Han er virkelig dyrebar.
Baggrund og historie
I begyndelsen var der protoner - galaktisk brint. Som et resultat af dets kompression og efterfølgende nukleare reaktioner blev de mest utrolige "barrer" af nukleoner dannet. Blandt dem, disse "barrer", var der tilsyneladende dem, der indeholdt 94 protoner. Teoretikeres skøn tyder på, at omkring 100 nukleonformationer, som omfatter 94 protoner og fra 107 til 206 neutroner, er så stabile, at de kan betragtes som kernerne af isotoper af grundstof nr. 94.
Men alle disse isotoper - hypotetiske og virkelige - er ikke så stabile, at de kan overleve den dag i dag siden dannelsen af solsystemets elementer. Halveringstiden for den længstlevende isotop af grundstof nr. 94 er 75 millioner år. Galaksens alder måles i milliarder af år. Følgelig havde det "ur-"-plutonium ingen chance for at overleve den dag i dag. Hvis det blev dannet under den store syntese af universets elementer, så "uddøde" de gamle atomer i det for længe siden, ligesom dinosaurer og mammutter uddøde.
I det 20. århundrede ny æra, AD, blev dette element genskabt. Af de 100 mulige isotoper af plutonium er 25 blevet syntetiseret.De nukleare egenskaber af 15 af dem er blevet undersøgt. Fire har fundet praktisk anvendelse. Og det blev åbnet for ganske nylig. I december 1940, da uran blev bestrålet med tunge brintkerner, opdagede en gruppe amerikanske radiokemikere ledet af Glenn T. Seaborg en hidtil ukendt alfapartikeludsender med en halveringstid på 90 år. Denne emitter viste sig at være isotopen af grundstof nr. 94 med et massetal på 238. Samme år, men et par måneder tidligere, blev E.M. McMillan og F. Abelson opnåede det første grundstof tungere end uran - grundstof nr. 93. Dette grundstof blev kaldt neptunium, og det 94. blev kaldt plutonium. Historikeren vil bestemt sige, at disse navne stammer fra romersk mytologi, men i det væsentlige er oprindelsen af disse navne snarere ikke mytologisk, men astronomisk.
Grundstoffer nr. 92 og 93 er opkaldt efter de fjerne planeter i solsystemet - Uranus og Neptun, men Neptun er ikke den sidste i solsystemet, endnu længere ligger Plutos bane - en planet, som man næsten intet endnu ved. .. En lignende konstruktion Vi ser også på ”venstre flanke” af det periodiske system: uran – neptunium – plutonium, dog ved menneskeheden meget mere om plutonium end om Pluto. Forresten opdagede astronomer Pluto blot ti år før syntesen af plutonium - næsten samme tidsperiode adskilte opdagelserne af Uranus - planeten og uran - grundstoffet.
Gåder for kryptografer
Den første isotop af grundstof nr. 94, plutonium-238, har fundet praktisk anvendelse i disse dage. Men i begyndelsen af 40'erne tænkte de ikke engang over det. Det er kun muligt at opnå plutonium-238 i mængder af praktisk interesse ved at stole på den magtfulde atomindustri. På det tidspunkt var det bare i sin vorden. Men det var allerede klart, at ved at frigive energien indeholdt i kernerne af tunge radioaktive grundstoffer, var det muligt at opnå våben med hidtil uset kraft. Manhattan Project dukkede op, som ikke havde mere end et navn til fælles med det berømte New York-område. Dette var det generelle navn for alt arbejde relateret til skabelsen af de første atombomber i USA. Det var ikke en videnskabsmand, men en militærmand, General Groves, der blev udnævnt til leder af Manhattan-projektet, som "kærligt" kaldte sine højtuddannede anklager for "brudte potter."
Lederne af "projektet" var ikke interesserede i plutonium-238. Dens kerner, ligesom kernerne i alle isotoper af plutonium med lige massetal, er ikke fissile af lavenergineutroner*, så det kunne ikke tjene som et nukleart sprængstof. Ikke desto mindre udkom de første ikke særlig klare beretninger om grundstoffer nr. 93 og 94 først på tryk i foråret 1942.
* Vi kalder lavenergineutroner for neutroner, hvis energi ikke overstiger 10 keV. Neutroner med energi målt i brøkdele af en elektronvolt kaldes termiske, og de langsomste neutroner, med energi mindre end 0,005 eV, kaldes kolde. Hvis neutronenergien er mere end 100 keV, anses en sådan neutron for hurtig.
Hvordan kan vi forklare dette? Fysikere forstod: syntesen af plutoniumisotoper med ulige massetal var et spørgsmål om tid og ikke for lang. Ulige isotoper forventedes, ligesom uran-235, at kunne understøtte en nuklear kædereaktion. Nogle mennesker så dem som potentielle nukleare sprængstoffer, som endnu ikke var blevet modtaget. Og plutonium retfærdiggjorde desværre disse håb.
I datidens kryptering blev element nr. 94 ikke kaldt andet end... kobber. Og da behovet opstod for selve kobber (som et strukturelt materiale for nogle dele), så optrådte "ægte kobber" i koderne sammen med "kobber".
"Træet til kundskab om godt og ondt"
I 1941 blev den vigtigste isotop af plutonium opdaget - en isotop med et massetal på 239. Og næsten øjeblikkeligt blev teoretikernes forudsigelse bekræftet: kernerne af plutonium-239 blev spaltet af termiske neutroner. Desuden blev der under deres fission produceret ikke mindre antal neutroner end under fissionen af uran-235. Måder at opnå denne isotop i store mængder blev straks skitseret...
Der er gået år. Nu er det ingen hemmelighed for nogen, at atombomberne, der er opbevaret i arsenaler, er fyldt med plutonium-239, og at disse bomber er nok til at forårsage uoprettelig skade på alt liv på Jorden.
Der er en udbredt tro på, at menneskeheden tydeligvis havde travlt med opdagelsen af den nukleare kædereaktion (hvis uundgåelige konsekvens var skabelsen af en atombombe). Du kan tænke anderledes eller lade som om du tænker anderledes - det er mere behageligt at være optimist. Men selv optimister står uundgåeligt over for spørgsmålet om videnskabsmænds ansvar. Vi husker den triumferende junidag 1954, dagen hvor det første atomkraftværk i Obninsk tændte. Men vi kan ikke glemme morgenen i august 1945 - "Hiroshimas morgen", "Albert Einsteins sorte dag"... Vi husker de første efterkrigsår og uhæmmet atomafpresning - grundlaget for amerikansk politik i disse år. Men har menneskeheden ikke oplevet mange problemer i de efterfølgende år? Desuden blev disse bekymringer intensiveret mange gange af bevidstheden om, at hvis en ny verdenskrig brød ud, ville der blive brugt atomvåben.
Her kan du prøve at bevise, at opdagelsen af plutonium ikke tilføjede frygt til menneskeheden, at det tværtimod kun var nyttigt.
Lad os sige, at det skete, at plutonium af en eller anden grund, eller som man ville sige i gamle dage, ved Guds vilje, var utilgængeligt for videnskabsmænd. Ville vores frygt og bekymringer så blive reduceret? Intet skete. Atombomber ville blive lavet af uranium-235 (og i ikke mindre mængder end af plutonium), og disse bomber ville "æde" endnu større dele af budgetterne end nu.
Men uden plutonium ville der ikke være udsigt til fredelig udnyttelse af atomenergi i stor skala. Der ville simpelthen ikke være nok uran-235 til et "fredelig atom". Det onde påført menneskeheden ved opdagelsen af kerneenergi ville ikke blive afbalanceret, selv delvist, af resultaterne af det "gode atom".
Hvordan man måler, hvad man sammenligner med
Når en plutonium-239-kerne spaltes af neutroner i to fragmenter med omtrent samme masse, frigives omkring 200 MeV energi. Dette er 50 millioner gange mere energi frigivet i den mest berømte eksoterme reaktion C + O 2 = CO 2. "Brænding" i en atomreaktor giver et gram plutonium 2·10 7 kcal. For ikke at bryde traditioner (og i populære artikler måles energien af nukleart brændsel normalt i ikke-systemiske enheder - tons kul, benzin, trinitrotoluen osv.), bemærker vi også: dette er energien indeholdt i 4 tons af kul. Og et almindeligt fingerbøl indeholder en mængde plutonium, der energimæssigt svarer til fyrre billæs godt birkebrænde.
Den samme energi frigives under fission af uran-235 kerner af neutroner. Men hovedparten af naturligt uran (99,3%!) er isotopen 238 U, som kun kan bruges ved at omdanne uran til plutonium...
Energi af sten
Lad os vurdere energiressourcerne i naturlige uranreserver.
Uran er et sporstof og findes næsten overalt. Enhver, der har besøgt for eksempel Karelen, vil sikkert huske granitsten og kystklipper. Men de færreste ved, at et ton granit indeholder op til 25 g uran. Granitter udgør næsten 20 % af vægten af jordskorpen. Hvis vi kun tæller uran-235, så indeholder et ton granit 3,5·10 5 kcal energi. Det er meget, men...
Forarbejdning af granit og udvinding af uran fra det kræver, at der bruges en endnu større mængde energi - omkring 10 6 ...10 7 kcal/t. Hvis det nu var muligt at bruge ikke kun uranium-235, men også uranium-238 som energikilde, så kunne granit i det mindste betragtes som et potentielt energiråmateriale. Så ville energien opnået fra et ton sten allerede være fra 8·10 7 til 5·10 8 kcal. Det svarer til 16...100 tons kul. Og i dette tilfælde kunne granit give mennesker næsten en million gange mere energi end alle de kemiske brændstofreserver på Jorden.
Men uran-238 kerner spaltes ikke af neutroner. Denne isotop er ubrugelig til atomenergi. Mere præcist ville det være nytteløst, hvis det ikke kunne omdannes til plutonium-239. Og hvad der er særligt vigtigt: Der skal praktisk talt ikke bruges energi på denne nukleare transformation - tværtimod produceres energi i denne proces!
Lad os prøve at finde ud af, hvordan dette sker, men først et par ord om naturligt plutonium.
400 tusind gange mindre end radium
Det er allerede blevet sagt, at isotoper af plutonium ikke er blevet bevaret siden syntesen af elementer under dannelsen af vores planet. Men det betyder ikke, at der ikke er plutonium i Jorden.
Det dannes hele tiden i uranmalm. Ved at fange neutroner fra kosmisk stråling og neutroner produceret ved spontan spaltning af uran-238-kerner, bliver nogle - meget få - atomer af denne isotop til atomer af uran-239. Disse kerner er meget ustabile, de udsender elektroner og øger derved deres ladning. Neptunium, det første transuran-element, dannes. Neptunium-239 er også meget ustabil, og dens kerner udsender elektroner. På kun 56 timer bliver halvdelen af neptunium-239 til plutonium-239, hvis halveringstid allerede er ret lang - 24 tusind år.
Hvorfor udvindes plutonium ikke fra uranmalm? Lav, for lav koncentration. "Et gram produktion er et års arbejde" - det handler om radium, og malmene indeholder 400 tusind gange mindre plutonium end radium. Derfor er det ekstremt svært ikke kun at udvinde, men endda at opdage "terrestrisk" plutonium. Dette blev først gjort efter at de fysiske og kemiske egenskaber af plutonium produceret i atomreaktorer blev undersøgt.
Når 2,70 >> 2,23
Plutonium ophobes i atomreaktorer. I kraftige neutronstrømme sker den samme reaktion som i uranmalme, men hastigheden for dannelse og akkumulering af plutonium i reaktoren er meget højere - en milliard milliarder gange. Til reaktionen med at omdanne ballast uranium-238 til energikvalitetsplutonium-239 skabes optimale (inden for acceptable) forhold.
Hvis reaktoren opererer på termiske neutroner (husk på, at deres hastighed er omkring 2000 m pr. sekund, og deres energi er en brøkdel af en elektronvolt), så opnås fra en naturlig blanding af uraniumisotoper en mængde plutonium, der er lidt mindre end mængden af "udbrændt" uran-235. Lidt, men mindre, plus de uundgåelige tab af plutonium under dets kemiske adskillelse fra bestrålet uran. Derudover opretholdes den nukleare kædereaktion kun i den naturlige blanding af uranisotoper, indtil en lille del af uran-235 er forbrugt. Deraf den logiske konklusion: en "termisk" reaktor, der anvender naturligt uran - den vigtigste type reaktorer, der i øjeblikket er i drift - kan ikke sikre en udvidet reproduktion af nukleart brændsel. Men hvad er lovende så? For at besvare dette spørgsmål, lad os sammenligne forløbet af den nukleare kædereaktion i uranium-235 og plutonium-239 og introducere et andet fysisk koncept i vores diskussioner.
Den vigtigste egenskab ved ethvert nukleart brændsel er det gennemsnitlige antal neutroner, der udsendes, efter at kernen har fanget én neutron. Fysikere kalder det eta-tallet og betegner det med det græske bogstav η. I "termiske" reaktorer på uran observeres følgende mønster: hver neutron genererer i gennemsnit 2,08 neutroner (η = 2,08). Plutonium placeret i en sådan reaktor under påvirkning af termiske neutroner giver η = 2,03. Men der er også reaktorer, der opererer på hurtige neutroner. Det er nytteløst at indlæse en naturlig blanding af uranisotoper i en sådan reaktor: en kædereaktion vil ikke forekomme. Men hvis "råmaterialet" er beriget med uran-235, kan det udvikles i en "hurtig" reaktor. I dette tilfælde vil η allerede være lig med 2,23. Og plutonium, udsat for hurtig neutronild, vil give η lig med 2,70. Vi vil have "ekstra halv neutron" til vores rådighed. Og det er slet ikke lidt.
Lad os se, hvad de resulterende neutroner bliver brugt på. I enhver reaktor er en neutron nødvendig for at opretholde en nuklear kædereaktion. 0,1 neutroner absorberes af installationens strukturelle materialer. "Overskuddet" bruges til at akkumulere plutonium-239. I det ene tilfælde er "overskuddet" 1,13, i det andet - 1,60. Efter "afbrændingen" af et kilogram plutonium i en "hurtig" reaktor frigives kolossal energi, og 1,6 kg plutonium akkumuleres. Og uran i en "hurtig" reaktor vil give samme energi og 1,1 kg nyt atombrændsel. I begge tilfælde er udvidet reproduktion tydelig. Men vi må ikke glemme økonomien.
På grund af en række tekniske årsager tager plutonium-reproduktionscyklussen flere år. Lad os sige fem år. Det betyder, at mængden af plutonium om året kun vil stige med 2 %, hvis η = 2,23, og med 12 %, hvis η = 2,7! Kernebrændsel er kapital, og enhver kapital bør give f.eks. 5 % om året. I det første tilfælde er der store tab, og i det andet er der store overskud. Dette primitive eksempel illustrerer "vægten" af hver tiende af tallet η i atomkraft.
Summen af mange teknologier
Når den nødvendige mængde plutonium som følge af kernereaktioner er ophobet i uran, skal det ikke kun adskilles fra selve uranen, men også fra fissionsfragmenter - både uran og plutonium, der er brændt op i kernekædereaktionen. Derudover indeholder uran-plutonium-massen også en vis mængde neptunium. De sværeste ting at adskille er plutonium fra neptunium og sjældne jordarter (lanthanider). Plutonium har som kemisk grundstof været uheldig til en vis grad. Fra et kemikers synspunkt er hovedelementet i kerneenergi kun et af fjorten aktinider. Ligesom sjældne jordarters grundstoffer ligner alle elementer i actinium-serien meget hinanden i kemiske egenskaber; strukturen af de ydre elektronskaller af atomerne i alle elementer fra actinium til 103 er den samme. Hvad der er endnu mere ubehageligt er, at de kemiske egenskaber af actinider ligner egenskaberne af sjældne jordarters grundstoffer, og blandt fissionsfragmenterne af uran og plutonium er der mere end nok lanthanider. Men så kan grundstof 94 være i fem valenstilstande, og dette "søder pillen" - det hjælper med at adskille plutonium fra både uran og fissionsfragmenter.
Valensen af plutonium varierer fra tre til syv. Kemisk er de mest stabile (og derfor de mest almindelige og mest undersøgte) forbindelser tetravalent plutonium.
Adskillelsen af actinider med lignende kemiske egenskaber - uran, neptunium og plutonium - kan baseres på forskellen i egenskaberne af deres tetra- og hexavalente forbindelser.
Det er ikke nødvendigt at beskrive i detaljer alle stadier af den kemiske adskillelse af plutonium og uran. Normalt begynder deres adskillelse med opløsningen af uranstænger i salpetersyre, hvorefter uran, neptunium, plutonium og fragmenteringselementer indeholdt i opløsningen "separeres", ved hjælp af traditionelle radiokemiske metoder til dette - coudfældning med bærere, ekstraktion, ionbytning og andre. De endelige plutoniumholdige produkter af denne flertrinsteknologi er dens dioxid PuO 2 eller fluorider - PuF 3 eller PuF 4. De reduceres til metal med barium-, calcium- eller lithiumdamp. Imidlertid er plutonium opnået i disse processer ikke egnet til rollen som et strukturelt materiale - brændselselementer i atomkraftreaktorer kan ikke fremstilles af det, og ladningen af en atombombe kan ikke støbes. Hvorfor? Smeltepunktet for plutonium – kun 640°C – er ganske opnåeligt.
Uanset hvilke "ultra-skånsomme" forhold, der bruges til at støbe dele af rent plutonium, vil der altid opstå revner i støbegodset under størkning. Ved 640°C danner størknende plutonium et kubisk krystalgitter. Efterhånden som temperaturen falder, stiger metallets densitet gradvist. Men så nåede temperaturen 480°C, og så faldt tætheden af plutonium pludselig kraftigt. Årsagerne til denne anomali blev opdaget ret hurtigt: ved denne temperatur omarrangeres plutoniumatomer i krystalgitteret. Den bliver tetragonal og meget "løs". Sådant plutonium kan flyde i sin egen smelte, som is på vand.
Temperaturen fortsætter med at falde, nu er den nået op på 451°C, og atomerne dannede igen et kubisk gitter, men placeret i større afstand fra hinanden end i det første tilfælde. Ved yderligere afkøling bliver gitteret først ortorhombisk, derefter monoklinisk. I alt danner plutonium seks forskellige krystallinske former! To af dem er kendetegnet ved en bemærkelsesværdig egenskab - en negativ termisk udvidelseskoefficient: med stigende temperatur udvider metallet sig ikke, men trækker sig sammen.
Når temperaturen når 122°C, og plutoniumatomerne omarrangerer deres rækker for sjette gang, ændres tætheden særligt dramatisk - fra 17,77 til 19,82 g/cm 3 . Mere end 10%! Som følge heraf falder barrens volumen. Hvis metallet stadig kunne modstå de spændinger, der opstod ved andre overgange, så er ødelæggelse i dette øjeblik uundgåelig.
Hvordan laver man så dele af dette fantastiske metal? Metallurger legerer plutonium (tilsætter små mængder af de nødvendige elementer til det) og opnår støbegods uden en enkelt revne. De bruges til at lave plutoniumladninger til atombomber. Ladningens vægt (det bestemmes primært af isotopens kritiske masse) er 5...6 kg. Den kunne sagtens passe ind i en terning med en kantstørrelse på 10 cm.
Tunge isotoper
Plutonium-239 indeholder også i små mængder højere isotoper af dette grundstof - med massetal 240 og 241. 240 Pu isotopen er praktisk talt ubrugelig - dette er ballast i plutonium. Fra 241 opnås americium - grundstof nr. 95. I deres rene form, uden iblanding af andre isotoper, kan dlutonium-240 og plutonium-241 opnås ved elektromagnetisk adskillelse af plutonium akkumuleret i en reaktor. Før dette bliver plutonium yderligere bestrålet med neutronfluxer med strengt definerede egenskaber. Selvfølgelig er alt dette meget kompliceret, især da plutonium ikke kun er radioaktivt, men også meget giftigt. At arbejde med det kræver ekstrem forsigtighed.
En af de mest interessante isotoper af plutonium, 242 Pu, kan opnås ved at bestråle 239 Pu i lang tid i neutronstrømme. 242 Pu fanger meget sjældent neutroner og "brænder ud" i reaktoren langsommere end andre isotoper; det fortsætter selv efter at de resterende isotoper af plutonium næsten fuldstændigt er blevet til fragmenter eller er blevet til plutonium-242.
Plutonium-242 er vigtig som "råmateriale" til den relativt hurtige ophobning af højere transuranelementer i atomreaktorer. Hvis plutonium-239 bestråles i en konventionel reaktor, så vil det tage omkring 20 år at akkumulere mikrogram mængder af for eksempel California-251 fra gram plutonium.
Det er muligt at reducere akkumuleringstiden for højere isotoper ved at øge intensiteten af neutronfluxen i reaktoren. Det er det, de gør, men så kan man ikke bestråle store mængder plutonium-239. Denne isotop er trods alt opdelt af neutroner, og der frigives for meget energi i intense strømme. Yderligere vanskeligheder opstår ved afkøling af beholderen og reaktoren. For at undgå disse vanskeligheder ville det være nødvendigt at reducere mængden af bestrålet plutonium. Følgelig ville udbyttet af californium igen blive ringe. Ond cirkel!
Plutonium-242 er ikke fissilt af termiske neutroner, det kan bestråles i store mængder i intense neutronfluxer... Derfor er alle grundstoffer fra californium til einsteinium i reaktorer "lavet" fra denne isotop og akkumuleres i vægtmængder.
Ikke den tungeste, men den længste levede
Hver gang det lykkedes forskerne at opnå en ny isotop af plutonium, blev halveringstiden for dens kerner målt. Halveringstiden for isotoper af tunge radioaktive kerner med lige massetal ændres regelmæssigt. (Dette kan ikke siges om ulige isotoper.)
Ris. 8.
Se på grafen, der viser afhængigheden af halveringstiden for lige plutoniumisotoper af massetallet. Når massen øges, øges isotopens "levetid" også. For et par år siden var højdepunktet på denne graf plutonium-242. Og hvordan vil denne kurve så gå - med en yderligere stigning i massetallet? Nemlig 1 , hvilket svarer til en levetid på 30 millioner år, eller til det punkt 2 , som har svaret i 300 millioner år? Svaret på dette spørgsmål var meget vigtigt for geovidenskab. I det første tilfælde, hvis Jorden for 5 milliarder år siden udelukkende bestod af 244 Pu, ville der nu kun være ét atom af plutonium-244 tilbage i hele Jordens masse. Hvis den anden antagelse er sand, så kan plutonium-244 være i Jorden i koncentrationer, der allerede kunne påvises. Hvis vi var så heldige at finde denne isotop i Jorden, ville videnskaben modtage den mest værdifulde information om de processer, der fandt sted under dannelsen af vores planet.
For et par år siden stod forskere over for spørgsmålet: er det værd at prøve at finde tungt plutonium i Jorden? For at besvare det var det først og fremmest nødvendigt at bestemme halveringstiden for plutonium-244. Teoretikere kunne ikke beregne denne værdi med den nødvendige nøjagtighed. Alt håb var kun til eksperimentet.
Plutonium-244 akkumuleret i en atomreaktor. Grundstof nr. 95, americium (isotop 243 Am), blev bestrålet. Efter at have fanget en neutron blev denne isotop til americium-244; americium-244 blev i et ud af 10 tusinde tilfælde til plutonium-244.
Præparatet af plutonium-244 blev isoleret fra en blanding af americium og curium. Prøven vejede kun et par milliontedele af et gram. Men de var nok til at bestemme halveringstiden for denne interessante isotop. Det viste sig at svare til 75 millioner år. Senere afklarede andre forskere halveringstiden for plutonium-244, men ikke meget - 82,8 millioner år. I 1971 blev der fundet spor af denne isotop i det sjældne jordarters mineral bastnäsit.
Mange forsøg er blevet gjort af videnskabsmænd på at finde en isotop af transuran-elementet, der lever længere end 244 Pu. Men alle forsøg forblev forgæves. På et tidspunkt blev der sat håb om curium-247, men efter at denne isotop blev akkumuleret i reaktoren, viste det sig, at dens halveringstid kun er 14 millioner år. Det var ikke muligt at slå rekorden for plutonium-244 - det er den længstlevende af alle isotoper af transuran-elementer.
Selv tungere isotoper af plutonium gennemgår beta-henfald, og deres levetid varierer fra et par dage til et par tiendedele af et sekund. Vi ved med sikkerhed, at alle isotoper af plutonium dannes i termonukleare eksplosioner, op til 257 Pu. Men deres levetid er tiendedele af et sekund, og mange kortlivede isotoper af plutonium er endnu ikke blevet undersøgt.
Den første isotops muligheder
Og endelig - om plutonium-238 - den allerførste af de "menneskeskabte" isotoper af plutonium, en isotop, der til at begynde med virkede ikke lovende. Det er faktisk en meget interessant isotop. Den er udsat for alfa-henfald, dvs. dens kerner udsender spontant alfapartikler - heliumkerner. Alfa-partikler genereret af plutonium-238 kerner bærer høj energi; spredes i stoffet, bliver denne energi til varme. Hvor stor er denne energi? Seks millioner elektronvolt frigives fra henfaldet af en atomkerne af plutonium-238. I en kemisk reaktion frigives den samme energi, når flere millioner atomer oxideres. En elkilde, der indeholder et kilogram plutonium-238, udvikler en termisk effekt på 560 watt. Den maksimale effekt af en kemisk strømkilde med samme masse er 5 watt.
Der er mange emittere med lignende energikarakteristika, men en egenskab ved plutonium-238 gør denne isotop uundværlig. Alfa-henfald er normalt ledsaget af stærk gammastråling, der trænger gennem store lag af stof. 238 Pu er en undtagelse. Energien af gammastråler, der ledsager henfaldet af dens kerner, er lav, og det er ikke svært at beskytte mod det: strålingen absorberes af en tyndvægget beholder. Sandsynligheden for spontan fission af kerner i denne isotop er også lav. Derfor har det fundet anvendelse ikke kun i nuværende kilder, men også i medicin. Batterier indeholdende plutonium-238 tjener som energikilde i specielle hjertestimulatorer.
Men 238 Pu er ikke den letteste kendte isotop af grundstof nr. 94, isotoper af plutonium er opnået med massetal fra 232 til 237. Halveringstiden for den letteste isotop er 36 minutter.
Plutonium er et stort emne. Her fortælles de vigtigste ting. Det er trods alt allerede blevet en standardsætning, at plutoniums kemi er blevet undersøgt meget bedre end kemien af sådanne "gamle" elementer som jern. Der er skrevet hele bøger om plutoniums nukleare egenskaber. Metallurgien af plutonium er en anden fantastisk del af menneskelig viden... Derfor skal du ikke tro, at efter at have læst denne historie, har du virkelig lært plutonium - det vigtigste metal i det 20. århundrede.
Der er 15 kendte isotoper af plutonium. Den vigtigste af disse er Pu-239 med en halveringstid på 24.360 år. Den specifikke vægt af plutonium er 19,84 ved en temperatur på 25°C. Metallet begynder at smelte ved en temperatur på 641°C og koger ved 3232°C. Dens valens er 3, 4, 5 eller 6.
Metallet har en sølvfarvet farvetone og bliver gult, når det udsættes for ilt. Plutonium er et kemisk reaktivt metal og opløses let i koncentreret saltsyre, perchlorsyre og iodbrinte. Under henfald frigiver metallet varmeenergi.
Plutonium er det andet transuraniske aktinid, der er opdaget. I naturen kan dette metal findes i små mængder i uranmalm.
Plutonium er giftigt og kræver omhyggelig håndtering. Den mest spaltelige isotop af plutonium er blevet brugt som et atomvåben. Det blev især brugt i en bombe, der blev kastet over den japanske by Nagasaki.
Dette er en radioaktiv gift, der ophobes i knoglemarven. Adskillige ulykker, nogle dødelige, skete, mens man eksperimenterede med mennesker for at studere plutonium. Det er vigtigt, at plutoniumet ikke når kritisk masse. I opløsning danner plutonium en kritisk masse hurtigere end i fast tilstand.
Atomnummer 94 betyder, at alle plutoniumatomer er 94. I luften dannes plutonium på overfladen af metallet. Dette oxid er pyrofor, så ulmende plutonium vil flimre som aske.
Der er seks allotrope former for plutonium. Den syvende form vises på høj .
I en vandig opløsning ændrer plutonium farve. Forskellige nuancer vises på overfladen af metallet, når det oxiderer. Oxidationsprocessen er ustabil, og plutoniums farve kan pludselig ændre sig.
I modsætning til de fleste stoffer bliver plutonium tættere, når det smeltes. I smeltet tilstand er dette grundstof kraftigere end andre metaller.
Metallet bruges i radioaktive isotoper i termoelektriske generatorer, der driver rumfartøjer. Det bruges i produktionen af elektroniske hjertestimulatorer.
Indånding af plutoniumdamp er sundhedsfarligt. I nogle tilfælde kan dette forårsage lungekræft. Inhaleret plutonium har en metallisk smag.
Plutonium af våbenkvalitet er plutonium i form af et kompakt metal indeholdende mindst 93,5% af 239Pu isotopen. Beregnet til fremstilling af atomvåben.
1. Navn og funktioner
De kalder det "våbenkvalitet" for at skelne det fra "reaktorkvalitet". Plutonium dannes i enhver atomreaktor, der opererer på naturligt eller lavt beriget uran, der hovedsageligt indeholder 238U isotopen, når det fanger overskydende neutroner. Men mens reaktoren er i drift, brænder plutoniums isotop af våbenkvalitet hurtigt op, og som følge heraf ophobes et stort antal isotoper 240Pu, 241Pu og 242Pu i reaktoren, dannet ved successiv indfangning af flere neutroner - siden forbrændingsdybden. er normalt bestemt af økonomiske faktorer. Jo lavere udbrændingsdybden er, jo færre isotoper 240Pu, 241Pu og 242Pu vil indeholde plutonium adskilt fra bestrålet nukleart brændsel, men jo mindre plutonium dannes i brændstoffet.
Særlig produktion af plutonium til våben indeholdende næsten udelukkende 239Pu er påkrævet hovedsageligt fordi isotoper med massetal 240 og 242 skaber en høj neutronbaggrund, hvilket gør det vanskeligt at designe effektive atomvåben, desuden har 240Pu og 241Pu en væsentlig kortere halveringstid end 239Pu, på grund af hvilken plutoniumdelene opvarmes, og det er nødvendigt yderligere at indføre varmefjernelseselementer i designet af atomvåbnet. Selv ren 239Pu er varmere end den menneskelige krop. Derudover ødelægger nedbrydningsprodukterne fra tunge isotoper metallets krystalgitter, hvilket kan føre til en ændring i formen af plutoniumdele, hvilket kan føre til svigt af en nuklear eksplosiv enhed.
I princippet kan alle disse vanskeligheder overvindes, og nukleare eksplosive anordninger fremstillet af "reaktor" plutonium er blevet afprøvet med succes, dog i ammunition, hvor kompakthed, let vægt, pålidelighed og holdbarhed spiller en vigtig rolle, udelukkende specialfremstillede våbenkvalitet plutonium bruges. Den kritiske masse af metallisk 240Pu og 242Pu er meget stor, 241Pu er lidt større end 239Pu.
2.Produktion
I USSR blev produktionen af plutonium af våbenkvalitet først udført på Mayak-fabrikken i Ozersk (tidligere Chelyabinsk-40, Chelyabinsk-65), derefter på Siberian Chemical Plant i Seversk (tidligere Tomsk-7), og senere Krasnoyarsk Mine Plant blev sat i drift -kemisk fabrik i Zheleznogorsk (også kendt som Sotsgorod og Krasnoyarsk-26). Produktionen af plutonium af våbenkvalitet i Rusland ophørte i 1994. I 1999 blev reaktorerne i Ozyorsk og Seversk lukket ned, og i 2010 blev den sidste reaktor i Zheleznogorsk lukket ned.
I USA blev der produceret plutonium af våbenkvalitet flere steder, såsom Hanford-komplekset i staten Washington. Produktionen blev lukket i 1988.
3.Syntese af nye elementer
Omdannelsen af nogle atomer til andre sker gennem interaktionen af atomare eller subatomare partikler. Af disse er kun neutroner tilgængelige i store mængder. En gigawatt atomreaktor producerer omkring 3,75 kg (eller 4 * 1030) neutroner i løbet af et år.
4.Plutonium produktion
Plutoniumatomer dannes som et resultat af en kæde af atomare reaktioner, der begynder med indfangningen af en neutron af et uran-238 atom:
U238 + n -> U239 -> Np239 -> Pu239
eller mere præcist:
0n1 + 92U238 -> 92U239 -> -1e0 + 93Np239 -> -1e0 + 94Pu239
Med fortsat bestråling er nogle atomer af plutonium-239 til gengæld i stand til at fange en neutron og blive til den tungere isotop plutonium-240:
Pu239 + n -> Pu240
For at opnå plutonium i tilstrækkelige mængder er der brug for stærke neutronfluxer. Det er præcis, hvad der skabes i atomreaktorer. I princippet er enhver reaktor en kilde til neutroner, men til industriel produktion af plutonium er det naturligt at bruge en specielt designet til dette formål.
Verdens allerførste kommercielle plutoniumproduktionsreaktor var B-reaktoren i Hanford. Arbejdede den 26. september 1944, effekt - 250 MW, produktivitet - 6 kg plutonium om måneden. Den indeholdt omkring 200 tons uranmetal, 1200 tons grafit og blev afkølet med vand med en hastighed på 5 kubikmeter/min.
Indlæsningspanel på Hanford-reaktoren med urankassetter:
Ordningen for sit arbejde. I en reaktor til bestråling af uran-238 dannes neutroner som et resultat af en stationær kædereaktion af fission af uran-235-kerner. I gennemsnit produceres der 2,5 neutroner pr fission af U-235. For at opretholde reaktionen og samtidig producere plutonium er det nødvendigt, at en eller to neutroner i gennemsnit absorberes af U-238, og den ene ville forårsage spaltningen af det næste U-235-atom.
Neutroner produceret under fission af uran har meget høje hastigheder. Uranatomer er arrangeret på en sådan måde, at indfangning af hurtige neutroner af kernerne i både U-238 og U-235 er usandsynlig. Derfor bremser hurtige neutroner, efter at have oplevet flere kollisioner med omgivende atomer, gradvist. I dette tilfælde absorberer U-238-kerner sådanne neutroner (mellemhastigheder) så kraftigt, at intet er tilbage til at spalte U-235 og opretholde kædereaktionen (U-235 er opdelt fra langsomme, termiske neutroner).
Dette modvirkes af en moderator, noget let stof, der omgiver uranblokkene. I den decelereres neutroner uden absorption og oplever elastiske kollisioner, hvor en lille del af energien går tabt. Gode moderatorer er vand og kulstof. Således rejser neutroner, der bremses til termiske hastigheder, gennem reaktoren, indtil de forårsager fission af U-235 (U-238 absorberer dem meget svagt). Med en vis konfiguration af moderatoren og uranstængerne vil der blive skabt betingelser for absorption af neutroner af både U-238 og U-235.
Den isotopiske sammensætning af det resulterende plutonium afhænger af, hvor lang tid uranstavene er i reaktoren. En betydelig ophobning af Pu-240 opstår som følge af langvarig bestråling af en kassette med uran. Med en kort opholdstid af uran i reaktoren opnås Pu-239 med et ubetydeligt indhold af Pu-240.
Pu-240 er skadelig for våbenproduktion af følgende årsager:
1. Det er mindre fissilt end Pu-239, så der kræves lidt mere plutonium for at lave våben.
2. For det andet, meget vigtigere grund. Niveauet af spontan fission i Pu-240 er meget højere, hvilket skaber en stærk neutronbaggrund.
I de meget tidlige år med atomvåbenudvikling var neutronemission (høj neutronbaggrund) et problem med at opnå en pålidelig og effektiv ladning på grund af for tidlig detonation. Stærke neutronstrømme gjorde det vanskeligt eller umuligt at komprimere en bombekerne indeholdende flere kilogram plutonium til en superkritisk tilstand - før dette blev den ødelagt af den stærkeste, men stadig ikke den maksimalt mulige energiudgang. Fremkomsten af blandede kerner - indeholdende højt beriget U-235 og plutonium (i slutningen af 1940'erne) - overvandt denne vanskelighed, da det blev muligt at bruge relativt små mængder plutonium i hovedsageligt urankerner. Den næste generation af ladninger, fusionsforstærkede enheder (i midten af 1950'erne), eliminerede fuldstændigt denne vanskelighed og garanterede høj energifrigivelse, selv med laveffekt initial fissionsladninger.
Plutonium produceret i specielle reaktorer indeholder en relativt lille procentdel af Pu-240 (<7%), плутоний "оружейного качества"; в реакторах АЭС отработанное ядерное топливо имеет концентрацию Pu-240 более 20%, плутоний "реакторного качества".
I specialreaktorer er uran til stede i en relativt kort periode, hvor ikke al U-235 brænder ud, og ikke alle U-238 bliver til plutonium, men der dannes en mindre mængde Pu-240.
Der er to grunde til at producere plutonium med lavt Pu-240 indhold:
Økonomisk: den eneste grund til eksistensen af plutonium specialreaktorer. Nedbrydning af plutonium ved fission eller omdannelse af det til mindre fissile Pu-240 reducerer afkastet og øger produktionsomkostningerne (til det punkt, hvor prisen balancerer med omkostningerne ved at behandle bestrålet brændsel med lave plutoniumkoncentrationer).
Håndteringsvanskeligheder: Selvom neutronemission ikke er et stort problem for våbendesignere, kan det skabe fremstillings- og håndteringsudfordringer for en sådan ladning. Neutroner skaber et yderligere bidrag til erhvervsmæssig eksponering for dem, der samler eller vedligeholder våben (neutroner selv ioniserer ikke, men de skaber protoner, der kan). Faktisk kan ladninger, der involverer direkte kontakt med mennesker, såsom Davy Crocket, kræve ultrarent, lav-neutron-emitterende plutonium af denne grund.
Selve støbningen og forarbejdningen af plutonium foregår i hånden i forseglede kamre med operatørhandsker. Som disse:
Dette indebærer meget lidt beskyttelse for mennesker mod neutronudsendende plutonium. Derfor behandles plutonium med et højt indhold af Pu-240 kun af manipulatorer, eller den tid, hver arbejdstager arbejder med det, er strengt begrænset.
Af alle disse grunde (radioaktivitet, dårligere egenskaber af Pu-240) er det forklaret, hvorfor plutonium i reaktorkvalitet ikke bruges til fremstilling af våben - det er billigere at producere plutonium af våbenkvalitet specielt. reaktorer. Selvom det tilsyneladende også er muligt at lave en nuklear eksplosiv enhed fra en reaktor.
Plutonium ring
Denne ring er lavet af elektrolytisk renset plutoniummetal (over 99,96% rent). Typisk for ringene, der blev klargjort i Los Alamos og sendt til Rocky Flats til våbenfremstilling, indtil produktionen for nylig blev suspenderet. Ringens masse er 5,3 kg, tilstrækkeligt til fremstilling af en moderne strategisk ladning, diameteren er cirka 11 cm Ringformen er vigtig for at sikre kritisk sikkerhed.
Støbning af plutonium-gallium-legering genvundet fra en våbenkerne:
Plutonium under Manhattan-projektet
Historisk set har de første 520 milligram plutoniummetal produceret af Ted Magel og Nick Dallas i Los Alamos den 23. marts 1944:
Presse til varmpresning af plutonium-gallium legering i form af halvkugler. Denne presse blev brugt i Los Alamos til at lave plutoniumkerner til de ladninger, der detonerede ved Nagasaki og Operation Trinity.
Produkter støbt på det:
Yderligere biproduktisotoper af plutonium
Neutronfangst, ikke ledsaget af fission, skaber nye isotoper af plutonium: Pu-240, Pu-241 og Pu-242. De sidste to akkumuleres i små mængder.
Pu239 + n -> Pu240
Pu240 + n -> Pu241
Pu241 + n -> Pu242
En sidekæde af reaktioner er også mulig:
U238 + n -> U237 + 2n
U237 -> (6,75 dage, beta-henfald) -> Np237
Np237 + n -> Np238
Np238 -> (2,1 dage, beta-henfald) -> Pu238
Det overordnede mål for bestråling (affald) af en brændselscelle kan udtrykkes i megawattdage/ton (MW-dag/t). Plutonium af våbenkvalitet kvalitet opnås fra grundstoffer med en lille mængde MW-dag/t, det producerer færre biproduktisotoper. Brændselsceller i moderne trykvandsreaktorer når niveauer på 33.000 MW-dag/t. Typisk eksponering i en våbenopdrætter (med udvidet avl af nukleart brændsel) reaktor er 1000 MW-dag/t. Plutonium i Hanford grafitmodererede reaktorer bestråles op til 600 MW-dag/t, i Savannah producerer tungtvandsreaktoren plutonium af samme kvalitet ved 1000 MW-dag/t (muligvis på grund af, at nogle af neutronerne er brugt på dannelsen af tritium). Under Manhattan-projektet modtog naturligt uranbrændsel kun 100 MW-dag/t, og producerede således plutonium-239 af meget høj kvalitet (kun 0,9-1% Pu-240, andre isotoper i endnu mindre mængder).
Relateret information.
Plutonium (plutonium) Pu, - kunstigt opnået radioaktivt kemisk grundstof, Z=94, atommasse 244,0642; tilhører actinider. I øjeblikket kendes 19 isotoper af plutonium. Den letteste af dem er 228 Ri (71/2=1,1 s), den tungeste er ^Pu (7i/ 2 = 2,27 dage), 8 nukleare isomerer. Den mest stabile isotop er 2A- 236, 238, 239, 240, 242 og 244: henholdsvis 21013, 6.29-11,2.33-10,8.51109, 3.7-12,1.48-8 og 6.66,-uz. Den gennemsnitlige energi af a-stråling af isotoper med A = 236, 238, 239, 240, 242 og 244 er henholdsvis 5,8, 5,5, 5,1, 5,2, 4,9 og 4,6 MeV. Lette isotoper af plutonium (2 3 2 Pu, 2 34 Pu, 235 Pu, 2 3 7 Pu) gennemgår elektronindfangning. 2 4 "Pi - p-emitter (Ep = 0,0052 MeV). Praktisk talt den vigtigste er 2 39Ru (7|/ 2 =2,44-104 år, a-henfald, spontan fission (z, min %)) deles under påvirkning af langsomme neutroner og bruges i atomreaktorer som brændsel, og i atombomber som ladningsstof.
Plutonium-236 (7i/2 =2,85i år), a-emitter: 5,72 MeV (30,56%) og 5,77 MeV (69,26%), datternuklid 2 3 2 U, specifik aktivitet 540 Ci/G. Sandsynlighed for spontan fission kg 6. Den spontane fissionshastighed på 5,8-7 delinger pr. 1 g/time svarer til en halveringstid for denne proces på 3,5-109 år.
Kan opnås ved reaktioner:
Denne isotop dannes også under henfaldet af a-emitteren 2 4оСш (7i/ 2 =27 dage) og p-emitteren 23 6m Np (7i/ 2 =22 h). 2 h 6 Ri henfalder i følgende retninger: a-henfald, sandsynlighed 100% og spontan fission (sandsynlighed
Plutopium-237 (7!/ 2 =45> 2 dage), datterprodukt 2 37Np. Kan opnås ved at bombardere naturligt uran med heliumioner med en energi på 40 MeV gennem nukleare reaktioner:
Det dannes også i små mængder, når uran bestråles med reaktorneutroner. Den vigtigste form for henfald er elektronindfangning
(99%, karakteristisk røntgenemission, datterprodukt ^Np), men der er a-henfald til dannelse af 2 zi og svag y-emission, halveringstid 45,2 dage. 2 z7Rts bruges i systemer til overvågning af det kemiske udbytte af plutonium under dets isolering fra prøver af miljøkomponenter, samt til at studere metabolismen af plutonium i den menneskelige krop
Plutonium-238, 7*1/2=87,74 år, a-emitter (energier 5,495(76%), 5,453(24%) og 5,351(0,15%) MeV, svag y-emitter (energier fra 0,044 til 0,149 MeV). Aktiviteten af 1 g af dette nuklid er ~633,7 GBq (specifik aktivitet 17 Ci/g); hvert sekund i den samme mængde stof forekommer -1200 handlinger af spontan fission. Hastigheden af spontan fission er 5,1-6 fissioner pr. /time svarer til en halveringstid for denne proces på 3,8-10 10 år. I dette tilfælde udvikles en meget høj termisk effekt: 567 W/kg G D el = 3,8-10 10 år Tværsnit af termisk neutronopfangning a = 500 barn, fissionstværsnit under påvirkning af termiske neutroner er 18 barn. Den har en meget høj specifik α-radioaktivitet (283 gange stærkere end ^Pu), hvilket gør den meget mere alvorlig kilde til neutroner fra reaktioner (a, n).
- 2 h 8Pu dannes som et resultat af følgende henfald:
- (3-henfald af nuklid 2 3 8 Np:
2 h 8 Ru dannes i enhver atomreaktor, der opererer på naturligt eller lavt beriget uran, og som hovedsageligt indeholder 2 h 8 u isotopen. I dette tilfælde forekommer følgende nukleare reaktioner:
Det dannes også, når uran bombarderes med heliumioner med en energi på 40 MeV:
henfald forekommer i følgende retninger: a-henfald i 2 34U (sandsynlighed 10%, henfaldsenergi 5,593 MeV):
energien af de udsendte alfapartikler er 5.450 Mei (i 2.9% af tilfældene; og 5.499 Mei (i 70.91% af tilfældene). Sandsynligheden for spontan fission er 1.9-7%.
Under a-henfaldet af 2 3 8 Pu frigives 5,5 MeV energi. I en elektricitetskilde, der indeholder et kilogram 2-3 8 Ri, udvikles en termisk effekt på ~50 watt. Den maksimale effekt af en kemisk strømkilde med samme masse er 5 watt. Der er mange emittere med lignende energikarakteristika, men en egenskab ved 2 3Ri gør denne isotop uerstattelig. Normalt er et henfald ledsaget af stærk y-emission. 2 z 8 Ri er en undtagelse. Energien af y-quanta, der ledsager henfaldet af dens kerner, er lav. Sandsynligheden for spontan fission af kerner i denne isotop er også lav. 288 Ri bruges til fremstilling af nukleare elektriske batterier og neutronkilder, som strømkilder til pacemakere, til generering af termisk energi i rumfartøjer, som en del af radioisotop røgdetektorer mv.
Plutonium-239, 71/2=2,44. 4 år, a-henfald 00%, total henfaldsenergi 5,867 MeV, udsender a-partikler med energier på 5,15 (69%), 5,453 (24%) og 5,351 (0, 15% ) og svag y-stråling, termisk neutronfangst tværsnit st = 271 barn. Specifik aktivitet 2,33109 Bq/g. Satsen for spontan deling af 36 delinger/g/time svarer til 7” delinger = 5,5-10*5 år. 1 kg 2 39Ri svarer til 2,2-107 kilowatt-timer termisk energi. Eksplosionen af 1 kg plutonium er lig med eksplosionen af 20.000 tons TNT. Den eneste isotop af plutonium, der bruges i atomvåben. 2 39Pu er en del af 2P+3-familien. Dens henfaldsprodukt er 2 35U. Denne isotop spaltes af termiske neutroner og bruges i atomreaktorer som brændstof. 2 39Ri fås i jalopy paktops ifølge pakpiya:
Reaktionstværsnit -455 stald. *39Pu dannes også når
bombardement af uran med deuteroner med energier over 8 MeV ved nukleare reaktioner:
samt når uran bombarderes med heliumioner med en energi på 40 MeV 
spontan deling, sandsynlighed 1,36-10*7%.
Kemisk adskillelse af plutonium fra uran er en relativt enklere opgave end adskillelse af uranisotoper. Som følge heraf er prisen på plutonium flere gange lavere end prisen på 2 zzi. Når en 2 39Pu kerne spaltes af neutroner i to fragmenter med omtrent samme masse, frigives omkring 200 MeV energi. I stand til at opretholde en fissionskædereaktion. Den relativt korte halveringstid på 2 39Pu (sammenlignet med ^u) indebærer en betydelig frigivelse af energi under radioaktivt henfald. 2 39Rc yder 1,92 W/kg. En velisoleret blok af plutonium varmes op til en temperatur på over 100° på to timer og snart til a-p overgangspunktet, hvilket udgør et problem for våbendesign på grund af volumenændringer under faseovergange af plutonium. Specifik aktivitet 2 39Pu 2,28-12 Bq/g. 2 39Pu er let fissilt af termiske neutroner. Den fissile isotop 239 Pu giver ved fuldstændigt henfald termisk energi svarende til 25.000.000 kWh/kg. 2 39Pi har et fissionstværsnit for langsomme neutroner på 748 barn og et strålingsfangst tværsnit på 315 barn. 2 39Pu har større sprednings- og absorptionstværsnit end uran og et større antal neutroner under fission (3,03 neutroner pr. fissionsbegivenhed sammenlignet med 2,47 for 2 zzi), og følgelig en lavere kritisk masse. Pure 2 39Pu har en gennemsnitlig neutronemission fra spontan fission på -30 neutroner/s-kg (-10 fissioner/s).-
Plutonium-240, 71/2=6564 l, a-henfald, specifik aktivitet 8,51-109 Bq/g. Spontan fissionshastighed 1,6-6 divisioner/g/time, Ti/2=i.2-io u l. 24°Pu har et tre gange mindre effektivt neutronfangstværsnit end 239 Pu og bliver i de fleste tilfælde til 2 4*Pu.
24op og dannes under henfaldet af visse radionuklider:
Henfaldsenergi 5.255 MeV, a-partikler med energi 5.168 (72.8%), 5.123 (27.10%) MeV;
Spontan division, sandsynlighed 5,7-6.
I uranbrændsel stiger indholdet af ^Pu under reaktordrift. I det brugte brændsel i en atomreaktor er der 70 % *39Pu og 26 % 2 4°Pu, hvilket gør det vanskeligt at fremstille atomvåben, så våbenkvalitetsplutonium opnås i reaktorer specielt designet til dette ved at behandle uran efter flere tiere dage med bestråling. *4°Pu er den vigtigste isotop, der forurener våben-grade 2 39Pu. Niveauet af dets indhold er vigtigt på grund af intensiteten af spontan fission - 415.000 fission/s-kg, 1000 neutroner/s-kg udsendes, da hver fission producerer 2,26 neutroner - 30.000 gange mere end en lige stor masse på 2 39Ri. Tilstedeværelsen af kun 1% af denne isotop producerer så mange neutroner, at kanonladningskredsløbet er ubrugeligt - tidlig initiering af eksplosionen vil begynde, og ladningen vil blive forstøvet, før størstedelen af eksplosivet eksploderer. Kanonordningen er kun mulig med et indhold på *39Pu, hvilket praktisk talt er umuligt at opnå. Derfor samles plutoniumbomber ved hjælp af et implosionsskema, som tillader brugen af plutonium, der er ret stærkt forurenet med isotopen IgPu. Plutonium af våbenkvalitet indeholder 2 4°Pu
På grund af den højere specifikke aktivitet (1/4 af 2 39Pi) er den termiske effekt højere, 7,1 W/kg, hvilket forværrer problemet med overophedning. Den specifikke aktivitet af ^Pu er 8,4109 Bq/g. Indholdet af IgPu i våbenplutonium (0,7%) og i reaktorplutonium (>19%). Tilstedeværelsen af 24 °Pu i brændstof til termiske reaktorer er uønsket, men denne isotop tjener som brændstof i hurtige reaktorer.
Plutonium-241, G,/2=14 l, datterprodukt 241 Am, p- (99%, ?рmax=0,014 MeV), a (1%, to linjer: 4,893 (75%) og 4,848 (25%) MeV ) og y-emitter, specifik aktivitet af ^Pu 3,92-12 Ci/g. Det opnås ved stærk bestråling af plutonium med neutroner, samt i en cyklotron ved reaktionen 2 3 8 U(a,n) 241 Pu. Denne isotop er spaltbar af neutroner af enhver energi (neutronabsorptionstværsnittet af ^'Pu er 1/3 større end ^Phi, fissionstværsnittet af termiske neutroner er ca. 100 barn, sandsynligheden for fission ved absorption af en neutron er 73 %), har en lav neutronbaggrund og moderat termisk effekt og påvirker derfor ikke direkte plutoniums brugervenlighed. Det henfalder til 241 Am, som spalter meget dårligt og skaber meget varme: 10 6 W/kg. ^'Pu har et stort fissionstværsnit for reaktorneutroner (poo barn), som gør det muligt at bruge det som brændstof. Hvis et våben oprindeligt indeholder 241 Ri, falder dets reaktivitet efter et par år, og dette bør tages i betragtning for at forhindre et fald i ladekraft og en stigning i selvopvarmning. 24 'Ru selv varmer ikke meget op (kun 3,4 W/kg) på trods af sin meget korte halveringstid på grund af meget svag P-stråling. Når en neutron absorberes af en 24 * Pu-kerne, hvis den ikke fission, bliver den til 242 Pu. 241 Pu er hovedkilden til ^'As.
Plutonium-242 (^/2=373300 år),
Plutonium-243 No/2=4-956 timer), p"- (energi 0,56 MeV) og y-emitter (flere linjer i området 0,09-0,16 MeV) Tværsnit af reaktionen 242 Pu(n ,y) 243 Pu på langsomme neutroner 00 barn. Dannet under p-henfaldet af "^sPu 24 zAsh, kan opnås ved bestråling med neutroner 2 4 2 Pu. På grund af dets korte halveringstid er det til stede i bestrålet reaktorbrændsel i små mængder.
Plutonium-244 (Ti/ 2 =8.o*io 7 år), a-emitter, E a = 4,6 MeV, i stand til spontan fission, specifik aktivitet 6,66-105 Bq/g, termisk neutronfangst tværsnit 0=19 barn. Det er ikke kun den længstlevende isotop af plutonium, men også den længstlevende af alle isotoper af transuran-elementer. Specifik aktivitet 2
Selv tungere isotoper af plutonium er udsat for p-henfald, og deres levetid varierer fra flere dage til flere tiendedele af et sekund. Ved termonukleare eksplosioner dannes alle isotoper af plutonium, op til 2 57Pu. Men deres levetid er tiendedele af et sekund, og mange kortlivede isotoper af plutonium er endnu ikke blevet undersøgt.
Plutonium er et meget tungt, sølvhvidt metal, der skinner som nikkel, når det er nyraffineret. Atommasse 244,0642 amu. (g/mol), atomradius 151 pm, ioniseringsenergi (første elektron) 491,9(5,10) kJ/mol (eV), elektronisk konfiguration 5f 6 7s 2. Ionradius: (+4e) 93, (+3e) 08 pm, elektronegativitet (Pauling) 1,28, T P l = 639,5°, G K ip = 3235°, plutoniumdensitet 19,84 (a-fase ), varmen fra fordampning af plutonium er 80,46 kcal/mol. Damptrykket af plutonium er betydeligt højere end damptrykket for uran (ved 1540 0 300 gange). Plutonium kan destilleres fra smeltet uran. Seks allotropiske modifikationer af metallisk plutonium er kendt. Ved temperaturer
Under laboratorieforhold kan metallisk plutonium opnås ved reduktion af plutoniumhalogenider med lithium, calcium, barium eller magnesium ved 1200°:
Metallisk plutonium opnås også ved at reducere plutoniumtrifluorid i dampfasen ved 1300 0 under anvendelse af calciumsilicid ifølge reaktionen
eller termisk nedbrydning af plutoniumhalogenider i et vakuum.
Plutonium har mange specifikke egenskaber. Det har den laveste termiske ledningsevne af alle metaller, den laveste elektriske ledningsevne, med undtagelse af mangan. I sin flydende fase er det det mest tyktflydende metal. Når temperaturen ændrer sig, gennemgår plutonium de mest alvorlige og unaturlige ændringer i tætheden.
Plutonium har seks forskellige faser (krystalstrukturer) i fast form (tabel 3), mere end noget andet grundstof. Nogle overgange mellem faser er ledsaget af dramatiske ændringer i volumen. I to af disse faser - delta og delta prime - har plutonium den unikke egenskab at trække sig sammen, når temperaturen stiger, og i de andre har det en ekstrem høj temperaturudvidelseskoefficient. Når det smelter, trækker plutonium sig sammen, så det usmeltede plutonium kan flyde. I sin tætteste form, a-fasen, er plutonium det sjette tætteste grundstof (kun osmium, iridium, platin, rhenium og neptunium er tungere). I a-fasen er rent plutonium skørt. Et stort antal legeringer og intermetalliske forbindelser af plutonium med Al, Be, Co, Fe, Mg, Ni, Ag er kendt. Forbindelsen PuBe, 3 er en kilde til neutroner med en intensitet på 6,7 * 107 neutroner/skg.
Ris. 5.
På grund af sin radioaktivitet er plutonium varmt at røre ved. Et stort stykke plutonium i en termisk isoleret skal opvarmes til en temperatur, der overstiger vands kogepunkt. Finmalet plutonium er pyromorft og antændes spontant ved 300 0. Det reagerer med halogener og hydrogenhalogenider og danner halogenider, med brint - hydrider, med carbon - carbid, med nitrogen reagerer det ved 250 0 for at danne nitrid, og når det udsættes for ammoniak, danner det også nitrider. Reducerer CO2 til CO eller C, og der dannes karbid. Interagerer med gasformige svovlforbindelser. Plutonium er let opløseligt i saltsyre, 85% fosforsyre, jodbrinte, perchlorsyre og koncentreret chloreddikesyre. Fortyndet H2SO4 opløser plutonium langsomt, men koncentreret H2S04 og HN03 passiverer det og reagerer ikke med det. Alkalier har ingen effekt på metallisk plutonium. Plutoniumsalte hydrolyseres let ved kontakt med neutrale eller alkaliske opløsninger, hvilket skaber uopløseligt plutoniumhydroxid. Koncentrerede opløsninger af plutonium er ustabile på grund af radiolytisk nedbrydning, der fører til nedbør.
Bord 3. Densiteter og temperaturområde for plutoniumfaser:
Hovedvalensen af plutonium er 4+. Det er et elektronegativt, kemisk reaktivt grundstof (med 0,2 V), meget mere end uran. Det falmer hurtigt og danner en iriserende film, i begyndelsen lysegul, for til sidst at blive mørk lilla. Hvis oxidationen er ret hurtig, vises et olivengrønt oxidpulver (PuO 2) på overfladen.
Plutonium oxiderer let og korroderer hurtigt selv ved tilstedeværelse af let fugt. Det bliver rustent i en atmosfære af inert gas med vanddamp meget hurtigere end i tør luft eller ren ilt. Når plutonium opvarmes i nærværelse af brint, kulstof, nitrogen, oxygen, fosfor, arsen, fluor, silicium og tellur, danner det faste uopløselige forbindelser med disse grundstoffer.
Blandt plutoniumoxiderne kendes Pu 2 0 3 og Pu 0 2.
Pu02 plutoniumdioxid er et olivengrønt pulver, sorte skinnende krystaller eller kugler fra rødbrun til ravgul. Krystalstrukturen er af fluorittypen (Pu-* + danner et ansigtscentreret kubisk system, og O 2- danner et tetraeder). Densitet 11,46, Gpl=2400°. Det dannes af næsten alle salte (for eksempel oxalat, peroxid) af plutonium, når det opvarmes i luft eller i en atmosfære på 0 2, ved temperaturer på 700-1000 0, uanset oxidationstilstanden af plutonium i disse salte. For eksempel kan det opnås ved kalcinering af Pu(IV) Pu(C 2 0 4) 2 -6H 2 0 oxalathexahydrat (dannet under oparbejdning af brugt brændsel):
Pu0 2, middag ved lave temperaturer, opløses let i koncentreret saltsyre og salpetersyre. Tværtimod er calcineret Pu0 2 svær at opløse og kan kun bringes i opløsning som følge af specialbehandling. Det er uopløseligt i vand og organiske opløsningsmidler. Reagerer langsomt med en varm blanding af koncentreret HN03 med HF. Denne stabile forbindelse bruges som en gravimetrisk form ved bestemmelse af plutonium. Det bruges også til at forberede brændstof i atomkraft.
Særligt reaktivt Pu0 2, men indeholdende små mængder oxalat, opnås ved nedbrydning af Pu(C 2 0 4) 2 -6H 2 0 ved 130-^-300°.
Hydride R11H3 opnået fra grundstoffer ved 150-5-200°.
Plutonium danner halogenider og oxyhalogenider, disilicid PuSi 2 og sesquisulfid PuSi,33^b5, som er af interesse på grund af deres lave smelteevne, samt karbider af forskellige støkiometrier: fra PuS til Pu 2C 3. RiS - sorte krystaller, G 11L = 1664 0. Sammen med UC kan det bruges som brændsel til atomreaktorer.
Plutoniumnitrid, PuN - krystaller af grå (til sort) farve med et ansigtscentreret kubisk gitter af NaCl-typen (0 = 0,4905 nm, z = 4, rumgruppe Ptzm; gitterparameteren stiger med tiden under indflydelse af sin egen a-stråling); T pl = 2589° (med dekomponering); massefylde 14350 kg/m3. Har høj varmeledningsevne. Ved høje temperaturer (~1boo°) er det flygtigt (med nedbrydning). Det opnås ved at omsætte plutonium med nitrogen ved 6oo° eller med en blanding af brint og ammoniak (tryk 4 kPa). Pulveriseret plutonium PuN oxiderer i luft ved stuetemperatur, omdannes fuldstændigt til Pu0 2 efter 3 dage, tæt plutonium oxiderer langsomt (0,3% på 30 dage). Det hydrolyseres langsomt med koldt vand og hurtigt, når det opvarmes, og danner Pu0 2; opløses let i fortyndede salt- og svovlsyrer til dannelse af de tilsvarende Pu(III)-salte; Ifølge virkningskraften på plutoniumnitrid kan syrer arrangeres i serien HN0 3 >HC1>H 3 P0 4 >>H 2 S04>HF. Kan bruges som reaktorbrændstof.
Der er flere plutoniumfluorider: PuF 3, PuF 4, PuF6.
Plutoniumtetrafluorid PuF 4 er et lyserødt stof eller brune krystaller, monoklinisk system. Isomorf med Zr, Hf, Th, U, Np og Ce tetrafluorid. Г pl = 1037 0, Г к, «1 = 1277°. Det er dårligt opløseligt i vand og organiske opløsningsmidler, men opløses let i vandige opløsninger i nærværelse af Ce(IV), Fe(III), Al(III) salte eller ioner, der danner stabile komplekser med fluorioner. Det lyserøde bundfald PuF 4 -2,5H 2 0 opnås ved præcipitation med flussyre fra vandige opløsninger af Pu(III)-salte. Denne forbindelse dehydrerer, når den opvarmes til 350 m i en strøm af HF.
PuF 4 dannes ved virkningen af hydrogenfluorid på plutoniumdioxid i nærvær af oxygen ved 550° ifølge reaktionen:
PuF 4 kan også opnås ved at behandle PuF 3 med fluor ved 300 °C eller ved at opvarme Pu(III)- eller Pu(IV)-salte og en strøm af hydrogenfluorid. Fra vandige opløsninger af Pu(IV) udfældes PuF 4 med flussyre i form af et lyserødt præcipitat med sammensætningen 2PuF 4 H 2 0. PuF 4 udfældes næsten fuldstændigt med LaF 3. Ved opvarmning i luft til 400 0 bliver PuF 4 til Pu0 2.
Plutoniumhexafluorid, PuFe - flygtige krystaller ved stuetemperatur af en gullig-brun farve (ved lave temperaturer - farveløs) af en ortorhombisk struktur, Gpl = 52°, T knp =b2° ved atmosfærisk tryk, massefylde 5060 kgm-z, sublimationsvarme 12,1 kcal/mol, fordampningsvarme = 7,4 kcal mol * 1, fusionsvarme = 4,71 kcal/mol, meget udsat for korrosion og følsom over for autoradiolyse. PuFe er en lavtkogende væske, termisk meget mindre stabil og mindre flygtig end UF6. PuFe-damp er farvet som NO 2, væsken er mørkebrun. Stærkt fluoreringsmiddel og oxidationsmiddel; reagerer voldsomt med vand. Ekstremt følsom over for fugt; c H 2 0 i dagslys kan reagere meget kraftigt med et blitz og danne Pu0 2 og PuF 4 . PuFe, kondenseret ved -195 0 på is, hydrolyseres ved opvarmning langsomt til Pu0 2 Fo. Compact PuFe nedbrydes spontant på grund af a-strålingen fra plutonium.
UF6 opnås ved at behandle PuF 4 eller Pu0 2 med fluor ved 6004-700°.
Fluorering af PuF 4 med fluor ved 7004-800° sker meget hurtigt og er en eksoterm reaktion. For at undgå nedbrydning fjernes den resulterende PuF6 hurtigt fra den varme zone - frosset eller syntese udføres i en fluorstrøm, som hurtigt fjerner produktet fra reaktionsvolumenet.
PuFa kan også modtage ved tilbagebetaling:
Der er Pu(III), Pu(IV) og Pu(VII) nitrater: henholdsvis Pu(N0 3) 3, Pu(N0 3) 4 og Pu0 2 (N0 3) 2.
Plutoniumnitrat, Pu(N0 3) 4 * 5H 2 0 opnås ved langsom (over flere måneder) fordampning af en koncentreret Pu(IV) nitratopløsning ved stuetemperatur. Godt opløselig i HN0 3 og vand (salpetersyreopløsning er mørkegrøn, brun). Opløselig i acetone, ether og tributylphosphat. Opløsninger af plutoniumnitrat og alkalimetalnitrat i koncentreret salpetersyre frigiver ved fordampning dobbeltnitrater Me 2 [Pu(N0 3)b], hvor Me + =Cs +, Rb +, K +, Th +, C 9 H 7 NH + , C5H5NH+, NH4+.
Plutonium (IV) oxalat, Pu(C 2 0 4) 2 -6H 2 0, er et sandet (nogle gange gulgrønt) pulver. Isomorf med U(C 2 0 4)-6H 2 0. Plutoniumoxalathexahydrat er dårligt opløseligt i mineralsyrer og godt i opløsninger af oxalater og ammonium- eller alkalimetalcarbonater med dannelse af komplekse forbindelser. Præcipiteret med oxalsyre fra nitrat (i.5*4.5M HNO.0 opløsninger af Pu(IV):
Det dehydrerer, når det opvarmes i luft til 0°, over 400 0 nedbrydes det:
I forbindelser udviser plutonium oxidationstilstande fra +2 til +7. I vandige opløsninger danner det ioner svarende til oxidationstilstande fra +3 til +7. I dette tilfælde kan ioner af alle oxidationstilstande, undtagen Pu(VII), være i opløsning samtidigt i ligevægt. Plutoniumioner i opløsning undergår hydrolyse og danner let komplekse forbindelser. Evnen til at danne komplekse forbindelser øges i Pu5+-serien
Pu(IV)-ioner er de mest stabile i opløsning. Pu(V) er disproportioneret i Pu(lV) og Pu(Vl). Valenstilstanden for Pu(VI) er karakteristisk for stærkt oxiderende vandige opløsninger, og den svarer til plutonylionen Pu0 2 2+. Plutoniumioner med ladninger 3+ og 4+ findes i vandige opløsninger i fravær af hydrolyse og kompleksdannelse i form af højt hydrerede kationer. Pu(V) og Pu(VI) i sure opløsninger er oxygenholdige kationer af typen M0 2+ og M0 2 2+.
Oxidationstilstandene for plutonium (III, IV, V og VI) svarer til følgende iontilstande i sure opløsninger: Pu 3+, Pu4 +, Pu0 2 2+ og Pu0 5 3 På grund af "nærheden af oxidationspotentialerne for plutonium ioner til hinanden" i opløsninger kan de samtidig plutoniumioner med forskellige oxidationstilstande eksistere i ligevægt. Derudover observeres disproportionering af Pu(IV) og Pu(V):
Hastigheden af disproportionering stiger med stigende plutoniumkoncentration og temperatur.
Reese+ opløsninger har en blå-violet farve. I sine egenskaber er Rts + tæt på sjældne jordarters elementer. Dets hydroxid, fluorid, fosfat og oxalat er uopløselige. Pu(IV) er den mest stabile tilstand af plutonium i vandige opløsninger. Pu(IV) er tilbøjelig til kompleksdannelse med salpetersyre, svovlsyre, saltsyre, eddikesyre og andre syrer. I koncentreret salpetersyre danner Pu(IV) således komplekser Pu(N0 3)5- og Pu(G) 3)6 2". I vandige opløsninger hydrolyseres Pu(IV) let. Plutoniumhydroxid (grøn) er tilbøjelig til at til polymerisation Uopløseligt fluorid, hydroxid, oxalat, iod Pu(IV).Pu(IV) udfældes godt med uopløselige hydroxider, lanthanfluorid, Zr, Th, Ce-iodater, Zr og Bi-phosphater, Th, U(IV), Bi, La-oxalater Pu(IV) danner dobbeltfluorider og sulfater med Na, K, Rb, Cs og NH4+ Pu(opnået i ca. 2 M opløsning af HN03 ved at blande opløsninger af Pu(III) og Pu(VI) Fra salte af Pu(VI) Af interesse er natriumplutonylacetat NaPu0 2 (C 2 H 3 0 2) 3 og ammoniumplutonylacetat NH 4 Pu0 2 (C 2 H 3 0 2), som i struktur ligner de tilsvarende forbindelser U , Np og At.
Formelle oxidationspotentialer af plutonium (i V) i 1M opløsning af HC10 4:
Stabiliteten af komplekset dannet med denne anion for actinidioner falder i følgende rækkefølge: M4 + >M0 2+ > M3 + > M0 2 2+ > M0 2+, dvs. i rækkefølge efter faldende ionpotentiale. Anioners evne til at danne komplekser med actinidioner falder for enkeltladede anioner - fluorid > nitrat > chlorid > perchlorat; for dobbeltladede anioner carbonat>oxalat>sulfat. Et stort antal komplekse ioner dannes med organiske stoffer.
Både Pu(IV) og Pu(VI) ekstraheres godt fra sure opløsninger med ethylether, TBP, diisopropylketon osv. Kløformede komplekser, for eksempel med a-thenoyltrifluoracetone, p-diketon, cupferon, ekstraheres godt med ikke-polære organiske opløsningsmidler. Ekstraktion af Pu(IV)-komplekser med a-thenoyltrifluoracetone (TTA) gør det muligt at rense plutonium fra de fleste urenheder, herunder actinid og sjældne jordarters grundstoffer.
Vandige opløsninger af plutoniumioner i forskellige tilstande har følgende farver: Pu(III), som Pcs + (blå eller lavendel); Pu(IV), som Pc4* (gul-brun); Pu(VI), som Pu0 2 2+ (lyserød-orange). Pu(V), ligesom Pu0 2+, er oprindeligt lyserød, men da den er ustabil i opløsning, disproportioneres denne ion til Pu 4+ og Pu0 2 2+; Pu 4+ oxideres derefter, bevæger sig fra Pu0 2+ til Pu0 2 2+ og reduceres til Pu 3+. En vandig opløsning af plutonium bliver således med tiden en blanding af Pcs + og Pu0 2 2+. Pu(VII), som Pu0 5 2 - (mørkeblå).
For at detektere plutonium anvendes en radiometrisk metode, baseret på måling af a-strålingen af plutonium og dets energi. Denne metode er kendetegnet ved ret høj følsomhed: den tillader opdage 0,0001 µg 2 39Pi. Hvis der er andre α-emittere i den analyserede prøve, kan identifikation af plutonium udføres ved at måle energien af α-partikler ved hjælp af α-spektrometre.
En række kemiske og fysisk-kemiske metoder til kvalitativ bestemmelse af plutonium anvender forskellen i egenskaberne af plutoniums valensformer. Pu(III)-ionen i ret koncentrerede vandige opløsninger kan påvises på dens klare blå farve, som adskiller sig skarpt fra den gulbrune farve af vandige opløsninger indeholdende Pu(IV)-ioner.
Lysabsorptionsspektrene for opløsninger af plutoniumsalte i forskellige oxidationstilstande har specifikke og smalle absorptionsbånd, hvilket gør det muligt at identificere valensformer og detektere en af dem i nærværelse af andre. De mest karakteristiske lysabsorptionsmaksima for Pu(III) ligger i området 600 og 900 mmk, Pu(IV) - 480 og 66 mmk, Pu(V) - 569 mmk og Pu(VI) 830+835 mmk.
Selvom plutonium er kemisk giftigt, ligesom ethvert tungmetal, er denne effekt svag sammenlignet med dets radiotoksicitet. Plutoniums giftige egenskaber viser sig som en konsekvens af a-radioaktivitet.
For 2 s 8 Pu, 2 39Pu, 24op U) 242p u> 244Pu strålingsfaregruppe A, MZA=z,7-uz Bk; for 2 4>Pu og 2 43Pu strålingsfaregruppe B, MZA = 3,7-104 Bq. Hvis den radiologiske toksicitet er 2 3 og taget som enhed, danner den samme indikator for plutonium og nogle andre grundstoffer serien: 235U 1,6 - 2 39Pu 5,0 - 2 4 1 As 3.2 - 9"Sr 4.8 - ^Ra 3.0. Det kan ses, at plutonium ikke er den farligste blandt radionuklider.
Lad os kort diskutere den industrielle produktion af plutonium.
Plutoniumisotoper produceres i kraftige uranreaktorer ved hjælp af langsomme neutroner ved hjælp af (p, y) reaktionen og i forædlingsreaktorer, der bruger hurtige neutroner. Plutoniumisotoper produceres også i kraftreaktorer. I slutningen af det 20. århundrede havde verden produceret i alt -1300 tons plutonium, hvoraf ~300 tons var til våbenbrug, resten var et biprodukt af atomkraftværker (reaktorplutonium).
Plutonium af våbenkvalitet adskiller sig fra plutonium af reaktorkvalitet ikke så meget ved berigelsesgrad og kemisk sammensætning, men ved dets isotopsammensætning, som på en kompleks måde afhænger af både tidspunktet for bestråling af uran med neutroner og lagringstiden efter. bestråling. Indholdet af isotoperne 24°Pu og 2 4'Pu er særligt vigtigt. Selvom en atombombe kan skabes med ethvert indhold af disse isotoper i plutonium, bestemmer tilstedeværelsen af 2 4 «p u i 239r ikke desto mindre våbnets kvalitet, fordi neutronbaggrunden og sådanne fænomener som vækst af kritisk masse og termisk output afhænger af den. Neutronbaggrunden påvirker den eksplosive enhed ved at begrænse den samlede masse af plutonium og behovet for at opnå høje implosionshastigheder. Derfor krævede bomber af de gamle designs et lavt indhold på 2 4or og. Men "høje" designprojekter bruger plutonium af enhver renhed. Derfor har udtrykket "plutonium af våbenkvalitet" ingen militær betydning; dette er en økonomisk parameter: Et "høj" bombedesign er væsentligt dyrere end et "lavt".
Når andelen af 24op U) stiger, falder prisen på plutonium, og den kritiske masse stiger. Indholdet på 7 % 24°Pu gør de samlede omkostninger ved plutonium minimale. Gennemsnitlig sammensætning af plutonium af våbenkvalitet: 93,4% 239 Ri, 6,o%
24°Pu og 0,6% 241 Pu. Den termiske effekt af sådan plutonium er 2,2 W/kg, niveauet af spontan fission er 27100 fissioner/s. Dette niveau gør det muligt at bruge 4 kg plutonium i et våben med meget lav sandsynlighed for præ-detonation i et godt implosionssystem. Efter 20 år, de fleste af de 24, vil Pu blive til ^'At, hvilket øger varmeafgivelsen markant - op til 2,8 W/kg. Da 241 Pu er meget fissilt, men 241 At ikke er det, vil dette føre til et fald i plutoniums reaktivitetsmargin. Neutronstråling fra 5 kg plutonium af våbenkvalitet på 300.000 neutroner/s skaber et strålingsniveau på 0,003 rad/time i en afstand af 1 m. Baggrunden reduceres med en faktor 10 af reflektoren og det eksplosive stof, der omgiver den. Langvarig kontakt mellem vedligeholdelsespersonale og en nuklear eksplosiv enhed under vedligeholdelsen kan dog resultere i en stråledosis svarende til den årlige grænse.
På grund af den lille forskel i masserne på 2 - "* 9 Pu og 24 °Pu adskilles disse isotoper ikke ved industrielle berigelsesmetoder. Selvom de kan adskilles ved hjælp af en elektromagnetisk separator. Det er dog nemmere at opnå en renere 2 zeRi ved at reducere opholdstiden i reaktoren *3 *i Der er ingen grund til at reducere indholdet af 24 °Pi til mindre end 6%, da denne koncentration ikke interfererer med dannelsen af effektive triggere af termonukleære ladninger.
Ud over plutonium af våbenkvalitet er der også plutonium af reaktorkvalitet. Plutonium fra brugt nukleart brændsel består af mange isotoper. Sammensætningen afhænger af typen af reaktor og driftstilstand. Typiske værdier for en letvandsreaktor: 2 × 8 Pu - 2%, 239Pu - 61%, 24 °Pll - 24%, 24iPu - 10%, 242 Pll - 3%. Det er svært at lave en bombe af sådant plutonium (stort set umuligt for terrorister), men i lande med udviklet teknologi kan reaktorplutonium bruges til at producere nukleare ladninger.
Bord 4. Karakteristika for plutoniumtyper.
Den isotopiske sammensætning af plutonium akkumuleret i reaktoren afhænger af graden af brændstofforbrænding. Af de fem hovedisotoper, der dannes, er to med ulige Z- 2 39Pi og 24,Pi er spaltelige, dvs. i stand til at spalte under påvirkning af termiske neutroner, og kan bruges som reaktorbrændstof. Ved anvendelse af plutonium som reaktorbrændsel er mængden af akkumuleret 2 39 Ri og 241 Ri vigtig. Hvis plutonium genvundet fra brugt brændsel genbruges i hurtige neutronreaktorer, bliver dets isotopsammensætning gradvist mindre egnet til våbenbrug. Efter adskillige brændstofcyklusser gør akkumuleringen af 2 × 8 Pu, #2 4″ Pu og ^ 2 Pu det uegnet til dette formål. Blanding i sådant materiale er en bekvem metode til at "denaturere" plutoniumet, hvilket sikrer, at fissile materialer ikke formerer sig.
Både plutonium af våbenkvalitet og reaktorkvalitet indeholder en vis mængde ^Pu. ^'Pu henfalder til 24 'Am ved emission af en p-partikel. Da datteren 241 At har en væsentlig længere halveringstid (432 l) end forælderen 241 Pu (14,4 l), stiger dens mængde i ladningen (eller i NFC-affaldet) når ^'Pu henfalder. y-Stråling genereret i som et resultat af henfaldet af 241 Am, meget stærkere end 241 Pu, stiger det derfor også over tid Koncentrationen af ®4phi og perioden for dets lagring korrelerer direkte med niveauet af y-stråling som følge af en stigning i indholdet af 24 'As. Plutonium kan ikke opbevares i lang tid - Når det først er brugt, skal det bruges, ellers skal det igen udsættes for tidskrævende og dyrt genbrug.
Bord 5. Nogle karakteristika ved plutonium af våbenkvalitet og reaktorkvalitet
Den mest praktisk talt vigtige isotop 2 39Pu produceres i atomreaktorer under langvarig neutronbestråling af naturligt eller beriget uran:
Desværre finder der også andre nukleare reaktioner sted, hvilket fører til fremkomsten af andre isotoper af plutonium: 2 - 38 Pu, a4or u, 24 Phi og 242 Pu, hvis adskillelse fra 2 39Rc, selv om de kan løses, er en meget vanskelig opgave :
Når uran bestråles af reaktorneutroner, dannes både lette og tunge isotoper af plutonium. Lad os først overveje dannelsen af plutoniumisotoper med en masse mindre end 239.
En lille del af neutronerne, der udsendes under fission, har tilstrækkelig energi til at excitere reaktionen 2 3 8 U(n,2n) 2 3?u. 237 U er en p-emitter og med T’,/ 2 =6,8 dage bliver det til langlivede 2 37Np. Denne isotop i en grafitreaktor på naturligt uran dannes i en mængde på 0,1% af den samlede mængde af samtidigt dannede 2 39Pu. Indfangningen af langsomme neutroner med 2 3?Np fører til dannelsen af 2 3 8 Np. Tværsnittet af denne reaktion er 170 stald. Reaktionskæden ser således ud:
Da der her er tale om to neutroner, er udbyttet proportionalt med kvadratet af strålingsdosen og forholdet mellem mængderne af 238 Pu til 2 39Pu er proportionalt med forholdet 2 39Pu til 238 U. Proportionaliteten overholdes ikke strengt pga. forsinkelsen i dannelsen af 23?Np forbundet med halveringstiden på 6,8 dage af ^U. En mindre vigtig kilde til dannelsen af 238 Pu i 2 39Pu er henfaldet af 242 St, dannet i uranreaktorer. 238 Pu er også dannet af reaktionerne:
Da dette er en tredjeordens neutronreaktion, er forholdet mellem mængden af 2 3 8 Pu dannet på denne måde og 2 39 Pu proportionalt med kvadratet af forholdet * 3 8 Pu til 2 3 8 U. Denne kæde er imidlertid af reaktioner bliver relativt mere signifikant, når man arbejder med uran beriget i ^u.
Koncentrationen af 2 × 8 Pu i en prøve indeholdende 5,6 % 24 °Pu er 0,0115 %. Denne værdi yder et ret væsentligt bidrag til stoffernes samlede a-aktivitet, da ^Pu Ti/2= 86,4 l.
Tilstedeværelsen af 2 6 Pu i plutonium produceret i reaktoren er forbundet med en række reaktioner:
Udbyttet af 2 3 6 Pu under bestråling af uran er ~ω-9-io" 8%.
Fra synspunktet om akkumulering af plutonium i uran er de vigtigste transformationer forbundet med dannelsen af isotopen 2 39Pu. Men andre sidereaktioner er også vigtige, da de bestemmer udbyttet og renheden af målproduktet. Det relative indhold af de tunge isotoper 240 Pu, ^Phi, 242 Pu, samt 23Pu, 2 37Np og ^"Aske afhænger af dosis neutronbestråling af uran (opholdstiden for uran i reaktoren). Tværsnittene for neutronfangst af plutonium isotoper er store nok til at forårsage successive reaktioner (n, y) selv ved lave koncentrationer på 2 39Pu i uran.
Bord 6. Isotopsammensætning af plutonium isoleret fra bestrålet det troner af naturligt uran. _
De 241 Pu dannet under bestrålingen af uran med neutroner bliver til 241 As, som udledes under den kemisk-teknologiske bearbejdning af uranblokke (241 At ophobes dog gradvist igen i renset plutonium). For eksempel stiger a-aktiviteten af metallisk plutonium, der indeholder 7,5 % 24 °Pu, med 2 % efter et år (på grund af dannelsen af 24, At) 24, Pu har et stort fissionstværsnit for reaktorneutroner, svarende til at - afskære stald, hvilket er vigtigt, når man bruger plutonium som reaktorbrændsel.
Hvis uran eller plutonium udsættes for kraftig neutronbestråling, begynder syntesen af mindre aktinider:
Dannet af 2 4*Pu, 2 4*Am reagerer igen med neutroner og danner 2 3 8 Pu og 2 4 2 Pu: 
Denne proces åbner mulighed for at opnå plutoniumpræparater med relativt lav y-stråling.
Ris. 6. Ændring i forholdet mellem plutoniumisotoper under langtidsbestråling af 2 39Pu med en neutronflux på 3*10*4 n/cm 2 s.
Således dannes de langlivede isotoper af plutonium - ^Pu og 2 44Pu under langvarig (ca. hundrede dage eller mere) bestråling med 2 39Pu neutroner. I dette tilfælde når udbyttet af 2 4 2 Pu flere titusinder af procent, mens mængden af 2 44 Pu dannet er en brøkdel af en procent af ^Pu. Samtidig opnås Am, Cm og andet transplutonium samt fragmenteringselementer.
Ved produktion af plutonium bestråles uran (i form af metal) i en industriel reaktor (termisk eller hurtig), hvis fordele er høj neutrontæthed, lav temperatur og muligheden for bestråling i en tid, der er meget kortere end reaktorkampagne.
Hovedproblemet, der opstod under produktionen af plutonium af våbenkvalitet i en reaktor, var at vælge det optimale tidspunkt for bestråling af uran. Faktum er, at isotopen 238, som udgør hovedparten af naturligt uran, fanger neutroner og danner 239Pu, mens 2333 understøtter fissionskædereaktionen. Da dannelsen af tunge isotoper af plutonium kræver yderligere neutronfangst, vokser mængden af sådanne isotoper i uran langsommere end mængden af 2 39Pu. Uran bestrålet i en reaktor i kort tid indeholder en lille mængde på 2 39Pu, men det er renere end ved lange eksponeringer, da skadelige tunge isotoper ikke har haft tid til at samle sig. Imidlertid er 2 39Рц selv udsat for fission, og med en stigning i dens koncentration i reaktoren stiger hastigheden af dens transmutation. Derfor skal uran fjernes fra reaktoren flere uger efter starten af bestrålingen.
Ris. 7- Akkumulering af plutoniumisotoper i reaktoren: l - ^Pu; 2 - 240 Pu (på korte tidspunkter dannes plutonium af våbenkvalitet, og på lange tidspunkter dannes plutonium af reaktorkvalitet, dvs. uegnet til våbenbrug).
En brændselscelles samlede bestrålingshastighed er udtrykt i megawattdage/ton. Plutonium af våbenkvalitet fremstilles af grundstoffer med en lille mængde MW-dag/t og producerer færre biproduktisotoper. Brændselsceller i moderne trykvandsreaktorer når niveauer på 33.000 MW-dag/t. Typisk eksponering i en forædlingsreaktor er 100 MW-dag/t. Under Manhattan-projektet modtog naturligt uranbrændsel kun 100 MW-dag/t, så det producerede en meget høj kvalitet 239 Ri (i alt 1 % 24°Pll).
Kemi
Plutonium Pu - grundstof nr. 94 er forbundet med meget store håb og meget stor frygt for menneskeheden. I disse dage er det et af de vigtigste, strategisk vigtige elementer. Det er det dyreste af de teknisk vigtige metaller – det er meget dyrere end sølv, guld og platin. Han er virkelig dyrebar.
Baggrund og historie
I begyndelsen var der protoner - galaktisk brint. Som et resultat af dets kompression og efterfølgende nukleare reaktioner blev de mest utrolige "barrer" af nukleoner dannet. Blandt dem, disse "barrer", var der tilsyneladende dem, der indeholdt 94 protoner. Teoretikeres skøn tyder på, at omkring 100 nukleonformationer, som omfatter 94 protoner og fra 107 til 206 neutroner, er så stabile, at de kan betragtes som kernerne af isotoper af grundstof nr. 94.
Men alle disse isotoper - hypotetiske og virkelige - er ikke så stabile, at de kan overleve den dag i dag siden dannelsen af solsystemets elementer. Halveringstiden for den længstlevende isotop af grundstof nr. 94 er 81 millioner år. Galaksens alder måles i milliarder af år. Følgelig havde det "ur-"-plutonium ingen chance for at overleve den dag i dag. Hvis det blev dannet under den store syntese af universets elementer, så "uddøde" de gamle atomer i det for længe siden, ligesom dinosaurer og mammutter uddøde.
I det 20. århundrede ny æra, AD, blev dette element genskabt. Af de 100 mulige isotoper af plutonium er 25 blevet syntetiseret.De nukleare egenskaber af 15 af dem er blevet undersøgt. Fire har fundet praktisk anvendelse. Og det blev åbnet for ganske nylig. I december 1940, da uran blev bestrålet med tunge brintkerner, opdagede en gruppe amerikanske radiokemikere ledet af Glenn T. Seaborg en hidtil ukendt alfapartikeludsender med en halveringstid på 90 år. Denne emitter viste sig at være isotopen af grundstof nr. 94 med et massetal på 238. Samme år, men et par måneder tidligere, blev E.M. McMillan og F. Abelson opnåede det første grundstof tungere end uran, grundstof nummer 93. Dette grundstof blev kaldt neptunium, og grundstof 94 blev kaldt plutonium. Historikeren vil bestemt sige, at disse navne stammer fra romersk mytologi, men i det væsentlige er oprindelsen af disse navne snarere ikke mytologisk, men astronomisk.
Grundstoffer nr. 92 og 93 er opkaldt efter de fjerne planeter i solsystemet - Uranus og Neptun, men Neptun er ikke den sidste i solsystemet, endnu længere ligger Plutos bane - en planet, som man næsten intet endnu ved. .. En lignende konstruktion Vi ser også på "venstre flanke" af det periodiske system: uran - neptunium - plutonium, dog ved menneskeheden meget mere om plutonium end om Pluto. Forresten opdagede astronomer Pluto blot ti år før syntesen af plutonium - næsten samme tidsperiode adskilte opdagelserne af Uranus - planeten og uran - grundstoffet.
Gåder for kryptografer
Den første isotop af grundstof nr. 94, plutonium-238, har fundet praktisk anvendelse i disse dage. Men i begyndelsen af 40'erne tænkte de ikke engang over det. Det er kun muligt at opnå plutonium-238 i mængder af praktisk interesse ved at stole på den magtfulde atomindustri. På det tidspunkt var det bare i sin vorden. Men det var allerede klart, at ved at frigive energien indeholdt i kernerne af tunge radioaktive grundstoffer, var det muligt at opnå våben med hidtil uset kraft. Manhattan Project dukkede op, som ikke havde mere end et navn til fælles med det berømte New York-område. Dette var det generelle navn for alt arbejde relateret til skabelsen af de første atombomber i USA. Det var ikke en videnskabsmand, men en militærmand, General Groves, der blev udnævnt til leder af Manhattan-projektet, som "kærligt" kaldte sine højtuddannede anklager for "brudte potter."
Lederne af "projektet" var ikke interesserede i plutonium-238. Dens kerner, ligesom kernerne i alle plutoniumisotoper med lige massetal, er ikke fissile af lavenergineutroner, så det kunne ikke tjene som et nukleart sprængstof. Ikke desto mindre udkom de første ikke særlig klare beretninger om grundstoffer nr. 93 og 94 først på tryk i foråret 1942.
Hvordan kan vi forklare dette? Fysikere forstod: syntesen af plutoniumisotoper med ulige massetal var et spørgsmål om tid og ikke for lang. Ulige isotoper forventedes, ligesom uran-235, at kunne understøtte en nuklear kædereaktion. Nogle mennesker så dem som potentielle nukleare sprængstoffer, som endnu ikke var blevet modtaget. Og disse håb plutonium, desværre begrundede han det.
I datidens kryptering blev element nr. 94 ikke kaldt andet end... kobber. Og da behovet opstod for selve kobber (som et strukturelt materiale for nogle dele), så optrådte "ægte kobber" i koderne sammen med "kobber".
"Træet til kundskab om godt og ondt"
I 1941 blev den vigtigste isotop af plutonium opdaget - en isotop med massenummer 239. Og næsten øjeblikkeligt blev teoretikernes forudsigelse bekræftet: plutonium-239 kerner blev spaltet af termiske neutroner. Desuden blev der under deres fission produceret ikke mindre antal neutroner end under fissionen af uran-235. Måder at opnå denne isotop i store mængder blev straks skitseret...
Der er gået år. Nu er det ingen hemmelighed for nogen, at atombomberne, der er opbevaret i arsenaler, er fyldt med plutonium-239, og at disse bomber er nok til at forårsage uoprettelig skade på alt liv på Jorden.
Der er en udbredt tro på, at menneskeheden tydeligvis havde travlt med opdagelsen af den nukleare kædereaktion (hvis uundgåelige konsekvens var skabelsen af en atombombe). Du kan tænke anderledes eller lade som om du tænker anderledes - det er mere behageligt at være optimist. Men selv optimister står uundgåeligt over for spørgsmålet om videnskabsmænds ansvar. Vi husker den triumferende junidag 1954, dagen hvor det første atomkraftværk i Obninsk tændte. Men vi kan ikke glemme morgenen august 1945 - "Hiroshimas morgen", "Albert Einsteins sorte dag"... Vi husker de første efterkrigsår og den voldsomme atomafpresning - grundlaget for amerikansk politik i disse år . Men har menneskeheden ikke oplevet mange problemer i de efterfølgende år? Desuden blev disse bekymringer intensiveret mange gange af bevidstheden om, at hvis en ny verdenskrig brød ud, ville der blive brugt atomvåben.
Her kan du prøve at bevise, at opdagelsen af plutonium ikke tilføjede frygt til menneskeheden, at det tværtimod kun var nyttigt.
Lad os sige, at det skete, at plutonium af en eller anden grund, eller som man ville sige i gamle dage, ved Guds vilje, var utilgængeligt for videnskabsmænd. Ville vores frygt og bekymringer så blive reduceret? Intet skete. Atombomber ville blive lavet af uranium-235 (og i ikke mindre mængder end af plutonium), og disse bomber ville "æde" endnu større dele af budgetterne end nu.
Men uden plutonium ville der ikke være udsigt til fredelig udnyttelse af atomenergi i stor skala. Der ville simpelthen ikke være nok uran-235 til et "fredelig atom". Det onde påført menneskeheden ved opdagelsen af kerneenergi ville ikke blive afbalanceret, selv delvist, af resultaterne af det "gode atom".
Hvordan man måler, hvad man sammenligner med
Når en plutonium-239-kerne spaltes af neutroner i to fragmenter med omtrent samme masse, frigives omkring 200 MeV energi. Dette er 50 millioner gange mere energi frigivet i den mest berømte eksoterme reaktion C + O 2 = CO 2. "Brænder" i en atomreaktor giver et gram plutonium 2.107 kcal. For ikke at bryde traditionen (og i populære artikler måles energien af nukleart brændsel normalt i ikke-systemiske enheder - tons kul, benzin, trinitrotoluen osv.), bemærker vi også: dette er energien indeholdt i 4 tons af kul. Og et almindeligt fingerbøl indeholder en mængde plutonium, der energimæssigt svarer til fyrre billæs godt birkebrænde.
Den samme energi frigives under fission af uran-235 kerner af neutroner. Men hovedparten af naturligt uran (99,3%!) er isotopen 238 U, som kun kan bruges ved at omdanne uran til plutonium...
Energi af sten
Lad os vurdere energiressourcerne i naturlige uranreserver.
Uran er et sporstof og findes næsten overalt. Enhver, der har besøgt for eksempel Karelen, vil sikkert huske granitsten og kystklipper. Men de færreste ved, at et ton granit indeholder op til 25 g uran. Granitter udgør næsten 20 % af vægten af jordskorpen. Hvis vi kun tæller uran-235, så indeholder et ton granit 3,5-105 kcal energi. Det er meget, men...
Forarbejdning af granit og udvinding af uran fra det kræver, at der bruges en endnu større mængde energi - omkring 106-107 kcal/t. Hvis det nu var muligt at bruge ikke kun uranium-235, men også uranium-238 som energikilde, så kunne granit i det mindste betragtes som et potentielt energiråmateriale. Så ville energien opnået fra et ton sten være fra 8-107 til 5-108 kcal. Det svarer til 16-100 tons kul. Og i dette tilfælde kunne granit give mennesker næsten en million gange mere energi end alle de kemiske brændstofreserver på Jorden.
Men uran-238 kerner spaltes ikke af neutroner. Denne isotop er ubrugelig til atomenergi. Mere præcist ville det være nytteløst, hvis det ikke kunne omdannes til plutonium-239. Og hvad der er særligt vigtigt: Der skal praktisk talt ikke bruges energi på denne nukleare transformation - tværtimod produceres energi i denne proces!
Lad os prøve at finde ud af, hvordan dette sker, men først et par ord om naturligt plutonium.
400 tusind gange mindre end radium
Det er allerede blevet sagt, at isotoper af plutonium ikke er blevet bevaret siden syntesen af elementer under dannelsen af vores planet. Men det betyder ikke, at der ikke er plutonium i Jorden.
Det dannes hele tiden i uranmalm. Ved at fange neutroner fra kosmisk stråling og neutroner produceret ved spontan spaltning af uran-238-kerner, bliver nogle - meget få - atomer af denne isotop til atomer af uran-239. Disse kerner er meget ustabile, de udsender elektroner og øger derved deres ladning. Neptunium, det første transuran-element, dannes. Neptunium-239 er også meget ustabil, og dens kerner udsender elektroner. På kun 56 timer bliver halvdelen af neptunium-239 til plutonium-239, hvis halveringstid allerede er ret lang - 24 tusind år.
Hvorfor udvindes plutonium ikke fra uranmalm?? Lav, for lav koncentration. "Produktion pr. gram - arbejdskraft pr. år" - det handler om radium, og plutonium i malme er 400 tusind gange mindre end radium. Derfor er det ekstremt svært ikke kun at udvinde, men endda at opdage "terrestrisk" plutonium. Dette blev først gjort efter at de fysiske og kemiske egenskaber af plutonium produceret i atomreaktorer blev undersøgt.
Plutonium ophobes i atomreaktorer. I kraftige neutronstrømme sker den samme reaktion som i uranmalme, men hastigheden for dannelse og akkumulering af plutonium i reaktoren er meget højere - en milliard milliarder gange. Til reaktionen med at omdanne ballast uranium-238 til energikvalitetsplutonium-239 skabes optimale (inden for acceptable) forhold.
Hvis reaktoren arbejder på termiske neutroner (husk på, at deres hastighed er omkring 2000 m pr. sekund, og deres energi er en brøkdel af en elektronvolt), så opnås fra en naturlig blanding af uraniumisotoper en mængde plutonium, der er lidt mindre end mængden af "udbrændt" uran-235. Lidt, men mindre, plus de uundgåelige tab af plutonium under dets kemiske adskillelse fra bestrålet uran. Derudover opretholdes den nukleare kædereaktion kun i den naturlige blanding af uranisotoper, indtil en lille del af uran-235 er forbrugt. Deraf den logiske konklusion: en "termisk" reaktor, der anvender naturligt uran - den vigtigste type reaktorer, der i øjeblikket er i drift - kan ikke sikre en udvidet reproduktion af nukleart brændsel. Men hvad er lovende så? For at besvare dette spørgsmål, lad os sammenligne forløbet af den nukleare kædereaktion i uranium-235 og plutonium-239 og introducere et andet fysisk koncept i vores diskussioner.
Den vigtigste egenskab ved ethvert nukleart brændsel er det gennemsnitlige antal neutroner, der udsendes, efter at kernen har fanget én neutron. Fysikere kalder det eta-tallet og betegner det med det græske bogstav q. I "termiske" reaktorer på uran observeres følgende mønster: hver neutron genererer i gennemsnit 2,08 neutroner (η = 2,08). Plutonium placeret i en sådan reaktor under påvirkning af termiske neutroner giver η = 2,03. Men der er også reaktorer, der opererer på hurtige neutroner. Det er nytteløst at indlæse en naturlig blanding af uranisotoper i en sådan reaktor: en kædereaktion vil ikke forekomme. Men hvis "råmaterialet" er beriget med uran-235, kan det udvikles i en "hurtig" reaktor. I dette tilfælde vil c allerede være lig med 2,23. Og plutonium, udsat for hurtig neutronild, vil give η lig med 2,70. Vi vil have "ekstra halv neutron" til vores rådighed. Og det er slet ikke lidt.
Lad os se, hvad de resulterende neutroner bliver brugt på. I enhver reaktor er en neutron nødvendig for at opretholde en nuklear kædereaktion. 0,1 neutroner absorberes af installationens byggematerialer. "Overskuddet" bruges til at akkumulere plutonium-239. I det ene tilfælde er "overskuddet" 1,13, i det andet er det 1,60. Efter "afbrændingen" af et kilogram plutonium i en "hurtig" reaktor frigives kolossal energi, og 1,6 kg plutonium akkumuleres. Og uran i en "hurtig" reaktor vil give den samme energi og 1,1 kg nyt nukleart brændsel. I begge tilfælde er udvidet reproduktion tydelig. Men vi må ikke glemme økonomien.
På grund af en række tekniske årsager tager plutonium-reproduktionscyklussen flere år. Lad os sige fem år. Det betyder, at mængden af plutonium om året kun vil stige med 2%, hvis η=2,23, og med 12%, hvis η=2,7! Kernebrændsel er kapital, og enhver kapital bør give f.eks. 5 % om året. I det første tilfælde er der store tab, og i det andet er der store overskud. Dette primitive eksempel illustrerer "vægten" af hver tiende af et tal i kerneenergi.
Noget andet er også vigtigt. Atomkraft skal holde trit med den stigende efterspørgsel efter energi. Beregninger viser, at hans betingelse først er opfyldt i fremtiden, når η nærmer sig tre. Hvis udviklingen af nukleare energikilder halter bagefter samfundets energibehov, så vil der være to muligheder tilbage: enten "sænke udviklingen" eller tage energi fra nogle andre kilder. De er kendt: termonuklear fusion, udslettelsesenergi af stof og antistof, men er endnu ikke teknisk tilgængelige. Og det vides ikke, hvornår de bliver reelle energikilder for menneskeheden. Og tunge kerners energi er længe blevet en realitet for os, og i dag har plutonium, som den vigtigste "leverandør" af atomenergi, ingen seriøse konkurrenter, undtagen måske uran-233.
Summen af mange teknologier
Når den nødvendige mængde plutonium som følge af kernereaktioner er ophobet i uran, skal det ikke kun adskilles fra selve uranen, men også fra fissionsfragmenter - både uran og plutonium, der er brændt op i kernekædereaktionen. Derudover indeholder uran-plutonium-massen også en vis mængde neptunium. De sværeste ting at adskille er plutonium fra neptunium og sjældne jordarter (lanthanider). Plutonium har som kemisk grundstof været uheldig til en vis grad. Fra et kemikers synspunkt er hovedelementet i kerneenergi kun et af fjorten aktinider. Ligesom sjældne jordarters grundstoffer ligner alle elementer i actinium-serien meget hinanden i kemiske egenskaber; strukturen af de ydre elektronskaller af atomerne i alle elementer fra actinium til 103 er den samme. Hvad der er endnu mere ubehageligt er, at de kemiske egenskaber af actinider ligner egenskaberne af sjældne jordarters grundstoffer, og blandt fissionsfragmenterne af uran og plutonium er der mere end nok lanthanider. Men så kan grundstof 94 være i fem valenstilstande, og dette "søder pillen" - det hjælper med at adskille plutonium fra både uran og fissionsfragmenter.
Valensen af plutonium varierer fra tre til syv. Kemisk er de mest stabile (og derfor de mest almindelige og mest undersøgte) forbindelser tetravalent plutonium.
Adskillelsen af actinider med lignende kemiske egenskaber - uran, neptunium og plutonium - kan baseres på forskellen i egenskaberne af deres tetra- og hexavalente forbindelser.
Det er ikke nødvendigt at beskrive i detaljer alle stadier af den kemiske adskillelse af plutonium og uran. Normalt begynder deres adskillelse med opløsningen af uranstænger i salpetersyre, hvorefter uran, neptunium, plutonium og fragmenteringselementer indeholdt i opløsningen "separeres" ved hjælp af traditionelle radiokemiske metoder til dette - udfældning, ekstraktion, ionbytning og andre . De endelige plutoniumholdige produkter af denne flertrinsteknologi er dens dioxid PuO 2 eller fluorider - PuF 3 eller PuF 4. De reduceres til metal med barium-, calcium- eller lithiumdamp. Imidlertid er plutonium opnået i disse processer ikke egnet til rollen som et strukturelt materiale - brændselselementer i atomkraftreaktorer kan ikke fremstilles af det, og ladningen af en atombombe kan ikke støbes. Hvorfor? Smeltepunktet for plutonium - kun 640°C - er ganske opnåeligt.
Uanset hvilke "ultra-skånsomme" forhold, der bruges til at støbe dele af rent plutonium, vil der altid opstå revner i støbegodset under størkning. Ved 640°C danner størknende plutonium et kubisk krystalgitter. Efterhånden som temperaturen falder, stiger metallets densitet gradvist. Men så nåede temperaturen 480°C, og så falder tætheden af plutonium pludselig kraftigt. Årsagerne til denne anomali blev opdaget ret hurtigt: ved denne temperatur omarrangeres plutoniumatomer i krystalgitteret. Den bliver tetragonal og meget "løs". Sådant plutonium kan flyde i sin egen smelte, som is på vand.
Temperaturen fortsætter med at falde, nu er den nået op på 451°C, og atomerne dannede igen et kubisk gitter, men placeret i større afstand fra hinanden end i det første tilfælde. Ved yderligere afkøling bliver gitteret først ortorhombisk, derefter monoklinisk. I alt danner plutonium seks forskellige krystallinske former! To af dem er kendetegnet ved en bemærkelsesværdig egenskab - en negativ termisk udvidelseskoefficient: med stigende temperatur udvider metallet sig ikke, men trækker sig sammen.
Når temperaturen når 122°C, og plutoniumatomerne omarrangerer deres rækker for sjette gang, ændres tætheden særligt dramatisk - fra 17,77 til 19,82 g/cm 3 . Mere end 10%!
Som følge heraf falder barrens volumen. Hvis metallet stadig kunne modstå de spændinger, der opstod ved andre overgange, så er ødelæggelse i dette øjeblik uundgåelig.
Hvordan laver man så dele af dette fantastiske metal? Metallurger legerer plutonium (tilsætter små mængder af de nødvendige elementer til det) og opnår støbegods uden en enkelt revne. De bruges til at lave plutoniumladninger til atombomber. Ladningens vægt (det bestemmes primært af isotopens kritiske masse) er 5-6 kg. Den kunne sagtens passe ind i en terning med en kantstørrelse på 10 cm.
Tunge isotoper af plutonium
Plutonium-239 indeholder også i små mængder højere isotoper af dette grundstof - med massetal 240 og 241. 240 Pu isotopen er praktisk talt ubrugelig - den er ballast i plutonium. Fra 241 opnås americium - grundstof nr. 95. I sin rene form, uden blanding af andre isotoper, kan plutonium-240 og plutonium-241 opnås ved elektromagnetisk adskillelse af plutonium akkumuleret i reaktoren. Før dette bliver plutonium yderligere bestrålet med neutronfluxer med strengt definerede egenskaber. Selvfølgelig er alt dette meget kompliceret, især da plutonium ikke kun er radioaktivt, men også meget giftigt. At arbejde med det kræver ekstrem forsigtighed.
En af de mest interessante isotoper af plutonium, 242 Pu, kan opnås ved at bestråle 239 Pu i lang tid i neutronstrømme. 242 Pu fanger meget sjældent neutroner og "brænder ud" i reaktoren langsommere end andre isotoper; det fortsætter selv efter at de resterende isotoper af plutonium næsten fuldstændigt er blevet til fragmenter eller er blevet til plutonium-242.
Plutonium-242 er vigtig som "råmateriale" til den relativt hurtige ophobning af højere transuranelementer i atomreaktorer. Hvis plutonium-239 bestråles i en konventionel reaktor, så vil det tage omkring 20 år at akkumulere mikrogram mængder af for eksempel California-252 fra gram plutonium.
Det er muligt at reducere akkumuleringstiden for højere isotoper ved at øge intensiteten af neutronfluxen i reaktoren. Det er det, de gør, men så kan man ikke bestråle store mængder plutonium-239. Denne isotop er trods alt opdelt af neutroner, og der frigives for meget energi i intense strømme. Yderligere vanskeligheder opstår med reaktorkøling. For at undgå disse vanskeligheder ville det være nødvendigt at reducere mængden af bestrålet plutonium. Følgelig ville udbyttet af californium igen blive ringe. Ond cirkel!
Plutonium-242 er ikke fissilt af termiske neutroner, det kan bestråles i store mængder i intense neutronfluxer... Derfor er i reaktorer alle grundstoffer fra americium til fermium "lavet" fra denne isotop og akkumuleres i vægtmængder.
Hver gang det lykkedes forskerne at opnå en ny isotop af plutonium, blev halveringstiden for dens kerner målt. Halveringstiden for isotoper af tunge radioaktive kerner med lige massetal ændres regelmæssigt. (Dette kan ikke siges om ulige isotoper.)
Når massen øges, øges isotopens "levetid" også. For flere år siden var højdepunktet på denne graf plutonium-242. Og hvordan vil denne kurve så gå - med en yderligere stigning i massetallet? Til punkt 1, som svarer til en levetid på 30 millioner år, eller til punkt 2, som svarer til 300 millioner år? Svaret på dette spørgsmål var meget vigtigt for geovidenskab. I det første tilfælde, hvis Jorden for 5 milliarder år siden udelukkende bestod af 244 Pu, ville der nu kun være ét atom af plutonium-244 tilbage i hele Jordens masse. Hvis den anden antagelse er sand, så kan plutonium-244 være i Jorden i koncentrationer, der allerede kunne påvises. Hvis vi var så heldige at finde denne isotop i Jorden, ville videnskaben modtage den mest værdifulde information om de processer, der fandt sted under dannelsen af vores planet.
Halveringstider for nogle isotoper af plutonium
For et par år siden stod forskere over for spørgsmålet: er det værd at prøve at finde tungt plutonium i Jorden? For at besvare det var det først og fremmest nødvendigt at bestemme halveringstiden for plutonium-244. Teoretikere kunne ikke beregne denne værdi med den nødvendige nøjagtighed. Alt håb var kun til eksperimentet.
Plutonium-244 akkumuleret i en atomreaktor. Grundstof nr. 95 - americium (isotop 243 Am) blev bestrålet. Efter at have fanget en neutron blev denne isotop til americium-244; americium-244 blev i et ud af 10 tusinde tilfælde til plutonium-244.
Præparatet af plutonium-244 blev isoleret fra en blanding af americium og curium. Prøven vejede kun et par milliontedele af et gram. Men de var nok til at bestemme halveringstiden for denne interessante isotop. Det viste sig at svare til 75 millioner år. Senere afklarede andre forskere halveringstiden for plutonium-244, men ikke meget - 81 millioner år. I 1971 blev der fundet spor af denne isotop i det sjældne jordarters mineral bastnäsit.
Mange forsøg er blevet gjort af videnskabsmænd på at finde en isotop af transuran-elementet, der lever længere end 244 Pu. Men alle forsøg forblev forgæves. På et tidspunkt blev der stillet håb om curium-247, men efter at denne isotop blev akkumuleret i reaktoren, viste det sig, at dens halveringstid kun er 16 millioner år. Det var ikke muligt at slå rekorden for plutonium-244 - det er den længstlevende af alle isotoper af transuran-elementer.
Selv tungere isotoper af plutonium gennemgår beta-henfald, og deres levetid varierer fra et par dage til et par tiendedele af et sekund. Vi ved med sikkerhed, at alle isotoper af plutonium dannes i termonukleare eksplosioner, op til 257 Pu. Men deres levetid er tiendedele af et sekund, og mange kortlivede isotoper af plutonium er endnu ikke blevet undersøgt.
Muligheder for den første plutoniumisotop
Og endelig - om plutonium-238 - den allerførste af de "menneskeskabte" isotoper af plutonium, en isotop, der til at begynde med virkede ikke lovende. Det er faktisk en meget interessant isotop. Det er udsat for alfa-henfald, det vil sige, at dets kerner spontant udsender alfapartikler - heliumkerner. Alfa-partikler genereret af plutonium-238 kerner bærer høj energi; spredes i stoffet, bliver denne energi til varme. Hvor stor er denne energi? Seks millioner elektronvolt frigives fra henfaldet af en atomkerne af plutonium-238. I en kemisk reaktion frigives den samme energi, når flere millioner atomer oxideres. En elkilde, der indeholder et kilogram plutonium-238, udvikler en termisk effekt på 560 watt. Den maksimale effekt af en kemisk strømkilde med samme masse er 5 watt.
Der er mange emittere med lignende energikarakteristika, men en egenskab ved plutonium-238 gør denne isotop uundværlig. Alfa-henfald er normalt ledsaget af stærk gammastråling, der trænger gennem store lag af stof. 238 Pu er en undtagelse. Energien af gammastråler, der ledsager henfaldet af dens kerner, er lav, og det er ikke svært at beskytte mod det: strålingen absorberes af en tyndvægget beholder. Sandsynligheden for spontan fission af kerner i denne isotop er også lav. Derfor har det fundet anvendelse ikke kun i nuværende kilder, men også i medicin. Batterier indeholdende plutonium-238 tjener som energikilde i specielle hjertestimulatorer.
Men 238 Pu er ikke den letteste kendte isotop af grundstof nr. 94, isotoper af plutonium er opnået med massetal fra 232 til 237. Halveringstiden for den letteste isotop er 36 minutter.
Plutonium er et stort emne. Her fortælles de vigtigste ting. Det er trods alt allerede blevet en standardsætning, at plutoniums kemi er blevet undersøgt meget bedre end kemien af sådanne "gamle" elementer som jern. Der er skrevet hele bøger om plutoniums nukleare egenskaber. Metallurgien af plutonium er en anden fantastisk del af menneskelig viden... Derfor skal du ikke tro, at efter at have læst denne historie, har du virkelig lært plutonium - det vigtigste metal i det 20. århundrede.
- SÅDAN BÆRER DU PLUTONIUM. Radioaktivt og giftigt plutonium kræver særlig omhu under transport. En container er designet specielt til dens transport - en container, der ikke ødelægges selv ved flyulykker. Det er lavet ganske enkelt: Det er en tykvægget rustfri stålbeholder omgivet af en mahogniskal. Det er klart, at plutonium er det værd, men forestil dig, hvor tykke væggene skal være, hvis du ved, at en container til transport af kun to kilo plutonium vejer 225 kg!
- GIFT OG MODgift. Den 20. oktober 1977 rapporterede Agence France-Presse, at der var fundet en kemisk forbindelse, der kan fjerne plutonium fra menneskekroppen. Et par år senere blev en hel del kendt om denne forbindelse. Denne komplekse forbindelse er en lineær carboxylase catechinamid, et stof af chelatklassen (fra det græske "chela" - klo). Plutoniumatomet, frit eller bundet, er fanget i denne kemiske klo. I laboratoriemus blev dette stof brugt til at fjerne op til 70% af absorberet plutonium fra kroppen. Det menes, at denne forbindelse i fremtiden vil hjælpe med at udvinde plutonium fra både produktionsaffald og nukleart brændsel.