Плутоний

Плутоний (Pu) – серебристо-белый радиоактивный металл группы актиноидов, теплый на ощупь (из-за своей радиоактивности. В природе встречается в очень малых количествах в уранитовий смолке и других рудах урана и церия, в значительном количестве получают искусственно. Около 5 тонн плутония выброшено в атмосферу в результате ядерных испытаний.
История
Открытый 1940 Гленом Сиборг (Glenn Seaborg), Эдвином Макмиллан (Edwin McMillan), Кеннеди (Kennedy) и Артуром Уолхом (Arthur Wahl) 1940 года в Беркли (США) во время бомбардировки урановой мишени дейтронами, ускоренными в циклотроне.
Происхождение названия
Плутоний был назван в честь планеты Плутон, поскольку предыдущий открытый химический элемент получил название Нептуний.
Получение
Плутоний получают в ядерных реакторах.
Изотоп 238 U, что составляет основную массу природного урана, мало пригоден к делению. Для ядерных реакторов уран несколько обогащают, но доля 235 U в ядерном топливе остается небольшой (примерно 5%). Основную часть в ТВЭЛах составляет 238 U. Во время работы ядерного реактора часть ядер 238 U захватывает нейтроны и превращается в 239 Pu, который в дальнейшем можно выделить.



Выделить плутоний среди продуктов ядерных реакций достаточно сложно, так как плутоний (как и уран, торий, нептуний) относится к очень похожих между собой по химическим свойствам актиноидов. Задача усложняется тем, что среди продуктов распада содержащихся редкоземельные элементы, химические свойства которых тоже подобные плутония. Применяют традиционные радиохимические методы – осаждение, экстракцию, ионный обмен и т.д. Конечным продуктом этой многостадийной технологии являются оксиды плутония PuO 2 или фториды (PuF 3, PuF 4).
Добывают плутоний методом Металлотермия (восстановлением активными металлами из оксидов и солей в вакууме):

PuF 4 +2 Ba = 2BaF 2 + Pu

Изотопы
Известно более десятка изотопов плутония, все они радиоактивны.
Важнейшим является изотоп 239 Pu, способный к делению ядра и цепной ядерной реакции. Это единственный изотоп, пригодный для использования в ядерном оружии. Имеет лучшие, чем уран-235, показатели поглощения и рассеяния нейтронов, количества нейтронов на одно деление (около 3 против 2,3) и, соответственно, меньшую критическую массу. Его период полураспада составляет около 24 тыс. лет. Другие изотопы плутония рассматривают прежде всего с точки зрения вредности для основного (вооруженного) применения.
Изотопу 238 Pu имеет мощную альфа-радиоактивность и, как следствие, значительное тепловыделение (567 Вт / кг). Это создает неудобства для использования в ядерном оружии, но находит применение в ядерных батареях. Почти все космические аппараты, улетевшие за орбиту Марса, имеют радиоизотопные реакторы на 238 Pu. В реакторном плутонии доля этого изотопа очень незначительна.
Изотоп 240 Pu является основным загрязнителем оружейного плутония. Имеет высокую интенсивность спонтанного распада, создает высокий нейтронный фон, что существенно усложняет подрыв ядерных зарядов. Считают, что его доля в оружии не должна превышать 7%.
241 Pu имеет низкий нейтронный фон и умеренную тепловую эмиссию. Его доля составляет чуть менее 1% и на свойства оружейного плутония не влияет. Однако с периодом полураспада 1914 превращается в америций-241, который выделяет много тепла, что может создавать проблему перегрева зарядов.
242 Pu имеет очень малое сечение реации захвата нейтронов и накапливается в ядерных реакторах, хотя и в очень небольшом количестве (менее 0,1%). На свойства оружейного плутония не влияет. Его применяют в основном для дальнейших ядерных реакций синтеза трансплутониевого элементов: тепловые нейтроны не вызывают деления ядра, поэтому любые количества этого изотопа можно облучать мощными потоками нейтронов.
Другие изотопы плутония встречаются чрезвычайно редко и не имеют влияния на изготовление ядерных зарядов. Тяжелые изотопы образуются в очень незначительных количествах, имеют небольшое время жизни (менее нескольких дней или часов) и, путем бета-распада, превращаются в соответствующие изотопы америция. Среди них выделяется 244 Pu – его период полураспада составляет около 82 млн. лет. Это самый изотоп среди всех трансурановых элементов.
Применение
На конец 1995 года в мире было произведено около 1270 тонн плутония, из них 257 тонн – для вооруженного использования, для которого пригоден только изотоп 239 Pu. Возможно применение 239 Pu качестве топлива в ядерных реакторах, но он проигрывает урана по экономическим показателям. Стоимость переработки ядерного топлива для добычи плутония намного больше, чем стоимость низкообогащенного (~ 5% 235 U) урана. Программу энергетического использования плутония имеет только Япония.
Аллотропные модификации
В твердом виде плутоний имеет семь аллотропных модификаций (однако фазы ? и ?1 иногда объединяют и считают одной фазе). При комнатной температуре плутоний представляет собой кристаллическую структуру, которая называется ?-фаза. Атомы связаны ковалентной связью (вместо металлического), поэтому физические свойства ближе к минералам чем к металлам. Это твердый, хрупкий материал, ломается в определенных направлениях. Имеет низкую теплопроводность среди всех металлов, низкую электропроводность, за исключением марганца. ?-фаза не поддается обработке обычными для металлов технологиями.
При изменениях температуры в плутонии происходит перестройка структуры и он испытывает чрезвычайно сильные изменения. Некоторые переходы между фазами сопровождаются просто поразительными изменениями объема. В двух из этих фаз (? и ?1) плутоний обладает уникальным свойством – отрицательный температурный коефициент расширения, т.е. он сжимается с увеличением температуры.
У гамма и дельта фазах плутоний проявляет обычные свойства металлов, в частности ковкость. Однако в дельта-фазе плутоний проявляет нестабильность. Под небольшим давлением он пытается осесть в плотную (на 25%) альфа-фазу. Это свойство применяют в имплозийних устройствах ядерного оружия.
В чистом плутонии под давлением свыше 1 килобар дельта-фаза вообще не существует. Под давлением более 30 килобар существуют только альфа-и бета-фазы.
Металлургия плутония
Плутоний можно стабилизировать в дельта-фазе при обычном давлении и комнатной температуры путем образования сплава с трехвалентными металлами, такими как галлий, алюминий, церий, индий в концентрации несколько молярных процентов. Именно в таком виде плутоний применяют в ядерном оружии.
Вооруженный плутоний
Для производства ядерного оружия нужно достичь чистоты нужного изотопа (235 U или 239 Pu) более 90%. Создание зарядов из урана требует многих стадий обогащения (потому, что доля 235 U в природном уране составляет менее 1%), в то время как доля 239 Pu в реакторном плутонии обычно составляет от 50% до 80% (т.е. почти в 100 раз больше ). А в некоторых режимах работы реакторов можно получить плутоний, содержащий более 90% 239 Pu – такой плутоний не требует обогащения и может использоваться для изготовления ядерного оружия напрямую.
Биологическая роль
Плутоний является одной из самых токсичных известных веществ. Токсичность плутония обусловлена не столько химическими свойствами (хотя плутоний, пожалуй, токсический как любой тяжелый металл), сколько его альфа-радиоактивности. Альфа-частицы задерживаются даже незначительными слоями материалов или тканей. Скажем, несколько миллиметров кожи полностью поглотит их поток, защищая внутренние органы. Но альфа-частицы наздвичайно сильно повреждают ткани, с которыми они контактируют. Итак, плутоний представляет серьезную опасность, если попадает в организм. Он очень плохо всасывается в желудочном тракте, даже если попадает туда в растворимом виде. Но поглощения полграмма плутония может привести к смерти в течение нескольких недель вследствие острого облучения путей пищеварения.
Вдыхание десятой доли грамма пыли плутония приводит к смерти от отека легких в течение десяти дней. Вдыхание дозы в 20 мг приводит к смерти от фиброза течение месяца. Меньшие дозы вызывают кацерогенний эффект. Попадание в организм 1 мкг плутония увеличивает вероятность рака легких на 1%. Следовательно, 100 мкг плутония в организме почти гарантируют развитие рака (в течение десяти лет, хотя повреждения тканей могут оказался и раньше).
В биологических системах плутоний обычно находится в степени окисления +4 и обнаруживает сходство с железа. Попадая в кровь, он наиболее вероятно будет концентрироваться в тканях, содержащих железо: костном мозге, печени, селезенке. Если даже 1-2 микрограмма плутония осядут в костном мозге, иммунитет существенно ухудшится. Период выведения плутония из костной ткани составляет 80-100 лет, т.е. он будет оставаться там практически в течение всей жизни.
Международная комиссия по радиологической защите установила величину максимального ежегодного поглощения плутония на уровне 280 нанограмм.