Плутоний

Плутоний,  ₉₄ Pu

Плутоний
Произношение	/ Р л ¯u т oʊ п I ə м / ( ploo- TOH -nee-əm )
Внешность	серебристо-белый, на воздухе тускнеющий до темно-серого
Массовое число	[244]
Плутоний в периодической таблице
Водород Гелий Литий Бериллий Бор Углерод Азот Кислород Фтор Неон Натрий Магний Алюминий Кремний Фосфор Сера Хлор Аргон Калий Кальций Скандий Титан Ванадий Хром Марганец Утюг Кобальт Никель Медь Цинк Галлий Германий Мышьяк Селен Бром Криптон Рубидий Стронций Иттрий Цирконий Ниобий Молибден Технеций Рутений Родий Палладий Серебро Кадмий Индий Банка Сурьма Теллур Йод Ксенон Цезий Барий Лантан Церий Празеодим Неодим Прометий Самарий Европий Гадолиний Тербий Диспрозий Гольмий Эрбий Тулий Иттербий Лютеций Гафний Тантал Вольфрам Рений Осмий Иридий Платина Золото Меркурий (элемент) Таллий Вести Висмут Полоний Астатин Радон Франций Радий Актиний Торий Протактиний Уран Нептуний Плутоний Америций Кюрий Берклиум Калифорний Эйнштейний Фермий Менделевий Нобелий Лоуренсий Резерфордий Дубний Сиборгий Бориум Калий Мейтнерий Дармштадтиум Рентгений Копернициум Nihonium Флеровий Московиум Ливерморий Tennessine Оганессон Sm ↑ Pu ↓ (Uqo) нептуний ← плутоний → америций
Атомный номер ( Z )	94
Группа	н / д
Период	период 7
Блокировать	f-блок
Электронная конфигурация	[ Rn ] 5f 6 7s 2
Электронов на оболочку	2, 8, 18, 32, 24, 8, 2
Физические свойства
Фаза на  СТП	твердый
Температура плавления	912,5  К (639,4 ° С, 1182,9 ° F)
Точка кипения	3505 К (3228 ° С, 5842 ° F)
Плотность (около  rt )	19,85 ( 239 Pu) [1]  г / см 3
в жидком состоянии (при  т. пл. )	16,63 г / см 3
Теплота плавления	2,82  кДж / моль
Теплота испарения	333,5 кДж / моль
Молярная теплоемкость	35,5 Дж / (моль · К)
Давление газа P  (Па) 1 10 100 1 к 10 тыс. 100 тыс. при  T  (K) 1756 1953 г. 2198 2511 2926 3499
Атомные свойства
Состояния окисления	+2, +3, +4 , +5, +6, +7, +8 (  амфотерный оксид)
Электроотрицательность	Шкала Полинга: 1,28
Энергии ионизации	1-я: 584,7 кДж / моль
Радиус атома	эмпирический: 159  вечера
Ковалентный радиус	187 ± 13 часов
Спектральные линии плутония
Другие свойства
Естественное явление	от разложения
Кристальная структура	моноклинная
Скорость звука	2260 м / с
Тепловое расширение	46,7 мкм / (м · К) (при 25 ° C)
Теплопроводность	6,74 Вт / (м · К)
Удельное электрическое сопротивление	1,460 мкОм · м (при 0 ° C)
Магнитный заказ	парамагнитный
Модуль для младших	96 ГПа
Модуль сдвига	43 ГПа
коэффициент Пуассона	0,21
Количество CAS	7440-07-5
История
Именование	в честь карликовой планеты Плутон , названной в честь классического бога подземного мира Плутона
Открытие	Гленн Т. Сиборг , Артур Уол , Джозеф В. Кеннеди , Эдвин Макмиллан (1940-1)
Основные изотопы плутония
Изотоп Избыток Период полураспада ( t 1/2 ) Режим распада Товар 238 Pu след 87,74 года SF - α 234 U 239 Pu след 2,41 × 10 4  г SF - α 235 U 240 Pu след 6500 л SF - α 236 U 241 Pu син 14 лет β - 241 утра SF - 242 Pu син 3,73 × 10 5  лет SF - α 238 U 244 Pu след 8,08 × 10 7  лет α 240 U SF -
Категория: плутоний Посмотреть разговаривать редактировать | Рекомендации

Плутоний - это радиоактивный химический элемент с символом Pu и атомным номером 94. Это актинидный металл серебристо-серого цвета, который тускнеет при контакте с воздухом и образует тусклое покрытие при окислении . Элемент обычно имеет шесть аллотропов и четыре степени окисления . Он реагирует с углеродом , галогенами , азотом , кремнием и водородом . При контакте с влажным воздухом образует оксиды и гидриды.которые могут расширять образец до 70% в объеме, который, в свою очередь, отслаивается в виде пирофорного порошка . Он радиоактивен и может накапливаться в костях , что делает обращение с плутонием опасным.

Плутоний был первым синтетическим и изолирован от 14 декабря 1940 года, по дейтронов бомбардировке урана-238 в 1,5 метра (60 в) циклотрона в Университете Калифорнии, Беркли . Сначала был синтезирован нептуний-238 ( период полураспада 2,1 дня), который впоследствии подвергся бета-распаду с образованием нового элемента с атомным номером 94 и атомной массой 238 (период полураспада 88 лет). Поскольку уран был назван в честь планеты Уран, а нептуний - в честь планеты Нептун , элемент 94 был назван в честь Плутона., который в то время тоже считался планетой. Секретность военного времени не позволяла команде Калифорнийского университета опубликовать свое открытие до 1948 года.

Плутоний - это элемент с наивысшим атомным номером, который встречается в природе. Следовые количества образуются в месторождениях природного урана-238, когда уран-238 захватывает нейтроны, испускаемые при распаде других атомов урана-238. Плутоний гораздо более распространен на Земле с 1945 года как продукт захвата нейтронов и бета-распада , когда некоторые из нейтронов, выделяемых в процессе деления, превращают ядра урана-238 в плутоний-239.

Количество изотопов в цепочках распада в определенный момент времени рассчитывается с помощью уравнения Бейтмана . И плутоний-239, и плутоний-241 являются делящимися , что означает, что они могут поддерживать цепную ядерную реакцию , ведущую к применению в ядерном оружии и ядерных реакторах . Плутоний-240 демонстрирует высокую скорость спонтанного деления , увеличивая нейтронный поток любого образца, содержащего его. Присутствие плутония-240 ограничивает пригодность пробы плутония для оружия или его качество в качестве реакторного топлива, а процент плутония-240 определяет его сорт (оружейного , топливного или реакторного). Плутоний-238 имеет период полураспада 87,7 лет и испускает альфа-частицы . Это источник тепла в радиоизотопных термоэлектрических генераторах , которые используются для питания некоторых космических аппаратов . Изотопы плутония дороги и их неудобно разделять, поэтому определенные изотопы обычно производятся в специализированных реакторах.

Первое производство плутония в полезных количествах было основной частью Манхэттенского проекта во время Второй мировой войны , в ходе которого были разработаны первые атомные бомбы. Бомбы « Толстяк», использованные в ядерных испытаниях « Тринити» в июле 1945 года и во время бомбардировки Нагасаки в августе 1945 года, имели плутониевые ядра . Эксперименты по изучению плутония на людях проводились без информированного согласия , и после войны произошло несколько аварий с критичностью , некоторые со смертельным исходом. Утилизация отходов плутония от атомных электростанций идемонтированное ядерное оружие, созданное во время холодной войны, представляет собой проблему распространения ядерного оружия и окружающей среды. Другие источники плутония в окружающей среде - это выпадения в результате многочисленных наземных ядерных испытаний, которые в настоящее время запрещены .

Характеристики

Физические свойства

Плутоний, как и большинство металлов, сначала имеет ярко-серебристый цвет, очень похожий на никель , но он очень быстро окисляется до тускло-серого цвета, хотя также сообщается о желтом и оливково-зеленом. ^{[2] [3]} При комнатной температуре плутоний находится в своей α ( альфа ) форме . Это наиболее распространенная структурная форма элемента ( аллотроп ), примерно такая же твердая и хрупкая, как серый чугун, если только он не легирован другими металлами, чтобы сделать его мягким и пластичным. В отличие от большинства металлов, он плохо проводит тепло или электричество . Имеет низкую температуру плавления.(640 ° C) и необычно высокая температура кипения (3228 ° C). ^[2]

Альфа-распад , высвобождение высокоэнергетического ядра гелия , является наиболее распространенной формой радиоактивного распада плутония. ^[4] Масса 5 кг ²³⁹ Pu содержит около12,5 × 10 ²⁴ атомов. При периоде полураспада 24 100 лет около11,5 × 10 ¹² его атомов распадаются каждую секунду, испуская альфа-частицу с энергией 5,157  МэВ . Это составляет 9,68 Вт мощности. Тепло, возникающее при замедлении этих альфа-частиц, делает его теплым на ощупь. ^{[5] [6]}

Удельное сопротивление - это мера того, насколько сильно материал противостоит прохождению электрического тока . Удельное сопротивление плутония при комнатной температуре очень велико для металла и становится еще выше при более низких температурах, что необычно для металлов. ^[7] Эта тенденция продолжается до 100  К , ниже которой удельное сопротивление быстро уменьшается для свежих образцов. ^[7] Затем удельное сопротивление начинает увеличиваться со временем примерно при 20 К из-за радиационного повреждения, со скоростью, определяемой изотопным составом образца. ^[7]

Из-за самооблучения образец плутония истощается по всей своей кристаллической структуре, что означает, что упорядоченное расположение его атомов со временем нарушается радиацией. ^[8] Самооблучение также может привести к отжигу, который противодействует некоторым эффектам усталости при повышении температуры выше 100 К. ^[9]

В отличие от большинства материалов, плутоний увеличивает плотность при плавлении на 2,5%, но жидкий металл показывает линейное уменьшение плотности с температурой. ^[7] Вблизи точки плавления жидкий плутоний имеет очень высокую вязкость и поверхностное натяжение по сравнению с другими металлами. ^[8]

Аллотропы

Плутоний обычно имеет шесть аллотропов и образует седьмой (дзета, ζ) при высокой температуре в ограниченном диапазоне давлений. ^[10] Эти аллотропы, которые представляют собой различные структурные модификации или формы элемента, имеют очень похожую внутреннюю энергию, но существенно различаются по плотности и кристаллической структуре . Это делает плутоний очень чувствительным к изменениям температуры, давления или химического состава и допускает резкие изменения объема после фазовых переходов из одной аллотропной формы в другую. ^[8] Плотность различных аллотропов варьируется от 16,00 г / см ³ до 19,86 г / см ³ . ^[11]

Присутствие этого множества аллотропов очень затрудняет обработку плутония, так как он очень легко меняет состояние. Например, α-форма существует при комнатной температуре в нелегированном плутонии. Он имеет характеристики обработки, аналогичные характеристикам чугуна, но при несколько более высоких температурах превращается в пластичную и податливую форму β ( бета ). ^[12] Причины сложной фазовой диаграммы не совсем понятны. Форма α имеет низкосимметричную моноклинную структуру, отсюда ее хрупкость, прочность, сжимаемость и плохая теплопроводность. ^[10]

Плутоний в форме δ ( дельта ) обычно существует в диапазоне от 310 ° C до 452 ° C, но он стабилен при комнатной температуре при легировании небольшим процентным содержанием галлия , алюминия или церия , что улучшает технологичность и позволяет сваривать . ^[12] Форма δ имеет более типичный металлический характер и примерно такая же прочная и пластичная, как алюминий. ^[10] В оружии деления взрывные ударные волны, используемые для сжатия плутониевого ядра, также вызовут переход от обычного плутония в δ-фазе к более плотной α-форме, что значительно способствует достижению сверхкритичности . ^[13]Ε-фаза, твердый аллотроп с самой высокой температурой, демонстрирует аномально высокую самодиффузию атомов по сравнению с другими элементами. ^[8]

Ядерное деление

Плутоний - это радиоактивный металл- актинид , изотоп которого , плутоний-239 , является одним из трех первичных делящихся изотопов ( уран-233 и уран-235 - два других); плутоний-241 также очень делящийся. Чтобы считаться делящимся, атомное ядро изотопа должно быть способным разрушаться или делиться при ударе медленно движущегося нейтрона и выделять достаточно дополнительных нейтронов, чтобы поддерживать ядерную цепную реакцию путем расщепления других ядер. ^[14]

Чистый плутоний-239 может иметь коэффициент размножения (k _эфф ) больше единицы, что означает, что если металл присутствует в достаточном количестве и с соответствующей геометрией (например, сфера достаточного размера), он может образовать критическую массу . ^[15] Во время деления часть энергии связи ядра , которая удерживает ядро ​​вместе, высвобождается в виде большого количества электромагнитной и кинетической энергии (большая часть последней быстро преобразуется в тепловую энергию). При делении килограмма плутония-239 может произойти взрыв, эквивалентный 21 000 т тротила (88 000  ГДж ). Именно эта энергия делает плутоний-239 полезным в ядерном оружии.и реакторы . ^[5]

Присутствие изотопа плутония-240 в образце ограничивает его потенциал ядерной бомбы, поскольку плутоний-240 имеет относительно высокую скорость спонтанного деления (~ 440 делений в секунду на грамм - более 1000 нейтронов в секунду на грамм) ^{[16], что} повышает фоновые уровни нейтронов и, таким образом, увеличивают риск преддонации . ^[17] Плутоний определяется как оружейный , топливный или реакторный на основе процентного содержания плутония-240, которое он содержит. Плутоний оружейного качества содержит менее 7% плутония-240. Плутоний топливного качества содержит от 7% до менее 19%, а плутоний-240 для энергетических реакторов - 19% или более плутония-240.Сверхчистый плутоний , содержащий менее 4% плутония-240, используется в оружии ВМС США, хранящемся поблизости от экипажей кораблей и подводных лодок, из-за его более низкой радиоактивности. ^[18] Изотоп плутоний-238 не делящийся, но может легко подвергаться ядерному делению с помощью быстрых нейтронов, а также альфа-распаду. ^[5]

Изотопы и нуклеосинтез

Охарактеризовано двадцать радиоактивных изотопов плутония. Самыми долгоживущими являются плутоний-244 с периодом полураспада 80,8 миллиона лет, плутоний-242 с периодом полураспада 373 300 лет и плутоний-239 с периодом полураспада 24 110 лет. Все оставшиеся радиоактивные изотопы имеют период полураспада менее 7000 лет. Этот элемент также имеет восемь метастабильных состояний , но все они имеют период полураспада менее одной секунды. ^[4]

Известные изотопы плутония имеют массовое число от 228 до 247. Основными видами распада изотопов с массовыми числами ниже, чем у наиболее стабильного изотопа плутония-244, являются спонтанное деление и альфа-излучение , в основном образующие уран (92 протона ) и нептуний. (93 протона) изотопов в качестве продуктов распада (без учета широкого круга дочерних ядер, создаваемых процессами деления). Основной способ распада изотопов с массовыми числами выше, чем плутоний-244, - это бета-излучение , в основном с образованием изотопов америция (95 протонов) в качестве продуктов распада. Плутоний-241 является родительским изотопом серии распада нептуния., распадаясь на америций-241 через бета-излучение. ^{[4] [19]}

Плутоний-238 и 239 - наиболее широко синтезируемые изотопы. ^[5] Плутоний-239 синтезируется посредством следующей реакции с использованием урана (U) и нейтронов (n) посредством бета-распада (β ^- ) с нептунием (Np) в качестве промежуточного соединения: ^[20]

${\ displaystyle {\ ce {{^ {238} _ {92} U} + {^ {1} _ {0} n} -> {^ {239} _ {92} U} -> [\ beta ^ { -}] [23.5 \ {\ ce {min}}] {^ {239} _ {93} Np} -> [\ beta ^ {-}] [2.3565 \ {\ ce {d}}] {^ {239 } _ {94} Пу}}}}$

Нейтроны от деления урана-235 захватываются ядрами урана-238 с образованием урана-239; бета - распад превращает нейтрон в протон в виде нептуния-239 (период полураспада 2,36 дней) и других форм распада бета - плутоний-239. ^[21] Эгон Бретчер, работавший над проектом British Tube Alloys, теоретически предсказал эту реакцию в 1940 году. ^[22]

Плутоний-238 синтезируется путем бомбардировки урана-238 дейтронами (D, ядра тяжелого водорода ) в следующей реакции: ^[23]

${\ displaystyle {\ begin {align} {\ ce {{^ {238} _ {92} U} + {^ {2} _ {1} D} ->}} & {\ ce {{^ {238} _ {93} Np} + 2_ {0} ^ {1} n}} \\ & {\ ce {^ {238} _ {93} Np -> [\ beta ^ {-}] [2.117 \ {\ ce {d}}] {^ {238} _ {94} Pu}}} \ end {align}}}$

В этом процессе дейтрон, поражающий уран-238, производит два нейтрона и нептуний-238, который самопроизвольно распадается, испуская отрицательные бета-частицы, с образованием плутония-238. ^[24]

Теплота распада и свойства деления

Изотопы плутония подвергаются радиоактивному распаду, в результате чего выделяется тепло . Различные изотопы выделяют разное количество тепла на массу. Теплота распада обычно указывается в ватт / килограмм или милливатт / грамм. В больших кусках плутония (например, яма для оружия) и при недостаточном отводе тепла результирующий самонагревание может быть значительным.

Соединения и химия

При комнатной температуре чистый плутоний имеет серебристый цвет, но при окислении становится тусклым. ^[26] Элемент отображает четыре обычных состояния ионного окисления в водном растворе и одно редкое: ^[11]

• Pu (III), как Pu ³⁺ (голубая лаванда)
• Pu (IV), как Pu ⁴⁺ (желто-коричневый)
• Pu (V), как PuO⁺
  ₂(светло-розовый) ^{[примечание 1]}
• Pu (VI), как PuO²⁺
  ₂ (розовый оранжевый)
• Pu (VII), как PuO^3-
  ₅ (зеленый) - семивалентный ион встречается редко.

Цвет, показываемый растворами плутония, зависит как от степени окисления, так и от природы кислотного аниона . ^[28] Именно кислотный анион влияет на степень комплексообразования - как атомы соединяются с центральным атомом - разновидностей плутония. Кроме того, формальная степень окисления плутония +2 известна в комплексе [K (2.2.2-криптанд)] [Pu ^II Cp ″ ₃ ], Cp ″ = C ₅ H ₃ (SiMe ₃ ) ₂ . ^[29]

Степень окисления +8 возможна также в летучем тетроксиде PuO
₄. ^[30] Хотя он легко разлагается по механизму восстановления, подобному FeO.
₄, PuO
₄может быть стабилизирован в щелочных растворах и хлороформе . ^{[31] [30]}

Металлический плутоний получают путем реакции тетрафторида плутония с барием , кальцием или литием при 1200 ° C. ^[32] Он подвергается воздействию кислот , кислорода и пара, но не щелочей, и легко растворяется в концентрированной соляной , йодистоводородной и хлорной кислотах . ^[33] Расплавленный металл должен храниться в вакууме или в инертной атмосфере, чтобы избежать реакции с воздухом. ^[12] При 135 ° C металл воспламеняется на воздухе и взрывается, если его поместить вчетыреххлористый углерод . ^[34]

Плутоний - химически активный металл. Во влажном воздухе или влажном аргоне металл быстро окисляется, образуя смесь оксидов и гидридов . ^[2] Если металл подвергается достаточно длительному воздействию ограниченного количества водяного пара, на поверхности образуется порошкообразное покрытие из PuO ₂ . ^[2] Также образуется гидрид плутония, но при избытке водяного пара образуется только PuO ₂ . ^[33]

Плутоний демонстрирует огромные и обратимые скорости реакции с чистым водородом, образуя гидрид плутония . ^[8] Он также легко реагирует с кислородом, образуя PuO и PuO _2, а также промежуточные оксиды; Оксид плутония заполняет на 40% больше объема, чем металлический плутоний. Металл реагирует с галогенами , давая соединения с общей формулой PuX _3, где X может быть F , Cl , Br или I, и также виден PuF ₄ . Наблюдаются следующие оксигалогениды: PuOCl, PuOBr и PuOI. Он будет реагировать с углеродом с образованием PuC, азотом с образованием PuN и кремнием с образованием PuSi ₂ .^{[11] [34]}

Порошки плутония, его гидридов и некоторых оксидов, таких как Pu ₂ O ₃ , пирофорны , что означает, что они могут самовоспламеняться при температуре окружающей среды, и поэтому с ними обращаются в инертной сухой атмосфере азота или аргона. Объемный плутоний воспламеняется только при нагревании выше 400 ° C. Pu ₂ O ₃ самопроизвольно нагревается и превращается в PuO ₂ , который устойчив в сухом воздухе, но при нагревании реагирует с водяным паром. ^[35]

Тигли, используемые для содержания плутония, должны выдерживать его сильно восстанавливающие свойства. Тугоплавкие металлы, такие как тантал и вольфрам, а также более стабильные оксиды, бориды , карбиды , нитриды и силициды могут терпеть это. Плавка в дуговой электропечи может быть использована для получения небольших слитков металла без тигля. ^[12]

Церий используется в качестве химического имитатора плутония для разработки технологий локализации, извлечения и других технологий. ^[36]

Электронная структура

Плутоний - это элемент, в котором 5f-электроны являются переходной границей между делокализованными и локализованными; поэтому он считается одним из самых сложных элементов. ^[37] Аномальное поведение плутония вызвано его электронной структурой. Разница в энергии между подоболочками 6d и 5f очень мала. Размер оболочки 5f достаточно, чтобы позволить электронам образовывать связи внутри решетки, на самой границе между локализованным и связывающим поведением. Близость уровней энергии приводит к множеству низкоэнергетических электронных конфигураций с почти равными энергетическими уровнями. Это приводит к конкуренции 5f ⁿ 7s ² и 5f ^{n − 1} 6d ¹ 7s ²конфигурации, что обуславливает сложность его химического поведения. Высоконаправленная природа 5f-орбиталей отвечает за направленные ковалентные связи в молекулах и комплексах плутония. ^[8]

Сплавы

Плутоний может образовывать сплавы и промежуточные соединения с большинством других металлов. Исключения включают литий, натрий , калий , рубидий и цезий из щелочных металлов ; и магний , кальций, стронций и барий из щелочноземельных металлов ; и европий и иттербий из редкоземельных металлов . ^[33] Частичные исключения включают тугоплавкие металлы хром , молибден , ниобий., тантал и вольфрам, которые растворимы в жидком плутонии, но нерастворимы или слабо растворимы в твердом плутонии. ^[33] Галлий, алюминий, америций, скандий и церий могут стабилизировать δ-фазу плутония при комнатной температуре. Кремний , индий , цинк и цирконий при быстром охлаждении допускают образование метастабильного δ-состояния. Большое количество гафния , гольмия и таллия также позволяет некоторое время удерживать δ-фазу при комнатной температуре. Нептуний - единственный элемент, который может стабилизировать α-фазу при более высоких температурах. ^[8]

Сплавы плутония можно производить, добавляя металл к расплавленному плутонию. Если легирующий металл является достаточно восстановительным, плутоний можно добавлять в форме оксидов или галогенидов. Сплавы плутоний-галлий с δ-фазой и плутоний-алюминиевые сплавы производятся путем добавления фторида плутония (III) к расплавленному галлию или алюминию, что позволяет избежать непосредственного контакта с высокореакционным металлическим плутонием. ^[38]

• Плутоний-галлий используется для стабилизации δ-фазы плутония, избегая проблем, связанных с α-фазой и α – δ. Его основное применение в ямах от имплозии ядерного оружия . ^[39]
• Плутоний – алюминий является альтернативой сплаву Pu – Ga. Это был первоначальный элемент, который рассматривался для стабилизации δ-фазы, но его способность реагировать с альфа-частицами и высвобождать нейтроны снижает его применимость для ям для ядерного оружия. Сплав плутоний-алюминиевый также может быть использован в качестве компонента ядерного топлива . ^[40]
• Сплав плутоний-галлий-кобальт (PuCoGa ₅ ) - нетрадиционный сверхпроводник , демонстрирующий сверхпроводимость ниже 18,5 К, что на порядок выше, чем самый высокий показатель среди систем с тяжелыми фермионами , и имеет большой критический ток. ^{[37] [41]}
• Сплав плутоний-цирконий может использоваться в качестве ядерного топлива . ^[42]
• Сплавы плутоний-церий и плутоний-церий-кобальт используются в качестве ядерного топлива. ^[43]
• Плутоний-уран с содержанием плутония около 15–30 мол.% Может быть использован в качестве ядерного топлива для реакторов-размножителей на быстрых нейтронах. Его пирофорная природа и высокая подверженность коррозии вплоть до самовоспламенения или распада после воздействия воздуха требуют легирования с другими компонентами. Добавление алюминия, углерода или меди не приводит к заметному улучшению скорости разложения, сплавы циркония и железа имеют лучшую коррозионную стойкость, но они также распадаются в течение нескольких месяцев на воздухе. Добавление титана и / или циркония значительно увеличивает температуру плавления сплава. ^[44]
• Плутоний-уран-титан и плутоний-уран-цирконий были исследованы на предмет использования в качестве ядерного топлива. Добавление третьего элемента увеличивает коррозионную стойкость, снижает воспламеняемость и улучшает пластичность, технологичность, прочность и тепловое расширение. Плутоний-уран-молибден имеет лучшую коррозионную стойкость, образуя защитную пленку из оксидов, но титан и цирконий предпочтительнее по физическим причинам. ^[44]
• Торий – уран – плутоний исследовали в качестве ядерного топлива для реакторов на быстрых нейтронах. ^[44]

Вхождение

Следы плутония-238, плутония-239, плутония-240 и плутония-244 могут быть обнаружены в природе. Небольшие следы плутония-239, несколько частей на триллион , и продукты его распада естественным образом обнаруживаются в некоторых концентрированных рудах урана ^[45], таких как естественный ядерный реактор деления в Окло , Габон . ^[46] Отношение плутония-239 к урану на урановом месторождении шахты Сигар-Лейк варьируется от2,4 × 10 ⁻¹² до44 × 10 ⁻¹² . ^[47] Эти следовые количества ²³⁹ Pu происходят следующим образом: в редких случаях ²³⁸ U подвергается спонтанному делению, и в этом процессе ядро ​​испускает один или два свободных нейтрона с некоторой кинетической энергией. Когда один из этих нейтронов ударяется о ядро ​​другого атома ²³⁸ U, он поглощается атомом, который становится ²³⁹ U. При относительно коротком периоде полураспада ²³⁹ U распадается до ²³⁹ Np, который распадается на ²³⁹ Pu. ^{[48] [49]} Наконец, чрезвычайно малые количества плутония-238, приписываемые чрезвычайно редкому двойному бета-распадуурана-238, обнаружены в пробах природного урана. ^[50]

Из-за относительно длительного периода полураспада, составляющего около 80 миллионов лет, было высказано предположение, что плутоний-244 встречается в природе как первичный нуклид , но ранние сообщения о его обнаружении не могли быть подтверждены. ^[51] Однако его длительный период полураспада обеспечил его циркуляцию по Солнечной системе до его исчезновения , ^[52] и действительно, свидетельства спонтанного деления потухшего ²⁴⁴ Pu были найдены в метеоритах. ^[53] Прежнее присутствие ²⁴⁴ Pu в ранней Солнечной системе было подтверждено, так как сегодня он проявляется в избытке его дочерних элементов, ²³² Th (от пути альфа-распада) илиизотопы ксенона (от его спонтанного деления ). Последние, как правило, более полезны, потому что химический состав тория и плутония довольно схож (оба являются преимущественно четырехвалентными), и, следовательно, избыток тория не может служить убедительным доказательством того, что часть его образовалась в виде дочернего плутония. ^{[54] 244} Pu имеет самый длинный период полураспада из всех трансурановых нуклидов и образуется только в r-процессе в сверхновых и сталкивающихся нейтронных звездах ; когда ядра выбрасываются из этих событий с высокой скоростью, чтобы достичь Земли, только ²⁴⁴ Pu среди трансурановых нуклидов имеет достаточно длительный период полураспада, чтобы пережить путешествие, и, следовательно, крошечные следы живых межзвездных²⁴⁴ Pu были обнаружены в глубоком морском дне. Из - за ²⁴⁰ Pu также происходит в цепи распада из ²⁴⁴ Pu, она должна , таким образом , также присутствовать в вековом равновесии , хотя и в даже крошечных количествах. ^[55]

Незначительные следы плутония обычно обнаруживаются в организме человека из-за проведенных 550 атмосферных и подводных ядерных испытаний , а также из-за небольшого числа крупных ядерных аварий . Большинство атмосферных и подводных ядерных испытаний было остановлено Договором об ограниченном запрещении ядерных испытаний в 1963 году, который был подписан и ратифицирован США, Соединенным Королевством, Советским Союзом и другими странами. Продолжающиеся испытания ядерного оружия в атмосфере с 1963 года странами, не являющимися участниками договора, в том числе и Китаем ( испытание атомной бомбы над пустыней Гоби в 1964 году, водородная бомбаиспытание в 1967 г. и последующие испытания) и во Франции (испытания проводились совсем недавно, в 1990-х годах). Поскольку плутоний-239 преднамеренно производится для ядерного оружия и ядерных реакторов, он является наиболее распространенным изотопом плутония. ^[34]

История

Открытие

Энрико Ферми и группа ученых из Римского университета сообщили, что они открыли элемент 94 в 1934 году. ^[56] Ферми назвал этот элемент гесперием и упомянул его в своей Нобелевской лекции в 1938 году. ^[57] На самом деле образец представлял собой смесь барий, криптон и другие элементы, но в то время об этом не было известно. ^[58] Ядерное деление было открыто в Германии в 1938 году Отто Ганом и Фрицем Штрассманном . Механизм деления был теоретически объяснен Лизой Мейтнер и Отто Фришем . ^[59]

Плутоний (в частности, плутоний-238) был впервые произведен, выделен и затем химически идентифицирован в период с декабря 1940 г. по февраль 1941 г. Гленном Т. Сиборгом , Эдвином Макмилланом , Эмилио Сегре , Джозефом В. Кеннеди и Артуром Валем путем бомбардировки урана дейтронами в 60-дюймовый (150 см) циклотронного в радиационной лаборатории Беркли в университете Калифорнии, Беркли . ^{[60] [61] [62]} Нептуний-238 был создан непосредственно в результате бомбардировки, но распался бета-излучением с периодом полураспада немногим более двух дней, что указывает на образование элемента 94. ^[34]

Документ, документирующий открытие, был подготовлен командой и отправлен в журнал Physical Review в марте 1941 года ^[34], но публикация была отложена до года после окончания Второй мировой войны из-за проблем безопасности. ^[63] В лаборатории Кавендиша в Кембридже Эгон Бретчер и Норман Фезер поняли, что реактор на медленных нейтронах, работающий на урановом топливе, теоретически будет производить значительное количество плутония-239 в качестве побочного продукта. Они подсчитали, что элемент 94 будет делящимся и имеет дополнительное преимущество в том, что он химически отличается от урана и может быть легко отделен от него. ^[22]

Макмиллан недавно назвал первый трансурановый элемент нептунием в честь планеты Нептун и предложил назвать элемент 94, который является следующим элементом в ряду, в честь того, что тогда считалось следующей планетой, Плутоном . ^{[5] [примечание 2]} Николас Кеммер из Кембриджской команды независимо предложил то же имя, основываясь на тех же аргументах, что и команда Беркли. ^[22] Сиборг первоначально считал название «плутоний», но позже подумал, что оно звучит не так хорошо, как «плутоний». ^[65] Он выбрал буквы «Пу» в качестве шутки, имея в виду междометие «P U», чтобы указать на особенно отвратительный запах, который незаметно перешел в периодическую таблицу.^{[заметка 3]}Альтернативные названия, рассматриваемые Сиборгом и другими, были «ultimium» или «extremium» из-за ошибочного убеждения, что они нашли последний возможный элемент в периодической таблице . ^[67]

Раннее исследование

Было обнаружено, что химический состав плутония похож на уран после нескольких месяцев первоначальных исследований. ^[34] В начале исследования были продолжены в секретной металлургической лаборатории в Университете Чикаго . 20 августа 1942 г. было впервые выделено и измерено следовое количество этого элемента. Было произведено около 50 микрограммов плутония-239 в сочетании с ураном и продуктами деления, и было выделено только около 1 микрограмма. ^{[45] [68]} Эта процедура позволила химикам определить атомный вес нового элемента. ^{[69] [примечание 4]} 2 декабря 1942 года на площадке для игры в ракетки под западной трибуной в Stagg Field Чикагского университета исследователи во главе с Энрико Фермиосуществил первую самоподдерживающуюся цепную реакцию в котле из графита и урана, известном как CP-1 . Используя теоретическую информацию, полученную при эксплуатации CP-1, DuPont построила экспериментальный производственный реактор с воздушным охлаждением, известный как X-10 , и пилотную установку химического разделения в Ок-Ридже. Установка для разделения с использованием методов, разработанных Гленном Т. Сиборгом и группой исследователей из Met Lab, удалила плутоний из урана, облученного в реакторе X-10. Информация с CP-1 была также полезна для ученых Met Lab, проектирующих водоохлаждаемые реакторы для производства плутония для Хэнфорда. Строительство на месте началось в середине 1943 года. ^[70]

В ноябре 1943 года было восстановлено количество трифторида плутония, чтобы создать первый образец металлического плутония: несколько микрограммов металлических шариков. ^[45] Было произведено достаточно плутония, чтобы сделать его первым синтетическим элементом, видимым невооруженным глазом. ^[71]

Также были изучены ядерные свойства плутония-239; исследователи обнаружили, что когда в него попадает нейтрон, он распадается (делится), высвобождая больше нейтронов и энергии. Эти нейтроны могут поражать другие атомы плутония-239 и т.д. в результате экспоненциально быстрой цепной реакции. Это может привести к взрыву, достаточно мощному, чтобы разрушить город, если изотопа сконцентрируется в достаточном количестве для образования критической массы . ^[34]

На ранних этапах исследований животных использовали для изучения воздействия радиоактивных веществ на здоровье. Эти исследования начались в 1944 году в Радиационной лаборатории Калифорнийского университета в Беркли и проводились Джозефом Г. Гамильтоном. Гамильтон хотел ответить на вопросы о том, как плутоний будет варьироваться в организме в зависимости от режима воздействия (пероральный прием, вдыхание, абсорбция через кожу), степени удерживания и того, как плутоний будет фиксироваться в тканях и распределяться между различными органами. Гамильтон начал вводить крысам растворимые порции плутония-239 в дозах микрограмм, используя различные валентные состояния и различные методы введения плутония (перорально, внутривенно и т. Д.). В конце концов, лаборатория в Чикаго также провела собственные эксперименты с инъекциями плутония с использованием различных животных, таких как мыши, кролики и т. Д.рыбу и даже собак. Результаты исследований в Беркли и Чикаго показали, что физиологическое поведение плутония значительно отличается от поведения радия. Наиболее тревожным результатом было то, что в печени и в «активно метаболизирующейся» части кости произошло значительное отложение плутония. Кроме того, скорость выведения плутония с экскрементами различалась между видами животных в пять раз. Из-за такого разброса было чрезвычайно трудно оценить, какой будет уровень для людей.часть кости. Кроме того, скорость выведения плутония с экскрементами различалась между видами животных в пять раз. Из-за такого разброса было чрезвычайно трудно оценить, какой будет уровень для людей.часть кости. Кроме того, скорость выведения плутония с экскрементами различалась между видами животных в пять раз. Из-за такого разброса было чрезвычайно трудно оценить, какой будет уровень для людей.^[72]

Производство во время Манхэттенского проекта

Во время Второй мировой войны правительство США учредило Манхэттенский проект , задачей которого была разработка атомной бомбы. Тремя основными исследовательскими и производственными объектами проекта были объект по производству плутония на территории нынешнего Хэнфорда , объекты по обогащению урана в Ок-Ридже, штат Теннесси , и лаборатория исследования и разработки оружия, ныне известная как Национальная лаборатория Лос-Аламоса . ^[73]

Первым промышленным реактором, который производил плутоний-239, был графитовый реактор X-10 . Он был запущен в 1943 году и был построен на предприятии в Ок-Ридже, которое позже стало Ок-Риджской национальной лабораторией . ^{[34] [примечание 5]}

В январе 1944 года рабочие заложили фундамент первого здания химического разделения, завода Т, расположенного в 200-Западном. К октябрю были завершены строительство завода T и его дочернего предприятия в 200-West, U Plant. (Завод U использовался только для обучения во время Манхэттенского проекта.) Разделительное здание в 200-Ист, завод B было завершено в феврале 1945 года. Второй объект, запланированный для 200-Востока, был отменен. Строившие их рабочие, получившие прозвище «Королева Мэри», представляли собой потрясающие сооружения, похожие на каньон, длиной 800 футов, шириной 65 футов и высотой 80 футов, в которых находилось сорок технологических бассейнов. Внутреннее пространство выглядело жутковато, поскольку операторы за семифутовым бетонным экраном управляли оборудованием дистанционного управления, просматривая телевизионные мониторы и перископы из верхней галереи. Даже с массивными бетонными крышками на технологических бассейнах,меры предосторожности против радиационного облучения необходимы и влияют на все аспекты проектирования станции.^[70]

5 апреля 1944 года Эмилио Сегре в Лос-Аламосе получил первый образец реакторного плутония из Ок-Риджа. ^[75] В течение десяти дней он обнаружил, что плутоний, полученный в реакторе, имеет более высокую концентрацию изотопа плутония-240, чем плутоний, произведенный на циклотроне. Плутоний-240 имеет высокую скорость спонтанного деления, что повышает общий фоновый уровень нейтронов в образце плутония. ^[76] От оригинального плутониевого оружия пушечного типа под кодовым названием « Тонкий человек » пришлось отказаться в результате - увеличенное количество спонтанных нейтронов означало, что ядерный преждевременный взрыв ( шипение ) был вероятен. ^[77]

Все усилия по разработке плутониевого оружия в Лос-Аламосе вскоре были заменены на более сложное взрывное устройство под кодовым названием « Толстяк ». В имплозивном оружии плутоний сжимается до высокой плотности с помощью взрывных линз - технически более сложная задача, чем простая конструкция пушечного типа, но необходимая для использования плутония в оружейных целях. Обогащенный уран , напротив, можно использовать любым методом. ^[77]

Строительство Хэнфордского реактора B , первого ядерного реактора промышленного размера для производства материалов, было завершено в марте 1945 года. Реактор B производил делящийся материал для плутониевого оружия, использовавшегося во время Второй мировой войны. ^{[примечание 6]} B, D и F были первоначальными реакторами, построенными в Хэнфорде, а шесть дополнительных реакторов для производства плутония были построены позже на этом объекте. ^[80]

К концу января 1945 года высокоочищенный плутоний подвергся дальнейшей концентрации в завершенном здании химической изоляции, где оставшиеся примеси были успешно удалены. Лос-Аламос получил свой первый плутоний из Хэнфорда 2 февраля. Хотя до конца войны еще не было ясно, может ли быть произведено достаточно плутония для использования в бомбах, Хэнфорд к началу 1945 года уже был в эксплуатации. Прошло всего два года с тех пор, как полковник Франклин Матиас впервые основал свою временную штаб-квартиру на берегу реки Колумбия. ^[70]

По словам Кейт Браун , заводы по производству плутония в Хэнфорде и Маяке в России за четыре десятилетия «оба выбросили в окружающую среду более 200 миллионов кюри радиоактивных изотопов - в два раза больше, чем выброшено в результате Чернобыльской катастрофы в каждом случае. ". ^[81] Большая часть этого радиоактивного загрязнения на протяжении многих лет являлась частью нормальной эксплуатации, но непредвиденные аварии действительно происходили, и руководство завода держало этот секрет в секрете, поскольку загрязнение продолжалось. ^[81]

В 2004 году при раскопках траншеи для захоронения на ядерном объекте в Хэнфорде был обнаружен сейф . Внутри сейфа находились различные предметы, в том числе большая стеклянная бутылка с беловатой жидкостью, которая впоследствии была идентифицирована как самый старый из известных существующих образцов оружейного плутония. Изотопный анализ Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории показал, что плутоний в баллоне был произведен в графитовом реакторе X-10 в Ок-Ридже в 1944 году. ^{[82] [83] [84]}

Атомные бомбы Тринити и Толстяк

При первом испытании атомной бомбы под кодовым названием «Тринити», взорванной 16 июля 1945 года недалеко от Аламогордо, штат Нью-Мексико , в качестве делящегося материала использовался плутоний. ^[45] Имплозионная конструкция « устройства », как было названо устройство Trinity, использовала обычные взрывные линзы для сжатия сферы плутония в сверхкритическую массу, которая одновременно была осыпана нейтронами от «Urchin» , инициатора. сделаны из полония и бериллия ( источник нейтронов : (α, n) реакция ). ^[34] Вместе это обеспечило безудержную цепную реакцию и взрыв. Общее оружие весило более 4тонн , хотя в его активной зоне использовалось всего 6,2 кг плутония. ^[85] Около 20% плутония, используемого в оружии Тринити, подверглось делению, что привело к взрыву с энергией, эквивалентной примерно 20 000 тонн в тротиловом эквиваленте. ^{[86] [примечание 7]}

Идентичная конструкция была использована в атомной бомбе «Толстяк», сброшенной на Нагасаки , Япония , 9 августа 1945 года, в результате чего погибло 35 000–40 000 человек и было уничтожено 68–80% военной продукции в Нагасаки. ^[88] Только после объявления о первых атомных бомбах существование и название плутония стало известно общественности в отчете Смита Манхэттенского проекта . ^[89]

Использование и отходы холодной войны

Большие запасы оружейного плутония были созданы как Советским Союзом, так и Соединенными Штатами во время холодной войны . Американские реакторы в Хэнфорде и на участке Саванна Ривер в Южной Каролине произвели 103 тонны ^[90], а в СССР было произведено примерно 170 тонн плутония военного назначения. ^{[91] [примечание 8]} Каждый год около 20 тонн элемента все еще производится как побочный продукт ядерной энергетики . ^[11] В хранилище может находиться до 1000 тонн плутония, причем более 200 тонн либо внутри, либо извлечены из ядерного оружия. ^[34] SIPRI оценил мировой плутоний.запасы в 2007 году составляли около 500 тонн, поровну разделенных между оружейными и гражданскими запасами. ^[93]

Радиоактивное загрязнение на заводе в Роки-Флэтс в первую очередь вызвано двумя крупными пожарами плутония в 1957 и 1969 годах. Значительно более низкие концентрации радиоактивных изотопов были выброшены в течение всего срока эксплуатации завода с 1952 по 1992 год. Преобладающие ветры от завода несли воздушное загрязнение на юг и восток. , в населенные пункты к северо-западу от Денвера. О загрязнении района Денвера плутонием от пожаров и других источников не сообщалось публично до 1970-х годов. Согласно исследованию 1972 года, проведенному в соавторстве с Эдвардом Мартеллом , «В более густонаселенных районах Денвера уровень загрязнения плутонием в поверхностных почвах в несколько раз превышает уровень радиоактивных осадков», а также загрязнение плутонием »к востоку от завода Rocky Flats колеблется в сотни раз больше, чем от ядерных испытаний ".^[94] Как отметил Карл Джонсон в « Амбио» , «воздействие плутония и других радионуклидов в выхлопных газах завода относится к 1953 году». ^[95] Производство оружия на заводе в Роки-Флэтс было остановлено после объединенногорейда ФБР и EPA в 1989 году и в годы протестов. С тех пор завод был остановлен, а его здания снесены и полностью удалены с территории. ^[96]

В США часть плутония, извлеченного из демонтированного ядерного оружия, переплавляют, чтобы сформировать стеклянные бревна из оксида плутония весом две тонны. ^[34] Стекло изготовлено из боросиликатов, смешанных с кадмием и гадолинием . ^{[примечание 9]} Эти бревна планируется заключить в корпус из нержавеющей стали и хранить на глубине до 4 км (2 мили) под землей в буровых скважинах, которые будут засыпаны бетоном . ^[34] США планировали таким образом хранить плутоний в хранилище ядерных отходов Юкка-Маунтин , которое находится примерно в 100 милях (160 км) к северо-востоку от Лас-Вегаса, штат Невада .^[97]

5 марта 2009 года министр энергетики Стивен Чу заявил на слушаниях в Сенате, что «участок Юкка-Маунтин больше не рассматривался как вариант для хранения отходов реактора». ^[98] Начиная с 1999 года ядерные отходы военного происхождения захоронены на экспериментальной установке по изоляции отходов в Нью-Мексико.

Президентским меморандумом от 29 января 2010 года президент Обама учредил Комиссию « Голубая лента» по ядерному будущему Америки . ^[99] В своем заключительном отчете Комиссия выдвинула рекомендации по разработке всеобъемлющей стратегии, в том числе: ^[100]

«Рекомендация № 1: Соединенным Штатам следует предпринять комплексную программу обращения с ядерными отходами, которая приведет к своевременному развитию одной или нескольких постоянных глубинных геологических установок для безопасного захоронения отработавшего топлива и высокоактивных ядерных отходов». ^[100]

Медицинские эксперименты

Во время и после окончания Второй мировой войны ученые, работавшие над Манхэттенским проектом и другими исследовательскими проектами в области ядерного оружия, проводили исследования воздействия плутония на лабораторных животных и людей. ^[101] Исследования на животных показали, что несколько миллиграммов плутония на килограмм ткани являются смертельной дозой. ^[102]

В случае с людьми это включало инъекции растворов, содержащих (обычно) пять микрограммов плутония, больничным пациентам, которые, как считается, либо неизлечимо больны, либо имеют ожидаемую продолжительность жизни менее десяти лет либо из-за возраста, либо из-за хронического заболевания. ^[101] Это количество было уменьшено до одного микрограмма в июле 1945 года после того, как исследования на животных показали, что способ распределения плутония в костях более опасен, чем радий . ^[102] Большинство испытуемых, по словам Эйлин Уэлсом , были бедными, бессильными и больными. ^[103]

С 1945 по 1947 год восемнадцати подопытным людям вводили плутоний без информированного согласия . Тесты использовались для создания диагностических инструментов для определения поглощения плутония организмом с целью разработки стандартов безопасности при работе с плутонием. ^[101] Эбб Кейд был невольным участником медицинских экспериментов, в ходе которых 10 апреля 1945 года в Ок-Ридже, штат Теннесси , было введено 4,7 мкг плутония . ^{[104] [105]} Этот эксперимент проводился под наблюдением Гарольда Ходжа . ^[106] Другие эксперименты, проводимые Комиссией по атомной энергии США и Манхэттенским проектом, продолжались до 1970-х годов.В «Плутониевых файлах» ведется хроника жизни участников секретной программы, перечисляются имена всех участников и обсуждаются этические и медицинские исследования, тайно проводимые учеными и врачами. Этот эпизод теперь считается серьезным нарушением медицинской этики и Клятвы Гиппократа . ^[107]

Правительство скрыло большинство этих радиационных происшествий до 1993 года, когда президент Билл Клинтон приказал изменить политику, а затем федеральные агентства предоставили соответствующие записи. Получившееся в результате расследование было проведено Президентским Консультативным комитетом по экспериментам с радиацией на людях, и оно раскрыло большую часть материала об исследованиях плутония на людях. Комитет опубликовал противоречивый отчет за 1995 год, в котором говорилось, что «были совершены злодеяния», но не осуждал тех, кто их совершил. ^[103]

Приложения

Взрывчатые вещества

Изотоп плутоний-239 является ключевым делящимся компонентом ядерного оружия из-за легкости деления и доступности. Помещение плутониевой ямы бомбы в тампер (дополнительный слой плотного материала) уменьшает количество плутония, необходимое для достижения критической массы, за счет отражения нейтронов обратно в плутониевую активную зону. Это уменьшает количество плутония, необходимое для достижения критичности, с 16 кг до 10 кг, что представляет собой сферу диаметром около 10 сантиметров (4 дюйма). ^[108] Эта критическая масса составляет около трети от критической массы урана-235. ^[5]

Плутониевые бомбы Fat Man использовали взрывное сжатие плутония для получения значительно более высоких плотностей, чем обычно, в сочетании с центральным источником нейтронов, чтобы начать реакцию и повысить эффективность. Таким образом, для получения взрывчатого вещества, эквивалентного 20 килотоннам в тротиловом эквиваленте, требовалось всего 6,2 кг плутония . ^{[86] [109]} Гипотетически всего 4 кг плутония - а может быть и меньше - можно было бы использовать для создания единственной атомной бомбы с использованием очень сложных конструкций сборки. ^[109]

Смешанное оксидное топливо

Отработанное ядерное топливо обычных легководных реакторов содержит плутоний, но представляет собой смесь плутония-242 , 240, 239 и 238. Смесь недостаточно обогащена для создания эффективного ядерного оружия, но может быть однажды использована в качестве МОКС-топлива . ^[110] Случайный захват нейтронов вызывает увеличение количества плутония-242 и 240 каждый раз, когда плутоний облучается в реакторе низкоскоростными «тепловыми» нейтронами, так что после второго цикла плутоний может потребляться только быстрыми нейтронные реакторы. Если реакторы на быстрых нейтронах недоступны (нормальный случай), избыточный плутоний обычно выбрасывается и образует один из самых долгоживущих компонентов ядерных отходов. Желание потребить этот плутоний и другое трансурановое топливо и снизить радиотоксичность отходов - обычная причина, по которой инженеры-ядерщики создают реакторы на быстрых нейтронах. ^[111]

Самый распространенный химический процесс, PUREX ( P lutonium- UR anium EX traction), перерабатывает отработавшее ядерное топливо для извлечения плутония и урана, которые могут использоваться для образования смешанного оксидного топлива (MOX) для повторного использования в ядерных реакторах. В топливную смесь можно добавлять оружейный плутоний. МОКС-топливо используется в легководных реакторах и состоит из 60 кг плутония на тонну топлива; через четыре года три четверти плутония сжигается (превращается в другие элементы). ^[34] Реакторы-размножители специально разработаны для создания большего количества делящегося материала, чем они потребляют. ^[112]

МОКС-топливо используется с 1980-х годов и широко используется в Европе. ^[110] В сентябре 2000 года Соединенные Штаты и Российская Федерация подписали Соглашение об обращении с плутонием и его утилизации, в соответствии с которым каждая согласилась утилизировать 34 тонны оружейного плутония. ^[113] Департамент энергетики США планирует реализовать 34 тонн оружейного плутония в Соединенных Штатах до конца 2019 года путем преобразования плутония в МОКС - топлива для использования в коммерческих ядерных реакторов. ^[113]

МОКС-топливо улучшает полное выгорание. После трех лет использования топливный стержень перерабатывается для удаления отходов, которые к тому времени составляют 3% от общего веса стержней. ^[34] Любые изотопы урана или плутония, произведенные в течение этих трех лет, остаются, а стержень возвращается в производство. ^{[примечание 10]} Присутствие до 1% галлия на массу в сплаве оружейного плутония потенциально может помешать длительной эксплуатации легководного реактора. ^[114]

Плутоний, извлеченный из отработавшего реакторного топлива, представляет небольшую опасность распространения из-за чрезмерного загрязнения неделящимся плутонием-240 и плутонием-242. Разделение изотопов невозможно. Для производства материала, подходящего для использования в эффективном ядерном оружии, обычно требуется специальный реактор, работающий с очень низким выгоранием (отсюда минимальное воздействие на вновь образованный плутоний-239 дополнительных нейтронов, которое вызывает его преобразование в более тяжелые изотопы плутония) . В то время как плутоний «оружейного качества» определяется как содержащий не менее 92% плутония-239 (от общего количества плутония), Соединенным Штатам удалось взорвать устройство мощностью менее 20 кт, используя плутоний, который, как считается, содержит только около 85% плутония-239. так называемый «топливный» плутоний.^[115] Плутоний «реакторного качества», производимый с помощью обычного цикла выгорания LWR, обычно содержит менее 60% Pu-239, до 30% паразитного Pu-240 / Pu-242 и 10–15% делящегося Pu-241. . ^[115] Неизвестно, может ли взорваться устройство, использующее плутоний, полученный из переработанных ядерных отходов гражданского назначения, однако такое устройство может гипотетически взорваться и распространить радиоактивные материалы по большой городской территории. МАГАТЭ консервативно классифицирует плутоний всех изотопных векторовкак «прямого использования» материала, то есть, «ядерный материалкоторый может быть использован для изготовления компонентов ядерных взрывчатых веществ без трансмутации или дальнейшего обогащения». ^[115]

Источник энергии и тепла

Период полураспада изотопа плутоний-238 составляет 87,74 года. ^[116] Он излучает большое количество тепловой энергии с низкими уровнями гамма-лучей / фотонов и спонтанных нейтронных лучей / частиц. ^[117] Являясь альфа-излучателем, он сочетает в себе излучение высокой энергии с низким проникновением и, следовательно, требует минимального экранирования. Лист бумаги можно использовать для защиты от альфа-частиц, испускаемых плутонием-238. Один килограмм изотопа может генерировать около 570 Вт тепла. ^{[5] [117]}

Эти характеристики делают его хорошо подходящим для выработки электроэнергии для устройств, которые должны работать без прямого обслуживания в течение времени, приближающегося к продолжительности жизни человека. Поэтому используется в радиоизотопных термоэлектрических генераторов и радиоизотопные тепловые блоки , такие как те , в Кассини , ^[118] Voyager , Galileo и новые горизонты ^[119] космические зонды, и Любопытство ^[120] и упорства ( Марс 2020 ) марсоходов .

В 1977 году были запущены два космических корабля "Вояджер", каждый из которых содержал плутониевый источник питания мощностью 500 Вт. Спустя более 30 лет каждый источник все еще производит около 300 Вт, что позволяет ограниченную работу каждого космического корабля. ^[121] Более ранняя версия той же технологии использовалась в пяти моделях Apollo Lunar Surface Experiment Packages , начиная с Apollo 12 в 1969 году. ^[34]

Плутоний-238 также успешно используется для питания искусственных кардиостимуляторов , чтобы снизить риск повторных операций. ^{[122] [123]} Он был в значительной степени заменен первичными клетками на основе лития , но по состоянию на 2003 ^{[Обновить]}год в Соединенных Штатах было где-то от 50 до 100 кардиостимуляторов с питанием от плутония, которые все еще имплантировались и работали живым пациентам. ^[124] К концу 2007 года количество кардиостимуляторов, работающих на плутонии, сократилось до девяти. ^[125] Плутоний-238 изучался как способ обеспечения дополнительного тепла при подводном плавании . ^[126] Плутоний-238, смешанный с бериллием, используется для генерации нейтронов в исследовательских целях.^[34]

Меры предосторожности

Токсичность

Есть два аспекта вредного воздействия плутония: радиоактивность и воздействие яда тяжелых металлов . Изотопы и соединения плутония радиоактивны и накапливаются в костном мозге . Загрязнение оксидом плутония произошло в результате ядерных катастроф и радиоактивных инцидентов , включая военные ядерные аварии, в результате которых сгорело ядерное оружие. ^[127] Исследования последствий этих небольших выбросов, а также широко распространенной болезни и смерти от радиационного отравления после атомных бомбардировок Хиросимы и Нагасаки предоставили значительную информацию об опасностях, симптомах и прогнозе радиационного отравления , которое в случайВыжившие японцы не имели отношения к прямому воздействию плутония. ^[128]

Во время распада плутония выделяются три типа излучения: альфа, бета и гамма. Альфа, бета и гамма-излучение - это все формы ионизирующего излучения . Как острое, так и длительное облучение несет опасность серьезных последствий для здоровья, включая лучевую болезнь , генетические повреждения , рак и смерть. Опасность возрастает с увеличением воздействия. ^[34] Альфа-излучение может распространяться только на короткие расстояния и не может проходить через внешний мертвый слой кожи человека. Бета-излучение может проникать через кожу человека, но не может проходить через все тело. Гамма-излучение может проходить через все тело. ^[129]Несмотря на то, что альфа-излучение не может проникнуть через кожу, проглоченный или вдыхаемый плутоний облучает внутренние органы. ^[34] Альфа-частицы, образующиеся при вдыхании плутония, вызывают рак легких у группы европейских ядерщиков. ^[130] скелет , в котором плутоний накапливается, и печень , где он собирает и концентрируется, подвергаются риску. ^[33] Плутоний не всасывается в организм эффективно при попадании внутрь; только 0,04% оксида плутония всасывается после приема внутрь. ^[34] Плутоний, абсорбированный организмом, выводится из организма очень медленно, с биологическим периодом полураспада 200 лет. ^[131]Плутоний очень медленно проходит через клеточные мембраны и границы кишечника, поэтому абсорбция при приеме внутрь и включение в структуру кости происходит очень медленно. ^{[132] [133]}

Плутоний более опасен при вдыхании, чем при приеме внутрь. Риск рака легких увеличивается, когда общая эквивалентная доза вдыхаемого плутония превышает 400 мЗв . ^[134] По оценкам Министерства энергетики США, риск рака в течение жизни в результате вдыхания 5 000 частиц плутония, каждая около 3  мкм шириной, на 1% превышает средний фоновый показатель по США. ^[135] Проглатывание или вдыхание больших количеств может вызвать острое радиационное отравление и, возможно, смерть. Однако известно, что ни одно человеческое существо не умерло из-за вдыхания или проглатывания плутония, и многие люди имеют в организме измеримые количества плутония. ^[115]

Теория « горячих частиц », согласно которой частица плутониевой пыли облучает локализованное пятно легочной ткани, не подтверждается основными исследованиями - такие частицы более подвижны, чем первоначально предполагалось, и их токсичность не увеличивается из-за формы частиц. ^[132] При вдыхании плутоний может попасть в кровоток. Попадая в кровоток, плутоний перемещается по всему телу в кости, печень или другие органы. Плутоний, который достигает органов тела, обычно остается в организме в течение десятилетий и продолжает подвергать окружающие ткани воздействию радиации и, таким образом, может вызвать рак. ^[136]

Часто цитируемая цитата Ральфа Надера гласит, что фунта плутониевой пыли, разлетевшейся в атмосфере, было бы достаточно, чтобы убить 8 миллиардов человек. ^[137] Это оспаривал Бернард Коэн , противник общепринятой линейной беспороговой модели радиационной токсичности. Коэн подсчитал, что один фунт плутония может убить не более 2 миллионов человек при вдыхании, так что токсичность плутония примерно равна токсичности нервно-паралитического газа . ^[138]

За несколькими группами людей, которые подверглись воздействию плутониевой пыли (например, люди, живущие с подветренной стороны испытательных полигонов Невады, выжившие в Нагасаки, работники ядерных установок и «неизлечимо больные» пациенты, которым вводили Pu в 1945–46 годах для изучения метаболизма Pu), тщательно наблюдали. и проанализированы. Коэн обнаружил, что эти исследования несовместимы с высокими оценками токсичности плутония, сославшись на такие случаи, как Альберт Стивенс, который дожил до старости после инъекции плутония. ^[132] «Около 25 сотрудников Лос-Аламосской национальной лаборатории вдыхали значительное количество плутониевой пыли в течение 1940-х годов; согласно теории горячих частиц, к настоящему времени у каждого из них есть шанс 99,5% умереть от рака легких. но среди них не было ни одного рака легких ».^[138][139]

Морская токсичность

Исследование токсичности плутония для человека так же важно, как и изучение воздействия на фауну морских систем. Известно, что плутоний попадает в морскую среду в результате сброса отходов или случайной утечки с атомных станций. Хотя самые высокие концентрации плутония в морской среде обнаруживаются в отложениях, сложный биогеохимический цикл плутония означает, что он также находится во всех других отсеках. ^[140] Например, различные виды зоопланктона, которые участвуют в круговороте питательных веществ, будут потреблять этот элемент ежедневно. Полное выведение зоопланктоном проглоченного плутония делает его дефекацию чрезвычайно важным механизмом выведения плутония из поверхностных вод. ^[141] Однако зоопланктон, который становится жертвой хищничества более крупных организмов, может стать средством передачи плутония рыбам.

Помимо потребления, рыба также может подвергаться воздействию плутония из-за своего географического распределения по земному шару. В одном исследовании изучалось влияние трансурановых элементов ( плутоний-238 , плутоний-239 , плутоний-240 ) на различных рыб, обитающих в Чернобыльской зоне отчуждения (ЧЗО). Результаты показали, что часть самок окуня в CEZ показала либо отказ, либо задержку созревания гонад. ^[142] Подобные исследования обнаружили большие скопления плутония в органах дыхания и пищеварения трески, камбалы и сельди. ^[140]

Токсичность плутония не менее губительна для личинок рыб в местах хранения ядерных отходов. Неразвитая икра подвергается более высокому риску, чем развитая взрослая рыба, подвергающаяся воздействию этого элемента на этих участках отходов. Национальная лаборатория Окриджа показала, что эмбрионы карпа и гольяна, выращенные в растворах, содержащих изотопы плутония, не вылуплялись; яйца, которые вылупились, показали значительные отклонения от нормы по сравнению с контрольными развитыми эмбрионами. ^[143] Было обнаружено, что более высокие концентрации плутония вызывают проблемы у морской фауны, подверженной воздействию этого элемента.

Сохранение океана - важная тема, часто обсуждаемая в научном сообществе. Например, изменение климата и удаление акульих плавников - две популярные концепции, которые активно пропагандируются. Тем не менее, экологические последствия сброса ядерных отходов в прибрежные воды - это область, которая не так изучена и о которой не говорят. Факты свидетельствуют о том, что неосторожное удаление отходов с атомных станций увеличивает количество токсичных материалов, попадающих в океаны. Таким образом, необходимо лучше регулировать и управлять прибрежными территориями вблизи ядерных объектов, чтобы защитить морскую среду и фауну внутри.

Потенциал критичности

Необходимо проявлять осторожность, чтобы избежать накопления количества плутония, которое приближается к критической массе, особенно потому, что критическая масса плутония составляет лишь треть от массы урана-235. ^[5] Критическая масса плутония испускает смертельное количество нейтронов и гамма-лучей . ^[144] Плутоний в растворе с большей вероятностью образует критическую массу, чем в твердой форме, из-за замедления водородом в воде. ^{[ сомнительно - обсудить ] [11]}

В прошлом имели место критические аварии , некоторые из которых приводили к летальному исходу. Неосторожное обращение с кирпичами из карбида вольфрама вокруг плутониевой сферы весом 6,2 кг привело к смертельной дозе радиации в Лос-Аламосе 21 августа 1945 года, когда ученый Гарри Даглиан получил дозу 5,1 зиверта (510  бэр ) и скончался через 25 дней. ^{[145] [146]} Девять месяцев спустя другой ученый из Лос-Аламоса, Луис Слотин , умер в результате аналогичной аварии с участием бериллиевого отражателя и того же плутониевого ядра (так называемого « демонического ядра »), которое ранее унесло жизнь Даглиана. . ^[147]

В декабре 1958 года во время процесса очистки плутония в Лос-Аламосе в смесительном сосуде образовалась критическая масса, что привело к смерти химического оператора по имени Сесил Келли . Другие ядерные аварии произошли в Советском Союзе, Японии, США и многих других странах. ^[148]

Воспламеняемость

Металлический плутоний представляет опасность пожара, особенно если материал мелкодисперсный. Во влажной среде плутоний образует на своей поверхности гидриды , которые являются пирофорными и могут воспламениться на воздухе при комнатной температуре. Плутоний расширяется до 70% в объеме при окислении и, таким образом, может разрушить свой контейнер. ^[35] Радиоактивность горящего материала представляет собой дополнительную опасность. Песок с оксидом магния , вероятно, является наиболее эффективным материалом для тушения пожара плутония. Он охлаждает горящий материал, действуя как теплоотвод , а также блокирует кислород. Особые меры предосторожности необходимы при хранении или обращении с плутонием в любой форме; обычно требуется атмосфера сухого инертного газа . ^{[35] [примечание 11]}

Транспорт

Земля и море

Обычно плутоний транспортируется через более стабильный оксид плутония в герметичной упаковке. Типичный транспорт состоит из одного грузовика, перевозящего один защищенный транспортный контейнер, вмещающий несколько упаковок с общим весом от 80 до 200 кг оксида плутония. Морская партия может состоять из нескольких контейнеров, в каждом из которых находится запечатанная упаковка. ^[150] Комиссия по ядерному регулированию США требует, чтобы он был твердым, а не порошком, если его содержание превышает 0,74  ТБк (20  Кюри ) радиоактивной активности. ^[151] В 2016 году корабли Pacific Egret ^[152] и Pacific Heronиз Pacific Nuclear Transport Ltd. перевезла 331 кг (730 фунтов) плутония на правительственный объект США в Саванна-Ривер , Южная Каролина . ^{[153] [154]}

Воздуха

Правительственные правила воздушного транспорта США разрешают перевозку плутония по воздуху с учетом ограничений на другие опасные материалы, перевозимые тем же рейсом, требований к упаковке и размещению в задней части самолета. ^[155]

В 2012 году СМИ сообщили, что плутоний вывозится из Норвегии коммерческими пассажирскими авиалиниями - примерно раз в два года, в том числе один раз в 2011 году. ^[156] Правила разрешают самолету перевозить 15 граммов расщепляющегося материала. ^[156] По словам старшего советника ( Seniorrådgiver ) в Statens strålevern, с такой транспортировкой плутония проблем не возникает . ^[156]

Примечания

Сноски

Цитаты

Рекомендации

внешняя ссылка

Послушайте эту статью ( 45 минут )

Этот аудиофайл был создан на основе редакции этой статьи от 18 июля 2009 г. и не отражает последующих правок. ( 2009-07-18 )

( Аудио справка  · Больше устных статей )

• «Цифровая библиотека по ядерным вопросам Алсоса - плутоний» . Вашингтонский университет и университет Ли . Архивировано из оригинала 3 февраля 2009 года . Проверено 15 февраля 2009 года .
• Сатклифф, WG; и другие. (1995). «Взгляд на опасность плутония» . Ливерморская национальная лаборатория Лоуренса . Архивировано из оригинального 29 сентября 2006 года.
• Джонсон, CM; Дэвис, З.С. (1997). «Ядерное оружие: варианты утилизации избыточного оружейного плутония» . Отчет CRS для Конгресса № 97-564 ENR . Проверено 15 февраля 2009 года .
• «Физические, ядерные и химические свойства плутония» . IEER . 2005 . Проверено 15 февраля 2009 года .
• Бхадешиа, Х. «Кристаллография плутония» .
• Сэмюэлс, Д. (2005). «Конец плутониевой эпохи» . Откройте для себя журнал . 26 (11).
• Pike, J .; Шерман, Р. (2000). «Производство плутония» . Федерация американских ученых . Архивировано из оригинала 3 февраля 2009 года . Проверено 15 февраля 2009 года .
• «Производство и изготовление плутония» .
• Онг, К. (1999). «Мировые запасы плутония» . Nuclear Files.org. Архивировано из оригинального 5 -го августа 2014 года . Проверено 15 февраля 2009 года .
• «Проблемы плутониевой науки» . Лос-Аламосская наука . I и II (26). 2000 . Проверено 15 февраля 2009 года .
• «Плутоний» . Королевское химическое общество . Проверено 6 февраля 2015 года .
• «Плутоний» . Периодическая таблица видео . Ноттингемский университет . Проверено 6 февраля 2015 года .