Плутоний - Plutonium


Из Википедии, свободной энциклопедии

Плутоний,   94 Pu
Два блестящие гранулы плутония около 3 см в диаметре
Плутоний
Произношение / Р л ¯u т п я ə м / ( ploo- Toh -nee-əm )
Внешность серебристо-белый, порочащий до темно-серого цвета в воздухе
Массовое число 244 (наиболее стабильный изотоп)
Плутоний в периодической таблице
водород гелий
литий бериллий бор углерод азот кислород Фтор неон
натрий магниевый алюминий кремний фосфор сера хлор аргон
калий кальций Скандий титан Ванадий хром марганца Железо кобальт никель медь цинк галлий германий мышьяк Селен Бром криптон
Рубидий стронций Иттрий Цирконий ниобий молибден технеций Рутений Родий палладий Серебряный Кадмий Индий Банка сурьма Теллур йод ксенон
цезий барий Лантан церий празеодимий неодим Прометий Самарий европий гадолиний тербий диспрозий Holmium эрбий Тулий Иттербий Лютеций Гафний тантал вольфрам рений Осмий Иридий платиновый Золото Ртуть (элемент) таллий вести висмут Полоний Астат радон
Франций радий актиний торий протактиний Уран нептуний Плутоний Америций кюрий беркелий калифорний эйнштейний Fermium менделевий Нобелий Лоуренсий резерфордия Дубний сиборгия борий гания мейтнерий Darmstadtium рентгения Коперниций Nihonium Флеровий Moscovium Ливерморий Tennessine Oganesson
Sm

Pu

(Uqo)
нептунияплутонийамериций
Атомный номер ( Z ) 94
группа Группа н /
период период 7
блок ф-блок
категория Элемент   актинид
Электронная конфигурация [ Rn ] 5f 6 7s 2
Электроны в оболочке
2, 8, 18, 32, 24, 8, 2
Физические свойства
Фаза на  STP твердый
Температура плавления 912,5  К (639,4 ° С, 1182,9 ° F)
Точка кипения 3505 К (3228 ° С, 5842 ° F)
Плотность (около  к.т. ) 19,816 г / см 3
когда жидкость (при  тре ) 16,63 г / см 3
Теплота плавления 2,82  кДж / моль
Теплота парообразования 333,5 кДж / моль
Молярная теплоемкость 35,5 Дж / (моль · К)
Давление газа
Р  (Па) 1 10 100 1 к 10 к 100 к
при  Т  (К) 1756 1953 2198 2511 2926 3499
Атомные свойства
Окислительные состояния +1, +2, +3, +4 , В , +5, +6, +7 (ые  амфотерный оксид)
Электроотрицательность Полинг шкала: 1,28
энергия ионизации
  • 1-й: 584,7 кДж / моль
Радиус атома эмпирические: 159  м
радиус Ковалентного 187 ± 1 вечера
Цвет линии в спектральном диапазоне
Спектральные линии плутония
Другие свойства
Естественное явление от распада
Кристальная структура моноклинная
Моноклинная кристаллическая структура для плутония
Скорость звука 2260 м / с
Тепловое расширение 46,7 мкм / (м · К) (при 25 ° C)
Теплопроводность 6,74 Вт / (м · К)
Электрическое сопротивление 1.460 μΩ · м (при 0 ° C)
Магнитное упорядочение парамагнитный
Модуль для младших 96 ГПа
Модуль сдвига 43 ГПа
коэффициент Пуассона 0,21
Количество CAS 7440-07-5
история
Именование после того, как карликовая планета Плутон , сам названный в честь классического бога подземного Плутона
открытие Сиборг , Артур Wahl , Джозеф В. Кеннеди , Эдвин Макмиллан (1940-1)
Основные изотопы плутония
Изотоп изобилие Период полураспада ( т 1/2 ) режим Decay Товар
238 Pu след 87,74 г SF -
α 234 U
239 Pu след 2,41 × 10 4  г SF -
α 235 U
240 Pu след 6500 г SF -
α 236 U
241 Pu син 14 лет β - 241 Am
SF -
242 Pu син 3,73 × 10 5  лет SF -
α 238 U
244 Pu след 8,08 × 10 7  лет α 240 U
SF -
| Рекомендации

Плутоний является радиоактивный химический элемент с символом Pu и атомным номером 94. Это актинидов металл серебристо-серый внешний вид , который тускнеет при воздействии воздуха, и образует тупой покрытие , когда окисляется . Элемент обычно имеет шесть аллотропов и четыре состояния окисления . Он вступает в реакцию с углеродом , галогены , азот , кремний и водород . При воздействии на влажный воздух, он образует оксиды и гидриды , которые могут расширить выборку до 70% по объему, что в своей очереди отслаиваются в виде порошка , который пирофорный . Он радиоактивен и может накапливаться в костях , что делает обращение с плутонием опасным.

Плутоний впервые был выпущен и изолирован на 14 декабря 1940 года, по дейтронов бомбардировке урана-238 в 1,5 метра (60 в) циклотрона в Университете Калифорнии, Беркли . Во- первых нептуний-238 ( период полураспада 2,1 дней) был синтезирован , который впоследствии бета-распадались , чтобы сформировать этот новый элемент с атомным номером 94 и атомным весом 238 (период полураспада 87,7 лет). Поскольку уран был назван в честь планеты Уран и нептуния после планеты Нептун , элемент 94 был назван в честь Плутона , который в то время считался планетой , а также. Wartime секретность предотвратить его открытие объявляется до 1948. Плутоний не является элементом с самым высоким атомным номером встречаются в природе. Следовые количества возникают в природных уране-238 месторождений , когда U-238 захватывает нейтроны , испускаемые при распаде других атомов U-238. Плутоний является гораздо более распространенным на Земле с 1945 года как продукт захвата нейтронов и бета - распад , где некоторые из нейтронов , выпущенных в делении процессе превращения ядер урана-238 в плутоний-239.

И плутоний-239 и плутоний-241 является делящимися , что означает , что они могут поддерживать цепную ядерную реакцию , что приводит к применению в ядерном оружии и ядерных реакторах . Плутоний-240 имеет высокую скорость спонтанного деления , в результате чего поток нейтронов любого образца , содержащего его. Наличие плутония-240 ограничивает удобство использования плутониевого сэмпла для оружия или его качества в качестве реакторного топлива, а доля плутония-240 определяет его класс ( оружейный , топливно-класса, или реакторного качества). Плутоний-238 имеет период полураспада 88 лет и испускает альфа - частицы . Это источник тепла в радиоизотопных термоэлектрических генераторах , которые используются для питания некоторых космических аппаратов . Изотопы плутония являются дорогими и неудобными в отдельности, так отдельные изотопы, как правило , производятся в специализированных реакторах.

Производство плутония в полезных количествах впервые была главной частью Манхэттенского проекта во время Второй мировой войны , которая разработала первые атомные бомбы. В толстяк бомбы , используемые в Троицком ядерного испытания в июле 1945 года, и в бомбардировке Нагасаки в августе 1945 года, был плутоний ядра . Эксперименты человека радиации , изучающие плутония были проведены без информированного согласия , а также несколько критичностей несчастных случаев , некоторые летальных, произошел после войны. Утилизация плутония отходов от атомных электростанций и демонтированного ядерного оружия , построенных во время холодной войны является ядерное нераспространение и забота об окружающей среде. Другие источники плутония в окружающей среде являются радиоактивными осадками от многочисленных надземных ядерных испытаний, в настоящее время запрещены .

Характеристики

Физические свойства

Плутоний, как и большинство металлов, имеет яркий серебристый внешний вид на первый, так же, как никель , но окисляется очень быстро тусклым серым цветом, хотя желтый и оливковый также сообщается. При комнатной температуре плутоний находится в альфа ( альфа ) форме . Это, наиболее распространенная структурная форма элемента ( аллотроп ), примерно так же твердое и хрупкий , как серый чугун , если он не легированный с другими металлами , чтобы сделать ее мягкой и пластичной. В отличии от большинства металлов, он не является хорошим проводником тепла и электричества . Он имеет низкую температуру плавления (640 ° С) и необычно высокой температурой кипения (3228 ° C).

Альфа - распад , выпуск высокоэнергетического гелия ядра, является наиболее распространенной формой радиоактивного распада для плутония. В 5 кг масса 239 Pu содержит около 12,5 × 10 24 атомов. С периодом полураспада 24,100 лет, около 11,5 × 10 12 из его атомов распадаться каждую секунду, испуская 5,157  МэВ альфа - частицу. Это составляет 9,68 Вт. Тепло , выделяемое при торможении этих альфа - частиц делает его теплым на ощупь.

Удельное сопротивление является мерой того , насколько сильно материал противостоит потоку электрического тока . Сопротивление плутония при комнатной температуре очень высоко для металла, и это становится еще выше при более низкими температурами, что является необычным для металлов. Эта тенденция продолжается вплоть до 100  К , ниже которой сопротивление быстро уменьшается для свежих образцов. Удельное сопротивление затем начинает возрастать со временем на уровне около 20 К за счет радиационного повреждения, со скоростью , диктуемой изотопного состава образца.

Из - за собственное облучение, образец камуфляжа плутония по всему его кристаллической структуре, а это означает упорядоченное расположение его атомы становится нарушен излучением со временем. Само-облучение может также привести к отжигу , который противодействует некоторые из усталостных эффектов , как с ростом температуры выше 100 К.

В отличии от большинства материалов, увеличивается плутоний в плотности , когда он тает, на 2,5%, а жидкий металл демонстрирует линейное уменьшение плотности с температурой. Вблизи точки плавления, жидкий плутоний имеет очень высокую вязкость и поверхностное натяжение по сравнению с другими металлами.

аллотропов

График, показывающий изменение плотности с увеличением температуры при последовательных фазовых переходов между альфа, бета, гамма, дельта, дельта»и фазы эпсилон
Плутоний имеет шесть аллотропов при давлении окружающей среды: альфа  (& alpha ; ), бета  (β), гамма  (γ), дельта  (δ), дельта простого  (δ '), & эпсилон  (ε)

Плутоний обычно имеет шесть аллотропов и образует седьмой (Зет, z) при высокой температуре в пределах диапазона ограниченного давления. Эти аллотропы, которые являются различными структурными модификациями или формой элемента, имеют очень похожую внутреннюю энергию , но существенно различную плотность и кристаллические структуры . Это делает плутоний очень чувствителен к изменениям температуры, давление, или химии, и позволяет резкие изменения объема следующих фазовых переходов от одного аллотропных формы в другую. Плотности различных аллотропных варьируются от 16,00 г / см 3 до 19,86 г / см 3 .

Наличие этих многих аллотропных делает обработки плутония очень трудно, так как он изменяет состояние очень легко. Например, форма α существует при комнатной температуре в нелегированный плутоний. Он имеет обрабатывающие характеристики , аналогичные чугун , но изменения в пластмассу и податливая & beta ; ( бета ) форму при несколько более высокие температуры. Причины сложной фазовой диаграммы не полностью изучены. Форма α имеет низкосимметричную моноклинную структуру, следовательно , его хрупкость, прочность, сжимаемость, и плохую теплопроводность.

Плутоний в d ( дельта ) форме , как правило , существует в диапазоне 310 ° С до 452 ° С , но стабильно при комнатной температуре , когда сплавляет с небольшим процентом галлия , алюминия или церия , усиливающая обрабатываемость и позволяет ему быть приварен . Форма δ имеет более типичный металлический характер, и примерно , как сильные и податливая , как алюминий. В оружии деления, взрывные ударные волны , используемые для сжатия ядра плутония также вызовут переход от обычной фазы плутоний б к более плотной форме альфа, значительно способствуют достижению надкритичности . Фаза ε, самый высокая температура твердого вещества аллотроп, проявляет аномально высокие атомные самодиффузии по сравнению с другими элементами.

Ядерное деление

цилиндр Pu металла
Кольца из оружейного 99,96% чистого electrorefined плутония достаточно для одного ядра бомбы . Кольцо весит 5,3 кг, составляет около 11 см в диаметре и его форма помогает безопасности по критичности .

Плутоний является радиоактивным актинидами металлом , чей изотоп , плутоний-239 , является одним из трех основных делящихся изотопов ( уран-233 и уран-235 является двумя другими); плутоний-241 также очень делящийся. Для того, чтобы считать делящиеся, изотоп в атомное ядро должно быть в состоянии сломать друг от друга или деления , когда пораженный тихоходных нейтрона и освободить достаточное количество дополнительных нейтронов для поддержания цепной ядерной реакции путем расщепления дальнейших ядер.

Чистый плутоний-239 может иметь коэффициент умноженияэфф ) больше единицы, а это означает , что если металл присутствует в достаточном количестве и с соответствующей геометрией (например, сфера достаточного размера), оно может образовать критическую массу . Во время деления, фракция ядерной энергии связи , которая содержит ядро вместе, высвобождается в виде большого количества электромагнитных и кинетической энергии (большая часть причем последний быстро преобразуется в тепловую энергию). Деление килограмма плутония-239 может производить эквивалент взрыва до 21000 тонн тротила (88000  ГДж ). Именно эта энергия , которая делает плутоний-239 полезно в ядерном оружии и реакторов .

Присутствие изотопа плутоний-240 в образце ограничивает его потенциал атомной бомбы, так как плутоний-240 имеет относительно высокую спонтанного деления скорости (~ 440 делений в секунду на грамм-более 1000 нейтронов в секунду на грамм), повышение нейтронного фона уровни и , таким образом , увеличивая риск Предвзрывного . Плутоний идентифицируются либо как оружейные , топливно-класс, или реактор-класс на основе процентного содержания плутония-240 , который она содержит. Оружейный плутоний содержит менее 7% плутоний-240. Топливо плутоний содержит от 7% до менее чем 19%, а мощность реактора класса содержит 19% или более плутоний-240. Supergrade плутоний , с менее чем 4% плутония-240, используется в ВМС США оружия , хранящегося в непосредственной близости к судовым и экипажей подводных лодок, из - за его низкой радиоактивности. Изотопа плутоний-238 не делящаяся но может пройти ядерное деление легко с быстрыми нейтронами , а также альфа - распадом.

Изотопы и нуклеосинтеза

Диаграмма, иллюстрирующая взаимопревращения между различными изотопами урана, тория, протактиния и плутоний
Уран-плутоний и торий-уран цепи

Двадцать радиоактивные изотопы плутония были охарактеризованы. Самой долгоживущей являются плутоний-244 с периодом полураспада 80,8 млн лет, плутоний-242 с периодом полураспада 373,300 лет, и плутоний-239 с периодом полураспада 24,110 лет. Все остальные радиоактивные изотопы имеют периоды полураспада которых составляет менее 7000 лет. Этот элемент также имеет восемь метастабильных состояний , хотя все они имеют период полураспада менее чем за одну секунду.

Известные изотопы плутония в диапазоне массовых чисел от 228 до 247. Первичных мод распада изотопов с массовыми числами ниже , чем наиболее стабильный изотоп, плутоний-244, являются спонтанным делением и альфа - излучение , в основном , образующей урана (92 протонов ) и нептуний (93 протонов) изотопы , как продукты распада (пренебрегая широкий спектр дочерних ядер , созданных процессы деления). Режим первичного распада для изотопов с массовыми числами выше , чем плутоний-244 является бета - излучения , в основном , образуя америций (95 протонов) изотопов в качестве продуктов распада. Плутоний-241 является родителем изотопа из серии распада нептуний , америций разлагающихся к-241 с помощью бета - излучения.

Плутоний-238 и 239 являются наиболее широко синтезированными изотопами. Плутоний-239 синтезируют с помощью следующей реакции с использованием урана (U) и нейтронов (N) через бета - распад (& beta ; - ) с нептуний (Np) в качестве промежуточного соединения :

Нейтроны деления урана-235 , которые захвачены ядрами урана-238 с образованием урана-239; бета - распад превращает нейтрон в протон с образованием нептуния-239 (период полураспада 2,36 дней) , а другой бета - распад является плутоний-239. Эгон Бретшер работает над британским Трубными сплавами проектом предсказал эту реакцию теоретически в 1940 году.

Плутоний-238 синтезируют при бомбардировке урана-238 с дейтронов (D, ядра тяжелого водорода ) в следующей реакции:

В этом процессе дейтронов удара уран-238 производит два нейтрона и нептуний-238, который спонтанно распадается, испуская отрицательных бета-частиц с образованием плутоний-238.

Распад тепла и деления свойства

Изотопы плутония подвергаются радиоактивному распаду, который производит тепло распада . Различные изотопы производят различные количества тепла в массу. Теплового распада обычно указан как ватт / кг, или милливатт / грамм. В более крупных кусков плутония (например, пит оружие) и недостаточного отвода тепла в результате саморазогрева может быть значительным. Все изотопы производят слабые гамма - излучения на распаде.

Распад теплота изотопов плутония
Изотоп режим Decay Период полураспада (лет) Распад тепло (Вт / кг) Спонтанное деление нейтроны (1 / (г · с)) Комментарий
238 Pu альфа в 234 U 87,74 560 2600 Очень высокая температура распада. Даже в небольших количествах может привести к значительному саморазогрева. Используется сама по себе в радиоизотопных термоэлектрических генераторов .
239 Pu альфа в 235 U 24100 1,9 0,022 Главным делящегося изотопа в использовании.
240 Pu альфа в 236 U , спонтанное деление 6560 6,8 910 Основная примесь в образцах 239 Pu изотопа. Оружейный плутоний обычно указан в процентах от 240 Pu. Высокие спонтанные деления мешает использовать в ядерном оружии.
241 Pu бета-минус, до 241 Am 14,4 4,2 0,049 Затухает до америция-241; его накопление представляет радиационную опасность в более старых образцах.
242 Pu альфа в 238 U 376000 0,1 1700

Соединения и химия

Пяти жидкостей в пробирках стекол: фиолетовые, Pu (III);  темно-коричневый, Pu (IV), HClO4;  светло-фиолетовый, Pu (V);  светло-коричневый, Pu (VI);  темно-зеленый, Pu (VII),
Различные степени окисления плутония в растворе

При комнатной температуре чистый плутоний серебристого цвета , но приобретает тусклость при окислении. Элемент отображает четыре общие ионные состояния окисления в водном растворе , и один редкий один:

  • Pu (III), в качестве Pu 3+ (голубой лаванды)
  • Pu (IV) в Pu 4+ (желто - коричневый)
  • Pu (V) , как PuO +
    2
    (светло - розовый)
  • Pu (VI) , как PuO 2+
    2
    (розовый оранжевый)
  • Pu (VII) , как PuO 3-
    5
    (зеленый) -The семивалентных ионов редко.

Цвет показано растворов плутония зависит как от степени окисления и природы кислотного аниона . Это анион кислоты , который влияет на степень комплексообразования -кака атомов соединяться с центральным атомом-видов плутония. Кроме того, формальная степень окисления +2 , плутоний известно в комплексе [K (2.2.2-криптанда)] [Ри II , Cp " 3 ], Ср" = С 5 Н 3 (SiMe 3 ) 2 .

Металлический плутоний получают путем взаимодействия тетрафторида плутония с бария , кальция или лития при температуре 1200 ° С. Это подвергается нападению кислот , кислорода , и пара , но не щелочами и легко растворяется в концентрированной соляной , иодистоводородную и хлорной кислот . Расплавленный металл должен быть сохранен в вакууме или инертной атмосфере , чтобы избежать реакции с воздухом. При 135 ° С металл воспламеняется в воздухе и взрывается , если поместить в четыреххлористом углероде .

Черный блок Pu с красными пятнами на верхней и желтого порошка вокруг него
Плутоний воспламеняемость может заставить его выглядеть светящийся уголек при определенных условиях.
Стеклянный флакон коричневато-белого снега, как осаждение гидроксида плутония
Двадцать микрограммов чистого гидроксида плутония

Плутоний является химически активным металлом. Во влажном воздухе или влажного аргона , металл быстро окисляется, образуя смесь оксидов и гидридов . Если металл подвергается достаточно долго , чтобы ограниченное количество водяного пара, порошкообразное покрытие поверхности PuO 2 образуется. Кроме того, образовавшийся гидрид плутония , но избыток форм водяного пара только PuO 2 .

Плутоний показывает огромную, и обратима, скорость реакции с чистым водородом, образуя гидрид плутония . Она также легко вступает в реакцию с кислородом, образуя può и può 2 , а также промежуточные оксиды; оксид плутония заполняет 40% больше объема , чем металлический плутоний. Металл реагирует с галогенами , что приводит к соединениям с общей формулой Pux 3 , где Х может быть F , Cl , Br или I и ППУ 4 также видно. Наблюдаются следующие оксигалогениды: PuOCl, PuOBr и PuOI. Она будет вступать в реакцию с углеродом с образованием PUC, азота с образованием PUN и кремния с образованием Pusi 2 .

Порошки плутония, его гидриды и некоторые оксиды , такие как Pu 2 O 3 являются пирофорными , то есть они могут самовозгораться при температуре окружающей среды и, следовательно , обрабатываются в инертной, в атмосфере сухого азота или аргона. Насыпная плутоний воспламеняется только при нагревании выше 400 ° C. Pu 2 O 3 самопроизвольно нагревается и превращается в PuO 2 , который является стабильным в сухом воздухе, но реагирует с парами воды при нагревании.

Тигли , используемые для содержания плутония должны быть в состоянии выдержать его сильно уменьшающие свойства. Тугоплавкие металлы , такие как тантал и вольфрам вместе с более стабильных оксидов, боридов , карбидов , нитридов и силицидов могут переносить это. Плавка в электродуговой печи может быть использована для производства мелких слитков металла без необходимости в тигле.

Церий используется в качестве химического имитатора плутония для развития сдерживания, добычи и других технологий.

Электронная структура

Плутоний является элементом , в котором 5f электроны являются переход границы между делокализованными и локализованы; поэтому считается одним из самых сложных элементов. Аномальное поведение плутония обусловлено его электронной структуры. Разность энергий между 6d и 5f подоболочек очень низок. Размер 5f оболочки достаточно просто , чтобы электроны с образованием связей в решетке, на очень границе между локализованным и поведением связующего. Близость энергетических уровней приводит к нескольким электронных конфигураций низкоэнергетических с близкими равными уровнями энергии. Это приводит к конкуренции 5f п 7s 2 и 5f п-1 6d 1 7s 2 конфигурации, что приводит к сложности ее химического поведения. Узконаправленной характер 5f орбиталей несет ответственность за направленные ковалентные связи в молекулах и комплексах плутония.

сплавы

Плутоний может образовывать сплавы и промежуточные соединения с большинством других металлов. Исключения включают литий, натрий , калий , рубидий и цезий из щелочных металлов ; и магний , кальций, стронций , барий и из щелочно - земельных металлов ; и европия и иттербия из редкоземельных металлов . Частичные исключения включают тугоплавких металлов хром , молибден , ниобий , тантал и вольфрам, которые растворимы в жидком плутоний, но нерастворим или слабо растворим в твердом плутоний. Галлий, алюминий, америций, скандий и церий могут стабилизировать б фазы плутония для комнатной температуры. Кремния , индия , цинк и цирконий позволяют образование метастабильного состояния б при быстром охлаждении. Большие количества гафния , гольмия и таллия позволяет также некоторую задержку фазы & delta ; при комнатной температуре. Нептуний является единственным элементом , который может стабилизировать альфа фазы при более высоких температурах.

Плутоний сплавы могут быть получены путем добавления в расплавленный металл плутоний. Если легирующий металл достаточно восстановительный, плутоний может быть добавлен в виде оксидов или галогенидов. Фазовые δ плутоний-галлий и плутоний-алюминиевые сплавы получают путем добавления плутоний (III), фторид расплавленного галлия или алюминия, который имеет то преимущество, избегая дело непосредственно с высокой реакционной способностью металлический плутоний.

  • Плутоний-галлий используется для стабилизации фазы & delta ; плутоний, избегая альфа-фазу и связанные с этим вопросы альфа-δ. Его основное применение в ямах от имплозии ядерного оружия .
  • Плутоний-алюминий является альтернативой сплава Pu-Ga. Это был оригинальный элемент рассматривается для б стабилизации фазы, но его склонность реагировать с альфа - частицами и выпускают нейтроны уменьшает его пригодность для карьеров ядерного оружия. Плутоний-алюминиевый сплав может быть также использован в качестве компонента ядерного топлива .
  • Плутоний-галлий-кобальтового сплава (PuCoGa 5 ) является нетрадиционным сверхпроводником , показывающий сверхпроводимость ниже 18,5 K, на порядок выше , чем самое высокое между ТФ систем, и имеет большой критический ток.
  • Плутоний-цирконий сплав может быть использован в качестве ядерного топлива .
  • Плутоний-церий и плутоний-церий-кобальт сплавы используются в качестве ядерного топлива.
  • Плутоний-уран , при этом около 15-30 мол.% Плутоний, может быть использован в качестве ядерного топлива для реакторов на быстрых нейтронах. Его пирофорная природа и высокая восприимчивость к коррозии до точки самовоспламеняющегося или распадающегося после контакта с воздухом требуют легирование с другими компонентами. Добавление алюминия, углерод или медь не улучшает скорость распада заметно, цирконий и сплавы железа имеет лучшую устойчивость к коррозии , но они распадаются в течение нескольких месяцев в воздухе , а также. Добавление титана и / или циркония значительно увеличивает температуру плавления сплава.
  • Плутоний-уран-титан и плутоний-уран-цирконий исследовались для использования в качестве ядерного топлива. Добавление третьего элемента увеличивает устойчивость к коррозии, снижает горючесть и улучшает пластичность, технологичность, прочность и тепловое расширение. Плутоний-уран-молибден имеет лучшую устойчивость к коррозии, образуя защитную пленку окислов, но титан и цирконий являются предпочтительным по причинам физики.
  • Торий-уран-плутоний был исследован в качестве ядерного топлива для реакторов на быстрых нейтронах.

Вхождение

Следовое количества плутония-238, плутоний-239, плутоний-240 и плутоний-244 могут быть найдены в природе. Небольшие следы плутоний-239, несколько частей на триллион , и продукты его распада естественно найдены в некоторых концентрированных рудах урана, такие как природный ядерный реактор в Ок , Габон . Соотношение плутоний-239 к урану на сигары Лейк - Mine диапазонах месторождение урана от 2,4 × 10 -12 до 44 × 10 -12 . Эти следовые количества 239 Pu происходят следующим образом: в редких случаях, 238 U испытывает спонтанное деление, и в этом процессе, ядро испускает один или два свободных нейтрона с некоторой кинетической энергией. Когда один из этих нейтронов попадает на ядро другого 238 атома U, он поглощается атомом, который становится 239 U. При сравнительно короткий период полураспада, 239 U распадается на 239 Np, который распадается на 239 Pu. Наконец, чрезвычайно малые количества плутония-238, приписанные к чрезвычайно редкой двойного бета - распада урана-238, были найдены в природных образцах урана.

Из - за относительно большого периода полураспада около 80 миллионов лет, было высказано предположение о том , что плутоний-244 происходит естественным образом в качестве изначального нуклида , но первые сообщения о его обнаружении , не могут быть подтверждены. Тем не менее, его длительный период полувыведения обеспечили ее циркуляцию по всей Солнечной системе до ее исчезновения , и , действительно, свидетельствует о спонтанном делении вымершего 244 Pu были найдены в метеоритах. Первое присутствие 244 Pu в ранней Солнечной системе было подтверждено, так как она проявляется сегодня в избытке своих дочерей, либо 232 Th (от пути альфа - распада) или ксенон изотопов (от его спонтанного деления ). Последнее , как правило , более полезными, потому что химический торий и плутоний весьма схожи (оба являются преимущественно четырехвалентными) и , следовательно , избытком тория не будет убедительными доказательствами того, что некоторые из них были сформирован как плутоний дочери. 244 Pu имеет самый длинный период полураспада всех трансурановых нуклидов и производится только в г-процесса в сверхновых и сталкивающихся нейтронных звезд ; когда ядра выбрасываются из этих событий на высокой скорости , чтобы достигнуть Земель, 244 Pu один среди трансурановых нуклидов имеет достаточно длинный период полураспада , чтобы пережить путешествие, и , следовательно , крошечные следы живых межзвездных 244 Pu были найдены в глубоком морской день. Из - за 240 Pu также происходит в цепи распада из 244 Pu, она должна , таким образом , также присутствовать в вековом равновесии , хотя и в даже крошечных количествах.

Minute следы плутония обычно встречаются в человеческом организме из - за 550 атмосферных и подводных ядерных испытаний , которые были проведены, и к небольшому числу крупных ядерных аварий . Большинство атмосферных и подводных ядерных испытаний был остановлен Договором ограниченной запрещении ядерных испытаний в 1963 году, который был подписан и ратифицирован Соединенными Штатами, Соединенным Королевством, Советским Союзом и другими странами. Продолжение атмосферного испытания ядерного оружия с 1963 по недоговорными нациями , входящими упавшее Китая ( атомная бомба испытания над пустыней Гоби в 1964 году, водородная бомба испытания в 1967 году, и последующие на тестах) и Франция (тесты , как в последнее время, как в 1990 - е годы) , Потому что она преднамеренно производится для ядерного оружия и ядерных реакторов, плутоний-239 является наиболее распространенным изотопом плутония далеко.

история

открытие

Энрико Ферми и команда ученых из Университета Рима сообщили , что они обнаружили элемент 94 в 1934 году Ферми называется элемент гесперий и упомянул его в своей Нобелевской лекции в 1938 г. Образец был на самом деле смесь бария, криптон и другие элементы, но это не было известно в то время. Деление ядер был обнаружен в Германии в 1938 году Отто Ганом и Фрицем Штрассманом . Механизм деления затем теоретически объясняется Лизе Мейтнер и Отто Фриша .

Пожилые Seaborg в костюме
Сиборг и его команда в Беркли были первыми производить плутоний.

Плутоний ( в частности, плутоний-238) впервые был выпущен и изоляции на 14 декабря 1940 года, и химически идентифицируются на 23 февраля 1941 года, по Сиборг , Эдвин Макмиллан , Джозеф В. Кеннеди , и Артур Wahl по дейтронов бомбардировке урана в 60-дюймовый (150 см) циклотрона в радиационной лаборатории Беркли в университете Калифорнии, Беркли . В 1940 эксперименте, нептуний-238 был создан непосредственно при бомбардировке , но распадались бета излучения с периодом полураспада чуть более двух дней, что указывает на формирование элемента 94.

Бумажное документирование открытия было подготовлена командой , и послал в журнал Physical Review в марте 1941 года, но публикация была отложена до года после окончания Второй мировой войны из - за соображения безопасности. В Кавендишской лаборатории в Кэмбридже , Эгон Бретшер и Norman перо поняли , что медленные нейтроны , работающий на уране, теоретически производить значительные количества плутония-239 в качестве побочного продукта. Они подсчитали , что элемент 94 будет делящийся и имел дополнительное преимущество быть химически отличается от урана, и может быть легко отделен от него.

Макмиллан был недавно назван первый трансурановых элементов нептуния после планеты Нептун , и предположил , что элемент 94, будучи следующий элемент в серии, будет назван за то , что тогда считалось следующая планета, Плутон . Кеммер команды Кембриджского независимо предложили такое же имя, основанное на том же основании, что и команда Беркли. Seaborg первоначально считал название «plutium», но потом подумал , что это не звучало так хорошо , как «плутоний». Он выбрал букву «Pu» как шутка, ссылаясь на междометие «P U» , чтобы указать особенно отвратительный запах, который проходил без уведомления в периодическую таблицу. Альтернативные названия , рассмотренные Сиборгом и другие были «ultimium» или «extremium» из - за ошибочное представление о том , что они нашли последний возможный элемент на периодической таблице .

Ранние исследования

Карликовая планета Плутон , после чего плутоний назван

Было обнаружено , что химия плутония напоминают уран через несколько месяцев первоначального исследования. В начале исследования были продолжены в секретной металлургической лаборатории в Университете Чикаго . 20 августа 1942, количество следов этого элемента было выделено и измерено в первый раз. Около 50 микрограммов плутония-239 в сочетании с ураном и продуктов деления был получен , и только около 1 микрограмм был выделен. Эта процедура позволила химикам определить атомный вес нового элемента. 2 декабря 1942 года на ракетку суде под западной трибуной в Университете Stagg Field Чикаго, исследователи во главе с Энрико Ферми достигли первой самоподдерживающейся цепной реакции в графитовом и урановом котле , известный как CP-1. Используя теоретическую информацию получила от эксплуатации CP-1, Дюпон построил экспериментальный реактор с воздушным охлаждением производства, известный как X-10, и средство химического разделения пилотов - сигнала в Oak Ridge. Средство разделения, с использованием методов , разработанного Сиборгом и командой исследователей из Met Lab, удаляет плутоний из урана , облученный в реакторе X-10. Информация от CP-1 была также полезна для ученых Лаборатории Met проектирования водоохлаждаемых реакторов для производства плутония для Ханфорд. Строительство на участке началось в середине 1943 года.

В ноябре 1943 года некоторые плутоний Трехфтористый было уменьшено , чтобы создать первый образец металлического плутония: несколько микрограмм металлических шариков. Достаточно плутоний был произведен , чтобы сделать его первым синтетический элементом , чтобы быть видимыми невооруженным глазом.

Также были изучены свойства ядер плутония-239; Исследователи обнаружили , что , когда он попал под нейтроном распадается (деления), выпуская больше нейтронов и энергию. Эти нейтроны могут попасть в другие атомы плутония-239 и так далее в геометрической прогрессии быстрой цепной реакции. Это может привести к взрыву , достаточно большой , чтобы уничтожить город , если достаточное количество изотопа сконцентрирован с образованием критической массы .

На ранних стадиях исследования, животные были использованы для изучения влияния радиоактивных веществ на здоровье. Эти исследования начались в 1944 году в Университете Калифорнии в Радиационной лаборатории в Беркли и были проведены Джозеф Г. Гамильтон. Гамильтон смотрел отвечать на вопросы о том, как плутоний, будет варьироваться в организме в зависимости от режима экспозиции (перорального приема внутрь, ингаляция, абсорбции через кожу), скорости удерживания, и как плутоний будет зафиксирован в тканях и распределен между различными органами. Гамильтон начал введение растворимых микрограмм частей плутония-239 соединений крыс с использованием различных состояний валентных и различными способами введения плутония (пероральный, внутривенный, и т.д.). В конце концов, в лаборатории в Чикаго также провели свои собственные эксперименты для инъекций плутония с использованием различных животных, таких как мыши, кролики, рыбы и даже собак. Результаты исследований в Беркли и Чикаго показали, что физиологическое поведение плутония значительно отличалось от радия. Наиболее тревожный результат был то, что было отмечено значительное осаждение плутония в печени и в «активной» биотрансформации части кости. Кроме того, скорость выведения плутония в экскрементах отличались между видами животных на целых в пять раз. Такое изменение было чрезвычайно трудно оценить, что скорость будет для человека.

Производство во время Манхэттенского проекта

Во время Второй мировой войны правительство США установили Манхэттенский проект , который возложена задача разработки атомной бомбы. Три основных научно - исследовательских и производственных площадок проекта были производственные мощности плутония на то , что в настоящее время Ханфорд сайта , то по обогащению урана объектов в Oak Ridge, Теннесси , а также исследовательские и конструкторские лаборатории оружия, в настоящее время известный как Лос - Аламосской национальной лаборатории .

Tall площадь промышленной комнаты видно из выше.  Ее цементные стены имеют металлические лестницы и сетки, и десятка люди работают на поле.
Ханфорд Реактора В лице под строительством-первый реактор плутония-производство
Воздушная съемка Ханфорде
Сайт Ханфорд представляет две трети радиоактивных отходов высокого уровня страны по объему. Ядерные реакторы линия берега реки на Хэнфордском сайте по реке Колумбии в январе 1960 года.

Первый промышленный реактор , который сделал плутоний-239 был Х-10 графитового реактора . Он пошел в Интернете в 1943 году и был построен на заводе в Ок - Ридж , который позднее стал национальной лаборатории Oak Ridge .

В январе 1944 года рабочие заложили основы для первого химического потенциала разделения, T завод, расположенный в 200-Западе. Как T завод и его сестра объект в 200-Западе, U завод, были завершены к октябрю. (U Завод был использован только для обучения во время Манхэттенского проекта.) Здание разделения в 200-Востоке, B завод было завершено в феврале 1945 года второй объекта запланирован на 200-Востоке было отменено. Названный Queen Marys рабочими, которые строили их, разделительные здания были удивительным каньонообразных структуры длиной 800 футов, 65 футов в ширину и 80 футов высотой, содержащие сорок пулы процесса. Интерьер был жуткого качество как операторы за семь футов бетона экранирующих манипулируют Телемеханики, просматривая телевизионные мониторы и перископы из верхней галереи. Даже с массивными бетонными крышками бассейнов процесса, меры предосторожности против воздействия радиации были необходимы и влияние на все аспекты проектирования завода.

5 апреля 1944 года Эмилио Сегре в Лос - Аламосе получили первый образец реактора производства плутония из Oak Ridge. Через десять дней, он обнаружил , что реактор-разводили плутоний имел более высокую концентрацию изотопа плутоний-240 , чем циклотронного производства плутония. Плутоний-240 имеет высокую скорость спонтанного деления, повышение общего уровня фона нейтронов в образце плутония. Оригинальный пистолет типа плутоний оружие, под кодовым названием « Тонкий человек », пришлось отказаться в результате-возросшего числа спонтанных нейтронов означает , что ядерная предварительно детонация ( шипеть ), скорее всего.

Весь плутоний оружие дизайн усилия в Лос - Аламосе вскоре был изменен на более сложном имплозии устройства под кодовым названием « Fat Man ». С имплозией, плутоний сжимается до высокой плотности с взрывоопасными линзами -a технически более сложной задачей , чем простая конструкция пушечного типа, но необходимо использовать плутоний для военных целей. Обогащенный уран , напротив, может быть использован с любым методом.

Строительство Хэнфордского B реактора , первый ядерный реактор промышленного размера для целей материального производства было завершено в марте 1945 года В реактор производства расщепляющихся материалов для плутония оружия , используемого во время Второй мировой войны. В, D и F были начальные реакторы , построенные в Hanford, а также шесть дополнительных реакторов по производству плутония были построены позже на месте.

К концу января 1945 года высокоочищенного плутоний подвергнулся дальнейшая концентрация в готовом здании химической изоляции, где остальные примеси были удалены успешно. Лос - Аламос получил первый плутоний из Ханфорде 2 февраля Хотя это было еще далеко не ясно , что достаточно плутония может быть произведено для использования в бомбах к концу войны, Ханфорд был в начале 1945 года в эксплуатацию. Прошло всего два года с тех пор полковник Франклин Matthias первым создал свой временный штаб на берегу реки Колумбия.

По словам Кейт Браун , производство плутония заводы в Ханфорде и Маяка в России, за период четырех десятилетий « , оба выпустили более 200 миллионов кюри радиоактивных изотопов в окружающую среду - в два раза больше изгнали в Чернобыльской катастрофы в каждом отдельном случае ». Большая часть этого радиоактивного загрязнения на протяжении многих лет были частью обычных операций, но непредвиденные несчастные случаи имели место и заводоуправление сохранили этот секрет, как загрязнение ослабевало.

В 2004 году , сейф был обнаружен в ходе раскопок захоронения траншеи на ядерном объекте Хэнфорд . Внутри сейфа были различные предметы, в том числе большой стеклянный флакон , содержащий беловатый суспензию , которую впоследствии был идентифицирован как самый старый образец оружейного плутония известно, существуют. Изотопный анализ по Тихоокеанской северо - западной национальной лаборатории показали , что плутоний в бутылке был изготовлен в X-10 графитового реактора в Ок - Ридж в течение 1944 года.

Тринити и толстяк атомные бомбы

Две схемы сборки оружия.  Вверху: «пушечного типа метод сборки» - эллиптическая оболочка охватывает обычные химические взрывчатые вещества на левой, чья детонационная толкает докритических куски урана-235 вместе с правой стороны.  Внизу: «имплозии метод сборки» - сферическая оболочка охватывает восемь фугасные заряды, которые при детонации сжать плутоний заряда в ядре.
Из-за наличие плутония-240 в реакторе воспитанного плутония, дизайн имплозии был разработан для « Fat Man » и « Троица оружия»

Первое испытание атомной бомбы, под кодовым названием «Троица» и взорвана 16 июля 1945 года, около Аламогордо, Нью - Мексико , использовали плутоний в качестве делящегося материала. Дизайн Распада « гаджет », так как устройство Тринити под кодовым названием, использовал обычные взрывные линзы , чтобы сжать сферу плутония в сверхкритическую массу, которая одновременно осыпается с нейтронами из «Urchin» , инициатор , выполненный из полония и бериллий ( источник нейтронов : (α, п) ). Вместе они обеспечили беглого цепной реакции и взрыва. Общее оружие весом более 4 тонн , хотя он используется только 6,2 кг плутония в ядре. Около 20% плутония , используемого в оружии Тринити подверглась делению, в результате взрыва с энергией , эквивалентной примерно 20 000 тонн тротила.

Идентичный дизайн был использован в «Fat Man» атомная бомба , сброшенная на Нагасаки , Япония , 9 августа 1945 года, погибли 35,000-40,000 человек и уничтожив 68% -80% от военного производства в Нагасаки. Только после объявления первых атомных бомб было существование и имя плутония было известно публике Манхэттенского Проекта отчет Смита .

Использование холодной войны и отходы

Большие запасы оружейного плутония были построены и Советским Союзом и Соединенными Штатами во время холодной войны . Американские реакторы на Ханфорде и реки Саванна в Южной Каролине произведено 103 тонн, и , по оценкам , 170 тонн военного плутония было произведено в СССР. Каждый год около 20 тонн элемента до сих пор производятся в качестве побочного продукта питания атомной промышленности. Целых 1000 тонн плутония может находиться в памяти с более чем 200 тонн , что внутри или извлеченного из ядерного оружия. SIPRI оценки мировых плутониевые запасов в 2007 годом около 500 тонн, разделенных поровну между оружием и гражданскими акциями.

Радиоактивное загрязнение в Rocky Flats завода главным образом в результате двух крупных пожаров плутония в 1957 г. и 1969 г. Значительно более низкие концентрации радиоактивных изотопов были выпущены в течение всего срока эксплуатации завода с 1952 по 1992 год господствующих ветров с завода осуществляется загрязнение воздуха на юг и восток , в населенных районах северо - западу от Денвера. Загрязнение района Денвера плутония от пожаров и других источников не было публично сообщалось до 1970 - х лет. По данным 1972 исследования в соавторстве с Эдуардом Martell , «В более густонаселенных районах Денвер, уровень загрязнения Pu в поверхностных слоях почвы несколько раз осадки», и загрязнение плутонием «только к востоку от завода Rocky Flats дальностях до сотен раза больше, чем от ядерных испытаний». Как отмечает Карл Джонсон в Амбио , «Воздействие большого населения в районе Денвера в плутоний и другие радионуклиды в выхлопных шлейфах с датой завода обратно в 1953 год» Производство оружия на заводе Rocky Flats было остановлено после комбинированного ФБР и EPA набега в 1989 году и лет протестов. Завод с тех пор был закрыт, с его здание разрушено и полностью удалено с сайта.

В США некоторые плутоний извлеченный из демонтированного ядерного оружия плавится с образованием стекла журналы оксида плутония , который весит две тонны. Стекла изготовлены из боросиликатов , смешанных с кадмием и гадолинием . Эти журналы планируется заключенная в нержавеющей стали и хранится в виде целых 4 км (2 мили) под землей в скважинах , которые будут обратно заполненных бетоном . В США планируется хранить плутоний таким образом , в хранилище ядерных отходов в Юкка - Маунтин , которая составляет около 100 миль (160 км) к северо-востоку от Лас - Вегас, штат Невада .

5 марта 2009 года, министр энергетики Стивен Чу заявил на сенатские слушания «сайт Yucca Mountain больше не рассматриваются как вариант для хранения отходов реактора». Начиная с 1999 года, военно-генерироваться ядерных отходов в настоящее время погребены в изоляции отходов опытно - экспериментальный завод в Нью - Мексико.

В Президентском меморандуме от 29 января 2010 года президент Обама учредил Ribbon комиссии Голубой по американскому ядерному будущему . В своем заключительном докладе Комиссия выдвинула рекомендации по разработке комплексной стратегии продолжать, в том числе:

«Рекомендация # 1: Соединенные Штаты должны провести комплексную программу обращения с ядерными отходами, что приводит к своевременному развитию одного или нескольких постоянных глубоких геологических объектов для безопасной утилизации отработавшего топлива и радиоактивных отходов высокого уровня».

Медицинские эксперименты

Во время и после окончания Второй мировой войны, ученые, работавшие над проектом Манхэттен и других ядерных вооружений исследовательские проекты проводились исследования воздействия плутония на лабораторных животных и людях. Исследования на животных обнаружили, что несколько миллиграммов плутония на килограмм ткани являются смертельной дозой.

В случае человеческих субъектов, это участие инъекционные растворы , содержащие (обычно) пять микрограммов плутония в больнице пациентов считающихся либо неизлечимо болен, или иметь продолжительность жизни менее десяти лет либо из - за возраста или хронического болезненного состояния. Это было сокращено до одного микрограмм в июле 1945 года после того, как исследования на животных обнаружили , что способ плутоний распределяется себя в костях был более опасен , чем радий . Большинство предметов, Айлин Уэлсом говорит, были бедны, бессильны, и больным.

С 1945 по 1947 году , восемнадцать человека Испытуемые были введены с плутонием без информированного согласия . Испытания были использованы для создания диагностических инструментов для определения поглощения плутония в организме с целью разработки стандартов безопасности при работе с плутонием. Приливы Кейд был невольным участником в медицинских экспериментах , которые участвуют инъекции 4,7 мкг плутония на 10 апреля 1945 в Ок - Ридж, штат Теннесси . Этот эксперимент был под руководством Гарольда Ходж . Другие эксперименты , направленные на Комиссии по атомной энергии Соединенных Штатов и Манхэттенского проекта продолжались и в 1970 - е годы. Плутоний Файлы хронику жизни субъектов секретной программы, называя каждое заинтересованное лицо и обсуждать этические и медицинские исследования , проведенные в секрете ученых и врачей. Эпизод в настоящее время считается серьезным нарушением медицинской этики и о клятве Гиппократа .

Правительство охватывал большую часть этих радиационных происшествий до 1993 года, когда президент Билл Клинтон заказал изменение политики и федеральных агентств , а затем из имеющихся соответствующих записей. В результате исследования было проведено президентом по Консультативному комитету по экспериментам излучения человека , и обнаружил большую часть материала об исследовании плутония на организм человека. Комитет издал спорный доклад , в котором говорилось , что «обиды были совершены» , но это не осуждаю тех , кто совершил их в 1995 году.

Приложения

Взрывчатые вещества

Фотография атомного облака взрыва гриб с серым стволом и белой крышкой
Атомная бомба , сброшенная на Нагасаки, Япония в 1945 году имела ядро плутония.

Изотоп плутоний-239 является ключевым компонентом в делящемся ядерном оружии, из - за свою простоту и доступность деления. Заключените бомбы плутония яму в трамбовкой (дополнительный слой плотного материала) уменьшает количество плутония , необходимого для достижения критической массы с помощью отражающих убегающих нейтронов обратно в активную зону плутония. Это уменьшает количество плутония , необходимое для достижения критичности с 16 кг до 10 кг, что сфера с диаметром около 10 сантиметров (4 дюйма). Эта критическая масса составляет около одной трети , что для урана-235.

Плутоний бомба жира человек использовал взрывное сжатие плутония , чтобы получить значительно более высокую плотность , чем обычно, в сочетании с центральным источником нейтронов , чтобы начать реакцию и повысить эффективность. Таким образом , только 6,2 кг плутония был необходимы для взрывного выхода эквивалентно 20 килотонн тротила. Гипотетически, всего за 4 кг плутония-и , возможно , даже меньше, может быть использован для одной атомной бомбы с использованием очень сложных конструкций при сборке.

Смешанный оксид топлива

Отработанное ядерное топливо от обычных легководных реакторов содержит плутоний, но она представляет собой смесь плутония-242 , 240, 239 и 238. Смесь не в достаточной степени обогащенный для эффективного ядерного оружия, но может быть использован один раз в качестве МОХ - топлива . Случайное захвата нейтронов вызывает количество плутония-242 и 240 , чтобы расти каждый раз , когда плутоний , облученный в реакторе с низкой скоростью «тепловыми» нейтронами, так что после второго цикла, плутоний может потребляться только реакторами на быстрых нейтронах . Если реакторы на быстрых нейтронах не доступны (обычный случай), избыточный плутоний обычно отбрасываются, и формирует наиболее долгоживущий компонент ядерных отходов. Желание потреблять этот плутоний и другие трансурановые топлива и уменьшить радиотоксичность отходов является обычной причиной атомщики дают сделать реакторов на быстрых нейтронах.

Наиболее распространенный химический процесс, PUREX ( Р lutonium- УРЫ Anium EX тяга) его переработка отработанного ядерного топлива для извлечения плутония и урана , который может быть использован для образования смешанного оксида (МОХ) топлив для повторного использования в ядерных реакторах. Оружейный плутоний может быть добавлен в топливной смеси. МОХ - топливо используется в легководных реакторах , и состоит из 60 кг плутония на тонну топлива; после четырех лет, три четверти плутония сжигается (превращена в другие элементы). Бридерные реакторы специально разработаны , чтобы создать больше делящегося материала , чем они потребляют.

МОХ топливо используется с 1980 - х годов, и широко используется в Европе. В сентябре 2000 года Соединенные Штаты и Россия Федерация подписали соглашение об управлении Плутонием и прочтения , с помощью которого каждый согласился распоряжаться 34 тонн оружейного плутония. Департамент энергетики США планирует утилизировать 34 тонны оружейного плутония в Соединенных Штатах до конца 2019 года путем преобразования плутония в МОКС - топлива для использования в коммерческих ядерных реакторов.

МОХ - топливо улучшает общее выгорание. Топливный стержень переработан после трех лет использования , чтобы удалить ненужные продукты, которые к тому времени учитывающих 3% от общей массы стержней. Любой уран или плутоний , изотопы , полученные в течение этих трех лет, слева и стержень возвращается в производство. Наличие до 1% галлия в массе в оружейного плутония сплава имеет потенциал , чтобы помешать длительной эксплуатации реактора на легкой воде.

Плутоний извлекают из отработанного ядерного топлива создает небольшую опасность распространения, из - за чрезмерного загрязнения , не делящегося плутоний-240 и плутоний-242. Разделение изотопов не представляется возможным. Выделенный реактор , работающий на очень низкое выгорании (следовательно , минимальное воздействие вновь образованного плутония-239 дополнительных нейтроны, заставляет его быть преобразовано в более тяжелые изотопы плутония) , как правило , требуется для получения материала , пригодного для использования в эффективном ядерном оружии . В то время как «оружейный» плутоний определяются содержать , по меньшей мере , 92% плутоний-239 (от общего количества плутония), Соединенные Штаты сумели взорвать устройство под 20Kt использования плутония полагает, содержат лишь около 85% плутония-239, так называемый «топливо класса" плутоний. "Реакторного качество" плутоний , произведенный с помощью обычного LWR цикла выгорания обычно содержит менее чем 60% Pu-239, до 30% паразитарных Pu-240 / Pu-242, и 10-15% делящегося Pu-241. Это неизвестно , если устройство с использованием плутония , полученный из переработанных гражданских ядерных отходов может детонировать, однако такое устройство может гипотетический шипеть и распространение радиоактивных материалов на большую городскую площадь. МАГАТЭ консервативно классифицирует плутоний всех изотопных векторов в качестве «прямого использования» материала, то есть «ядерный материал , который может быть использован для изготовления компонентов ядерных взрывчатых веществ без трансмутации или дальнейшего обогащения».

Мощность и источник тепла

Светящийся цилиндр оксид плутония стояния в круговой яме
Сияющий цилиндр 238 PuO 2
Ярко-графитовый куб, содержащий оксид плутоний-238
238 PuO 2 радиоизотопный термоэлектрический генератор Curiosity ровер

Изотоп плутоний-238 имеет период полураспада 87,74 лет. Он излучает большое количество тепловой энергии с низкими уровнями обоих гамма - лучей / фотонов и спонтанных нейтронных лучей / частиц. Будучи альфа - излучателем, он сочетает в себе высокую энергию излучения с низким уровнем проникновения и тем самым требует минимального экранирования. Лист бумаги может быть использован для защиты от альфа - частиц , испускаемых плутоний-238. Один килограмм изотопа может генерировать около 570 ватт тепла.

Эти характеристики делают его хорошо подходит для выработки электроэнергии для устройств , которые должны функционировать без прямого обслуживания для временных рамок , аппроксимирующих человеческую жизнь. Поэтому используется в радиоизотопных термоэлектрических генераторов и радиоизотопные тепловые блоки , такие как те , в Кассини , Voyager , Galileo и новые горизонты космических аппаратов, и Любопытство марсохода .

Вояджеры были запущены в 1977 году, каждый из которых содержит источник питания плутония 500 Вт. Более 30 лет спустя, каждый источник по - прежнему производит около 300 ватт , которая позволяет ограниченную работу каждого аппарата. Более ранняя версия той же технологии , работает пять Apollo Lunar Surface Эксперимент пакеты , начиная с Apollo 12 в 1969 году.

Плутоний-238 также успешно используется для питания искусственного сердца кардиостимулятора , чтобы уменьшить риск повторной операции. Он был в значительной степени заменен на основе литии первичных клеток , но в 2003 году было где - то между 50 и 100 плутонием питанием кардиостимуляторов еще имплантированы и функционируют в живых пациентах. Плутоний-238 был изучен как способ обеспечить дополнительное тепло для подводного плавания . Плутоний-238 смешивается с бериллием используется для генерации нейтронов для исследовательских целей.

Меры предосторожности

токсичность

Есть два аспекта вредного воздействия плутония: радиоактивность и яд тяжелых металлов эффекты. Изотопы и соединение плутония радиоактивны и накапливаются в костном мозге . Загрязнение оксида плутония в результате ядерных катастроф и радиоактивных инцидентов , в том числе военных ядерных аварий , где сжигали ядерное оружие. Исследования воздействия этих небольших выпусков, а также широко распространенная радиационное отравление болезни и смерти после проведения атомных бомбардировок Хиросимы и Нагасаки , предоставили значительную информацию относительно опасностей, симптомов и прогноза радиационного отравления , которое в случае с японские выжившие в значительной степени связаны с непосредственным воздействием плутония.

При распаде плутония три типа излучений высвобождаются-альфа, бета и гамма. Альфа, бета и гамма - излучения являются все виды ионизирующего излучения . Либо острый или более кратковременное воздействие несет в себе опасность серьезных последствий для здоровья , включая лучевую болезнь , генетические повреждения , рак и смерть. Опасность возрастает с количеством воздействия. Альфа - излучение может перемещаться только на небольшое расстояние и не может проходить через внешний, мертвый слой кожи человека. Бета - излучение может проникать в кожу человека, но не может пройти весь путь через тело. Гамма - излучение может пройти весь путь через тело. Несмотря на то, альфа - излучение не может проникать в кожу, проглотить или вдохнуть плутоний делает облучать внутренние органы. Альфа - частицы , порожденные вдыхаемого плутония было установлено , что причиной рака легких в когорте европейских атомщиков. Скелет , где плутоний накапливается, и печень , где он собирает и концентрируется, в опасности. Плутоний не всасывается в организм эффективно при попадании в организм; только 0,04% оксида плутония всасывается после приема внутрь. Плутоний усваиваются организмом выделяется очень медленно, с биологического полураспада 200 лет. Плутоний проходит только медленно , через клеточные мембраны и кишечник границ, так что поглощение при приеме внутрь и включении в структуру костной ткани протекает очень медленно.

Плутоний более опасен при вдыхании , чем при приеме внутрь. Риск рака легких возрастает после того , как суммарная радиация эквивалентной дозы ингаляционных плутония превышает 400 мЗв . Департамент энергетики США считает , что риск рака время жизни от вдыхания 5000 плутонием частиц, каждая из которых около 3  мкм в ширину, чтобы быть 1% по сравнению с фоновым США в среднем. Проглатывание или вдыхание большого количеств может вызвать острое лучевое отравление и , возможно , смерть. Тем не менее, ни один человек, как известно, умер из - за вдыхания или проглатывания плутоний, и многие люди имеют измеримые количества плутония в организме.

« Горячая частица теория» , в которой частица пыли плутония облучает локализованное пятно легочной ткани не поддерживаются господствующими-исследовательскими такими частицами являются более мобильным , чем первоначально предполагалась и токсичность не измеримо увеличена за счет формы частиц. При вдыхании, плутоний может переходить в кровь. Попав в кровь, движется плутоний по всему телу и в костях, печени или других органов тела. Плутоний , который достигает органы тела обычно остается в организме в течение многих десятилетий и продолжает подвергать окружающие ткани к радиации и , таким образом , может вызвать рак.

Часто приводимый цитата Ральфа Надера утверждает , что фунт плутония пыли распространился в атмосфере будет достаточно , чтобы убить 8 миллиардов человек. Однако расчеты показывают , что один фунт плутония может убить не более 2 -х миллионов человек , при вдыхании. Это делает токсичность плутония примерно эквивалентную с тем из нервно - паралитического газа . Просмотров Надера были оспорены в 1976 году Бернард Коэн , как описано в книге АЭС, обе стороны: лучшие аргументы за и против самых Спорные технологии . Собственная оценка Коэна является то , что доза 200 мкг, вероятно , будет необходимо , чтобы вызвать рак.

Некоторые популяции людей, подвергшихся воздействию плутония пыли (например , люди , живущие вниз ветер полигонах Невады, Нагасаки выживших работников ядерного объекта, и «неизлечимо больных» пациентов , которым вводили Pu в 1945-46 для изучения Pu обмена веществ), были внимательно следили и анализировали. Эти исследования , как правило , не показывают , особенно высокую плутониевую токсичность или рак приводит плутоний-индуцированный, такие как Альберт Стивенс , который выжил в старость после инъекции с плутонием. «Были около 25 рабочих из Лос - Аламосской национальной лаборатории , которые вдыхают значительное количество плутония пыли в течение 1940 - х годов, в соответствии с теорией горячей частиц, каждая из них имеет 99,5% шансов умерших от рака легких в настоящее время, но есть не было ни одного рака легких среди них «.

Плутоний имеет металлический привкус во рту.

Критичность потенциал

Стек квадратные металлические пластины со стороной около 10 дюймов.  В 3-дюймовом отверстии в верхней пластине есть серый металлический шар моделирования Pu.
Сфера моделируемой плутонии окружена нейтронным отражающий карбид вольфрама блоки в перепостановлении 1945 эксперимента Гарри Daghlian в

Необходимо соблюдать осторожность , чтобы избежать накопления количеств плутония , которые приближаются к критической массе, в частности , потому , что критическая масса плутония составляет лишь треть от урана-235. Критическая масса плутония испускает летальные количества нейтронов и гамма - лучей . Плутоний в растворе, более вероятно, образует критическую массу , чем твердая форма из - за умеренное количества под действием водорода в воде.

Критичности авария произошла в прошлом, некоторые из них с летальным исходом. Небрежное обращение из карбида вольфрама кирпича около 6,2 кг плутония области в результате в смертельной дозы радиации в Лос - Аламосе 21 августа 1945 года , когда ученый Гарри Daghlian получил дозу оценивается в 5,1 зиверт (510  бэр ) и умер 25 дней спустя. Девять месяцев спустя, другой Лос - Аламос ученый Луи Слотин , умер от подобной аварии с участием бериллиевого отражателя и то же ядро плутония (так называемый « демон ядра ») , который ранее утверждал жизнь Daghlian.

В декабре 1958 года во время процесса очистки плутония в Лос - Аламосе, критическая масса была сформирована в смесителе, которое привело к смерти химического оператора по имени Сесил Kelley . Другие ядерные аварии произошли в Советском Союзе, Японии, США и многих других странах.

воспламеняемость

Металлический плутоний представляет опасность пожара, особенно если материал тонко измельчают. Во влажной среде плутоний образует гидриды на ее поверхность, которые являются пирофорными и может привести к возгоранию на воздухе при комнатной температуре. Плутоний расширяется до 70% по объему , как он окисляется и , таким образом , может привести к поломке его контейнера. Радиоактивность горящего материала является дополнительной опасностью. Оксид магния песок, вероятно , является наиболее эффективным материалом для тушения пожара плутония. Это охлаждает горящий материал, действующий как теплоотвод , а также блоки от кислорода. Особые меры предосторожности необходимы для хранения или обрабатывать плутоний в любой форме; как правило , сухой инертный газ , требуется атмосфера.

Транспорт

Около 11 метрических тонн плутония может быть одержим Японии в одиночку, с 36 тонн в ожидании возвращения после переработки в Великобритании и Франции. Это, вероятно, достаточно, чтобы сделать 6000 атомных бомб.

Земля и море

Обычная транспортировка плутония через более стабильный оксид плутония в герметичной упаковке. Типичный транспорт состоит из одного грузовика , несущего один защищенный транспортировочный контейнер, держа количество упаковок с общей массой от 80 до 200 кг оксида плутония. Морской груз может состоять из нескольких контейнеров, каждый из которых держит запечатанный пакет. США Комиссия по ядерному регулированию диктует , что она должна быть твердой , а не порошок , если содержимое превысит 0,74  ТКа (20  Кюри ) радиоактивной активности. В недавнем примере, корабли Тихоокеанского цапля и Pacific Герона Pacific Ltd. ядерного транспорта принимают 331 кг (730 фунтов) плутония в государственном учреждении США в Саванна - Ривер , штат Южная Каролина .

Воздух

Положения правительства США воздушного транспорта позволяет транспортировать плутония по воздуху, при условии соблюдения ограничений на других опасных материалов, перевозимых этим же рейсом, требования к упаковке и укладке в задней части самолета.

В 2012 году СМИ показали , что плутоний улетели из Норвегии на коммерческих пассажирских авиакомпаний -around каждый год, в том числе один раз в 2011 г. Правила разрешают самолет для перевозки 15 г делящегося материала. Такой плутоний транспортировка без проблем, по словам старшего консультанта ( seniorrådgiver ) в Statens strålevern .

Заметки

Сноски

Цитирование

Рекомендации

внешняя ссылка