Плутоний — химический элемент¶

Плутоний (Pu) — химический элемент 3-й группы периодической таблицы Менделеева, атомный номер 94. Относится к актиноидам, 7-й элемент в ряду актиноидов. Мягкий серебристо-серый металл, на воздухе быстро тускнеет из-за окисления. Наиболее известен как делящийся материал, применяемый в ядерном оружии и ядерной энергетике. Природный плутоний встречается в урановых рудах в следовых количествах в составе изотопа Pu-244.

¶Открытие

Плутоний синтезирован в 1940 году в Беркли (Калифорния, США) командой Гленна Сиборга: Эдвин Макмиллан, Джозеф Кеннеди, Артур Валь и Роберт Сиборг бомбардировали уран-238 нейтронами в циклотроне. Образовавшийся изотоп Pu-238 имел период полураспада около 87 лет. Название элемент получил в честь тогда ещё не открытой Плутоновой орбиты (как и следующий за ним элемент — нептуний, в честь Нептуна). В 1941 году Сиборг и Кеннеди показали, что изотоп Pu-239, получаемый из урана-238 захватом нейтрона с последующим бета-распадом, способен к цепной реакции деления.

¶Изотопы

Известно более 20 изотопов плутония, из которых наибольшее практическое значение имеют:

Pu-239 образуется в ядерных реакторах из урана-238 при захвате нейтронов. Именно этот изотоп применяется в качестве основного делящегося материала в ядерном оружии и в МОХ-топливе.

¶Физические и химические свойства

Плутоний — один из самых сложных металлов по фазовым свойствам. Он имеет шесть аллотропных модификаций (α, β, γ, δ, δ', ε) в твёрдом состоянии, переходящих друг в друга при нагреве от комнатной температуры до точки плавления 639,4 °C. Модификация δ (тетрагональная) обладает аномально низкой плотностью — около 15,92 г/см³, тогда как α-плутоний (моноклинный) имеет плотность 19,86 г/см³. Такой разброс плотности (до 25 %) необычен для металлов и создаёт инженерные трудности при работе с материалом.

Электропроводность плутония на два порядка ниже, чем у большинства металлов, и уменьшается при охлаждении, что сближает его с полупроводниками. Металл радиоактивен, выделяет значительное количество тепла (около 0,5 Вт на грамм Pu-239), поэтому обращение с ним требует систем охлаждения.

Химически плутоний активен: реагирует с кислородом, галогенами, кислотами. В растворах образует ионы Pu³⁺, Pu⁴⁺, PuO₂⁺, PuO₂²⁺ — четыре устойчивых степени окисления, что уникально для актиноидов.

¶Получение

Основной путь получения Pu-239 — облучение урана-238 нейтронами в ядерных реакторах:

²³⁸U + n → ²³⁹U → (β⁻) → ²³⁹Np → (β⁻) → ²³⁹Pu

После облучения топливных элементов плутоний химически отделяют от урана и продуктов деления. В СССР для этих целей применяли экстракцию трибутилфосфатом (процесс РЕКС), в США — пирохимический процесс на расплавленной соли (процесс МАРК). Крупнейшие в мире заводы по разделению — «Маяк» (Челябинская область) и «Северск» (Томская область).

¶Применение

¶Ядерное оружие

Плутоний-239 — основной делящийся материал второго поколения ядерных зарядов. Первое его применение — заряд «Тринити» (16 июля 1945 года, Нью-Мексико, США), а затем бомбы «Малышка» (Хиросима, 1945) и «Толстяк» (Нагасаки, 1945). В СССР первое испытание плутониевой бомбы проведено 29 августа 1949 года (РДС-1, Семипалатинский полигон). Оружейный плутоний должен содержать не более 7 % Pu-240, так как этот изотоп увеличивает фоновый нейтронный поток и может привести к преждевременному подрыву.

¶Ядерная энергетика

Плутоний используется в МОХ-топливе (смесь оксидов урана и плутония), применяемом в быстрых нейтронных реакторах и некоторых тепловодных реакторах. В России МОХ-топливо испытано в БН-600 на Белоярской АЭС; проект реактора БРЕСТ-ОД-300 предполагает замыкание ядерного топливного цикла с использованием плутония.

¶Космос и специальные источники питания

Изотоп Pu-238 применяется в радиоизотопных термоэлектрических генераторах (РИТГ). СССР и Россия запустили более 30 космических аппаратов с РИТГ на основе Pu-238, включая автоматические межпланетные станции «Луна», «Венера», «Марс». В США генераторы на Pu-238 установлены на аппаратах «Вояджер-1», «Вояджер-2», «Кассини», марсоходе «Кьюриосити».

¶Медицина

Источники излучения на основе Pu-238 использовались в кардиостимуляторах, однако из-за радиационной опасности их применение в медицине практически прекращено.

¶Экология и радиационная безопасность

Плутоний — один из самых опасных радионуклидов с точки зрения долгосрочного загрязнения. Pu-239 с периодом полураспада 24 110 лет накапливается в костной ткани и печени при попадании внутрь. Крупнейшие аварийные выбросы плутония произошли на комбинате «Маяк» в 1957 году (Кыштымская авария) и при сбросах жидких радиоактивных отходов в Течь (1949–1956), что привело к образованию Восточно-Уральского радиоактивного следа.

¶История в СССР и России

Советский ядерный проект обеспечил создание собственной технологии получения плутония. Первый советский реактор-наработщик А-1 «Ф-1» был пущен 27 декабря 1946 года в Москве, на объекте «А» (позже — Институт атомной энергии). Промышленный плутоний получали на комбинате № 817 (Челябинск-40, ныне ОАО «ПО „Маяк“»), введённом в строй в 1948 году. 29 августа 1949 года проведено первое испытание советского ядерного оружия.

Источники:

• Сиборг Г. «Плутоний» / Пер. с англ. — М.: Мир, 1967.
• Гурьевич И. С. «Химия плутония» — М.: Атомиздат, 1978.
• «Плутоний: свойства, производство, применение» — М.: Энергоатомиздат.
• Государственный отчёт по испытанию первой советской атомной бомбы (РДС-1), 1949.
• Материалы Объединённого института ядерных исследований (Дубна).