Plütonyum, element 94, Glenn Seaborg, Edwin McMillan, Kennedy ve Arthur Wahl tarafından 1940 yılında Berkeley'de altmış inçlik bir siklotrondan döteronlarla bir uranyum hedefini bombalarken keşfedildi. Mayıs 1940'ta, plütonyumun özellikleri Louis Turner tarafından tahmin edildi.
Aralık 1940'ta, yarılanma ömrü ~90 yıl olan plütonyum izotopu Pu-238 keşfedildi, bir yıl sonra ise yarılanma ömrü ~24.000 yıl olan daha önemli Pu-239 keşfedildi.
Pu-239, doğal uranyumda eser miktarda bulunur (miktar 1015'te bir kısımdır), orada bir nötronun U-238 çekirdeği tarafından yakalanması sonucu oluşur. Son derece küçük miktarlarda Pu-244 (80 milyon yıllık bir yarı ömre sahip en uzun ömürlü plütonyum izotopu) seryum cevherinde bulundu, görünüşe göre Dünya'nın oluşumundan kalma.
Hepsi radyoaktif olan 15 bilinen plütonyum izotopu vardır. Tasarım için en önemli nükleer silahlar:
Pu238 -> (86 yıl, alfa bozunması) -> U234
Pu239 -> (24.360 yıl, alfa bozunması) -> U235
Pu240 -> (6580 yıl, alfa bozunması) -> U236
Pu241 -> (14.0 yıl, beta bozunması) -> Am241
Pu242 -> (370.000 yıl, alfa bozunması) -> U238 Plütonyumun fiziksel özellikleri
Plütonyum, yeni rafine edildiğinde nikel gibi parlayan çok ağır, gümüşi bir metaldir. Uranyumdan çok daha fazla, son derece elektronegatif, reaktif bir elementtir. Hızla solarak yanardöner bir film oluşturur (yanardöner bir yağ filmine benzer), başlangıçta açık sarı, sonunda koyu mor renge dönüşür. Oksidasyon yeterince yüksekse, yüzeyinde zeytin yeşili bir oksit tozu (PuO2) belirir.
Plütonyum kolayca oksitlenir ve hafif nem varlığında bile hızla korozyona uğrar. Garip bir şekilde, su buharlı inert bir gaz atmosferinde kuru havaya veya saf oksijene göre çok daha hızlı paslanır. Bunun nedeni, oksijenin doğrudan etkisinin plütonyum yüzeyinde daha fazla oksidasyonu önleyen bir oksit tabakası oluşturmasıdır. Neme maruz kalma, gevşek bir oksit ve hidrit karışımı üretir. Oksidasyon ve korozyonu önlemek için bir kurutma fırını gereklidir.
Plütonyumun dört değeri vardır, III-VI. Sadece nitrik veya hidroklorik asitler gibi çok asidik ortamlarda iyi çözünür, ayrıca hidroiyodik ve perklorik asitlerde iyi çözünür. Plütonyum tuzları, nötr veya alkali çözeltilerle temas halinde kolayca hidrolize olur ve çözünmeyen plütonyum hidroksit oluşturur. Konsantre plütonyum çözeltileri, çökelmeye yol açan radyolitik ayrışma nedeniyle kararsızdır.
Radyoaktivitesi nedeniyle plütonyum dokunulamayacak kadar sıcaktır. Termal olarak yalıtılmış bir kabuktaki büyük bir plütonyum parçası, suyun kaynama noktasını aşan bir sıcaklığa kadar ısıtılır.
Ana fiziksel özellikler plütonyum:
Erime noktası: 641 °C;
Kaynama noktası: 3232 °C;
Yoğunluk: 19.84 (alfa aşamasında).
Plütonyumun birçok spesifik özelliği vardır. Manganez hariç tüm metallerin en düşük termal iletkenliğine, en düşük elektrik iletkenliğine sahiptir (diğer kaynaklara göre, hala tüm metallerin en düşüktür). Sıvı fazında en viskoz metaldir.
Sıcaklık değiştiğinde, plütonyum yoğunlukta en güçlü ve en doğal olmayan değişikliklere uğrar. Plütonyum, katı halde altı farklı faza (kristal yapılar) sahiptir, diğer elementlerden daha fazladır (aslında, daha katı terimlerle, yedi tane vardır). Fazlar arasındaki bazı geçişlere dramatik hacim değişiklikleri eşlik eder. Bu fazlardan ikisinde - delta ve delta asal - plütonyum, artan sıcaklıkla büzülme gibi benzersiz bir özelliğe sahiptir ve geri kalanında son derece büyük bir termal genleşme katsayısına sahiptir. Eritildiğinde, plütonyum büzülür ve erimemiş plütonyumun yüzmesine izin verir. En yoğun haliyle, alfa fazında, plütonyum altıncı en yoğun elementtir (sadece osmiyum, iridyum, platin, renyum ve neptünyum ondan daha ağırdır). Alfa fazında saf plütonyum kırılgandır, ancak esnek alaşımlar mevcuttur.
(Pu) - aktinit grubundan gümüş-beyaz radyoaktif bir metal, dokunuşa sıcak (radyoaktivitesinden dolayı. Uranyum reçinesinde ve diğer uranyum ve seryum cevherlerinde doğal olarak çok küçük miktarlarda bulunur ve yapay olarak önemli miktarlarda üretilir) Bunun sonucunda atmosfere yaklaşık 5 ton plütonyum atılmıştır. Nükleer test.Hikaye
1940 yılında Glenn Seaborg, Edwin McMillan, Kennedy ve Arthur Wahl tarafından 1940 yılında Berkeley'de (ABD) bir siklotronda hızlandırılmış döteronlarla bir uranyum hedefinin bombardımanı sırasında keşfedildi.
adının kökeni
Plütonyum, önceki keşif nedeniyle Plüton gezegeninin adını almıştır. kimyasal element Neptunius olarak adlandırıldı.
Fiş
Plütonyum nükleer reaktörlerde üretilir.
Doğal uranyumun büyük kısmını oluşturan izotop 238 U, fisyon için çok az kullanışlıdır. Nükleer reaktörler için uranyum bir şekilde zenginleştirilmiştir, ancak nükleer yakıttaki 235 U'luk kısım küçük kalır (yaklaşık %5). Yakıt elemanlarındaki ana kısım 238 U'dur. Bir nükleer reaktörün çalışması sırasında, 238 U çekirdeğinin bir kısmı nötronları yakalar ve daha sonra izole edilebilen 239 Pu'ya dönüşür.
Plütonyum (uranyum, toryum, neptunyum gibi) kimyasal özelliklerde çok benzer aktinitlere ait olduğundan, nükleer reaksiyonların ürünleri arasında plütonyumu ayırt etmek oldukça zordur. Görev, çürüme ürünleri arasında, kimyasal özellikleri de plütonyuma benzeyen nadir toprak elementleri içermesi nedeniyle karmaşıktır. Geleneksel radyokimyasal yöntemler kullanılır - çökeltme, ekstraksiyon, iyon değişimi vb. Bu çok aşamalı teknolojinin son ürünü, plütonyum oksitler PuO 2 veya florürlerdir (PuF 3, PuF 4).
Plütonyum metalotermi yöntemi kullanılarak çıkarılır (aktif metallerin bir vakumda oksitlerden ve tuzlardan indirgenmesi):
PuF 4 +2 Ba = 2BaF 2 + Pu
izotoplar
Bir düzineden fazla plütonyum izotopu bilinmektedir, hepsi radyoaktiftir.
En önemli izotop 239 Pu, nükleer fisyon ve nükleer zincir reaksiyonu yeteneğine sahiptir. Nükleer silahlarda kullanıma uygun tek izotoptur. Uranyum-235'ten daha iyi nötron absorpsiyonu ve saçılması göstergelerine, fisyon başına nötron sayısına (yaklaşık 3'e karşı 2.3) ve buna bağlı olarak daha düşük kritik kütleye sahiptir. Yarı ömrü yaklaşık 24 bin yıldır. Diğer plütonyum izotopları, esas olarak (silahlı) kullanım için zararlılık açısından değerlendirilir.
İzotop 238 Pu güçlü bir alfa radyoaktivitesine ve sonuç olarak önemli bir ısı salınımına (567 W / kg) sahiptir. Bu, nükleer silahlarda kullanım için rahatsızlık yaratır, ancak kullanım bulur. nükleer piller. Mars yörüngesinin ötesine geçen hemen hemen tüm uzay araçları 238 Pu için radyoizotop reaktörlerine sahiptir. Reaktör dereceli plütonyumda bu izotopun oranı çok küçüktür.
İzotop 240 Pu silah sınıfı plütonyumun ana kirleticisidir. Yüksek bir kendiliğinden bozulma yoğunluğuna sahiptir, nükleer yüklerin patlamasını büyük ölçüde karmaşıklaştıran yüksek bir nötron arka planı oluşturur. Silahlardaki payının %7'yi geçmemesi gerektiğine inanılıyor.
241 Pu düşük nötron arka planına ve orta derecede termal emisyona sahiptir. Payı %1'den biraz daha azdır ve silah sınıfı plütonyumun özelliklerini etkilemez. Bununla birlikte, yarılanma ömrü ile 1914, çok fazla ısı yayan ve aşırı ısınma şarjları sorunu yaratabilen americium-241'e dönüşür.
242 Puçok küçük bir nötron yakalama reaksiyonu kesitine sahiptir ve çok küçük bir miktarda (%0,1'den az) olsa da nükleer reaktörlerde birikir. Silah sınıfı plütonyumun özelliklerini etkilemez. Esas olarak transplütonyum elementlerinin sentezi için daha fazla nükleer reaksiyon için kullanılır: termal nötronlar nükleer fisyona neden olmaz, bu nedenle bu izotopun herhangi bir miktarı güçlü nötron akışlarıyla ışınlanabilir.
Diğer plütonyum izotopları son derece nadirdir ve nükleer silah üretimi üzerinde hiçbir etkisi yoktur. Ağır izotoplarçok küçük miktarlarda oluşurlar, kısa bir ömre sahiptirler (birkaç gün veya saatten az) ve beta bozunmasıyla karşılık gelen amerikyum izotoplarına dönüşürler. Aralarında öne çıkıyor 244 Pu- Yarı ömrü yaklaşık 82 milyon yıldır. Tüm transuranyum elementlerinin en izotopudur.
Başvuru
1995'in sonunda dünyada yaklaşık 1270 ton plütonyum üretildi, bunun 257 tonu askeri kullanım içindi ve bunun için sadece 239 Pu izotopu uygun. 239 Pu'yu nükleer reaktörlerde yakıt olarak kullanmak mümkün ancak ekonomik göstergeler açısından uranyuma kaybediyor. Nükleer yakıtın plütonyum madenciliği için yeniden işlenmesinin maliyeti, düşük oranda zenginleştirilmiş (~%5 235 U) uranyum maliyetinden çok daha fazladır. Sadece Japonya'da plütonyum enerji kullanım programı vardır.
allotropik modifikasyonlar
Katı halde, plütonyum yedi allotropik modifikasyona sahiptir (ancak, ? ve ?1 fazları bazen birleştirilir ve bir faz olarak kabul edilir). Oda sıcaklığında plütonyum kristal yapı olarak adlandırılır. ?-evre. bağlı atomlar kovalent bağ(metalik yerine), bu nedenle fiziksel özellikler minerallere metallerden daha yakındır. Belirli yönlerde kırılan sert, kırılgan bir malzemedir. Manganez hariç tüm metaller arasında düşük ısı iletkenliğine, düşük elektrik iletkenliğine sahiptir. α-fazı, metaller için geleneksel teknolojilerle işlenemez.
Plütonyumda sıcaklık değiştiğinde yapı yeniden düzenlenir ve son derece güçlü değişimlere uğrar. Fazlar arasındaki bazı geçişlere, hacimdeki şaşırtıcı değişiklikler eşlik eder. Bu fazların ikisinde (? ve ?1), plütonyumun benzersiz bir özelliği vardır - negatif sıcaklık genleşme katsayısı, yani. artan sıcaklıkla küçülür.
Gama ve delta fazlarında, plütonyum metallerin olağan özelliklerini, özellikle de dövülebilirliği sergiler. Bununla birlikte, plütonyum delta fazında kararsızlık sergiler. Hafif basınç altında yoğun (%25) bir alfa fazına yerleşmeye çalışır. Bu özellik, nükleer silahların patlama cihazlarında kullanılır.
1 kilobarın üzerindeki basınçlarda saf plütonyumda delta fazı hiç yoktur. 30 kilobarın üzerindeki basınçlarda sadece alfa ve beta fazları mevcuttur.
plütonyum metalurjisi
Plütonyum, galyum, alüminyum, seryum, indiyum gibi üç değerlikli metallerle birkaç mol yüzdelik bir konsantrasyonda bir alaşım oluşturarak normal basınç ve oda sıcaklığında delta fazında stabilize edilebilir. Bu formda plütonyum nükleer silahlarda kullanılır.
silahlı plütonyum
Nükleer silahların üretimi için, istenen izotopun (235 U veya 239 Pu) saflığının %90'dan fazla olması gerekir. Uranyumdan yüklerin yaratılması birçok zenginleştirme adımı gerektirir (çünkü doğal uranyumdaki 235 U'luk kısım %1'den azdır), reaktör dereceli plütonyumdaki 239 Pu'luk kısım ise genellikle %50 ila %80 arasındadır (yani, neredeyse 100 kat daha fazla). Ve bazı reaktör çalışma modlarında, %90'dan fazla 239 Pu içeren plütonyum elde etmek mümkündür - bu tür plütonyum zenginleştirme gerektirmez ve doğrudan nükleer silahların üretimi için kullanılabilir.
biyolojik rol
Plütonyum bilinen en zehirli maddelerden biridir. Plütonyumun zehirliliği çok fazla şeyden kaynaklanmamaktadır. kimyasal özellikler(plütonyum belki de herhangi bir ağır metal kadar zehirli olsa da) alfa radyoaktivitesinin ne kadarı. Alfa parçacıkları, önemsiz malzeme veya doku katmanları tarafından bile korunur. Diyelim ki birkaç milimetre cilt, akışlarını tamamen emecek, koruyarak iç organlar. Ancak alfa parçacıkları temas ettikleri dokulara aşırı derecede zarar verirler. Dolayısıyla plütonyum vücuda girerse ciddi bir tehlike oluşturur. Çözünür bir formda oraya ulaşsa bile, mide yolunda çok zayıf bir şekilde emilir. Ancak yarım gram plütonyumun yutulması, sindirim sisteminin akut maruziyeti nedeniyle birkaç hafta içinde ölüme yol açabilir.
Bir gram plütonyum tozunun onda birinin solunması, on gün içinde akciğer ödeminden ölümle sonuçlanır. 20 mg'lık bir dozun solunması, bir ay içinde fibrozdan ölümle sonuçlanır. Daha küçük dozlar kanserojen etkiye neden olur. 1 mikrogram plütonyum yutulması akciğer kanseri riskini %1 artırır. Bu nedenle vücutta 100 mikrogram plütonyum neredeyse kanser gelişimini garanti eder (doku hasarı daha erken ortaya çıkabilse de on yıl içinde).
Biyolojik sistemlerde plütonyum genellikle +4 oksidasyon durumunda bulunur ve demire benzerlik gösterir. Kana girerken, büyük olasılıkla demir içeren dokularda yoğunlaşır: kemik iliği, karaciğer, dalak. Kemik iliğinde 1-2 mikrogram plütonyum bile birikse, bağışıklık önemli ölçüde bozulacaktır. Plütonyumun kemik dokusundan uzaklaştırılma süresi 80-100 yıldır yani. pratikte ömrünün sonuna kadar orada kalacaktır.
Uluslararası Radyolojik Koruma Komisyonu, yıllık maksimum plütonyum alımını 280 nanogram olarak belirlemiştir.
Plütonyum izotopu 238 Pu ilk olarak 23 Şubat 1941'de G. Seaborg liderliğindeki bir grup Amerikalı bilim adamı tarafından uranyum çekirdeklerini döteronlarla ışınlayarak yapay olarak elde edildi. Ancak o zaman doğada plütonyum keşfedildi: ihmal edilebilir miktarlarda 239 Pu genellikle uranyum cevherlerinde uranyumun radyoaktif dönüşümünün bir ürünü olarak bulunur. Plütonyum, tartıma uygun miktarlarda elde edilen ilk yapay elementtir (1942) ve üretimi endüstriyel ölçekte başlayan ilk yapay elementtir.
Öğenin adı astronomik temayı sürdürüyor: adını Uranüs'ten sonraki ikinci gezegen olan Plüton'dan alıyor.
Doğada olmak, elde etmek:
Uranyum cevherlerinde, nötronların (örneğin, kozmik radyasyondan nötronların) uranyum çekirdekleri tarafından yakalanmasının bir sonucu olarak, neptünyum (239 Np) oluşur, ürün b-Çürümesi doğal plütonyum-239 olan. Bununla birlikte, plütonyum o kadar mikroskobik miktarlarda oluşur (10 12 kısım U başına 0.4-15 kısım Pu), uranyum cevherlerinden çıkarılması söz konusu değildir.
Plütonyum nükleer reaktörlerde üretilir. Güçlü nötron akışlarında, uranyum cevherlerinde olduğu gibi aynı reaksiyon meydana gelir, ancak reaktörde plütonyum oluşum ve birikim hızı çok daha yüksektir - bir milyar milyar kat. Balast uranyum-238'in güç dereceli plütonyum-239'a dönüştürülmesinin reaksiyonu için optimal (kabul edilebilir dahilinde) koşullar yaratılır.
Plütonyum-244 de bir nükleer reaktörde birikmiştir. 95 numaralı elementin izotopu amerikyumdur, 243 Am, bir nötron yakalayarak amerikyum-244'e dönüştürülmüştür; americium-244, curium'a dönüştürüldü, ancak 10 bin vakadan birinde plütonyum-244'e geçiş oldu. Bir amerikyum ve küriyum karışımından, bir gramın sadece birkaç milyonda biri ağırlığında bir plütonyum-244 müstahzarı izole edildi. Ancak bu en ilginç izotopun yarı ömrünü belirlemek için yeterliydiler - 75 milyon yıl. Daha sonra rafine edildi ve 82.8 Ma olduğu bulundu. 1971 yılında, nadir toprak minerali bastnäsite'de bu izotopun izleri bulundu. 244 Pu, uranyumötesi elementlerin en uzun ömürlü izotopudur.
Fiziksel özellikler:
Gümüş-beyaz metal, 6 allotropik modifikasyona sahiptir. Erime noktası 637°C, kaynama noktası - 3235°C. Yoğunluk: 19,82 g/cm3.
Kimyasal özellikler:
Plütonyum oksijenle reaksiyona girerek ilk yedi aktinit gibi zayıf bir bazik karaktere sahip olan oksit(IV) oluşturabilir.
Pu + O2 \u003d PuO 2
Seyreltik sülfürik, hidroklorik, perklorik asitlerle reaksiyona girer.
Pu + 2HCl(p) = PuCl2 + H2; Pu + 2H 2 SO 4 \u003d Pu (SO 4) 2 + 2H 2
Nitrik ve konsantre sülfürik asitlerle reaksiyona girmez. Plütonyumun değeri üç ila yedi arasında değişir. Dört değerlikli plütonyum bileşikleri kimyasal olarak en kararlı olanlardır (ve dolayısıyla en yaygın ve en çok çalışılanlardır). Uranyum, neptünyum ve plütonyum gibi kimyasal özelliklere yakın aktinitlerin ayrılması, tetra ve altı değerli bileşiklerinin özelliklerindeki farklılığa dayanabilir.
En önemli bağlantılar:
Plütonyum(IV) oksit, PuO 2 , zayıf bir temel karaktere sahiptir.
...
...
Başvuru:
Plütonyum, nükleer silahların ("silah dereceli plütonyum" olarak adlandırılan) üretiminde yaygın olarak kullanıldı. İlk nükleer yük plütonyum temelinde, 16 Temmuz 1945'te Alamogordo test sahasında patlatıldı ("Trinity" kod adlı test).
Sivil ve araştırma amaçlı nükleer reaktörler için nükleer yakıt olarak (deneysel olarak) uygulama bulur.
Plütonyum-242, nükleer reaktörlerde daha yüksek uranyumötesi elementlerin nispeten hızlı birikimi için bir "hammadde" olarak önemlidir. Eğer plütonyum-239 geleneksel bir reaktörde ışınlanırsa, gramlardan mikrogram miktarlarda plütonyum, örneğin kaliforniyum-251 biriktirmek yaklaşık 20 yıl alacaktır. Plütonyum-242, termal nötronlar tarafından bölünemez ve yoğun nötron akışlarında büyük miktarlarda ışınlanabilir. Bu nedenle reaktörlerde, kaliforniyumdan einsteinium'a kadar tüm elementler bu izotoptan “yapılır” ve ağırlık miktarlarında biriktirilir.
Kovalenko O.A.
HF Tümen Devlet Üniversitesi
Kaynaklar:
"Zararlı kimyasallar: Radyoaktif maddeler" El Kitabı L. 1990 s. 197
Rabinovich V.A., Khavin Z.Ya. "Kısa kimyasal referans kitabı" L.: Kimya, 1977, s. 90, 306-307.
İÇİNDE. Beckman. plütonyum. (ders kitabı, 2009)
Plütonyum (Pu sembolü ile gösterilen Latince Plütonyum), atom numarası 94 ve atom ağırlığı 244.064 olan radyoaktif bir kimyasal elementtir. Plütonyum, Dmitry Ivanovich Mendeleev'in periyodik sisteminin III. grubunun bir elementidir, aktinit ailesine aittir. Plütonyum ağır (normal koşullar altında yoğunluğu 19,84 g/cm³), kırılgan, gümüş-beyaz radyoaktif bir metaldir.
Plütonyumun kararlı izotopları yoktur. Yüz olası plütonyum izotopundan yirmi beşi sentezlendi. Bunlardan 15 tanesi nükleer özellikler için incelenmiştir (kütle numaraları 232-246). dört bulundu pratik kullanım. En uzun ömürlü izotoplar - 244Pu (yarı ömür 8.26.107 yıl), 242Pu (yarı ömür 3.76 105 yıl), 239Pu (yarı ömür 2.41 104 yıl), 238Pu (yarı ömür 87.74 yıl) - α-yayıcıları ve 241Pu (yarı ömür 14 yıl) - β-yayıcı. Doğada plütonyum eser miktarlarda uranyum cevherlerinde (239Pu) bulunur; kaynakları, a-parçacıklarının hafif elementlerle (cevherlerin bir parçası olan), uranyum çekirdeğinin kendiliğinden fisyonuyla ve kozmik radyasyonla etkileşimi sırasında meydana gelen reaksiyonlar olan nötronların etkisi altında uranyumdan oluşur.
Doksan dördüncü element, bir grup Amerikalı bilim adamı - Glenn Seaborg, Kennedy, Edwin McMillan ve Arthur Wahl tarafından 1940'ta Berkeley'de (California Üniversitesi'nde) yüksek oranda hızlandırılmış döteryum çekirdekleri tarafından bir uranyum oksit hedefini ( U3O8) bombalarken keşfedildi. (döteronlar) altmış inçlik bir siklotrondan. Mayıs 1940'ta, plütonyumun özellikleri Louis Turner tarafından tahmin edildi.
Aralık 1940'ta, yarılanma ömrü ~90 yıl olan plütonyum izotopu Pu-238 keşfedildi, bir yıl sonra ise yarılanma ömrü ~24.000 yıl olan daha önemli Pu-239 keşfedildi.
1948'de Edwin Macmillan, yeni Plüton gezegeninin keşfinin onuruna ve Neptün'ün keşfinden sonra adlandırılan neptünyuma benzetilerek kimyasal element plütonyum adını vermeyi önerdi.
Metalik plütonyum (izotop 239Pu) nükleer silahlarda kullanılır ve termik ve özellikle nükleer santrallerde çalışan güç reaktörleri için nükleer yakıt görevi görür. hızlı nötronlar. Metal formundaki 239Pu için kritik kütle 5,6 kg'dır. Diğer şeylerin yanı sıra, 239Pu izotopu, nükleer reaktörlerde transplütonyum elementlerinin üretimi için başlangıç malzemesidir. 238Pu izotopu, uzay araştırmalarında kullanılan küçük boyutlu nükleer elektrik akımı kaynaklarında ve ayrıca insan kalp aktivitesinin uyarıcılarında kullanılır.
Plütonyum-242, nükleer reaktörlerde daha yüksek uranyumötesi elementlerin nispeten hızlı birikimi için bir "hammadde" olarak önemlidir. δ-stabilize edilmiş plütonyum alaşımları, ısıtıldığında faz geçişlerine maruz kalan saf plütonyuma kıyasla daha iyi metalurjik özelliklere sahip oldukları için yakıt hücrelerinin imalatında kullanılır. Plütonyum oksitler, uzay teknolojisi için bir enerji kaynağı olarak kullanılır ve yakıt çubuklarında kullanılır.
Tüm plütonyum bileşikleri, α-radyasyonunun bir sonucu olarak zehirlidir. Alfa parçacıkları, kaynağı enfekte bir kişinin vücudundaysa ciddi bir tehlike oluşturur, elementi çevreleyen vücut dokularına zarar verir. Plütonyum gama radyasyonu vücuda zararlı değildir. Farklı plütonyum izotoplarının farklı toksisiteye sahip olduğu dikkate alınmaya değerdir; örneğin, tipik reaktör sınıfı plütonyum, güçlü bir alfa radyasyonu kaynağı olan 240Pu nüklidlerin hakimiyetinde olduğundan, saf 239Pu'dan 8-10 kat daha toksiktir. Plütonyum, tüm aktinitlerin en radyotoksik elementidir, ancak radyum, plütonyumun en zehirli izotopundan - 239Pu'dan neredeyse bin kat daha tehlikeli olduğundan, en tehlikeli elementten uzak olarak kabul edilir.
biyolojik özellikler
Plütonyum deniz organizmaları tarafından konsantre edilir: bu radyoaktif metalin (vücuttaki ve çevredeki konsantrasyonların oranı) algler için birikim katsayısı, plankton için 1000-9000'dir - yaklaşık 2300, denizyıldızı- yumuşakçalar için yaklaşık 1000 - balıkların kasları, kemikleri, karaciğeri ve midesi için 380'e kadar - sırasıyla 5, 570, 200 ve 1060. Karasal bitkiler plütonyumu esas olarak kök sistemi yoluyla özümser ve kütlelerinin %0.01'ine kadar biriktirir. İnsan vücudunda, doksan dördüncü element esas olarak neredeyse atılmadığı (özellikle kemiklerden) iskelet ve karaciğerde tutulur.
Plütonyum oldukça zehirlidir ve kimyasal tehlikesi (diğer tüm ağır metaller gibi) çok daha zayıftır (kimyasal açıdan kurşun gibi zehirlidir.) Alfa radyasyonunun bir sonucu olan radyoaktif toksisitesine kıyasla. Ayrıca, α-parçacıklarının nispeten düşük bir nüfuz etme gücü vardır: 239Pu için, havadaki α-parçacıklarının aralığı 3,7 cm ve yumuşak biyolojik dokuda 43 mikrondur. Bu nedenle, kaynakları enfekte kişinin vücudundaysa, α-parçacıkları ciddi bir tehlike oluşturur. Bunu yaparken vücudun çevre dokularına zarar verirler.
Aynı zamanda plütonyumun da yaydığı ve dışarıdan vücuda nüfuz edebilen gama ışınları ve nötronlar, seviyeleri sağlığa zarar vermeyecek kadar düşük olduğu için çok tehlikeli değildir. Plütonyum, özellikle yüksek radyotoksisiteye sahip elementler grubuna aittir. Aynı zamanda, farklı plütonyum izotopları farklı toksisiteye sahiptir, örneğin tipik reaktör dereceli plütonyum, güçlü bir alfa radyasyonu kaynağı olan 240Pu nüklidlerin hakimiyetinde olduğundan, saf 239Pu'dan 8-10 kat daha toksiktir.
Su ve yiyeceklerle alındığında plütonyum kafein, bazı vitaminler, psödoefedrin ve birçok bitki ve mantar gibi maddelerden daha az toksiktir. Bunun nedeni, bu elementin gastrointestinal sistem tarafından zayıf bir şekilde emilmesi, çözünür bir tuz şeklinde alındığında bile, bu tuzun mide ve bağırsakların içeriğine bağlı olmasıdır. Bununla birlikte, 0,5 gram ince bölünmüş veya çözünmüş plütonyumun yutulması, günler veya haftalar içinde akut sindirim ışınlaması nedeniyle ölüme yol açabilir (siyanür için bu değer 0,1 gramdır).
Solunum açısından bakıldığında, plütonyum sıradan bir toksindir (yaklaşık olarak cıva buharına karşılık gelir). Plütonyum solunduğunda kanserojendir ve akciğer kanserine neden olabilir. Bu nedenle, akciğerlerde tutulmak için optimal boyutta (1-3 mikron) partiküller halinde yüz miligram plütonyum solunduğunda, 1-10 gün içinde akciğer ödeminden ölüme yol açar. Yirmi miligramlık bir doz, yaklaşık bir ay içinde fibrozdan ölüme yol açar. Daha küçük dozlar kronik kanserojen zehirlenmeye yol açar. Plütonyumun aerosol oluşturma eğiliminde olması nedeniyle plütonyumun vücuda solunma riski artar.
Metal olmasına rağmen oldukça uçucudur. Metalin odada kısa süre kalması, havadaki konsantrasyonunu önemli ölçüde artırır. Akciğerlere girdikten sonra, plütonyum kısmen akciğerlerin yüzeyine yerleşir, kısmen kana ve ardından lenf ve kemik iliğine geçer. Çoğu (yaklaşık %60'ı) kemik dokusuna, %30'u karaciğere ve sadece %10'u doğal olarak atılır. Alınan plütonyum miktarı, aerosol parçacıklarının boyutuna ve kandaki çözünürlüğe bağlıdır.
İnsan vücuduna bir şekilde giren plütonyum, ferrik demire benzer özelliklerdedir, bu nedenle dolaşım sistemine girdiğinde, plütonyum demir içeren dokularda yoğunlaşmaya başlar: Kemik iliği, karaciğer, dalak. Vücut plütonyumu demir olarak algılar, bu nedenle transferrin proteini demir yerine plütonyumu alır ve bu da vücuttaki oksijen transferini durdurur. Mikrofajlar plütonyumu lenf düğümleri aracılığıyla dağıtır. Vücuda giren plütonyum çok uzun bir süre ondan çıkarılır - 50 yıldan fazla bir süre sonra vücuttan sadece% 80'i çıkarılır. Karaciğerden eliminasyon yarı ömrü 40 yıldır. Kemik dokusu için plütonyumun yarı ömrü 80-100 yıldır, aslında doksan dördüncü elementin kemiklerdeki konsantrasyonu sabittir.
İkinci Dünya Savaşı boyunca ve sonrasında Manhattan Projesi'nde çalışan bilim adamları ile Üçüncü Reich ve diğer araştırma kuruluşlarından bilim adamları, hayvanlar ve insanlar üzerinde plütonyum kullanarak deneyler yaptılar. Hayvan çalışmaları, kilogram doku başına birkaç miligram plütonyumun öldürücü bir doz olduğunu göstermiştir. İnsanlarda plütonyum kullanımı, kronik hastalığı olan hastaların genellikle kas içine 5 mikrogram plütonyum enjekte edilmesi gerçeğinden oluşuyordu. Sonunda, bir hasta için öldürücü dozun bir mikrogram plütonyum olduğu ve plütonyumun radyumdan daha tehlikeli ve kemiklerde birikmeye meyilli olduğu bulundu.
Bildiğiniz gibi plütonyum doğada hemen hemen hiç bulunmayan bir elementtir. Bununla birlikte, 1945-1963 döneminde nükleer testler sonucunda yaklaşık beş ton atmosfere salındı. 1980'lerden önce nükleer testler nedeniyle atmosfere salınan toplam plütonyum miktarının 10 ton olduğu tahmin ediliyor. Bazı tahminlere göre, Amerika Birleşik Devletleri'ndeki toprak, serpintiden km2 başına ortalama 2 miliküri (28 mg) plütonyum içerir ve Pasifik Okyanusu nükleer malzemelerin dünya üzerindeki genel dağılımına kıyasla arttı.
İkinci fenomen, 1950'lerin ortalarında Pasifik test sahasındaki Marshall Adaları topraklarında ABD nükleer testlerinin yapılmasıyla ilişkilidir. Plütonyumun okyanusun yüzey sularında kalma süresi 6 ila 21 yıldır, ancak bu süreden sonra bile plütonyum, mikrobiyal ayrışmanın bir sonucu olarak çözünür formlara geri yüklendiği biyojenik parçacıklarla birlikte dibe düşer. .
Doksan dördüncü element tarafından dünya kirliliği sadece nükleer testlerle değil, aynı zamanda bu elementle etkileşime giren üretim ve ekipman kazalarıyla da ilişkilidir. Böylece Ocak 1968'de, dört nükleer savaş başlığı taşıyan bir ABD Hava Kuvvetleri B-52 Grönland'da düştü. Patlama sonucunda yükler yok edildi ve okyanusa plütonyum sızdı.
24 Ocak 1978'de Sovyet uzay aracı Kosmos-954 ile bir kaza sonucu çevrenin başka bir radyoaktif kirlenmesi vakası meydana geldi. Kontrolsüz bir yörüngeden çıkma sonucunda, gemide nükleer güç kaynağı bulunan bir uydu Kanada topraklarına düştü. yılında meydana gelen bir kaza sonucu çevre yaklaşık 124.000 m²'lik bir alana yayılan bir kilogramdan fazla plütonyum-238 serbest bırakıldı.
Radyoaktif maddelerin çevreye kazara salınmasının en kötü örneği, bir kazadır. Çernobil nükleer santrali 26 Nisan 1986'da meydana geldi. Dördüncü güç ünitesinin imha edilmesi sonucunda, yaklaşık 2200 km²'lik bir alanda 190 ton radyoaktif madde (plütonyum izotopları dahil) çevreye salındı.
Plütonyumun çevreye salınması sadece insan yapımı kazalarla ilişkili değildir. Hem laboratuvar hem de fabrika koşullarından plütonyum sızıntısı vakaları bilinmektedir. 235U ve 239Pu laboratuvarlarından yirmiden fazla kaza sonucu sızıntı olduğu bilinmektedir. 1953-1978 döneminde. acil vakalar 0,81 (Mayak, 15 Mart 1953) ila 10.1 kg (Tomsk, 13 Aralık 1978) 239Pu kaybına yol açtı. Sanayi işletmelerinde meydana gelen olaylar, Los Alamos şehrinde (21 Ağustos 1945 ve 21 Mayıs 1946) iki kaza nedeniyle iki kişinin ölümü ve 6,2 kg plütonyum kaybıyla sonuçlandı. 1953 ve 1963'te Sarov şehrinde. yaklaşık 8 ve 17.35 kg nükleer reaktörün dışına düştü. Bunlardan biri 1953'te bir nükleer reaktörün yok olmasına yol açtı.
238Pu çekirdeği nötronlar tarafından parçalandığında, en ünlü ekzotermik reaksiyon sırasındakinin 50 milyon katı olan 200 MeV miktarında enerji açığa çıkar: C + O2 → CO2. Bir nükleer reaktörde "yanma", bir gram plütonyum 2.107 kcal verir - bu, 4 ton kömürde bulunan enerjidir. Enerji açısından bir yüksük plütonyum yakıtı, kırk vagon dolusu iyi oduna eşit olabilir!
Plütonyumun (244Pu) "doğal izotopunun", tüm transuranyum elementlerinin en uzun ömürlü izotopu olduğuna inanılmaktadır. Yarı ömrü 8.26∙107 yıldır. Bilim adamları uzun süredir 244Pu'dan daha uzun süre var olacak bir transuranyum elementinin izotopunu elde etmeye çalışıyorlar - bu konudaki büyük umutlar 247Cm'ye sabitlendi. Ancak sentezinden sonra, bu elementin yarı ömrünün sadece 14 milyon yıl olduğu ortaya çıktı.
Hikaye
1934'te Enrico Fermi liderliğindeki bir grup bilim insanı bir açıklama yaptı. bilimsel çalışmalar Roma Üniversitesi'nde atom numarası 94 olan bir kimyasal element keşfettiler. Fermi'nin ısrarı üzerine elemente hesperium adı verildi, bilim adamı keşfettiğine ikna oldu yeni elemanşimdi plütonyum olarak adlandırılan, böylece uranyumötesi elementlerin varlığı hakkında varsayımda bulunarak ve onların teorik keşfedicisi haline geldi. Fermi, 1938'de Nobel konferansında bu hipotezi savundu. Ancak Alman bilim adamları Otto Frisch ve Fritz Strassmann tarafından nükleer fisyonun keşfinden sonra Fermi, 1939'da Stockholm'de yayınlanan basılı versiyonda "tüm uranyumötesi elementler sorununu" gözden geçirme ihtiyacını belirten bir not almak zorunda kaldı. Gerçek şu ki, Frisch ve Strassmann'ın çalışmaları, Fermi'nin deneylerinde tespit ettiği aktivitenin, daha önce inandığı gibi uranyum ötesi elementlerin keşfinden değil, tam olarak fisyondan kaynaklandığını gösterdi.
Yenisi, doksan dördüncü element, 1940'ın sonunda keşfedildi. Berkeley'de California Üniversitesi'nde oldu. Uranyum oksiti (U3O8) ağır hidrojen çekirdekleri (döteronlar) ile bombalarken, Glenn T. Seaborg liderliğindeki bir grup Amerikalı radyokimyacı, yarı ömrü 90 yıl olan, önceden bilinmeyen bir alfa parçacık yayıcı keşfetti. Bu emitörün kütle numarası 238 olan 94 numaralı elementin bir izotopu olduğu ortaya çıktı. Böylece, 14 Aralık 1940'ta, diğer elementlerin ve bunların bileşiklerinin bir karışımıyla birlikte ilk mikrogram plütonyum miktarları elde edildi.
1940 yılında yapılan bir deney sırasında, devam eden nükleer reaksiyon sırasında, kısa ömürlü izotop neptunyum-238'in (yarı ömür 2.117 gün) ilk elde edildiği ve ondan zaten plütonyum-238 olduğu bulundu:
23392U (d,2n) → 23893Np → (β−) 23894Pu
Yeni bir elementi safsızlıklardan ayırmak için uzun ve zahmetli kimyasal deneyler iki ay sürdü. Yeni bir kimyasal elementin varlığı, 23-24 Şubat 1941 gecesi G.T. Seaborg, E.M. tarafından en az iki oksidasyon durumu doğrulandı. Deneylerin bitiminden kısa bir süre sonra, bu izotopun bölünemez olduğu ve bu nedenle daha fazla çalışma için ilgi çekici olmadığı bulundu. Kısa süre sonra (Mart 1941) Kennedy, Seaborg, Segré ve Wahl, uranyumu bir siklotronda yüksek oranda hızlandırılmış nötronlarla ışınlayarak daha önemli izotop plütonyum-239'u sentezledi. Bu izotop, neptünyum-239'un bozunmasıyla üretilir, alfa ışınları yayar ve 24.000 yıllık bir yarı ömre sahiptir. Elementin ilk saf bileşiği 1942'de elde edildi ve ağırlıkça ilk plütonyum metali 1943'te elde edildi.
Yeni element 94'ün adı 1948'de, plütonyumun keşfinden birkaç ay önce F. Aibelson ile birlikte uranyumdan daha ağır olan ilk elementi alan Macmillan tarafından önerildi - onuruna neptünyum olarak adlandırılan 93 numaralı element Neptün gezegeninin - Uranüs'ün arkasındaki ilk. Plüton gezegeni Uranüs'ün arkasındaki ikinci gezegen olduğu için, 94 numaralı elemente benzer şekilde plütonyum adı verildi. Buna karşılık Seaborg, yeni elementi "plütonyum" olarak adlandırmayı önerdi, ancak daha sonra adın "plütonyum" ile karşılaştırıldığında çok iyi gelmediğini fark etti. Ayrıca, o sırada plütonyumun periyodik tablodaki son kimyasal element olacağı konusundaki yanlış yargıdan dolayı yeni element için başka isimler de ortaya koydu: ultimium, extermium. Sonuç olarak, güneş sistemindeki son gezegenin keşfi onuruna elemente "plütonyum" adı verildi.
doğada olmak
En uzun ömürlü plütonyum izotopunun yarı ömrü 75 milyon yıldır. Rakam çok etkileyici, ancak Galaksinin yaşı milyarlarca yılla ölçülmektedir. Bundan, Evrenin elementlerinin büyük sentezi sırasında oluşan doksan dördüncü elementin birincil izotoplarının bugüne kadar hayatta kalma şansının olmadığı sonucu çıkar. Yine de bu, Dünya'da hiç plütonyum olmadığı anlamına gelmez. Uranyum cevherlerinde sürekli olarak oluşur. 238U çekirdeğinin kendiliğinden (kendiliğinden) fisyonuyla üretilen kozmik radyasyon nötronlarını ve nötronlarını yakalayarak, bu izotopun bazı - çok az sayıda - atomu 239U atomuna dönüşür. Bu elementin çekirdekleri çok kararsızdır, elektron yayarlar ve böylece yüklerini arttırırlar, ilk transuranyum elementi olan neptünyum oluşur. 239Np de kararsızdır, çekirdeği de elektron yayar, bu nedenle sadece 56 saat içinde 239Np'nin yarısı 239Pu'ya dönüşür.
Bu izotopun yarı ömrü, 24.000 yıl ile zaten oldukça uzundur. Ortalama olarak, 239Pu'nun içeriği radyumun içeriğinden yaklaşık 400.000 kat daha azdır. Bu nedenle, sadece çıkarmak değil - hatta "karasal" plütonyumu tespit etmek bile son derece zordur. Küçük miktarlarda 239Pu - trilyonda biri - ve bozunma ürünleri, örneğin, Oklo, Gabon'daki (Batı Afrika) doğal bir nükleer reaktörde uranyum cevherlerinde bulunabilir. Sözde "doğal nükleer reaktör", şu anda jeosferde aktinitlerin ve bunların fisyon ürünlerinin oluşumunun gerçekleştiği dünyadaki tek reaktör olarak kabul edilir. Modern tahminlere göre, bu bölgede birkaç milyon yıl önce, yarım milyon yıldan fazla süren, ısı salınımı ile kendi kendine devam eden bir reaksiyon meydana geldi.
Bu nedenle, uranyum cevherlerinde, nötronların uranyum çekirdekleri tarafından yakalanmasının bir sonucu olarak, β-çürüme ürünü doğal plütonyum-239 olan neptünyum (239Np) oluştuğunu zaten biliyoruz. Özel aletler - kütle spektrometreleri sayesinde, en uzun yarı ömre sahip - yaklaşık 80 milyon yıl - plütonyum-244'ün (244Pu) varlığı Prekambriyen bastnaezitinde (seryum cevherinde) tespit edildi. Doğada, 244Pu esas olarak suda kumdan (kuvars) daha az çözünür olan dioksit (PuO2) formunda oluşur. Nispeten uzun ömürlü izotop plütonyum-240 (240Pu), plütonyum-244'ün bozunma zincirinde olduğundan, bozunması gerçekleşir, ancak bu çok nadiren olur (10.000'de 1 vaka). Çok küçük miktarlarda plütonyum-238 (238Pu), uranyum cevherlerinde bulunan ana izotop uranyum-238'in çok nadir çift beta bozunmasını ifade eder.
Termonükleer bombaların patlamasından sonra toplanan tozda 247Pu ve 255Pu izotoplarının izleri bulundu.
Asgari miktarlarda plütonyum varsayımsal olarak bulunabilir. insan vücudu, plütonyum ile ilgili bir şekilde çok sayıda nükleer test yapıldığı göz önüne alındığında. Plütonyum esas olarak iskelette ve karaciğerde birikir ve buradan pratik olarak atılmaz. Ek olarak, doksan dördüncü element deniz organizmaları tarafından biriktirilir; karasal bitkiler plütonyumu esas olarak kök sistemi yoluyla emer.
Yapay olarak sentezlenmiş plütonyumun doğada hala var olduğu ortaya çıktı, öyleyse neden çıkarılmıyor, yapay olarak elde ediliyor? Gerçek şu ki, bu elementin konsantrasyonu çok düşük. Başka bir radyoaktif metal - radyum hakkında diyorlar: "bir gram üretimde - bir yıllık çalışma içinde" ve doğada radyum plütonyumdan 400.000 kat daha fazla! Bu nedenle, sadece çıkarmak değil, hatta "karasal" plütonyumu tespit etmek de son derece zordur. Bu, ancak nükleer reaktörlerde elde edilen plütonyumun fiziksel ve kimyasal özellikleri incelendikten sonra yapıldı.
Başvuru
239Pu izotopu (U ile birlikte), termal ve hızlı nötronlarda (esas olarak) çalışan güç reaktörlerinde ve ayrıca nükleer silah üretiminde nükleer yakıt olarak kullanılır.
Dünya çapında yaklaşık 500 nükleer santral yaklaşık 370 GW elektrik üretiyor (veya dünyanın toplam elektrik üretiminin %15'i). Plütonyum-236, hizmet ömrü beş yıl veya daha fazla olan atomik elektrik pillerinin imalatında kullanılır, kalbi uyaran akım jeneratörlerinde (kalp pilleri) kullanılır. 238Pu, uzay araştırmalarında kullanılan küçük nükleer güç kaynaklarında kullanılır. Yani plütonyum-238, Yeni Ufuklar, Galileo ve Cassini sondaları, Merak gezici ve diğer uzay araçları için güç kaynağıdır.
Nükleer silahlarda plütonyum-239 kullanılır, çünkü bu izotop bir nükleer bombada kullanım için tek uygun nükliddir. Ek olarak, plütonyum-239'un nükleer bombalarda daha sık kullanılması, plütonyumun küre içinde (bomba çekirdeğinin bulunduğu yer) daha küçük bir hacim kaplamasından kaynaklanmaktadır, bu nedenle, bombanın patlayıcı gücünden dolayı kazanılabilir. bu mülke.
Gerçekleşen şema nükleer patlama plütonyum içeren, çekirdeği 239Pu ile dolu bir küreden oluşan bombanın tasarımında yatmaktadır. Yere çarpma anında, küre yapısı ve bu küreyi çevreleyen patlayıcı nedeniyle bir milyon atmosfere sıkıştırılır. Çarpmadan sonra, çekirdek hacim ve yoğunluk olarak en kısa sürede genişler - bir düzine mikrosaniye, montaj termal nötronlar üzerindeki kritik durumdan geçer ve hızlı nötronlarda süper kritik duruma geçer - bir zincir başlar Nükleer reaksiyon nötronların ve elementin çekirdeklerinin katılımıyla. Son patlamada atom bombası sıcaklık on milyonlarca derece mertebesindedir.
Plütonyum izotopları, uygulamalarını transplütonyum (plütonyumdan sonra) elementlerinin sentezinde bulmuştur. Örneğin, Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı'nda 239Pu ile uzun süreli nötron ışıması 24496Cm, 24296Cm, 24997Bk, 25298Cf, 25399Es ve 257100Fm üretir. Americium 24195Am ilk kez 1944 yılında aynı şekilde elde edildi. 2010 yılında, kalsiyum-48 iyonlarıyla bombalanan plütonyum-242 oksit, ununquadyum kaynağı olarak görev yaptı.
δ-stabilize edilmiş plütonyum alaşımları, ısıtıldığında faz geçişlerine maruz kalan ve çok kırılgan ve güvenilmez bir malzeme olan saf plütonyuma kıyasla önemli ölçüde daha iyi metalurjik özelliklere sahip oldukları için yakıt çubuklarının imalatında kullanılır. Plütonyumun diğer elementlerle (intermetalik bileşikler) alaşımları genellikle elementlerin gerekli oranlarda doğrudan etkileşimi ile elde edilir, esas olarak ark eritme kullanılır, bazen eriyiklerin püskürtülmesi veya soğutulmasıyla kararsız alaşımlar elde edilir.
Plütonyum için ana endüstriyel alaşım elementleri galyum, alüminyum ve demirdir, ancak plütonyum nadir istisnalar (potasyum, sodyum, lityum, rubidyum, magnezyum, kalsiyum, stronsiyum, baryum, öropyum ve iterbiyum) dışında çoğu metalle alaşımlar ve ara bileşikler oluşturabilir. ). Refrakter metaller: molibden, niyobyum, krom, tantal ve tungsten sıvı plütonyumda çözünür, ancak katı plütonyumda hemen hemen çözünmez veya az çözünür. İndiyum, silikon, çinko ve zirkonyum, hızlı soğutma üzerine yarı kararlı δ-plütonyum (δ"-fazı) oluşturabilir. Galyum, alüminyum, amerikyum, skandiyum ve seryum, δ-plütonyumu oda sıcaklığında stabilize edebilir.
Büyük miktarlarda holmiyum, hafniyum ve talyum, bir miktar δ-plütonyumu oda sıcaklığında tutmayı mümkün kılar. Neptünyum, yüksek sıcaklıklarda α-plütonyumu stabilize edebilen tek elementtir. Titanyum, hafniyum ve zirkonyum, hızlı soğutmanın ardından β-plütonyumun yapısını oda sıcaklığında stabilize eder. Bu tür alaşımların kullanımı oldukça çeşitlidir. Örneğin, plütonyumun δ fazını stabilize etmek için bir plütonyum-galyum alaşımı kullanılır, bu da α-δ faz geçişini önler. Plütonyum-galyum-kobalt üçlü alaşımı (PuGaCo5) 18.5 K'da süper iletken bir alaşımdır. Nükleer yakıt olarak kullanılan bir dizi alaşım (plütonyum-zirkonyum, plütonyum-seryum ve plütonyum-seryum-kobalt) vardır.
Üretme
Ticari plütonyum iki şekilde elde edilir. Bu, ya nükleer reaktörlerde bulunan 238U çekirdeğinin ışınlanması ya da radyonun ayrılmasıdır. kimyasal yollarla uranyumdan plütonyumun (birlikte çöktürme, ekstraksiyon, iyon değişimi, vb.), kullanılmış yakıtta bulunan uranyumötesi elementler ve fisyon ürünleri.
İlk durumda, pratikte en önemli olan 239Pu izotopu (küçük bir 240Pu katkılı bir karışımda), β-çürüme kullanılarak uranyum ve nötron çekirdeklerinin katılımıyla ve bir ara madde olarak neptünyum izotoplarının katılımıyla nükleer reaktörlerde üretilir. fisyon ürünü:
23892U + 21D → 23893Np + 210n;
23893Np → 23894Pu
β--çürüme
AT bu süreç bir döteron uranyum-238'e çarpar, bu da neptünyum-238 ve iki nötron ile sonuçlanır. Daha sonra, neptunyum-238, plütonyum-238'i oluşturan beta-eksi parçacıkları yayarak kendiliğinden bölünür.
Genellikle karışımdaki 239Pu içeriği %90-95, 240Pu-1-7'dir, diğer izotopların içeriği yüzde onda birini geçmez. Uzun yarı ömürlü izotoplar - 242Pu ve 244Pu, 239Pu nötronlarla uzun süreli ışınlama ile elde edilir. Ayrıca, 242Pu verimi yüzde birkaç on'dur ve 244Pu, 242Pu içeriğinin yüzde bir kesridir. Neptünyum-237 nötronlarla ışınlandığında küçük miktarlarda izotopik olarak saf plütonyum-238 oluşur. Kütle numarası 232-237 olan plütonyumun hafif izotopları genellikle bir siklotronda uranyum izotoplarının a-parçacıkları ile ışınlanmasıyla elde edilir.
239Pu'nun endüstriyel üretimi için ikinci yöntem, hafif bir seyreltici içinde tributil fosfat ile ekstraksiyona dayalı Purex sürecini kullanır. Birinci döngüde Pu ve U, fisyon ürünlerinden ortaklaşa saflaştırılır ve daha sonra ayrılırlar. İkinci ve üçüncü döngülerde, plütonyum daha fazla saflaştırma ve konsantrasyona tabi tutulur. Böyle bir işlemin şeması, ayrılacak elementlerin tetra ve altı değerli bileşiklerinin özelliklerindeki farklılığa dayanmaktadır.
Başlangıçta kullanılmış yakıt çubukları sökülür ve kullanılmış plütonyum ve uranyum içeren kaplama fiziksel ve kimyasal yollarla uzaklaştırılır. Daha sonra, çıkarılan nükleer yakıt nitrik asit içinde çözülür. Sonuçta, çözündüğünde güçlü bir oksitleyici ajandır ve uranyum, plütonyum ve safsızlıklar oksitlenir. Sıfır değerlikli plütonyum atomları Pu + 6'ya dönüştürülür ve hem plütonyum hem de uranyum çözülür. Bu çözeltiden doksan dördüncü element, kükürt dioksit ile üç değerlikli duruma indirgenir ve daha sonra lantan florür (LaF3) ile çökeltilir.
Bununla birlikte, çökelti, plütonyuma ek olarak, neptünyum ve nadir toprak elementleri içerir, ancak kütle (uranyum) çözelti içinde kalır. Daha sonra plütonyum Pu + 6'ya yeniden oksitlenir ve tekrar lantan florür eklenir. Şimdi nadir toprak elementleri çökeltiye geçer ve plütonyum çözeltide kalır. Ayrıca, neptünyum potasyum bromat ile dört değerlikli bir duruma oksitlenir, çünkü bu reaktif plütonyum üzerinde etki göstermez, daha sonra aynı lantan florür ile ikincil çökeltme sırasında, üç değerlikli plütonyum çökelir ve neptünyum çözelti içinde kalır. Bu tür işlemlerin nihai ürünleri, (baryum, kalsiyum veya lityum buharı ile indirgenerek) metalik plütonyumun elde edildiği, plütonyum içeren bileşiklerdir - PuO2 dioksit veya florürler (PuF3 veya PuF4).
Daha saf plütonyum, bir tungsten veya tantal katot kullanılarak bir potasyum, sodyum ve plütonyum klorür elektroliti ile elektroliz hücrelerinde 700 ° C sıcaklıkta gerçekleştirilen pirokimyasal olarak üretilen metalin elektrolitik olarak rafine edilmesiyle elde edilebilir. Bu şekilde elde edilen plütonyumun saflığı %99,99'dur.
Büyük miktarlarda plütonyum elde etmek için, "yetiştiriciler" olarak adlandırılan üreme reaktörleri ( İngilizce fiilüremek - çoğalmak). Bu reaktörler, bu malzemenin elde etme maliyetini aşan bir miktarda bölünebilir malzeme elde etme yeteneklerinden dolayı isimlerini almıştır. Bu tip reaktörlerin diğerlerinden farkı, 238U ile mümkün olduğunca fazla reaksiyona girebilmek için içlerindeki nötronların yavaşlatılmamasıdır (örneğin grafit moderatör yoktur).
Reaksiyondan sonra, daha sonra 239Pu oluşturan 239U atomu oluşur. Tükenmiş uranyum dioksitte (UO2) PuO2 içeren böyle bir reaktörün çekirdeği, içinde 239Pu'nun oluşturulduğu daha da fazla tüketilmiş uranyum-238 dioksit (238UO2) ile çevrilidir. 238U ve 235U'nun ortak kullanımı, "yetiştiricilerin" doğal uranyumdan diğer reaktörlere göre 50-60 kat daha fazla enerji üretmesine olanak tanır. Bununla birlikte, bu reaktörlerin büyük bir dezavantajı vardır - yakıt çubukları, enerjilerini azaltan su dışında bir ortamla soğutulmalıdır. Bu nedenle soğutucu olarak sıvı sodyum kullanılmasına karar verildi.
Amerika Birleşik Devletleri'nde bu tür reaktörlerin inşası, İkinci Dünya Savaşı'nın sona ermesinden sonra başladı, SSCB ve Büyük Britanya, yaratmalarına yalnızca 1950'lerde başladı.
Fiziksel özellikler
Plütonyum çok ağır (yoğunluk n.a. 19.84 g / cm³) gümüşi bir metaldir, saflaştırılmış halde nikele çok benzer, ancak plütonyum havada hızla oksitlenir, kararır, yanardöner bir film oluşturur, önce açık sarı, sonra koyu mora dönüşür . Güçlü oksidasyon ile metal yüzeyinde zeytin yeşili oksit tozu (PuO2) belirir.
Plütonyum çok elektronegatif ve reaktif bir metaldir, uranyumdan bile birçok kat daha fazladır. Belirli bir sıcaklık aralığında ve belirli bir basınç aralığında değişen yedi allotropik modifikasyona (α, β, γ, δ, δ", ε ve ζ) sahiptir. Oda sıcaklığında, plütonyum α-formundadır - bu plütonyum için en yaygın allotropik modifikasyon Alfa fazında, saf plütonyum kırılgandır ve oldukça serttir - bu yapı, alaşımı sünek ve yumuşak yapmak için diğer metallerle alaşımlanmadıkça, yaklaşık olarak gri dökme demir kadar serttir (sadece osmiyum, iridyum). , platin, renyum ve neptünyum ondan daha ağırdır.) Plütonyumun diğer allotropik dönüşümlerine yoğunluktaki ani değişiklikler ve delta-prim eşlik eder. Eritildiğinde (epsilon fazından sıvı faza geçiş), plütonyum da büzülür, erimemiş plütonyumun yüzmesine izin verir.
Plütonyum çok sayıda olağandışı özellik ile ayırt edilir: tüm metallerin en düşük termal iletkenliğine sahiptir - 300 K'da 6,7 W / (m K); plütonyum en düşük elektrik iletkenliğine sahiptir; sıvı fazında plütonyum en viskoz metaldir. Oda sıcaklığında doksan dördüncü elementin direnci bir metal için çok yüksektir ve bu özellik metaller için tipik olmayan sıcaklık azaldıkça artacaktır. Böyle bir "anomali" 100 K sıcaklığa kadar izlenebilir - bu işaretin altında elektrik direnci azalacaktır. Bununla birlikte, 20 K işaretinden itibaren, metalin radyasyon aktivitesi nedeniyle direnç tekrar artmaya başlar.
Plütonyum, 150 µΩ cm (22°C'de) olan (şimdiye kadar) çalışılan herhangi bir aktinit arasında en yüksek elektrik direncine sahiptir. Bu metal var düşük sıcaklık erime noktası (640 °C) ve alışılmadık derecede yüksek kaynama noktası (3.227 °C). Erime noktasına daha yakın olan sıvı plütonyum, diğer metallere kıyasla çok yüksek viskoziteye ve yüzey gerilimine sahiptir.
Radyoaktivitesi nedeniyle plütonyum dokunulamayacak kadar sıcaktır. Termal bir ceket içindeki büyük bir plütonyum parçası, suyun kaynama noktasını aşan bir sıcaklığa kadar ısıtılır! Ek olarak, radyoaktivitesi nedeniyle, plütonyum zamanla kristal kafesinde değişikliklere uğrar - 100 K'nin üzerindeki bir sıcaklık artışı nedeniyle kendi kendine ışınlama nedeniyle bir tür tavlama meydana gelir.
Plütonyumda çok sayıda allotropik modifikasyonun varlığı, faz geçişleri nedeniyle işlenmesini ve yuvarlanmasını zor bir metal haline getirir. Alfa formunda, doksan dördüncü elementin özelliklerde dökme demire benzer olduğunu, ancak değişip sünek bir malzemeye dönüşme ve daha yüksek sıcaklık aralıklarında dövülebilir bir β-formu oluşturma özelliğine sahip olduğunu zaten biliyoruz. δ formundaki plütonyum genellikle 310°C ile 452°C arasındaki sıcaklıklarda stabildir, ancak düşük yüzdelerde alüminyum, seryum veya galyum katkılı ise oda sıcaklığında bulunabilir. Bu metallerle alaşımlandırılan plütonyum kaynakta kullanılabilir. Genel olarak, delta formu daha belirgin metal özelliklere sahiptir - mukavemet ve dövme kabiliyeti açısından alüminyuma yakındır.
Kimyasal özellikler
Doksan dördüncü elementin kimyasal özellikleri, birçok yönden periyodik sistemdeki öncüllerinin özelliklerine benzer - uranyum ve neptünyum. Plütonyum oldukça aktif bir metaldir; +2 ila +7 arasında oksidasyon durumları olan bileşikler oluşturur. Sulu çözeltilerde, element aşağıdaki oksidasyon durumlarını sergiler: Pu (III), Pu3+ olarak (asidik sulu çözeltilerde bulunur, açık mor bir renge sahiptir); Pu (IV), Pu4+ olarak (çikolata rengi); Pu (V), PuO2+ olarak (berrak çözelti); Pu(VI) PuO22+ (açık turuncu solüsyon) ve Pu(VII) PuO53- (yeşil solüsyon) olarak.
Ayrıca, bu iyonlar (PuO53- hariç), elektron orbitalinin lokalize ve delokalize bölgesinde bulunan 5f-elektronlarının varlığı ile açıklanan dengede aynı anda çözeltide olabilir. pH 5-8'de, diğer valanslar (oksidasyon durumları) arasında en kararlı olan Pu (IV) baskındır. Tüm oksidasyon durumlarındaki plütonyum iyonları hidrolize ve kompleks oluşumuna eğilimlidir. Pu5+ serisinde bu tür bileşikleri oluşturma yeteneği artar.
Kompakt plütonyum havada yavaşça oksitlenir ve yanardöner yağlı bir oksit filmi ile kaplanır. Aşağıdaki plütonyum oksitler bilinmektedir: PuO, Pu2O3, PuO2 ve değişken bileşimli Pu2O3 - Pu4O7 (berthollidler) fazı. Az miktarda nem varlığında oksidasyon ve korozyon hızı önemli ölçüde artar. Metal yeterince uzun süre az miktarda nemli havaya maruz kalırsa yüzeyinde plütonyum dioksit (PuO2) oluşur. Oksijen eksikliği ile dihidriti (PuH2) de oluşabilir. Şaşırtıcı bir şekilde, plütonyum, su buharlı inert bir gazda (örneğin, argon) kuru havaya veya saf oksijene göre çok daha hızlı paslanır. Aslında, bu gerçeği açıklamak kolaydır - oksijenin doğrudan etkisi, plütonyum yüzeyinde daha fazla oksidasyonu önleyen bir oksit tabakası oluşturur, nemin varlığı gevşek bir oksit ve hidrit karışımı üretir. Bu arada, böyle bir kaplama sayesinde, metal piroforik hale gelir, yani kendiliğinden yanma yeteneğine sahiptir, bu nedenle metalik plütonyum, kural olarak, atıl bir argon veya azot atmosferinde işlenir. Aynı zamanda oksijen koruyucu bir maddedir ve nemin metali etkilemesini engeller.
Doksan dördüncü element, asitler, oksijen ve bunların buharlarıyla reaksiyona girer, ancak alkalilerle reaksiyona girmez. Plütonyum yalnızca çok asidik ortamlarda (örneğin, hidroklorik asit HCl) ve ayrıca hidrojen klorür, hidrojen iyodür, hidrojen bromür, %72 perklorik asit, %85 fosforik asit H3PO4, konsantre CCl3COOH, sülfamik asit ve kaynar konsantre nitrik asit içinde çözünür. Plütonyum alkali çözeltilerde belirgin şekilde çözünmez.
Alkaliler, dört değerlikli plütonyum içeren çözeltilere etki ettiğinde, bazik özelliklere sahip bir plütonyum hidroksit Pu(OH)4 xH2O çökeltisi çöker. Alkaliler, PuO2+ içeren tuzların çözeltilerine etki ettiğinde, amfoterik hidroksit PuO2OH çökelir. Tuzlar buna karşılık gelir - plütonitler, örneğin Na2Pu2O6.
Plütonyum tuzları, nötr veya alkali çözeltilerle temas halinde kolayca hidrolize olur ve çözünmeyen plütonyum hidroksit oluşturur. Konsantre plütonyum çözeltileri, çökelmeye yol açan radyolitik ayrışma nedeniyle kararsızdır.
| plütonyum | |
|---|---|
| atomik numara | 94 |
| Dış görünüş basit bir madde | |
| atom özellikleri | |
| atom kütlesi (molar kütle) |
244.0642 a. e. m. (/mol) |
| atom yarıçapı | 151 pm |
| İyonlaşma enerjisi (ilk elektron) |
491.9(5.10) kJ/mol (eV) |
| Elektronik konfigürasyon | 5f 6 7s 2 |
| Kimyasal özellikler | |
| kovalent yarıçap | yok pm |
| iyon yarıçapı | (+4e) 93 (+3e) 108 pm |
| elektronegatiflik (Pauling'e göre) |
1,28 |
| Elektrot potansiyeli | Pu←Pu 4+ -1,25V Pu←Pu 3+ -2.0V Pu ← Pu 2+ -1.2V |
| oksidasyon durumları | 6, 5, 4, 3 |
| termodinamik özellikler basit bir madde | |
| Yoğunluk | 19,84 /cm³ |
| Molar ısı kapasitesi | 32,77 J /( mol) |
| Termal iletkenlik | (6.7) W /( ) |
| Erime sıcaklığı | 914 |
| erime ısısı | 2,8 kJ/mol |
| kaynama sıcaklığı | 3505 |
| buharlaşma ısısı | 343,5 kJ / mol |
| molar hacim | 12.12 cm³/mol |
| Basit bir maddenin kristal kafesi | |
| Kafes yapısı | monoklinik |
| kafes parametreleri | a=6.183 b=4.822 c=10.963 β=101.8 |
| c/a oranı | — |
| Debye sıcaklığı | 162 |
plütonyum- üretimde yaygın olarak kullanılan aktinit grubunun bir radyoaktif kimyasal elementi nükleer silahlar("silah sınıfı plütonyum" olarak adlandırılır) ve (deneysel olarak) sivil ve araştırma amaçlı nükleer reaktörler için nükleer yakıt olarak. Tartmaya uygun miktarlarda elde edilen ilk yapay element (1942).
Sağdaki tablo, plütonyumun ana allotropik modifikasyonu olan α-Pu'nun oda sıcaklığında ve normal basınçta ana özelliklerini göstermektedir.
plütonyum tarihi
Plütonyum izotopu 238 Pu ilk olarak 23 Şubat 1941'de Glenn Seaborg liderliğindeki bir grup Amerikalı bilim adamı tarafından çekirdekleri ışınlayarak yapay olarak elde edildi. uranyum döteronlar. Plütonyumun doğada ancak yapay üretimden sonra keşfedilmesi dikkat çekicidir: ihmal edilebilir miktarlarda 239 Pu genellikle uranyum cevherlerinde uranyumun radyoaktif dönüşümünün bir ürünü olarak bulunur.
Doğada plütonyum bulmak
Uranyum cevherlerinde, nötronların (örneğin, kozmik radyasyondan nötronların) uranyum çekirdekleri tarafından yakalanmasının bir sonucu olarak, neptünyum(239 Np), β-bozunma ürünü doğal plütonyum-239'dur. Bununla birlikte, plütonyum o kadar mikroskobik miktarlarda oluşur (10 12 kısım U başına 0.4-15 kısım Pu), uranyum cevherlerinden çıkarılması söz konusu değildir.
adının kökeni plütonyum
1930'da astronomi dünyası, şu harika haberle şok oldu: yeni gezegen astronom, matematikçi ve Mars'taki yaşam üzerine fantastik denemelerin yazarı olan Percival Lovell'in uzun zamandır varlığından bahsettiği. Uzun süreli hareket gözlemlerine dayanarak uranyum ve Neptün Lovell, Neptün'ün ötesinde olduğu sonucuna vardı. Güneş Sistemi Güneş'ten Dünya'dan kırk kat daha uzakta başka bir dokuzuncu gezegen olmalı.
Lovell'in 1915'te yörüngesinin öğelerini hesapladığı bu gezegen, 21, 23 ve 29 Ocak 1930'da Flagstaff Gözlemevi'nde gökbilimci K. Tombo tarafından çekilen fotoğrafik görüntülerde keşfedildi ( Amerika Birleşik Devletleri) . Gezegene isim verildi Plüton. Neptün'ün ötesinde güneş sisteminde bulunan bu gezegenin adıyla, 94. element, 1940'ın sonunda yapay olarak çekirdeklerden elde edilen plütonyum olarak adlandırıldı. atomlar uranyum G. Seaborg liderliğindeki bir grup Amerikalı bilim adamı.
Fiziksel özellikler plütonyum
15 plütonyum izotopu vardır - En büyük miktarlarda, 238 ila 242 arasında kütle numaralarına sahip izotoplar elde edilir:
238 Pu -> (yarı ömür 86 yıl, alfa bozunması) -> 234 U,
Bu izotop, neredeyse yalnızca uzay RTG'lerinde, örneğin Mars yörüngesinin ötesine geçen tüm cihazlarda kullanılır.
239 Pu -> (yarı ömür 24.360 yıl, alfa bozunması) -> 235 U,
Bu izotop, nükleer silahların ve hızlı nötron nükleer reaktörlerinin tasarımı için en uygun olanıdır.
240 Pu -> (yarı ömür 6580 yıl, alfa bozunması) -> 236 U, 241 Pu -> (yarı ömür 14.0 yıl, beta bozunması) -> 241 Am, 242 Pu -> (yarı ömür 370.000 yıl, alfa -çürüme) -> 238 U
Bu üç izotop ciddi endüstriyel öneme sahip değildir, ancak uranyum üzerindeki nükleer reaktörlerde enerji elde edildiğinde, birkaç nötronun uranyum-238 çekirdeği tarafından art arda yakalanmasıyla yan ürünler olarak elde edilirler. İzotop 242, nükleer özelliklerde en çok uranyum-238'e benzer. 241 izotopunun bozunmasıyla üretilen Americium-241, duman dedektörlerinde kullanıldı.
Plütonyum, katılaşma sıcaklığından oda sıcaklığına, diğer kimyasal elementlerden daha fazla altı faz geçişine maruz kalması bakımından ilginçtir. İkincisi ile yoğunluk aniden %11 artar ve bunun sonucunda plütonyum dökümler çatlar. Alfa fazı, özellikleri tabloda verilen oda sıcaklığında stabildir. Uygulama için, yoğunluğu daha düşük olan delta fazı ve kübik gövde merkezli kafes daha uygundur. Alfa fazı kırılgan iken delta fazındaki plütonyum çok sünektir. Delta fazında plütonyumu stabilize etmek için üç değerlikli metallerle alaşımlama kullanılır (ilk nükleer yüklerde galyum kullanıldı).
plütonyum kullanımı
İlk plütonyum bazlı nükleer silah, 16 Temmuz 1945'te Alamogordo test sahasında patlatıldı ("Trinity" kod adlı test).
plütonyumun biyolojik rolü
Plütonyum oldukça zehirlidir; Açık su kütlelerinde ve çalışma tesislerinin havasında 239 Pu için MPC sırasıyla 81,4 ve 3,3*10 −5 Bq/l'dir. Çoğu plütonyum izotopunun yüksek bir iyonlaşma yoğunluğu ve kısa bir parçacık yolu vardır, bu nedenle toksisitesi kimyasal özelliklerinden çok (muhtemelen bu açıdan plütonyum diğer ağır metallerden daha toksik değildir), ancak üzerindeki iyonlaştırıcı etkisinden kaynaklanmaktadır. vücudun çevresindeki dokular. Plütonyum, özellikle yüksek radyotoksisiteye sahip elementler grubuna aittir. Vücutta plütonyum iskelette, karaciğerde, dalakta, böbreklerde geri dönüşü olmayan büyük değişiklikler meydana getirir ve kansere neden olur. Vücuttaki izin verilen maksimum plütonyum içeriği bir mikrogramın onda birini geçmemelidir.
Tema ile ilgili sanatsal çalışmalar plütonyum
- Geleceğe Dönüş filminde De Lorean DMC-12 makinesi için plütonyum, akış akümülatörünün geleceğe veya geçmişe seyahat etmesi için bir yakıt olarak kullanıldı.
- Yük plütonyumdan yapıldı atom bombası, Tom Clancy'nin "Dünyanın Tüm Korkuları" adlı eserinde ABD'nin Denver kentinde teröristler tarafından havaya uçuruldu.
- Kenzaburo Oe "Pinchrunner'ın Notları"
- 2006 yılında "Beacon Pictures" şirketi "Plutonium-239" filmini yayınladı ( "Pu-239")
