Изотоп плутония 238 Pu впервые искусственно получен 23.02.1941 года группой американских ученых во главе с Г. Сиборгом путем облучения ядер урана дейтронами. Только затем плутоний был обнаружен в природе: в ничтожно малых количествах 239 Pu обычно содержится в урановых рудах как продукт радиоактивного превращения урана. Плутоний - первый искусственный элемент, полученный в доступных для взвешивания количествах (1942г.) и первый, производство которого началось в промышленных масштабах.
В названии элемента продолжена астрономическая тема: он назван в честь Плутона, второй планеты, следующей за Ураном.
Нахождение в природе, получение:
В урановых рудах в результате захвата нейтронов (например, нейтронов из космического излучения) ядрами урана образуется нептуний(239 Np), продуктом b
-распада которого и является природный плутоний-239. Однако плутоний образуется в таких микроскопических количествах (0,4-15 частей Pu на 10 12 частей U), что о его добыче из урановых руд не может быть и речи.
Плутоний получают в ядерных реакторах. В мощных потоках нейтронов происходит та же реакция, что и в урановых рудах, но скорость образования и накопления плутония в реакторе намного выше – в миллиард миллиардов раз. Для реакции превращения балластного урана-238 в энергетический плутоний-239 создаются оптимальные (в пределах допустимого) условия.
Плутоний-244 также накопили в ядерном реакторе. Изотоп элемента №95 – америция, 243 Am захватив нейтрон, переходил в америций-244; америций-244 переходил в кюрий, но в одном из 10 тыс. случаев происходил переход в плутоний-244. Из смеси америция с кюрием выделили препарат плутония-244 весом всего несколько миллионных долей грамма. Но их хватило для того чтобы определить период полураспада этого интереснейшего изотопа - 75 млн лет. Позднее он был уточнен и оказался равным 82,8 млн лет. В 1971 г. следы этого изотопа нашли в редкоземельном минерале бастнезите. 244 Pu – это самый долгоживущий из всех изотопов трансурановых элементов.
Физические свойства:
Серебристо-белый металл, имеет 6 аллотропных модификаций. Температура плавления 637°C, кипения - 3235°C. Плотность: 19,82 г/см 3 .
Химические свойства:
Плутоний способен реагировать с кислородом, с образованием оксида(IV), который, как у всех первых семи актиноидов, имеет слабый основный характер.
Pu + O 2 = PuO 2
Реагирует с разбавленной серной, соляной, хлорной кислотами.
Pu + 2HCl(p) = PuCl 2 + H 2 ; Pu + 2H 2 SO 4 = Pu(SO 4) 2 + 2H 2
Не реагирует с азотной и концентрированной серной кислотами. Валентность плутония меняется от трех до семи. Химически наиболее стабильны (а следовательно, наиболее распространены и наиболее изучены) соединения четырехвалентного плутония. Разделение близких по химическим свойствам актиноидов – урана, нептуния и плутония – может быть основано на разнице в свойствах их четырех- и шестивалентных соединений.
Важнейшие соединения:
Оксид плутония(IV)
, PuO 2 , имеет слабый основный характер.
...
...
Применение:
Плутоний широко использовался в производстве ядерного оружия (т. н. «оружейный плутоний»). Первый ядерный заряд на основе плутония был взорван 16 июля 1945 года на полигоне Аламогордо (испытание под кодовым названием "Тринити").
Находит применение (экспериментально) в качестве ядерного топлива для атомных реакторов гражданского и исследовательского назначения.
Плутоний-242 важен как «сырье» для сравнительно быстрого накопления высших трансурановых элементов в ядерных реакторах. Если в обычном реакторе облучать плутоний-239, то на накопление из граммов плутония микрограммовых количеств, к примеру, калифорния-251 потребуется около 20 лет. Плутоний-242 тепловыми нейтронами не делится, его и в больших количествах можно облучать в интенсивных нейтронных потоках. Поэтому в реакторах из этого изотопа «делают» и накапливают в весовых количествах все элементы от калифорния до эйнштейния.
Коваленко О.А.
ХФ ТюмГУ
Источники:
"Вредные химические вещества: Радиоактивные вещества" Справочник Л. 1990 стр. 197
Рабинович В.А., Хавин З.Я. "Краткий химический справочник" Л.: Химия, 1977 стр. 90, 306-307.
И.Н. Бекман. Плутоний. (уч.пособие, 2009)
| Pu | 94 |
Плутоний |
|||||||
| t o кип. (o С) | 3350 | Степ.окис. | от +3 до +7 | ||||||
| t o плав.(o С) | 640 | Плотность | 19860 | ||||||
| 5f 6 7s 2 | ОЭО | 1,2 | в зем. коре | - | |||||
С элементом № 94 связаны очень большие надежды и очень большие опасения человечества.
Вначале были протоны — галактический водород. В результате его сжатия и последовавших затем ядерных реакций образовались самые невероятные “слитки” нуклонов. Среди них, этих “слитков”, были, по-видимому, и содержащие по 94 протона. Оценки теоретиков позволяют считать, что около ста нуклонных образований, в состав которых входят 94 протона и от 107 до 206 нейтронов, настолько стабильны, что их можно считать ядрами изотопов элемента № 94.
Но все эти изотопы — гипотетические и реальные — не настолько стабильны, чтобы сохраниться до наших дней с момента образования элементов солнечной системы. Период полураспада самого долгоживущего изотопа элемента № 94 — 75 миллионов лет. Возраст Галактики измеряется миллиардами лет. Следовательно, у “первородного” плутония не было шансов дожить до наших дней. Если он и образовывался при великом синтезе элементов Вселенной, то те давние его атомы давно “вымерли”, подобно тому как вымерли динозавры и мамонты.
В XX веке новой эры, нашей эры, этот элемент был воссоздан. Из ста возможных изотопов плутония синтезированы двадцать пять. У пятнадцати из них изучены ядерные свойства. Четыре нашли практическое применение.
С того дня, когда первые ядра элемента № 94 попали к ученым, прошло 34 года. В декабре 1940 года при облучении урана ядрами тяжелого водорода группа американских радиохимиков во главе с Гленном Т. Сиборгом обнаружила неизвестный прежде излучатель альфа-частиц. с периодом полураспада 90 лет. Этим излучателем оказался изотоп элемента № 94 с массовым числом 238. В том же году, но несколькими месяцами раньше Э. М. Макмиллан и Ф. Эйбельсон получили первый элемент, более тяжелый, чем уран, — элемент № 93. Этот элемент назвали нептунием, а 94-й — плутонием. Историк определенно скажет, что названия эти берут начало в римской мифологии, но в сущности происхождение этих названий скорее не мифологическое, а астрономическое.
Астрономическая параллель
Элемент, занимающий 92-ю клетку менделеевской таблицы, был открыт Мартином Клапротом в 1789 году и назван ураном в честь самой далекой из известных тогда планет (ее впервые наблюдал знаменитый астроном Уильям Гершель в 1781 году, за восемь лет до открытия Клапрота.)
Не Уран оказался последней планетой солнечной системы. Еще дальше от Солнца проходит орбита Нептуна, но и Нептун не последний, за ним — Плутон, планета, о которой до сих пор почти ничего не известно... Подобное построение наблюдается и на “левом фланге” менделеевской таблицы: uranium — neptunium—plutonium, однако о плутонии человечество знает намного больше, чем о Плутоне. Кстати, Плутон астрономы открыли всего за десять лет до синтеза плутония, — почти такой же отрезок времени разделял открытия Гершеля и Клапрота.
Загадки для шифровальщиков
Первый изотоп элемента № 94 — плутоний-238 в наши дни нашел практическое применение. Но в начале 40-х годов об этом и не думали. Получать плутоний-238 в количествах, представляющих практический интерес, можно, только опираясь на мощную ядерную промышленность. В то время она лишь зарождалась. Но уже было ясно, что, освободив энергию, заключенную в ядрах тяжелых радиоактивных элементов, можно, получить оружие невиданной прежде силы. Появился Манхэттенский проект, не имевший ничего, кроме названия, общего с известным районом Нью-Йорка. Это было общее название всех работ, связанных с созданием в США первых атомных бомб. Руководителем Манхэттенского проекта был назначен не ученый, а военный — генерал Гровс, “ласково” величавший своих высокообразованных подопечных “битыми горшками”.
Руководителей “проекта” плутоний-238 не интересовал. Его ядра, как, впрочем, ядра всех изотопов плутония с четными массовыми числами, нейтронами низких энергий (Нейтронами низких энергий мы называем нейтроны, энергия которых не превышает 10 кэв. Нейтроны с энергией, измеряемой долями электрон-вольта, называются тепловыми, а самые медленные нейтроны — с энергией меньше 0,005 эв — холодными. Если же энергия нейтрона больше 100 кэв, то такой нейтрон считается уже быстрым.) не делятся, поэтому он не мог служить ядерной взрывчаткой. Тем не менее первые не очень внятные сообщения об элементах № 93 и 94 попали в печать лишь весной 1942 года.
Чем это объяснить? Физики понимали: синтез изотопов плутония с нечетными массовыми числами — дело времени, и недалекого. От нечетных изотопов ждали, что, подобно урану-235, они смогут поддерживать цепную ядерную реакцию. В них, еще не полученных, кое-кому виделась потенциальная ядерная взрывчатка. И эти надежды плутоний, к сожалению, оправдывал.
В шифровках того времени элемент № 94 именовался не иначе, как... медью. А когда возникла необходимость в самой меди (как конструкционном материале для каких-то деталей), то в шифровках наряду с “медью” появилась “подлинная медь”.
"Древо познания добра и зла"
В 1941 году был открыт важнейший изотоп плутония — изотоп с массовым числом 239. И почти сразу же подтвердилось предсказание теоретиков: ядра плутония-239 делились тепловыми нейтронами. Более того, в процессе их деления рождалось не меньшее число нейтронов, чем при делении урана-235. Тотчас же были намечены пути получения этого изотопа в больших количествах...
Прошли годы. Теперь уже ни для кого не секрет, что, ядерные бомбы, хранящиеся в арсеналах, начинены плутонием-239 и что их, этих бомб, достаточно, чтобы, как говорят, “нанести непоправимый ущерб” всему живому на Земле.
Распространено мнение, что с открытием цепной ядерной реакции (неизбежным следствием которого стало создание ядерной бомбы) человечество явно поторопилось. Можно думать по-другому или делать вид, что думаешь по-другому, — приятнее быть оптимистом. Но и перед: оптимистами неизбежно встает вопрос об ответственности ученых. Мы помним триумфальный июньский день 1954 года, день, когда дала ток первая атомная электростанция в Обнинске. Но мы не можем забыть и августовское утро 1945 года — “утро Хиросимы”, “черный день Альберта Эйнштейна”... Те, кому сегодня семьдесят и больше, помнят первые послевоенные годы и безудержный атомный шантаж — основу американской политики тех лет. А разве мало тревог пережило человечество в последующие годы?
Причем эти тревоги многократно усиливались сознанием, что, если вспыхнет новая мировая война, ядерное оружие непременно будет пущено в ход.
Здесь можно попробовать доказать, что открытие плутония не прибавило человечеству опасений, что, напротив, оно было только полезно.
Допустим, случилось так, что по какой-то причине или, как сказали бы в старину, по воле божьей, плутоний оказался недоступен ученым. Разве уменьшились бы тогда наши страхи и опасения? Ничуть не бывало. Ядерные бомбы делали бы из урана-235 (и в не меньшем количестве, чем из плутония), и эти бомбы “съедали” бы еще большие, чем сейчас, части бюджетов.
Зато без плутония не существовало бы перспективы мирного использования ядерной энергии в больших масштабах. Для “мирного атома” просто не хватило бы урана-235. Зло, нанесенное человечеству открытием ядерной энергии, не уравновешивалось бы, пусть даже частично, достижениями “доброго атома”.
Как измерить, с чем сравнить
Когда ядро плутония-239 делится нейтронами на два осколка примерно равной массы, выделяется около 200 Мэв энергии. Это в 50 миллионов раз больше энергии, освобождающейся в самой известной экзотермической реакции C + O 2 = CO 2 . “Сгорая” в ядерном реакторе, грамм плутония дает 2 ·10 7 килокалорий. Чтобы не нарушать традиции (а в популярных статьях энергию ядерного горючего принято измерять внесистемными единицами— тоннами угля, бензина, тринитротолуола и т. д.), заметим и мы: это энергия, заключенная в четырех тоннах угля. А в обычный наперсток помещается количество плутония, энергетически эквивалентное сорока вагонам хороших березовых дров.
Такая же энергия выделяется и при делении нейтронами ядер урана-235. Но основную массу природного урана (99,3%!) составляет изотоп 238 U, который можно использовать, только превратив уран в плутоний...
Энергия камней
Оценим энергетические ресурсы, заключенные в природных запасах урана.
Уран — рассеянный элемент, и практически он есть всюду. Каждому, кто побывал, к примеру, в Карелии, наверняка запомнились гранитные валуны и прибрежные скалы. Но мало кто знает, что в тонне гранита в среднем содержится от 4 до 10 граммов урана. Граниты составляют почти 20% веса земной коры. Если считать только уран-235, то в тонне гранита заключено 6 · 10 6 килокалорий энергии. Это очень много, но...
На переработку гранита и извлечение из него урана нужно затратить еще большее количество энергии — порядка 10 6 -10 7 килокалорий. Вот если бы удалось в качестве источника энергии использовать не только уран-235, а и уран-238, тогда гранит можно было бы рассматривать хотя бы как потенциальное энергетическое сырье. Тогда энергия, полученная из тонны камня, составила бы уже от 8 ·10 7 до 2 ·10 8 килокалорий. Это равноценно 16— 40 тоннам угля. И в этом случае гранит мог бы дать людям почти в миллион раз больше энергии, чем все запасы химического топлива на Земле.
Но ядра урана-238 нейтронами не делятся. Для атомной энергетики этот изотоп бесполезен. Точнее, был бы бесполезен, если бы его не удалось превратить в плутоний-239. И что особенно важно: на это ядерное превращение практически не нужно тратить энергию — напротив, в этом процессе энергия производится.!
Попробуем разобраться, как это происходит, но вначале несколько слов о природном плутонии.
В 400 тысяч раз меньше, чем радия
Уже говорилось, что изотопы плутония не сохранились со времени синтеза элементов при образовании нашей планеты. Но это не означает, что плутония в Земле нет. Он все время образуется в урановых рудах. Захватывая нейтроны космического излучения и нейтроны, образующиеся при самопроизвольном (спонтанном) делении ядер урана-238, некоторые — очень немногие — атомы этого изотопа превращаются в атомы урана-239. Эти ядра очень нестабильны, они испускают электроны и тем самым повышают свой заряд. Образуется нептуний — первый трансурановый элемент. Нептуний-239 тоже весьма неустойчив, и его ядра испускают электроны. Всего за 56 часов половина нептуния-239 превращается в плутоний-239, период полураспада которого уже достаточно велик — 24 тысячи лет.
Почему не добывают плутоний из урановых руд? Мала, слишком мала концентрация. “В грамм добыча — в год труды” — это о радии, а плутония в рудах содержится в 400 тысяч раз меньше, чем радия. Поэтому не только добыть — даже обнаружить “земной” плутоний необыкновенно трудно. Сделать это удалось только после того, как были изучены физические и химические свойства плутония, полученного в атомных реакторах.
Когда 2,70 >> 2,23 (напомним, что в математике знак >> означает “много больше”)
Накапливают плутоний в ядерных реакторах (до недавнего времени эти установки называли также атомными котлами). В мощных потоках нейтронов происходит та же реакция, что ив урановых рудах, но скорость образования и накопления плутония в реакторе намного выше — в миллиард миллиардов раз. Для реакции превращения балластного урана-238 в энергетический плутоний-239 создаются оптимальные (в пределах допустимого) условия.
Если реактор работает на тепловых нейтронах (напомним, что их скорость — порядка двух тысяч метров в секунду, а энергия — доли электрон-вольта), то из естественной смеси изотопов урана получают количество плутония немногим меньшее, тем количество “выгоревшего” урана-235. Немногим, но меньшее, плюс неизбежные потери плутония при химическом выделении его из облученного урана. К тому же цепная ядерная реакция поддерживается в природной смеси изотопов урана только до тех пор, пока не израсходована незначительная доля урана-235. Отсюда закономерен вывод: “тепловой” реактор на естественном уране — основной тип ныне действующих реакторов — не может обеспечить расширенного воспроизводства ядерного горючего. Но что же тогда перспективно? Для ответа на этот вопрос сравним ход цепной ядерной реакции в уране-235 и плутоний-239 и введем в наши рассуждения еще одно физическое понятие.
Важнейшая характеристика любого ядерного горючего — среднее число нейтронов, испускаемых после того, как ядро захватило один нейтрон. Физики называют его эта-числом обозначают греческой буквой h. В “тепловых” реакторах на уране наблюдается такая закономерность: каждый нейтрон “порождает” в среднем 2,08 нейтрона (h =2,08). Помещенный в такой реактор плутоний под действием тепловых нейтронов дает h=2,03. Но ведь есть еще реакторы, работающие на быстрых нейтронах. Естественную смесь изотопов урана в такой реактор загружать бесполезно: цепная реакция не пойдет. Но если обогатить “сырье” ураном-235, она сможет развиться и, в “быстром” реакторе. При этом h будет равно уже 2,23. А плутоний, помещенный под обстрел быстрыми нейтронами, даст h равное 2,70. В наше распоряжение поступит “лишних полнейтрона”. И это совсем не мало.
Проследим, на что тратятся полученные нейтроны. В любом реакторе один нейтрон нужен для поддержания цепной ядерной реакции. 0,1 нейтрона поглощается конструктивными материалами установки. “Избыток” идет на накопление плутония-239. В одном случае “избыток” равен 1,13, в другом — 1,60. После “сгорания” килограмма плутония в “быстром” реакторе выделяется энергия в 2,25 · 10 7 и накапливается 1,6 кг плутония. А уран и в “быстром” реакторе даст ту же энергию и 1,1 кг нового ядерного горючего. И в том, и в другом случае налицо расширенное воспроизводство. Но нельзя забывать об экономике.
В силу ряда технических причин цикл воспроизводства плутония занимает несколько лет. Допустим, что пять лет. Значит, в год количество плутония увеличится только на 2%, если h = 2,23, и на 12%, если h = 2,7! Ядерное горючее — капитал, а всякий капитал должен давать, скажем, 5% годовых. В первом случае налицо большие убытки, а во втором — большая прибыль. Этот примитивный пример иллюстрирует “вес” каждой десятой числа h в проблеме ядерной энергетики.
Важно и другое. Ядерная энергетика должна поспевать за ростом потребности в энергии. Расчеты показывают: это условие выполнимо в будущем только тогда, когда h приближается к трем. Если же развитие ядерных энергетических источников будет отставать от потребностей общества в энергии, то останется два пути: либо “затормозить прогресс”, либо брать энергию из каких-то других источников.
И вот здесь следовало бы рассеять заблуждение, вызванное в известной мере и научно-популярной литературой.
Антиода термоядерному синтезу
Известно, что грамм вещества, прореагировавшего в гипотетическом пока термоядерном реакторе, даст энергию, в несколько раз большую, чем грамм плутония, разделившегося в реальном ядерном реакторе наших дней. Еще больше энергии выделится при взаимодействии грамма электронов и позитронов. Однако электронно-позитронные энергетические установки “строят” пока только писатели-фантасты. А вот о термоядерных энергетических устройствах иногда говорят как о деле почти решенном. Действительно, когда физики плохо понимали, что же происходит в плазме, казалось, что вот-вот будет создан управляемый источник термоядерной энергии. Тем более что каждый день перед глазами великолепный пример действующего термоядерного реактора — Солнце. Интенсивные исследования плазмы дали многое для понимания процессов, происходящих в веществе, попавшем в свое четвертое состояние. Одни из результатов этих работ стало ясное понимание того, что создать искусственный вариант нашего светила не так просто, как казалось. Сегодня еще не намечен даже реальный путь решения этой задачи. Во всяком случае, надежды на близкое освоение термоядерной энергии исчезли. Конечно, наступят времена, когда и энергия легких ядер станет доступна. Но как и когда это будет сделано? На этот вопрос пока невозможно ответить.
Подведем итог. Энергия тяжелых ядер — реальность, лишь технические трудности стоят на пути ее освоения, да и в этом направлении сделано немало. Термоядерный синтез в энергетических целях — еще принципиально не решенная проблема. Отсюда вывод: у плутония как главного материала энергетики будущего пока нет серьезных конкурентов, энергетические ресурсы, скрытые в запасах урана, — единственный пока источник ядерной энергии, который человечество в наши дни реально может освоить. Ключ к этим ресурсам — изотоп элемента № 94 с массовым числом 239.
Извлечение
Когда в результате ядерных реакций в уране накопится необходимое количество плутония, его необходимо отделить не только от самого урана, но и от осколков деления — как урана, так и плутония, выгоревших в цепной ядерной реакции. Кроме того, в урано-плутониевой массе есть и некоторое количество нептуния. Сложнее всего отделить плутоний от нептуния и редкоземельных элементов (лантаноидов). Плутонию как химическому элементу в какой-то мере не повезло. С точки зрения химика, главный элемент ядерной энергетики — всего лишь один из четырнадцати актиноидов. Подобно редкоземельным элементам, все элементы актиниевого ряда очень близки между собой по химическим свойствам, строение внешних электронных оболочек атомов всех элементов от актиния до 103-го одинаково. Еще неприятнее, что химические свойства актиноидов подобны свойствам редкоземельных элементов, а среди осколков деления урана и плутония лантаноидов хоть отбавляй. Но зато 94-й элемент может находиться в пяти валентных состояниях, и это “подслащивает пилюлю” — помогает отделить плутоний и от урана, и от осколков деления.
Валентность плутония меняется от трех до семи. Химически наиболее стабильны (а следовательно, наиболее распространены и наиболее изучены) соединения четырехвалентного плутония.
Разделение близких по химическим свойствам актиноидов — урана, нептуния и плутония — может быть основано на разнице в свойствах их четырех- и шестивалентных соединений. Сначала урановые бруски растворяют в азотной кислоте. Азотная кислота — сильный окислитель при растворении и уран, и плутоний, и примеси окисляются. Нульвалентные атомы плутония превращаются в ионы Рu 6+ . Плутоний растворяется вместе с ураном. Из этого раствора его восстанавливают до трехвалентногс состояния сернистым газом, а затем осаждают фторидом лантана. Осадок кроме плутония содержит нептуний редкоземельные элементы. Но основная масса вещества уран — остается в растворе и отделяется от плутония.
Полученный осадок растворяют вновь и окисляют нептуний до четырехвалентного состояния броматом калия. На плутоний этот реактив не действует, и при вторичном осаждении тем же LаF 3 трехвалентный плутоний переходит в осадок, а нептуний остается в растворе.
Чтобы отделить осколки дарения, плутоний снова окисляют до шестивадентного состояния и вновь добавляют фторид лантана. Теперь редкоземельные элементы переходят в осадок, а плутоний остается в растворе...
Из множества известных ныне методов выделения плутония следует упомянуть об экстракции плутония органическими растворителями и выделении плутония на ионообменных колонках. Эти методы представляются химикам, работающим с плутонием, наиболее перспективными.
Металл
Теперь, наконец, о металле. Выделить соединения плутония из раствора — задача несложная. Известны десятки способов, позволяющих это сделать. Затем полученные соединения плутония превращают в химически чистый тетрафторид PuF 4 , который при 1200° С восстанавливают парами бария. Так получают чистый плутоний. Но это еще не конструкционный материал: тепловыделяющие элементы энергетических ядерных реакторов (или даже детали атомной бомбы) из него не сделать. Почему? Нужна как минимум, “болванка” — отливка. При изготовлении плутониевых изделий пользуются преимущественно методом литья. Температура плавления металлического плутония — 640° С — вполне достижима, но...
Перелив расплавленный плутоний из тигля в нужную форму, начинают его охлаждать до комнатной температуры, — в процессе затвердевания в отливке непременно появятся трещины. Может быть, охлаждение идет слишком быстро? Как ни меняли режимы, отливка неизменно разрушалась. Значит, загвоздка не в температурном режиме. Что же тогда происходит?
В жидком металле атомы движутся беспорядочно. С понижением температуры, когда металл начинает затвердевать, атомы уже колеблются около центров, расположенных в строго определенном порядке, например в вершинах кубов, тетраэдров и т. д., в зависимости от кристаллического строения того или иного металла.
В кристаллах атомы упакованы, как правило, плотнее, чем в жидкостях. Большинство веществ, исключая лед, типографский сплав гарт и немногие другие, затвердевая, уменьшаются в объеме — плотность их увеличивается.
Плутоний начинает затвердевать при температуре 640° С, при этом его атомы образуют кристаллическую решетку в виде кубов. По мере уменьшения температуры плотность металла постепенно растет. Но вот температура достигла 480° С, и тут неожиданно плотность плутония резко падает. До причин этой аномалии докопались довольно быстро: при этой температуре атомы плутония перестраиваются в кристаллической решетке. Она становится тетрагональной и очень “рыхлой”. Такой плутоний может плавать в собственном расплаве, как лед на воде.
Температура продолжает падать, вот она достигла 451° С, и атомы снова образовали кубическую решетку, но расположились на большем, чем в первом случае, расстоянии друг от друга. При дальнейшем охлаждение решетка становится сначала орторомбической, затем моноклинной. Всего плутоний образует шесть различных кристаллических форм. Две из них отличаются замечательным свойством — отрицательным коэффициентом температурного расширения: с ростом температуры металл не расширяется, а сжимается. Совершенно необычное поведение!
Когда температура достигает 122° С и атомы плутония в шестой раз перестраивают свои ряды, плотность меняется особенно сильно — от 17,77 до 19,82 г/см 3 . Большее чем на 10%! Соответственно уменьшается объем слитка. Если против напряжений, возникавших на других переходах, металл еще мог устоять, то в этот момент разрушение неизбежно.
Как же тогда изготовить деталь из этого удивительного металла? Металлурги легируют плутоний (добавляют в него незначительные количества нужных элементов) и получают отливки без единой трещины. Из них и делают плутониевые заряды ядерных бомб. Вес заряда (он определяется прежде всего критической массой изотопа) 5—6 килограммов. Он без труда поместился бы в кубике с размером ребра 10 сантиметров.
Тяжелые изотопы
В плутонии-239 в незначительном количестве содержатся и высшие изотопы этого элемента — с массовыми числами 240 и 241. Изотоп 240 Рu практически бесполезен — это балласт в плутонии. Из 241-го получают америций — элемент № 95. В чистом виде, без примеси других изотопов, плутоний-240 и плутоний-241 можно получить при электромагнитном разделении плутония, накопленного в реакторе. Перед этим плутоний дополнительно облучают нейтронными потоками со строго определенными характеристиками. Конечно, все это очень сложно, тем более что плутоний не только радиоактивен, но и весьма токсичен. Работа с ним требует исключительной осторожности.
Один из самых интересных изотопов плутония — 242 Рu можно подучить, облучая длительное время 239 Рu в потоках нейтронов. 242 Рu очень редко захватывает нейтроны и потому “выгорает” в реакторе медленнее остальных изотопов; он сохраняется и после того, как остальные изотопы плутония почти полностью перешли в осколки или превратились в плутоний-242.
Плутоний-242 важен как “сырье” для сравнительно быстрого накопления высших трансурановых элементов в ядерных реакторах. Если в обычном реакторе облучать плутонии-239, то на накопление из граммов плутония микрограммовых количеств, к примеру, калифорния-251 потребуется около 20 лет.
Можно сократить время накопления высших изотопов, увеличив интенсивность потока нейтронов в реакторе. Так и делают, но тогда нельзя облучать большое количество плутония-239. Ведь этот изотоп делится нейтронами, и в интенсивных потоках выделяется слишком много энергии. Возникают дополнительные сложности с охлаждением контейнера и реактора. Чтобы избежать этих сложностей, пришлось бы уменьшить количество облучаемого плутония. Следовательно, выход калифорния стал бы снова мизерным. Замкнутый круг!
Плутоний-242 тепловыми нейтронами не делится, его, и в больших количествах можно облучать в интенсивных нейтронных потоках... Поэтому в реакторах из этого изотопа “делают” и накапливают в весовых количествах все элементы от калифорния до эйнштейния.
Не самый тяжелый, но самый долгоживущий
Всякий раз, когда ученым удавалось получить новый изотоп плутония, измеряли период полураспада его ядер. Периоды полураспада изотопов тяжелых радиоактивных ядер с четными массовыми числами меняются закономерно. (Этого нельзя сказать о нечетных изотопах.)
Посмотрите на график, в котором отражена зависимость периода полураспада четных изотопов плутония от массового числа. С увеличением массы растет и “время жизни” изотопа. Несколько лет назад высшей точкой этого графика был плутоний-242. А дальше как пойдет эта кривая — с дальнейшим ростом массового числа? В точку 1, которая соответствует времени жизни 30 миллионов лет, или в точку 2, которая отвечает уже 300 миллионам лет? Ответ на этот вопрос был очень важен для наук о Земле. В первом случае, если бы пять миллиардов лет назад Земля целиком состояла из 244 Рu, сейчас во всей массе, Земли остался бы только один атом плутония-244. Если же верно второе предположение, то плутоний-244 может быть в Земле в таких концентрациях, которые уже можно было бы обнаружить. Если бы посчастливилось найти в Земле этот изотоп, наука получила бы ценнейшую информацию о процессах” происходивших при формировании нашей планеты.
Несколько лет назад перед учеными встал вопрос: стоит ли пытаться найти тяжелый плутоний в Земле? Для ответа на него нужно было прежде всего определить период полураспада плутония-244. Теоретики не могли рассчитать эту величину с нужной точностью. Вся надежда была только на эксперимент.
Плутоний-244 накопили в ядерном реакторе. Облучали элемент № 95 — америций (изотоп 243 Аm). Захватив нейтрон, этот изотоп переходил в америций-244; америций в одном из десяти тысяч случаев переходил в плутоний-244.
Из смеси америция с кюрием выделили препарат плутония-244. Образец весил всего несколько миллионных-долей грамма. Но их хватило для того, чтобы определить период полураспада этого интереснейшего изотопа. Он оказался равным 75 миллионам лет. Плутоний-244 немного “не дотянул”, чтобы сохраниться в Земле со времен синтеза элементов в концентрациях, которые еще можно обнаружить.
Много попыток предпринимали ученые, чтобы найти изотоп трансуранового элемента, живущий дольше, чем 244 Рu. Но все попытки остались тщетными. Одно время возлагали надежды на кюрий-247, но после того, как этот изотоп был накоплен в реакторе, выяснилось, что его период полураспада всего 14 миллионов лет. Побить рекорд плутония-244 не удалось, — это самый долгоживущий из всех изотопов трансурановых элементов.
Еще более тяжелые изотопы плутония подвержены бета-распаду, и их время жизни лежит в интервале от нескольких дней до нескольких десятых секунды. Мы знаем наверное, что в термоядерных взрывах образуются все изотопы плутония, вплоть до 257 Рu. Но их время жизни — десятые доли секунды, и изучить многие короткоживущие изотопы плутония пока не удалось.
Возможности первого изотопа
И напоследок — о плутонии-238 — самом первом из “Рукотворных” изотопов плутония, изотопе, который вначале казался бесперспективным. В действительности это очень интересный изотоп. Он подвержен альфа-распаду, т. е. его ядра самопроизвольно испускают альфа-частицы — ядра гелия. Альфа-частицы, порожденные ядрами плутония, несут большую энергию; рассеявшись в веществе, эта энергия превращается в тепло. Как велика эта энергия? Шесть миллионов электрон-вольт освобождается при распаде одного атомного ядра плутония-238. В химической реакции та же энергия выделяется при окислении нескольких миллионов атомов. В источнике электричества, содержащем один килограмм плутония-238, развивается тепловая мощность 560 ватт. Максимальная мощность такого же по весу химического источника тока — 5 ватт.
Существует немало излучателей с подобными энергетическими характеристиками, но одна особенность плутония-238 делает этот изотоп незаменимым. Обычно альфа-распад сопровождается сильным гамма-излучением, проникающим через большие толщи вещества. 238 Рu — исключение. Энергия гамма-квантов, сопровождающих распад его ядер, невелика, защититься от нее несложно: излучение поглощается тонкостенным контейнером. Мала и вероятность самопроизвольного деления ядер этого изотопа. Поэтому он нашел применение не только в источниках тока, но и в медицине. Батарейки с плутонием-238 служат источником энергии в специальных стимуляторах сердечной деятельности. Создан проект искусственного сердца с изотопным источником. На все эти нужды в ближайшие три-четыре года потребуется несколько тонн “легкого” плутония.
Но 238 Рu не самый легкий из известных изотопов элемента № 94, получены изотопы плутония с массовыми числами от 232 до 237. Период полураспада самого легкого изотопа — 36 минут.
Плутоний — большая тема. Хотелось рассказать главное из самого главного. Ведь уже стала стандартной фраза, что химия плутония изучена гораздо лучшее чем химия, таких “старых” элементов, как железо. О ядерных свойствах плутония написаны целые книги. Металлургия плутония — еще один удивительный раздел человеческих знаний... Поэтому не нужно думать, что, прочитав этот рассказ, вы по-настоящему узнали плутоний — важнейший металл XX века.
Химия
Плутоний Pu - элемент № 94 связаны очень большие надежды и очень большие опасения человечества. В наши дни это один из самых важных, стратегически важных, элементов. Это самый дорогой из технически важных металлов - он намного дороже серебра, золота и платины. Он поистине драгоценен.
Предыстория и история
Вначале были протоны - галактический водород . В результате его сжатия и последовавших затем ядерных реакций образовались самые невероятные «слитки» нуклонов. Среди них, этих «слитков», были, по-видимому, и содержащие по 94 протона. Оценки теоретиков позволяют считать, что около 100 нуклонных образований, в состав которых входят 94 протона и от 107 до 206 нейтронов, настолько стабильны, что их можно считать ядрами изотопов элемента № 94.
Но все эти изотопы - гипотетические и реальные - не настолько стабильны, чтобы сохраниться до наших дней с момента образования элементов солнечной системы. Период полураспада самого долгоживущего изотопа элемента №94 - 81 млн. лет. Возраст Галактики измеряется миллиардами лет. Следовательно, у «первородного» плутония не было шансов дожить до наших дней. Если он и образовывался при великом синтезе элементов Вселенной, то те давние его атомы давно «вымерли», подобно тому как вымерли динозавры и мамонты.
В XX в. новой эры, нашей эры, этот элемент был воссоздан. Из 100 возможных изотопов плутония синтезированы 25. У 15 из них изучены ядерные свойства. Четыре нашли практическое применение. А открыли его совсем недавно. В декабре 1940 г. при облучении урана ядрами тяжелого водорода группа американских радиохимиков во главе с Гленном Т. Сиборгом обнаружила неизвестный прежде излучатель альфа-частиц с периодом полураспада 90 лет. Этим излучателем оказался изотоп элемента № 94 с массовым числом 238. В том же году, но несколькими месяцами раньше Э.М. Макмиллан и Ф. Эйбельсон получили первый элемент, более тяжелый, чем уран, - элемент № 93. Этот элемент назвали нептунием , а 94-й - плутонием. Историк определенно скажет, что названия эти берут начало в римской мифологии, но в сущности происхождение этих названий скорее не мифологическое, а астрономическое.
Элементы № 92 и 93 названы в честь далеких планет солнечной системы - Урана и Нептуна, но и Нептун в солнечной системе - не последний, еще дальше пролегает орбита Плутона - планеты, о которой до сих пор почти ничего не известно... Подобное же построение наблюдаем и на «левом фланге» менделеевской таблицы: uranium - neptunium - plutonium, однако о плутонии человечество знает намного больше, чем о Плутоне. Кстати, Плутон астрономы открыли всего за десять лет до синтеза плутония - почти такой же отрезок времени разделял открытия Урана - планеты и урана - элемента.
Загадки для шифровальщиков
Первый изотоп элемента № 94 - плутоний-238 в наши дни нашел практическое применение. Но в начале 40-х годов об этом и не думали. Получать плутоний-238 в количествах, представляющих практический интерес, можно, только опираясь на мощную ядерную промышленность. В то время она лишь зарождалась. Но уже было ясно, что, освободив энергию, заключенную в ядрах тяжелых радиоактивных элементов, можно получить оружие невиданной прежде силы. Появился Манхэттенский проект, не имевший ничего, кроме названия, общего с известным районом Нью-Йорка. Это было общее название всех работ, связанных с созданием в США первых атомных бомб. Руководителем Манхэттенского проекта был назначен не ученый, а военный - генерал Гровс, «ласково» величавший своих высокообразованных подопечных «битыми горшками».
Руководителей «проекта» плутоний-238 не интересовал. Его ядра, как, впрочем, ядра всех изотопов плутония с четными массовыми числами, нейтронами низких энергий не делятся, поэтому он не мог служить ядерной взрывчаткой. Тем не менее первые не очень внятные сообщения об элементах № 93 и 94 попали в печать лишь весной 1942 г.
Чем это объяснить? Физики понимали: синтез изотопов плутония с нечетными массовыми числами - дело времени, и недалекого. От нечетных изотопов ждали, что, подобно урану-235, они смогут поддерживать цепную ядерную реакцию. В них, еще не полученных, кое-кому виделась потенциальная ядерная взрывчатка. И эти надежды плутоний
, к сожалению, оправдывал.
В шифровках того времени элемент № 94 именовался не иначе, как... медью . А когда возникла необходимость в самой меди (как конструкционном материале для каких-то деталей), то в шифровках наряду с «медью» появилась «подлинная медь».
«Древо познания добра и зла»
В 1941 г. был открыт важнейший изотоп плутония - изотоп с массовым числом 239. И почти сразу же подтвердилось предсказание теоретиков: ядра плутония-239 делились тепловыми нейтронами. Более того, в процессе их деления рождалось не меньшее число нейтронов, чем при делении урана-235. Тотчас же были намечены пути получения этого изотопа в больших количествах...
Прошли годы. Теперь уже ни для кого не секрет, что ядерные бомбы, хранящиеся в арсеналах, начинены плутонием-239 и что их, этих бомб, достаточно, чтобы нанести непоправимый ущерб всему живому на Земле.
Распространено мнение, что с открытием цепной ядерной реакции (неизбежным следствием которого стало создание ядерной бомбы) человечество явно поторопилось. Можно думать по-другому или делать вид, что думаешь по-другому, - приятнее быть оптимистом. Но и перед оптимистами неизбежно встает вопрос об ответственности ученых. Мы помним триумфальный июньский день 1954 г., день, когда дала ток первая атомная электростанция в Обнинске. Но мы не можем забыть и августовское утро 1945 г. - «утро Хиросимы», «черный день Альберта Эйнштейна»... Помним первые послевоенные годы и безудержный атомный шантаж - основу американской политики тех лет. А разве мало тревог пережило человечество в последующие годы? Причем эти тревоги многократно усиливались сознанием, что, если вспыхнет новая мировая война, ядерное оружие будет пущено в ход.
Здесь можно попробовать доказать, что открытие плутония не прибавило человечеству опасений, что, напротив, оно было только полезно.
Допустим, случилось так, что по какой-то причине или, как сказали бы в старину, по воле божьей, плутоний оказался недоступен ученым. Разве уменьшились бы тогда наши страхи и опасения? Ничуть не бывало. Ядерные бомбы делали бы из урана-235 (и в не меньшем количестве, чем из плутония), и эти бомбы «съедали» бы еще большие, чем сейчас, части бюджетов.
Зато без плутония не существовало бы перспективы мирного использования ядерной энергии и больших масштабах. Для «мирного атома» просто не хватило бы урана-235. Зло, нанесенное человечеству открытием ядерной энергии, не уравновешивалось бы, пусть даже частично, достижениями «доброго атома».
Как измерить, с чем сравнить
Когда ядро плутония-239 делится нейтронами на два осколка примерно равной массы, выделяется около 200 Мэв энергии. Это в 50 млн. раз больше энергии, освобождающейся в самой известной экзотермической реакции С + O 2 = СO 2 . «Сгорая» в ядерном реакторе, грамм плутония дает 2 107 ккал. Чтобы не нарушать традиции (а в популярных статьях энергию ядерного горючего принято измерять внесистемными единицами - тоннами угля, бензина, тринитротолуола и т. д.), заметим и мы: это энергия, заключенная в 4 т угля. А в обычный наперсток помещается количество плутония, энергетически эквивалентное сорока вагонам хороших березовых дров.
Такая же энергия выделяется и при делении нейтронами ядер урана-235. Но основную массу природного урана (99,3%!) составляет изотоп 238 U, который можно использовать, только превратив уран в плутоний...
Энергия камней
Оценим энергетические ресурсы, заключенные в природных запасах урана.
Уран - рассеянный элемент, и практически он есть всюду. Каждому, кто побывал, к примеру, в Карелии, наверняка запомнились гранитные валуны и прибрежные скалы. Но мало кто знает, что в тонне гранита до 25 г урана. Граниты составляют почти 20% веса земной коры. Если считать только уран-235, то в тонне гранита заключено 3,5-105 ккал энергии. Это очень много, но...
На переработку гранита и извлечение из него урана нужно затратить еще большее количество энергии - порядка 106-107 ккал/т. Вот если бы удалось в качестве источника энергии использовать не тол ко уран-235, а и уран-238, тогда гранит можно было бы рассматривать хотя бы как потенциальное энергетическое сырье. Тогда энергия, полученная из тонны камня, составила бы уже от 8-107 до 5-108 ккал. Это равноценно 16-100 т угля. И в этом случае гранит мог бы дать людям почти в миллион раз больше энергии, чем все запасы химического топлива на Земле.
Но ядра урана-238 нейтронами не делятся. Для атомной энергетики этот изотоп бесполезен. Точнее, был бы бесполезен, если бы его не удалось превратить в плутоний-239. И что особенно важно: на это ядерное превращение практически не нужно тратить энергию - напротив, в этом процессе энергия производится!
Попробуем разобраться, как это происходит, но вначале несколько слов о природном плутонии.
В 400 тысяч раз меньше, чем радия
Уже говорилось, что изотопы плутония не сохранились со времени синтеза элементов при образовании нашей планеты. Но это не означает, что плутония в Земле нет.
Он все время образуется в урановых рудах. Захватывая нейтроны космического излучения и нейтроны, образующиеся при самопроизвольном (спонтанном) делении ядер урана-238, некоторые - очень немногие - атомы этого изотопа превращаются в атомы урана-239. Эти ядра очень нестабильны, они испускают электроны и тем самым повышают свой заряд. Образуется нептуний - первый трансурановый элемент. Нептуний-239 тоже весьма неустойчив, и его ядра испускают электроны. Всего за 56 часов половина нептуния-239 превращается в плутоний-239, период полураспада которого уже достаточно велик - 24 тыс. лет.
Почему не добывают плутоний из урановых руд
? Мала, слишком мала концентрация. «В грамм добыча - в год труды» - это о радии , а плутония в рудах содержится в 400 тыс. раз меньше, чем радия. Поэтому не только добыть - даже обнаружить «земной» плутоний необыкновенно трудно. Сделать это удалось только после того, как были изучены физические и химические свойства плутония, полученного в атомных реакторах.
Накапливают плутоний в ядерных реакторах. В мощных потоках нейтронов происходит та же реакция, что и в урановых рудах, но скорость образования и накопления плутония в реакторе намного выше - в миллиард миллиардов раз. Для реакции превращения балластного урана-238 в энергетический плутоний-239 создаются оптимальные (в пределах допустимого) условия.
Если реактор работает на тепловых нейтронах (напомним, что их скорость - порядка 2000 м в секунду, а энергия - доли электронвольта), то из естественной смеси изотопов урана получают количество плутония, немногим меньшее, чем количество «выгоревшего» урана-235. Немногим, но меньшее, плюс неизбежные потери плутония при химическом выделении его из облученного урана. К тому же цепная ядерная реакция подцеживается в природной смеси изотопов урана только до тех пор, пока не израсходована незначительная доля урана-235. Отсюда закономерен вывод: «тепловой» реактор на естественном уране - основной тип ныне действующих реакторов - не может обеспечить расширенного воспроизводства ядерного горючего. Но что же тогда перспективно? Для ответа на этот вопрос сравним ход цепной ядерной реакции в уране-235 и плутонии-239 и введем в наши рассуждения еще одно физическое понятие.
Важнейшая характеристика любого ядерного горючего - среднее число нейтронов, испускаемых после того, как ядро захватило один нейтрон. Физики называют его эта-числом и обозначают греческой буквой ц. В «тепловых» реакторах на уране наблюдается такая закономерность: каждый нейтрон порождает в среднем 2,08 нейтрона (η=2,08). Помещенный в такой реактор плутоний под действием тепловых нейтронов дает η=2,03. Но есть еще реакторы, работающие на быстрых нейтронах. Естественную смесь изотопов урана в такой реактор загружать бесполезно: цепная реакция не пойдет. Но если обогатить «сырье» ураном-235, она сможет развиваться и в «быстром» реакторе. При этом ц будет равно уже 2,23. А плутоний, помещенный под обстрел быстрыми нейтронами, даст η равное 2,70. В наше распоряжение поступит «лишних полнейтрона». И это совсем не мало.
Проследим, на что тратятся полученные нейтроны. В любом реакторе один нейтрон нужен для поддержания цепной ядерной реакции. 0,1 нейтрона поглощается конструкционными материалами установки. «Избыток» идет на накопление плутония-239. В одном случае «избыток» равен 1,13, в другом - 1,60. После «сгорания» килограмма плутония в «быстром» реакторе выделяется колоссальная энергия и накапливается 1,6 кг плутония. А уран и в «быстром» реакторе даст туже энергию и 1,1 кг нового ядерного горючего. И в том и в другом случае налицо расширенное воспроизводство. Но нельзя забывать об экономике.
В силу ряда технических причин цикл воспроизводства плутония занимает несколько лет. Допустим, что пять лет. Значит, в год количество плутония увеличится только на 2%, если η=2,23, и на 12%, если η=2,7! Ядерное горючее - капитал, а всякий капитал должен давать, скажем, 5% годовых. В первом случае налицо большие убытки, а во втором - большая прибыль. Этот примитивный пример иллюстрирует «вес» каждой десятой числа в ядерной энергетике.
Важно и другое. Ядерная энергетика должна поспевать за ростом потребности в энергии. Расчеты показывают: его условие выполнимо в будущем только тогда, когда η приближается к трем. Если же развитие ядерных энергетических источников будет отставать от потребностей общества в энергии, то останется два пути: либо «затормозить прогресс», либо брать энергию из каких-то других источников. Они известны: термоядерный синтез, энергия аннигиляции вещества и антивещества, но пока еще технически недоступны. И не известно, когда они будут реальными источниками энергии для человечества. А энергия тяжелых ядер уже давно стала для нас реальностью, и сегодня у плутония как главного «поставщика» энергии атома нет серьезных конкурентов, кроме, может быть, урана-233.
Сумма многих технологий
Когда в результате ядерных реакций в уране накопится необходимое количество плутония, его необходимо отделить не только от самого урана, но и от осколков деления - как урана, так и плутония, выгоревших в цепной ядерной реакции. Кроме того, в урано-плутониевой массе есть и некоторое количество нептуния. Сложнее всего отделить плутоний от нептуния и редкоземельных элементов (лантаноидов). Плутонию как химическому элементу в какой-то мере не повезло. С точки зрения химика, главный элемент ядерной энергетики - всего лишь один из четырнадцати актиноидов. Подобно редкоземельным элементам, все элементы актиниевого ряда очень близки между собой по химическим свойствам, строение внешних электронных оболочек атомов всех элементов от актиния до 103-го одинаково. Еще неприятнее, что химические свойства актиноидов подобны свойствам редкоземельных элементов, а среди осколков деления урана и плутония лантаноидов хоть отбавляй. Но зато 94-й элемент может находиться в пяти валентных состояниях, и это «подслащивает пилюлю» - помогает отделить плутоний и от урана, и от осколков деления.
Валентность плутония меняется от трех до семи. Химически наиболее стабильны (а следовательно, наиболее распространены и наиболее изучены) соединения четырехвалентного плутония.
Разделение близких по химическим свойствам актиноидов - урана, нептуния и плутония - может быть основано на разнице в свойствах их четырех- и шестивалентных соединений.
Нет нужды подробно описывать все стадии химического разделения плутония и урана. Обычно разделение их начинают с растворения урановых брусков в азотной кислоте, после чего содержащиеся в растворе уран, нептуний, плутоний и осколочные элементы «разлучают», применяя для этого уже традиционные радиохимические методы - осаждение, экстракцию, ионный обмен и другие. Конечные плутонийсодержащие продукты этой многостадийной технологии - его двуокись PuO 2 или фториды - PuF 3 или PuF 4 . Их восстанавливают до металла парами бария , кальция или лития . Однако полученный в этих процессах плутоний не годится на роль конструкционного материала - тепловыделяющих элементов энергетических ядерных реакторов из него не сделать, заряда атомной бомбы не отлить. Почему? Температура плавления плутония - всего 640°С - вполне достижима.
При каких бы «ультращадящих» режимах ни отливали детали из чистого плутония, в отливках при затвердевании всегда появятся трещины. При 640°С твердеющий плутоний образует кубическую кристаллическую решетку. По мере уменьшения температуры плотность металла постепенно растет. Но вот температура достигла 480°С, и тут неожиданно плотность плутония резко падает. До причин этой аномалии докопались довольно быстро: при этой температуре атомы плутония перестраиваются в кристаллической решетке. Она становится тетрагональной и очень «рыхлой». Такой плутоний может плавать в собственном расплаве, как лед на воде.
Температура продолжает падать, вот она достигла 451°С, и атомы снова образовали кубическую решетку, но расположились на большем, чем в первом случае, расстоянии друг от друга. При дальнейшем охлаждении решетка становится сначала орторомбической, затем моноклинной. Всего плутоний образует шесть различных кристаллических форм! Две из них отличаются замечательным свойством - отрицательным коэффициентом температурного расширения: с ростом температуры металл не расширяется, а сжимается.
Когда температура достигает 122°С и атомы плутония в шестой раз перестраивают свои ряды, плотность меняется особенно сильно - от 17,77 до 19,82 г/см 3 . Больше, чем на 10%!
Соответственно уменьшается объем слитка. Если против напряжений, возникавших на других переходах, металл еще мог устоять, то в этот момент разрушение неизбежно.
Как же тогда изготовить детали из этого удивительного металла? Металлурги легируют плутоний (добавляют в него незначительные количества нужных элементов) и получают отливки без единой трещины. Из них и делают плутониевые заряды ядерных бомб. Вес заряда (он определяется прежде всего критической массой изотопа) 5-6 кг. Он без труда поместился бы в кубике с размером ребра 10 см.
Тяжелые изотопы плутония
В плутонии-239 в незначительном количестве содержатся и высшие изотопы этого элемента - с массовыми числами 240 и 241. Изотоп 240 Pu практически бесполезен - это балласт в плутонии. Из 241-го получают америций - элемент № 95. В чистом виде, без примеси других изотопов, плутоний-240 и плутоний-241 можно получить при электромагнитном разделении плутония, накопленного в реакторе. Перед этим плутоний дополнительно облучают нейтронными потоками со строго определенными характеристиками. Конечно, все это очень сложно, тем более что плутоний не только радиоактивен, но и весьма токсичен. Работа с ним требует исключительной осторожности.
Один из самых интересных изотопов плутония - 242 Pu можно получить, облучая длительное время 239 Pu в потоках нейтронов. 242 Pu очень редко захватывает нейтроны и потому «выгорает» в реакторе медленнее остальных изотопов; он сохраняется и после того, как остальные изотопы плутония почти полностью перешли в осколки или превратились в плутоний-242.
Плутоний-242 важен как «сырье» для сравнительно быстрого накопления высших трансурановых элементов в ядерных реакторах. Если в обычном реакторе облучать плутоний-239, то на накопление из граммов плутония микрограммовых количеств, к примеру, калифорния-252 потребуется около 20 лет.
Можно сократить время накопления высших изотопов, увеличив интенсивность потока нейтронов в реакторе. Так и делают, но тогда нельзя облучать большое количество плутония-239. Ведь этот изотоп делится нейтронами, и в интенсивных потоках выделяется слишком много энергии. Возникают дополнительные сложности с охлаждением реактора. Чтобы избежать этих сложностей, пришлось бы уменьшить количество облучаемого плутония. Следовательно, выход калифорния стал бы снова мизерным. Замкнутый круг!
Плутоний-242 тепловыми нейтронами не делится, его и в больших количествах можно облучать в интенсивных нейтронных потоках... Поэтому в реакторах из этого изотопа «делают» и накапливают в весовых количествах все элементы от америция до фермия .
Всякий раз, когда ученым удавалось получить новый изотоп плутония, измеряли период полураспада его ядер. Периоды полураспада изотопов тяжелых радиоактивных ядер с четными массовыми числами меняются закономерно. (Этого нельзя сказать о нечетных изотопах.)
С увеличением массы растет и «время жизни» изотопа. Несколько лет назад высшей точкой этого графика был плутоний-242. А дальше как пойдет эта кривая - с дальнейшим ростом массового числа? В точку 1, которая соответствует времени жизни 30 млн. лет, или в точку 2, которая отвечает уже 300 млн. лет? Ответ на этот вопрос был очень важен для наук о Земле. В первом случае, если бы 5 млрд, лет назад Земля целиком состояла из 244 Pu, сейчас во всей массе Земли остался бы только один атом плутония-244. Если же верно второе предположение, то плутоний-244 может быть в Земле в таких концентрациях, которые уже можно было бы обнаружить. Если бы посчастливилось найти в Земле этот изотоп, наука получила бы ценнейшую информацию о процессах, происходивших при формировании нашей планеты.
Периоды полураспада некоторых изотопов плутония
Несколько лет назад перед учеными встал вопрос: стоит ли пытаться найти тяжелый плутоний в Земле? Для ответа на него нужно было прежде всего определить период полураспада плутония-244. Теоретики не могли рассчитать эту величину с нужной точностью. Вся надежда была только на эксперимент.
Плутоний-244 накопили в ядерном реакторе. Облучали элемент № 95 - америций (изотоп 243 Am). Захватив нейтрон, этот изотоп переходил в америций-244; америций- 244 в одном из 10 тыс. случаев переходил в плутоний-244.
Из смеси америция с кюрием выделили препарат плутония-244. Образец весил всего несколько миллионных долей грамма. Но их хватило для того чтобы определить период полураспада этого интереснейшего изотопа. Он оказался равным 75 млн. лет. Позже другие исследователи уточнили период полураспада плутония-244, но ненамного - 81 млн. лет. В 1971 г. следы этого изотопа нашли в редкоземельном минерале бастнезите .
Много попыток предпринимали ученые, чтобы найти изотоп трансуранового элемента, живущий дольше, чем 244 Pu. Но все попытки остались тщетными. Одно время возлагали надежды на кюрий-247, но после того, как этот изотоп был накоплен в реакторе, выяснилось, что его период полураспада всего 16 млн. лет. Побить рекорд плутония-244 не удалось, - это самый долгоживущий из всех изотопов трансурановых элементов.
Еще более тяжелые изотопы плутония подвержены бета-распаду, и их время жизни лежит в интервале от нескольких дней до нескольких десятых секунды. Мы знаем наверное, что в термоядерных взрывах образуются все изотопы плутония, вплоть до 257 Pu. Но их время жизни - десятые доли секунды, и изучить многие короткоживущие изотопы плутония пока не удалось.
Возможности первого изотопа плутония
И напоследок - о плутонии-238 - самом первом из «рукотворных» изотопов плутония, изотопе, который вначале казался бесперспективным. В действительности это очень интересный изотоп. Он подвержен альфа-распаду, т. е. его ядра самопроизвольно испускают альфа-частицы - ядра гелия. Альфа-частицы, порожденные ядрами плутония-238, несут большую энергию; рассеявшись в веществе, эта энергия превращается в тепло. Как велика эта энергия? Шесть миллионов электронвольт освобождается при распаде одного атомного ядра плутония-238. В химической реакции та же энергия выделяется при окислении нескольких миллионов атомов. В источнике электричества, содержащем один килограмм плутония-238, развивается тепловая мощность 560 ватт. Максимальная мощность такого же по массе химического источника тока - 5 ватт.
Существует немало излучателей с подобными энергетическими характеристиками, но одна особенность плутония-238 делает этот изотоп незаменимым. Обычно альфа- распад сопровождается сильным гамма-излучением, проникающим через большие толщи вещества. 238 Pu - исключение. Энергия гамма-квантов, сопровождающих распад его ядер, невелика, защититься от нее несложно: излучение поглощается тонкостенным контейнером. Мала и вероятность самопроизвольного деления ядер этого изотопа. Поэтому он нашел применение не только в источниках тока, но и в медицине. Батарейки с плутонием-238 служат источником энергии в специальных стимуляторах сердечной деятельности.
Но 238 Pu не самый легкий из известных изотопов элемента № 94, получены изотопы плутония с массовыми числами от 232 до 237. Период полураспада самого легкого изотопа - 36 минут.
Плутоний - большая тема. Здесь рассказано главное из самого главного. Ведь уже стала стандартной фраза, что химия плутония изучена гораздо лучше, чем химия таких «старых» элементов, как железо . О ядерных свойствах плутония написаны целые книги. Металлургия плутония - еще один удивительный раздел человеческих знаний... Поэтому не нужно думать, что, прочитав этот рассказ, вы по-настоящему узнали плутоний - важнейший металл XX в.
- КАК ВОЗЯТ ПЛУТОНИЙ. Радиоактивный и токсичный плутоний требует особой осторожности при перевозке. Сконструирован контейнер специально для его транспортировки - контейнер, который не разрушается даже при авиационных катастрофах. Сделан он довольно просто: это толстостенный сосуд из нержавеющей стали, окруженный оболочкой из красного дерева. Очевидно, плутоний того стоит, но прпредставьте, какой толщины должны быть стенки, если известно, что контейнер для перевозки всего двух килограммов плутония весит 225 кг!
- ЯД И ПРОТИВОЯДИЕ. 20 октября 1977 г. агентство «Франс Пресс» сообщило: найдено химическое соединение, способное выводить из организма человека плутоний. Через несколько лет об этом соединении стало известно довольно многое. Это комплексное соединение - линейный катехинамид карбоксилазы, вещество класса хелатов (от греческого - «хела» - клешня). В эту химическую клешню и захватывается атом плутония, свободный или связанный. У лабораторных мышей с помощью этого вещества из организма выводили до 70% поглощенного плутония. Полагают, что в дальнейшем это соединение поможет извлекать плутоний и из отходов производства, и из ядерного горючего.
Плутоний был открыт в конце 1940 г. в Калифорнийском университете. Его синтезировали Мак-Миллан, Кеннеди и Валь, бомбардируя окись урана (U 3 O 8) сильно ускоренными в циклотроне ядрами дейтерия (дейтронами). Позднее было установлено, что при этой ядерной реакции сначала получается короткоживущий изотоп нептуний-238, а из него уже плутоний-238 с периодом полураспада около 50 лет. Годом позже Кеннеди, Сиборг, Сегрэ и Валь синтезировали более важный изотоп - плутоний-239 посредством облучения урана сильно ускоренными в циклотроне нейтронами. Плутоний-239 образуется при распаде нептуния-239; он испускает alfa-лучи и имеет период полураспада 24 000 лет. Чистое соединение плутония впервые получено в 1942 r. Затем стало известно, что существует природный плутоний, обнаруженный в урановых рудах, в частности в рудах, залегах в Конго.
Название элемента было предложено в 1948 г.: Мак-Миллан назвал первый трансурановый элемент нептунием в связи с тем, что планета Нептун - первая за Ураном. По аналогии элемент 94 решили назвать плутонием, так как планета Плутон является второй за Ураном. Плутон, открытый в 1930 г., получил свое название от имени бога Плутона - властителя подземного царства по греческой мифологии. В начале XIX в. Кларк предлагал наименовать плутонием элемент барий, производя это название непосредственно от имени бога Плутона, но его предложение не было принято.
Описание плутония
Плутоний (Plutonium) представляет собой тяжелый химический элемент серебристого цвета, радиоактивный металл с атомным числом 94, который в периодической обозначается символом Pu.
Данный электроотрицательный активный химический элемент относится к группе актиноидов с атомной массой 244,0642, и, как и нептуний, который получил свое название в честь одноименной планеты, своим названием этот химический обязан планете Плутон, поскольку предшественниками радиоактивного элемента в периодической таблице химических элементов Менделеева является и нептуний, которые также были названы в честь далеких космических планет нашей Галактики.
Происхождение плутония
Элемент плутоний впервые был открыт в 1940 году в Калифорнийском Университете группой ученых-радиологов и научных исследователей Г. Сиборгом, Э. Макмилланом, Кеннеди, А. Уолхом при бомбардировании урановой мишени из циклотрона дейтронами — ядрами тяжелого водорода.
В декабре того же года учеными был открыт изотоп плутония – Pu-238, период полураспада которого составляет более 90 лет, при этом было установлено, что под воздействием сложнейших ядерных химических реакций изначально получается изотоп нептуний-238, после чего уже происходит образование изотопа плутония-238 .
В начале 1941 года ученые открыли плутоний 239 с периодом распада в 25 000 лет. Изотопы плутония могут иметь различное содержание нейтронов в ядре.
Чистое соединение элемента смогли получить только в конце 1942. Каждый раз, когда ученые-радиологи открывали новый изотоп, они всегда измеряли время периодов полураспада изотопов.
В настоящий момент изотопы плутония, которых всего насчитывается 15, отличаются по времени продолжительности периода полураспада . Именно с этим элементом связаны большие надежды, перспективы, но и в тот же момент, серьезные опасения человечества.
Плутоний имеет значительно большую активность, чем, к примеру, уран и принадлежит к самым дорогостоящим технически важным и значимым веществам химической природы.
К примеру, стоимость грамма плутония в несколько раз больше одного грама , , или других не менее ценных металлов.
Производство, добыча плутония считается затратной, а стоимость одного грамма металла в наше время уверенно держится на отметке в 4000 американских долларов.
Как получают плутоний? Производство плутония
Производство химического элемента происходит в атомных реакторах, внутри которых уран расщепляется под воздействием сложных химическо-технологических взаимосвязанных процессов.
Уран и плутоний являются главными, основными компонентами при производстве атомного (ядерного) горючего.
При необходимости получения большого количества радиоактивного элемента применяют метод облучения трансурановых элементов, которые можно получить из отработанного атомного топлива и облучения урана. Протекание сложных химических реакций позволяет отделить металл от урана.
Чтобы получить изотопы, а именно плутоний-238 и оружейный плутоний-239, которые представляют собой промежуточные продукты распада, используют облучение нептуния-237 нейтронами.
Ничтожно малую часть плутония-244, который является самым «долгоживущим» вариантом изотопа, по причине его длительного периода полураспада, обнаружили при исследованиях в цериевой руде, которая, скорее всего, сохранилась с момента формирования нашей Планеты Земля. В естественном виде в природе данный радиоактивный элемент не встречается.
Основные физические свойства и характеристики плутония
Плутоний — довольно тяжелый радиоактивный химический элемент серебристого цвета, который блестит только в очищенном виде. Атомная масса металла плутоний равна 244 а. е. м.
По причине своей высокой радиоактивности данный элемент теплый на ощупь, может разогреться до температуры, которая превышает температурный показатель при кипении воды.
Плутоний, под воздействием атомов кислорода быстро темнеет и покрывается радужной тонкой пленочкой изначально светло-желтого, а затем насыщенного — или бурого оттенка.
При сильном окислении происходит образование на поверхности элемента — порошка PuO2. Данный вид химического металла подвержен сильным процессам окисления и воздействия коррозии даже при незначительном уровне влажности.
Чтобы предотвратить коррозирование и оксидировании поверхности металла, необходима сушильная . Фото плутония можно посмотреть ниже.
Плутоний относится к четырехвалентным химическим металлам, хорошо и быстро растворяется в йодистоводородных веществах, кислых средах, к примеру, в , хлорной, .
Соли металла быстро нейтрализуются в средах с нейтральной реакцией, щелочных растворах, при этом образовывая нерастворимый гидрооксид плутония.
Температура, при которой происходит плавление плутония равна 641 градусам Цельсия, температура кипения – 3230 градусов.
Под воздействием высоких температурных режимов происходят неестественные изменения плотности металла. В виде плутоний обладает различными фазами, имеет шесть кристаллических структур.
При переходе между фазами происходят значительные изменения объемах элемента. Наиболее плотную форму элемент приобретает в шестой альфа-фазе (последняя стадия перехода), при этом тяжелее металла в этом состоянии бывает только , , нептуний, радий.
При расплавлении происходит сильное сжатие элемента, поэтому металл может держаться на поверхности воды и других неагрессивных жидких сред.
Несмотря на то, что данный радиоактивный элемент принадлежит к группе химических металлов, элемент довольно летуч, и при нахождении в закрытом пространстве за непродолжительный период времени увеличивается и возрастает в несколько раз его концентрация в воздухе.
К основным физическим свойствам металла можно отнести: невысокую степень, уровень теплопроводности из всех существующих и известных химических элементов, низкий уровень электропроводности, в жидком состоянии плутоний относится к одним из наиболее вязких металлов.
Стоит отметить, что любые соединения плутония относятся к токсичным, ядовитым и представляют серьезную опасность облучения для человеческого организма, которое происходит по причине активного альфа-излучения, поэтому все работы нужно выполнять предельно внимательно и только в специальных костюмах с химической защитой.
Больше о свойствах, теориях происхождения уникального металла можно прочитать в книге Обручева «Плутония ». Автор В.А. Обручев приглашает читателей окунуться в удивительный и уникальный мир фантастической страны Плутония, которая расположена в глубине недр Земли.
Применение плутония
Промышленный химический элемент принято классифицировать на оружейный и реакторный («энергетический») плутоний.
Так, для производства ядерного вооружения из всех существующих изотопов допустимо применять только плутоний 239, в котором не должно быть более 4.5% плутония 240, так как он подвержен самопроизвольному делению, что значительно затрудняет изготовление боевых снарядов.
Плутоний-238 находит применение для функционирования малогабаритных радиоизотопных источников электрической энергии, к примеру, в качестве источника энергии для космической техники.
Несколько десятилетий тому назад плутоний применяли в медицине в кардиостимуляторах (приборы для поддержания сердечного ритма).
Первая атомная бомба, созданная в мире, имела плутониевый заряд. Ядерный плутоний (Pu 239) востребован как ядерное топливо для обеспечения функционирования энергетических реакторов. Также этот изотоп служит источником для получения в реакторах трансплутониевых элементов.
Если провести сравнение ядерного плутония с чистым металлом, изотоп обладает более высокими металлическими параметрами, не имеет фаз перехода, поэтому его широко используют в процессе получения элементов топлива.
Оксиды изотопа Плутония 242 также востребованы как источник питания для космических летальных агрегатов, техники, в ТВЭЛах.
Оружейный плутоний – это элемент, который представлен в виде компактного металла, в котором содержится не меньше 93% изотопа Pu239.
Данный вид радиоактивного металла применяют про производстве различных видов ядерного оружения.
Получают оружейный плутоний в специализированных промышленных атомных реакторах, которые функционируют на природном или на низкообогащенном уране, в результате захвата им нейтронов.