Plutonium, element 94, upptäcktes av Glenn Seaborg, Edwin McMillan, Kennedy och Arthur Wahl 1940 vid Berkeley medan de bombarderade ett uranmål med deuteroner från en sextiotums cyklotron. I maj 1940 förutspåddes egenskaperna hos plutonium av Louis Turner.
I december 1940 upptäcktes plutoniumisotopen Pu-238, med en halveringstid på ~90 år, ett år senare - den viktigare Pu-239 med en halveringstid på ~24 000 år.
Pu-239 finns i naturligt uran i form av spår (mängden är en del per 1015), den bildas där som ett resultat av infångningen av en neutron av U-238-kärnan. Extremt små mängder av Pu-244 (den längsta livslängda isotopen av plutonium, med en halveringstid på 80 miljoner år) har hittats i ceriummalm, uppenbarligen kvar från bildningen av jorden.
Det finns 15 kända isotoper av plutonium, som alla är radioaktiva. Den mest betydelsefulla för design kärnvapen:
Pu238 -> (86 år, alfasönderfall) -> U234
Pu239 -> (24 360 år, alfasönderfall) -> U235
Pu240 -> (6580 år, alfasönderfall) -> U236
Pu241 -> (14,0 år, beta-förfall) -> Am241
Pu242 -> (370 000 år, alfasönderfall) -> U238 Fysiska egenskaper hos plutonium
Plutonium är en mycket tung, silverfärgad metall som lyser som nickel när den nyraffineras. Det är ett extremt elektronegativt, reaktivt element, mycket mer än uran. Den bleknar snabbt och bildar en iriserande film (liknande en iriserande oljefilm), till en början ljusgul, för att slutligen bli mörklila. Om oxidationen är tillräckligt hög uppstår ett olivgrönt oxidpulver (PuO2) på dess yta.
Plutonium oxiderar lätt och korroderar snabbt även i närvaro av lätt fukt. Konstigt nog rostar den mycket snabbare i en inert gasatmosfär med vattenånga än i torr luft eller rent syre. Anledningen till detta är att den direkta verkan av syre bildar ett oxidskikt på plutoniumytan, vilket förhindrar ytterligare oxidation. Exponering för fukt ger en lös blandning av oxid och hydrid. En torkugn krävs för att förhindra oxidation och korrosion.
Plutonium har fyra valenser, III-VI. Det löser sig bra endast i mycket sura medier, såsom salpeter- eller saltsyra, det löser sig också bra i jodväte och perklorsyra. Plutoniumsalter hydrolyserar lätt vid kontakt med neutrala eller alkaliska lösningar, vilket skapar olöslig plutoniumhydroxid. Koncentrerade plutoniumlösningar är instabila på grund av radiolytiskt sönderfall som leder till nederbörd.
På grund av sin radioaktivitet är plutonium varmt vid beröring. En stor bit plutonium i en värmeisolerad mantel värms upp till en temperatur som överstiger vattnets kokpunkt.
Main fysikaliska egenskaper plutonium:
Smältpunkt: 641 °C;
Kokpunkt: 3232 °C;
Densitet: 19,84 (i alfafas).
Plutonium har många specifika egenskaper. Den har den lägsta värmeledningsförmågan av alla metaller, den lägsta elektriska ledningsförmågan, med undantag för mangan (enligt andra källor är den fortfarande den lägsta av alla metaller). I sin flytande fas är det den mest trögflytande metallen.
När temperaturen ändras genomgår plutonium de starkaste och mest onaturliga förändringarna i densitet. Plutonium har sex distinkta faser (kristallstrukturer) i fast form, fler än något annat element (faktiskt, med strängare termer, det finns sju). Vissa övergångar mellan faserna åtföljs av dramatiska volymförändringar. I två av dessa faser - delta och delta prime - har plutonium en unik egenskap att krympa med ökande temperatur, och i resten har det en extremt stor värmeutvidgningskoefficient. När det smälts drar plutonium ihop sig, vilket låter osmält plutonium flyta. I sin tätaste form, alfafasen, är plutonium det sjätte tätaste grundämnet (endast osmium, iridium, platina, rhenium och neptunium är tyngre än det). I alfafasen är rent plutonium skört, men flexibla legeringar finns.
(Pu) - en silvervit radioaktiv metall av aktinidgruppen, varm vid beröring (på grund av dess radioaktivitet. Den förekommer naturligt i mycket små mängder i uranharts och andra malmer av uran och cerium, och produceras artificiellt i betydande mängder Omkring 5 ton plutonium har kastats ut i atmosfären som ett resultat kärnvapenprov.Berättelse
Upptäcktes 1940 av Glenn Seaborg, Edwin McMillan, Kennedy och Arthur Wahl 1940 vid Berkeley (USA) under bombardementet av ett uranmål med deuteroner accelererade i en cyklotron.
namnets ursprung
Plutonium fick sitt namn efter planeten Pluto eftersom den tidigare upptäckten kemiskt element fick namnet Neptunius.
Mottagande
Plutonium produceras i kärnreaktorer.
Isotopen 238 U, som utgör huvuddelen av naturligt uran, är till liten användning för fission. För kärnreaktorer anrikas uran något, men andelen 235 U i kärnbränsle är fortfarande liten (cirka 5%). Huvuddelen i bränsleelement är 238 U. Under driften av en kärnreaktor fångar en del av 238 U-kärnorna neutroner och förvandlas till 239 Pu, som senare kan isoleras.
Det är ganska svårt att särskilja plutonium bland produkterna från kärnreaktioner, eftersom plutonium (som uran, torium, neptunium) tillhör aktinider mycket lika i kemiska egenskaper. Uppgiften kompliceras av det faktum att bland sönderfallsprodukterna innehöll sällsynta jordartsmetaller, vars kemiska egenskaper också liknar plutonium. Traditionella radiokemiska metoder används - utfällning, extraktion, jonbyte, etc. Slutprodukten av denna flerstegsteknologi är plutoniumoxider PuO 2 eller fluorider (PuF 3, PuF 4).
Plutonium bryts med hjälp av metallotermisk metod (reduktion av aktiva metaller från oxider och salter i vakuum):
PuF4 +2 Ba = 2BaF2 + Pu
isotoper
Mer än ett dussin isotoper av plutonium är kända, alla är radioaktiva.
Den viktigaste isotopen 239 Pu, kapabel till kärnklyvning och kärnkedjereaktion. Det är den enda isotopen som är lämplig för användning i kärnvapen. Den har bättre indikatorer på neutronabsorption och spridning än uran-235, antalet neutroner per klyvning (cirka 3 mot 2,3) och följaktligen en lägre kritisk massa. Dess halveringstid är cirka 24 tusen år. Andra isotoper av plutonium betraktas i första hand ur skadlighetssynpunkt för den huvudsakliga (väpnade) användningen.
Isotop 238 Pu har en kraftfull alfa-radioaktivitet och, som ett resultat, en betydande värmeavgivning (567 W / kg). Detta skapar olägenheter för användning i kärnvapen, men finner användning i kärnkraftsbatterier. Nästan alla rymdfarkoster som flög utanför Mars omloppsbana har radioisotopreaktorer för 238 Pu. I plutonium av reaktorkvalitet är andelen av denna isotop mycket liten.
Isotop 240 Puär den huvudsakliga föroreningen av plutonium av vapenkvalitet. Den har en hög intensitet av spontant sönderfall, skapar en hög neutronbakgrund, vilket i hög grad komplicerar detonationen av kärnladdningar. Man tror att dess andel av vapen inte bör överstiga 7%.
241 Pu har låg neutronbakgrund och måttlig termisk emission. Dess andel är något mindre än 1 % och påverkar inte egenskaperna hos vapenplutonium. Men med en halveringstid förvandlas 1914 till americium-241, vilket avger mycket värme, vilket kan skapa problem med överhettningsladdningar.
242 Pu har ett mycket litet neutroninfångningsreaktionstvärsnitt och ackumuleras i kärnreaktorer, men i mycket liten mängd (mindre än 0,1%). Det påverkar inte egenskaperna hos vapenplutonium. Den används huvudsakligen för ytterligare kärnreaktioner för syntes av transplutoniumelement: termiska neutroner orsakar inte kärnklyvning, så vilken mängd som helst av denna isotop kan bestrålas med kraftfulla neutronflöden.
Andra isotoper av plutonium är extremt sällsynta och har ingen effekt på tillverkningen av kärnvapen. Tunga isotoper bildas i mycket små mängder, har en kort livslängd (mindre än några dagar eller timmar) och förvandlas genom betasönderfall till motsvarande isotoper av americium. Bland dem sticker ut 244 Pu– Dess halveringstid är cirka 82 miljoner år. Det är den mest isotopen av alla transuranelement.
Ansökan
I slutet av 1995 hade cirka 1270 ton plutonium producerats i världen, varav 257 ton var för militärt bruk, för vilket endast 239 Pu-isotopen är lämplig. Det är möjligt att använda 239 Pu som bränsle i kärnreaktorer, men det förlorar till uran i termer av ekonomiska indikatorer. Kostnaden för upparbetning av kärnbränsle för plutoniumbrytning är mycket högre än kostnaden för låganrikat (~5 % 235 U) uran. Endast Japan har ett energianvändningsprogram för plutonium.
Allotropa modifieringar
I fast form har plutonium sju allotropa modifikationer (dock är faserna a och a1 ibland kombinerade och anses vara en fas). Vid rumstemperatur är plutonium en kristallin struktur som kallas ?-fas. Atomer anslutna kovalent bindning(istället för metallisk), så de fysikaliska egenskaperna ligger närmare mineraler än metaller. Det är ett hårt, sprött material som går sönder i vissa riktningar. Den har låg värmeledningsförmåga bland alla metaller, låg elektrisk ledningsförmåga, med undantag för mangan. α-fasen kan inte bearbetas med konventionell teknik för metaller.
När temperaturen ändras i plutonium omarrangeras strukturen och den genomgår extremt kraftiga förändringar. Vissa övergångar mellan faserna åtföljs av helt enkelt fantastiska förändringar i volym. I två av dessa faser (? och ?1) har plutonium en unik egenskap - en negativ, d.v.s. den krymper med stigande temperatur.
I gamma- och deltafaserna uppvisar plutonium de vanliga egenskaperna hos metaller, särskilt formbarhet. Plutonium uppvisar emellertid instabilitet i deltafasen. Under lätt tryck försöker den lägga sig i en tät (25 %) alfafas. Denna egenskap används i implosionsanordningar av kärnvapen.
I rent plutonium vid tryck över 1 kilobar existerar inte deltafasen alls. Vid tryck över 30 kilobar existerar endast alfa- och betafaser.
plutoniummetallurgi
Plutonium kan stabiliseras i deltafasen vid normalt tryck och rumstemperatur genom att bilda en legering med trevärda metaller som gallium, aluminium, cerium, indium i en koncentration av några molprocent. Det är i denna form som plutonium används i kärnvapen.
Beväpnad plutonium
För tillverkning av kärnvapen är det nödvändigt att uppnå en renhet av den önskade isotopen (235 U eller 239 Pu) på mer än 90%. Skapandet av laddningar från uran kräver många anrikningssteg (eftersom andelen 235 U i naturligt uran är mindre än 1 %), medan andelen 239 Pu i plutonium av reaktorkvalitet vanligtvis är mellan 50 % och 80 % (dvs. nästan 100 gånger mer). Och i vissa reaktordriftslägen är det möjligt att få plutonium som innehåller mer än 90% 239 Pu - sådant plutonium kräver inte anrikning och kan användas direkt för tillverkning av kärnvapen.
Biologisk roll
Plutonium är ett av de giftigaste ämnena man känner till. Plutoniums toxicitet beror inte så mycket på kemiska egenskaper(även om plutonium kanske är lika giftigt som vilken tungmetall som helst) hur mycket av dess alfa-radioaktivitet. Alfa-partiklar hålls kvar även av obetydliga lager av material eller vävnader. Låt oss säga att några millimeter hud kommer att helt absorbera deras flöde och skydda inre organ. Men alfapartiklar orsakar extrem skada på vävnaderna de kommer i kontakt med. Så, plutonium utgör en allvarlig fara om det kommer in i kroppen. Det absorberas mycket dåligt i magkanalen, även om det kommer dit i löslig form. Men intag av ett halvt gram plutonium kan leda till döden inom några veckor på grund av akut exponering av matsmältningskanalen.
Inandning av en tiondel av ett gram plutoniumdamm leder till dödsfall av lungödem inom tio dagar. Inandning av en dos på 20 mg leder till dödsfall av fibros inom en månad. Mindre doser ger en cancerframkallande effekt. Intag av 1 mikrogram plutonium ökar risken för lungcancer med 1 %. Därför garanterar 100 mikrogram plutonium i kroppen nästan utvecklingen av cancer (inom tio år, även om vävnadsskada kan inträffa tidigare).
I biologiska system finns plutonium vanligtvis i +4-oxidationstillståndet och uppvisar en likhet med järn. När det kommer in i blodet är det mest troligt att det koncentreras till vävnader som innehåller järn: benmärg, lever, mjälte. Om till och med 1-2 mikrogram plutonium deponeras i benmärgen kommer immuniteten att försämras avsevärt. Perioden för att ta bort plutonium från benvävnad är 80-100 år, d.v.s. den kommer att förbli där praktiskt taget resten av sitt liv.
Internationella kommissionen för strålskydd har satt det maximala årliga intaget av plutonium till 280 nanogram.
Plutoniumisotopen 238 Pu erhölls först på konstgjord väg den 23 februari 1941 av en grupp amerikanska vetenskapsmän ledda av G. Seaborg genom att bestråla urankärnor med deuteroner. Först då upptäcktes plutonium i naturen: försumbara mängder av 239 Pu finns vanligtvis i uranmalmer som en produkt av den radioaktiva omvandlingen av uran. Plutonium är det första konstgjorda grundämnet som erhålls i kvantiteter tillgängliga för vägning (1942) och det första, vars produktion började i industriell skala.
Namnet på elementet fortsätter det astronomiska temat: det är uppkallat efter Pluto, den andra planeten efter Uranus.
Att vara i naturen, få:
I uranmalmer, som ett resultat av infångning av neutroner (till exempel neutroner från kosmisk strålning) av urankärnor, bildas neptunium (239 Np), produkten b-sönderfall varav naturligt plutonium-239. Plutonium bildas dock i sådana mikroskopiska mängder (0,4-15 delar Pu per 10 12 delar U) att dess utvinning ur uranmalmer inte är aktuellt.
Plutonium produceras i kärnreaktorer. I kraftfulla neutronflöden sker samma reaktion som i uranmalmer, men hastigheten för bildning och ackumulering av plutonium i reaktorn är mycket högre - en miljard miljarder gånger. För reaktionen att omvandla ballasturan-238 till plutonium-239 av kraftkvalitet skapas optimala (inom acceptabla) förhållanden.
Plutonium-244 har också ansamlats i en kärnreaktor. Isotopen för element nr 95 är americium, 243 Am, efter att ha fångat en neutron, förvandlats till americium-244; americium-244 omvandlades till curium, men i ett av 10 tusen fall skedde en övergång till plutonium-244. Från en blandning av americium och curium isolerades ett preparat av plutonium-244 som bara vägde några miljondelar av ett gram. Men de räckte för att bestämma halveringstiden för denna mest intressanta isotop - 75 miljoner år. Den förfinades senare och visade sig vara 82,8 Ma. År 1971 hittades spår av denna isotop i det sällsynta jordartsmetallet bastnäsit. 244 Pu är den längstlivade isotopen av transuranelementen.
Fysikaliska egenskaper:
Silvervit metall, har 6 allotropa modifikationer. Smältpunkt 637°C, kokpunkt - 3235°C. Densitet: 19,82 g/cm3.
Kemiska egenskaper:
Plutonium kan reagera med syre för att bilda oxid(IV), som, liksom alla de första sju aktiniderna, har en svag grundkaraktär.
Pu + O 2 \u003d PuO 2
Reagerar med utspädda svavelsyra, saltsyra, perklorsyra.
Pu + 2HCl(p) = PuCl2 + H2; Pu + 2H 2 SO 4 \u003d Pu (SO 4) 2 + 2H 2
Reagerar inte med salpeter och koncentrerade svavelsyror. Valensen av plutonium varierar från tre till sju. Föreningar av fyrvärt plutonium är kemiskt de mest stabila (och följaktligen de vanligaste och mest studerade). Separationen av aktinider nära i kemiska egenskaper - uran, neptunium och plutonium - kan baseras på skillnaden i egenskaperna hos deras tetra- och sexvärda föreningar.
De viktigaste anslutningarna:
Plutonium(IV)oxid, PuO 2 , har en svag grundkaraktär.
...
...
Ansökan:
Plutonium användes i stor utsträckning vid tillverkning av kärnvapen (det så kallade "vapenplutonium"). Först kärnladdning på grundval av plutonium detonerades den 16 juli 1945 vid Alamogordo-testplatsen (testkodnamnet "Trinity").
Hittar tillämpning (experimentellt) som kärnbränsle för kärnreaktorer för civila och forskningsändamål.
Plutonium-242 är viktigt som "råvara" för den relativt snabba ackumuleringen av högre transuranelement i kärnreaktorer. Om plutonium-239 bestrålas i en konventionell reaktor kommer det att ta cirka 20 år att ackumulera mikrogrammängder plutonium från gram, till exempel kalifornium-251. Plutonium-242 är inte klyvbart av termiska neutroner, och i stora mängder kan det bestrålas i intensiva neutronflöden. Därför, i reaktorer, "gjorda" alla element från californium till einsteinium och ackumuleras i viktmängder från denna isotop.
Kovalenko O.A.
HF Tyumen State University
Källor:
"Skadliga kemikalier: Radioaktiva ämnen" Handbok L. 1990 s. 197
Rabinovich V.A., Khavin Z.Ya. "Kort kemisk referensbok" L.: Chemistry, 1977, s. 90, 306-307.
I. Beckman. Plutonium. (lärobok, 2009)
Plutonium (latin Plutonium, betecknat med symbolen Pu) är ett radioaktivt kemiskt grundämne med atomnummer 94 och atomvikt 244,064. Plutonium är ett element i grupp III i det periodiska systemet av Dmitry Ivanovich Mendeleev, tillhör familjen aktinider. Plutonium är en tung (densitet under normala förhållanden 19,84 g/cm³), spröd, silvervit radioaktiv metall.
Plutonium har inga stabila isotoper. Av de hundra möjliga isotoper av plutonium har tjugofem syntetiserats. Femton av dem har studerats för nukleära egenskaper (massnummer 232-246). Fyra hittades praktisk användning. De längsta livslängda isotoperna - 244Pu (halveringstid 8.26.107 år), 242Pu (halveringstid 3.76 105 år), 239Pu (halveringstid 2.41 104 år), 238Pu (halveringstid 87.74 år) - och α-emittenter 241Pu (halveringstid 14 år) - β-emitter. I naturen förekommer plutonium i spårmängder i uranmalmer (239Pu); det bildas av uran under inverkan av neutroner, vars källor är reaktioner som sker under växelverkan mellan α-partiklar och lätta element (som är en del av malmer), spontan klyvning av urankärnor och kosmisk strålning.
Det nittiofjärde grundämnet upptäcktes av en grupp amerikanska forskare - Glenn Seaborg, Kennedy, Edwin McMillan och Arthur Wahl 1940 vid Berkeley (vid University of California) medan de bombade ett mål med uranoxid (U3O8) av starkt accelererade deuteriumkärnor (deuteroner) från en sextiotums cyklotron. I maj 1940 förutspåddes egenskaperna hos plutonium av Louis Turner.
I december 1940 upptäcktes plutoniumisotopen Pu-238, med en halveringstid på ~90 år, ett år senare - den viktigare Pu-239 med en halveringstid på ~24 000 år.
Edwin Macmillan föreslog 1948 att namnge det kemiska grundämnet plutonium för att hedra upptäckten av den nya planeten Pluto och i analogi med neptunium, som fick sitt namn efter upptäckten av Neptunus.
Metalliskt plutonium (isotop 239Pu) används i kärnvapen och fungerar som kärnbränsle för kraftreaktorer som arbetar på termiska och speciellt på snabba neutroner. Den kritiska massan för 239Pu i form av metall är 5,6 kg. Isotopen 239Pu är bland annat utgångsmaterialet för produktion av transplutoniumelement i kärnreaktorer. 238Pu-isotopen används i små kärnkraftskällor för elektrisk ström som används i rymdforskning, såväl som i stimulatorer av mänsklig hjärtaktivitet.
Plutonium-242 är viktigt som "råvara" för den relativt snabba ackumuleringen av högre transuranelement i kärnreaktorer. δ-stabiliserade plutoniumlegeringar används vid tillverkning av bränsleceller, eftersom de har bättre metallurgiska egenskaper jämfört med rent plutonium, som genomgår fasövergångar vid uppvärmning. Plutoniumoxider används som energikälla för rymdteknik och används i bränslestavar.
Alla plutoniumföreningar är giftiga, vilket är en följd av α-strålning. Alfa-partiklar utgör en allvarlig fara om deras källa finns i en infekterad persons kropp, de skadar kroppsvävnaderna som omger elementet. Plutonium gammastrålning är inte skadlig för kroppen. Det är värt att tänka på att olika isotoper av plutonium har olika toxicitet, till exempel är typiskt plutonium av reaktorkvalitet 8-10 gånger mer giftigt än rent 239Pu, eftersom det domineras av 240Pu-nuklider, som är en kraftfull källa till alfastrålning. Plutonium är det mest radiotoxiska elementet av alla aktinider, men det anses långt ifrån det farligaste elementet, eftersom radium är nästan tusen gånger farligare än den giftigaste isotopen av plutonium - 239Pu.
Biologiska egenskaper
Plutonium koncentreras av marina organismer: ackumuleringskoefficienten för denna radioaktiva metall (förhållandet mellan koncentrationer i kroppen och i miljön) för alger är 1000-9000, för plankton - cirka 2300, för sjöstjärna- cirka 1000, för blötdjur - upp till 380, för muskler, ben, lever och mage hos fisk - 5, 570, 200 respektive 1060. Landlevande växter assimilerar plutonium huvudsakligen genom rotsystemet och ackumulerar det upp till 0,01% av sin massa. I människokroppen behålls det nittiofjärde elementet huvudsakligen i skelettet och levern, varifrån det nästan inte utsöndras (särskilt från benen).
Plutonium är mycket giftigt, och dess kemiska fara (som alla andra tungmetaller) är mycket svagare (ur kemisk synvinkel är det också giftigt som bly.) I jämförelse med dess radioaktiva toxicitet, som är en konsekvens av alfastrålning. Dessutom har α-partiklar en relativt låg penetreringsförmåga: för 239Pu är intervallet för α-partiklar i luft 3,7 cm och i mjuk biologisk vävnad 43 mikron. Därför utgör α-partiklar en allvarlig fara om deras källa finns i den infekterade kroppen. Genom att göra det skadar de kroppens omgivande vävnader.
Samtidigt är γ-strålar och neutroner, som plutonium också avger och som kan penetrera kroppen utifrån, inte särskilt farliga, eftersom deras nivå är för låg för att skada hälsan. Plutonium tillhör gruppen av grundämnen med särskilt hög radiotoxicitet. Samtidigt har olika isotoper av plutonium olika toxicitet, till exempel är typiskt plutonium av reaktorkvalitet 8-10 gånger giftigare än rent 239Pu, eftersom det domineras av 240Pu-nuklider, som är en kraftfull källa till alfastrålning.
När det tas i vatten och mat är plutonium mindre giftigt än ämnen som koffein, vissa vitaminer, pseudoefedrin och många växter och svampar. Detta beror på det faktum att detta element absorberas dåligt av mag-tarmkanalen, även när det tas i form av ett lösligt salt, är just detta salt bundet av innehållet i magen och tarmarna. Däremot kan intag av 0,5 gram finfördelat eller löst plutonium leda till dödsfall från akut matsmältningsbestrålning på dagar eller veckor (för cyanid är detta värde 0,1 gram).
Ur inandningssynpunkt är plutonium ett vanligt toxin (motsvarar ungefär kvicksilverånga). Vid inandning är plutonium cancerframkallande och kan orsaka lungcancer. Så när hundra milligram plutonium andas in i form av partiklar av en optimal storlek för retention i lungorna (1-3 mikron), leder det till döden från lungödem på 1-10 dagar. En dos på tjugo milligram leder till dödsfall av fibros på ungefär en månad. Mindre doser leder till kronisk cancerframkallande förgiftning. Risken för inandning av plutonium i kroppen ökar på grund av att plutonium tenderar att bilda aerosoler.
Trots att den är en metall är den mycket flyktig. En kort vistelse av metallen i rummet ökar avsevärt dess koncentration i luften. Väl i lungorna lägger sig plutonium delvis på lungornas yta, passerar delvis in i blodet och sedan in i lymfan och benmärgen. Det mesta (cirka 60 %) går till benvävnaden, 30 % till levern och endast 10 % utsöndras naturligt. Mängden plutonium som intas beror på storleken på aerosolpartiklarna och lösligheten i blodet.
Plutonium som kommer in i människokroppen på ett eller annat sätt liknar järnjärn i egenskaper, därför, när det kommer in i cirkulationssystemet, börjar plutonium att koncentreras i vävnader som innehåller järn: Benmärg, lever, mjälte. Kroppen uppfattar plutonium som järn, därför tar transferrinproteinet plutonium istället för järn, vilket stoppar överföringen av syre i kroppen. Mikrofager sprider plutonium genom lymfkörtlarna. Plutoniumet som har kommit in i kroppen avlägsnas från det under mycket lång tid - över 50 år kommer endast 80% att tas bort från kroppen. Elimineringshalveringstiden från levern är 40 år. För benvävnad är halveringstiden för plutonium 80-100 år, i själva verket är koncentrationen av det nittiofjärde elementet i benen konstant.
Under andra världskriget och efter det genomförde forskare som arbetade i Manhattan-projektet, liksom forskare från Tredje riket och andra forskningsorganisationer, experiment med plutonium på djur och människor. Djurstudier har visat att några milligram plutonium per kilo vävnad är en dödlig dos. Användningen av plutonium hos människor bestod i att kroniskt sjuka patienter vanligtvis injicerades intramuskulärt med 5 mikrogram plutonium. Till slut fann man att den dödliga dosen för en patient är lika med ett mikrogram plutonium, och att plutonium är farligare än radium och benäget att ansamlas i ben.
Som ni vet är plutonium ett grundämne som praktiskt taget saknas i naturen. Emellertid släpptes cirka fem ton av det ut i atmosfären som ett resultat av kärnvapenprov under perioden 1945-1963. Den totala mängden plutonium som släpptes ut i atmosfären på grund av kärnvapenprovningar före 1980-talet uppskattas till 10 ton. Enligt vissa uppskattningar innehåller jorden i USA i genomsnitt 2 millicurie (28 mg) plutonium per km2 från nedfall, och förekomsten av plutonium i Stilla havetökat jämfört med den allmänna fördelningen av kärnmaterial på jorden.
Det senare fenomenet är förknippat med utförandet av amerikanska kärnvapenprov på Marshallöarnas territorium på testplatsen i Stilla havet i mitten av 1950-talet. Uppehållstiden för plutonium i havets ytvatten är från 6 till 21 år, men även efter denna period faller plutonium till botten tillsammans med biogena partiklar, från vilka det återställs till lösliga former som ett resultat av mikrobiell nedbrytning .
Världsföroreningar från det nittiofjärde elementet är inte bara förknippat med kärnvapenprov, utan också med olyckor i produktion och utrustning som interagerar med detta element. Så i januari 1968 kraschade en US Air Force B-52 med fyra kärnstridsspetsar på Grönland. Som ett resultat av explosionen förstördes laddningarna och plutonium läckte ut i havet.
Ett annat fall av radioaktiv kontaminering av miljön till följd av en olycka inträffade med den sovjetiska rymdfarkosten Kosmos-954 den 24 januari 1978. Som ett resultat av en okontrollerad omloppsbana föll en satellit med en kärnkraftskälla ombord på kanadensiskt territorium. Till följd av en olycka i miljö mer än ett kilo plutonium-238 släpptes och spred sig över ett område på cirka 124 000 m².
Det värsta exemplet på ett oavsiktligt utsläpp av radioaktiva ämnen i miljön är en olycka kl Kärnkraftverket i Tjernobyl som inträffade den 26 april 1986. Som ett resultat av förstörelsen av den fjärde kraftenheten släpptes 190 ton radioaktiva ämnen (inklusive plutoniumisotoper) ut i miljön över ett område på cirka 2200 km².
Utsläpp av plutonium i miljön är inte bara förknippat med olyckor orsakade av människor. Fall av plutoniumläckage är kända, både från laboratorie- och fabriksförhållanden. Mer än tjugo oavsiktliga läckor från 235U och 239Pu laboratorier är kända. Under 1953-1978. akuta fall ledde till en förlust av 0,81 (Mayak, 15 mars 1953) till 10,1 kg (Tomsk, 13 december 1978) 239Pu. Incidenter på industriföretag resulterade i två människors död i staden Los Alamos (21 augusti 1945 och 21 maj 1946) på grund av två olyckor och förlusten av 6,2 kg plutonium. I staden Sarov 1953 och 1963. cirka 8 och 17,35 kg föll utanför kärnreaktorn. En av dem ledde till förstörelsen av en kärnreaktor 1953.
När 238Pu-kärnan klyvs av neutroner frigörs energi i mängden 200 MeV, vilket är 50 miljoner gånger mer än under den mest kända exoterma reaktionen: C + O2 → CO2. "Brann" i en kärnreaktor ger ett gram plutonium 2 107 kcal - detta är energin som finns i 4 ton kol. En fingerborg plutoniumbränsle energimässigt kan likställas med fyrtio vagnslaster bra ved!
Den "naturliga isotopen" av plutonium (244Pu) tros vara den längstlivade isotopen av alla transuranelement. Dess halveringstid är 8,26∙107 år. Forskare har länge försökt att få fram en isotop av ett transuranelement som skulle existera längre än 244Pu - höga förhoppningar i detta avseende sattes på 247Cm. Men efter dess syntes visade det sig att halveringstiden för detta element bara är 14 miljoner år.
Berättelse
1934 gjorde en grupp vetenskapsmän under ledning av Enrico Fermi ett uttalande att under loppet av vetenskapliga arbeten vid universitetet i Rom upptäckte de ett kemiskt grundämne med atomnummer 94. På Fermis insisterande fick grundämnet namnet hesperium, vetenskapsmannen var övertygad om att han hade upptäckt nytt element, som nu kallas plutonium, vilket gör antagandet om existensen av transuranelement och blir deras teoretiska upptäckare. Fermi försvarade denna hypotes i sin Nobelföreläsning 1938. Först efter upptäckten av kärnklyvning av de tyska forskarna Otto Frisch och Fritz Strassmann, tvingades Fermi göra en anteckning i den tryckta versionen, som publicerades i Stockholm 1939, som angav behovet av att revidera "hela problemet med transuranelement". Faktum är att Frisch och Strassmanns arbete visade att aktiviteten som upptäcktes av Fermi i sina experiment berodde just på klyvning, och inte på upptäckten av transuranelement, som han tidigare hade trott.
Det nya, det nittiofjärde elementet, upptäcktes i slutet av 1940. Det hände i Berkeley vid University of California. När man bombarderade uranoxid (U3O8) med tunga vätekärnor (deuteroner) upptäckte en grupp amerikanska radiokemister under ledning av Glenn T. Seaborg en tidigare okänd alfapartikelsändare med en halveringstid på 90 år. Denna sändare visade sig vara en isotop av grundämnet nr 94 med ett masstal av 238. Således erhölls den 14 december 1940 de första mikrogrammängderna plutonium tillsammans med en blandning av andra grundämnen och deras föreningar.
Under ett experiment som genomfördes 1940 fann man att under den pågående kärnreaktionen först erhålls den kortlivade isotopen neptunium-238 (halveringstid 2,117 dagar), och plutonium-238 erhålls redan från den:
23392U (d,2n) → 23893Np → (β−) 23894Pu
Långa och mödosamma kemiska experiment för att separera ett nytt grundämne från föroreningar varade i två månader. Förekomsten av ett nytt kemiskt element bekräftades natten mellan den 23 och 24 februari 1941 av G.T. Seaborg, E.M. minst två oxidationstillstånd. Lite efter slutet av experimenten fann man att denna isotop är icke-klyvbar och därför ointressant för vidare studier. Snart (mars 1941) syntetiserade Kennedy, Seaborg, Segré och Wahl den viktigare isotopen plutonium-239 genom att bestråla uran med högaccelererade neutroner i en cyklotron. Denna isotop produceras genom sönderfallet av neptunium-239, avger alfastrålar och har en halveringstid på 24 000 år. Den första rena föreningen av grundämnet erhölls 1942, och den första plutoniummetallen i vikt erhölls 1943.
Namnet på det nya grundämnet 94 föreslogs 1948 av Macmillan, som några månader före upptäckten av plutonium tillsammans med F. Aibelson fick det första grundämnet tyngre än uran - grundämnet nr 93, som fick namnet neptunium till ära. av planeten Neptunus - den första bakom Uranus. I analogi kallades grundämnet nr 94 plutonium, eftersom planeten Pluto är den andra planeten bakom Uranus. Seaborg föreslog i sin tur att kalla det nya grundämnet för "plutonium", men insåg sedan att namnet inte låter särskilt bra jämfört med "plutonium". Dessutom lade han fram andra namn för det nya grundämnet: ultimium, extermium, på grund av den felaktiga bedömningen vid den tiden att plutonium skulle vara det sista kemiska grundämnet i det periodiska systemet. Som ett resultat fick elementet namnet "plutonium" för att hedra upptäckten av den sista planeten i solsystemet.
Att vara i naturen
Halveringstiden för den längsta livslängda isotopen av plutonium är 75 miljoner år. Siffran är mycket imponerande, men galaxens ålder mäts i miljarder år. Av detta följer att de primära isotoperna av det nittiofjärde elementet, som bildades under den stora syntesen av universums element, inte hade någon chans att överleva till denna dag. Och ändå betyder det inte att det inte finns något plutonium i jorden alls. Det bildas ständigt i uranmalmer. Genom att fånga kosmisk strålning neutroner och neutroner som produceras av spontan (spontan) klyvning av 238U kärnor, förvandlas några - mycket få - atomer av denna isotop till 239U atomer. Kärnorna i detta element är mycket instabila, de avger elektroner och ökar därmed sin laddning, bildandet av neptunium, det första transuranelementet, uppstår. 239Np är också instabilt, dess kärnor avger också elektroner, så på bara 56 timmar förvandlas hälften av 239Np till 239Pu.
Halveringstiden för denna isotop är redan ganska lång, 24 000 år. I genomsnitt är halten 239Pu cirka 400 000 gånger mindre än radiumhalten. Därför är inte bara att extrahera - även att upptäcka "markbundet" plutonium ovanligt svårt. Små mängder av 239Pu - en biljondel - och sönderfallsprodukter kan hittas i uranmalmer, till exempel i en naturlig kärnreaktor i Oklo, Gabon (Västafrika). Den så kallade "naturliga kärnreaktorn" anses vara den enda i världen där bildningen av aktinider och deras klyvningsprodukter i geosfären för närvarande äger rum. Enligt moderna uppskattningar ägde en självförsörjande reaktion med utsläpp av värme rum i denna region för flera miljoner år sedan, som varade mer än en halv miljon år.
Så vi vet redan att i uranmalmer, som ett resultat av att neutroner fångas av urankärnor, bildas neptunium (239Np), vars produkt av β-sönderfall är naturligt plutonium-239. Tack vare speciella instrument - masspektrometrar, upptäcktes närvaron av plutonium-244 (244Pu), som har den längsta halveringstiden - cirka 80 miljoner år, i prekambrisk bastnaesit (i ceriummalm). I naturen förekommer 244Pu främst i form av dioxid (PuO2), som är ännu mindre lösligt i vatten än sand (kvarts). Eftersom den relativt långlivade isotopen plutonium-240 (240Pu) finns i sönderfallskedjan av plutonium-244 sker dess sönderfall, men detta händer mycket sällan (1 fall per 10 000). Mycket små mängder plutonium-238 (238Pu) hänvisar till det mycket sällsynta dubbelbeta-sönderfallet av moderisotopen uranium-238, som har hittats i uranmalmer.
Spår av isotoperna 247Pu och 255Pu har hittats i dammet som samlats efter explosionerna av termonukleära bomber.
Minimala mängder plutonium kan hypotetiskt hittas i människokropp, med tanke på att ett stort antal kärnvapenprov utfördes på ett eller annat sätt relaterat till plutonium. Plutonium ansamlas huvudsakligen i skelettet och levern, varifrån det praktiskt taget inte utsöndras. Dessutom ackumuleras det nittiofjärde elementet av marina organismer; landväxter absorberar plutonium huvudsakligen genom rotsystemet.
Det visar sig att artificiellt syntetiserat plutonium fortfarande existerar i naturen, så varför bryts det inte utan erhålls på konstgjord väg? Faktum är att koncentrationen av detta element är för låg. De säger om en annan radioaktiv metall - radium: "i ett gram produktion - under ett års arbete", och radium i naturen är 400 000 gånger mer än plutonium! Av denna anledning är det extremt svårt att inte bara utvinna - även att upptäcka "markbundet" plutonium. Detta gjordes först efter att de fysikaliska och kemiska egenskaperna hos plutonium som erhållits i kärnreaktorer studerats.
Ansökan
239Pu-isotopen (tillsammans med U) används som kärnbränsle i kraftreaktorer som drivs med termiska och snabba neutroner (främst), samt vid tillverkning av kärnvapen.
Cirka 500 kärnkraftverk runt om i världen genererar cirka 370 GW el (eller 15 % av världens totala elproduktion). Plutonium-236 används vid tillverkning av atomelektriska batterier, vars livslängd når fem år eller mer, de används i strömgeneratorer som stimulerar hjärtat (pacemakers). 238Pu används i små kärnkraftskällor som används i rymdforskning. Så plutonium-238 är kraftkällan för sonderna New Horizons, Galileo och Cassini, Curiosity-rovern och andra rymdfarkoster.
I kärnvapen används plutonium-239, eftersom denna isotop är den enda lämpliga nukliden för användning i en kärnvapenbomb. Dessutom beror den mer frekventa användningen av plutonium-239 i kärnvapenbomber på att plutonium upptar en mindre volym i sfären (där bombkärnan finns), därför kan man vinna på bombens explosiva kraft p.g.a. till denna fastighet.
Upplägget som äger rum kärnkraftsexplosion som involverar plutonium ligger i själva bombens design, vars kärna består av en sfär fylld med 239Pu. I ögonblicket för nedslaget med marken komprimeras sfären till en miljon atmosfärer på grund av strukturen och på grund av det explosiva ämnet som omger denna sfär. Efter nedslaget expanderar kärnan i volym och densitet på kortast tid - tio mikrosekunder, aggregatet glider igenom det kritiska tillståndet på termiska neutroner och övergår till det superkritiska tillståndet på snabba neutroner - en kedja börjar kärnreaktion med deltagande av neutroner och kärnor i grundämnet. Vid den sista explosionen atombomb temperaturen är i storleksordningen tiotals miljoner grader.
Isotoper av plutonium har funnit sin tillämpning i syntesen av transplutonium (efter plutonium) element. Till exempel, i Oak Ridge National Laboratory producerar långvarig neutronbestrålning med 239Pu 24496Cm, 24296Cm, 24997Bk, 25298Cf, 25399Es och 257100Fm. Americium 24195Am erhölls på samma sätt 1944 för första gången. 2010 fungerade plutonium-242-oxid bombarderad med kalcium-48-joner som en källa till ununquadium.
δ-stabiliserade plutoniumlegeringar används vid tillverkning av bränslestavar, eftersom de har betydligt bättre metallurgiska egenskaper jämfört med rent plutonium, som genomgår fasövergångar vid upphettning och är ett mycket sprött och opålitligt material. Legeringar av plutonium med andra element (intermetalliska föreningar) erhålls vanligtvis genom direkt interaktion mellan elementen i de erforderliga förhållandena, huvudsakligen bågsmältning används, ibland erhålls instabila legeringar genom sprayavsättning eller kylning av smältor.
De viktigaste industriella legeringselementen för plutonium är gallium, aluminium och järn, även om plutonium kan bilda legeringar och mellanliggande föreningar med de flesta metaller med sällsynta undantag (kalium, natrium, litium, rubidium, magnesium, kalcium, strontium, barium, europium och ytterbium ). Eldfasta metaller: molybden, niob, krom, tantal och volfram är lösliga i flytande plutonium, men nästan olösliga eller svagt lösliga i fast plutonium. Indium, kisel, zink och zirkonium kan bilda metastabil δ-plutonium (δ"-fas) vid snabb kylning. Gallium, aluminium, americium, scandium och cerium kan stabilisera δ-plutonium vid rumstemperatur.
Stora mängder holmium, hafnium och tallium gör det möjligt att hålla en del δ-plutonium i rumstemperatur. Neptunium är det enda grundämnet som kan stabilisera α-plutonium vid höga temperaturer. Titan, hafnium och zirkonium stabiliserar strukturen av β-plutonium vid rumstemperatur vid snabb kylning. Användningen av sådana legeringar är ganska varierande. Till exempel används en plutonium-galliumlegering för att stabilisera δ-fasen av plutonium, vilket undviker α-δ-fasövergången. Den ternära plutonium-gallium-koboltlegeringen (PuGaCo5) är en supraledande legering vid 18,5 K. Det finns ett antal legeringar (plutonium-zirkonium, plutonium-cerium och plutonium-cerium-kobolt) som används som kärnbränsle.
Produktion
Kommersiellt plutonium erhålls på två sätt. Detta är antingen bestrålning av 238U kärnor som finns i kärnreaktorer, eller separation av radio med kemiska medel(samfällning, extraktion, jonbyte etc.) av plutonium från uran, transuranelement och klyvningsprodukter som finns i använt bränsle.
I det första fallet produceras den i praktiken mest betydelsefulla 239Pu-isotopen (i en blandning med en liten inblandning av 240Pu) i kärnreaktorer med deltagande av uran- och neutronkärnor med användning av β-sönderfall och med deltagande av neptuniumisotoper som en mellanprodukt klyvningsprodukt:
23892U + 21D → 23893Np + 210n;
23893Np → 23894Pu
β--förfall
PÅ denna process en deuteron träffar uran-238, vilket resulterar i neptunium-238 och två neutroner. Därefter klyvs neptunium-238 spontant och avger beta-minus-partiklar som bildar plutonium-238.
Vanligtvis är innehållet av 239Pu i blandningen 90-95%, 240Pu-1-7%, innehållet av andra isotoper överstiger inte tiondels procent. Isotoper med långa halveringstider - 242Pu och 244Pu erhålls genom långvarig bestrålning med 239Pu neutroner. Dessutom är 242Pu-utbytet flera tiotals procent, och 244Pu är en bråkdel av en procent av 242Pu-innehållet. Små mängder isotopiskt rent plutonium-238 bildas när neptunium-237 bestrålas med neutroner. Lätta isotoper av plutonium med massnummer 232-237 erhålls vanligtvis i en cyklotron genom att bestråla uranisotoper med a-partiklar.
Den andra metoden för industriell produktion av 239Pu använder Purex-processen baserad på extraktion med tributylfosfat i ett lätt utspädningsmedel. I den första cykeln renas Pu och U gemensamt från fissionsprodukter och sedan separeras de. I den andra och tredje cykeln utsätts plutonium för ytterligare rening och koncentrering. Schemat för en sådan process är baserat på skillnaden i egenskaperna hos tetra- och hexavalenta föreningar hos de element som ska separeras.
Inledningsvis demonteras använda bränslestavar och beklädnaden som innehåller använt plutonium och uran avlägsnas med fysikaliska och kemiska medel. Därefter löses det utvunna kärnbränslet i salpetersyra. När allt kommer omkring är det ett starkt oxidationsmedel när det är upplöst, och uran, plutonium och föroreningar oxideras. Nollvalens plutoniumatomer omvandlas till Pu + 6 och både plutonium och uran löses upp. Från denna lösning reduceras det nittiofjärde elementet till det trevärda tillståndet med svaveldioxid och fälls sedan ut med lantanfluorid (LaF3).
Utfällningen innehåller dock, förutom plutonium, neptunium och sällsynta jordartsmetaller, men huvuddelen (uran) förblir i lösning. Därefter återoxideras plutoniumet till Pu + 6 och lantanfluorid tillsätts igen. Nu passerar sällsynta jordartsmetaller in i fällningen och plutonium förblir i lösning. Därefter oxideras neptunium till ett fyrvärt tillstånd med kaliumbromat, eftersom detta reagens inte verkar på plutonium, sedan under den sekundära utfällningen med samma lantanfluorid fälls trevärt plutonium ut och neptunium förblir i lösning. Slutprodukterna av sådana operationer är plutoniumhaltiga föreningar - PuO2-dioxid eller fluorider (PuF3 eller PuF4), från vilka (genom reduktion med barium-, kalcium- eller litiumånga) metalliskt plutonium erhålls.
Mer rent plutonium kan uppnås genom elektrolytisk raffinering av pyrokemiskt framställd metall, som utförs i elektrolysceller vid en temperatur av 700 ° C med en elektrolyt av kalium, natrium och plutoniumklorid med hjälp av en volfram- eller tantalkatod. Det sålunda erhållna plutoniumet har en renhet av 99,99 %.
För att erhålla stora mängder plutonium, förädlar reaktorer, de så kallade "uppfödarna" (från Engelska verb att föda upp - föröka sig). Dessa reaktorer har fått sitt namn på grund av deras förmåga att erhålla klyvbart material i en mängd som överstiger kostnaden för detta material att erhålla. Skillnaden mellan reaktorer av denna typ från resten är att neutronerna i dem inte bromsas ner (det finns ingen moderator, till exempel grafit) för att reagera så mycket som möjligt med 238U.
Efter reaktionen bildas 239U-atomer som senare bildar 239Pu. Kärnan i en sådan reaktor, som innehåller PuO2 i utarmad urandioxid (UO2), är omgiven av ett skal av ännu mer utarmat uran-238-dioxid (238UO2), i vilket 239Pu bildas. Den gemensamma användningen av 238U och 235U tillåter "breddare" att producera energi från naturligt uran 50-60 gånger mer än andra reaktorer. Dessa reaktorer har dock en stor nackdel - bränslestavar måste kylas med ett annat medium än vatten, vilket minskar deras energi. Därför beslutades det att använda flytande natrium som kylmedel.
Byggandet av sådana reaktorer i USA började efter andra världskrigets slut, Sovjetunionen och Storbritannien började skapas först på 1950-talet.
Fysikaliska egenskaper
Plutonium är en mycket tung (densitet vid n.a. 19,84 g/cm³) silverfärgad metall, mycket lik nickel i renat tillstånd, men plutonium oxiderar snabbt i luften, mattas, bildar en iriserande film, först ljusgul och blir sedan mörklila . Vid stark oxidation uppstår ett olivgrönt oxidpulver (PuO2) på metallytan.
Plutonium är en mycket elektronegativ och reaktiv metall, många gånger mer än till och med uran. Den har sju allotropa modifikationer (α, β, γ, δ, δ", ε och ζ), som ändras i ett visst temperaturområde och vid ett visst tryckområde. Vid rumstemperatur är plutonium i α-form - detta är den vanligaste allotropiska modifieringen för plutonium I alfafasen är rent plutonium skört och ganska hårt - denna struktur är ungefär lika hård som grått gjutjärn om den inte är legerad med andra metaller för att göra legeringen seg och mjuk. (Endast osmium, iridium , platina, rhenium och neptunium är tyngre än det.) Ytterligare allotropa omvandlingar av plutonium åtföljs av plötsliga förändringar i densitet. och delta-prim. Vid smältning (övergång från epsilonfas till flytande fas) drar också plutonium samman, låter osmält plutonium flyta.
Plutonium kännetecknas av ett stort antal ovanliga egenskaper: det har den lägsta värmeledningsförmågan av alla metaller - vid 300 K är det 6,7 W / (m K); plutonium har den lägsta elektriska ledningsförmågan; i sin flytande fas är plutonium den mest trögflytande metallen. Resistiviteten hos det nittiofjärde elementet vid rumstemperatur är mycket hög för en metall, och denna egenskap kommer att öka med sjunkande temperatur, vilket inte är typiskt för metaller. En sådan "avvikelse" kan spåras upp till en temperatur på 100 K - under detta märke kommer det elektriska motståndet att minska. Men från märket på 20 K börjar motståndet igen att öka på grund av metallens strålningsaktivitet.
Plutonium har den högsta elektriska resistiviteten av någon aktinid som studerats (hittills), vilket är 150 µΩ cm (vid 22°C). Denna metall har låg temperatur smältpunkt (640 °C) och en ovanligt hög kokpunkt (3 227 °C). Närmare smältpunkten har flytande plutonium en mycket hög viskositet och ytspänning jämfört med andra metaller.
På grund av sin radioaktivitet är plutonium varmt vid beröring. En stor bit plutonium i en värmemantel värms upp till en temperatur som överstiger vattnets kokpunkt! Dessutom, på grund av sin radioaktivitet, genomgår plutonium förändringar i sitt kristallgitter över tiden - en sorts glödgning uppstår på grund av självbestrålning på grund av en temperaturökning över 100 K.
Närvaron av ett stort antal allotropa modifieringar i plutonium gör det till en svår metall att bearbeta och rulla ut på grund av fasövergångar. Vi vet redan att i alfaformen liknar det nittiofjärde elementet i egenskaper gjutjärn, men det har egenskapen att förändras och förvandlas till ett formbart material och bildar en formbar β-form vid högre temperaturområden. Plutonium i δ-form är vanligtvis stabilt vid temperaturer mellan 310°C och 452°C, men kan existera vid rumstemperatur om det dopas med låga andelar aluminium, cerium eller gallium. Eftersom det är legerat med dessa metaller kan plutonium användas vid svetsning. I allmänhet har deltaformen mer uttalade metallegenskaper - den ligger nära aluminium när det gäller styrka och smidesförmåga.
Kemiska egenskaper
De kemiska egenskaperna hos det nittiofjärde elementet liknar på många sätt egenskaperna hos dess föregångare i det periodiska systemet - uran och neptunium. Plutonium är en ganska aktiv metall, den bildar föreningar med oxidationstillstånd från +2 till +7. I vattenlösningar uppvisar elementet följande oxidationstillstånd: Pu (III), eftersom Pu3+ (finns i sura vattenlösningar, har en ljuslila färg); Pu (IV), som Pu4+ (chokladnyans); Pu (V), som Pu02+ (klar lösning); Pu(VI) som PuO22+ (ljus orange lösning) och Pu(VII) som PuO53- (grön lösning).
Dessutom kan dessa joner (förutom PuO53-) vara i lösning samtidigt i jämvikt, vilket förklaras av närvaron av 5f-elektroner, som är belägna i den lokaliserade och delokaliserade zonen av elektronomloppsbanan. Vid pH 5-8 dominerar Pu (IV), vilket är det mest stabila bland de andra valenserna (oxidationstillstånd). Plutoniumjoner av alla oxidationstillstånd är benägna att hydrolys och komplexbildning. Förmågan att bilda sådana föreningar ökar i serien Pu5+
Kompakt plutonium oxiderar långsamt i luften och blir täckt av en skimrande oljig oxidfilm. Följande plutoniumoxider är kända: PuO, Pu2O3, PuO2 och fasen med variabel sammansättning Pu2O3 - Pu4O7 (berthollider). I närvaro av en liten mängd fukt ökar hastigheten för oxidation och korrosion avsevärt. Om metallen utsätts för små mängder fuktig luft under tillräckligt lång tid bildas plutoniumdioxid (PuO2) på dess yta. Vid brist på syre kan dess dihydrid (PuH2) också bildas. Överraskande nog rostar plutonium mycket snabbare i en inert gas (t.ex. argon) med vattenånga än i torr luft eller rent syre. Faktum är att detta faktum är lätt att förklara - den direkta verkan av syre bildar ett oxidskikt på plutoniumytan, vilket förhindrar ytterligare oxidation, närvaron av fukt producerar en lös blandning av oxid och hydrid. Förresten, tack vare just en sådan beläggning, blir metallen pyrofor, det vill säga den är kapabel till spontan förbränning, av denna anledning bearbetas metalliskt plutonium som regel i en inert atmosfär av argon eller kväve. Samtidigt är syre ett skyddande ämne och förhindrar att fukt påverkar metallen.
Det nittiofjärde elementet reagerar med syror, syre och deras ångor, men inte med alkalier. Plutonium är mycket lösligt endast i mycket sura medier (t.ex. saltsyra HCl), och löses även i väteklorid, vätejodid, vätebromid, 72 % perklorsyra, 85 % fosforsyra H3PO4, koncentrerad CCl3COOH, sulfaminsyra och kokande koncentrerad salpetersyra. Plutonium löses inte märkbart i alkaliska lösningar.
När alkalier verkar på lösningar som innehåller fyrvärt plutonium fälls en fällning av plutoniumhydroxid Pu(OH)4 xH2O, som har grundläggande egenskaper, ut. När alkalier verkar på lösningar av salter som innehåller PuO2+, fälls amfoter hydroxid PuO2OH ut. Salter motsvarar det - plutoniter, till exempel Na2Pu2O6.
Plutoniumsalter hydrolyserar lätt vid kontakt med neutrala eller alkaliska lösningar, vilket skapar olöslig plutoniumhydroxid. Koncentrerade plutoniumlösningar är instabila på grund av radiolytiskt sönderfall som leder till nederbörd.
| Plutonium | |
|---|---|
| atomnummer | 94 |
| Utseende en enkel substans | |
| Atomegenskaper | |
| Atomisk massa (molär massa) |
244.0642 a. e. m. (/mol) |
| Atomradie | 151 pm |
| Joniseringsenergi (första elektronen) |
491,9 (5,10) kJ/mol (eV) |
| Elektronisk konfiguration | 5f 6 7s 2 |
| Kemiska egenskaper | |
| kovalent radie | n/a pm |
| Jonradie | (+4e) 93 (+3e) 108 pm |
| Elektronnegativitet (enligt Pauling) |
1,28 |
| Elektrodpotential | Pu ← Pu 4+ -1,25V Pu←Pu 3+ -2,0V Pu ← Pu 2+ -1,2V |
| Oxidationstillstånd | 6, 5, 4, 3 |
| Termodynamiska egenskaper en enkel substans | |
| Densitet | 19,84/cm³ |
| Molär värmekapacitet | 32,77 J /(mol) |
| Värmeledningsförmåga | (6,7) W /( ) |
| Smält temperatur | 914 |
| Smältvärme | 2,8 kJ/mol |
| Koktemperatur | 3505 |
| Avdunstningsvärme | 343,5 kJ/mol |
| Molar volym | 12,12 cm³/mol |
| Kristallgittret av ett enkelt ämne | |
| Gallerstruktur | monoklinisk |
| Gitterparametrar | a=6,183 b=4,822 c=10,963 β=101,8 |
| c/a-förhållande | — |
| Debye temperatur | 162 |
Plutonium- ett radioaktivt kemiskt element av aktinidgruppen, som används i stor utsträckning vid tillverkningen kärnvapen(det så kallade "vapenplutoniumet"), samt (experimentellt) som kärnbränsle för kärnreaktorer för civila och forskningsändamål. Det första konstgjorda elementet erhållet i mängder tillgängliga för vägning (1942).
Tabellen till höger visar huvudegenskaperna hos α-Pu, den huvudsakliga allotropiska modifieringen av plutonium, vid rumstemperatur och normalt tryck.
Historien om plutonium
Plutoniumisotopen 238 Pu erhölls först artificiellt den 23 februari 1941 av en grupp amerikanska vetenskapsmän ledda av Glenn Seaborg genom att bestråla kärnor uran deuteroner. Det är anmärkningsvärt att plutonium upptäcktes i naturen först efter konstgjord produktion: försumbara mängder av 239 Pu finns vanligtvis i uranmalmer som en produkt av radioaktiv omvandling av uran.
Att hitta plutonium i naturen
I uranmalmer, som ett resultat av infångning av neutroner (till exempel neutroner från kosmisk strålning), bildas urankärnor neptunium(239 Np), vars β-sönderfallsprodukt är naturligt plutonium-239. Plutonium bildas dock i sådana mikroskopiska mängder (0,4-15 delar Pu per 10 12 delar U) att dess utvinning ur uranmalmer inte är aktuellt.
namnets ursprung plutonium
1930 chockades den astronomiska världen av den underbara nyheten att ny planet, vars existens Percival Lovell, en astronom, matematiker och författare till fantastiska essäer om livet på Mars, länge har talat om. Baserat på långtidsobservationer av rörelser uran och Neptunus Lovell kom till slutsatsen att bortom Neptunus in solsystem det måste finnas en annan, nionde planet, fyrtio gånger längre bort från solen än jorden.
Denna planet, elementen i omloppsbanan som Lovell beräknade redan 1915, upptäcktes på fotografiska bilder tagna den 21, 23 och 29 januari 1930 av astronomen K. Tombo vid Flagstaff Observatory ( USA) . Planeten fick namnet Pluto. Med namnet på denna planet, belägen i solsystemet bortom Neptunus, hette det 94:e elementet plutonium, artificiellt erhållet i slutet av 1940 från kärnorna atomer uran en grupp amerikanska vetenskapsmän ledda av G. Seaborg.
Fysikaliska egenskaper plutonium
Det finns 15 isotoper av plutonium - I de största kvantiteterna erhålls isotoper med masstal från 238 till 242:
238 Pu -> (halveringstid 86 år, alfasönderfall) -> 234 U,
Denna isotop används nästan uteslutande i rymd-RTG, till exempel på alla enheter som flög bortom Mars omloppsbana.
239 Pu -> (halveringstid 24 360 år, alfasönderfall) -> 235 U,
Denna isotop är mest lämplig för konstruktion av kärnvapen och snabba neutronkärnreaktorer.
240 Pu -> (halveringstid 6580 år, alfa-sönderfall) -> 236 U, 241 Pu -> (halveringstid 14,0 år, beta-sönderfall) -> 241 Am, 242 Pu -> (halveringstid 370 000 år, alfa) -förfall) -> 238 U
Dessa tre isotoper är inte av allvarlig industriell betydelse, men de erhålls som biprodukter när energi erhålls i kärnreaktorer på uran, genom successiv infångning av flera neutroner av uran-238 kärnor. Isotopen 242 är mest lik uran-238 i kärntekniska egenskaper. Americium-241, producerat av sönderfallet av 241-isotopen, användes i rökdetektorer.
Plutonium är intressant genom att det genomgår sex fasövergångar från stelningstemperatur till rumstemperatur, mer än något annat kemiskt element. Med den senare ökar densiteten abrupt med 11 %, som ett resultat av att plutoniumgjutgods spricker. Alfafasen är stabil vid rumstemperatur, vars egenskaper anges i tabellen. För applicering är deltafasen, som har en lägre densitet, och ett kubiskt kroppscentrerat gitter bekvämare. Plutonium i deltafasen är mycket seg, medan alfafasen är spröd. För att stabilisera plutonium i deltafasen används legering med trevärda metaller (gallium användes i de första kärnladdningarna).
Användning av plutonium
Det första plutoniumbaserade kärnvapnet detonerades den 16 juli 1945 vid Alamogordo-testplatsen (testkodnamnet "Trinity").
Plutoniums biologiska roll
Plutonium är mycket giftigt; MPC för 239 Pu i öppna vattendrag och i luften i arbetslokaler är 81,4 respektive 3,3*10 −5 Bq/l. De flesta plutoniumisotoper har en hög joniseringstäthet och en kort partikelväg, så dess toxicitet beror inte så mycket på dess kemiska egenskaper (förmodligen, i detta avseende är plutonium inte giftigare än andra tungmetaller), utan på den joniserande effekten på kroppens omgivande vävnader. Plutonium tillhör gruppen av grundämnen med särskilt hög radiotoxicitet. I kroppen producerar plutonium stora irreversibla förändringar i skelettet, levern, mjälten, njurarna och orsakar cancer. Det högsta tillåtna innehållet av plutonium i kroppen bör inte överstiga tiondelar av ett mikrogram.
Konstnärliga verk relaterade till temat plutonium
– Plutonium användes för De Lorean DMC-12-maskinen i filmen Back to the Future som ett bränsle för flödesackumulatorn att resa till framtiden eller det förflutna.
– Laddningen var gjord av plutonium atombomb, sprängd av terrorister i Denver, USA, i arbetet med Tom Clancys "All the fears of the world"
- Kenzaburo Oe "Pinchrunner's Notes"
- 2006 släppte företaget "Beacon Pictures" filmen "Plutonium-239" ( "Pu-239")
