Этот металл называют драгоценным, однако не за красоту, а за незаменимость. В периодической системе Менделеева этот элемент занимает ячейку под номером 94. Именно с ним ученые связывают свои самые большие надежды, и именно плутоний они называют самым опасным металлом для человечества.
Плутоний: описание
По внешнему виду это серебристо-белый металл. Он является радиоактивным и может быть представлен в виде 15 изотопов, имеющих различные периоды полураспада, к примеру:
- Pu-238 – около 90 лет
- Pu-239 – около 24 тысяч лет
- Pu-240 – 6580 лет
- Pu-241 – 14 лет
- Pu-242 – 370 тысяч лет
- Pu-244 – около 80 миллионов лет
Этот металл нельзя добыть из руды, поскольку он является продуктом радиоактивного превращения урана.
Как получают плутоний?
Производство плутония требует расщепления урана, что можно осуществить только в атомных реакторах. Если же говорить о присутствии элемента Pu в земной коре, то на 4 миллиона тонн урановой руды будет приходиться всего 1 грамм чистого плутония. И этот грамм образуется путем естественного захвата нейтронов ядрами урана. Таким образом, чтобы получить это ядерное горючее (обычно – изотоп 239-Pu) в количестве нескольких килограмм необходимо проведение сложного технологического процесса в атомном реакторе.
Свойства плутония
Радиоактивный металл плутоний обладает следующими физическими свойствами:
- плотность 19,8 г/см 3
- температура плавления – 641°C
- температура кипения – 3232°C
- теплопроводность (при 300 K) – 6,74 Вт/(м·К)
Плутоний радиоактивен, поэтому теплый на ощупь. При этом для этого металла характерна самая низкая теплопроводность и электропроводность. Жидкий плутоний является самым вязким из всех существующих металлов.
Малейшее изменение температуры плутония приводит к моментальному изменению плотности вещества. В целом же, масса плутония постоянно меняется, поскольку ядра этого металла находятся в состоянии постоянного деления на более мелкие ядра и нейтроны. Критическая масса плутония – так называют минимальную массу делимого вещества, при которой протекание деления (цепной ядерной реакции) остается возможным. К примеру, критическая масса оружейного плутония – 11 кг (для сравнения, критическая масса высокообогащенного урана – 52 кг).
Уран и плутоний – основное ядерное горючее. Чтобы получить плутоний в больших количествах применяется две технологии:
- облучение урана
- облучение трансурановых элементов, полученных из отработанного топлива
Оба способа представляют собой отделение плутония и урана в результате протекания химической реакции.
Родители мальчишек должны быть готовы к различным чрезвычайным ситуациям со своими чадами, не помешает даже знать, что делать, если ваш сын нашел плутоний.
Как выглядит плутоний
Для начала нужно представить, как будет выглядеть то, что предстоит найти вашему сыну. Это очень-очень тяжелый металл серебристого цвета в виде порошка, который ослепительно блестит, если его почистить. Но благодаря своим электроотрицательным свойствам, блестящим он остается недолго: сначала тускнеет, затем покрывается светло-желтой пленкой, которая постепенно превращается в темно-пурпурную.
Подумать, что еще может выглядеть примерно так же, как серебристо-белый порошок, потому что нельзя найти плутоний возле качелей или горки. И даже если лазить по стройке, то мальчишка скорее станет хозяином куска проволоки или гвоздя, чем горсти плутония.
Если все же ребенок принес домой то, что по вашим представлениям и является описанным тяжелым металлом, нужно срочно звонить в полицию или местный отдел МЧС, ведь вещество это радиоактивное, опасное, которое необходимо быстрее изъять и спрятать подальше.
Реагировать на “находку” нужно мгновенно. Это не та жизненная ситуация, в которой можно позвонить подруге и узнать, . Ведь огурцы, даже прокисшие, опасны как максимум острой диареей. А если хватит ума не есть их после того, как сорвало крышку, то и вообще здоровью они не помеха.
Влияние плутония на организм человека
Плутоний (Pu) не так безобиден, как прокисшие огурцы. Он является тяжелым металлом, следовательно, должен быть химически токсичным веществом. Однако это его свойство описано мало, поскольку основная опасность кроется в радиотоксичности. Токсичность его обусловлена альфа-радиоактивностью.
Альфа-частица опасна для организма, только в случае, когда ее источник находится в теле человека. Проще говоря, чтобы проявилось радиоактивное действие, металл этот нужно проглотить. Снаружи Pu действует на человека нейтронами и гамма-лучами, но сильного вреда не причиняет из-за их малого уровня.
Альфа-частицы в человеческом теле повреждают только те ткани, с которыми непосредственно контактируют. При высоком уровне облучения развивается острое отравление и сразу проявляется токсический эффект. Низкий уровень облучения повреждает организм постепенно, формируя предрасположенность к раковым заболеваниям.
В пищеварительном тракте Pu всасывается плохо. Даже если принять металл в виде растворимой соли, то она не стремится всасываться, а перемешивается с кишечным содержимым. Из загрязненной воды много плутония в организм не попадет, он осаждается из водных растворов, образуя нерастворимые соединения.
Чтобы умереть от острого облучения за несколько дней или неделю, нужно съесть 500 мг Pu. При этом он должен быть в хорошо измельченном виде. Смерть от отека легких в срок до 10 дней грозит индивидуумам, вдохнувшим 100 мг плутония в легкие. Меньшие дозы Pu в организме создают благодатную почву для появления и прогрессирования раковых болезней.
А нужен ли людям
Изотоп 239Pu применяют в виде ядерного топлива для энергетических реакторов, которые работают на быстрых и тепловых нейтронах. Незаменим изотоп 239Pu и при производстве ядерного оружия.
Атомные электростанции, разбросанные по земному шару, производят около 15% всей производимой в мире электроэнергии.
Атомные электрические батарейки, содержащие Pu-236, имеют срок службы до 5 лет. Медики используют такие батарейки в кардиостимуляторах, которые вшиваются в грудную клетку больных и заставляют сердце сокращаться.
Pu-238 – незаменимый источник питания для космических аппаратов, которые люди используют для изучения космоса.
Увлекательные факты
Любознательным мальчишкам можно рассказать запоминающиеся факты про плутоний, который им вряд ли посчастливится найти в реальной жизни.
Сильно накапливают этот элемент морские организмы, накапливающая способность уменьшается в ряду смешанный планктон – водоросли – желудок рыб – морские звезды – кости рыб.
Pu-244 – это долгожитель среди изотопов трансурановых элементов. Его период полураспада составляет 82,8 миллиона лет!
Если добавить плутоний в сплав, получается отливка без единой трещинки. Это свойство активно используют металлурги.
Заряды ядерных бомб делают из плутония. Металл настолько тяжелый, что маленький шарик из плутония, который можно спрятать в кубике 10*10 см, весит 5-6 килограмм.
Каждому родителю хочется пожелать, чтобы их сын плутоний не находил и домой не приносил, а мирно играл с более безобидными игрушками.
Видео: Плутоний-239 из РИД-1
В отличие от США,Германия имела все предпосылки для создания атомной бомбы
Немецкие учёные значительной частью конечно же отрицали свою причастность к созданию атомной бомбы в Германии—но могли ли они сказать правду?...вряд ли
НАЧАЛО
На возможность создания атомной бомбы руководство рейха обратило свое внимание в 1938 году, после известных открытий Гана и Гейзенберга. Именно тогда группа выдающихся ученых направляет Генриху Гиммлеру письмо, в котором говорится:
«Рейхсфюрер! Недавние открытие в области деления уранового ядра позволяют с уверенностью утверждать, что вскоре оно послужит для создания оружия невиданной прежде мощи. Это оружие, если оно окажется в руках Германии, позволит сокрушить всех наших врагов; но если наши противники опередят нас, Третий рейх ждут неисчислимые бедствия.
Поэтому мы считаем исключительно важным дать этому оружию высший приоритет и направить все возможные средства на атомные исследования.»
РУКОВОДСТВО ПРОЕКТА
Общий контроль над всеми научно-исследовательскими, политическими, и материальными направлениями развития германского атомного проекта осуществлял главнокомандующий сухопутных войск рейха.
С самого начала работ по атомной энергии это был генерал-фельдмаршал Браухич, а с 19 декабря 1941 года — Адольф Гитлер.
Прямыми заказчиками и руководителями Уранового проекта были Имперское министерство вооружения и боеприпасов и Верховное командование армии. Проявляемый этими ведомствами пристальный интерес к ядерным исследованиям напрямую стимулировал финансирование и контроль над работами по овладению атомной энергией.
ОРГАНИЗАТОРЫ
Специальный отдел физики имперского исследовательского совета: руководитель государственный советник, профессор, доктор Абрахам Эзау.Управление армейского вооружения: генерал Лееб.
КАДРОВЫЙ СОСТАВ
В 1939-1941 годах нацистская Германия располагала соответствующими условиями для создания атомного оружия: она имела необходимые производственные мощности в химической, электротехнической, машиностроительной промышленности и цветной металлургии, а также достаточные финансовые средства и материалы общего назначения. Научный потенциал также был очень высок, и имелись необходимые знания в области физики атомного ядра.
Такие всемирно известные учёные, как О. Ган, В. Гейзенберг, В. Герлах, К. Дибнер, К. Ф. фон Вайцзеккер, П. Дебай, Г. Гейгер, В. Боте, Г. Гофман, Г. Йос, Р. Дёпель, В. Ханле и В. Гентнер, Э. Шуман и многие другие, обеспечивали значительные успехи атомного проекта.
УРАН
Германия обладала единственными в Европе урановыми приисками в Судетах.
Итак, с сырьем полный порядок. С его обогащением тоже не было проблем, имелось, как минимум, три технологии выделения изотопа уран-235 из массы сырья, причем по эффективности они значительно превосходили американские.
Вдобавок немцы захватили уран из бельгийского Конго—но этот уран был лишним…из-за избытка своего у немцев
США едва ли к середине 1944 года могли приобрести хотя бы 50 кг урана….
Одну из них разработал ученый-ядерщик барон Манфред фон Арденне.
После окончания войны он добровольно пошел на сотрудничество с Советским Союзом, уехал в нашу страну и впоследствии получил две Сталинские премии, которые давали лишь за самые выдающиеся достижения и только гражданам СССР.
Фон Арденне стал одним из немногих иностранных ученых, кто ее получил.
ЗАВОД АУШВИЦ
Завод по обогащению урана — огромное производство, которое пожирает массу электроэнергии и воды, там требуется много рабочих рук. Скрыть такую махину невозможно, особенно в Германии, которую самолеты-разведчики союзников регулярно «прочесывали».
Но вот в Аушвице (немецкое название польского города Освенцим) начинается строительство огромного завода по производству синтетического каучука.
Строит концерн I.G. Farbenindustrie AG, на собственные деньги. Дармовой рабочей силы навалом, рядом протекают три реки, имеются хорошие подъездные пути.
К тому же Освенцим и предприятия вокруг него не бомбят, но вовсе не из соображений гуманизма — их инвесторами были американские капиталисты.
Завод построен, но ни одного килограмма каучука он так и не выдал, хотя постоянно расходовал прямо-таки чудовищное количество электричества. В I.G. Farben плакались: мы разорены, проект убыточный, требовали от властей компенсировать финансовые потери.
В общем, ломали комедию.
А в 1944 году, незадолго до того, как Освенцим освободила Красная армия, завод эвакуировали в неизвестном направлении.
Более чем странное предприятие, скорее всего, и было тем местом, где немцы обогащали уран, да и до приисков от него было рукой подать.
Статистика производства металлического урана в Германии (фирма «Дегусса», Франкфурт) в период войны:
1940 г. — 280,6 кг (в лаборатории)
1941 г. — 2459,8 кг (на заводе)
1942 г. — 5601,7 кг (на заводе)
1943 г. — 3762,1 кг (на заводе)
1944 г. — 710,8 кг (на заводе)
В 1944 году компания начала производство металлического урана в Берлин-Грюнау
декабрь 1944 г. — 224 кг
январь 1945 г. — 376 кг
февраль 1945 г. — 286 кг
РАЗРАБОТКА
До 1942 года нигде в мире не было лучшей технологии обогащения урана, чем в рейхе.
Около 70 немецких учёных, занятых ядерными исследованиями, начали работы по разделению изотопов урана методом центрифугирования.
Несколько групп исследователей выполнили предварительные опыты с урановым "котлом". Это показало, что запуск реактора - лишь вопрос времени и ресурсов.
Немецкие учёные работали в режиме секретности под руководством рейхсминистра почты Вильгельма Онезорге. Он был ярым сторонникомисследований в области ядерной физики и курировал исследовательский центр в Мирсдорфе под Берлином - "Ведомство по особым физическим вопросам".
Онезорге заключил договор с учёным Манфредом фон Арденне, который слыл блестящим экспериментатором. К работе подключился руководимый им научный центр в берлинском районе Лихтерфельде.
Выделять изотопы урана и тем самым добывать "начинку" для атомной бомбы - это и был путь создания "чудо-оружия". Для этого нужен ядерный реактор.
Недалеко от Берлина существовали экспериментальные установки рейхсминистерства почты, на которых можно было получать уран-235.
Проблема заключалась в том, что за час работы установки можно было получить приблизительно 0,1 грамма урана, за десять рабочих часов в день, на трёх установках - 3 грамма. За год свыше 300 граммов. Этого было недостаточно для создания атомной бомбы.
Тогда немецкие атомщики пришли к идее ядерного взрыва малой мощности. Критическую массу можно было снизить путем сочетания расщепления ядра с ядерным синтезом.
При применении подобных хитростей можно было изготовить боеспособную бомбу, для которой потребовалось бы лишь несколько сот граммов высокообогащенного атомного вещества.
Уран-235 можно было обогатить и обратить в плутоний…
В августе 1941г.авторитетный атомщик Хоутерманс написал статью «К вопросу о начале цепной реакции деления ядер» где он первым из немецких ученых подробно описал цепную реакцию под действием быстрых нейтронов, а также рассчитал критическую массу U-235, то есть наименьшую массу, при которой может протекать самоподдерживающаяся цепная ядерная реакция (от 10 до 100кг. американцы пришли к тем же примерно цифрам лишь в ноябре 1941-го).
Но в первую очередь его интересовал плутоний, использование кото-ого делало ненужным разделение изотопов урана.
УРАН И ПЛУТОНИЙ
Как известно, использование атомной энергии человеком началось с урана -235, который был и остается важнейшим видом ядерного горючего. Можно было бы иметь гору природного урана, но не использовать нисколько заключенной в нем энергии, если бы в нем не содержался делящийся изотоп уран -235. Этот изотоп хорошо делится нейтронами любых энергий. Однако в природном металле его очень маловсего 0,7%.
Остальные 99,3% составляет изотоп уран -238, который делится только быстрыми нейтронами. Зато уран -238 отлично поглощает промежуточные нейтроны с энергией от 1 до 10 эв.
И тут начинаются чудеса.
Если с помощью замедлителя графита, тяжелой или обычной воды и других веществ замедлить до этой энергии выбрасываемые при делении ядер изотопа урана -235 быстрые нейтроны, то, захватив такой медленный нейтрон, ядро атома урана -238 приходит в сильно возбужденное состояние и, распадаясь, превращается в конечном итоге в плутоний, период полураспада которого равен уже 24,40 года.
Самое замечательное то, что он становится как бы двойником урана -235 также делится и быстрыми и медленными нейтронами.
А это позволяет в ходе выгорания урана -235 одновременно превратить малую толику практически неделящегося урана -238 в делящийся плутоний -239.
Параллельной программой исследований руководил военный инженер Курт Дибнер под наблюдением выдающегося немецкого физика Вальтера Герлаха, руководителя германского "Уранового клуба" .
Главным теоретиком Uranverein являлся Вернер Гейзенберг.
К 1944 году в работах по созданию атомной бомбы участвовали также Управление по вооружению (Heereswaffe-namt) и СС.
ГЕЙНЗБЕРГ
В начале апреля 1941г. состоялось очередное совещание ведущих ядерщиков Германии.На совещании докладывал Гейзенберг как научный руководитель Уранового проекта.
Гейзенберг доходчиво изложил содержание понятия «ядерные превращения», остановился на перспективах, подчеркнув, что «исследования за предыдущие три года не дали возможности высвободить для технических целей то большое количество энергии, которое сосредоточено в атомном ядре».
Были предложены варианты применения атомной энергии и обсуждена перспектива получения взрывчатого вещества.
О путях извлечения урана-235 он сказал, что «еще не достигнут окончательный прогресс»; о плутониевом варианте — следующие слова:
«Я хотел бы в этом месте упомянуть, что по положительным результатам, полученным в последнее время, кажется, не исключается, что сооружение уранового реактора и способ, указанный Вайцзеккером, однажды могут привести к получению взрывчатого вещества, которое превзойдет по своему действию все известные до сих пор в миллион раз».
Доклад произвел сильное впечатление.
Фельдмаршал Мильх сказал:
«Скажите, профессор, каков будет примерный размер бомбы, способной уничтожить миллионный город?
Дело в том, что в. отместку за бомбардировку Кёльна неплохо было бы стереть с лица земли Лондон. Одно меня тревожит: сможет ли наш бомбардировщик поднять громадную бомбу?»
Гейнзберг:
«Она будет не больше ананаса»
Эти слова вызывают восторженный и тревожный ропот в зале.
Мильх спрашивает снова:
«А наши враги тоже работают над этим оружием?»
Гейзенберг:
«... Необходимо, если воина с Америкой продлится еще много лет, считаться с тем, что техническая реализация энергии атомного ядра однажды может сыграть решающую военную роль.»
Мильх сказал:
«Ну, до этого мы разобьем их всех наголову. Теперь скажите, профессор, когда Германия получит обещанное вами новое оружие?»
Гейзенберг сказал:
«Нужно учесть ограниченность экономических возможностей. Германии... До сих пор не найдено эффективных способов разделения изотопов урана... Создание самоподдерживающейся реакции упирается в проблему чистого металлического урана и особенно тяжелой воды. Нет, нет, о бомбе в ближайшие месяцы и думать нечего, для изготовления атомной бомбы потребуются годы!»
Такая неопределенность не устраивала Шпеера: он вынудил Гейзенберга точнее высказаться о сроках.
Гейзенберг ответил, что научное решение не будет трудным, но решение производственно-технических проблем должно занять не менее двух лет, и то при условии, если каждое требование ученых будет выполняться.
С такой перспективой можно было согласиться, ибо срок был невелик.
ИНЫЕ ОЦЕНКИ
В своем первом письме руководителям ядерных разработок начальник отдела ядерной физики имперского исследовательского совета А. Эзау писал:
«После того как работы, проводившиеся Управлением армейского вооружения, сдвинулись с места в принципиальном решении поставленной задачи, я вижу нынешнюю задачу в продолжении опытов и увеличении действенности опытных установок.
Принимая во внимание современное напряженное положение и достигнутые результаты, я буду вынужден, однако, потребовать еще большей целеустремленности, чем прежде...».
8 мая 1943 г. руководитель планового управления имперского исследовательского совета В. Озенберг в связи с получением соответствующих разведывательных, данных из США докладывал Герингу, что и в Германии проводится работа над созданием урановой бомбы.
В ОДНОМ ШАГЕ ОТ БОМБЫ
В конце мая 1944г. профессор Герлах кратко пометил в служебном отчете:
«Вопрос производства ядерной энергии отличным от расщепления урана путем решается на самой широкой основе». Короче говоря в лаборатории Дибнера готовились к термоядерному синтезу.»
Подробности работы сохранил лишь шестистраничный отчет—«Опыты возбуждения ядерных реакций с помощью взрывов»
Он в итоге выглядел так:
«На полигоне войск СС в Куммерсдорфе было проведено несколько опытов по инициированию термоядерных реакций посредством подрыва кумулятивных зарядов обычного взрывчатого вещества.
В последнем полый серебряный шар диаметром 5см. наполнили тяжелым водородом и обложили со всех сторон взрывчаткой. Серебро должно было сохранить следы радиоактивного излучения, вызванного термоядерными реакциями.
Взрывчатка воспламенялась одновременно с разных сторон. Серебряный шар под действием взрыва сжимался со скоростью 2500м/с. температура и давление достигали громадных величин. Опыт несколько раз, но следов радиоактивного излучения так и не обнаружили.»
Впоследствии специалисты, оценивая опыт, считали, что размеры шара были слишком малы.
ДАЖЕ СКЕПТИК БОР ЗНАЛ ЧТО ГОВОРИЛ
Нильс Бор,не веривший в создание бомбы,после того как эмигрировал в Англию написал Гейзенбергу письмо….оно так и не было доставлено адресату,но говорило о многом.
«Дорогой Гейзенберг … я помню каждое слово наших бесед… вы в туманных выражениях сообщили: под вашим руководством в Германии делается все для того, чтобы создать атомную бомбу»
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Немецкий урановый проект шел полным ходом….и то что якобы он не был приоритетом у немцев—всего лишь миф
Плутоний-239 - весьма токсичный альфа-излучатель с энергией около 5 Мэв. Приблизительно 4% распадов ядер плутония сопровождается испусканием мягкого рентгеновского излучения со средней энергией
17 кэв и 0,01% распадов - образованием гамма-квантов с энергией 37 кэв, что используется для определения плутония в организме по внешнему излучению. Плутоний является одним из основных источников получения ядерной энергии. Он широко используется в медико-биологических исследованиях при изучении радиационной патологии ряда органов и систем.
Период полураспада Pu239 8,9·10 6 дней, полувыведения из организма 6,4·10 4 дней (около 200 лет), т. е. освобождения от поступившего в организм плутония не происходит на протяжении всей жизни человека. Удельная активность изотопа очень велика, в связи с чем, а также из-за высокой токсичности предельное содержание его в организме принимается равным 0,04 мккюри.
Описанию токсикологии Pu239 посвящен ряд специальных отечественных и зарубежных изданий. Большое место занимали вопросы токсикологии Pu239 на симпозиуме по отдаленным последствиям действия радионуклидов в США в 1967 г. (10. И. Москалев, 1968). Анализ основных публикаций показывает, что даже наиболее растворимые соединения плутония всасываются из желудочно-кишечного тракта в долях процента. Из этого количества от 1/3 до 1/2 откладывается в костях. На втором месте по доле инкорпорированного изотопа (около 1/4) стоит печень. Оба эти органа и принимаются в качестве критических для различных растворимых соединений, используемых в практике. В дальнейшем накопление плутония в кости становится преобладающим (до 70% от общего количества).
Ингаляционное поступление соединений Pu239, обладающих невысокой растворимостью, приводит к тому, что существенная доля изотопа откладывается в легких [от 20 до 85%, по данным Norwood (1963), West и Bair (1964), Bair и др. (1963, 1964)]. При этом полагают, что 1/10 общей массы частиц выдыхается с T1/2 = 20 дням из верхних дыхательных путей и около 3/4 откладывается в легких. Из этого количества остается в легких в дальнейшем около 1/10, а остальные частицы фагоцитируются, частично накапливаясь в лимфатических узлах легких, либо переходят в желудочно-кишечный тракт, затем кровоток и далее в печень и кости. Предполагается (Norwood, 1963, 1964), что 100-кратное превышение предельно допустимой величины для профессионального поступления (4 мккюри) не вызывает немедленного возникновения симптомов поражения, однако не исключает развития отдаленных неблагоприятных последствий. Клиническая картина поражения на основе экстраполяции экспериментальных данных (В. К. Лемберг, 1964; 3. М. Бухтоярова, 1962; Э. Р. Любчанский, Н. А. Кошурникова, 1968, и др.) может складываться из признаков поражения лимфоидного и костномозгового кроветворения, изменений в костных структурах; менее вероятны в случае поступления растворимых соединений нарушения функции печени и почек. При ингаляционном поступлении, особенно слаборастворимых соединений плутония, изменения развиваются преимущественно в легких, варьируя параллельно с уменьшением доз от ранней неспецифической пневмонии до своеобразного пневмосклероза или опухолей легких (в отдаленные сроки). Слаборастворимые соединения прочно фиксируются в легких и практически почти не выводятся (Э. Р. Любчанский, 1965).
Опасно поступление Pu239 через поврежденную кожу (непосредственно в кровь). При этом изотоп очень быстро разносится током крови по всему организму и уже через 15 минут - 1 час может быть обнаружен в моче и кале. Последующее перераспределение происходит обычным для Pu239 образом с накоплением его в костях и печени; выделение изотопа с мочой и калом происходит медленно - в тысячных долях процента по отношению к находящемуся в организме.
Характерные случаи раневого поступления плутония описаны Norwood (1962, 1964), Foreman (1964), Lafuma (1963).
Динамика очищения раны и уменьшения общего содержания плутония в организме после иссечения и деконтаминации с помощью ДТПА (пентацина) и вид раны после иссечения показаны на рис. 67-69.
Рис. 67. Динамика содержания плутония в ране пациента в различные сроки и под влиянием двукратного иссечения (по Norwood, 1962).
Стрелками обозначен эффект первого (1) и второго (2) иссечения раны.
Рис. 68. Вид пальца больного (по Norwood, 1962).
а - непосредственно; б - в отдаленные сроки после иссечения раны, загрязненной плутонием.
Рис. 69. Динамика выделения плутония с мочой (штриховая линия). Содержание его в крови (сплошная линия) пациента в различные сроки после поступления и иссечения раны (по Norwood, 1962). По оси ординат - количество плутония в моче (ось слева) и циркулирующей крови (ось справа). Цифрами показан эффект первого (1) и второго (2) иссечения раны.
Как следует из токсикологических экспериментов, пути введения и растворимость соединений плутония оказывают существенное влияние на его распределение в организме и характер клинических проявлении (Stover, Rosental, Lindenbaum, Mays и др.; цит. по Ю. И. Москалеву, 1968).
В реальных условиях ингаляционным путем в организм человека могут поступать одновременно соединения плутония с различной степенью растворимости. Это очень- усложняет анализ дозовых нагрузок и возможных клинических проявлений. Путем экстраполяции экспериментальных данных (Bair et al., 1963; Э. Р. Любчанский, 1965; Л. А. Булдаков, Э. Р. Любчанский, Ю. И. Москалев и А. П. Нифатов, 1969) можно предположить возникновение различных соотношений, приводящих к пороговой дозе повреждения отдельных критических органов, и тем самым возможность возникновения соответствующих клинических симптомов.
Для нерастворимых соединений практически единственным критическим органом являются легкие. При достижении в них доз, достаточных для развития относительно ранних и тяжелых изменений, возникают характерные признаки лучевого пневмосклероза - фиброза альвеолярных перегородок (Bair et al., 1963). Дозы на остальные даже наиболее радиочувствительные органы невелики, за исключением регионарных лимфатических узлов легких. Это объясняет отсутствие заметных изменений в других органах и системах, кроме умеренной лимфопении (Bair, 1960, 1966).
При поступлении высокорастворимых соединений «лимитирующим» органом становится костная ткань с заключенным в ней костным мозгом. Это положение сохраняет свое значение и для смеси соединений различной растворимости. Однако в подобных случаях повреждающая кроветворение доза накапливается за больший промежуток времени, и к клиническим симптомам нарушений кроветворения в эти сроки могут присоединяться признаки нарушения функции печени, а позднее и органов дыхания.
Из других биологических эффектов, которые можно ожидать при поступлении в организм плутония по экспериментальным данным, следует отметить возможность относительно большего облучения лимфоидной ткани, сосудов растущих участков кости, воздействие на систему гипофиз - надпочечники (Lee, Dachum, Bertley; цит. по Ю. И. Москалеву, 1968). Всеми авторами (Rosenthal, Lindenbaum; В. К. Лемберг, 3. М. Бухтоярова, А. П. Нифатов, Н. А. Кошурникова, Н. П. Кудашева, 1966) подчеркивается значение микрогеометрии распределения различных соединений плутония для вызываемого им биологического эффекта. Основное число экспериментальных и клинических наблюдений касается изотопа Pu239; лишь единичные сведения относятся к Pu238. Вместе с тем в реальных условиях (изготовление пластин альфа-источников) возможен контакт и с этим изотопом. Доступная литература о поражении плутонием человека охватывает преимущественно радиометрические аспекты, в связи с чем невозможно привести характерный клинический пример.
Имея в виду известное своеобразие поражений инкорпорированными изотопами и отсутствие такого раздела в основных руководствах, считаем целесообразным привести некоторые общие принципы осуществления диагностических и лечебных мероприятий, показанных при их поступлении в организм. При этом целесообразно выделить мероприятия, проводимые непосредственно на месте происшествия и в стационаре.
Плутоний (латинское Plutonium, обозначается символом Pu) — радиоактивный химический элемент с атомным номером 94 и атомным весом 244,064. Плутоний является элементом III группы периодической системы Дмитрия Ивановича Менделеева, относится к семейству актиноидов. Плутоний - тяжелый (плотность при нормальных условиях 19,84 г/см³) хрупкий радиоактивный металл серебристо-белого цвета.
Плутоний не имеет стабильных изотопов. Из ста возможных изотопов плутония синтезированы двадцать пять. У пятнадцати из них изучены ядерные свойства (массовые числа 232-246). Четыре нашли практическое применение. Наиболее долгоживущие изотопы - 244Pu (период полураспада 8,26.107 лет), 242Pu (период полураспада 3,76 105 лет), 239Pu (период полураспада 2,41 104 лет), 238Pu (период полураспада 87,74 года) - α-излучатели и 241Pu (период полураспада 14 лет) - β-излучатель. В природе плутоний встречается в ничтожных количествах в урановых рудах (239Pu); он образуется из урана под действием нейтронов, источниками которых являются реакции, протекающие при взаимодействии α-частиц с легкими элементами (входящими в состав руд), спонтанное деление ядер урана и космическое излучение.
Девяносто четвертый элемент открыт группой американских ученых - Гленом Сиборгом (Glenn Seaborg), Кеннеди (Kennedy), Эдвином Макмилланом (Edwin McMillan) и Артуром Уолхом (Arthur Wahl) в 1940 году в Беркли (в Калифорнийском университете) при бомбардировке мишени из окиси урана (U3O8) сильно ускоренными ядрами дейтерия (дейтронами) из шестидесятидюймового циклотрона. В мае 1940 свойства плутония были предсказаны Льюисом Тернером (Louis Turner).
В декабре 1940 года был открыт изотоп плутония Pu-238, с периодом полураспада ~90 лет, через год - более важный Pu-239 с периодом полураспада ~24 000 лет.
Эдвин Макмиллан в 1948 году предложил назвать химический элемент плутонием в честь открытия новой планеты Плутон и по аналогии с нептунием, который был назван в честь открытия Нептуна.
Металлический плутоний (изотоп 239Pu) используется в ядерном оружии и служит в качестве ядерного топлива энергетических реакторов, работающих на тепловых и особенно на быстрых нейтронах. Критическая масса для 239Pu в виде металла составляет 5,6 кг. Кроме всего прочего изотоп 239Pu является исходным веществом для получения в ядерных реакторах трансплутониевых элементов. Изотоп 238Pu применяют в малогабаритных ядерных источниках электрического тока, используемых в космических исследованиях, а также в стимуляторах сердечной деятельности человека.
Плутоний-242 важен как «сырье» для сравнительно быстрого накопления высших трансурановых элементов в ядерных реакторах. δ-стабилизированные сплавы плутония применяются при изготовлении топливных элементов, так как они обладают лучшими металлургическими свойствами по сравнению с чистым плутонием, который при нагревании претерпевает фазовые переходы. Оксиды плутония используются в качестве энергетического источника для космической техники и находят свое применение в ТВЭЛах.
Все соединения плутония являются ядовитыми, что является следствием α-излучения. Альфа-частицы представляют серьезную опасность в том случае, если их источник находится в теле зараженного, они повреждают окружающие элемент ткани организма. Гамма-излучение плутония не опасно для организма. Стоит учесть, что разные изотопы плутония обладают разной токсичностью, например типичный реакторный плутоний в 8-10 раз токсичнее чистого 239Pu, так как в нем преобладают нуклиды 240Pu, который является мощным источником альфа-излучения. Плутоний самый радиотоксичный элемент из всех актиноидов, однако, считается далеко не самым опасным элементом, так радий почти в тысячу раз опаснее самого ядовитого изотопа плутония - 239Pu.
Биологические свойства
Плутоний концентрируется морскими организмами: коэффициент накопления этого радиоактивного металла (отношение концентраций в организме и во внешней среде) для водорослей составляет 1000-9000, для планктона - приблизительно 2300, для морских звёзд - около 1000, для моллюсков - до 380, для мышц, костей, печени и желудка рыб - 5, 570, 200 и 1060 соответственно. Наземные растения усваивают плутоний в основном через корневую систему и накапливают его до 0,01 % от своей массы. В организме человека девяносто четвертый элемент задерживается преимущественно в скелете и печени, откуда почти не выводится (особенно из костей).
Плутоний высокотоксичен, причем его химическая опасность (как любого другого тяжелого металла) выражается значительно слабее (с химической точки зрения он также ядовит как свинец.) в сравнении с его радиоактивной токсичностью, которая является следствием альфа-излучения. Причем α-частицы обладают относительно малой проникающей способностью: для 239Pu пробег α-частиц в воздухе составляет 3,7 см, а в мягкой биологической ткани 43 мк. Поэтому α-частицы представляют серьезную опасность в том случае, если их источник находится в теле зараженного. При этом они повреждают окружающие элемент ткани организма.
В тоже время γ-лучи и нейтроны, которые плутоний также испускает и которые способны проникать в тело снаружи, не очень опасны, ведь их уровень слишком мал для того, чтобы причинить вред здоровью. Плутоний относится к группе элементов с особо высокой радиотоксичностью. В тоже время разные изотопы плутония обладают разной токсичностью, например типичный реакторный плутоний в 8-10 раз токсичнее чистого 239Pu, так как в нем преобладают нуклиды 240Pu, который является мощным источником альфа-излучения.
При поступлении элемента вместе с водой и пищей плутоний менее ядовит, чем такие вещества как кофеин, некоторые витамины, псевдоэфедрин и множество растений и грибов. Это объясняется тем, что данный элемент плохо всасывается ЖКТ, даже при поступлении в виде растворимой соли, эта самая соль связывается содержимым желудка и кишечника. Однако поглощение 0,5 грамма плутония в мелкораздробленном или растворенном состоянии может привести к смерти от острого облучения пищеварительной системы за несколько дней или недель (для цианида это значение составляет 0,1 грамма).
С точки зрения ингаляции плутоний - это рядовой токсин (примерно соответствует парам ртути). При ингаляции плутоний обладает канцерогенными свойствами и способен вызвать рак лёгких. Так при вдыхании ста миллиграмм плутония в виде частиц оптимального для удержания в легких размера (1-3 микрона) ведет к смерти от отека легких за 1-10 дней. Доза в двадцать миллиграмм приводит к смерти от фиброза примерно за месяц. Меньшие дозы приводят к хроническому канцерогенному отравлению. Опасность ингаляционного проникновения плутония в организм увеличивается вследствие того, что плутоний склонен к образованию аэрозолей.
Несмотря на то, что это металл, он весьма летуч. Непродолжительное нахождение металла в помещении значительно увеличивает его концентрацию в воздухе. Попавший в лёгкие плутоний частично оседает на поверхности лёгких, частично переходит в кровь, а затем в лимфу и вещество костного мозга. Большая часть (примерно 60 %) попадает в костную ткань, 30 % в печень и всего 10 % выводится естественным путем. Количество попавшего в организм плутония зависит от величины аэрозольных частиц и растворимости в крови.
Попадающий тем или иным путем в человеческий организм плутоний схож по свойствам с трехвалентным железом, поэтому, проникая в систему кровообращения, плутоний начинает концентрироваться в тканях, содержащих железо: костный мозг, печень, селезёнка. Организм воспринимает плутоний, как железо, следовательно, белок трансферина забирает плутоний вместо железа, в результате чего останавливается перенос кислорода в организме. Микрофаги растаскивают плутоний по лимфоузлам. Попавший в организм плутоний выводится из него очень долго - на протяжении 50 лет из организма выведется всего 80 %. Период полувыведения из печени составляет 40 лет. Для костной ткани период полувыведения плутония составляет 80-100 лет, фактически, концентрация девяносто четвертого элемента в костях постоянна.
На протяжении Второй мировой войны и после её окончания учёные, работавшие в Манхэттенском проекте, а также ученые Третьего рейха и другие научно-исследовательские организации, проводили эксперименты с использованием плутония на животных и людях. Результаты исследований на животных показали, что несколько миллиграммов плутония на килограмм ткани - смертельная доза. Применение плутония на людях заключалось в том, что хронически больным пациентам внутримышечно вводили обычно 5 мкг плутония. В итоге было установлено, что смертельная доза для пациента равна одному микрограмму плутония, и что плутоний более опасен, чем радий, и склонен к накапливанию в костях.
Как известно, плутоний - элемент практически отсутствующий в природе. Однако порядка пяти тонн его выделилось в атмосферу в результате ядерных испытаний в период 1945-1963 гг. Суммарное же количество плутония, выброшенного в атмосферу из-за ядерных испытаний до 1980-х годов, оценивается в 10 тонн. По некоторым оценкам, почва в Соединенных Штатах Америки содержит в среднем 2 милликюри (28 мг) плутония на км2 от выпадения радиоактивных осадков, а нахождение плутония в Тихом океане повышено по сравнению с общим распространением ядерных материалов на земле.
Последнее явление связано с проведением ядерных испытаний США на территории Маршалловых Островов в Тихоокеанском полигоне в середине 1950-х годов. Время нахождения плутония в поверхностных водах океана составляет от 6 до 21 года, однако, даже по прошествии этого срока, плутоний выпадает на дно вместе с биогенными частицами, из которых он восстанавливается в растворимые формы в результате микробного разложения.
Мировое загрязнение девяносто четвертым элементом связано не только с ядерными испытаниями, но и с авариями на производствах и технике, взаимодействующей с этим элементом. Так в январе 1968 года самолет B-52 ВВС США, несший на борту четыре ядерных заряда, потерпел крушение на территории Гренландии. В результате взрыва произошло разрушение зарядов и утечка плутония в океан.
Другой случай радиоактивного загрязнения окружающей среды в результате аварии произошел с советским космическим аппаратом «Космос-954» 24 января 1978 года. В результате неконтролируемого схода с орбиты спутник с ядерным источником энергии на борту упал на территорию Канады. В результате аварии в окружающую среду попало более килограмма плутония-238, распространившегося на территорию площадью около 124 000 м².
Самый страшный пример аварийной утечки радиоактивных веществ в окружающую среду - авария на Чернобыльской АЭС, которая произошла 26 апреля 1986 года. В результате разрушения четвертого энергоблока в окружающую среду было выброшено 190 тонн радиоактивных веществ (в том числе и изотопы плутония) на площадь около 2200 км².
Попадание плутония в окружающую среду связано не только с техногенными происшествиями. Известны случаи утечки плутония, как из лабораторных, так и из заводских условий. Известно более двадцати аварийных случаев утечки из лабораторий 235U и 239Pu. На протяжении 1953-1978 гг. аварийные случаи привели к потере от 0,81 (Маяк, 15 марта 1953 г.) до 10,1 кг (Томск, 13 декабря 1978 г.) 239Pu. Происшествия на промышленных предприятиях суммарно привели к смерти двух человек в городе Лос-Аламос (21 августа 1945 г. и 21 мая 1946 г.) из-за двух случаев аварий и потерь 6,2 кг плутония. В городе Саров в 1953 и 1963 гг. примерно 8 и 17,35 кг попало за пределы ядерного реактора. Один из них привел к разрушению ядерного реактора в 1953 году.
При делении ядра 238Pu нейтронами происходит выделение энергии в размере 200 МэВ, что в 50 миллионов раз больше, чем при протекании самой известной экзотермической реакции: C + O2 → CO2. «Сгорая» в ядерном реакторе один грамм плутония дает 2 107 ккал - это энергия, заключенная в 4 т угля. Наперсток же плутониевого топлива в энергетическом эквиваленте может быть приравнен к сорока вагонам хороших дров!
Считается, что «природный изотоп» плутония (244Pu) самый долгоживущий изотоп из всех трансурановых элементов. Его период полураспада составляет 8,26∙107 лет. Ученые длительное время пытались получить изотоп трансуранового элемента, который существовал бы дольше 244Pu - большие надежды в этом отношении возлагались на 247Cm. Однако после его синтеза выяснилось, что период полураспада этого элемента всего 14 млн лет.
История
В 1934 году группа ученых во главе с Энрико Ферми сделала заявление, что в ходе научных работ в Университете Рима они обнаружили химический элемент с порядковым номером 94. Элемент по настоянию Ферми был назван геспериумом, ученый был убежден, что открыл новый элемент, который сейчас называют плутонием, таким образом, сделав предположение о существовании трансурановых элементов и став их теоретическим первооткрывателем. Эту гипотезу Ферми отстаивал и в своей Нобелевской лекции в 1938 году. Только после открытия деления ядер немецкими учеными Отто Фришем и Фрицем Штрассманом, Ферми был вынужден сделать в печатной версии, вышедшей в Стокгольме в 1939 году примечание, указывающее на необходимость пересмотра «всей проблемы трансурановых элементов». Дело в том, что работа Фриша и Штрассмана показала, что активность, обнаруженная Ферми в его экспериментах, была обусловлена именно делением, а не открытием трансурановых элементов, как он ранее полагал.
Новый - девяносто четвертый элемент был открыт в конце 1940 года. Произошло это в Беркли в Калифорнийском университете. При бомбардировке окиси урана (U3O8) ядрами тяжелого водорода (дейтронами) 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. Таким образом, 14 декабря 1940 года были получены первые микрограммовые количества плутония вместе с примесью других элементов и их соединений.
В ходе эксперимента, проведённого в 1940 году, было установлено, что при проводимой ядерной реакции сначала получается короткоживущий изотоп нептуний-238 (период полураспада 2,117 суток), а из него уже плутоний-238:
23392U (d,2n) → 23893Np → (β−) 23894Pu
Долгие и трудоемкие химические опыты по отделению нового элемента от примесей продолжались два месяца. Существование нового химического элемента было подтверждено в ночь с 23 на 24 февраля 1941 года Г. Т. Сиборгом, Э. М. Макмилланом, Дж. В. Кеннеди и А. К. Валлем благодаря изучению его первых химических свойств - возможностью обладать, по крайней мере, двумя степенями окисления. Немногим позже окончания опытов было установлено, что этот изотоп является неделящимся, а, следовательно, неинтересным для дальнейшего изучения. Вскоре (март 1941 года) Кеннеди, Сиборг, Сегрэ и Валь синтезировали более важный изотоп - плутоний-239 посредством облучения урана сильно ускоренными в циклотроне нейтронами. Этот изотоп образуется при распаде нептуния-239, испускает alfa-лучи и имеет период полураспада 24 000 лет. Первое чистое соединение элемента было получено в 1942 году, а первые весовые количества металлического плутония были получены в 1943 году.
Название нового 94 элемента было предложено в 1948 году Макмилланом, который несколькими месяцами ранее обнаружения плутония совместно с Ф. Эйбельсоном получил первый элемент, более тяжелый, чем уран, - элемент № 93, который назвали нептунием в честь планеты Нептун - первой за Ураном. По аналогии элемент № 94 решили назвать плутонием, так как планета Плутон является второй за Ураном. В свою очередь Сиборг предложил назвать новый элемент «плутием», однако потом понял, что название не очень звучит по сравнению с «плутонием». Кроме того, он выдвигал и другие названия для нового элемента: ультимиум, экстермиум, из-за ошибочного в то время суждения, что плутоний станет последним химическим элементом в периодической таблице. В итоге, элемент назвали «плутоний» в честь открытия последней планеты солнечной системы.
Нахождение в природе
Период полураспада самого долгоживущего изотопа плутония - 75 млн лет. Цифра весьма внушительная, однако, возраст Галактики измеряется миллиардами лет. Из этого следует, что у первичных изотопов девяносто четвертого элемента, образовавшихся при великом синтезе элементов Вселенной, не было шансов дожить до наших дней. И все же, это не означает, что плутония совсем нет в Земле. Он постоянно образуется в урановых рудах. Захватывая нейтроны космического излучения и нейтроны, образующиеся при спонтанном (самопроизвольном) делении ядер 238U, некоторые - очень немногие - атомы этого изотопа превращаются в атомы 239U. Ядра этого элемента очень нестабильны, они испускают электроны и тем самым повышают свой заряд, происходит образование нептуния - первого трансуранового элемента. 239Np также неустойчив, его ядра тоже испускают электроны, поэтому всего за 56 часов половина 239Np превращается в 239Pu.
Период полураспада этого изотопа уже весьма велик и составляет 24 000 лет. В среднем, содержание 239Pu примерно в 400 000 раз меньше, чем у радия. Поэтому не только добыть - даже обнаружить «земной» плутоний необыкновенно трудно. Малые количества 239Pu - триллионная доля - и продукты распада могут быть найдены в урановых рудах, например, в природном ядерном реакторе в Окло, Габон (Западная Африка). Так называемый «природный ядерный реактор» считается единственным в мире, в котором в настоящее время происходит образование актиноидов и их продуктов деления в геосфере. По современным оценкам в этом регионе несколько миллионов лет назад происходила самоподдерживающаяся реакция с выделением тепла, продолжавшаяся более полумиллиона лет.
Итак, мы уже знаем, что в урановых рудах в результате захвата нейтронов ядрами урана образуется нептуний (239Np), продуктом β-распада которого и является природный плутоний-239. Благодаря специальным приборам - масс-спектрометрам было обнаружено наличие плутония-244 (244Pu), который имеет самый большой период полураспада - примерно 80 миллионов лет, в докембрийском бастнезите (в цериевой руде). В природе 244Pu находится преимущественно в виде диоксида (PuO2), который в воде еще менее растворим, чем песок (кварц). Поскольку относительно долгоживущий изотоп плутоний-240 (240Pu) находится в цепочке распада плутония-244, то его распад имеет место быть, однако это происходит очень редко (1 случай на 10 000). Очень небольшие количества плутония-238 (238Pu) относятся к весьма редкому двойному бета-распаду материнского изотопа - урана-238, который был найден в урановых рудах.
Следы изотопов 247Pu и 255Pu обнаружены в пыли, собранной после взрывов термоядерных бомб.
Минимальные количества плутония гипотетически могут находиться в человеческом организме, учитывая то, что было проведено огромное количество ядерных испытаний так или иначе связанных с плутонием. Плутоний накапливается преимущественно в скелете и печени, откуда практически не выводится. Кроме того, девяносто четвертый элемент накапливается морскими организмами; наземные растения усваивают плутоний главным образом через корневую систему.
Выходит, что искусственно синтезированный плутоний все-таки существует в природе, так почему же его не добывают, а получают искусственным путем? Дело в том, что слишком мала концентрация данного элемента. О другом радиоактивном металле - радии говорят: «в грамм добыча - в год труды», а радия в природе в 400 000 раз больше, чем плутония! По этой причине не только добыть - даже обнаружить «земной» плутоний необыкновенно трудно. Сделать это удалось лишь после того, как были изучены физические и химические свойства плутония, полученного в атомных реакторах.
Применение
Изотоп 239Pu (наряду с U) используют в качестве ядерного топлива энергетических реакторов, работающих на тепловых и на быстрых нейтронах (восновном), а также при изготовлении ядерного оружия.
Около полутысячи атомных электростанций по всему миру генерируют примерно 370 ГВт электроэнергии (или 15 % от общего объема производства электроэнергии в мире). Плутоний-236 применяется при изготовлении атомных электрических батареек, срок службы которых достигает пяти лет и более, их применяют в генераторах тока, стимулирующих работу сердца (кардиостимуляторы). 238Pu применяют в малогабаритных ядерных источниках электрического тока, используемых в космических исследованиях. Так плутоний-238 является источником питания для зондов New Horizons, Galileo и Cassini, марсохода Curiosity и других космических аппаратов.
В ядерном оружии применяется плутоний-239, так как данный изотоп является единственным подходящим нуклидом для применения в ядерной бомбе. Кроме того, более частое использование плутония-239 в ядерных бомбах обусловлено тем, что плутоний занимает меньший объем в сфере (где расположено ядро бомбы), следовательно, можно выиграть во взрывной силе бомбы за счет этого свойства.
Схема, по которой происходит ядерный взрыв с участием плутония, заключается в конструкции самой бомбы, ядро которой состоит из сферы, заполненной 239Pu. В момент столкновения с землей сфера сжимается до миллиона атмосфер за счет конструкции и благодаря окружающему эту сферу взрывчатому веществу. После удара происходит расширение ядра в объеме и плотности за кратчайшее время - десяток микросекунд, сборка проскакивает критическое состояние на тепловых нейтронах и переходит в сверхкритическое состояние на быстрых нейтронах - начинается цепная ядерная реакция с участием нейтронов и ядер элемента. При конечном взрыве ядерной бомбы выделяется температура порядка десятков миллионов градусов.
Изотопы плутония нашли свое применение при синтезе трансплутониевых (следующих после плутония) элементов. Так, например, в Оук-Риджской национальной лаборатории при длительном нейтронном облучение 239Pu получают 24496Cm, 24296Cm, 24997Bk, 25298Cf, 25399Es и 257100Fm. Таким же образом в 1944 году был впервые получен и америций 24195Am. В 2010 году оксид плутония-242 бомбардируемый ионами кальция-48 послужил источником получения унунквадия.
δ-Стабилизированные сплавы плутония используются в изготовлении ТВЭЛов, ведь они обладают значительно лучшими металлургическими свойствами в сравнении с чистым плутонием, который при нагревании претерпевает фазовые переходы и является весьма хрупким и ненадежным материалом. Сплавы плутония с другими элементами (интерметаллические соединения) обычно получают прямым взаимодействием элементов в нужных соотношениях, при этом в основном используется дуговая плавка, иногда нестабильные сплавы получают распылительным осаждением или охлаждением расплавов.
Основные промышленные легирующие элементы для плутония - это галлий, алюминий и железо, хотя плутоний способен образовывать сплавы и промежуточные соединения с большинством металлов за редким исключением (калий, натрий, литий, рубидий, магний, кальций, стронций, барий, европий и иттербий). Тугоплавкие металлы: молибден, ниобий, хром, тантал и вольфрам растворимы в жидком плутонии, но почти нерастворимы или мало растворимы в твёрдом плутонии. Индий, кремний, цинк и цирконий способны к формированию метастабильного δ-плутония (δ"-фаза) при быстром охлаждении. Галлий, алюминий, америций, скандий и церий могут стабилизировать δ-плутоний при комнатной температуре.
Большие количества гольмия, гафния и таллия позволяют сохранить некоторое количество δ-плутония при комнатной температуре. Нептуний является единственным элементом, который может стабилизировать α-плутоний при высоких температурах. Титан, гафний и цирконий стабилизируют структуру β-плутония при комнатной температуре при резком охлаждении. Применение таких сплавов довольно разнообразно. Например, сплав плутоний-галий используется для стабилизации δ-фазы плутония, который позволяет избежать переход α-δ фаза. Тройной сплав плутоний-галлий-кобальт (PuGaCo5) - сверхпроводниковый сплав при температуре 18,5 К. Существует ряд сплавов (плутоний-цирконий, плутоний-церий и плутоний-церий-кобальт), которые используются в качестве ядерного топлива.
Производство
Промышленный плутоний получают двумя способами. Это либо облучение ядер 238U, содержащегося в ядерных реакторах, либо разделение радиохимическими способами (соосаждением, экстракцией, ионным обменом и др.) плутония от урана, трансурановых элементов и продуктов деления, содержащихся в отработанном топливе.
В первом случае наиболее значимый в практическом отношении изотоп 239Pu (в смеси с небольшой примесью 240Pu) получают в ядерных реакторах при участии ядер урана и нейтронов с помощью β--распада и с участием изотопов нептуния как промежуточного продукта деления:
23892U + 21D → 23893Np + 210n;
23893Np → 23894Pu
β--распад
В данном процессе дейтрон попадает в уран-238, в результате чего образуется нептуний-238 и два нейтрона. Далее нептуний-238 спонтанно делится, излучая бета-минус-частицы, которые образуют плутоний-238.
Обычно содержание 239Pu в смеси составляет 90-95 %, 240Pu-1-7 %, содержание других изотопов не превышает десятых долей процента. Изотопы с большими периодами полураспада - 242Pu и 244Pu получают при продолжительном облучении нейтронами 239Pu. Причем выход 242Pu составляет несколько десятков процентов, а 244Pu - доли процента от содержания 242Pu. Небольшие количества изотопно-чистого плутония-238 образуются при облучении нейтронами нептуния-237. Легкие изотопы плутония с массовыми числами 232-237 обычно получают на циклотроне при облучении изотопов урана α-частицами.
При втором способе промышленного производства 239Pu используют пьюрекс-процесс, основанный на экстракции трибутилфосфатом в легком разбавителе. В первом цикле осуществляют совместную очистку Pu и U от продуктов деления, а затем их разделение. Во втором и третьем циклах плутоний подвергают дальнейшей очистке и концентрированию. Схема такого процесса основана на разнице в свойствах четырех- и шестивалентных соединений разделяемых элементов.
Первоначально отработавшие ТВЭЛы демонтируются и оболочка, содержащая отработавший плутоний и уран, удаляется физическими и химическими способами. Далее извлеченное ядерное топливо растворяют в азотной кислоте. Ведь она - сильный окислитель при растворении и уран, и плутоний, и примеси окисляются. Атомы плутония с нулевой валентностью превращаются в Pu+6, происходит растворение, как плутония, так и урана. Из такого раствора девяносто четвертый элемент восстанавливают до трехвалентного состояния сернистым газом, а затем осаждают фторидом лантана (LаF3).
Однако осадок кроме плутония содержит нептуний и редкоземельные элементы, но основная масса (уран) остается в растворе. Далее плутоний вновь окисляют до Pu+6 и вновь добавляют фторид лантана. Теперь уже редкоземельные элементы переходят в осадок, а плутоний остается в растворе. Далее окисляется нептуний до четырехвалентного состояния броматом калия, так как на плутоний этот реактив не действует, то при вторичном осаждении тем же фторидом лантана трехвалентный плутоний переходит в осадок, а нептуний остается в растворе. Конечными продуктами таких операций являются плутонийсодержащие соединения - двуокись PuO2 или фториды (PuF3 или PuF4), из которых (путем восстановления парами бария, кальция или лития) получают металлический плутоний.
Получение более чистого плутония можно достичь электролитическим рафинированием пирохимически произведенного металла, что производится в ячейках для электролиза при температуре 700° C с электролитом из калия, натрия и хлорида плутония с применением вольфрамового или танталового катода. Получаемый таким образом плутоний имеет чистоту 99,99 %.
Для получения больших количеств плутония строятся реакторы-размножители, так называемые «бридеры» (от английского глагола to breed - размножать). Свое название данные реакторы получили благодаря своей возможности получения делящегося материала в количестве, превышающем затраты этого материала на получение. Отличие реакторов такого типа от остальных заключается в том, что нейтроны в них не замедляются (отсутствует замедлитель, например, графит) для того, чтобы их как можно больше прореагировало с 238U.
После реакции образуются атомы 239U, которые в дальнейшем и образуют 239Pu. Ядро такого реактора, содержащее PuO2 в обедненном диоксиде урана (UO2), окружено оболочкой из еще более обедненного диоксида урана-238 (238UO2), в которой и образуется 239Pu. Совместное использование 238U и 235U позволяет «бриддерам» производить из природного урана энергии в 50-60 раз больше других реакторов. Однако у этих реакторов существует большой недостаток - ТВЭЛы обязаны охлаждаться средой отличной от воды, которая снижает их энергию. Поэтому было решено использовать жидкий натрий в качестве охладителя.
Строительство таких реакторов в Соединенных Штатах Америки началось после окончания Второй Мировой Войны, СССР и Великобритания приступили к их созданию лишь в 1950-х годах.
Физические свойства
Плутоний - очень тяжелый (плотность при н. у. 19,84 г/см³) серебристый металл, в очищенном состоянии очень похожий на никель, однако на воздухе плутоний быстро окисляется, тускнеет, образую радужную пленку, сначала светло-желтую, затем переходящую в темно-пурпурную. При сильном окислении на поверхности металла появляется оливково-зеленый порошок оксида (PuO2).
Плутоний - очень электроотрицательный и химически активный металл, во много раз больше, даже чем уран. Имеет семь аллотропных модификаций (α, β, γ, δ, δ", ε и ζ), которые меняются в определенном температурном отрезке и при определенном диапазоне давления. При комнатной температуре плутоний находится в α-форме - это наиболее распространённая для плутония аллотропная модификация. В альфа фазе чистый плутоний хрупок и весьма жёсток - данная структура примерно такая же жёсткая, как серый чугун, если она не легирована другими металлами, которые придадут сплаву пластичность и мягкость. Кроме того, в этой максимально плотной форме плутоний - шестой по плотности элемент (тяжелее его только осмий, иридий, платина, рений и нептуний). Дальнейшие аллотропные превращения плутония сопровождаются скачкообразными изменениями плотности. Так, например, при нагревании от 310 до 480 °С он не расширяется, как другие металлы, а сжимается (фазы «дельта» и «дельта-прим»). При расплавлении (переход из фазы «эпсилон» в жидкую фазу) плутоний также сжимается, позволяя нерасплавленному плутонию всплывать.
Плутоний отличает большое количество необычных свойств: у него самая низкая теплопроводность из всех металлов - при 300 K она составляет 6,7Вт/(м К); у плутония самая низкая электропроводность; в своей жидкой фазе - плутоний самый вязкий металл. Удельное сопротивление девяносто четвертого элемента при комнатной температуре очень велико для металла, и эта особенность будет усиливаться с понижением температуры, что для металлов не свойственно. Такая «аномалия» прослеживается вплоть до температуры 100 К - ниже этой отметки электрическое сопротивление будет уменьшаться. Однако, с отметки в 20 К сопротивление вновь начинает возрастать из-за радиационной активности металла.
Плутоний обладает самым высоким удельным электрическим сопротивлением среди всех изученных актиноидов (на данный момент), которое составляет 150 мкОм см (при 22 °C). Этот металл имеет низкую температуру плавления (640 °C) и необычно высокую температуру кипения (3 227 °C). Ближе к точке плавления жидкий плутоний имеет очень высокий показатель вязкости и поверхностного натяжения по сравнению с другими металлами.
Благодаря своей радиоактивности, плутоний теплый на ощупь. Большой кусок плутония в термооболочке разогревается до температуры, превышающей температуру кипения воды! Кроме того, вследствие своей радиоактивности плутоний со временем претерпевает изменения в своей кристаллической решётке - происходит некое подобие отжига благодаря самооблучению из-за повышения температуры выше 100 K.
Наличие большого количества аллотропных модификаций у плутония делает его трудным металлом в обработке и выкатывании из-за фазовых переходов. Мы уже знаем, что в альфа-форме девяносто четвертый элемент схож по свойствам с чугуном, однако имеет свойство изменяться и превращаться в пластичный материал, и образовывать ковкую β-форму при более высоких интервалах температур. Плутоний в δ-форме обычно стабилен при значениях температуры от 310 °C до 452 °C, но может существовать и при комнатной температуре, если легирован малопроцентным содержанием алюминия, церия или галлия. Находясь в сплаве с этими металлами, плутоний может использоваться при сварке. Вообще дельта-форма имеет более ярко выраженные характеристики металла - по прочности и способности к ковке близка к алюминию.
Химические свойства
Химические свойства девяносто четвертого элемента во многом схожи со свойствами его предшественников в периодической системе - ураном и нептунием. Плутоний довольно активный металл, он образует соединения со степенями окисления от +2 до +7. В водных растворах элемент проявляет следующие степени окисления: Pu (III), в качестве Pu3+ (существует в кислых водных растворах, имеет светло-фиолетовый цвет); Pu (IV), в качестве Pu4+ (шоколадный оттенок); Pu (V), в качестве PuO2+ (светлый раствор); Pu (VI), в качестве PuO22+ (светло-оранжевый цвет раствора) и Pu(VII), в качестве PuO53- (зелёный раствор).
Причем указанные ионы (кроме PuO53-) могут находиться в растворе одновременно в равновесии, что объясняется наличием 5f-электронов, которые расположены на локализованной и делокализованной зоне электронной орбитали. При pH 5-8 доминирует Pu (IV), который наиболее устойчив среди остальных валентностей (степеней окисления). Ионы плутония всех степеней окисления склонны к гидролизу и комплексообразованию. Способность образовывать такие соединения увеличивается в ряду Pu5+
Компактный плутоний медленно окисляется на воздухе, покрываясь радужной маслянистой пленкой оксида. Известны следующие окислы плутония: PuO, Pu2O3, PuO2 и фаза переменного состава Pu2O3 - Pu4O7 (бертоллиды). В присутствии незначительного количества влаги скорость окисления и корродирования значительно возрастает. Если металл достаточно долго подвергается воздействию малых количеств влажного воздуха, то на его поверхности образуется диоксид плутония (PuO2). При недостатке кислорода может образоваться и его дигидрид (PuH2). Удивительно, но плутоний покрывается ржавчиной в атмосфере инертного газа (например, аргона) с парами воды гораздо быстрее, чем на сухом воздухе или в чистом кислороде. На самом деле этот факт легко объяснить - прямое действие кислорода формирует на поверхности плутония слой оксида, препятствующего дальнейшему окислению, присутствие влаги производит рыхлую смесь из оксида и гидрида. Кстати, благодаря именно такому покрытию металл становится пирофорным, то есть он способен к самовозгоранию, по этой причине металлический плутоний, как правило, обрабатывается в инертной атмосфере аргона или азота. При этом кислород является защитным веществом и предотвращает воздействие влаги на металл.
Девяносто четвертый элемент реагирует с кислотами, кислородом и их парами, но только не со щелочами. Плутоний хорошо растворим лишь в очень кислых средах (например, соляная кислота HCl), а так же растворяется в в хлороводороде, иодоводороде, бромоводороде, 72 % хлорной кислоте, 85 % ортофосфорной кислоте H3PO4, концентрированной CCl3COOH, сульфаминовой кислоте и кипящей концентрированной азотной кислоте. В растворах щелочей плутоний заметно не растворяется.
При воздействии щелочей на растворы, содержащие четырех валентный плутоний, выпадает осадок гидроксида плутония Pu(OH)4 xH2O, обладающий основными свойствами. При воздействии щелочей на растворы солей, содержащих PuO2+, выпадает амфотерный гидроксид PuO2OH. Ему отвечают соли - плутониты, например, Na2Pu2O6.
Плутониевые соли легко гидролизируются при контакте с нейтральными или щелочными растворами, создавая нерастворимую гидроокись плутония. Концентрированные растворы плутония нестабильны, вследствие радиолитического разложения, ведущего к выпадению осадка.
