Как се получава оръжеен плутоний. Технология за производство на плутоний с оръжеен клас
На следващата годишнина от бадабума в Хирошима и Нагасаки реших да поровя в интернет по въпросите на ядрените оръжия, къде защо и как са създадени не ме интересуваше (вече знаех) - повече ме интересуваше как 2 парчета плутоний не се топят, а правят голям взрив.
Следете инженерите - започват със сеялка и завършват с атомна бомба.
Ядрената физика е една от най-скандалните области на уважаемия естествени науки. Именно в тази област човечеството хвърля милиарди долари, лири, франкове и рубли в продължение на половин век, като в локомотивната пещ на закъснял влак. Сега изглежда влакът вече не закъснява. Бушуващите пламъци от горящи средства и човекочасове утихнаха. Нека се опитаме накратко да разберем какъв вид влак се нарича „ядрена физика“.
Изотопи и радиоактивност
Както знаете, всичко, което съществува, се състои от атоми. Атомите от своя страна се състоят от електронни обвивки, живеещи според собствените си умопомрачителни закони, и ядро. Класическата химия изобщо не се интересува от ядрото и неговия личен живот. За нея атомът е неговите електрони и способността им да обменят взаимодействие. А от ядрото по химия ви трябва само неговата маса, за да изчислите пропорциите на реагентите. На свой ред ядрената физика не се интересува от електроните. Тя се интересува от малка (100 хиляди пъти по-малка от радиуса на електронните орбити) прашинка вътре в атом, в която е концентрирана почти цялата му маса.
Какво знаем за ядрото? Да, състои се от положително заредени протони и без електрически заряднеутрони. Това обаче не е съвсем вярно. Ядрото не е шепа топки от два цвята, както е на илюстрацията от училищния учебник. Тук действат напълно различни закони, наречени силно взаимодействие, превръщайки протоните и неутроните в някаква неразличима бъркотия. Зарядът на тази каша обаче е точно равен на общия заряд на протоните, включени в нея, а масата почти (повтарям, почти) съвпада с масата на неутроните и протоните, които съставляват ядрото.
Между другото, броят на протоните на нейонизиран атом винаги съвпада с броя на електроните, които имат честта да го заобикалят. Но с неутроните въпросът не е толкова прост. Строго погледнато, задачата на неутроните е да стабилизират ядрото, тъй като без тях еднакво заредените протони не биха се разбрали дори за микросекунди.
Да вземем водорода за категоричност. Най-често срещаният водород. Структурата му е абсурдно проста - един протон, заобиколен от един орбитален електрон. Във Вселената има много водород. Можем да кажем, че Вселената се състои основно от водород.
Сега нека внимателно добавим неутрон към протона. От химическа гледна точка все още е водород. Но от гледна точка на физиката вече не. След като откриха два различни водорода, физиците се разтревожиха и веднага излязоха с идеята да нарекат обикновения водород протий, а водорода с неутрон при протон - деутерий.
Нека бъдем смели и подадем още един неутрон към ядрото. Сега имаме друг водород, още по-тежък - тритий. Отново, от химическа гледна точка, той практически не се различава от другите два водорода (е, освен че сега реагира малко по-лесно). Искам веднага да ви предупредя - никакви усилия, заплахи или убеждаване не могат да добавят още един неутрон към ядрото на трития. Местните закони са много по-строги от човешките.
И така, протий, деутерий и тритий са изотопи на водорода. Тяхната атомна маса е различна, но зарядът им не е. Но зарядът на ядрото е това, което определя местоположението в периодичната таблица на елементите. Ето защо изотопите се наричат изотопи. Преведено от гръцки означава „заемане на едно и също място“. Между другото, добре познатата тежка вода е същата вода, но с два атома деутерий вместо протий. Съответно свръхтежката вода съдържа тритий вместо протий.
Нека да погледнем нашите водороди отново. И така... Протият е на мястото си, деутерият е на мястото си... Кой друг е това? Къде отиде моят тритий и откъде дойде хелий-3? В нашия тритий един от неутроните явно се отегчи, реши да смени професията си и стана протон. По този начин той генерира електрон и антинеутрино. Загубата на тритий, разбира се, е разстройваща, но сега знаем, че той е нестабилен. Подаването на неутрони не беше напразно.
И така, както разбирате, изотопите са стабилни и нестабилни. Има много стабилни изотопи около нас, но, слава Богу, практически няма нестабилни. Тоест те съществуват, но в толкова разпръснато състояние, че трябва да бъдат получени с цената на много голям труд. Например уран-235, който причини толкова много проблеми на Опенхаймер, съставлява само 0,7% от естествения уран.
Половин живот
Тук всичко е просто. Времето на полуразпад на нестабилен изотоп е периодът от време, през който точно половината от атомите на изотопа ще се разпаднат и ще се превърнат в други атоми. Вече познатият ни тритий има период на полуразпад от 12,32 години. Това е изотоп с доста кратък живот, въпреки че в сравнение с франций-223, който има период на полуразпад от 22,3 минути, тритият ще изглежда като побелял старец.
Никакви макроскопични външни фактори (налягане, температура, влажност, настроението на изследователя, броят на отделянията, местоположението на звездите) не влияят на полуживота. Квантова механикабезчувствен към подобни глупости.
Популярна механика на експлозията
Същността на всяка експлозия е бързото освобождаване на енергия, която преди това е била в несвободно, свързано състояние. Освободената енергия се разсейва, като се превръща предимно в топлина (кинетичната енергия на неуреденото движение на молекулите), ударна вълна (тук също има движение, но вече подредено, в посока от центъра на експлозията) и радиация - от меки инфрачервени до твърди късовълнови кванти.
При химическа експлозия всичко е сравнително просто. Енергийно полезна реакция възниква, когато определени вещества взаимодействат помежду си. В реакцията участват само горните електронни слоеве на някои атоми и взаимодействието не отива по-дълбоко. Лесно е да се досетите, че във всяко вещество има много повече скрита енергия. Но каквито и да са условията на експеримента, колкото и успешни реагенти да изберем, както и да проверим пропорциите, химията няма да ни позволи да навлезем по-дълбоко в атома. Химическата експлозия е примитивно явление, неефективно и от гледна точка на физиката неприлично слабо.
Ядрената верижна реакция ви позволява да копаете малко по-дълбоко, като включите в игра не само електрони, но и ядра. Това звучи наистина значимо, може би само за един физик, но за останалите ще дам проста аналогия. Представете си гигантска тежест с електрифицирани прахови частици, пърхащи около нея на разстояние няколко километра. Това е атом, „теглото“ е ядрото, а „праховите частици“ са електрони. Каквото и да правите с тези прашинки, те няма да осигурят дори една стотна от енергията, която може да се получи от голямо тегло. Особено ако по някаква причина се разцепи и масивни фрагменти се разпръснат в различни посоки с голяма скорост.
Ядрената експлозия включва потенциала на свързване на тежките частици, които изграждат ядрото. Но това далеч не е границата: в материята има много повече скрита енергия. И името на тази енергия е маса. Отново, това звучи малко необичайно за нефизик, но масата е енергия, само изключително концентрирана. Всяка частица: електрон, протон, неутрон - всичко това са малки струпвания на невероятно плътна енергия, които за известно време остават в покой. Вероятно знаете формулата E=mc2, която е толкова обичана от автори на вицове, редактори на стенни вестници и декоратори на училищни класни стаи. Точно за това става дума и това поставя масата като нищо повече от форма на енергия. И също така дава отговор на въпроса колко енергия може да се получи от дадено вещество до максимум.
Процесът на пълен преход на маса, тоест свързана енергия, в свободна енергия се нарича анихилация. От латинския корен „nihil“ е лесно да се познае неговата същност - това е трансформацията в „нищо“, или по-скоро в радиация. За по-голяма яснота, ето някои числа.
Експлозия TNT еквивалентна енергия (J)
Граната Ф-1 60 грама 2,50*105
Бомба хвърлена над Хирошима 16 килотона 6.70*1013
Анихилация на един грам материя 21,5 килотона 8,99*1013
Един грам от всякаква материя (само масата е важна) при унищожаване ще даде повече енергия от малка ядрена бомба. В сравнение с подобни възвръщания, упражненията на физиците върху ядреното делене и още повече експериментите на химиците с активни реактиви изглеждат смешни.
За анихилация са необходими подходящи условия, а именно контакт на материята с антиматерията. И за разлика от "червения живак" или "философския камък", антиматерията е повече от реална - за познатите ни частици съществуват и са изследвани подобни античастици, многократно са провеждани експерименти за анихилация на двойки "електрон + позитрон". осъществени на практика. Но за да се създаде оръжие за унищожаване, е необходимо да се съберат заедно определен значителен обем античастици, а също и да се ограничат от контакт с каквато и да е материя до всъщност бойна употреба. Това, пф-пф, все още е далечна перспектива.
Масов дефект
Последният въпрос, който остава да се разбере по отношение на механиката на експлозията, е откъде идва енергията: същата, която се освобождава по време на верижната реакция? Тук отново имаше някаква маса. Или по-скоро без неговия „дефект“.
До миналия век учените вярваха, че масата се запазва при всякакви условия, и бяха прави по свой начин. Така че спуснахме метала в киселината - той започна да бълбука в ретортата и газовите мехурчета се втурнаха нагоре през дебелината на течността. Но ако претеглите реагентите преди и след реакцията, без да забравяте освободения газ, масата се сближава. И това винаги ще бъде така, докато оперираме с килограми, метри и химични реакции.
Но веднага щом навлезете в областта на микрочастиците, масата също представлява изненада. Оказва се, че масата на един атом може да не е точно равна на сбора от масите на частиците, които го изграждат. Когато тежко ядро (например уран) се разделя на части, „фрагментите“ тежат общо по-малко от ядрото преди делене. „Разликата“, наричана още дефект на масата, е отговорна за енергиите на свързване в ядрото. И именно тази разлика се превръща в топлина и радиация по време на експлозията, всички според една и съща проста формула: E=mc2.
Това е интересно: така се случва, че е енергийно изгодно да се разделят тежките ядра и да се комбинират леките. Първият механизъм работи в уранова или плутониева бомба, вторият във водородна бомба. Но не можете да направите бомба от желязо, колкото и да се опитвате: тя е точно в средата на тази линия.
Ядрена бомба
Следвайки историческата последователност, нека първо разгледаме ядрените бомби и да изпълним нашия малък „Проект Манхатън“. Няма да ви отегчавам със скучни методи за разделяне на изотопи и математически изчисления на теорията за верижната реакция на делене. Вие и аз имаме уран, плутоний, други материали, инструкции за сглобяване и необходимото количество научно любопитство.
Всички изотопи на урана са нестабилни в една или друга степен. Но уран-235 е в специална позиция. При спонтанния разпад на ядрото на уран-235 (наричан още алфа разпад) се образуват два фрагмента (ядра на други, много по-леки елементи) и няколко неутрона (обикновено 2-3). Ако неутронът, образуван по време на разпада, удари ядрото на друг атом на уран, ще има обикновен еластичен сблъсък, неутронът ще отскочи и ще продължи да търси приключение. Но след известно време ще изразходва енергия (идеално еластични сблъсъци се случват само сред сферични коне във вакуум) и следващото ядро ще се окаже капан - неутронът ще бъде погълнат от него. Между другото, физиците наричат такъв неутрон термичен.
Вижте списъка с известни изотопи на урана. Сред тях няма изотоп с атомна маса 236. Знаете ли защо? Такова ядро живее за част от микросекунди и след това се разпада, освобождавайки огромно количество енергия. Това се нарича принудителен разпад. Някак си е неудобно дори да наречем изотоп с такъв живот изотоп.
Енергията, която се отделя при разпадането на ядрото на уран-235, е кинетичната енергия на осколките и неутроните. Ако броите общо теглопродуктите на разпадане на ядрото на урана и след това го сравнете с масата на оригиналното ядро, се оказва, че тези маси не съвпадат - първоначалното ядро е по-голямо. Това явление се нарича масов дефект, а обяснението му се съдържа във формулата E0=mс2. Кинетичната енергия на фрагментите, разделена на квадрата на скоростта на светлината, ще бъде точно равна на масовата разлика. Фрагментите се забавят в кристалната решетка на урана, генерирайки рентгеново лъчение, а неутроните, пътувайки, се абсорбират от други уранови ядра или напускат урановата отливка, където се случват всички събития.
Ако отливката с уран е малка, тогава повечето от неутроните ще я напуснат, без да имат време да забавят. Но ако всеки акт на принудителен разпад предизвика поне още един подобен акт поради излъчения неутрон, това вече е самоподдържаща се верижна реакция на делене.
Съответно, ако увеличите размера на отливката, нарастващият брой неутрони ще предизвика актове на принудително делене. И в един момент верижната реакция ще стане неконтролируема. Но това далеч не е ядрен взрив. Просто много „мръсна“ термична експлозия, която ще освободи голям брой много активни и токсични изотопи.
Напълно логичен е въпросът колко уран-235 е необходим, за да се превърне верижната реакция на делене в лавина? Всъщност не е толкова просто. Тук играят роля свойствата на делящия се материал и съотношението обем/повърхност. Представете си един тон уран-235 (веднага ще направя резервация - това е много), който съществува под формата на тънка и много дълга жица. Да, неутрон, който лети по него, разбира се, ще предизвика акт на принудителен разпад. Но частта от неутрони, летящи по жицата, ще бъде толкова малка, че е просто смешно да се говори за самоподдържаща се верижна реакция.
Затова се съгласихме да изчислим критичната маса за сферична отливка. За чист уран-235 критичната маса е 50 kg (това е топка с радиус 9 cm). Разбирате, че такава топка няма да издържи дълго, обаче, нито тези, които я хвърлят.
Ако топка с по-малка маса е заобиколена от неутронен рефлектор (берилият е идеален за него) и в топката се въведе материал за забавяне на неутрони (вода, тежка вода, графит, същият берилий), тогава критичната маса ще стане много по-малък. Чрез използването на най-ефективните рефлектори и неутронни модератори, критичната маса може да бъде увеличена до 250 грама. Това например може да се постигне чрез поставяне на наситен разтвор на сол на уран-235 в тежка вода в сферичен берилиев контейнер.
Критична маса съществува не само за уран-235. Съществуват и редица изотопи, способни на верижни реакции на делене. Основното условие е, че продуктите на разпадане на едно ядро трябва да предизвикват актове на разпадане на други ядра.
И така, имаме две полусферични уранови отливки с тегло 40 кг всяка. Докато стоят на почтително разстояние един от друг, всичко ще бъде спокойно. Ами ако започнете да ги движите бавно? Противно на общоприетото схващане, нищо подобно на гъби няма да се случи. Просто парчетата ще започнат да се нагряват, когато се приближат, и тогава, ако не дойдете на себе си навреме, те ще се нажежат до червено. В крайна сметка те просто ще се стопят и разпространят и всеки, който е преместил отливките, ще умре от неутронно облъчване. А тези, които са гледали това с интерес, ще си залепят перките.
Ами ако е по-бързо? Ще се стопят по-бързо. Още по-бързо? Те ще се стопят още по-бързо. Готино? Дори и да го поставите в течен хелий, това няма да помогне. Ами ако застреляте едно парче в друго? ОТНОСНО! Моментът на истината. Току-що измислихме дизайн на оръдие с уран. Но няма с какво особено да се гордеем, тази схема е най-простата и най-безумната от всички възможни. Да, и полукълбите ще трябва да бъдат изоставени. Както показа практиката, те не са склонни да се слепват гладко. Най-малкото изкривяване - и получавате много скъпо „пърда“, след което ще трябва да почиствате дълго време.
По-добре е да направим къса дебелостенна тръба от уран-235 с маса 30-40 кг, към отвора на която ще закрепим високоякостна стоманена цев от същия калибър, заредена с цилиндър от същия калибър. уран с приблизително същата маса. Нека обградим урановата цел с берилиев неутронен рефлектор. Сега, ако стреляте с уранов „куршум“ по уранова „тръба“, „тръбата“ ще бъде пълна. Тоест ще има ядрен взрив. Просто трябва да стреляте сериозно, така че началната скорост на урановия снаряд да е поне 1 km/s. Иначе пак ще има пердах, но по-силно. Факт е, че когато снарядът и целта се приближават един към друг, те се нагряват толкова много, че започват интензивно да се изпаряват от повърхността, забавяни от насрещните газови потоци. Освен това, ако скоростта е недостатъчна, тогава има шанс снарядът просто да не достигне целта, а да се изпари по пътя.
Ускоряването на заготовка с тегло няколко десетки килограма до такава скорост и на разстояние от няколко метра е изключително трудна задача. Ето защо ще ви трябва не барут, а мощен експлозив, способен да създаде необходимото налягане на газа в цевта за много кратко време. И няма да се налага да почиствате цевта по-късно, не се притеснявайте.
Бомбата Mk-I "Little Boy", хвърлена над Хирошима, е проектирана точно според дизайна на оръдието.
Има, разбира се, дребни детайли, които не взехме предвид в нашия проект, но изобщо не съгрешихме срещу самия принцип.
Така. Детонирахме урановата бомба. Възхищавахме се на гъбата. Сега ще взривим плутония. Само не влачете мишена, снаряд, варел и други боклуци тук. Този трик няма да работи с плутоний. Дори ако изстреляме едно парче в друго със скорост от 5 km/s, суперкритичен монтаж пак няма да работи. Плутоний-239 ще има време да се нагрее, да се изпари и да разруши всичко наоколо. Критичната му маса е малко повече от 6 кг. Можете да си представите колко по-активен е той по отношение на улавянето на неутрони.
Плутоният е необичаен метал. В зависимост от температурата, налягането и примесите съществува в шест модификации на кристалната решетка. Има дори модификации, при които се свива при нагряване. Преходите от една фаза към друга могат да се появят внезапно, докато плътността на плутония може да се промени с 25%.Нека, като всички нормални герои, поемем по заобиколен път. Нека си припомним, че критичната маса се определя по-специално от съотношението на обема към повърхността. Добре, имаме топка с подкритична маса, която има минимална повърхност за даден обем. Да кажем 6 килограма. Радиусът на топката е 4,5 см. Ами ако тази топка е компресирана от всички страни? Плътността ще нараства пропорционално на куба на линейното сгъстяване, а повърхността ще намалява пропорционално на своя квадрат. И ето какво се случва: атомите на плутония ще станат по-плътни, тоест спирачният път на неутрона ще бъде съкратен, което означава, че вероятността от неговото поглъщане ще се увеличи. Но, отново, все още няма да работи за компресиране с необходимата скорост (около 10 km/s). Задънен край? Но не.
При 300°C започва така наречената делта фаза – най-рехавата. Ако плутоният се легира с галий, загрее до тази температура и след това бавно се охлади, делта фазата може да съществува при стайна температура. Но няма да е стабилен. При високо налягане (от порядъка на десетки хиляди атмосфери) ще настъпи рязък преход към много плътна алфа фаза.
Нека поставим плутониева топка в голяма (диаметър 23 см) и тежка (120 кг) куха топка от уран-238. Не се притеснявайте, няма критична маса. Но той перфектно отразява бързите неутрони. И пак ще ни бъдат полезни.Мислите ли, че го гръмнаха? Без значение как е. Плутоният е адски капризно същество. Ще трябва да свършим още малко работа. Нека направим две полусфери от плутоний в делта фаза. Нека оформим сферична кухина в центъра. И в тази кухина ще поставим квинтесенцията на мисълта за ядрените оръжия - неутронния инициатор. Това е малка куха берилиева топка с диаметър 20 и дебелина 6 мм. Вътре в него има друга берилиева топка с диаметър 8 мм. По вътрешната повърхност на кухата топка има дълбоки канали. Цялото нещо е щедро никелирано и позлатено. В жлебовете е поставен полоний-210, който активно излъчва алфа частици. Това е такова чудо на техниката. Как работи? Само за секунда. Имаме още няколко неща за вършене.
Нека обградим урановата обвивка с друга, направена от алуминиева сплав с бор. Дебелината му е около 13 см. Общо нашата „матрьошка“ вече е нараснала до половин метър дебелина и е натрупала тегло от 6 до 250 кг.
Сега нека направим имплозионни „лещи“. Представете си футболна топка. Класически, състоящ се от 20 шестоъгълника и 12 петоъгълника. Ние ще направим такава „топка“ от експлозиви, като всеки от сегментите ще бъде оборудван с няколко електрически детонатора. Дебелината на сегмента е около половин метър. Има и много тънкости в производството на „лещи“, но ако ги опишем, няма да има достатъчно място за всичко останало. Основното нещо е максималната точност на обектива. Най-малката грешка - и целият монтаж ще бъде смачкан от взривното действие на експлозива. Пълният комплект сега има диаметър от около един и половина метра и маса от 2,5 тона. Конструкцията е завършена от електрическа верига, чиято задача е да детонира детонаторите в строго определена последователност с точност до микросекунди.
Всичко. Пред нас е плутониева верига на имплозия.
И сега - най-интересната част.
По време на детонацията експлозивът компресира модула, а алуминиевият „тласкач“ предотвратява разпадането на взривната вълна да се разпространи навътре, следвайки нейния фронт. Преминавайки през урана с насрещна скорост от около 12 km/s, компресионната вълна ще уплътни както него, така и плутония. Плутоният при налягане в зоната на компресия от порядъка на стотици хиляди атмосфери (ефектът от фокусирането на фронта на експлозията) ще скочи рязко в алфа фазата. След 40 микросекунди уран-плутониевата група, описана тук, ще стане не само суперкритична, но няколко пъти по-голяма от критичната маса.
Достигайки инициатора, компресионната вълна ще смачка цялата му структура в монолит. В този случай златно-никелова изолация ще бъде унищожена, полоний-210 ще проникне в берилий поради дифузия и алфа-частиците, излъчвани от него, преминавайки през берилий, ще предизвикат колосален поток от неутрони, задействайки верижна реакцияделене в целия обем на плутония и потокът от „бързи“ неутрони, генерирани от разпадането на плутония, ще предизвика експлозия на уран-238. Готово, отгледахме втора гъба, не по-лоша от първата.
Пример за дизайн на плутониева имплозия е бомбата Mk-III "Fatman", пусната над Нагасаки.
Всички трикове, описани тук, са необходими, за да се накара максимален брой плутониеви атомни ядра да реагират. Основната задача е да се запази зарядът в компактно състояние възможно най-дълго и да се предотврати разпръскването му в плазмен облак, в който верижната реакция моментално ще спре. Тук всяка спечелена микросекунда е увеличение с един или два килотона мощност.
Термоядрена бомба
Има общоприето мнение, че ядрената бомба е предпазител за термоядрена. По принцип всичко е много по-сложно, но същността е уловена правилно. Оръжията, базирани на принципите на термоядрения синтез, позволиха да се постигне такава мощност на експлозия, която при никакви обстоятелства не може да бъде постигната чрез верижна реакция на делене. Но единственият източник на енергия досега, който може да „запали“ реакция на термоядрен синтез, е ядрена експлозия.
Помните ли как вие и аз „хранехме“ водородното ядро с неутрони? Така че, ако се опитате да свържете два протона заедно по този начин, нищо няма да се получи. Протоните няма да се слепят поради силите на отблъскване на Кулон. Или ще се разлетят, или ще настъпи бета-разпад и един от протоните ще стане неутрон. Но хелий-3 съществува. Благодарение на един единствен неутрон, който прави протоните по-съвместими един с друг.
По принцип, въз основа на състава на ядрото на хелий-3, можем да заключим, че е напълно възможно да се събере едно ядро на хелий-3 от ядрата на протия и деутерия. Теоретично това е вярно, но такава реакция може да се случи само в дълбините на големи и горещи звезди. Освен това в дълбините на звездите хелият може да се събира дори само от протони, превръщайки някои от тях в неутрони. Но това вече са въпроси на астрофизиката и постижимата за нас опция е да слеем две ядра на деутерий или деутерий и тритий.
Ядреният синтез изисква едно много специфично условие. Това е много висока (109 K) температура. Само със средна кинетична енергия на ядрата от 100 килоелектронволта те са в състояние да се доближат едно до друго на разстояние, при което силното взаимодействие започва да преодолява взаимодействието на Кулон.
Напълно легитимен въпрос - защо ограждате тази градина? Факт е, че по време на синтеза на леки ядра се освобождава енергия от порядъка на 20 MeV. Разбира се, при принудителното делене на ураново ядро тази енергия е 10 пъти по-голяма, но има една уговорка - при най-големите трикове заряд на уран с мощност дори 1 мегатон е невъзможен. Дори за по-усъвършенствана плутониева бомба, постижимата мощност на енергия е не повече от 7-8 килотона на килограм плутоний (при теоретичен максимум от 18 килотона). И не забравяйте, че едно ядро на уран е почти 60 пъти по-тежко от две ядра на деутерий. Ако вземем предвид специфичния енергиен добив, тогава термоядреният синтез е забележимо напред.
И още нещо - за термоядрен заряд няма ограничения за критичната маса. Той просто го няма. Има обаче и други ограничения, но повече за тях по-долу.
По принцип стартирането на термоядрена реакция като източник на неутрони е доста просто. Много по-трудно е да го стартирате като източник на енергия. Тук се сблъскваме с така наречения критерий на Лоусън, който определя енергийната полза от термоядрената реакция. Ако произведението от плътността на реагиращите ядра и времето на тяхното задържане на разстоянието на синтез е по-голямо от 1014 sec/cm3, енергията, предоставена от синтеза, ще надвишава енергията, въведена в системата.
Всички термоядрени програми бяха посветени на постигането на този критерий.
Първият дизайн на термоядрена бомба, който хрумна на Едуард Телър, беше нещо подобно на опит за създаване на плутониева бомба, използвайки дизайн на оръдие. Тоест всичко изглежда правилно, но не работи. Устройството на „класическия супер“ - течен деутерий, в който е потопена плутониева бомба - наистина беше класическо, но далеч от супер.
Идеята за взривяване на ядрен заряд в течен деутерий се оказа задънена улица от самото начало. При такива условия може да се постигне повече или по-малко производство на енергия от термоядрен синтез чрез детониране на ядрен заряд с мощност 500 kt. И изобщо нямаше нужда да говорим за постигане на критерия на Лоусън.
Идеята за заобикаляне на ядрен задействащ заряд със слоеве от термоядрено гориво, осеяно с уран-238 като топлоизолатор и усилвател на експлозия, също хрумна на Телър. И не само него. Първите съветски термоядрени бомби са създадени именно по този проект. Принципът беше съвсем прост: ядрен заряд загрява термоядреното гориво до температурата, при която започва синтезът, и бързите неутрони, генерирани по време на синтеза, експлодират слоеве от уран-238. Ограничението обаче остава същото - при температурата, която може да осигури ядрен тригер, само смес от евтин деутерий и невероятно скъп тритий може да влезе в реакцията на синтез.
Телър по-късно излезе с идеята да използва съединението литий-6 деутерид. Това решение позволи да се изоставят скъпите и неудобни криогенни контейнери с течен деутерий. Освен това, в резултат на облъчване с неутрони, литий-6 се превръща в хелий и тритий, които влизат в реакция на синтез с деутерий.
Недостатъкът на тази схема беше ограничената мощност - само ограничена част от термоядреното гориво, заобикалящо спусъка, имаше време да влезе в реакцията на синтез. Останалото, колкото и да го имаше, отиде в канализацията. Максималната мощност на заряда, получена при използване на „пуф“, беше 720 kt (бомба на British Orange Herald). Очевидно това беше „таванът“.
Вече говорихме за историята на развитието на схемата Teller-Ulam. Сега нека разберем техническите подробности на тази схема, която също се нарича "двустепенна" или "верига за радиационна компресия".
Нашата задача е да нагреем термоядреното гориво и да го задържим в определен обем, за да изпълним критерия на Лоусън. Като оставим настрана американските учения с криогенни схеми, нека вземем за термоядрено гориво вече познатия ни деутерид литий-6.
Ще изберем уран-238 като материал на контейнера за термоядрения заряд. Контейнерът е с цилиндрична форма. По оста на контейнера, вътре в него ще поставим цилиндричен прът от уран-235, който има подкритична маса.
Забележка: неутронната бомба, която беше сензационна за времето си, е същата схема на Телер-Улам, но без уранова пръчка по оста на контейнера. Въпросът е да се осигури мощен поток от бързи неутрони, но да се предотврати изгарянето на цялото термоядрено гориво, което ще консумира неутрони.
Ще запълним останалото свободно пространство на контейнера с литиев-6 деутерид. Нека поставим контейнер в единия край на тялото на бъдещата бомба (това ще бъде втората степен), а в другия край ще монтираме обикновен плутониев заряд с мощност няколко килотона (първата степен). Между ядрения и термоядрения заряд ще монтираме преграда от уран-238, която ще предотврати преждевременното нагряване на деутерида литий-6. Нека запълним останалото свободно пространство вътре в тялото на бомбата с твърд полимер. По принцип термоядрената бомба е готова.
Когато ядрен заряд се детонира, 80% от енергията се освобождава под формата на рентгенови лъчи. Скоростта на разпространението му е много по-висока от скоростта на разпространение на осколките от делене на плутоний. След стотни от микросекундата урановият екран се изпарява и рентгеновото лъчение започва интензивно да се абсорбира от урана на контейнера за термоядрен заряд. В резултат на така наречената аблация (отстраняване на маса от повърхността на нагрят контейнер) възниква реактивна сила, която компресира контейнера 10 пъти. Този ефект се нарича радиационна имплозия или радиационна компресия. В този случай плътността на термоядреното гориво се увеличава 1000 пъти. В резултат на колосалното налягане на радиационната имплозия централната пръчка на уран-235 също се компресира, макар и в по-малка степен, и преминава в суперкритично състояние. По това време термоядреният блок е бомбардиран от бързи неутрони от ядрена експлозия. След преминаване през литий-6 деутерид, те се забавят и се абсорбират интензивно от урановата пръчка.
Верижна реакция на делене започва в пръта, което бързо води до ядрена експлозия вътре в контейнера. Тъй като деутеридът литий-6 е подложен на аблативно компресиране отвън и налягането на ядрена експлозия отвътре, неговата плътност и температура се увеличават още повече. Този момент е началото на реакцията на синтез. По-нататъшната му поддръжка се определя от това колко дълго контейнерът ще задържи термоядрените процеси вътре в себе си, предотвратявайки изтичането на топлинна енергия навън. Именно това определя постигането на критерия на Лоусън. Термоядреното гориво изгаря от оста на цилиндъра до неговия ръб. Температурата на фронта на горене достига 300 милиона Келвина. Пълното развитие на експлозията до изгарянето на термоядреното гориво и унищожаването на контейнера отнема няколкостотин наносекунди - двадесет милиона пъти по-бързо, отколкото ви е отнело да прочетете тази фраза.
Надеждната работа на двустепенната верига зависи от прецизното сглобяване на контейнера и предотвратяването на преждевременно нагряване.
Мощността на термоядрения заряд за веригата Teller-Ulam зависи от мощността на ядрения тригер, който осигурява ефективно компресиране чрез излъчване. Сега обаче има многостъпални вериги, в които енергията на предишния етап се използва за компресиране на следващия. Пример за тристепенна схема е вече споменатата 100-мегатонна „Кузкина майка“.
Плутониевият изотоп 238 Pu е изкуствено получен за първи път на 23 февруари 1941 г. от група американски учени, ръководени от G. Seaborg, чрез облъчване на уранови ядра с дейтрони. Едва тогава плутоният е открит в природата: 239 Pu обикновено се намира в незначителни количества в уранови руди като продукт на радиоактивната трансформация на урана. Плутоният е първият изкуствен елемент, получен в количества, достъпни за претегляне (1942 г.) и първият, чието производство започва в индустриален мащаб.
Името на елемента продължава астрономическата тема: той е кръстен на Плутон, втората планета след Уран.
Да бъдеш сред природата, получаваш:
В уранови руди, в резултат на улавяне на неутрони (например неутрони от космическа радиация) от уранови ядра, се образува нептуний (239 Np), продуктът b- чийто разпад е естествен плутоний-239. Плутоният обаче се образува в такива микроскопични количества (0,4-15 части Pu на 10 12 части U), че извличането му от уранови руди е изключено.
Плутоният се произвежда в ядрени реактори. В мощните неутронни потоци протича същата реакция като в урановите руди, но скоростта на образуване и натрупване на плутоний в реактора е много по-висока - милиард милиард пъти. За реакцията на превръщане на баластния уран-238 в енергиен плутоний-239 се създават оптимални (в допустими граници) условия.
Плутоний-244 също се е натрупал в ядрен реактор. Изотоп на елемент № 95 - америций, 243 Am улови неутрон и се превърна в америций-244; америций-244 се трансформира в кюрий, но в един от 10 хиляди случая настъпва преход в плутоний-244. Плутоний-244 препарат с тегло само няколко милионни от грама беше изолиран от смес от америций и кюрий. Но те бяха достатъчни, за да се определи времето на полуразпад на този интересен изотоп - 75 милиона години. По-късно тя е уточнена и се оказва равна на 82,8 милиона години. През 1971 г. следи от този изотоп са открити в редкоземния минерал бастнесит. 244 Pu е най-дълготрайният от всички изотопи на трансуранови елементи.
Физични свойства:
Сребристо-бял метал, има 6 алотропни модификации. Точка на топене 637°C, точка на кипене - 3235°C. Плътност: 19,82 g/cm3.
Химични свойства:
Плутоният е способен да реагира с кислород, за да образува оксид (IV), който, както всички първи седем актинида, има слаб основен характер.
Pu + O 2 = PuO 2
Реагира с разредена сярна, солна, перхлорна киселина.
Pu + 2HCl(p) = PuCl2 + H2; Pu + 2H 2 SO 4 = Pu(SO 4) 2 + 2H 2
Не реагира с азотна и концентрирана сярна киселина. Валентността на плутония варира от три до седем. Химически най-стабилните (и следователно най-разпространените и най-изследваните) съединения са четиривалентният плутоний. Разделянето на актиниди със сходни химични свойства - уран, нептуний и плутоний - може да се основава на разликата в свойствата на техните четири- и шествалентни съединения.
Най-важните връзки:
Плутониев(IV) оксид, PuO 2 , има слаб основен характер.
...
...
Приложение:
Плутоният се използва широко в производството на ядрени оръжия (т.нар. „оръжеен плутоний“). Първото базирано на плутоний ядрено устройство е взривено на 16 юли 1945 г. на полигона в Аламогордо (тест под кодовото име Тринити).
Използва се (експериментално) като ядрено гориво за ядрени реактори за граждански и изследователски цели.
Плутоний-242 е важен като „суровина“ за относително бързото натрупване на висши трансуранови елементи в ядрените реактори. Ако плутоний-239 бъде облъчен в конвенционален реактор, тогава ще отнеме около 20 години, за да се натрупат микрограмови количества от например Калифорния-251 от грамове плутоний. Плутоний-242 не се деля от топлинни неутрони и дори в големи количества може да бъде облъчен в интензивни неутронни потоци. Следователно в реакторите всички елементи от калифорний до айнщайний са „направени“ от този изотоп и се натрупват в тегловни количества.
Коваленко О.А.
HF Тюменски държавен университет
източници:
"Вредни химикали: Радиоактивни вещества" Справочник L. 1990 стр. 197
Рабинович В.А., Хавин З.Я. "Кратък химически справочник" Л.: Химия, 1977 г., стр. 90, 306-307.
И.Н. Бекман. Плутоний. (учебник, 2009 г.)
Плутоний (на латински Plutonium, символ Pu) е радиоактивен химичен елемент с атомен номер 94 и атомно тегло 244.064. Плутоният е елемент III групапериодичната таблица на Дмитрий Иванович Менделеев, принадлежи към семейството на актинидите. Плутоният е тежък (плътност при нормални условия 19,84 g/cm³) крехък радиоактивен метал със сребристо-бял цвят.
Плутоният няма стабилни изотопи. От стоте възможни изотопа на плутония са синтезирани двадесет и пет. Изследвани са ядрените свойства на петнадесет от тях (масови числа 232-246). Четири намерени практическа употреба. Най-дългоживеещите изотопи са 244Pu (период на полуразпад 8,26-107 години), 242Pu (период на полуразпад 3,76-105 години), 239Pu (период на полуразпад 2,41-104 години), 238Pu (период на полуразпад 87,74 години) - α- емитери и 241Pu (период на полуразпад 14 години) - β-емитер. В природата плутоният се среща в незначителни количества в уранови руди (239Pu); образува се от уран под въздействието на неутрони, източниците на които са реакции, протичащи по време на взаимодействието на α-частици с леки елементи (включени в рудите), спонтанно делене на уранови ядра и космическо лъчение.
Деветдесет и четвъртият елемент е открит от група американски учени - Глен Сийборг, Кенеди, Едуин Макмилан и Артър Уол през 1940 г. в Бъркли (в Калифорнийския университет) при бомбардиране на мишена от уранов оксид (U3O8) от силно ускорени деутериеви ядра (дейтрони) от шестдесет инчов циклотрон. През май 1940 г. свойствата на плутония са предсказани от Луис Търнър.
През декември 1940 г. е открит плутониевият изотоп Pu-238 с период на полуразпад ~90 години, последван година по-късно от по-важния Pu-239 с период на полуразпад ~24 000 години.
Едуин Макмилън през 1948 г. предложи да назове химическия елемент плутоний в чест на откриването на новата планета Плутон и по аналогия с нептуний, който е кръстен след откриването на Нептун.
Металният плутоний (изотоп 239Pu) се използва в ядрени оръжия и служи като ядрено гориво в енергийни реактори, работещи с топлинни и особено бързи неутрони. Критичната маса за 239Pu като метал е 5,6 kg. Освен всичко друго, изотопът 239Pu е изходен материал за производството на трансплутониеви елементи в ядрени реактори. Изотопът 238Pu се използва в малки ядрени източници електрически ток, използвани в космически изследвания, както и в човешки сърдечни стимуланти.
Плутоний-242 е важен като „суровина“ за относително бързото натрупване на висши трансуранови елементи в ядрените реактори. δ-стабилизираните плутониеви сплави се използват в производството на горивни клетки, тъй като имат по-добри металургични свойства в сравнение с чистия плутоний, който претърпява фазови преходи при нагряване. Плутониевите оксиди се използват като източник на енергия за космически технологиии намират приложение в горивни пръти.
Всички плутониеви съединения са отровни, което е следствие от α-лъчението. Алфа частиците представляват сериозна опасност, ако източникът им е в тялото на заразен човек, те увреждат околната тъкан на тялото. Гама радиацията от плутоний не е опасна за тялото. Струва си да се има предвид, че различните изотопи на плутония имат различна токсичност, например типичният реакторен плутоний е 8-10 пъти по-токсичен от чистия 239Pu, тъй като е доминиран от 240Pu нуклиди, който е мощен източник на алфа радиация. Плутоният е най-радиотоксичният елемент от всички актиниди, но се смята, че далеч не е най-опасният елемент, тъй като радият е почти хиляда пъти по-опасен от най-отровния изотоп на плутония - 239Pu.
Биологични свойства
Плутоният е концентриран морски организми: коефициентът на натрупване на този радиоактивен метал (съотношението на концентрациите в тялото и във външната среда) за водораслите е 1000-9000, за планктона - приблизително 2300, за морските звезди - около 1000, за мекотелите - до 380, за мускулите , кости, черен дроб и стомах риба - съответно 5, 570, 200 и 1060. Сухоземните растения абсорбират плутония главно чрез кореновата система и го натрупват до 0,01% от масата си. В човешкото тяло деветдесет и четвъртият елемент се задържа главно в скелета и черния дроб, откъдето почти не се екскретира (особено от костите).
Плутоният е силно токсичен и неговата химическа опасност (както всяка друга хеви метъл) е изразена много по-слабо (от химическа гледна точка токсичен е колкото оловото.) в сравнение с радиоактивната му токсичност, която е следствие от алфа лъчение. Освен това α-частиците имат относително ниска проникваща способност: за 239Pu обхватът на α-частиците във въздуха е 3,7 cm, а в меките биологични тъкани 43 μm. Следователно алфа частиците представляват сериозна опасност, ако техният източник е в тялото на заразен човек. В същото време те увреждат тъканите на тялото, заобикалящи елемента.
В същото време γ-лъчите и неутроните, които плутоният също излъчва и които могат да проникнат в тялото отвън, не са много опасни, тъй като нивото им е твърде ниско, за да причини вреда на здравето. Плутоният принадлежи към група елементи с особено висока радиотоксичност. В същото време различните изотопи на плутония имат различна токсичност, например типичният реакторен плутоний е 8-10 пъти по-токсичен от чистия 239Pu, тъй като е доминиран от 240Pu нуклиди, който е мощен източник на алфа радиация.
При поглъщане чрез вода и храна плутоният е по-малко токсичен от вещества като кофеин, някои витамини, псевдоефедрин и много растения и гъби. Това се обяснява с факта, че този елемент се абсорбира слабо от стомашно-чревния тракт, дори когато се доставя под формата на разтворима сол, същата тази сол се свързва от съдържанието на стомаха и червата. Въпреки това, поглъщането на 0,5 грама плутоний във фино разделено или разтворено състояние може да доведе до смърт от остро излагане на радиация храносмилателната системав продължение на няколко дни или седмици (за цианид тази стойност е 0,1 грама).
От гледна точка на вдишване плутоният е обикновен токсин (приблизително еквивалентен на живачните пари). При вдишване плутоният е канцерогенен и може да причини рак на белия дроб. И така, при вдишване сто милиграма плутоний под формата на частици с оптимален размер за задържане в белите дробове (1-3 микрона) води до смърт от белодробен оток за 1-10 дни. Доза от двадесет милиграма води до смърт от фиброза за около месец. По-малките дози водят до хронично канцерогенно отравяне. Опасността от вдишване на плутоний в тялото се увеличава поради факта, че плутоният е склонен към образуване на аерозоли.
Въпреки че е метал, той е доста летлив. Краткият престой на метал в помещението значително повишава концентрацията му във въздуха. Плутоният, който навлиза в белите дробове, частично се утаява на повърхността на белите дробове, частично преминава в кръвта, а след това в лимфата и костния мозък. Повечето (приблизително 60%) завършват в костната тъкан, 30% в черния дроб и само 10% се екскретират естествено. Количеството плутоний, което влиза в тялото, зависи от размера на аерозолните частици и разтворимостта в кръвта.
Плутоният, влизащ в човешкото тяло по един или друг начин, е подобен по свойства на желязото, следователно, прониквайки в кръвоносната система, плутоният започва да се концентрира в тъканите, съдържащи желязо: костен мозък, черен дроб, далак. Тялото възприема плутония като желязо, следователно протеинът трансферин приема плутоний вместо желязо, в резултат на което преносът на кислород в тялото спира. Микрофагите пренасят плутоний до лимфните възли. Плутоният, който влиза в тялото, отнема много време, за да бъде отстранен от тялото - в рамките на 50 години само 80% ще бъдат отстранени от тялото. Полуживотът от черния дроб е 40 години. За костната тъкан полуживотът на плутония е 80-100 години; всъщност концентрацията на елемент деветдесет и четири в костите е постоянна.
По време на Втората световна война и след нейния край учени, работещи в проекта Манхатън, както и учени от Третия райх и други изследователски организации, провеждат експерименти с плутоний върху животни и хора. Изследвания върху животни показват, че няколко милиграма плутоний на килограм тъкан - смъртоносна доза. Употребата на плутоний при хора обикновено се състои от 5 mcg плутоний, инжектирани интрамускулно на хронично болни пациенти. В крайна сметка беше установено, че смъртоносната доза за пациент е един микрограм плутоний и че плутоният е по-опасен от радия и има тенденция да се натрупва в костите.
Както е известно, плутоният е елемент, който практически липсва в природата. Около пет тона от него обаче са изхвърлени в атмосферата в резултат на ядрени опити в периода 1945-1963 г. Общото количество плутоний, изпуснат в атмосферата поради ядрени опити преди 80-те години на миналия век, се оценява на 10 тона. Според някои оценки почвата в Съединените щати съдържа средно 2 миликюри (28 mg) плутоний на km2 от утаяване, а появата на плутоний в Тихи океаннараства в сравнение с общото разпространение на ядрени материали на земята.
Последният феномен е свързан с американските ядрени опити на Маршаловите острови на Тихоокеанския тестов полигон в средата на 50-те години на миналия век. Времето на престой на плутония в повърхностните океански води варира от 6 до 21 години, но дори и след този период плутоният пада на дъното заедно с биогенни частици, от които се редуцира до разтворими форми в резултат на микробно разлагане.
Глобалното замърсяване с деветдесет и четвъртия елемент е свързано не само с ядрени опити, но и с аварии в производството и оборудването, взаимодействащо с този елемент. Така през януари 1968 г. B-52 на американските военновъздушни сили, носещ четири ядрени бойни глави, се разби в Гренландия. В резултат на експлозията зарядите са унищожени и плутоният изтича в океана.
Друг случай на радиоактивно замърсяване на околната среда в резултат на авария се случи със съветския космически кораб"Космос-954" 24 януари 1978 г. В резултат на неконтролирано излизане от орбита сателит с ядрен източник на енергия на борда падна на територията на Канада. В резултат на катастрофата в заобикаляща средаповече от килограм плутоний-238 падна, разпръсквайки се върху площ от около 124 000 m².
Най-ужасният пример за аварийно изтичане на радиоактивни вещества в околната среда е аварията в атомната електроцентрала в Чернобил, която се случи на 26 април 1986 г. В резултат на разрушаването на четвърти енергоблок в околната среда бяха изхвърлени 190 тона радиоактивни вещества (включително плутониеви изотопи) на площ от около 2200 km².
Изпускането на плутоний в околната среда не се свързва само с причинени от човека инциденти. Известни са случаи на изтичане на плутоний, както от лабораторни, така и от заводски условия. Известни са повече от двадесет случайни течове от лаборатории за 235U и 239Pu. През 1953-1978г. злополуките доведоха до загуба от 0,81 (Маяк, 15 март 1953 г.) до 10,1 кг (Томск, 13 декември 1978 г.) 239Pu. Инциденти на индустриални предприятиядоведе до общо два смъртни случая в Лос Аламос (21 август 1945 г. и 21 май 1946 г.) поради две катастрофи и загубата на 6,2 kg плутоний. В град Саров през 1953 и 1963г. около 8 и 17,35 кг са паднали извън ядрения реактор. Един от тях доведе до унищожаването на ядрен реактор през 1953 г.
Когато ядро 238Pu се делене с неутрони, се освобождава 200 MeV енергия, което е 50 милиона пъти повече от най-известната екзотермична реакция: C + O2 → CO2. „Изгаряйки“ в ядрен реактор, един грам плутоний произвежда 2107 kcal - това е енергията, съдържаща се в 4 тона въглища. Един напръстник плутониево гориво в енергиен еквивалент може да се равнява на четиридесет вагона добри дърва за огрев!
Смята се, че „естественият изотоп“ на плутония (244Pu) е изотопът с най-дълъг живот от всички трансуранови елементи. Времето му на полуразпад е 8,26∙107 години. Учени дълго времесе опита да получи изотоп на трансуранов елемент, който да съществува по-дълго от 244Pu - големи надежди в това отношение бяха възложени на 247Cm. След синтеза му обаче се оказа, че полуживотът на този елемент е само 14 милиона години.
История
През 1934 г. група учени, ръководени от Енрико Ферми, правят изявление, че по време на научна работа в Римския университет са открили химичен елемент със сериен номер 94. По настояване на Ферми елементът е наречен хеспериум, ученият е убеден, че той е открил нов елемент, който сега се нарича плутоний, като по този начин предполага съществуването на трансуранови елементи и става техен теоретичен откривател. Ферми защитава тази хипотеза в своята Нобелова лекция през 1938 г. Едва след откриването на ядреното делене от германските учени Ото Фриш и Фриц Щрасман, Ферми е принуден да направи бележка в печатната версия, публикувана в Стокхолм през 1939 г., като посочва необходимостта от преразглеждане на „целия проблем с трансурановите елементи“. Факт е, че работата на Фриш и Щрасман показа, че активността, открита от Ферми в неговите експерименти, се дължи именно на деленето, а не на откриването на трансуранови елементи, както той вярваше преди.
Нов елемент, деветдесет и четвърти, е открит в края на 1940 г. Това се случи в Бъркли в Калифорнийския университет. Чрез бомбардиране на уранов оксид (U3O8) с тежки водородни ядра (дейтрони), група американски радиохимици, водени от Глен Т. Сиборг, откриха неизвестен досега излъчвател на алфа частици с период на полуразпад от 90 години. Този излъчвател се оказва изотопът на елемент № 94 с масово число 238. Така на 14 декември 1940 г. са получени първите микрограмови количества плутоний заедно с примес от други елементи и техните съединения.
По време на експеримент, проведен през 1940 г., е установено, че по време на ядрена реакция първо се произвежда краткотрайният изотоп нептуний-238 (период на полуразпад 2,117 дни), а от него плутоний-238:
23392U (d,2n) → 23893Np → (β−) 23894Pu
Дългите и трудоемки химични експерименти за отделяне на новия елемент от примесите продължиха два месеца. Съществуването на нов химичен елемент е потвърдено в нощта на 23 срещу 24 февруари 1941 г. от G. T. Seaborg, E. M. Macmillan, J. W. Kennedy и A. C. Wall чрез изследване на първите му химични свойства - способността да притежава най-малко две окисления държави. Малко по-късно от края на експериментите беше установено, че този изотоп не се деля и следователно е безинтересен за по-нататъшно изследване. Скоро (март 1941 г.), Кенеди, Сиборг, Сегре и Уол синтезират по-важен изотоп, плутоний-239, чрез облъчване на уран със силно ускорени неутрони в циклотрон. Този изотоп се образува при разпадането на нептуний-239, излъчва алфа лъчи и има период на полуразпад от 24 000 години. Първото чисто съединение на елемента е получено през 1942 г., а първите тегловни количества метален плутоний са получени през 1943 г.
Името на новия елемент 94 е предложено през 1948 г. от MacMillan, който няколко месеца преди откриването на плутония, заедно с F. Eibelson, получава първия елемент, по-тежък от урана - елемент № 93, който е наречен нептуний в чест на планетата Нептун – първата отвъд Уран. По аналогия решават да нарекат елемент № 94 плутоний, тъй като планетата Плутон е втора след Уран. На свой ред Сиборг предложи да нарече новия елемент „плутиум“, но след това осъзна, че името не звучи много добре в сравнение с „плутоний“. Освен това той предлага други имена за новия елемент: ултимиум, екстермиум, поради погрешната преценка по това време, че плутоният ще стане последният химичен елемент в периодичната таблица. В резултат на това елементът е наречен "плутоний" в чест на откриването на последната планета в Слънчевата система.
Да бъдеш сред природата
Периодът на полуразпад на най-дългоживеещия изотоп на плутония е 75 милиона години. Цифрата е много впечатляваща, но възрастта на Галактиката се измерва в милиарди години. От това следва, че първичните изотопи на деветдесет и четвъртия елемент, образувани по време на големия синтез на елементите на Вселената, нямат шанс да оцелеят до наши дни. И все пак това не означава, че на Земята изобщо няма плутоний. Постоянно се образува в уранови руди. Чрез улавяне на неутрони от космическа радиация и неутрони, произведени от спонтанното делене на 238U ядра, някои - много малко - атоми на този изотоп се превръщат в 239U атоми. Ядрата на този елемент са много нестабилни, те излъчват електрони и по този начин увеличават заряда си и възниква образуването на нептуний, първият трансуранов елемент. 239Np също е нестабилен, неговите ядра също излъчват електрони, така че само за 56 часа половината от 239Np се превръща в 239Pu.
Времето на полуразпад на този изотоп вече е много дълго и възлиза на 24 000 години. Средно съдържанието на 239Pu е около 400 000 пъти по-малко от това на радия. Следователно е изключително трудно не само да се добива, но дори да се открие „наземен“ плутоний. Малки количества 239Pu – части на трилион – и продукти на разпадане могат да бъдат намерени в уранови руди, например в естествения ядрен реактор в Окло, Габон (Западна Африка). Така нареченият „естествен ядрен реактор“ се счита за единственият в света, в който в момента в геосферата се образуват актиниди и техните продукти на делене. Според съвременните оценки преди няколко милиона години в този регион е протекла самоподдържаща се реакция с отделяне на топлина, която е продължила повече от половин милион години.
И така, вече знаем, че в уранови руди, в резултат на улавяне на неутрони от уранови ядра, се образува нептуний (239Np), чийто продукт на β-разпад е естествен плутоний-239. Благодарение на специални инструменти - масспектрометри - в докамбрийския бастнезит (цериева руда) е открито наличието на плутоний-244 (244Pu), който има най-дълъг период на полуразпад - приблизително 80 милиона години. В природата 244Pu се намира предимно под формата на диоксид (PuO2), който е дори по-малко разтворим във вода от пясъка (кварц). Тъй като сравнително дългоживеещият изотоп плутоний-240 (240Pu) е във веригата на разпадане на плутоний-244, неговото разпадане се случва, но това се случва много рядко (1 случай на 10 000). Много малки количества плутоний-238 (238Pu) се дължат на много рядкото двойно бета разпадане на основния изотоп, уран-238, който е открит в уранови руди.
Следи от изотопите 247Pu и 255Pu са открити в прах, събран след експлозии на термоядрени бомби.
Минимални количества плутоний биха могли хипотетично да присъстват в човешкото тяло, като се има предвид, че са проведени огромен брой ядрени опити, свързани по един или друг начин с плутоний. Плутоният се натрупва главно в скелета и черния дроб, откъдето практически не се отделя. В допълнение, елемент деветдесет и четири се натрупва от морски организми; Наземните растения абсорбират плутоний главно чрез кореновата система.
Оказва се, че изкуствено синтезиран плутоний все още съществува в природата, така че защо не се добива, а се получава изкуствено? Факт е, че концентрацията на този елемент е твърде ниска. За друг радиоактивен метал - радий, казват: "грам производство - година работа", а радият в природата е 400 000 пъти повече от плутония! Поради тази причина е изключително трудно не само да се добива, но дори да се открие „наземен“ плутоний. Това се правеше едва след физическото и Химични свойстваплутоний, произведен в ядрени реактори.
Приложение
Изотопът 239Pu (заедно с U) се използва като ядрено гориво в енергийни реактори, работещи с топлинни и бързи неутрони (главно), както и в производството на ядрени оръжия.
Около половин хиляди атомни електроцентрали по света генерират приблизително 370 GW електроенергия (или 15% от общото световно производство на електроенергия). Плутоний-236 се използва при производството на атомни електрически батерии, чийто експлоатационен живот достига пет или повече години, те се използват в генератори на ток, които стимулират сърцето (пейсмейкъри). 238Pu се използва в малки ядрени източници на енергия, използвани в космическите изследвания. Така плутоний-238 е източникът на енергия за сондите New Horizons, Galileo и Cassini, марсохода Curiosity и други космически кораби.
Ядрените оръжия използват плутоний-239, защото този изотоп е единственият подходящ нуклид за използване в ядрена бомба. В допълнение, по-честото използване на плутоний-239 в ядрени бомби се дължи на факта, че плутоният заема по-малък обем в сферата (където се намира сърцевината на бомбата), следователно експлозивната сила на бомбата може да бъде спечелена поради това Имот.
Схемата, по която възниква ядрена експлозия с плутоний, се крие в конструкцията на самата бомба, чието ядро се състои от сфера, пълна с 239Pu. В момента на сблъсък със земята, сферата се компресира до милион атмосфери поради дизайна и благодарение на експлозива около тази сфера. След удара активната зона се разширява по обем и плътност за възможно най-кратко време - десетки микросекунди, сглобката прескача критичното състояние с топлинни неутрони и преминава в свръхкритично състояние с бързи неутрони - започва ядрена верижна реакция с участието на неутрони и ядра на елемента. Последната експлозия на ядрена бомба освобождава температури от порядъка на десетки милиони градуси.
Плутониевите изотопи са намерили своето приложение в синтеза на трансплутониеви (до плутониеви) елементи. Например в Националната лаборатория Оук Ридж при дългосрочно неутронно облъчване на 239Pu се получават 24496Cm, 24296Cm, 24997Bk, 25298Cf, 25399Es и 257100Fm. По същия начин америций 24195Am е получен за първи път през 1944 г. През 2010 г. плутониев-242 оксид, бомбардиран с калциеви-48 йони, служи като източник на унунквадий.
δ-стабилизираните плутониеви сплави се използват в производството на горивни пръти, тъй като имат значително по-добри металургични свойства в сравнение с чистия плутоний, който претърпява фазови преходи при нагряване и е много чуплив и ненадежден материал. Сплави на плутоний с други елементи (интерметални съединения) обикновено се получават чрез директно взаимодействие на елементи в необходимите пропорции, докато се използва главно дъгово топене; понякога нестабилни сплави се получават чрез нанасяне на спрей или охлаждане на стопилки.
Основните индустриални легиращи елементи за плутония са галий, алуминий и желязо, въпреки че плутоният е способен да образува сплави и междинни продукти с повечето метали с редки изключения (калий, натрий, литий, рубидий, магнезий, калций, стронций, барий, европий и итербий) . Огнеупорните метали: молибден, ниобий, хром, тантал и волфрам са разтворими в течен плутоний, но почти неразтворими или слабо разтворими в твърд плутоний. Индий, силиций, цинк и цирконий са способни да образуват метастабилен δ-плутоний (δ"-фаза) при бързо охлаждане. Галий, алуминий, америций, скандий и церий могат да стабилизират δ-плутоний при стайна температура.
Големите количества холмий, хафний и талий позволяват известно количество δ-плутоний да се съхранява при стайна температура. Нептуният е единственият елемент, който може да стабилизира α-плутония при високи температури. Титан, хафний и цирконий стабилизират структурата на β-плутония при стайна температура, когато се охлаждат бързо. Приложенията на такива сплави са доста разнообразни. Например плутониево-галиева сплав се използва за стабилизиране на δ фазата на плутония, което избягва α-δ фазовия преход. Тройната сплав на плутоний-галий-кобалт (PuGaCo5) е свръхпроводяща сплав при 18,5 K. Има редица сплави (плутоний-цирконий, плутоний-церий и плутоний-церий-кобалт), които се използват като ядрено гориво.
производство
Индустриалният плутоний се произвежда по два начина. Това е или облъчване на ядра 238U, съдържащи се в ядрени реактори, или разделяне чрез радиохимични методи (съвместно утаяване, екстракция, йонообмен и др.) на плутоний от уран, трансуранови елементи и продукти на делене, съдържащи се в отработеното гориво.
В първия случай най-практичният изотоп 239Pu (смесен с малка добавка от 240Pu) се произвежда в ядрени реактори с участието на уранови ядра и неутрони с помощта на β-разпадане и с участието на изотопи на нептуний като междинен продукт на делене:
23892U + 21D → 23893Np + 210n;
23893Np → 23894Pu
β-разпад
В този процес деутрон навлиза в уран-238, което води до образуването на нептуний-238 и два неутрона. След това нептуний-238 спонтанно се дели, излъчвайки бета-минус частици, които образуват плутоний-238.
Обикновено съдържанието на 239Pu в сместа е 90-95%, 240Pu е 1-7%, съдържанието на други изотопи не надвишава десети от процента. При продължително облъчване с 239Pu неутрони се получават изотопи с дълъг период на полуразпад - 242Pu и 244Pu. Освен това, добивът на 242Pu е няколко десетки процента, а 244Pu е част от процента от съдържанието на 242Pu. Малки количества изотопно чист плутоний-238 се образуват, когато нептуний-237 се облъчва с неутрони. Леките изотопи на плутония с масови числа 232-237 обикновено се получават в циклотрон чрез облъчване на уранови изотопи с α-частици.
Вторият метод за промишлено производство на 239Pu използва процеса Purex, базиран на екстракция с трибутил фосфат в лек разредител. В първия цикъл Pu и U се пречистват съвместно от продуктите на делене и след това се разделят. Във втория и третия цикъл плутоният се пречиства допълнително и се концентрира. Схемата на такъв процес се основава на разликата в свойствата на тетра- и шествалентните съединения на отделяните елементи.
Първоначално отработените горивни пръти се демонтират и обвивката, съдържаща отработен плутоний и уран, се отстранява чрез физични и химически средства. След това извлеченото ядрено гориво се разтваря в азотна киселина. Все пак тя е силен окислителпри разтваряне уранът, плутоният и примесите се окисляват. Плутониеви атоми с нулева валентност се превръщат в Pu+6 и както плутоният, така и уранът се разтварят. От такъв разтвор деветдесет и четвъртият елемент се редуцира до тривалентно състояние със серен диоксид и след това се утаява с лантанов флуорид (LaF3).
Въпреки това, в допълнение към плутония, утайката съдържа нептуний и редкоземни елементи, но основната маса (уран) остава в разтвор. След това плутоният отново се окислява до Pu+6 и отново се добавя лантанов флуорид. Сега редкоземните елементи се утаяват, а плутоният остава в разтвор. След това нептуният се окислява до четиривалентно състояние с калиев бромат, тъй като този реагент няма ефект върху плутония, след това по време на вторично утаяване със същия лантанов флуорид тривалентният плутоний преминава в утайка и нептуният остава в разтвор. Крайни продуктиТакива операции са съдържащи плутоний съединения - PuO2 диоксид или флуориди (PuF3 или PuF4), от които се получава метален плутоний (чрез редукция с бариеви, калциеви или литиеви пари).
По-чист плутоний може да бъде постигнат чрез електролитно рафиниране на пирохимично произведения метал, което се извършва в електролизни клетки при 700° C с електролит от калиев, натриев и плутониев хлорид, като се използва катод от волфрам или тантал. Полученият по този начин плутоний е с чистота 99,99%.
За производството на големи количества плутоний се изграждат реактори-размножители, така наречените „бридери” (от английския глагол to breed – размножавам се). Тези реактори получиха името си поради способността си да произвеждат делящ се материал в количества, надвишаващи разходите за получаване на този материал. Разликата между реакторите от този тип и другите е, че неутроните в тях не се забавят (няма модератор, например графит), за да може колкото се може повече от тях да реагират с 238U.
След реакцията се образуват атоми 239U, които впоследствие образуват 239Pu. Ядрото на такъв реактор, съдържащо PuO2 в обеднен уранов диоксид (UO2), е заобиколено от обвивка от още по-обеднен уранов диоксид-238 (238UO2), в който се образува 239Pu. Комбинираното използване на 238U и 235U позволява на "размножителите" да произвеждат 50-60 пъти повече енергия от естествен уран в сравнение с други реактори. Тези реактори обаче имат голям недостатък - горивните пръти трябва да се охлаждат със среда, различна от вода, което намалява тяхната енергия. Поради това беше решено да се използва течен натрий като охлаждаща течност.
Изграждането на такива реактори в Съединените американски щати започва след края на Втората световна война, а СССР и Великобритания започват изграждането им едва през 50-те години на миналия век.
Физични свойства
Плутоният е много тежък (плътност при нормално ниво 19,84 g/cm³) сребрист метал, в пречистено състояние много подобен на никела, но във въздуха плутоният бързо се окислява, избледнява, образувайки ирисцентен филм, първо светложълт, след това преминаващ в тъмно лилав . Когато настъпи силно окисление, върху металната повърхност се появява прах от маслиненозелен оксид (PuO2).
Плутоният е силно електроотрицателен и реактивен метал, в пъти повече дори от урана. Той има седем алотропни модификации (α, β, γ, δ, δ", ε и ζ), които се променят в определен температурен диапазон и при определен диапазон на налягане. При стайна температура плутоният е в α-форма - това е най-често срещаната алотропна модификация за плутоний В алфа фазата чистият плутоний е крехък и доста твърд - тази структура е почти толкова твърда, колкото сивия чугун, освен ако не е легирана с други метали, което ще придаде пластичност и мекота на сплавта. в тази форма с най-висока плътност плутоният е шестият по плътност елемент (Само осмий, иридий, платина, рений и нептуний са по-тежки. По-нататъшните алотропни трансформации на плутония са придружени от резки промени в плътността. Например, при нагряване от 310 до 480 ° C , той не се разширява, както другите метали, а се свива (делта фази " и "делта прайм") Когато се разтопи (преход от епсилон фаза към течна фаза), плутоният също се свива, позволявайки на неразтопения плутоний да плава.
Плутоният има голям брой необичайни свойства: има най-ниската топлопроводимост от всички метали – при 300 K тя е 6,7 W/(m K); плутоният има най-ниска електропроводимост; В течната си фаза плутоният е най-вискозният метал. Съпротивлението на деветдесет и четвъртия елемент при стайна температура е много високо за метал и тази характеристика ще се увеличи с намаляване на температурата, което не е типично за металите. Тази „аномалия“ може да бъде проследена до температура от 100 K - под тази марка електрическото съпротивление ще намалее. Но от 20 К съпротивлението започва да нараства отново поради радиационната активност на метала.
Плутоният има най-високото електрическо съпротивление от всички изследвани актиниди (досега), което е 150 μΩ cm (при 22 °C). Този метал има ниска точка на топене (640 °C) и необичайно висока точка на кипене (3227 °C). По-близо до точката на топене течният плутоний има много висока оценкавискозитет и повърхностно напрежение в сравнение с други метали.
Поради своята радиоактивност плутоният е топъл на допир. Голямо парче плутоний в термична обвивка се нагрява до температура, надвишаваща точката на кипене на водата! В допълнение, поради своята радиоактивност, плутоният претърпява промени в своята кристална решетка с течение на времето - възниква един вид отгряване поради самооблъчване поради повишаване на температурата над 100 K.
Наличието на голям брой алотропни модификации в плутония го прави труден метал за обработка и разточване поради фазови преходи. Вече знаем, че в алфа форма деветдесет и четвъртият елемент е подобен по свойства на чугуна, но има тенденция да се променя и да се превръща в пластичен материал и да образува ковка β-форма при по-високи температурни диапазони. Плутоният в δ форма обикновено е стабилен при температури между 310 °C и 452 °C, но може да съществува при стайна температура, ако е легиран с ниски проценти алуминий, церий или галий. Когато се легира с тези метали, плутоният може да се използва при заваряване. Като цяло, делта формата има по-изразени характеристики на метал - близка е до алуминия по здравина и ковакост.
Химични свойства
Химическите свойства на деветдесет и четвъртия елемент са в много отношения подобни на свойствата на неговите предшественици в периодичната таблица - уран и нептуний. Плутоният е доста активен метал, той образува съединения със степени на окисление от +2 до +7. Във водни разтвори елементът проявява следните степени на окисление: Pu (III), като Pu3+ (съществува в кисели водни разтвори, има светло лилав цвят); Pu (IV), като Pu4+ (шоколадов нюанс); Pu (V), като PuO2+ (лек разтвор); Pu (VI), като PuO22+ (светлооранжев разтвор) и Pu(VII), като PuO53- (зелен разтвор).
Освен това тези йони (с изключение на PuO53-) могат да бъдат едновременно в равновесие в разтвора, което се обяснява с наличието на 5f електрони, които са разположени в локализираната и делокализираната зона на електронната орбитала. При pH 5-8 доминира Pu(IV), който е най-стабилен сред другите валентности (степени на окисление). Плутониевите йони от всички степени на окисление са склонни към хидролиза и образуване на комплекси. Способността за образуване на такива съединения се увеличава в серията Pu5+
Компактният плутоний бавно се окислява във въздуха, покривайки се с преливащ маслен филм от оксид. Известни са следните плутониеви оксиди: PuO, Pu2O3, PuO2 и фаза с променлив състав Pu2O3 - Pu4O7 (бертолиди). При наличие на малки количества влага скоростта на окисление и корозия се увеличава значително. Ако даден метал е изложен на малки количества влажен въздух за достатъчно дълго време, на повърхността му се образува плутониев диоксид (PuO2). При липса на кислород може да се образува и неговият дихидрид (PuH2). Изненадващо, плутоният ръждясва много по-бързо в атмосфера на инертен газ (като аргон) с водна пара, отколкото в сух въздух или чист кислород. Всъщност този факт е лесно обясним - пряко действиекислородът образува слой от оксид върху повърхността на плутония, който предотвратява по-нататъшното окисляване; наличието на влага произвежда рохкава смес от оксид и хидрид. Между другото, благодарение на това покритие, металът става пирофорен, т.е. способен е на спонтанно запалване; поради тази причина металният плутоний обикновено се обработва в инертна атмосфера на аргон или азот. В същото време кислородът е защитно вещество и предотвратява въздействието на влагата върху метала.
Деветдесет и четвъртият елемент реагира с киселини, кислород и техните пари, но не и с основи. Плутоният е силно разтворим само в много кисела среда (например солна киселина HCl), а също така е разтворим в хлороводород, йодоводород, бромоводород, 72% перхлорна киселина, 85% ортофосфорна киселина H3PO4, концентриран CCl3COOH, сулфаминова киселина и кипене концентрирана азотна киселина. Плутоният не се разтваря забележимо в алкални разтвори.
Когато разтвори, съдържащи четиривалентен плутоний, са изложени на алкали, се утаява утайка от плутониев хидроксид Pu(OH)4 xH2O, който има основни свойства. Когато разтвори на соли, съдържащи PuO2+, са изложени на алкали, амфотерният хидроксид PuO2OH се утаява. На него отговарят соли - плутонити, например Na2Pu2O6.
Плутониевите соли лесно се хидролизират при контакт с неутрален или алкални разтвори, създавайки неразтворим плутониев хидроксид. Концентрирани разтвориплутоний са нестабилни поради радиолитично разлагане, водещо до утаяване.
Интегрираният бърз реактор (IFR) не е просто нов тип реактор, той е нов горивен цикъл. Интегралният бърз реактор е реактор на бързи неутрони без модератор. Има само активна зона и няма одеяло.
IBR използва метално гориво− сплав от уран и плутоний.
Неговият горивен цикъл използва намаляване на горивото директно в самия реактор чрез пирообработка. При IBR пирообработка почти чист уран се събира върху твърд катод, а смес от плутоний, америций, нептуний, кюрий, уран и някои продукти на делене се събира в течен кадмиев катод, плаващ в електролитната сол. Останалите продукти на делене се събират в електролитната сол и в кадмиевия слой.
Вграденият бърз реактор се охлажда с течен натрий или олово. Производството на метално гориво е по-просто и по-евтино от керамичното гориво. Металното гориво прави пиропроцеса естествен избор. Металното гориво има по-добра топлопроводимост и топлинен капацитет от оксидното гориво.Горивото е сплав от уран и плутоний.
Първоначалното зареждане в интегриран бърз реактор трябва да съдържа повече изотопи, които се делят под въздействието на топлинни неутрони ( >
20%), отколкото в реактор с топлинни неутрони. Това може да бъде високо обогатен уран или плутоний, изведени от употреба ядрени оръжия и др. По време на работа реакторът преобразува материали (плодородни), които не се делят под въздействието на топлинни неутрони, в делящи се. Плодородните материали в бърз реактор могат да бъдат обеднен уран (предимно U-238), естествен уран, торий или уран, преработен от облъчено гориво от конвенционален воден реактор.
Горивото се съдържа в стоманен корпус с течен натрий, разположен между горивото и корпуса. Свободното пространство над горивото позволява на хелий и радиоактивен ксенон да се събират свободно, без да се повишава значително налягането вътре в горивния елемент и позволява на горивото да се разширява, без да се повреди обвивката на реактора.
Предимството на оловото пред натрия е неговата химическа инертност, особено по отношение на вода или въздух. От друга страна, оловото е много по-вискозно, което затруднява изпомпването. Освен това съдържа неутронно активирани изотопи, които практически липсват в натрия.
Охлаждащите кръгове са проектирани по такъв начин, че да позволяват пренос на топлина чрез конвекция. Така че, ако има загуба на захранване на помпите или неочаквано спиране на реактора, топлината около активната зона ще бъде достатъчна, за да циркулира охлаждащата течност.
В IBR делящите се изотопи не се отделят от изотопите на плутония, както и от продуктите на делене, поради което използването на такъв процес за производство на оръжия е практически невъзможно. Освен това плутоният не се отстранява от реактора, което прави нереалистично неразрешеното му използване. След преработката на актинидите (уран, плутоний и второстепенни актиниди), оставащите отпадъци са продукти на делене Sm-151 с период на полуразпад 90 l или такива с дълъг живот като Tc-99 с период на полуразпад 211 000 l или повече .
IBR отпадъците имат или кратък период на полуразпад, или много дълъг, което означава, че са слабо радиоактивни. Обща сума IBR отпадъците са 1/20 от рециклираното гориво (което обикновено се счита за отпадък) на топлинни реактори със същата мощност. 70% от продуктите на делене са или стабилни, или имат период на полуразпад от около година. Технеций-99 и йод-129, от които 6% в продуктите на делене имат много дълги периодиполуживот, но може да се трансформира в реактора в изотопи с кратък полуживот (15,46 s и 12,36 h) чрез абсорбция на неутрони в реактора. Цирконий-93 (5% в отпадъците) може да се рециклира в горивна обвивка, където радиоактивността не е проблем. Останалите компоненти на отпадъците са по-малко радиоактивни от естествения уран.
IDB използва горивен цикъл, който е с два порядъка по-ефективен по отношение на използването на гориво в сравнение с традиционните цикли в реактори с бавни неутрони, предотвратяване на разпространението на ядрени оръжия, минимизиране на високоактивни отпадъци и, освен това, използване на някои отпадъци като гориво .
В IBR горивото и обвивката са проектирани така, че с повишаване на температурата и разширяването им все повече и повече неутрони напускат активната зона, намалявайки интензивността на верижната реакция. Тоест отрицателен коефициент на реактивност работи. При IBR този ефект е толкова силен, че може да спре верижната реакция без намесата на оператор
Пирообработка ‒ високотемпературен метод електролитна преработка на отработено ядрено гориво. В сравнение с хидрометалургичния метод(например PUREX) , пирообработката се използва директно в реактора.Разтворителите са разтопени соли (например LiCl + KCl или LiF + CaF 2) и разтопени метали (например кадмий, бисмут, магнезий), а не вода и органични съединения. При пирообработката извличането на уран, както и на плутоний и второстепенни актиниди става едновременно и те могат веднага да бъдат използвани като гориво. Обемът на отпадъците е по-малък и съдържа предимно продукти на делене.Пиро Обработката се използва в IBRs и реактори с разтопена сол.
Известни са 15 изотопа на плутония. Най-важният от тях е Pu-239 с период на полуразпад от 24 360 години. Специфичното тегло на плутония е 19,84 при температура 25°C. Металът започва да се топи при температура 641°C и кипи при 3232°C. Валентността му е 3, 4, 5 или 6.
Металът има сребрист оттенък и става жълт при излагане на кислород. Плутоният е химически реактивен метал и лесно се разтваря в концентрирана солна киселина, перхлорна киселина и йодоводородна киселина. По време на гниенето металът отделя топлинна енергия.
Плутоният е вторият открит трансуранов актинид. В природата този метал може да се намери в малки количества в уранови руди.
Плутоният е отровен и изисква внимателно боравене. Най-разпадащият се изотоп на плутония е използван като ядрено оръжие. По-специално, той беше използван в бомба, която беше хвърлена върху японския град Нагасаки.
Това е радиоактивна отрова, която се натрупва в костния мозък. Няколко инцидента, някои фатални, се случиха по време на експерименти върху хора за изследване на плутоний. Важно е плутоният да не достигне критична маса. В разтвор плутоният образува критична маса по-бързо, отколкото в твърдо състояние.
Атомен номер 94 означава, че всички плутониеви атоми са 94. Във въздуха плутониевият оксид се образува на повърхността на метала. Този оксид е пирофорен, така че тлеещият плутоний ще трепти като пепел.
Има шест алотропни форми на плутоний. Седмата форма се появява при високи температури.
IN воден разтворплутоният променя цвета си. По време на окисляването на повърхността на метала се появяват различни нюанси. Процесът на окисление е нестабилен и цветът на плутония може да се промени внезапно.
За разлика от повечето вещества, плутоният става по-плътен, когато се стопи. В разтопено състояние този елемент е по-вискозен от другите метали.
Металът се използва в радиоактивни изотопи в термоелектрически генератори, които захранват космически кораби. В медицината се използва при производството на електронни сърдечни стимулатори.
Вдишването на плутониеви пари е опасно за здравето. В някои случаи това може да причини рак на белия дроб. Вдишаният плутоний има метален вкус.
- Представители на античната натурфилософия
- Фитин Павел Михайлович - Биография Кой управлява разузнаването след завършване на Селскостопанския институт
- Кои народи са потомци на куманите
- Как да готвя колбаси в микровълнова фурна - прости и бързи рецепти Колбаси в микровълнова фурна колко минути без вода