94 de protoni. Estimările teoreticienilor sugerează că aproximativ 100 de formațiuni de nucleoni, care includ 94 de protoni și de la 107 la 206 neutroni, sunt atât de stabile încât pot fi considerate nucleele izotopilor elementului nr. 94.
Dar toți acești izotopi – ipotetici și reali – nu sunt atât de stabili încât să supraviețuiască până în zilele noastre de la formarea elementelor sistemului solar. Timpul de înjumătățire al celui mai lung izotop al elementului nr. 94 este de 81 de milioane de ani. Vârsta galaxiei este măsurată în miliarde de ani. În consecință, plutoniul „primordial” nu a avut nicio șansă de a supraviețui până în prezent. Dacă s-a format în timpul marii sinteze a elementelor Universului, atunci acei atomi străvechi ai lui au „dispărut” cu mult timp în urmă, la fel cum dinozaurii și mamuții au dispărut.
În secolul al XX-lea noua era, AD, acest element a fost recreat. Din cei 100 posibili de izotopi ai plutoniului au fost sintetizați 25. Au fost studiate proprietățile nucleare a 15 dintre ei. Patru au găsit aplicație practică. Și a fost deschis destul de recent. În decembrie 1940, când uraniul a fost iradiat cu nuclee grele de hidrogen, un grup de radiochimiști americani condus de Glenn T. Seaborg a descoperit un emițător de particule alfa necunoscut anterior, cu un timp de înjumătățire de 90 de ani. Acest emițător s-a dovedit a fi izotopul elementului nr. 94 cu un număr de masă de 238. În același an, dar cu câteva luni mai devreme, E.M. McMillan și F. Abelson au obținut primul element mai greu decât uraniul, elementul numărul 93. Acest element a fost numit neptunium, iar elementul 94 a fost numit plutoniu. Istoricul va spune cu siguranță că aceste nume își au originea în mitologia romană, dar, în esență, originea acestor nume nu este mai degrabă mitologică, ci astronomică.
Elementele nr. 92 și 93 poartă numele planetelor îndepărtate ale sistemului solar - Uranus și Neptun, dar Neptun nu este ultimul din sistemul solar, chiar mai departe se află orbita lui Pluto - o planetă despre care încă nu se știe aproape nimic. .. O construcție similară Vedem și pe „flancul stâng” al tabelului periodic: uraniu - neptunium - plutoniu, totuși, omenirea știe mult mai multe despre plutoniu decât despre Pluto. Apropo, astronomii l-au descoperit pe Pluto cu doar zece ani înainte de sinteza plutoniului - aproape aceeași perioadă de timp a separat descoperirile lui Uranus - planeta și uraniul - elementul.

Ghicitori pentru criptografi

Primul izotop al elementului nr. 94, plutoniul-238, și-a găsit aplicație practică în zilele noastre. Dar la începutul anilor 40 nici măcar nu s-au gândit la asta. Este posibil să obțineți plutoniu-238 în cantități de interes practic doar bazându-vă pe puternica industrie nucleară. Pe vremea aceea era abia la început. Dar era deja clar că prin eliberarea energiei conținute în nucleele elementelor radioactive grele, se putea obține arme de o putere fără precedent. A apărut Proiectul Manhattan, care nu avea altceva decât un nume în comun cu celebra zonă New York. Acesta a fost numele general pentru toate lucrările legate de crearea primelor bombe atomice din Statele Unite. Nu a fost un om de știință, ci un militar, generalul Groves, care a fost numit șef al Proiectului Manhattan, care și-a numit „afecționat” acuzațiile înalt educate „oale sparte”.
Liderii „proiectului” nu erau interesați de plutoniu-238. Nucleele sale, la fel ca nucleele tuturor izotopilor de plutoniu cu numere de masă par, nu sunt fisionabile de neutroni de joasă energie, așa că nu ar putea servi ca explozibil nuclear. Cu toate acestea, primele rapoarte nu foarte clare despre elementele nr. 93 și 94 au apărut tipărite abia în primăvara anului 1942.
Cum putem explica asta? Fizicienii au înțeles: sinteza izotopilor de plutoniu cu numere de masă impare a fost o chestiune de timp și nu prea lungă. Se aștepta ca izotopi ciudați, precum uraniul-235, să poată susține o reacție nucleară în lanț. Unii oameni le-au văzut ca potențiali explozivi nucleari, care nu fuseseră încă primiți. Și aceste speranțe plutoniu, din păcate, a justificat-o.
În criptarea de atunci, elementul nr. 94 nu se numea nimic mai mult decât... cupru. Și când a apărut nevoia de cupru în sine (ca material structural pentru unele părți), atunci în coduri, împreună cu „cuprul”, a apărut „cuprul autentic”.

„Arborele cunoașterii binelui și răului”

În 1941, a fost descoperit cel mai important izotop al plutoniului - un izotop cu număr de masă 239. Și aproape imediat s-a confirmat predicția teoreticienilor: nucleele de plutoniu-239 au fost fisionate de neutroni termici. Mai mult, în timpul fisiunii lor, s-a produs nu mai puțin număr de neutroni decât în ​​timpul fisiunii uraniului-235. Au fost imediat schițate modalități de obținere a acestui izotop în cantități mari...
Au trecut anii. Acum nu este un secret pentru nimeni că bombele nucleare stocate în arsenale sunt pline cu plutoniu-239 și că aceste bombe sunt suficiente pentru a provoca daune ireparabile întregii vieți de pe Pământ.
Există o credință larg răspândită că omenirea s-a grăbit în mod clar cu descoperirea reacției nucleare în lanț (a cărei consecință inevitabilă a fost crearea unei bombe nucleare). Poți să gândești diferit sau să te prefaci că gândești diferit - este mai plăcut să fii optimist. Dar chiar și optimiștii se confruntă inevitabil cu problema responsabilității oamenilor de știință. Ne amintim de ziua triumfală de iunie a anului 1954, ziua în care prima centrală nucleară din Obninsk a pornit. Dar nu putem uita dimineața lui august 1945 - „dimineața de la Hiroshima”, „ziua neagră a lui Albert Einstein”... Ne amintim de primii ani postbelici și șantajul atomic rampant - baza politicii americane în acei ani. . Dar nu a trecut omenirea multe necazuri în anii următori? Mai mult, aceste anxietăți au fost intensificate de multe ori de conștiința că, dacă ar izbucni un nou război mondial, ar fi folosit arme nucleare.
Aici puteți încerca să demonstrați că descoperirea plutoniului nu a adăugat teamă omenirii, că, dimpotrivă, a fost doar util.
Să spunem că s-a întâmplat ca dintr-un motiv oarecare sau, așa cum se spunea pe vremuri, prin voia lui Dumnezeu, plutoniul să fie inaccesibil oamenilor de știință. S-ar reduce atunci temerile și preocupările noastre? Nu s-a intamplat nimic. Bombele nucleare ar fi făcute din uraniu-235 (și în nu mai puțină cantitate decât din plutoniu), iar aceste bombe ar „mânca” părți și mai mari din buget decât acum.
Dar fără plutoniu nu ar exista perspective de utilizare pașnică a energiei nucleare la scară largă. Pur și simplu nu ar fi suficient uraniu-235 pentru un „atomul pașnic”. Răul provocat omenirii de descoperirea energiei nucleare nu ar fi echilibrat, nici măcar parțial, de realizările „atomului bun”.

Cum să măsori, cu ce să compari

Când un nucleu de plutoniu-239 este divizat de neutroni în două fragmente de masă aproximativ egală, se eliberează aproximativ 200 MeV de energie. Aceasta este de 50 de milioane de ori mai multă energie eliberată în cea mai cunoscută reacție exotermă C + O 2 = CO 2. „Arzând” într-un reactor nuclear, un gram de plutoniu dă 2.107 kcal. Pentru a nu încălca tradiția (și în articolele populare, energia combustibilului nuclear este de obicei măsurată în unități nesistemice - tone de cărbune, benzină, trinitrotoluen etc.), remarcăm și: aceasta este energia conținută în 4 tone. de cărbune. Și un degetar obișnuit conține o cantitate de plutoniu echivalentă energetic cu patruzeci de mașini de lemn de foc bun de mesteacăn.
Aceeași energie este eliberată în timpul fisiunii nucleelor ​​de uraniu-235 de către neutroni. Dar cea mai mare parte a uraniului natural (99,3%!) este izotopul 238 U, care poate fi folosit doar prin transformarea uraniului în plutoniu...

Energia pietrelor

Să evaluăm resursele energetice conținute în rezervele naturale de uraniu.
Uraniul este un oligoelement și se găsește aproape peste tot. Oricine a vizitat, de exemplu, Karelia, își va aminti probabil bolovani de granit și stâncile de coastă. Dar puțini oameni știu că o tonă de granit conține până la 25 g de uraniu. Granitele reprezintă aproape 20% din greutatea scoarței terestre. Dacă numărăm doar uraniul-235, atunci o tonă de granit conține 3,5-105 kcal de energie. Este mult, dar...
Prelucrarea granitului și extragerea uraniului din acesta necesită cheltuirea unei cantități și mai mari de energie - aproximativ 106-107 kcal/t. Acum, dacă ar fi posibil să se folosească nu numai uraniul-235, ci și uraniul-238 ca sursă de energie, atunci granitul ar putea fi considerat cel puțin ca o materie primă energetică potențială. Atunci energia obținută dintr-o tonă de piatră ar fi de la 8-107 la 5-108 kcal. Acest lucru este echivalent cu 16-100 de tone de cărbune. Și în acest caz, granitul ar putea oferi oamenilor aproape de un milion de ori mai multă energie decât toate rezervele de combustibil chimic de pe Pământ.
Dar nucleele de uraniu-238 nu se fisiunea de neutroni. Acest izotop este inutil pentru energia nucleară. Mai exact, ar fi inutil dacă nu ar putea fi convertit în plutoniu-239. Și ceea ce este deosebit de important: practic nu trebuie cheltuită energie pentru această transformare nucleară - dimpotrivă, în acest proces se produce energie!
Să încercăm să ne dăm seama cum se întâmplă acest lucru, dar mai întâi câteva cuvinte despre plutoniul natural.

De 400 de mii de ori mai puțin decât radiul

S-a spus deja că izotopii plutoniului nu s-au păstrat de la sinteza elementelor în timpul formării planetei noastre. Dar asta nu înseamnă că nu există plutoniu pe Pământ.
Se formează tot timpul în minereurile de uraniu. Prin captarea neutronilor din radiațiile cosmice și a neutronilor produși prin fisiunea spontană a nucleelor ​​de uraniu-238, unii - foarte puțini - atomi ai acestui izotop se transformă în atomi de uraniu-239. Aceste nuclee sunt foarte instabile, emit electroni și, prin urmare, își măresc sarcina. Se formează neptuniul, primul element transuraniu. Neptunium-239 este, de asemenea, foarte instabil, iar nucleele sale emit electroni. În doar 56 de ore, jumătate din neptunium-239 se transformă în plutoniu-239, al cărui timp de înjumătățire este deja destul de lung - 24 de mii de ani.
De ce nu se extrage plutoniul din minereurile de uraniu?? Concentrație scăzută, prea scăzută. „Producție pe gram - forță de muncă pe an” - este vorba despre radiu, iar plutoniul din minereuri este de 400 de mii de ori mai puțin decât radiu. Prin urmare, este extrem de dificil nu numai să extragi, ci chiar să detectezi plutoniul „terestre”. Acest lucru a fost făcut numai după ce au fost studiate proprietățile fizice și chimice ale plutoniului produs în reactoarele nucleare.
Plutoniul se acumulează în reactoarele nucleare. În fluxurile puternice de neutroni, are loc aceeași reacție ca și în minereurile de uraniu, dar rata de formare și acumulare a plutoniului în reactor este mult mai mare - de un miliard de miliard de ori. Pentru reacția de transformare a uraniului de balast-238 în plutoniu de calitate energetică-239, sunt create condiții optime (în limita acceptabile).
Dacă reactorul funcționează pe neutroni termici (amintim că viteza lor este de aproximativ 2000 m pe secundă, iar energia lor este o fracțiune de electronvolt), atunci dintr-un amestec natural de izotopi de uraniu se obține o cantitate de plutoniu care este puțin mai mică decât cantitatea de uraniu „ars”-235. Puțin, dar mai puțin, plus pierderile inevitabile de plutoniu în timpul separării sale chimice de uraniul iradiat. În plus, reacția nucleară în lanț este menținută în amestecul natural de izotopi de uraniu numai până când se consumă o mică fracțiune de uraniu-235. De aici concluzia logică: un reactor „termic” care utilizează uraniu natural - principalul tip de reactoare care funcționează în prezent - nu poate asigura reproducerea extinsă a combustibilului nuclear. Dar ce promite atunci? Pentru a răspunde la această întrebare, să comparăm cursul reacției nucleare în lanț în uraniu-235 și plutoniu-239 și să introducem un alt concept fizic în discuțiile noastre.
Cea mai importantă caracteristică a oricărui combustibil nuclear este numărul mediu de neutroni emiși după ce nucleul a capturat un neutron. Fizicienii îl numesc numărul eta și îl notează cu litera greacă q. În reactoarele „termice” pe uraniu, se observă următorul model: fiecare neutron generează în medie 2,08 neutroni (η = 2,08). Plutoniul plasat într-un astfel de reactor sub influența neutronilor termici dă η = 2,03. Dar există și reactoare care funcționează pe neutroni rapizi. Este inutil să încărcați un amestec natural de izotopi de uraniu într-un astfel de reactor: nu va avea loc o reacție în lanț. Dar dacă „materia primă” este îmbogățită cu uraniu-235, aceasta poate fi dezvoltată într-un reactor „rapid”. În acest caz, c va fi deja egal cu 2,23. Iar plutoniul, expus focului de neutroni rapid, va da η egal cu 2,70. Vom avea la dispoziție „în plus o jumătate de neutron”. Și asta nu este deloc puțin.

Suma multor tehnologii

Când, ca urmare a reacțiilor nucleare, cantitatea necesară de plutoniu s-a acumulat în uraniu, acesta trebuie separat nu numai de uraniul în sine, ci și de fragmentele de fisiune - atât uraniu, cât și plutoniu, arse în reacția nucleară în lanț. În plus, masa de uraniu-plutoniu conține și o anumită cantitate de neptuniu. Cele mai dificile lucruri de separat sunt plutoniul de neptuniu și elementele pământurilor rare (lantanide). Plutoniul, ca element chimic, a avut ghinion într-o oarecare măsură. Din punctul de vedere al unui chimist, elementul principal al energiei nucleare este doar unul dintre cele paisprezece actinide. La fel ca elementele pământurilor rare, toate elementele seriei actiniului sunt foarte asemănătoare între ele în proprietăți chimice; structura învelișurilor de electroni exterioare ale atomilor tuturor elementelor de la actiniu la 103 este aceeași. Ceea ce este și mai neplăcut este că proprietățile chimice ale actinidelor sunt similare cu proprietățile elementelor pământurilor rare, iar printre fragmentele de fisiune de uraniu și plutoniu există mai mult decât suficiente lantanide. Dar apoi elementul 94 poate fi în cinci stări de valență, iar acest lucru „îndulcește pastila” - ajută la separarea plutoniului atât de uraniu, cât și de fragmentele de fisiune.
Valența plutoniului variază de la trei la șapte. Din punct de vedere chimic, cei mai stabili (și, prin urmare, cei mai comuni și mai studiați) compuși sunt plutoniul tetravalent.
Separarea actinidelor cu proprietăți chimice similare - uraniu, neptunium și plutoniu - se poate baza pe diferența dintre proprietățile compușilor lor tetra- și hexavalenți.

Izotopi grei ai plutoniului

Plutoniul-239 conține și în cantități mici izotopi mai mari ai acestui element - cu numerele de masă 240 și 241. Izotopul 240 Pu este practic inutil - este balast în plutoniu. Din 241 se obține americiu - elementul nr. 95. În forma sa pură, fără amestec de alți izotopi, plutoniul-240 și plutoniul-241 pot fi obținute prin separarea electromagnetică a plutoniului acumulat în reactor. Înainte de aceasta, plutoniul este iradiat suplimentar cu fluxuri de neutroni cu caracteristici strict definite. Desigur, toate acestea sunt foarte complicate, mai ales că plutoniul nu este doar radioactiv, ci și foarte toxic. Lucrul cu acesta necesită prudență extremă.
Unul dintre cei mai interesanți izotopi ai plutoniului, 242 Pu, poate fi obținut prin iradierea mult timp a 239 Pu în fluxuri de neutroni. 242 Pu captează foarte rar neutroni și, prin urmare, „se arde” în reactor mai lent decât alți izotopi; persistă chiar și după ce izotopii rămași de plutoniu s-au transformat aproape complet în fragmente sau s-au transformat în plutoniu-242.
Plutoniul-242 este important ca „materie primă” pentru acumularea relativ rapidă de elemente transuraniu superioare în reactoarele nucleare. Dacă plutoniul-239 este iradiat într-un reactor convențional, atunci va dura aproximativ 20 de ani pentru a acumula cantități de micrograme de, de exemplu, California-252 din grame de plutoniu.
Este posibil să se reducă timpul de acumulare a izotopilor superiori prin creșterea intensității fluxului de neutroni în reactor. Aceasta este ceea ce fac ei, dar atunci nu puteți iradia cantități mari de plutoniu-239. La urma urmei, acest izotop este împărțit de neutroni și prea multă energie este eliberată în fluxuri intense. Dificultăți suplimentare apar cu răcirea reactorului. Pentru a evita aceste dificultăți, ar fi necesar să se reducă cantitatea de plutoniu iradiată. În consecință, randamentul de californiu ar deveni din nou limitat. Cerc vicios!
Plutoniul-242 nu este fisionabil de neutroni termici, poate fi iradiat în cantități mari în fluxuri intense de neutroni... Prin urmare, în reactoare, toate elementele de la americiu la fermiu sunt „fabricate” din acest izotop și acumulate în cantități de greutate.
De fiecare dată când oamenii de știință au reușit să obțină un nou izotop de plutoniu, timpul de înjumătățire al nucleelor ​​sale a fost măsurat. Timpurile de înjumătățire ale izotopilor nucleelor ​​radioactive grele cu numere de masă par se schimbă în mod regulat. (Acest lucru nu poate fi spus pentru izotopi ciudați.)
Pe măsură ce masa crește, „durata de viață” a izotopului crește și ea. Cu câțiva ani în urmă, punctul culminant al acestui grafic a fost plutoniul-242. Și atunci cum va merge această curbă - cu o creștere suplimentară a numărului de masă? La punctul 1, care corespunde unei durate de viață de 30 de milioane de ani, sau la punctul 2, care corespunde la 300 de milioane de ani? Răspunsul la această întrebare a fost foarte important pentru geoștiințe. În primul caz, dacă în urmă cu 5 miliarde de ani Pământul era format în întregime din 244 Pu, acum doar un atom de plutoniu-244 ar rămâne în întreaga masă a Pământului. Dacă a doua ipoteză este adevărată, atunci plutoniul-244 poate fi pe Pământ în concentrații care ar putea fi deja detectate. Dacă am fi destul de norocoși să găsim acest izotop pe Pământ, știința ar primi cele mai valoroase informații despre procesele care au avut loc în timpul formării planetei noastre.

Timpurile de înjumătățire ale unor izotopi ai plutoniului

În urmă cu câțiva ani, oamenii de știință s-au confruntat cu întrebarea: merită să încercați să găsiți plutoniu greu pe Pământ? Pentru a răspunde, a fost necesar în primul rând să se determine timpul de înjumătățire al plutoniului-244. Teoreticienii nu au putut calcula această valoare cu precizia necesară. Orice speranță era doar pentru experiment.
Plutoniu-244 acumulat într-un reactor nuclear. Elementul nr. 95 - americiu (izotop 243 Am) a fost iradiat. După ce a capturat un neutron, acest izotop s-a transformat în americiu-244; americiu-244 într-unul din 10 mii de cazuri s-a transformat în plutoniu-244.
Preparatul de plutoniu-244 a fost izolat dintr-un amestec de americiu și curiu. Eșantionul cântărea doar câteva milioane de grame. Dar au fost suficiente pentru a determina timpul de înjumătățire al acestui izotop interesant. S-a dovedit a fi egal cu 75 de milioane de ani. Mai târziu, alți cercetători au clarificat timpul de înjumătățire al plutoniului-244, dar nu cu mult - 81 de milioane de ani. În 1971, au fost găsite urme ale acestui izotop în bastnäsite-ul mineral de pământuri rare.
Oamenii de știință au făcut multe încercări de a găsi un izotop al elementului transuraniu care trăiește mai mult de 244 Pu. Dar toate încercările au rămas în zadar. La un moment dat, s-au pus speranțe pe curium-247, dar după ce acest izotop a fost acumulat în reactor, s-a dovedit că timpul său de înjumătățire este de numai 16 milioane de ani. Nu a fost posibil să se bată recordul de plutoniu-244 - este cel mai longeviv dintre toți izotopii elementelor transuraniului.
Chiar și izotopii mai grei ai plutoniului suferă dezintegrare beta, iar durata lor de viață variază de la câteva zile la câteva zecimi de secundă. Știm cu siguranță că toți izotopii plutoniului se formează în explozii termonucleare, până la 257 Pu. Dar durata lor de viață este de zecimi de secundă, iar mulți izotopi de scurtă durată ai plutoniului nu au fost încă studiați.

Posibilitățile primului izotop de plutoniu

Și în cele din urmă - despre plutoniu-238 - primul dintre izotopii „făcuți de om” ai plutoniului, un izotop care la început părea nepromițător. Este de fapt un izotop foarte interesant. Este supus dezintegrarii alfa, adică nucleele sale emit în mod spontan particule alfa - nuclee de heliu. Particulele alfa generate de nucleele de plutoniu-238 poartă energie mare; disipată în materie, această energie se transformă în căldură. Cât de mare este această energie? Șase milioane de electroni volți sunt eliberați din dezintegrarea unui nucleu atomic de plutoniu-238. Într-o reacție chimică, aceeași energie este eliberată atunci când câteva milioane de atomi sunt oxidați. O sursă de energie electrică care conține un kilogram de plutoniu-238 dezvoltă o putere termică de 560 de wați. Puterea maximă a unei surse de curent chimic de aceeași masă este de 5 wați.
Există mulți emițători cu caracteristici energetice similare, dar o caracteristică a plutoniului-238 face ca acest izotop să fie indispensabil. Dezintegrarea alfa este de obicei însoțită de radiații gamma puternice, care pătrund prin straturi mari de materie. 238 Pu este o excepție. Energia razelor gamma care însoțesc dezintegrarea nucleelor ​​sale este scăzută și nu este greu de protejat împotriva acesteia: radiația este absorbită de un recipient cu pereți subțiri. Probabilitatea fisiunii spontane a nucleelor ​​acestui izotop este de asemenea scăzută. Prin urmare, și-a găsit aplicație nu numai în sursele actuale, ci și în medicină. Bateriile care conțin plutoniu-238 servesc ca sursă de energie în stimulente cardiace speciale.
Dar 238 Pu nu este cel mai ușor izotop cunoscut al elementului nr. 94, izotopi de plutoniu au fost obținuți cu numere de masă de la 232 la 237. Timpul de înjumătățire al celui mai ușor izotop este de 36 de minute.

Plutoniul este un subiect important. Cele mai importante lucruri sunt spuse aici. La urma urmei, a devenit deja o expresie standard că chimia plutoniului a fost studiată mult mai bine decât chimia unor astfel de elemente „vechi” precum fierul. S-au scris cărți întregi despre proprietățile nucleare ale plutoniului. Metalurgia plutoniului este o altă secțiune uimitoare a cunoștințelor umane... Prin urmare, nu ar trebui să vă gândiți că, după ce ați citit această poveste, ați învățat cu adevărat plutoniul - cel mai important metal al secolului al XX-lea.

• CUM SĂ CARRAT PLUTONIU. Plutoniul radioactiv și toxic necesită îngrijire specială în timpul transportului. Un container a fost proiectat special pentru transportul său - un container care nu este distrus nici măcar în accidente de aviație. Este realizat destul de simplu: este un vas din oțel inoxidabil cu pereți groși, înconjurat de o coajă de mahon. Evident, plutoniul merită, dar imaginează-ți cât de groși trebuie să fie pereții dacă știi că un container pentru transportul de doar două kilograme de plutoniu cântărește 225 kg!
• OTRAVĂ ȘI ANTIDOT. La 20 octombrie 1977, Agence France-Presse a raportat că a fost găsit un compus chimic care poate elimina plutoniul din corpul uman. Câțiva ani mai târziu, s-au cunoscut destul de multe despre acest compus. Acest compus complex este o catechinamidă carboxilază liniară, o substanță din clasa chelaților (din grecescul „chela” - gheară). Atomul de plutoniu, liber sau legat, este prins în această gheară chimică. La șoarecii de laborator, această substanță a fost folosită pentru a elimina până la 70% din plutoniul absorbit din organism. Se crede că în viitor acest compus va ajuta la extragerea plutoniului atât din deșeurile de producție, cât și din combustibilul nuclear.