Das Isotop von Plutonium 238 Pu wurde erstmals am 23.02.1941 von einer Gruppe amerikanischer Wissenschaftler um G. Seaborg durch Bestrahlung von Urankernen mit Deuteronen künstlich gewonnen. Erst dann wurde Plutonium in der Natur entdeckt: 239 Pu findet sich in vernachlässigbaren Mengen meist in Uranerzen als Produkt der radioaktiven Umwandlung von Uran. Plutonium ist das erste von Menschenhand hergestellte Element, das in wiegenden Mengen hergestellt wurde (1942) und das erste, das im industriellen Maßstab hergestellt wurde.
Der Name des Elements setzt das astronomische Thema fort: Es ist nach Pluto benannt, dem zweiten Planeten nach Uranus.
In der Natur sein, bekommen:
In Uranerzen entsteht durch den Einfang von Neutronen (z. B. Neutronen aus kosmischer Strahlung) durch Urankerne Neptunium (239 Np), das Produkt B-deren Zerfall natürliches Plutonium-239 ist. Plutonium wird jedoch in so mikroskopischen Mengen gebildet (0,4-15 Teile Pu pro 10 12 Teile U), dass eine Gewinnung aus Uranerzen nicht in Frage kommt.
Plutonium wird in Kernreaktoren produziert. Bei starken Neutronenflüssen findet die gleiche Reaktion wie bei Uranerzen statt, aber die Bildungs- und Akkumulationsrate von Plutonium im Reaktor ist viel höher - eine Milliarde Mal. Für die Umwandlungsreaktion von Ballast Uran-238 in Energie Plutonium-239 werden optimale (innerhalb der zulässigen) Bedingungen geschaffen.
Plutonium-244 wurde auch in einem Kernreaktor gelagert. Isotop des Elements Nr. 95 - Americium, 243 Am, das ein Neutron eingefangen hat, ging in Americium-244 über; Americium-244 ging in Curium über, aber in einem von 10.000 Fällen kam es zu einem Übergang zu Plutonium-244. Aus einer Mischung von Americium und Curium wurde ein nur wenige Millionstel Gramm schweres Plutonium-244-Präparat isoliert. Aber sie reichten aus, um die Halbwertszeit dieses interessanten Isotops zu bestimmen - 75 Millionen Jahre. Später wurde es verfeinert und es stellte sich heraus, dass es 82,8 Ma betrug. 1971 wurden Spuren dieses Isotops im Seltenerdmineral Bastnezit gefunden. 244 Pu ist das langlebigste aller Isotope von Transuranelementen.
Physikalische Eigenschaften:
Ein silberweißes Metall mit 6 allotropen Modifikationen. Schmelzpunkt 637 ° C, Siedepunkt - 3235 ° C. Dichte: 19,82 g / cm3.
Chemische Eigenschaften:
Plutonium kann mit Sauerstoff zu Oxid (IV) reagieren, das wie alle ersten sieben Aktiniden einen schwach basischen Charakter hat.
Pu + O 2 = PuO 2
Reagiert mit verdünnter Schwefel-, Salz-, Perchlorsäure.
Pu + 2HCl (p) = PuCl 2 + H 2; Pu + 2H 2 SO 4 = Pu (SO 4) 2 + 2H 2
Reagiert nicht mit Salpetersäure und konzentrierter Schwefelsäure. Die Wertigkeit von Plutonium variiert zwischen drei und sieben. Chemisch am stabilsten (und daher am weitesten verbreitet und am besten untersucht) sind Verbindungen des vierwertigen Plutoniums. Die Trennung von Aktiniden mit ähnlichen chemischen Eigenschaften - Uran, Neptunium und Plutonium - kann auf den unterschiedlichen Eigenschaften ihrer vier- und sechswertigen Verbindungen beruhen.
Die wichtigsten Verbindungen:
Plutonium(IV)-oxid, PuO 2, hat einen schwach basischen Charakter.
...
...
Anwendung:
Plutonium wird häufig bei der Herstellung von Atomwaffen verwendet (das sogenannte "Waffenplutonium"). Die erste Atombombe auf Plutoniumbasis wurde am 16. Juli 1945 auf dem Alamogordo-Testgelände gezündet (Test mit dem Codenamen "Trinity").
Findet (experimentell) Anwendung als Kernbrennstoff für zivile und Forschungskernreaktoren.
Plutonium-242 ist als "Rohstoff" für die relativ schnelle Anreicherung von höheren Transuranelementen in Kernreaktoren wichtig. Wird Plutonium-239 in einem konventionellen Reaktor bestrahlt, dauert es etwa 20 Jahre, bis sich Mikrogramm-Mengen Plutonium aus Gramm Plutonium, zum Beispiel Californium-251, angereichert haben. Plutonium-242 teilt sich nicht durch thermische Neutronen und kann in großen Mengen mit intensiven Neutronenflüssen bestrahlt werden. Daher können in Reaktoren aus diesem Isotop alle Elemente von Californium bis Einsteinium in Gewichtsmengen "machen" und anreichern.
Kovalenko O.A.
KhF Staatliche Universität Tjumen
Quellen:
"Schadstoffchemikalien: Radioaktive Stoffe" Handbuch L. 1990 S. 197
Rabinovich V. A., Khavin Z. Ya. "Kurzes chemisches Nachschlagewerk" L.: Chemie, 1977 S. 90, 306-307.
IN. Beckmann. Plutonium. (Anleitung, 2009)
Chemie
Plutonium Pu - Element Nummer 94 ist mit sehr großen Hoffnungen und sehr großen Ängsten der Menschheit verbunden. Dies ist heutzutage eines der wichtigsten, strategisch wichtigsten Elemente. Es ist das teuerste der technisch wichtigen Metalle – es ist deutlich teurer als Silber, Gold und Platin. Er ist wirklich kostbar.
Hintergrund und Geschichte
Am Anfang waren Protonen - galaktischer Wasserstoff. Als Ergebnis seiner Kompression und nachfolgenden Kernreaktionen wurden die unglaublichsten "Barren" von Nukleonen gebildet. Unter ihnen waren diese "Barren" anscheinend und enthielten 94 Protonen. Die theoretischen Schätzungen legen nahe, dass etwa 100 Nukleonenformationen, die 94 Protonen und 107 bis 206 Neutronen umfassen, so stabil sind, dass sie als Kerne von Isotopen des Elements 94 angesehen werden können.
Aber all diese Isotope – hypothetische und reale – sind nicht so stabil, dass sie vom Moment der Bildung der Elemente des Sonnensystems an bis heute überleben könnten. Die Halbwertszeit des langlebigsten Isotops von Element 94 beträgt 81 Millionen Jahre. Das Alter der Galaxie wird in Milliarden von Jahren gemessen. Folglich hatte das „ursprüngliche“ Plutonium bis heute keine Überlebenschance. Wenn es während der großen Synthese der Elemente des Universums gebildet wurde, dann sind seine alten Atome vor langer Zeit "ausgestorben", so wie Dinosaurier und Mammuts ausgestorben sind.
Im XX. Jahrhundert. neue Ära, AD, dieses Element wurde neu erstellt. Von den 100 möglichen Isotopen des Plutoniums wurden 25 synthetisiert, von denen 15 Kerneigenschaften untersucht wurden. Vier haben praktische Anwendungen gefunden. Und es wurde erst vor kurzem eröffnet. Als im Dezember 1940 Uran mit schweren Wasserstoffkernen bestrahlt wurde, entdeckte eine Gruppe amerikanischer Radiochemiker um Glenn T. Seaborg einen bisher unbekannten Emitter von Alphateilchen mit einer Halbwertszeit von 90 Jahren. Es stellte sich heraus, dass es sich bei diesem Emitter um ein Isotop des Elements 94 mit einer Massenzahl von 238 handelte. Macmillan und F. Eibelson erhielten das erste Element, schwerer als Uran - Element Nummer 93. Dieses Element wurde Neptunium und 94. Plutonium genannt. Der Historiker wird definitiv sagen, dass diese Namen aus der römischen Mythologie stammen, aber im Wesentlichen ist der Ursprung dieser Namen nicht mythologisch, sondern astronomisch.
Die Elemente 92 und 93 sind nach den fernen Planeten des Sonnensystems benannt - Uranus und Neptun, aber Neptun ist nicht der letzte im Sonnensystem, Plutos Umlaufbahn - ein Planet, über den fast noch nichts bekannt ist ... "linke Flanke" der Mendelejew-Tabelle: Uran - Neptunium - Plutonium, aber die Menschheit weiß viel mehr über Plutonium als über Pluto. Übrigens entdeckten Astronomen Pluto nur zehn Jahre vor der Synthese von Plutonium - fast die gleiche Zeitspanne trennte die Entdeckungen von Uranus - dem Planeten und Uran - dem Element.
Rätsel für Ransomware
Das erste Isotop des Elements 94, Plutonium-238, hat heute praktische Anwendung gefunden. Aber Anfang der 40er Jahre dachten sie nicht einmal daran. Es ist nur möglich, Plutonium-238 in Mengen von praktischem Interesse zu erhalten, wenn man sich auf eine mächtige Nuklearindustrie verlässt. Damals steckte es noch in den Kinderschuhen. Aber es war bereits klar, dass man durch die Freisetzung der in den Kernen der schweren radioaktiven Elemente enthaltenen Energie eine Waffe von beispielloser Stärke erhalten konnte. Es entstand das Manhattan Project, das mit dem berühmten New Yorker Stadtteil nur einen Namen gemein hatte. Dies war der allgemeine Name für alle Arbeiten, die mit der Entwicklung der ersten Atombomben in den Vereinigten Staaten verbunden waren. Der Leiter des Manhattan-Projekts war kein Wissenschaftler, sondern ein Militär - General Groves, der seine hochgebildeten Schützlinge "liebevoll" als "zerbrochene Töpfe" bezeichnete.
Die Leiter des "Projekts" interessierten sich nicht für Plutonium-238. Seine Kerne, wie auch die Kerne aller Plutonium-Isotope mit geraden Massenzahlen, können nicht durch niederenergetische Neutronen gespalten werden, so dass er nicht als Kernsprengstoff dienen könnte. Die ersten wenig verständlichen Berichte über die Elemente Nr. 93 und 94 gingen jedoch erst im Frühjahr 1942 in Druck.
Wie lässt sich das erklären? Physiker verstanden, dass die Synthese von Plutonium-Isotopen mit ungeraden Massenzahlen eine Frage der Zeit ist und noch lange nicht. Von den ungeraden Isotopen wie Uran-235 wurde erwartet, dass sie eine nukleare Kettenreaktion aufrechterhalten. In ihnen, noch nicht erhalten, sahen einige potenzielle Atomsprengstoffe. Und diese Hoffnungen Plutonium, leider berechtigt.
In den damaligen Chiffren hieß das Element Nr. 94 nichts anderes als ... Kupfer. Und als der Bedarf an Kupfer selbst (als Konstruktionsmaterial für einige Teile) entstand, erschien neben "Kupfer" auch "echtes Kupfer" in der Verschlüsselung.
„Der Baum der Erkenntnis von Gut und Böse“
1941 wurde das wichtigste Isotop von Plutonium entdeckt - ein Isotop mit einer Massenzahl von 239. Und fast sofort wurde die Vorhersage der Theoretiker bestätigt: Die Kerne von Plutonium-239 wurden durch thermische Neutronen gespalten. Außerdem wurden bei ihrer Spaltung nicht weniger Neutronen erzeugt als bei der Spaltung von Uran-235. Die Möglichkeiten, dieses Isotop in großen Mengen zu erhalten, wurden sofort skizziert ...
Jahre sind vergangen. Nun ist es für niemanden ein Geheimnis, dass die in den Arsenalen gelagerten Atombomben mit Plutonium-239 gefüllt sind und dass diese Bomben ausreichen, um alles Leben auf der Erde irreparabel zu beschädigen.
Es wird allgemein angenommen, dass die Menschheit mit der Entdeckung einer nuklearen Kettenreaktion (deren unvermeidliche Folge die Schaffung einer Atombombe war) eindeutig es eilig hatte. Sie können anders denken oder so tun, als ob Sie anders denken - es ist angenehmer, ein Optimist zu sein. Aber auch Optimisten stehen unweigerlich vor der Frage nach der Verantwortung von Wissenschaftlern. Wir erinnern uns an den triumphalen Junitag 1954, an dem das erste Atomkraftwerk in Obninsk Strom lieferte. Aber wir dürfen den Augustmorgen 1945 nicht vergessen - "Hiroshima-Morgen", "Albert Einsteins Regentag" ... Wir erinnern uns an die ersten Nachkriegsjahre und die hemmungslose Atomerpressung - die Grundlage der amerikanischen Politik jener Jahre. Und ertrug die Menschheit in den folgenden Jahren wenig Angst? Darüber hinaus wurden diese Sorgen um ein Vielfaches verstärkt durch das Bewusstsein, dass bei Ausbruch eines neuen Weltkriegs Atomwaffen in Betrieb genommen würden.
Hier können Sie versuchen zu beweisen, dass die Entdeckung des Plutoniums die Ängste der Menschheit nicht verstärkte, sondern nur nützlich war.
Angenommen, es wäre passiert, dass Plutonium aus irgendeinem Grund oder, wie man früher sagen würde, durch den Willen Gottes den Wissenschaftlern nicht zur Verfügung stand. Würden unsere Ängste und Ängste dann abnehmen? Gar nicht. Atombomben würden aus Uran-235 (und in nicht geringerer Menge als aus Plutonium) hergestellt, und diese Bomben würden noch größere Budgets „auffressen“ als jetzt.
Aber ohne Plutonium gäbe es keine Aussicht auf eine friedliche Nutzung der Kernenergie im großen Stil. Uran-235 würde für ein "friedliches Atom" einfach nicht ausreichen. Das Übel, das der Menschheit durch die Entdeckung der Kernenergie zugefügt wurde, würde durch die Errungenschaften des "guten Atoms" nicht einmal teilweise aufgewogen.
Wie misst man, womit vergleicht man
Wenn der Kern von Plutonium-239 durch Neutronen in zwei Fragmente von ungefähr gleicher Masse geteilt wird, werden etwa 200 MeV Energie freigesetzt. Das ist 50 Millionen Mal mehr Energie, die bei der berühmtesten exothermen Reaktion C + O 2 = CO 2 freigesetzt wird. In einem Kernreaktor "verbrennt" ein Gramm Plutonium 2.107 kcal. Um Traditionen nicht zu verletzen (und in populären Artikeln wird die Energie von Kernbrennstoffen normalerweise in nicht systemischen Einheiten gemessen - Tonnen Kohle, Benzin, Trinitrotoluol usw.), stellen wir auch fest: Dies ist Energie, die in 4 Tonnen enthalten ist Kohle. Und in einen gewöhnlichen Fingerhut wird eine Menge Plutonium gelegt, die energetisch vierzig Wagen guten Birkenholzes entspricht.
Die gleiche Energie wird bei der Spaltung von Uran-235-Kernen durch Neutronen freigesetzt. Aber der Großteil des natürlichen Urans (99,3%!) ist das Isotop 238 U, das nur durch Umwandlung von Uran in Plutonium verwendet werden kann ...
Energie der Steine
Lassen Sie uns die Energieressourcen schätzen, die in den natürlichen Uranreserven enthalten sind.
Uran ist ein Streuelement und praktisch überall vorhanden. Jeder, der zum Beispiel Karelien besucht hat, erinnert sich wahrscheinlich an Granitblöcke und Küstenfelsen. Aber nur wenige wissen, dass eine Tonne Granit bis zu 25 g Uran enthält. Granite machen fast 20 % des Gewichts der Erdkruste aus. Wenn wir nur Uran-235 zählen, dann enthält eine Tonne Granit 3,5-105 kcal Energie. Das ist viel, aber...
Für die Verarbeitung von Granit und die Gewinnung von Uran muss noch mehr Energie aufgewendet werden - etwa 106-107 kcal / t. Wenn es nun möglich wäre, nicht nur Uran-235, sondern auch Uran-238 als Energieträger zu nutzen, dann käme Granit zumindest als potentieller Energierohstoff in Frage. Dann würde die von einer Tonne Stein aufgenommene Energie bereits 8-107 bis 5-108 kcal betragen. Dies entspricht 16-100 Tonnen Kohle. Und in diesem Fall könnte Granit den Menschen fast eine Million Mal mehr Energie liefern als alle Vorräte an chemischen Brennstoffen auf der Erde.
Aber Uran-238-Kerne sind nicht durch Neutronen spaltbar. Dieses Isotop ist für die Kernenergietechnik unbrauchbar. Genauer gesagt wäre es nutzlos, wenn es nicht in Plutonium-239 umgewandelt werden könnte. Und was besonders wichtig ist: Für diese nukleare Umwandlung muss praktisch keine Energie aufgewendet werden – im Gegenteil, bei diesem Prozess wird Energie erzeugt!
Versuchen wir herauszufinden, wie dies geschieht, aber zuerst ein paar Worte über natürliches Plutonium.
400.000 mal weniger als Radium
Es wurde bereits gesagt, dass Plutoniumisotope seit der Synthese von Elementen während der Entstehung unseres Planeten nicht mehr erhalten sind. Dies bedeutet jedoch nicht, dass es kein Plutonium in der Erde gibt.
Es wird ständig in Uranerzen gebildet. Beim Einfangen von Neutronen aus kosmischer Strahlung und Neutronen, die bei der spontanen (spontanen) Spaltung von Uran-238-Kernen gebildet werden, werden einige - sehr wenige - Atome dieses Isotops in Atome von Uran-239 umgewandelt. Diese Kerne sind sehr instabil, sie emittieren Elektronen und erhöhen dadurch ihre Ladung. Neptunium, das erste transuranische Element, wird gebildet. Neptunium-239 ist auch ziemlich instabil und seine Kerne emittieren Elektronen. In nur 56 Stunden verwandelt sich die Hälfte von Neptunium-239 in Plutonium-239, dessen Halbwertszeit bereits ziemlich lang ist - 24.000 Jahre.
Warum Plutonium nicht aus Uranerzen gewonnen wird? Konzentration zu gering. "Ein Gramm Produktion - ein Jahr Arbeit" handelt von Radium, und Plutonium in Erzen enthält 400.000 Mal weniger als Radium. Daher ist es äußerst schwierig, "terrestrisches" Plutonium nicht nur zu extrahieren - sogar nachzuweisen. Dies geschah erst, nachdem die physikalischen und chemischen Eigenschaften des in Kernreaktoren gewonnenen Plutoniums untersucht wurden.
Plutonium wird in Kernreaktoren angereichert. Bei starken Neutronenflüssen findet die gleiche Reaktion wie bei Uranerzen statt, aber die Bildungs- und Akkumulationsrate von Plutonium im Reaktor ist viel höher - eine Milliarde Mal. Für die Umwandlungsreaktion von Ballast Uran-238 in Energie Plutonium-239 werden optimale (innerhalb der zulässigen) Bedingungen geschaffen.
Wenn der Reaktor mit thermischen Neutronen betrieben wird (denken Sie daran, dass ihre Geschwindigkeit etwa 2000 m pro Sekunde beträgt und ihre Energie Bruchteile eines Elektronenvolts beträgt), dann wird aus dem natürlichen Gemisch von Uranisotopen eine Plutoniummenge gewonnen, die etwas weniger ist als die Menge an "ausgebranntem" Uran-235. Etwas, aber weniger, plus den unvermeidlichen Verlust von Plutonium während seiner chemischen Trennung von bestrahltem Uran. Darüber hinaus wird eine nukleare Kettenreaktion in einem natürlichen Gemisch von Uranisotopen nur so lange gefiltert, bis ein unbedeutender Bruchteil von Uran-235 verbraucht ist. Daher ist die Schlussfolgerung natürlich: Ein "thermischer" Reaktor auf Natururan - der derzeit hauptsächlich in Betrieb befindliche Reaktortyp - kann keine erweiterte Züchtung von Kernbrennstoffen bieten. Aber was ist dann vielversprechend? Um diese Frage zu beantworten, vergleichen wir den Verlauf der nuklearen Kettenreaktion in Uran-235 und Plutonium-239 und führen ein weiteres physikalisches Konzept in unsere Überlegungen ein.
Das wichtigste Merkmal jedes Kernbrennstoffs ist die durchschnittliche Anzahl von Neutronen, die emittiert werden, nachdem der Kern ein Neutron eingefangen hat. Physiker nennen sie eta-Zahl und bezeichnen sie mit dem griechischen Buchstaben c. In "thermischen" Reaktoren mit Uran wird folgendes Muster beobachtet: Jedes Neutron produziert durchschnittlich 2,08 Neutronen (η = 2,08). Plutonium, das in einen solchen Reaktor unter dem Einfluss thermischer Neutronen eingebracht wird, ergibt η = 2,03. Aber es gibt auch schnelle Reaktoren. Es ist sinnlos, ein natürliches Gemisch von Uranisotopen in einen solchen Reaktor zu laden: Die Kettenreaktion funktioniert nicht. Wird der „Rohstoff“ jedoch mit Uran-235 angereichert, kann er sich in einem „schnellen“ Reaktor entwickeln. In diesem Fall ist q bereits gleich 2,23. Und Plutonium, das mit schnellen Neutronen beschossen wird, ergibt η gleich 2,70. Wir werden "zusätzliche halbe Neutronen" zur Verfügung haben. Und das ist nicht genug.
Mal sehen, wofür die empfangenen Neutronen ausgegeben werden. In jedem Reaktor wird ein Neutron benötigt, um eine nukleare Kettenreaktion aufrechtzuerhalten. 0,1 Neutronen werden von den Strukturmaterialien der Anlage absorbiert. Der "Überschuss" wird verwendet, um Plutonium-239 anzusammeln. In einem Fall beträgt der "Überschuss" 1,13, im anderen - 1,60. Nach dem „Verbrennen“ eines Kilogramms Plutonium in einem „schnellen“ Reaktor wird kolossale Energie freigesetzt und 1,6 kg Plutonium akkumuliert. Und Uran in einem "schnellen" Reaktor liefert die gleiche Energie und 1,1 kg neuen Kernbrennstoff. In beiden Fällen liegt eine erweiterte Reproduktion vor. Aber wir dürfen die Wirtschaft nicht vergessen.
Der Züchtungszyklus von Plutonium dauert aus verschiedenen technischen Gründen mehrere Jahre. Sagen wir, es ist fünf Jahre alt. Das bedeutet, dass die Plutoniummenge pro Jahr bei = 2,23 nur um 2% und bei η = 2,7 um 12% zunimmt! Kernbrennstoff ist Kapital, und jedes Kapital sollte, sagen wir, 5 % pro Jahr einbringen. Im ersten Fall gibt es große Verluste und im zweiten große Gewinne. Dieses primitive Beispiel veranschaulicht das "Gewicht" jeder zehnten Zahl in der Kernkraft.
Eine andere Sache ist auch wichtig. Die Kernkraft muss mit dem wachsenden Energiebedarf Schritt halten. Berechnungen zeigen, dass seine Bedingung in Zukunft nur dann realisierbar ist, wenn η gegen drei geht. Wenn die Entwicklung der Kernenergiequellen hinter dem Energiebedarf der Gesellschaft zurückbleibt, gibt es zwei Möglichkeiten: entweder den Fortschritt zu verlangsamen oder Energie aus anderen Quellen zu beziehen. Sie sind bekannt: thermonukleare Fusion, die Energie der Vernichtung von Materie und Antimaterie, sind aber technisch noch nicht verfügbar. Und es ist nicht bekannt, wann sie echte Energiequellen für die Menschheit sein werden. Und die Energie schwerer Kerne ist für uns längst Realität, und heute hat Plutonium als wichtigster "Lieferant" der Atomenergie keine ernsthaften Konkurrenten, außer vielleicht Uran-233.
Die Summe vieler Technologien
Wenn sich durch Kernreaktionen die erforderliche Menge Plutonium im Uran ansammelt, muss es nicht nur vom Uran selbst, sondern auch von Spaltfragmenten - sowohl Uran als auch Plutonium, die in einer nuklearen Kettenreaktion ausgebrannt werden - getrennt werden. Außerdem befindet sich in der Uran-Plutonium-Masse ein gewisser Anteil an Neptunium. Am schwierigsten ist es, Plutonium von Neptunium und Seltenerdelementen (Lanthaniden) zu trennen. Plutonium als chemisches Element hat etwas Pech. Aus Sicht eines Chemikers ist das Hauptelement der Kernkraft nur eines von vierzehn Aktiniden. Wie die Seltenerdelemente liegen alle Elemente der Actinium-Reihe in ihren chemischen Eigenschaften sehr nahe beieinander, die Struktur der äußeren Elektronenhüllen der Atome aller Elemente von Actinium bis 103 ist gleich. Noch unangenehmer ist, dass die chemischen Eigenschaften von Aktiniden denen von Seltenerdelementen ähneln, und unter den Bruchstücken der Spaltung von Uran und Plutonium sind Lanthanoide weit verbreitet. Aber dann kann das 94. Element in fünf Valenzzuständen sein, und das "süßt die Pille" - es hilft, Plutonium sowohl von Uran als auch von Spaltfragmenten zu trennen.
Die Wertigkeit von Plutonium variiert zwischen drei und sieben. Chemisch am stabilsten (und daher am weitesten verbreitet und am besten untersucht) sind Verbindungen des vierwertigen Plutoniums.
Die Trennung von Aktiniden mit ähnlichen chemischen Eigenschaften - Uran, Neptunium und Plutonium - kann auf den unterschiedlichen Eigenschaften ihrer vier- und sechswertigen Verbindungen beruhen.
Alle Stufen der chemischen Trennung von Plutonium und Uran müssen nicht im Detail beschrieben werden. Normalerweise beginnt ihre Trennung mit der Auflösung von Uranbarren in Salpetersäure, wonach die in der Lösung enthaltenen Uran-, Neptunium-, Plutonium- und Fragmentierungselemente mit traditionellen radiochemischen Methoden "getrennt" werden - Fällung, Extraktion, Ionenaustausch und andere. Die plutoniumhaltigen Endprodukte dieser mehrstufigen Technologie sind sein Dioxid PuO 2 oder Fluoride - PuF 3 oder PuF 4. Sie werden mit Barium-, Calcium- oder Lithiumdampf zu Metall reduziert. Das bei diesen Verfahren gewonnene Plutonium eignet sich jedoch nicht für die Rolle eines Strukturmaterials - die Brennelemente von Kernreaktoren können nicht daraus hergestellt werden, die Ladung einer Atombombe kann nicht abgeworfen werden. Wieso den? Der Schmelzpunkt von Plutonium - nur 640 ° C - ist durchaus erreichbar.
Unabhängig davon, welche "Ultraverkürzung"-Modi die Teile aus reinem Plutonium gegossen werden, treten während der Erstarrung immer Risse in den Gussteilen auf. Bei 640 °C bildet erstarrendes Plutonium ein kubisches Kristallgitter. Mit abnehmender Temperatur nimmt die Dichte des Metalls allmählich zu. Aber dann erreichte die Temperatur 480 ° C, und dann fällt die Plutoniumdichte plötzlich stark ab. Den Gründen für diese Anomalie sind sie recht schnell auf den Grund gegangen: Bei dieser Temperatur lagern sich Plutoniumatome im Kristallgitter um. Es wird tetragonal und sehr locker. Solches Plutonium kann in seiner eigenen Schmelze schwimmen, wie Eis auf Wasser.
Die Temperatur sinkt weiter, jetzt hat sie 451 ° C erreicht, und die Atome bilden wieder ein kubisches Gitter, befinden sich jedoch in größerem Abstand voneinander als im ersten Fall. Bei weiterer Abkühlung wird das Gitter zunächst orthorhombisch und dann monoklin. Insgesamt bildet Plutonium sechs verschiedene Kristallformen! Zwei von ihnen zeichnen sich durch eine bemerkenswerte Eigenschaft aus - einen negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten: Bei Temperaturerhöhung dehnt sich das Metall nicht aus, sondern zieht sich zusammen.
Wenn die Temperatur 122 °C erreicht und die Plutoniumatome zum sechsten Mal ihre Reihen neu anordnen, ändert sich die Dichte besonders stark - von 17,77 auf 19,82 g / cm 3. Mehr als 10%!
Das Volumen des Barrens wird entsprechend reduziert. Wenn das Metall den Belastungen, die an anderen Übergängen entstanden sind, noch standhält, dann ist in diesem Moment eine Zerstörung unvermeidlich.
Wie kann man dann Teile aus diesem erstaunlichen Metall herstellen? Metallurgen legieren Plutonium (fügen Sie unbedeutende Mengen der erforderlichen Elemente hinzu) und erhalten Gussstücke ohne einen einzigen Riss. Sie werden verwendet, um Plutonium-Atombomben herzustellen. Das Gewicht der Ladung (es wird hauptsächlich durch die kritische Masse des Isotops bestimmt) beträgt 5-6 kg. Es würde problemlos in einen 10 cm großen Würfel passen.
Schwere Isotope von Plutonium
Plutonium-239 enthält auch unbedeutende Mengen höherer Isotope dieses Elements - mit den Massenzahlen 240 und 241. Das Isotop 240 Pu ist praktisch nutzlos - es ist Ballast im Plutonium. Ab dem 241. wird Americium gewonnen - Element Nr. 95. In reiner Form, ohne Beimischung anderer Isotope, können Plutonium-240 und Plutonium-241 durch elektromagnetische Trennung von im Reaktor angesammeltem Plutonium gewonnen werden. Zuvor wird Plutonium zusätzlich mit Neutronenflüssen mit genau definierten Eigenschaften bestrahlt. Das alles ist natürlich sehr schwierig, zumal Plutonium nicht nur radioaktiv, sondern auch sehr giftig ist. Die Arbeit damit erfordert äußerste Sorgfalt.
Eines der interessantesten Isotope von Plutonium, 242 Pu, kann durch Bestrahlung von 239 Pu in Neutronenflüssen über einen langen Zeitraum erhalten werden. 242 Pu fängt sehr selten Neutronen ein und "brennt" daher im Reaktor langsamer aus als andere Isotope; es bleibt bestehen, selbst nachdem die restlichen Isotope des Plutoniums fast vollständig in Fragmente übergegangen sind oder sich in Plutonium-242 verwandelt haben.
Plutonium-242 ist als "Rohstoff" für die relativ schnelle Anreicherung von höheren Transuranelementen in Kernreaktoren wichtig. Wird Plutonium-239 in einem konventionellen Reaktor bestrahlt, so dauert es etwa 20 Jahre, bis sich aus Gramm Plutonium, beispielsweise Californium-252, Mikrogramm-Plutoniummengen anreichern.
Es ist möglich, die Akkumulationszeit von höheren Isotopen zu verkürzen, indem der Neutronenfluss im Reaktor erhöht wird. Dies geschieht, aber dann kann eine große Menge Plutonium-239 nicht bestrahlt werden. Schließlich wird dieses Isotop durch Neutronen geteilt und in intensiven Strömen wird zu viel Energie freigesetzt. Zusätzliche Schwierigkeiten ergeben sich bei der Kühlung des Reaktors. Um diese Komplikationen zu vermeiden, wäre es notwendig, die Menge an bestrahltem Plutonium zu reduzieren. Folglich wäre die Produktion Kaliforniens wieder spärlich. Teufelskreis!
Plutonium-242 teilt sich nicht durch thermische Neutronen, es kann in großen Mengen in intensiven Neutronenflüssen bestrahlt werden ... Daher werden in Reaktoren alle Elemente von Americium bis Fermium aus diesem Isotop „hergestellt“ und reichern sich in Gewichtsmengen an.
Immer wenn es Wissenschaftlern gelang, ein neues Isotop von Plutonium zu erhalten, wurde die Halbwertszeit seiner Kerne gemessen. Die Halbwertszeiten von Isotopen schwerer radioaktiver Kerne mit geraden Massenzahlen ändern sich natürlich. (Dies ist bei ungeraden Isotopen nicht der Fall.)
Mit zunehmender Masse nimmt auch die „Lebensdauer“ des Isotops zu. Plutonium-242 war vor einigen Jahren der Höhepunkt dieser Grafik. Und wie wird diese Kurve weitergehen – bei einer weiteren Zunahme der Massenzahl? Zu Punkt 1, was einer Lebensdauer von 30 Millionen Jahren entspricht, oder zu Punkt 2, was bereits 300 Millionen Jahren entspricht? Die Antwort auf diese Frage war für die Geowissenschaften sehr wichtig. Im ersten Fall, wenn die Erde vor 5 Milliarden Jahren vollständig aus 244 Pu bestand, würde jetzt nur noch ein Plutonium-244-Atom in der gesamten Masse der Erde übrigbleiben. Wenn die zweite Annahme richtig ist, könnte Plutonium-244 in solchen Konzentrationen in der Erde vorhanden sein, die bereits nachgewiesen werden konnten. Wenn wir das Glück hätten, dieses Isotop in der Erde zu finden, würde die Wissenschaft die wertvollsten Informationen über die Prozesse erhalten, die bei der Entstehung unseres Planeten abliefen.
Halbwertszeiten einiger Isotope von Plutonium
Vor einigen Jahren standen Wissenschaftler vor der Frage: Lohnt es sich, schweres Plutonium in der Erde zu finden? Um sie zu beantworten, musste zunächst die Halbwertszeit von Plutonium-244 bestimmt werden. Theoretiker konnten diesen Wert nicht mit der erforderlichen Genauigkeit berechnen. Alle Hoffnung galt nur einem Experiment.
Plutonium-244 wurde in einem Kernreaktor gelagert. Element 95, Americium (Isotop 243 Am), wurde bestrahlt. Nachdem es ein Neutron eingefangen hatte, ging dieses Isotop in Americium-244 über; Americium-244 ging in einem von 10.000 Fällen in Plutonium-244 über.
Ein Plutonium-244-Präparat wurde aus einer Mischung von Americium und Curium isoliert. Die Probe wog nur wenige Millionstel Gramm. Aber sie reichten aus, um die Halbwertszeit dieses interessanten Isotops zu bestimmen. Es stellte sich heraus, dass sie 75 Millionen Jahren entsprach. Später spezifizierten andere Forscher die Halbwertszeit von Plutonium-244, aber nicht viel - 81 Millionen Jahre. 1971 wurden Spuren dieses Isotops im Seltenerdmineral Bastnezit gefunden.
Wissenschaftler haben viele Versuche unternommen, ein Isotop des Transuran-Elements zu finden, das länger als 244 Pu lebt. Aber alle Versuche waren vergeblich. Früher setzten sie ihre Hoffnungen auf Curium-247, aber nachdem sich dieses Isotop im Reaktor angesammelt hatte, stellte sich heraus, dass seine Halbwertszeit nur 16 Millionen Jahre beträgt. Der Rekord für Plutonium-244 konnte nicht gebrochen werden - es ist das langlebigste aller Isotope der Transuran-Elemente.
Sogar schwerere Isotope von Plutonium unterliegen dem Betazerfall und ihre Lebensdauer reicht von wenigen Tagen bis zu einigen Zehntelsekunden. Wir wissen mit Sicherheit, dass alle Isotope von Plutonium, bis hin zu 257 Pu, bei thermonuklearen Explosionen gebildet werden. Ihre Lebensdauer beträgt jedoch Zehntelsekunden, und viele kurzlebige Isotope von Plutonium konnten noch nicht untersucht werden.
Möglichkeiten des ersten Isotops von Plutonium
Und schließlich - über Plutonium-238 - das allererste der "menschengemachten" Isotope von Plutonium, ein Isotop, das zunächst hoffnungslos schien. Es ist eigentlich ein sehr interessantes Isotop. Es unterliegt dem Alpha-Zerfall, dh seine Kerne emittieren spontan Alpha-Teilchen - Heliumkerne. Die von Plutonium-238-Kernen erzeugten Alpha-Teilchen sind sehr energiereich; in Materie zerstreut, wird diese Energie in Wärme umgewandelt. Wie groß ist diese Energie? Beim Zerfall eines Atomkerns von Plutonium-238 werden sechs Millionen Elektronenvolt freigesetzt. Bei einer chemischen Reaktion wird die gleiche Energie freigesetzt, wenn mehrere Millionen Atome oxidiert werden. Eine Stromquelle mit einem Kilogramm Plutonium-238 entwickelt eine thermische Leistung von 560 Watt. Die maximale Leistung einer chemischen Stromquelle gleicher Masse beträgt 5 Watt.
Es gibt viele Emitter mit ähnlichen Energieeigenschaften, aber eine Eigenschaft von Plutonium-238 macht dieses Isotop unersetzlich. Typischerweise wird der Alpha-Zerfall von starker Gammastrahlung begleitet, die große Materieschichten durchdringt. 238 Pu ist eine Ausnahme. Die Energie der Gammaquanten, die den Zerfall ihrer Kerne begleiten, ist gering, sie lässt sich nicht schwer abwehren: Die Strahlung wird von einem dünnwandigen Behälter absorbiert. Die Wahrscheinlichkeit einer spontanen Kernspaltung dieses Isotops ist ebenfalls gering. Daher fand er nicht nur in aktuellen Quellen Anwendung, sondern auch in der Medizin. Plutonium-238-Batterien dienen als Energiequelle in speziellen Herzstimulatoren.
Aber 238 Pu ist nicht das leichteste der bekannten Isotope des Elements 94, es wurden Isotope von Plutonium mit Massenzahlen von 232 bis 237 erhalten, die Halbwertszeit des leichtesten Isotops beträgt 36 Minuten.
Plutonium ist ein großes Thema. Hier ist die wichtigste der wichtigsten. Schließlich ist es bereits zu einer Standardformel geworden, dass die Chemie des Plutoniums viel besser erforscht ist als die Chemie so "alter" Elemente wie Eisen. Über die nuklearen Eigenschaften von Plutonium wurden ganze Bücher geschrieben. Die Plutoniummetallurgie ist ein weiterer erstaunlicher Abschnitt des menschlichen Wissens ... Daher sollten Sie nicht denken, dass Sie nach dem Lesen dieser Geschichte wirklich Plutonium gelernt haben - das wichtigste Metall des 20. Jahrhunderts.
- WIE IST PLUTONIUM EINZUNEHMEN? Radioaktives und giftiges Plutonium erfordert besondere Sorgfalt beim Transport. Ein Container wurde speziell für seinen Transport entwickelt – ein Container, der auch bei Flugzeugunfällen nicht zusammenbricht. Es ist ganz einfach gemacht: Es ist ein dickwandiges Edelstahlgefäß, das von einer Mahagoni-Schale umgeben ist. Plutonium lohnt sich natürlich, aber stellen Sie sich vor, wie dick die Wände sein müssen, wenn Sie wissen, dass ein Container für den Transport von nur zwei Kilogramm Plutonium 225 kg wiegt!
- GIFTINFORMATIONS- UND GEGENMITTEL. Am 20. Oktober 1977 berichtete die Agence France-Presse: Es wurde eine chemische Verbindung gefunden, die Plutonium aus dem menschlichen Körper entfernen kann. Einige Jahre später wurde ziemlich viel über diese Verbindung bekannt. Diese Komplexverbindung ist eine lineare Catechinamid-Carboxylase, eine Substanz der Chelat-Klasse (aus dem Griechischen - "hela" - eine Klaue). Diese chemische Klaue fängt das Plutoniumatom frei oder gebunden ein. Bei Labormäusen wurden mit dieser Substanz bis zu 70 % des aufgenommenen Plutoniums aus dem Körper entfernt. Es wird angenommen, dass diese Verbindung in Zukunft dazu beitragen wird, Plutonium sowohl aus Produktionsabfällen als auch aus Kernbrennstoffen zu extrahieren.
Geschichte
Entdeckt 1940 von Glenn Seaborg, Edwin McMillan, Kennedy und Arthur Wahl 1940 in Berkeley (USA) beim Beschuss eines Uran-Targets mit Deuteronen, die in einem Zyklotron beschleunigt wurden.
Herkunft des Namens
Plutonium wurde nach dem Planeten Pluto benannt, weil das zuvor entdeckte chemische Element Neptunium hieß.
Empfang
Plutonium wird in Kernreaktoren produziert.
Das Isotop 238 U, das den Großteil des Natururans ausmacht, ist für die Spaltung wenig geeignet. Für Kernreaktoren ist Uran etwas angereichert, aber der Anteil von 235 U im Kernbrennstoff bleibt gering (ca. 5 %). Der Hauptteil in Brennstäben ist 238 U. Während des Betriebs eines Kernreaktors fängt ein Teil der 238 U-Kerne Neutronen ein und wird zu 239 Pu, das weiter getrennt werden kann.
Es ist ziemlich schwierig, Plutonium unter den Produkten von Kernreaktionen zu isolieren, da Plutonium (wie Uran, Thorium, Neptunium) zu Aktiniden gehört, die sich in ihren chemischen Eigenschaften sehr ähnlich sind. Die Aufgabe wird dadurch erschwert, dass unter den Zerfallsprodukten Seltenerdelemente enthalten sind, deren chemische Eigenschaften ebenfalls denen von Plutonium ähneln. Es werden traditionelle radiochemische Methoden verwendet - Fällung, Extraktion, Ionenaustausch usw. Das Endprodukt dieser mehrstufigen Technologie sind Plutoniumoxide PuO 2 oder Fluoride (PuF 3, PuF 4).
Plutonium wird nach der Metallothermie-Methode (Reduktion mit Aktivmetallen aus Oxiden und Salzen im Vakuum) gewonnen:
PuF 4 +2 Ba = 2BaF 2 + Pu
Isotope
Von Plutonium sind mehr als ein Dutzend Isotope bekannt, die alle radioaktiv sind.
Das wichtigste Isotop 239 Pu, zur Kernspaltung und nuklearen Kettenreaktion fähig. Es ist das einzige Isotop, das für den Einsatz in Atomwaffen geeignet ist. Es hat bessere Absorptions- und Streuindizes von Neutronen als Uran-235, die Anzahl der Neutronen pro Spaltung (etwa 3 gegenüber 2,3) und dementsprechend eine niedrigere kritische Masse. Seine Halbwertszeit beträgt etwa 24.000 Jahre. Andere Isotope von Plutonium werden in erster Linie unter dem Gesichtspunkt der Schädlichkeit für den (militärischen) Hauptgebrauch betrachtet.
Isotop 238 Pu hat eine starke Alpha-Radioaktivität und dadurch eine signifikante Wärmefreisetzung (567 W / kg). Dies führt zu Unannehmlichkeiten für die Verwendung in Kernwaffen, findet jedoch Anwendung in Kernbatterien. Fast alle Raumfahrzeuge, die aus der Umlaufbahn des Mars geflogen sind, verfügen über 238 Pu-Radioisotopenreaktoren. Im Reaktorplutonium ist der Anteil dieses Isotops sehr unbedeutend.
Isotop 240 Pu ist die Hauptverunreinigung von waffenfähigem Plutonium. Hat eine hohe Intensität des spontanen Zerfalls, erzeugt einen hohen Neutronenhintergrund, der die Detonation von Kernladungen erheblich erschwert. Es wird angenommen, dass sein Anteil an Waffen 7% nicht überschreiten sollte.
241 Pu hat einen niedrigen Neutronenhintergrund und eine mäßige Wärmeemission. Sein Anteil beträgt etwas weniger als 1% und beeinflusst die Eigenschaften von waffenfähigem Plutonium nicht. Mit einer Halbwertszeit von 1914 verwandelt es sich jedoch in Americium-241, das viel Wärme abgibt, was ein Problem der Überhitzung der Ladungen verursachen kann.
242 Pu hat einen sehr kleinen Querschnitt für den Neutroneneinfang und reichert sich in Kernreaktoren an, wenn auch in sehr geringer Menge (weniger als 0,1%). Es hat keinen Einfluss auf die Eigenschaften von waffenfähigem Plutonium. Es wird hauptsächlich für weitere Kernreaktionen der Synthese von Transplutonium-Elementen verwendet: Thermische Neutronen verursachen keine Kernspaltung, daher kann jede Menge dieses Isotops mit starken Neutronenflüssen bestrahlt werden.
Andere Isotope von Plutonium sind extrem selten und haben keinen Einfluss auf die Herstellung von Kernladungen. Schwere Isotope werden in sehr geringen Mengen gebildet, haben eine kurze Lebensdauer (weniger als einige Tage oder Stunden) und werden durch Betazerfall in die entsprechenden Isotope von Americium umgewandelt. Darunter sticht hervor 244 Pu- seine Halbwertszeit beträgt etwa 82 Millionen Jahre. Es ist das isotopenreichste aller Transuran-Elemente.
Anwendung
Ende 1995 wurden weltweit etwa 1270 Tonnen Plutonium produziert, davon 257 Tonnen für militärische Zwecke, für die nur das 239 Pu-Isotop geeignet ist. Es ist möglich, 239 Pu als Brennstoff in Kernreaktoren zu verwenden, aber es verliert wirtschaftlich an Uran. Die Kosten für die Wiederaufarbeitung von Kernbrennstoff für den Plutoniumabbau sind viel höher als die Kosten für niedrig angereichertes (~ 5 % 235 U) Uran. Nur Japan hat ein Programm zur energetischen Nutzung von Plutonium.
Allotrope Modifikationen
In fester Form weist Plutonium sieben allotrope Modifikationen auf (allerdings werden die Phasen α und β1 manchmal kombiniert und als eine Phase betrachtet). Bei Raumtemperatur ist Plutonium eine kristalline Struktur namens ?-Phase. Die Atome sind durch eine kovalente Bindung (anstelle einer metallischen) gebunden, sodass die physikalischen Eigenschaften eher an Mineralien als an Metallen liegen. Es ist ein hartes, sprödes Material, das in bestimmte Richtungen bricht. Hat eine niedrige Wärmeleitfähigkeit unter allen Metallen, geringe elektrische Leitfähigkeit, mit Ausnahme von Mangan. Die &bgr;-Phase kann mit den für Metalle üblichen Technologien nicht verarbeitet werden.
Bei Temperaturänderungen in Plutonium kommt es zu einer Umstrukturierung der Struktur und diese erfährt extrem starke Veränderungen. Einige der Übergänge zwischen den Phasen werden von einfach auffälligen Volumenänderungen begleitet. In zwei dieser Phasen (? und? 1) hat Plutonium eine einzigartige Eigenschaft - einen negativen Temperaturausdehnungskoeffizienten, d.h. es schrumpft mit steigender Temperatur.
In der Gamma- und Delta-Phase weist Plutonium die üblichen Eigenschaften von Metallen auf, insbesondere die Formbarkeit. Plutonium ist jedoch in der Deltaphase instabil. Unter leichtem Druck versucht es, sich in eine dichte (25%) Alpha-Phase einzupendeln. Diese Eigenschaft wird in Atomwaffen-Implosionsvorrichtungen verwendet.
In reinem Plutonium unter einem Druck von mehr als 1 Kilobar existiert die Delta-Phase überhaupt nicht. Bei Drücken von mehr als 30 Kilobar existieren nur Alpha- und Beta-Phasen.
Plutoniummetallurgie
Plutonium kann in der Delta-Phase bei Umgebungsdruck und Raumtemperatur stabilisiert werden, indem eine Legierung mit dreiwertigen Metallen wie Gallium, Aluminium, Cer, Indium in einer Konzentration von wenigen Molprozent gebildet wird. In dieser Form wird Plutonium in Atomwaffen verwendet.
Bewaffnetes Plutonium
Für die Herstellung von Atomwaffen ist es erforderlich, eine Reinheit des gewünschten Isotops (235 U oder 239 Pu) von mehr als 90 % zu erreichen. Die Erzeugung von Ladungen aus Uran erfordert viele Anreicherungsstufen (da der Anteil von 235 U im Natururan kleiner als 1 %) ist, während der Anteil von 239 Pu im Reaktorplutonium in der Regel zwischen 50 und 80 % liegt (also fast das 100-fache) mehr). Und in einigen Betriebsarten von Reaktoren ist es möglich, Plutonium mit mehr als 90% 239 Pu zu gewinnen - ein solches Plutonium erfordert keine Anreicherung und kann direkt für die Herstellung von Kernwaffen verwendet werden.
Biologische Rolle
Plutonium ist eine der giftigsten bekannten Substanzen. Die Toxizität von Plutonium ist weniger auf seine chemischen Eigenschaften zurückzuführen (obwohl Plutonium vielleicht wie jedes Schwermetall giftig ist), sondern eher auf seine Alpha-Radioaktivität. Alpha-Partikel werden selbst von kleinen Material- oder Gewebeschichten zurückgehalten. Nehmen wir an, ein paar Millimeter Haut absorbieren ihren Fluss vollständig und schützen die inneren Organe. Alpha-Partikel schädigen jedoch das Gewebe, mit dem sie in Kontakt kommen, stark. Plutonium stellt also eine ernsthafte Gefahr dar, wenn es in den Körper gelangt. Es wird im Magentrakt sehr schlecht resorbiert, auch wenn es in löslicher Form dort ankommt. Aber die Aufnahme von einem halben Gramm Plutonium kann durch akute Bestrahlung des Verdauungstraktes innerhalb weniger Wochen zum Tode führen.
Das Einatmen von einem Zehntel Gramm Plutoniumstaub führt innerhalb von zehn Tagen zum Tod durch Lungenödem. Die Inhalation einer Dosis von 20 mg führt innerhalb eines Monats zum Tod durch Fibrose. Kleinere Dosen haben eine krebserzeugende Wirkung. Die Einnahme von 1 µg Plutonium erhöht die Wahrscheinlichkeit von Lungenkrebs um 1%. Folglich garantieren 100 μg Plutonium im Körper fast die Entwicklung von Krebs (innerhalb von zehn Jahren, obwohl Gewebeschäden möglicherweise früher aufgetreten sind).
In biologischen Systemen befindet sich Plutonium normalerweise in der Oxidationsstufe +4 und ähnelt Eisen. Sobald es sich im Blut befindet, konzentriert es sich am ehesten in eisenhaltigen Geweben: Knochenmark, Leber, Milz. Wenn auch nur 1-2 Mikrogramm Plutonium im Knochenmark abgelagert werden, verschlechtert sich die Immunität erheblich. Die Entfernung von Plutonium aus dem Knochengewebe beträgt 80-100 Jahre, d.h. er wird dort fast sein ganzes Leben lang bleiben.
Die Internationale Strahlenschutzkommission hat die maximale jährliche Absorption von Plutonium auf 280 Nanogramm festgelegt.
Dieses Metall wird als edel bezeichnet, aber nicht wegen seiner Schönheit, sondern wegen seiner Unersetzlichkeit. In Mendelejews Periodensystem belegt dieses Element die Zelle Nummer 94. Wissenschaftler setzen ihre größten Hoffnungen darauf, und es ist Plutonium, das sie als das gefährlichste Metall für die Menschheit bezeichnen.
Plutonium: Beschreibung
Es ist ein silbrig-weißes Metall im Aussehen. Es ist radioaktiv und kann als 15 Isotope mit unterschiedlichen Halbwertszeiten dargestellt werden, zum Beispiel:
- Pu-238 - ca. 90 Jahre alt
- Pu-239 - etwa 24.000 Jahre alt
- Pu-240 - 6580 Jahre alt
- Pu-241 - 14 Jahre alt
- Pu-242 - 370 Tausend Jahre
- Pu-244 - etwa 80 Millionen Jahre alt
Dieses Metall kann nicht aus dem Erz gewonnen werden, da es ein Produkt der radioaktiven Umwandlung von Uran ist.
Wie wird Plutonium gewonnen?
Die Plutoniumproduktion erfordert die Uranspaltung, die nur in Kernreaktoren durchgeführt werden kann. Wenn wir über das Vorhandensein des Elements Pu in der Erdkruste sprechen, dann gibt es für 4 Millionen Tonnen Uranerz nur 1 Gramm reines Plutonium. Und dieses Gramm entsteht durch den natürlichen Einfang von Neutronen durch Urankerne. Um diesen Kernbrennstoff (normalerweise das Isotop 239-Pu) in einer Menge von mehreren Kilogramm zu erhalten, ist es daher erforderlich, einen komplexen technologischen Prozess in einem Kernreaktor durchzuführen.
Plutonium-Eigenschaften
Das radioaktive Metall Plutonium hat folgende physikalische Eigenschaften:
- Dichte 19,8 g / cm 3
- Schmelzpunkt - 641 ° C
- Siedepunkt - 3232 ° C
- Wärmeleitfähigkeit (bei 300 K) - 6,74 W / (m K)
Plutonium ist radioaktiv und fühlt sich daher warm an. Darüber hinaus zeichnet sich dieses Metall durch die geringste Wärmeleitfähigkeit und elektrische Leitfähigkeit aus. Flüssiges Plutonium ist das zähflüssigste aller Metalle, die es gibt.
Die geringste Änderung der Temperatur von Plutonium führt zu einer sofortigen Änderung der Dichte der Substanz. Im Allgemeinen ändert sich die Masse von Plutonium ständig, da sich die Kerne dieses Metalls in einem Zustand ständiger Spaltung in kleinere Kerne und Neutronen befinden. Die kritische Masse von Plutonium ist die Bezeichnung für die minimale Masse eines spaltbaren Stoffes, bei der der Spaltungsverlauf (Kernkettenreaktion) noch möglich ist. Beispielsweise beträgt die kritische Masse von waffenfähigem Plutonium 11 kg (zum Vergleich: die kritische Masse von hochangereichertem Uran beträgt 52 kg).
Uran und Plutonium sind die wichtigsten Kernbrennstoffe. Um Plutonium in großen Mengen zu gewinnen, werden zwei Technologien verwendet:
- Bestrahlung von Uran
- Bestrahlung von Transuranen aus abgebrannten Brennelementen
Beide Methoden sind die Trennung von Plutonium und Uran durch eine chemische Reaktion.
Um reines Plutonium-238 zu erhalten, wird die Neutronenbestrahlung von Neptunium-237 verwendet. Das gleiche Isotop ist an der Bildung von waffenfähigem Plutonium-239 beteiligt, insbesondere ist es ein Zwischenprodukt des Zerfalls. 1 Million Dollar kostet 1 kg Plutonium-238.
Plutonium(lat. Plutonium), Pu, ein künstlich gewonnenes radioaktives chemisches Element, Ordnungszahl 94; Es bezieht sich auf Aktiniden... Entdeckt in den Jahren 1940-41 von den amerikanischen Wissenschaftlern G. Seaborg, E. Macmillan, J. Kennedy und A. Wahl, die das 238 Pu-Isotop als Ergebnis der Bestrahlung von Uran mit schweren Wasserstoffkernen - Daytons - erhielten. Benannt nach dem Planeten Pluto, wie die Vorgänger von P. im Periodensystem - Uran und Neptunium, deren Namen auch von den Planeten Uranus und Neptun stammen. Bekannt sind P.-Isotope mit Massenzahlen von 232 bis 246. Spuren der Isotope 247 Pu und 255 Pu wurden im Staub gefunden, der nach den Explosionen thermonuklearer Bomben gesammelt wurde. Das langlebigste Isotop von P. ist a-radioaktives 244 Pu (Halbwertszeit T 1/2 beträgt ca. 7,5 × 102 Jahre). Die Werte von T 1/2 aller Isotope von P. sind viel geringer als das Alter der Erde, und daher sind alle primären P. (die auf unserem Planeten während seiner Entstehung existierten) vollständig zerfallen. Beim b-Zerfall von 239 Np, der wiederum bei der Kernreaktion von Uran mit Neutronen (zB Neutronen aus kosmischer Strahlung) auftritt, werden ständig vernachlässigbare Mengen von 239 Pu gebildet. Daher wurden Spuren von P. in Uranerzen gefunden.
P. ist ein glänzend weißes Metall, das bei Temperaturen von Raumtemperatur bis 640 C (t pl) in sechs allotropen Modifikationen existiert. Die allotropen Transformationen von P. werden von abrupten Dichteänderungen begleitet (vgl. Reis. ). Ein einzigartiges Merkmal von Metall P. ist, dass es sich bei Erwärmung von 310 auf 480 ° C nicht wie andere Metalle ausdehnt, sondern sich zusammenzieht. Konfiguration der drei äußeren Elektronenschalen des Pu-Atoms 5s 2 5p 6 5d 10 5f 6 6s 2 6p 2 7s 2 . Die chemischen Eigenschaften von P. ähneln in vielerlei Hinsicht denen seiner Vorgänger im Periodensystem - Uran und Neptunium... P. bildet Verbindungen mit Oxidationsstufen von +2 bis +7. Bekannte Oxide PuO, Pu 2 O 3, PuO 2 und eine Phase variabler Zusammensetzung Pu 2 O 3 - Pu 4 O 7. In Verbindungen mit Halogenen weist P. meist die Oxidationsstufe +3 auf, aber auch die Halogenide PuF 4, PuF 4 und PuCl 4 sind bekannt. In Lösungen existiert P. in den Formen Pu 3+, Pu 4+, PuO 2 + (Plutonoyl - Ion), PuO 2 2+ (Plutonyl - Ion) und PuO 5 3-, entsprechend Oxidationsstufen von +3 bis +7. Diese Ionen (außer PuO 5 3-) können gleichzeitig in Lösung im Gleichgewicht sein. P.-Ionen aller Oxidationsstufen neigen zur Hydrolyse und Komplexbildung.
Von allen P.-Isotopen ist das a-radioaktive 239 Pu (T 1/2 = 2,4 × 10 4 Jahre) das wichtigste. Die Kerne von 239 Pu sind zu einer Kettenreaktion der Spaltung unter der Einwirkung von Neutronen fähig, daher kann 239 Pu als Quelle für Atomenergie (die bei der Spaltung von 1 . freigesetzte Energie) verwendet werden g 239 Pu, entspricht der bei der Verbrennung freigesetzten Wärme 4000 Kg Kohle). In der UdSSR wurden 1943-44 unter der Leitung der Akademiemitglieder IV. Kurchatov und VG Khlopin die ersten Experimente zur Herstellung von 239 Pu begonnen. P. wurde 1945 erstmals in der UdSSR aus neutronenbestrahltem Uran isoliert. In kürzester Zeit wurden umfangreiche Untersuchungen zu den Eigenschaften von P. durchgeführt, und 1949 wurde die erste Anlage zur radiochemischen Abtrennung von P. in Betrieb genommen die UdSSR.
Die industrielle Produktion von 239 Pu basiert auf der Wechselwirkung von 238 U-Kernen mit Neutronen in Kernreaktoren. Die anschließende Abtrennung von Pu von U, Np und hochradioaktiven Spaltprodukten erfolgt durch radiochemische Methoden (Copräzipitation, Extraktion, Ionenaustausch etc.). Metallisches Metall wird normalerweise durch Reduktion von PuF 3, PuF 4 oder PuO 2 mit Barium-, Calcium- oder Lithiumdämpfen erhalten. Als spaltbares Material wird 239 Pu in Kernreaktoren sowie in Atom- und thermonuklearen Bomben verwendet. Das Isotop 238 Pu wird zur Herstellung von Atombatterien verwendet, deren Lebensdauer 5 Jahre oder mehr erreicht. Solche Batterien können beispielsweise in Stromgeneratoren verwendet werden, die die Herzarbeit anregen.
Zündete .: Bagley K., Plutonium und seine Legierungen, trans. aus Englisch., M., 1958; Vdovenko V. M. und Kurchatov B. V., Erstes sowjetisches Plutonium, "Radiochemie", 1968, Bd. 10, Jahrhundert. 6, s. 696; Plutonium. Handbuch, hg. O. Vika, trans. aus dem Englischen, V. 1-2, M., 1971-73. Siehe auch beleuchtet. bei Art.-Nr. Aktiniden.
S. S. Berdonosov.
Plutonium im Körper. P. wird von Meeresorganismen konzentriert: sein Akkumulationskoeffizient (dh das Verhältnis der Konzentrationen im Körper und in der äußeren Umgebung) für Algen beträgt 1000-9000, für Plankton (gemischt) - etwa 2300, für Weichtiere - bis zu 380 , für Seesterne - etwa 1000, für Muskeln, Knochen, Leber und Magen von Fischen - 5, 570, 200 bzw. 1060. Landpflanzen nehmen P. hauptsächlich über das Wurzelsystem auf und reichern es bis zu 0,01% ihres Gewichts an. Im menschlichen Körper wird P. hauptsächlich im Skelett und in der Leber zurückgehalten, aus denen es (insbesondere aus den Knochen) fast nicht ausgeschieden wird. Das giftigste 239 Pu verursacht hämatopoetische Störungen, Osteosarkome und Lungenkrebs. Seit den 70er Jahren. 20. Jahrhundert P.s Anteil an radioaktive Kontamination die Biosphäre nimmt zu (z. B. wird die Bestrahlung mariner Wirbelloser durch P. stärker als durch 90 Sr und 137 Cs).
Zündete .: Probleme der Plutoniumtoxikologie, M., 1969: Radioaktive Stoffe und Haut. (Stoffwechsel und Deaktivierung), M., 1972: Uranium, Plutonium, Transplutonis Elements B.-Hdlb.-N. J., 1973.
G. G. Polikarpow.
