Pluton | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Peletki z plutonu. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Pozycja w układzie okresowym | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Symbol | Mógłby | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Nazwisko | Pluton | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Liczba atomowa | 94 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Grupa | - | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Kropka | 7- ty okres | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Blok | Blok f | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Rodzina elementów | aktynowiec | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Elektroniczna Konfiguracja | [ Rn ] 5 f 6 7 s 2 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Elektrony według poziomu energii | 2, 8, 18, 32, 24, 8, 2 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Atomowe właściwości pierwiastka | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Masa atomowa | 244,06 u | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Promień atomowy (obliczony) | 159 po południu | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Promień kowalencyjny | 187 ± 1 po południu | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Stan utlenienia | 6, 5, 4, 3 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Elektroujemności ( Paulinga ) | 1,28 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Tlenek | Amfoteryczny | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Energie jonizacji | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
1 Re : 6,0260 eV | 2 E : 11,2 eV | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Najbardziej stabilne izotopy | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Proste właściwości fizyczne ciała | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Państwo zwykłe | solidny | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Masa objętościowa | 19 816 kg · m -3 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Kryształowy system | Jednoskośny | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Kolor | Srebrzysty biały matowienie na otwartej przestrzeni | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Punkt fuzji |
640 ° C 640 ° ± 2 |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Temperatura wrzenia | 3228 ° C | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Energia termojądrowa | 2,84 kJ · mol -1 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Energia parowania | 344 kJ · mol -1 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Objętość molowa | 12,29 × 10 -6 m 3 · mol -1 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Ciśnienie pary |
1 Pa (przy 1483 ° C ) |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Prędkość dźwięku | 2260 m · s -1 do 20 °C | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Ogromne ciepło | 35,5 J · kg -1 · K -1 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Przewodnictwo elektryczne | 685 x 10 6 S · m -1 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Przewodność cieplna | 6,74 W · m -1 · K -1 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Różnorodny | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
N O CAS | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
N O ECHA | 100 028,288 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
N O WE | 231-117-7 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Środki ostrożności | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Pierwiastek promieniotwórczy o znacznej aktywności |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Jednostki SI i STP, chyba że zaznaczono inaczej. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Pluton jest pierwiastkiem o symbolu Pu i liczbę atomową 94. Jest metalu radioaktywnego transuranowych rodziny z aktynowcami . Ma postać skrystalizowanego ciała stałego, którego świeże powierzchnie są srebrzystoszare, ale w ciągu kilku minut, w obecności wilgoci, pokrywa się matową warstwą szarego koloru, czasami przechodzącą w oliwkową, składającą się z tlenków i wodorków ; wynikający z tego wzrost objętości może osiągnąć 70% bloku czystego plutonu, a tak utworzona substancja ma tendencję do rozpadu na proszek piroforyczny .
Pluton został po raz pierwszy wyprodukowany i izolowane na 14 grudnia 1940 roku na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley przez bombardowanie uranu 238 z deuteru . Ten nowy pierwiastek chemiczny , wywodzący się z układu okresowego pierwiastków po uranie i neptunie , został nazwany w odniesieniu do Plutona , który pochodzi od planet Uran i Neptun w Układzie Słonecznym . Jest to pierwiastek syntetyczny , wytwarzany sztucznie przez człowieka, ale odnotowano również obserwacje śladów naturalnego plutonu w rudach uranu . Jest radiotoksycznym metalem ciężkim, który ma tendencję do gromadzenia się w kościach i, w mniejszym stopniu, w wątrobie . Zwykle obserwujemy cztery stopnie utlenienia plutonu, od +3 do +6 (stan +7 jest rzadki), z wyraźnymi zabarwieniami. Strukturę elektronową czystego metalu określa pasmo 5f, które ma największą gęstość stanów na poziomie Fermiego ; Szczególnie wąskie, pasmo 5f ma tendencję do lokalizowania w nim elektronów, tak że czysty pluton w temperaturze pokojowej jest podobny do ciężkich materiałów fermionowych , o dużej pojemności cieplnej i oporności elektrycznej .
Znamy co najmniej sześć alotropów plutonu pod ciśnieniem atmosferycznym i jedną siódmą powyżej 60 MPa . Mają dobrze zdefiniowane i często nietypowe dla metalu właściwości. Tak więc α pluton, stabilny w temperaturze pokojowej, jest jednym z bardzo rzadkich metali, które krystalizują w układzie jednoskośnym ; jego właściwości fizyczne i strukturalne odnoszą się bardziej do minerałów niż do metali nieszlachetnych, podczas gdy jego właściwości mechaniczne przypominają właściwości żeliwa . Δ pluton, stabilną w temperaturze wyższej lub niskiej ułamek molowy w galu , krystalizuje się z drugiej strony w siatce płaskocentryczną sześcienny , o gęstości zmniejszyć prawie o 20% większy od pluton α; jest bardziej metaliczny, o właściwościach mechanicznych zbliżonych do aluminium , ale o ujemnym współczynniku rozszerzalności cieplnej (kurczy się przy ogrzewaniu). Pluton jest również jednym z nielicznych pierwiastków chemicznych, których ciecz w temperaturze topnienia jest gęstsza od ciała stałego . Istnienie wielu alotropów z sąsiednimi energiami wewnętrznymi sprawia, że kształtowanie plutonu jest szczególnie delikatne, do tego stopnia, że zamiast niego stosuje się stop plutonowo-galowy , który stabilizuje fazę δ w temperaturze pokojowej, co ułatwia obróbkę części w plutonie.
Pluton 239 i pluton 241 są rozszczepialne izotopy z neutronami termicznymi , które to środki mogą przyczyniać się do reakcję łańcuchową i mogą być stosowane w konstrukcji broni jądrowej i reaktorów jądrowych . Pluton 240 ma wskaźnik spontanicznego rozszczepienia bardzo wysokie, co wymaga, aby utrzymać szybkość poniżej 7% plutonu broni jakości. Pluton 238 ma okres półtrwania 88 lat i emituje cząstki alfa ; jest to źródło ciepła często wykorzystywane przez termoelektryczne generatory radioizotopów do zasilania energią elektryczną niektórych sond kosmicznych . Oddzielenie izotopów od plutonu jest trudne i zwykle są one produkowane specjalnie przez wyspecjalizowane reaktory. Produkcja wystarczającej ilości plutonu była jednym z celów Projektu Manhattan podczas II wojny światowej w celu opracowania pierwszych bomb atomowych. Pierwsza eksplozja atomowa, test Trinity , wykorzystywała ładunek plutonu, podobnie jak Fat Man , bombę atomową zrzuconą na Nagasaki ; Bomba Little Boy zrzucona trzy dni wcześniej na Hiroszimę miała rdzeń wzbogacony uranem .
Swoją nazwę pluton zawdzięcza planecie Pluton , odkrytej po Uranie i Neptunie , przez analogię do pierwiastków uran i neptun bezpośrednio go poprzedzających w układzie okresowym pierwiastków.
Pluton jest metalem z rodziny z aktynowców z, jak w większości innych metali, jasnym srebrzystym wyglądzie, takie jak nikiel . Jednak w kontakcie z powietrzem szybko pokrywa się matową szarawą warstwą, której kolory mogą nawiązywać do żółci lub oliwkowej zieleni, przy czym ten ostatni odcień pochodzi z dwutlenku plutonu PuO 2..
Podobnie jak neptun i uran – iw mniejszym stopniu protaktyn – struktura elektronowa plutonu w normalnych warunkach temperatury i ciśnienia jest określana przez orbitale 5f, które są głównymi współtwórcami wiązań międzyatomowych. Odległości między atomami są zmniejszone w tych materiałach, które w związku z tym mają szczególnie wysoką gęstość : gęstość plutonu wynosi 19,816 g · cm -3 , ponad dwukrotnie więcej niż einsteinium ( 8,84 g · cm -3 ), który jednak ma wyższy atom masa . Jednak odległości międzyatomowe w krysztale wpływają na szerokość pasm elektronowych : im mniejsze te odległości, tym węższe pasma. Pasmo 5f jest matematycznie węższe niż pasma 6d i 7s, staje się tutaj wystarczająco wąskie, aby mieć tendencję do lokalizowania elektronów w krysztale, którego właściwości metaliczne są w konsekwencji znacznie degradowane. Z tego wynika cała złożoność plutonu: biorąc pod uwagę bardzo szczególną strukturę pasmową materiału, gdzie pasma 5f i 6d mają bardzo podobne poziomy energii, elektrony 5f plutonu znajdują się na granicy między stanem zlokalizowanym a stanem zdelokalizowanym w krysztale , dzięki czemu wystarczy niewielka zmiana energii wewnętrznej, aby przejść z jednej na drugą, co powoduje gwałtowne zmiany właściwości makroskopowych materiału.
W wyniku wpływu elektronów 5f kryształy lekkich aktynowców są mniej symetryczne niż metali zwykłych, ponieważ orbitale 5f są bardzo kierunkowe i ograniczają geometrię kryształów. Protaktyn krystalizuje w układzie kwadratowym , mniej symetrycznie niż w przypadku metali nieszlachetnych, podczas gdy uran i neptun krystalizuje w układzie rombowym , jeszcze mniej symetrycznie, a pluton krystalizuje w układzie jednoskośnym , najmniej symetrycznym ze wszystkich. Wynika z tego, że pluton w stanie standardowym jest mało plastyczny , mało plastyczny , mało plastyczny , a przeciwnie jest raczej twardy i kruchy; jego właściwości mechaniczne są często porównywane do właściwości żeliwa szarego .
Inną konsekwencją wpływu elektronów 5f, pluton w stanie standardowym ma niską przewodność elektryczną i niską przewodność cieplną , ale wysoką pojemność cieplną , podobną do ciężkich materiałów fermionowych . Ponadto jego przewodnictwo elektryczne ma tendencję do zmniejszania się, gdy materiał jest chłodzony, co jest przeciwieństwem zwykłego zachowania metali. Trend obserwuje się do 100 K , a następnie odwraca się dla świeżego plutonu; jednak rezystywność wzrasta z czasem z powodu uszkodzenia sieci krystalicznej z powodu radioaktywności.
Metal |
Przewodność cieplna |
Rezystywność elektryczna |
Ściśliwość |
Younga sprężystości |
---|---|---|---|---|
pluton α | 4,2 W · m -1 · K -1 | 1,45 μΩ · m | 0,020 GPa -1 | 100 GPa |
pluton δ ( Pu-Ga ) | 9,2 W · m -1 · K -1 | 1,00 μΩ · m | 0,033 GPa -1 | 42 GPa |
Stal nierdzewna | 15 W · m -1 · K -1 | 0,7 μΩ · m | 0,0007 GPa -1 | 180 GPa |
Aluminium | 222 W · m -1 · K -1 | 0,029 μΩ · m | 0,015 GPa -1 | 70 GPa |
Ogólnie rzecz biorąc, radioaktywność zaburza strukturę krystaliczną plutonu poprzez kumulowanie się defektów krystalicznych . Jednak samopromieniowanie może również nagrzać materiał dostatecznie, aby doprowadzić do wyżarzania , kompensując poprzedni efekt do temperatur powyżej 1000 K .
Znanych jest około dwudziestu izotopów plutonu . Pluton-244 ma okres półtrwania dłuższy, z 80,8 mln lat temu, a następnie plutonu 242 , z 373 300 lat, a pluton-239 , z 24 110 lat. Wszystkie inne izotopy plutonu mają okres półtrwania krótszy niż 7000 lat. Pluton ma również osiem izomerów jądrowych , których okres półtrwania jest zawsze krótszy niż jedna sekunda.
Znane izotopy plutonu mają masę atomową w zakresie od 228 do 247. Preferowanym sposobem rozpadu izotopów lżejszych niż pluton 244 jest samorzutne rozszczepienie i rozpad α , w wyniku którego powstaje głównie neptun i uran , a także szeroka gama produktów rozszczepienia. . Preferowanym sposobem rozpadu izotopów cięższych niż pluton 244 jest rozpad β , który zasadniczo wytwarza ameryk . Pluton-241 to izotop dominującą neptun serii rozpadu, co daje ameryk-241 przez p rozkładu.
Pluton-239 jest z uranu-233 i uranu-235 , jeden z trzech głównych rozszczepialnych izotopów wykorzystywane przez przemysł jądrowy lub do celów wojskowych. Pluton-241 jest również bardzo rozszczepialne, to znaczy może on podzielony pod wpływem działania neutronów termicznych uwalniającego więcej neutronów wystarczający do rozszczepiania innych atomów, a tym samym utrzymywać reakcję łańcuchową ; jest jednak znacznie bardziej radioaktywny niż pluton 239 i wytwarza, poprzez rozpad β , ameryku 241 , silnego emitera niepożądanych cząstek α w typowych zastosowaniach plutonu. Po poddaniu neutronów termicznych izotopy 239 PU i 241 PU ma prawdopodobieństwo około 3 / 4 pękania i około 1 / 4 dając 240 PU i 242 Pu odpowiednio, tak, że stopa 240 PU resztkowego plutonu PO reakcja jądrowa jest większa niż początkowego plutonu.
Zasadniczo mniej radioaktywny niż większość innych izotopów, jednak czysty pluton 239 ma współczynnik mnożenia k eff większy niż 1, co oznacza, że ten materiał może osiągnąć masę krytyczną, o ile wystarczająca ilość materiału zostanie zebrana w odpowiedniej objętości. Podczas rozszczepienia atomu ułamek energii wiązania jądrowego , który utrzymuje jądro atomowe razem , jest uwalniana w postaci energii elektromagnetycznej i energii kinetycznej , przy czym ta ostatnia jest szybko przekształcana w energię cieplną . Rozszczepienie jednego kilograma plutonu-239 może powodować eksplozję odpowiada 21 kt z TNT ( 88,000 GJ ). To właśnie ta energia jest wykorzystywana przez reaktory jądrowe i broń jądrową .
Obecność plutonu 240 w masie plutonu-239 ogranicza jego znaczenie militarne, ponieważ izotop ten ma szybkość samorzutnego rozszczepienia wyższą o ponad cztery rzędy wielkości od plutonu 239 - około 440 rozszczepienie · s -1 · G -1 lub więcej niż 1000 neutronów · s -1 · g -1 - co obniża właściwości wybuchowe materiału i zwiększa ryzyko niekontrolowanej eksplozji. Mówi się, że pluton jest klasy wojskowej (klasa do broni ), gdy zawiera mniej niż 7% plutonu 240 , a klasy paliwowej (klasa paliwowa ), gdy zawiera mniej niż 19%. Wysoka jakość pluton ( supergrade ), zawierająca mniej niż 4% plutonu 240 , używany, ze względu na jego dolnej radioaktywności dla broni jądrowej, które muszą być przechowywane w bezpośrednim sąsiedztwie załóg, w atomowych okrętów podwodnych wyrzutni z narzędzi i różnych typów okrętów wojennych dla przykład. Pluton-238 nie jest rozszczepialny, ale łatwo można fissioned napędzany przez szybkie neutrony i alfa radioaktywności .
Dwa główne zsyntetyzowane izotopy to pluton 238 i pluton 239 . Pluton-239 jest produkowany przez wychwyt neutronów i rozkładu z p o uran-238 :
W neutronów z rozszczepienia o uranu 235 są przejmowane przez jąder z uranu 238 , z wytworzeniem uranu 239 ; β rozpad przekształca neutronu do protonu do formy neptun 239 , przekształcany przez drugi rozpadu beta w plutonu 239 .
Pluton-238 jest produkowany przez bombardowanie uranu-238 z jonami o deuteru :
Oprócz plutonu 240 , który charakteryzuje się dużą szybkością samorzutnego rozszczepienia , i plutonu 241 , który rozpada się pod wpływem promieniotwórczości β , spontaniczny rozpad głównych izotopów plutonu odbywa się głównie na drodze promieniotwórczości α , czyli emisji cząstek α ( He 2+ ), które rekombinują z elektronami metalu tworząc hel , podczas gdy pluton ulega transmutacji w uran . Tak więc typowy 5 kg rdzeń broni jądrowej zawiera 12,5 × 10 24 atomów, co daje aktywność 11,5 × 10 12 Bq ( rozpadów na sekundę) emitujących cząstki α, co odpowiada całkowitej mocy 9 68 W .
Izotop | Kropka
radioaktywny |
Aktywność masowa |
Tryb zaniku |
syn nuklidowy |
Raport połączenia |
Energia rozpadu |
---|---|---|---|---|---|---|
238 Pu | 87,76 lat | 6,34 x 10 11 Bq · g-1 | Α promieniotwórczość | 234 U | 71,04% | 5,499 MeV |
28,84% | 5,457 MeV | |||||
239 Pu | 24 130 lat | 2,295 x 10 9 Bq · g-1 | Α promieniotwórczość | 235 jednostek | 73,30% | 5,156 MeV |
15,10% | 5,144 MeV | |||||
11,45% | 5,106 MeV | |||||
240 pu | 6567,5 lat | 8,40 x 10 9 Bq · g-1 | Α promieniotwórczość | 236 U | 72,90% | 5,168 MeV |
27,00% | 5.124 MeV Me | |||||
241 Pu | 14,29 lat | 3,81 × 10 12 Bq g-1 | Β promieniotwórczość | 241 rano | 99,99% | 20,81 keV |
Do radioizotopów plutonu uwalniają ciepło rozkładu zmiennej w zależności od rozpatrywanych izotopów. Wielkość ta jest zwykle podawana w watach na kilogram lub miliwatach na gram . Może osiągnąć znaczne wartości w dużych częściach plutonu (na przykład w głowicach nuklearnych ). Wszystkie izotopy plutonu emitują również słabe promienie γ .
Izotop | Ciepło rozpadu | Spontaniczne rozszczepienie ( neutrony ) | Uwagi |
---|---|---|---|
238 Pu | 560 W · kg -1 | 2600 g -1 · s -1 | Ciepło o bardzo dużym rozpadzie stosowane w radioizotopowych generatorach termoelektrycznych |
239 Pu | 1,9 W · kg -1 | 0,022 g -1 · s -1 | Główny izotop rozszczepialny plutonu. |
240 pu | 6,8 W · kg -1 | 910 g -1 · s -1 | Główne zanieczyszczenie plutonu 239 . Jakość plutonu jest ogólnie wyrażana jako procent 240 Pu. Szybkość spontanicznego rozszczepienia jest niekorzystna dla zastosowań wojskowych. |
241 Pu | 4,2 W · kg -1 | 0,049 g -1 · s -1 | Rozpada się do ameryku 241 . Jego akumulacja stwarza ryzyko napromieniowania przez stare kawałki plutonu. |
242 Pu | 0,1 W · kg -1 | 1700 g -1 · s -1 |
Istnieje sześć alotropów plutonu pod ciśnieniem atmosferycznym, a siódmy powyżej 60 MPa . Te alotropy mają energię wewnętrzną, która niewiele się zmienia, podczas gdy ich właściwości fizyczne zmieniają się dramatycznie. Gęstości czystego plutonu przy ciśnieniu atmosferycznym, to w ten sposób 19,86 g · cm -3 plutonu α w temperaturze pokojowej, ale tylko 15,92 g · cm -3 plutonu δ w 125 ° C , o gęstości 20% mniejsza, co odpowiada liniowej wydłużenia o ponad 7,6%. Pluton może więc gwałtownie reagować na zmiany ciśnienia, temperatury lub środowiska chemicznego, a przemianom fazowym mogą towarzyszyć znaczne i gwałtowne zmiany objętości.
Faza | Kryształowy system |
Temperatura od przejścia fazowego |
Masa objętościowa |
---|---|---|---|
α | Pojedyncza klinika | - | 19,86 g · cm -3 |
β | Monoklina z wyśrodkowanymi podstawami | 124,5 °C | 17,70 g · cm -3 |
γ | Twarz wyśrodkowany rombowy | 214,8 °C | 17,14 g · cm -3 |
δ | sześcienny skupiony na twarzy | 320,0 °C | 15,92 g · cm -3 |
' | Wyśrodkowany kwadratowy | 462,9 °C | 16,00 g · cm -3 |
ε | Wyśrodkowany sześcienny | 482,6 °C | 16,51 g · cm -3 |
Ciekły | ~ 640 °C | 16,65 g · cm -3 |
Jednoskośny (α)
Wyśrodkowany na czworokąt (δ ')
Istnienie tak różnych alotropów dla tak podobnych energii wewnętrznych sprawia, że kształtowanie czystego plutonu jest szczególnie delikatne. Jego stan standardowy , faza α, jest jednoskośna , dzięki czemu czysty pluton w temperaturze pokojowej jest twardym i kruchym materiałem, takim jak żeliwo szare , które mało poddaje się obróbce i jest podatne na nagłe zmiany geometrii pod ciśnieniem. Z drugiej strony, faza δ jest sześcienna , podobnie jak wiele popularnych metali, takich jak aluminium i nikiel , i ma właściwości mechaniczne podobne do aluminium . Stabilna od 320,0 do 462,9 °C dla czystego plutonu, faza δ może być stabilizowana do temperatury pokojowej przez dodanie niewielkiej ilości galu , aluminium, ameryku , skandu lub ceru , które mogą być obrabiane i spawane z plutonu. Stopu pluton galu są często używane do tego celu, ponieważ sprawia, że możliwe jest przezwyciężenia niepożądanych przemian fazowych powodowania zakłóceń na skutek pęcznienia lub skurcze się w części. Krzemu The indu The cynku i cyrkonu umożliwić powstawanie δ fazy metastabilnej przez szybkie chłodzenie. Dodatek dużych ilości hafnu , holmu i talu umożliwia również zachowanie fazy δ do temperatury pokojowej. Neptunium jest jedynym elementem, który stabilizuje a fazą monokliniczną temperaturze wyższej.
Elastyczność fazy hemibursztynianu jest anizotropowy , który może zmieniać się o współczynnik sześciu do siedmiu, w zależności od kierunku.
W broniach rozszczepialnych fala uderzeniowa ściskająca jądro (powyżej kilkudziesięciu kilobarów) powoduje również przejście z fazy delta do formy alfa, wyraźnie gęstszej, co umożliwia łatwiejsze osiągnięcie krytyczności .
Stopy pluton mogą być uzyskane poprzez dodanie metalu do stopionego plutonu. Jeśli dodany metal jest wystarczająco redukujący , pluton może być dostarczany w postaci tlenków lub halogenków . Pluton galu stopu i stopu pluton aluminium, które stabilizują fazę hemibursztynianu plutonu w temperaturze pokojowej, otrzymuje się przez dodanie pluton trifluorek puf 3ze stopionym galem lub aluminium , co ma tę zaletę, że unika się manipulowania metalicznym plutonem, który jest bardzo reaktywny.
Czysty pluton w temperaturze pokojowej ma srebrzyste powierzchnie, które matowieją w ciągu kilku minut w kontakcie z powietrzem. Wykazuje cztery typowe stany utlenienia w roztworze wodnym oraz rzadszą piątą:
Kompleks z plutonem na formalnym stopniu utlenienia +2, [K (2.2.2- kryptand )] [Pu II Cp ″ 3 ], gdzie Cp ″ = C 5 H 3 (SiMe 3 ) 2, również został opublikowany.
Kolor roztworów jonów plutonu zależy zarówno od stopnia utlenienia, jak i charakteru anionu kwasowego . To właśnie ta ostatnia wpływa na stopień skompleksowania plutonu.
Metaliczny pluton otrzymuje się w reakcji tetrafluorku plutonu PuF 4z barem , wapniem lub litem w 1200 ° C . Jest atakowany przez kwasy , tlen i parę wodną , ale nie przez zasady . Łatwo rozpuszcza się w kwasie solnym HCl, jodowodorowym HI i kwasie nadchlorowym HClO 4koncentraty. Stopiony pluton musi być przechowywany pod próżnią lub w atmosferze obojętnej, aby uniknąć reakcji z powietrzem. W temperaturze 135 ° C metaliczny pluton zapala się na wolnym powietrzu i eksploduje w obecności tetrachlorometanu CCl 4.
Pluton reaguje z węglem, tworząc węgliki plutonu Pu 3 C 2, PuC 1-δ, Pu 2 C 3i PuC 2 ; reaguje z azotem N 2z wytworzeniem PUN azotki oraz z krzemem , tworząc Pusi 2 krzemku ; reaguje z halogenami X 2, gdzie X może oznaczać fluor , chlor , brom i jod , dając trójhalogenki PuX 3. Z fluorem, oprócz trifluorku plutonu PuF 3obserwujemy również tetrafluorek plutonu PuF 4a także sześciofluorek plutonu PuF 6. Ponadto powstają tlenohalogenki PuOCl, PuOBr i PuOI.
W tygle używane z plutonu musi być w stanie wytrzymać same właściwości redukujących ten metal. Odpowiednie mogą być metale ogniotrwałe, takie jak tantal i wolfram oraz tlenki , borki , węgliki , azotki i krzemki . Topienie w elektrycznym piecu łukowym może umożliwić wytwarzanie małych wlewków metalicznego plutonu bez konieczności stosowania tygla.
Czysty pluton wystawiony na działanie wilgoci, zarówno w powietrzu, jak i w argonie , w ciągu kilku minut pokrywa się matową warstwą mieszaniny tlenków i wodorków , która rozpada się, tworząc drobny lotny pył, którego wdychanie może stanowić poważne zagrożenie dla zdrowia . To jest powód, dla którego pluton jest przechowywany w komorach rękawicowych, które zapobiegają rozproszeniu atmosferycznemu tego pyłu.
Dokładniej, pluton wystawiony na suche powietrze zostaje pokryty warstwą dwutlenku plutonu PuO 2co zapewnia znakomitą pasywację metalu, zmniejszając postęp utleniania w materiale do zaledwie 20 pm · h -1 . Z drugiej strony obecność wilgoci wprowadza wodorki PuH x, Z 1,9 <x <3 , która katalizuje się korozji przez tlen O 2, natomiast wilgotność przy braku tlenu wprowadza tlenki pośrednie, takie jak półtoratlenek Pu 2 O 3które sprzyjają korozji wodorowej. Wreszcie wilgoć w obecności tlenu prowadzi do utleniania dwutlenku PuO 2 .z wytworzeniem wyższego tlenku PuO 2 + x na warstwie dwutlenku, który w wilgotnym powietrzu wydaje się sprzyjać korozji metalu.
Proszki plutonu, jego wodorków i niektórych tlenków, np. Pu 2 O 3są piroforyczne , tj. mogą zapalić się samoistnie w kontakcie z powietrzem w temperaturze pokojowej, dlatego są obsługiwane w suchej obojętnej atmosferze azotu N 2lub argon Ar. Stały pluton zapala się dopiero powyżej 400 °C . Pu 2 O 3samorzutnie nagrzewa się i zamienia w dwutlenek plutonu PuO 2, który jest stabilny w suchym powietrzu, ale reaguje na gorąco z parą wodną . Reakcje w grze byłyby następujące:
3 PuO 2+ Pu → 2 Pu 2 O 3 2 Pu 2 O 3+ O 2→ 4 PuO 2.Pluton reaguje również z wodorem H 2do tworzenia wodorków PuH x, przy 1,9 <x <3 :
2P + x H 2→ 2 PuH x.Wartość x zależy od ciśnienia cząstkowego wodoru i temperatury reakcji. Te wodorki, które są skrystalizowanymi ciałami stałymi w układzie sześciennym zorientowanym na twarz, są szybko utleniane przez powietrze i dysocjują na swoje elementy składowe po podgrzaniu w dynamicznej próżni, tj. przy ciągłym pompowaniu uwalnianego wodoru.
Różne rodzaje ryzyka muszą być rozpatrywane w odniesieniu do przenoszenia plutonu, który zależy ściśle od izotopów zaangażowanych . Wypadków krytyczności wystąpić podczas manipulowania błędów prowadzących do utworzenia masy krytycznej plutonu i są podatne na uszkodzenia . Przyczynę syndromu promieniowania ostry . Radiowej toksyczność i toksyczność reprodukcyjnego wystąpić w wyniku absorpcji plutonu w ciele prowadząc do napromieniowaniu tkanki z promieniowaniem jonizującym może powodować mutacje genetyczne i wywoływać raka .
Najpopularniejszymi izotopami plutonu są przede wszystkim emitery α , napromieniowujące cząstki α o mocy od 4,9 do 5,5 MeV, które są łatwo zatrzymywane przez dowolną substancję stałą, w szczególności naskórek . Przez pluton 241 Emitowane promienie beta , bardziej przenikania niż promieniowanie alfa, ale tylko 5,2 keV .
Z chemicznego punktu widzenia pluton jest palny i samozapalny , więc stwarza zagrożenie pożarowe. Z drugiej strony jego toksyczność chemiczna nie jest szczególnie znacząca.
Akumulacja plutonu w objętości zbliżonej do masy krytycznej prawdopodobnie doprowadzi do zainicjowania reakcji jądrowej, w której emitowana jest śmiertelna ilość neutronów i promieni γ . Ryzyko jest tym większe w przypadku plutonu, ponieważ masa krytyczna plutonu 239 wynosi na ogół tylko jedną trzecią masy uranu 235 . To ryzyko zwiększa się w roztworze ze względu na zmniejszającego efektu z wodorem w wodzie , która thermalises się neutronów .
Kilka wypadków krytyczności udziałem pluton został zgłoszony do XX th wieku , prowadząc do śmierci niektórych osób dotkniętych. Tak było na przykład w Narodowym Laboratorium Los Alamos w dniu 21 sierpnia 1945 r. podczas błędu w obsłudze cegieł z węglika wolframu używanych jako reflektory neutronów wokół kuli plutonu klasy wojskowej, co spowodowało 25 dni później śmierć Harry'ego Daghliana Jr. . , a następnie Manhattan Project badacz , w wyniku zespołu ostrego promieniowania po dawce on odebrany, szacuje się na 5,1 Sv . Dziewięć miesięcy później Louis Slotin również zmarł w Los Alamos w podobnym wypadku, gdy manipulował reflektorami berylowymi wokół tej samej kuli plutonu, zwanej rdzeniem demona . Również w Los Alamos doszło do innego wypadku w accidentgrudzień 1958, co kosztowało życie technika laboratoryjnego Cecila Kelleya podczas operacji oczyszczania plutonu, w wyniku tworzenia się masy krytycznej w mieszalniku. Inne tego typu wypadki miały miejsce na całym świecie, czy to w Stanach Zjednoczonych , Związku Radzieckim , Japonii czy innych krajach.
Syntetyczny pierwiastek wyprodukowany specjalnie ze względu na swoją radioaktywność , pluton jest najbardziej znany ze swojej radiotoksyczności . Wynika to z trzech rodzajów promieniowania jonizującego : promieni α ( cząstki α ), promieni β ( elektrony ) i promieni γ ( fotonów energetycznych). Ostra lub długotrwała ekspozycja na to promieniowanie stanowi zagrożenie dla zdrowia, które może objawiać się w kontekście ostrego zespołu popromiennego z mutacjami genetycznymi i nowotworami . Ryzyko wzrasta wraz z pochłoniętą dawką , mierzoną w szarościach (Gy), a dokładniej w funkcji dawki równoważnej , mierzonej w siwertach (Sv), która waży fizjologiczny wpływ różnych rodzajów otrzymanego promieniowania według ich zdolności do spowodować uszkodzenie napromieniowanej tkanki . Ta waga jest wprowadzana przez współczynnik dawki, zwykle mierzony w mikrosiwertach na bekerel (µSv / Bq):
Izotop | pluton 238 | pluton 239 | pluton 240 | pluton 241 | pluton 242 |
---|---|---|---|---|---|
Aktywność masowa | ~ 630 GBq · g -1 | ~ 2,3 GBq · g -1 | ~ 8,5 GBq · g -1 | ~ 3700 GBq · g -1 | ~ 0,15 GBq · g -1 |
Współczynnik dawki | 0,23 Sv · Bq -1 | 0,25 Sv · Bq -1 | 0,25 Sv · Bq -1 | 0,0048 Sv · Bq -1 | 0,24 Sv · Bq -1 |
W ten sposób promienie γ przechodzą przez wszystkie tkanki i wpływają na cały organizm, podczas gdy promienie β są mniej penetrujące, a promienie α nie przechodzą przez naskórek, ale są znacznie bardziej energetyczne (kilka megaelektronowoltów wobec kilku kiloelektronowoltów dla promieni β i γ) . Tak więc cząstki α są niebezpieczne, gdy są emitowane nawet w tkankach przez zaabsorbowany pluton. Głównym zagrożeniem jest wdychanie cząstek zawierających pluton, zwłaszcza w postaci dwutlenku plutonu PuO 2, który tworzy się szybko w kontakcie z powietrzem i który ma tendencję do rozpadu na drobny pył w obecności wilgoci. W ten sposób wykazano zwiększoną zachorowalność na raka płuc u pracowników sektora jądrowego. Ryzyko raka płuca wzrasta, gdy równoważna dawka wziewnego plutonu osiąga 400 mSv . Z drugiej strony, spożycie pochłania tylko 0,04% PuO 2spożyte. Zagrożenia dotyczą również kości, w których gromadzi się pluton, a także wątroby, w której jest skoncentrowany.
Nie wszystkie izotopy plutonu wykazują ten sam poziom radiotoksyczności. Pluton o jakości wojskowej, składający się w ponad 92% z plutonu 239 , wykazuje zatem dość umiarkowaną radiotoksyczność, ze względu na swoją masową aktywność mniejszą niż plutonu 240, a zwłaszcza plutonu 238 . Pluton-241 wykazuje aktywność tysiąc razy większa, emitując beta promienie , które są bardziej penetrujące niż promieniowanie alfa , aczkolwiek tysiąc razy mniej energii.
Izotop | pluton 238 | pluton 239 | pluton 240 | pluton 241 | pluton 242 |
---|---|---|---|---|---|
Α promieniowanie | 5,5 MeV | 5,1 MeV | 5,2 MeV | < 1 keV | 4,9 MeV |
Β promieniowanie | 11 keV | 6,7 keV | 11 keV | 5,2 keV | 8,7 keV |
Γ promieniowanie | 1,8 keV | < 1 keV | 1,7 keV | < 1 keV | 1,4 keV |
Największą radiotoksyczność wykazuje pluton-238 , natomiast pluton-241 , którego stężenie w plutonie wzrasta z czasem, szybko produkt ameryku-241 , który emituje energię promieniowania γ, może znacząco narażać środowisko na promieniowanie.
Dawka śmiertelna spowodowana ostrym zespołem napromieniowania obserwowana w doświadczeniach in vivo jest rzędu 400 do 4000 µg kg- 1 w pojedynczej dawce, chroniczne zanieczyszczenie ma bardziej rozproszone efekty. Szacuje się zatem, że ilość rzędu dziesięciu miligramów powoduje śmierć osoby, która jednorazowo wdychała tlenki plutonu. Rzeczywiście, testy przeprowadzone na pawianach i psach prowadzą do oszacowania śmiertelności ludzi na 50% po 30 dniach przy 9 mg , po roku przy 0,9 mg i po 1000 dniach przy 0,4 mg .
Pojawienie się guzów płucnych wykazano u psów i szczurów po inhalacji słabo rozpuszczalnych związków, takich jak tlenki plutonu: wykazana zależność dawka-efekt obejmuje próg dla pojawienia się guzów dla dawki w płucach około 1 Gy . Ten próg pojawiania się guzów odpowiadałby u ludzi złogu w płucach około 200 kBq lub 87 μg ) 239 PuO 2 ..
Pluton stanowi zagrożenie pożarowe, zwłaszcza gdy jest w postaci drobno rozdrobnionego proszku. W obecności wilgoci tworzy na swojej powierzchni wodorki, które są piroforyczne i mogą się zapalić w temperaturze pokojowej. Ryzyko jest realne i zmaterializowało się w 1969 r. w wyniku dużego pożaru plutonu w krajowym laboratorium Rocky Flats . Wzrost objętości wynikający z utlenienia plutonu może osiągnąć 70% i rozbić zbiorniki. Radioaktywność tego palnego metalu stanowi dodatkowe zagrożenie.
Tlenek magnezu MgO prawdopodobnie najskuteczniejszym substancja gaszenia ognia plutonu: stygnięcia metalu, służących jako radiator podczas przycinania dostarczać tlen spalania . Aby zapobiec ryzyku pożaru, zaleca się obsługę plutonu w obojętnej, suchej atmosferze.
Pluton wykazuje toksyczność metali ciężkich w taki sam sposób, jak na przykład uran , ale jest mniej udokumentowany niż ten drugi, a badania nie stawiają toksyczności chemicznej jako głównego zagrożenia związanego z plutonem. Kilka populacji narażonych na pył plutonowy było ściśle monitorowanych w celu oceny wpływu skażenia plutonem na ich zdrowie, takich jak ludzie mieszkający w pobliżu miejsc eksperymentów jądrowych w atmosferze, gdy byli upoważnieni, ludzie pracujący w instalacjach jądrowych, osoby, które przeżyły bombardowanie atomowe Nagasaki nawet pacjentom „w terminalnej fazie” śmiertelnych chorób, którym wstrzykiwano pluton w latach 1945-1946 w celu obserwowania jego metabolizmu w organizmie człowieka . Badania te nie wykazują toksyczności zwykle szczególnie wysokiej dla plutonu, ze słynnymi przykładami przypadków, takich jak przypadek Alberta Stevensa , cytowanego przez Bernarda Cohena (w) , który dożył późnego wieku po zastrzykach z plutonu. Kilkudziesięciu badaczy z Narodowego Laboratorium Los Alamos również wdychało znaczne ilości pyłu plutonu w latach 40. bez rozwoju raka płuc.
Pewna antynuklearna retoryka twierdzi, że „spożycie nawet jednej milionowej grama jest śmiertelne”, czego nie potwierdza istniejąca literatura. Dane epidemiologiczne członków „klubu UPPU ”, to znaczy 26 osób, które pracowały w narodowym laboratorium Los Alamos nad plutonem i które spożyły go do tego stopnia, że były obserwowane w moczu, pokazują na przykładzie śmiertelność i zachorowalność na raka niższa od średniej.
Twierdzenie, że „wystarczyłoby tylko kilkaset gramów plutonu równomiernie rozłożonego na ziemi, aby wymazać całe ludzkie życie” również nie jest zgodne z dostępnymi danymi. Szacuje się, że rozproszenie masy rzędu jednego kilograma na obszarze kilkuset kilometrów kwadratowych (czyli w promieniu około 10 km ) prowadzi do skażenia poniżej jednej setnej mikrograma na metr kwadratowy , więc kilkaset gramów równomiernie rozłożonych na powierzchni Ziemi byłoby znacznie poniżej jakiejkolwiek wykrywalnej ilości.
Konieczne jest również, aby odróżnić radiotoksyczności z plutonu 238 , co jest szczególnie wysoka, od tego plutonu 239 używanych przez przemysł jądrowy, którego wojska i spontaniczny radioaktywność jest znacznie mniej. Te dwa izotopy są produkowane w bardzo różnych ilościach, przez oddzielne obwody i do niepowiązanych zastosowań: pluton 238 jest produkowany w ilości kilku kilogramów głównie jako pokładowe źródło energii dla radioizotopowego generatora termoelektrycznego , podczas gdy pluton-239 jest produkowany w tempie kilku ton, aby wykorzystać jego naturę rozszczepialnego izotopu w reaktorach jądrowych lub broni jądrowej.
U ludzi wchłonięty pluton jest transportowany przez transferyny i gromadzony we krwi przez ferrytynę, ostatecznie gromadząc się głównie w kościach , także w wątrobie oraz, w mniejszym stopniu, w płucach . Pozostaje w ludzkim ciele z biologicznym okresem półtrwania około 50 lat. Powszechnym sposobem ograniczenia skutków jest wstrzyknięcie kompleksu kwasu dietylenotriaminopentaoctowego ( DTPA , czasami zwanego „kwasem pentetowym”) z wapniem lub cynkiem w ciągu 24 godzin od zanieczyszczenia, co ogranicza wiązanie plutonu, a także ameryku i kurium . Można również stosować inne chelatory , takie jak enterobaktyna i deferoksamina , niektóre o lepszej skuteczności niż DTPA, takie jak 3,4,3-LIHOPO lub DFO-HOPO (deferoksamina-hydroksypirydynon).
Szacuje się, że u ludzi 10% plutonu, który przekroczył barierę jelitową lub płucną, opuszcza organizm (w moczu i kale). Pozostała część po przejściu przez krew jest utrwalana w połowie w wątrobie, a w połowie w szkielecie , gdzie pozostaje przez bardzo długi czas, a częściowo na całe życie (amerykański DOE szacuje, że okres półtrwania w narządzie wynosi odpowiednio 20 i 50 lat). dla wątroby i kości, według uproszczonych modeli, które nie uwzględniają redystrybucji pośrednich (w przypadku złamań i/lub menopauzy (por. odwapnienie ) oraz podczas normalnego recyklingu kości itp.). poziom nagromadzony w wątrobie i szkielecie zależy również od wieku osobnika (absorpcja w wątrobie wzrasta wraz z wiekiem) i w rzeczywistości pluton jest najpierw utrwalany na powierzchni korowej i beleczkowej kości, a następnie ulega powolnej redystrybucji. objętość mineralna kości.
Pluton-239 jest rozszczepialny izotop kluczem do realizacji broni jądrowej ze względu na jego względnej łatwości wdrożenia i stosunkowo wysokiej dostępności. Możliwe jest zmniejszenie masy krytycznej niezbędnej do wybuchu poprzez otoczenie rdzenia plutonowego reflektorami neutronowymi, które pełnią podwójną rolę polegającą na zwiększeniu przepływu neutronów termicznych w rdzeniu i opóźnieniu rozszerzalności cieplnej tych ostatnich, w celu przedłużenia łańcucha reakcji i zwiększyć siłę wybuchu jądrowego .
Masa 10 kg z plutonu 239 , bez odbłyśnika jest na ogół wystarczające do osiągnięcia krytycznego; tę masę można zmniejszyć o połowę dzięki zoptymalizowanemu projektowi. To około jednej trzeciej masy krytycznej uranu 235 .
Bomba Fat Man spadła na Nagasaki przez Stany Zjednoczone 9 sierpnia 1945 stosując obciążenie 6,4 kg od stopu plutonu-galu 239 Pu - 240 Pu - Ga 96: 1: 3 wokół źródła neutronów He inicjacja Be - 210 Po wszystkim otoczona soczewek wybuchowych prasując plutonu znacznie zwiększa jego gęstość, a tym samym siła wybuchu, które osiągnęły równoważnik 20000 t w TNT . Teoretycznie możliwe jest zmniejszenie masy plutonu wymaganej w broni jądrowej w celu osiągnięcia krytyczności do mniej niż 4 kg przy wystarczająco dopracowanej konstrukcji.
Zużytego paliwa jądrowego z reaktorów wodnych konwencjonalnych zawiera mieszaninę izotopów 238 Pu , 239 Pu , 240 Pu i 242 Pu . Ta mieszanina nie jest wystarczająco wzbogacona w pluton 239 , aby umożliwić produkcję broni jądrowej , ale może być przetworzona na paliwo MOX . W liczba neutronów niezamierzonym podczas reakcji jądrowej zwiększa ilość plutonu 240 i plutonu 242 podczas pluton naświetlano w reaktorze neutronów termicznych tak, że po pierwszym cyklu, pluton mogą być stosowane więcej niż szybko reaktorów neutronów . Jeśli takie reaktory nie są dostępne, co zwykle ma miejsce, nadmiar plutonu jest zwykle usuwany, tworząc długożyciowe odpady promieniotwórcze . Chęć zmniejszenia ilości takich odpadów i ich odzysku skłoniła do stworzenia większej liczby reaktorów na neutrony prędkie.
Najpopularniejszy proces chemiczny, znany jako PUREX , umożliwia ponowne przetwarzanie zużytego paliwa jądrowego poprzez ekstrakcję zawartego w nim plutonu i uranu w celu wytworzenia mieszaniny tlenków zwanej MOX , zasadniczo dwutlenku uranu UO 2i dwutlenek plutonu PuO 2, który może być ponownie użyty w reaktorach jądrowych. Do tej mieszaniny można dodać pluton klasy wojskowej, aby zwiększyć jej wydajność energetyczną. MOX może być stosowany w reaktorach na lekką wodę i zawiera około 60 kg na tonę paliwa; po czterech latach użytkowania zużywa się trzy czwarte plutonu. Te reaktory hodowca mają na celu optymalizację wykorzystania neutronów wytwarzanych podczas reakcji jądrowej stosując je wytworzyć, z " płodnych węgla , więcej materiału rozszczepialnego one zużywają.
MOX jest używany od lat 80 - tych , zwłaszcza w Europie . Stany Zjednoczone i Rosja podpisały wwrzesień 2000, porozumienie o zarządzaniu i przetwarzaniu plutonu ( PMDA ), na mocy którego zamierzają wycofać 34 tony plutonu przeznaczonego do celów wojskowych; amerykański Departament Energii planuje się recyklingowi tę masę plutonu w MOX przed końcem 2019 roku.
MOX zwiększa całkowitą efektywność energetyczną. Pręt paliwowy jądrowy jest ponownie przetwarzany po trzech latach użytkowania w celu wydobycia odpadów, które następnie stanowią około 3% całkowitej masy tych prętów. Izotopy uranu i plutonu wytworzone podczas tych trzech lat pracy pozostają w pręcie paliwowym, który wraca do reaktora do wykorzystania. Obecność galu do 1% wagowego w plutonie klasy wojskowej może zakłócać długotrwałe użytkowanie tego materiału w reaktorze na lekką wodę.
Największe deklarowane zakłady recyklingu plutonu to jednostki B205 (en) i THORP (en) w Sellafield w Wielkiej Brytanii ; zakład przerobu w La Hague , w Francji ; elektrownia jądrowa Rokkasho w Japonii ; oraz kompleks nuklearny Majak w Rosji ; istnieją inne strony deklarowane jako mniejsze, na przykład w Indiach i Pakistanie .
Pluton-238 ma okres półtrwania o 87.74 lat. Emituje dużą ilość energii cieplnej, której towarzyszą słabe strumienie neutronów i fotonów energii gamma . Jeden kilogram tego izotopu może wytworzyć moc cieplną około 570 W . Emituje głównie wysokoenergetyczne cząstki α, które są słabo penetrujące, dlatego wymaga jedynie osłony przed światłem. Wystarczy kartka papieru, aby zatrzymać promienie α.
Te cechy sprawiają, że ten izotop plutonu jest szczególnie interesującym źródłem ciepła do zastosowań pokładowych, które muszą działać bez możliwości bezpośredniej konserwacji przez całe życie człowieka. Był więc wykorzystywany jako źródło ciepła w generatorach termicznych radioizotopów ( RTG ) i grzejnikach radioizotopowych ( RHU ), takich jak sondy Cassini , Voyager , Galileo i New Horizons oraz łazik Curiosity on Mars Science Laboratory .
Bliźniacze sondy Voyager zostały wystrzelone w 1977 roku, każda ze źródłem plutonu uwalniającym 500 W mocy . Ponad 30 lat później te źródła energii nadal uwalniały moc 300 W, umożliwiając ograniczone działanie sond. Starsza wersja tej technologii zasilała pięć pakietów Apollo Lunar Surface Experiments, począwszy od Apollo 12 w 1969 roku.
Pluton 238 został również z powodzeniem wykorzystany do zasilania rozruszników serca, aby uniknąć powtarzających się operacji w celu zastąpienia źródła zasilania. Od tego czasu pluton-238 został w dużej mierze zastąpiony przez baterie litowe , ale w 2003 roku nadal pozostawał w Stanach Zjednoczonych wśród 50-100 pacjentów wyposażonych w pluton-238 zasilany rozrusznikami serca .
Ponieważ pluton może być wykorzystywany do celów wojskowych lub terrorystycznych, jest przedmiotem wielu międzynarodowych tekstów i konwencji mających na celu zapobieganie jego rozprzestrzenianiu się . Pluton poddany recyklingowi ze zużytego paliwa jądrowego stwarza ograniczone ryzyko proliferacji ze względu na wysokie zanieczyszczenie nierozszczepialnymi izotopami, takimi jak pluton 240 i pluton 242 , których unieszkodliwienie jest niewykonalne.
Reaktor działający z bardzo niskim stopniem wypalenia wytwarza niewiele z tych niechcianych izotopów, a zatem pozostawia materiał jądrowy potencjalnie użyteczny do celów wojskowych. Uważa się, że pluton klasy wojskowej zawiera co najmniej 92% plutonu 239 , ale technicznie możliwe jest zdetonowanie bomby jądrowej małej mocy z plutonu zawierającego tylko 85% plutonu 239 . Pluton wytwarzany w reaktorze na wodę lekką o normalnej szybkości spalania zazwyczaj zawiera mniej niż 60% plutonu 239 , 10% rozszczepialnego plutonu 241 i do 30% niepożądanych izotopów plutonu 240 i 242 . Nie wiadomo, czy możliwe jest zdetonowanie urządzenia jądrowego wykonanego z takiego materiału, jednak takie urządzenie mogłoby prawdopodobnie rozprzestrzenić materiał radioaktywny na dużym obszarze.
Międzynarodowa Agencja Energii Atomowej klasyfikuje zatem wszystkie izotopy plutonu, czy są one rozszczepialny lub nie, jako materiał bezpośrednio użytkowej do celów jądrowych, to znaczy jako materiał jądrowy, który może być stosowany do produkcji materiałów wybuchowych jądrowych bez transmutacji lub dodatkowego wzbogacenia . We Francji, pluton jest materiał jądrowy, którego zatrzymanie jest uregulowane w rozdziale III tego kodeksu Obrony .
Pluton jest pierwiastkiem chemicznym bardzo rzadkim w przyrodzie i prawie wyłącznie produkowanym przez ludzi od 1940 roku do dnia dzisiejszego. Jednakże od 4 do 30 kilogramy z plutonu 239 będzie wytwarzany w każdym roku na ziemi przez alfa radioaktywności z uranu lżejsze elementy, a także pod wpływem promieniowania kosmicznego . Jest to drugi z odkrytych transuranów .
Izotop 238 Pu został wyprodukowany w 1940 roku przez bombardowanie docelową uranu przez deuter w cyklotronie w Berkeley . Podczas Projektu Manhattan , pluton 239 miał kryptonim 49 , tym „4” jest ostatnią cyfrę 94 (liczba atomowa) i „9” ostatnią cyfrę 239, masę atomową izotopu używany. O bombie , 239 Pu .
Nie ma już plutonu w wykrywalnych ilościach sięgających pierwotnej nukleosyntezy . Jednak starsze publikacje donoszą o obserwacjach naturalnego plutonu 244 . Ślady plutonu-239 znajdujemy również w naturalnych rudach uranu (podobnie jak w neptunie ), gdzie powstaje on w wyniku napromieniowania uranu przez bardzo niską prędkość neutronów powstałych w wyniku spontanicznego rozpadu uranu.
Został wyprodukowany masowo (i nadal występuje w śladowych ilościach) jako 239 Pu w szczególnych strukturach geologicznych , gdzie uran był naturalnie skoncentrowany w procesach geologicznych około 2 miliardów lat temu, osiągając krytyczność wystarczającą do wygenerowania naturalnej reakcji jądrowej . Tempo jego powstawania w rudzie uranu zostało zatem przyspieszone przez reakcje jądrowe, które były możliwe w wyniku naturalnej awarii krytycznej . Tak jest w przypadku naturalnego reaktora jądrowego w Okle .
W elektrowniach jądrowych pluton 238 powstaje obok plutonu 239 , w łańcuchu transformacji rozpoczynającym się od rozszczepialnego uranu 235 .
Pluton 238, z okresem półtrwania 86,41 lat, jest bardzo silnym emiterem promieniowania α . Ze względu na wysoką aktywność masową alfa i gamma jest wykorzystywany jako źródło neutronów (w wyniku „reakcji alfa” z elementami lekkimi), jako źródło ciepła oraz jako źródło energii elektrycznej ( poprzez zamianę ciepła na energię elektryczną). ). Zastosowania 238 Pu do wytwarzania energii elektrycznej ograniczają się do zastosowań kosmicznych, a w przeszłości do niektórych rozruszników serca.
Pluton 238 wytwarza się z napromieniowania neutronem neptunu 237, niewielkiego aktynowca odzyskanego podczas ponownego przetwarzania lub z napromieniowania ameryku, w reaktorze. W obu przypadkach, w celu wyekstrahowania plutonu 238 z celów, poddaje się je obróbce chemicznej obejmującej rozpuszczanie azotu.
Istnieje tylko około 700 g / t, w neptun 237 w paliwie reaktora wodę lekką spędzony 3 lata, i musi być selektywnie ekstrakcji.
Napromieniowanie uranu 238 w reaktorach jądrowych generuje pluton 239 przez wychwytywanie neutronów . Po pierwsze, atom uranu 238 wychwytuje neutron i przejściowo przekształca się w uran 239 . Ta reakcja wychwytywania jest łatwiejsza w przypadku neutronów prędkich niż neutronów termicznych, ale występuje w obu przypadkach.
Utworzony uran 239 jest bardzo niestabilny. Przekształca się szybko (z okresem półtrwania 23,5 minuty) w neptun pod wpływem radioaktywności β:
Neptun 239 jest niestabilny, a to z kolei przechodzi P- próchnicy (z okresem półtrwania 2,36 dni), który zamienia się w pluton-239 względnie stabilny (okres półtrwania od 24000 lat).
Pluton 239 jest rozszczepialny , a zatem może przyczynić się do reakcji łańcuchowej w reaktorze . Dlatego też, dla bilansu energetycznego reaktora jądrowego , potencjał energetyczny uranu obecnego w reaktorze obejmuje nie tylko ten początkowo obecny uran 235, ale również ten płodny uran 238, który zostanie przetransmutowany w plutonie.
Poddany działaniu strumienia neutronów w reaktorze, pluton 239 może również wychwytywać neutron bez ulegania rozszczepieniu. Ponieważ paliwo podlega coraz dłuższym okresom napromieniania, w ten sposób gromadzą się wyższe izotopy w wyniku absorpcji neutronów przez pluton-239 i jego produkty. Tworzą się w ten sposób izotopy 240 Pu, 241 Pu, 242 Pu, aż do nietrwałego 243 Pu, który rozpada się na ameryk243 .
Izotop będący przedmiotem zainteresowania ze względu na jego rozszczepialny charakter to 239 Pu , stosunkowo stabilny w skali człowieka (24 000 lat).
Szybkość produkcji izotopu zależy od dostępności jego prekursora, który musiał mieć czas na akumulację.
W nowym paliwie 239 Pu tworzy się zatem liniowo w funkcji czasu, proporcja 240 Pu wzrasta zgodnie z kwadratem czasu (w t 2 ), a 241 Pu zgodnie z sześciennym prawem czasu (w t 3 ) i tak dalej.
Tak więc, gdy do produkcji „plutonu wojskowego” wykorzystywany jest konkretny reaktor, paliwo używane do produkcji plutonu, jak również tarcze i ewentualnie osłona, są wydobywane po krótkim postoju (kilka tygodni). reaktora, aby zapewnić, że pluton 239 jest tak czysty, jak to możliwe.
Z drugiej strony, w przypadku zastosowań cywilnych, krótkie napromieniowanie nie pobiera całej energii, którą może wytworzyć paliwo. Paliwo jest więc usuwane z reaktorów wytwórczych dopiero po znacznie dłuższym pobycie (3 lub 4 lata).
W pierwszym przybliżeniu, reaktor daje zazwyczaj 0,8 atomów 239 Pu dla każdego rozszczepienia 235 U albo jeden gram plutonu na dzień na M W mocy cieplnej (reaktorów wodnych wytwarzają mniej niż grafit gazu). Na przykład we Francji reaktory jądrowe produkują rocznie około 11 ton plutonu.
240 Pu jest po prostu żyzna i ma radioaktywność „tylko” cztery razy wyższy niż 239 Pu (z półtrwania 6500 lat).
241 Pu jest rozszczepialny ale wysoce radioaktywny (okres półtrwania 14,29 lat).
Ponadto rozpada się wytwarzając ameryk 241 absorbujący neutrony , który poprzez możliwą akumulację zmniejsza skuteczność wojskowych lub cywilnych urządzeń jądrowych.
242 Pu ma okres znacznie dłuższy niż w poprzednich latach (373,000). Nie jest rozszczepialny w neutronach termicznych. Jego przekrój jest znacznie mniejszy niż innych izotopów; sukcesywny recykling plutonu w reaktorze ma zatem tendencję do gromadzenia plutonu w tej bardzo niepłodnej postaci.
243 PU niestabilny (okres półtrwania wynosi mniej niż 5 godzin), i rozpada się ameryk 243 .
Pluton-244 , najbardziej stabilnym izotopem z okresem półtrwania wynoszącym 80 milionów lat, nie tworzy się w reaktorach nuklearnych. Rzeczywiście, kolejne wychwyty neutronów, począwszy od 239 uranu, prowadzą do 243 Pu, z bardzo niskim okresem półtrwania (rzędu pięciu godzin). Nawet w reaktorach „wysokich strumieni” 243 Pu zmienia się szybko do 243 Am, bez czasu na wychwycenie dodatkowego neutronu w celu utworzenia 244 Pu.
Z drugiej strony, większe strumienie neutronów umożliwiają to tworzenie. Jest syntetyzowany podczas wybuchów jądrowych lub w gwiezdnej nukleosyntezie podczas wybuchu supernowej . Tak więc w 1952 roku wybuch pierwszej amerykańskiej bomby termojądrowej (test Ivy Mike'a ) wytworzył dwa jeszcze nieznane pierwiastki promieniotwórcze : pluton 244 ( 244 Pu) i pluton 246 ( 246 Pu). Te śladowe ilości od 244 Pu w środowisku na ogół przypisać atmosferycznych badań jądrowych, a także pozostałości 244 istotną PU.
Po blisko 70 latach stale rosnącej światowej produkcji, deklarowane zapasy plutonu osiągnęły na koniec 2013 roku łącznie 500 ton, z czego 52% pochodzenia cywilnego i 48% pochodzenia wojskowego. Zadeklarowane zapasy są dystrybuowane głównie między 5 krajów:
" Podczas gdy dwutlenek plutonu jest zwykle oliwkowozielony, próbki mogą mieć różne kolory. Powszechnie uważa się, że kolor jest funkcją czystości chemicznej, stechiometrii, wielkości cząstek i sposobu przygotowania, chociaż kolor wynikający z danej metody przygotowania nie zawsze jest powtarzalny. "
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | ||||||||||||||||
1 | H | Hej | |||||||||||||||||||||||||||||||
2 | Li | Być | b | VS | NIE | O | fa | Urodzony | |||||||||||||||||||||||||
3 | nie dotyczy | Mg | Glin | tak | P | S | Cl | Ar | |||||||||||||||||||||||||
4 | K | To | Sc | Ti | V | Cr | Mn | Fe | Współ | Lub | Cu | Zn | Ga | Ge | As | Se | Br | Kr | |||||||||||||||
5 | Rb | Sr | Tak | Zr | Nb | Mo | Tc | Ru | Rh | Pd | Ag | Płyta CD | W | Sn | Sb | ty | ja | Xe | |||||||||||||||
6 | Cs | Ba | To | Pr | Nd | Po południu | Sm | Miał | Bóg | Tb | Dy | Ho | Er | Tm | Yb | Czytać | Hf | Twój | W | Re | Kość | Ir | Pt | W | Hg | Tl | Pb | Bi | Po | W | Rn | ||
7 | Fr | Ra | Ac | Cz | Rocznie | U | Np | Mógłby | Jestem | Cm | Bk | cf | Jest | Fm | Md | Nie | Lr | Rf | Db | Sg | Bh | Hs | Mt | Ds | Rg | Cn | Nh | Fl | Mc | Lv | Ts | Og | |
8 | 119 | 120 | * | ||||||||||||||||||||||||||||||
* | 121 | 122 | 123 | 124 | 125 | 126 | 127 | 128 | 129 | 130 | 131 | 132 | 133 | 134 | 135 | 136 | 137 | 138 | 139 | 140 | 141 | 142 |
Metale alkaliczne |
Ziemia alkaliczna |
Lantanowce |
Metale przejściowe |
Słabe metale |
metalem loids |
Długoterminowe metale |
geny halo |
Gazy szlachetne |
Przedmioty niesklasyfikowane |
aktynowce | |||||||||
Superaktynowce |