Плутоний

Плутоний — это химический элемент, радиоактивный металл серебристо-белого цвета, относящийся к группе актиноидов. Обозначается символом Pu, атомный номер 94. В природе встречается в крайне малых количествах в урановых рудах, однако основная масса плутония производится искусственно в ядерных реакторах. Является ключевым материалом для создания ядерного оружия и топливом для атомной энергетики (в частности, в реакторах на быстрых нейтронах). Обладает высокой химической и радиационной токсичностью.

История открытия

Предпосылки и синтез

В 1940 году в Калифорнийском университете в Беркли группа учёных под руководством Гленна Сиборга и Эдвина Макмиллана впервые синтезировала плутоний. Мишень из урана-238 облучали дейтронами, разогнанными на циклотроне. В результате реакции захвата и последующего бета-распада образовался изотоп плутоний-238. Первое выделение и идентификация нового элемента были проведены в 1941 году. Открытие держалось в секрете в рамках Манхэттенского проекта.

Название

Элемент назван в честь карликовой планеты Плутон, открытой в 1930 году. Такое название было предложено Сиборгом и Макмилланом в продолжение традиции называть трансурановые элементы в честь планет Солнечной системы (уран — Уран, нептуний — Нептун). Международный союз теоретической и прикладной химии (IUPAC) официально утвердил название «плутоний» в 1948 году.

Производство в СССР

В СССР работы по получению плутония начались в 1943 году в Лаборатории № 2 АН СССР (ныне — Курчатовский институт) под руководством И. В. Курчатова. В 1946 году был запущен первый в Евразии ядерный реактор Ф-1, а в 1948 году — промышленный реактор «А» в Челябинске-40 (ныне — ПО «Маяк»). Первая партия оружейного плутония была получена в 1949 году, что позволило создать советскую атомную бомбу.

Физические и химические свойства

Физические свойства

Плутоний — тяжёлый металл с плотностью около 19,8 г/см³ (для альфа-фазы). Температура плавления — 639,5 °C, кипения — 3230 °C. Характерной особенностью является наличие шести аллотропических модификаций (альфа, бета, гамма, дельта, дельта-прим, эпсилон), что делает его чрезвычайно сложным в обработке. При изменении температуры и давления плутоний может значительно менять объём и плотность (например, альфа-фаза на 25 % плотнее дельта-фазы). Плутоний является парамагнетиком и обладает низкой теплопроводностью.

Химические свойства

Химически активен: на воздухе покрывается оксидной плёнкой, легко реагирует с галогенами, водородом, углеродом, азотом. Степени окисления: от +3 до +7 (наиболее устойчивы +3 и +4). В водных растворах образует ионы Pu³⁺, Pu⁴⁺, PuO₂⁺, PuO₂²⁺. Плутоний способен к самопроизвольному окислению и восстановлению в растворах, что затрудняет его химический анализ. Радиоактивность плутония вызывает радиолиз воды, что приводит к образованию перекиси водорода и других активных частиц.

Изотопы

Известны 20 изотопов плутония с массовыми числами от 228 до 247. Наиболее важны для практического применения:

Плутоний-238 (период полураспада 87,7 года) — альфа-излучатель. Используется в радиоизотопных источниках энергии (РИТЭГ) для космических аппаратов, а также в кардиостимуляторах (в прошлом).
Плутоний-239 (период полураспада 24 110 лет) — основной изотоп для ядерного оружия и реакторов на быстрых нейтронах. Делится под действием тепловых нейтронов.
Плутоний-240 (период полураспада 6560 лет) — спонтанно делится, что затрудняет использование в оружии (повышает риск преждевременного подрыва). Является основным загрязнителем оружейного плутония.
Плутоний-241 (период полураспада 14,4 года) — бета-излучатель, распадается в америций-241.
Плутоний-242 (период полураспада 373 000 лет) — слабый нейтронный поглотитель, используется как мишень для получения высших актиноидов.

Получение

Реакторное производство

Основной способ получения плутония — облучение урана-238 нейтронами в ядерных реакторах. В урановом топливе под действием нейтронов происходит реакция:

²³⁸U + n → ²³⁹U → (β⁻, 23,5 мин) → ²³⁹Np → (β⁻, 2,3 дня) → ²³⁹Pu.

После выдержки отработанного ядерного топлива (ОЯТ) плутоний извлекают химическим путём (обычно методом PUREX — экстракция трибутилфосфатом). Выход плутония зависит от типа реактора и степени выгорания топлива. В реакторах на тепловых нейтронах (ВВЭР, РБМК) образуется смесь изотопов, содержащая значительную долю Pu-240 («реакторный» плутоний). В реакторах на быстрых нейтронах (БН-600, БН-800) можно получать плутоний с высоким содержанием Pu-239 («оружейный»).

Оружейный плутоний

Для ядерного оружия требуется плутоний с минимальным содержанием Pu-240 (менее 7 %), что достигается коротким временем облучения топлива (обычно несколько недель) и специальным режимом работы реактора. Такой плутоний называют «оружейным». В СССР оружейный плутоний производился на реакторах А-1, АВ-1, АВ-2, АИ и других в закрытых городах (Челябинск-65, Томск-7, Красноярск-26).

Применение

Ядерное оружие

Плутоний-239 является основным делящимся материалом в большинстве современных ядерных боезарядов. Используется в имплозивных схемах (сжатие плутониевого шара с помощью взрывчатки). Первая атомная бомба «Тринити» (1945) и бомба «Толстяк», сброшенная на Нагасаки, содержали плутоний. В России плутоний применяется в ядерных боеголовках, а также в термоядерных зарядах (в качестве «спускового» элемента).

Ядерная энергетика

Плутоний используется как компонент смешанного оксидного топлива (МОКС-топливо, смесь оксидов урана и плутония) для реакторов на тепловых и быстрых нейтронах. В России МОКС-топливо применяется в реакторе БН-800 на Белоярской АЭС. Плутоний позволяет вовлечь в топливный цикл отработанное ядерное топливо и снизить количество радиоактивных отходов. Также ведутся разработки по использованию плутония в реакторах на быстрых нейтронах с замкнутым топливным циклом.

Источники энергии

Плутоний-238 используется в радиоизотопных термоэлектрических генераторах (РИТЭГ) для космических аппаратов, работающих вдали от Солнца (например, «Вояджер», «Кассини», «Новые горизонты»). В СССР РИТЭГи на основе Pu-238 устанавливались на спутниках серии «Космос» и лунных станциях.

Биологическое действие и безопасность

Радиотоксичность

Плутоний — один из самых токсичных радиоактивных элементов. Наибольшую опасность представляет при попадании внутрь организма (ингаляционно или с пищей). Альфа-частицы, испускаемые плутонием, вызывают локальное поражение тканей, что может привести к раку лёгких, печени или костей. Период биологического полувыведения плутония из организма составляет десятки лет.

Критичность

Плутоний является делящимся материалом, поэтому при работе с ним необходимо соблюдать меры ядерной безопасности (исключение накопления критической массы). В жидких растворах критическая масса Pu-239 может составлять менее 500 граммов.

Хранение и утилизация

Оружейный плутоний, высвобождающийся в результате сокращения ядерных арсеналов, подлежит утилизации. В России и США существуют программы по переработке избыточного оружейного плутония в МОКС-топливо или его иммобилизации в стеклоподобных матрицах. Хранение плутония требует герметичных контейнеров и защиты от радиации.