Плутоний: Свойства и применение элементов

Среди элементов периодической таблицы плутоний - один из самых исторически и научно сложных. Известный своей чрезвычайной радиоактивностью, разнообразным химическим составом и центральной ролью в ядерных технологиях, плутоний продолжает оставаться предметом глобальных исследований, развития энергетики и контроля. Печально известный как элемент, связанный с ядерным оружием, плутоний также является важнейшим материалом для производства электроэнергии и питания космических аппаратов для полетов в дальний космос. Понимание этого элемента требует изучения его происхождения, структуры, поведения и применения во многих областях науки и техники.

Знакомство с элементом

Плутоний относится к ряду актинидов и не встречается в природе в сколько-нибудь значимых количествах. Впервые он был синтезирован в начале 1940-х годов в ходе американских ядерных исследований, в ходе которых ученые искали новые расщепляющиеся материалы помимо урана. Отличаясь плотной электронной конфигурацией и множеством состояний окисления, плутоний довольно быстро стал неотъемлемой частью ядерной физики. Его способность поддерживать цепную реакцию на быстрых нейтронах - уникальное свойство среди многих других элементов - обеспечила ему центральное место в разработке ядерных реакторов и раннего атомного оружия. Сегодня плутоний остается краеугольным камнем ядерной науки, а его производство и использование строго контролируется как по соображениям безопасности, так и по экологическим и геополитическим соображениям.

История и названия

Открытие плутония неразрывно связано с научным темпом Второй мировой войны. В 1940 году группа исследователей под руководством Гленна Т. Сиборга, Эдвина Макмиллана, Джозефа Кеннеди и Артура Уола, работавших в Калифорнийском университете в Беркли, впервые получила плутоний путем бомбардировки урана-238 дейтронами в циклотроне. Дальнейшие эксперименты показали, что один из образовавшихся изотопов, плутоний-239, может подвергаться устойчивому ядерному делению.

Элемент был назван в честь Плутона, который в то время считался планетой. Это соответствовало астрономическому соглашению о названиях: уран - Уран, нептуний - Нептун, плутоний - Плутон. Позднее ученые шутили, что символ "Pu" был выбран из-за неприятной репутации элемента, но название соответствовало его соседям по периодической таблице.

Открытие плутония одним махом изменило не только ядерную науку, но и мировую политику, исследования в области энергетики и международную безопасность на десятилетия вперед.

Описание химических свойств

Химически плутоний очень сложен: он имеет шесть общих состояний окисления (+3, +4, +5, +6 и +7), представленных в растворах разными цветами. Такой широкий спектр обуславливает его большую реакционную способность и разнообразие оксидов, галогенидов и координационных соединений.

На воздухе металлический плутоний легко окисляется, образуя поверхностное покрытие из оксида плутония, которое может отслаиваться, что важно как для хранения, так и для обеспечения безопасности. В воде металл может реагировать с образованием газообразного водорода и смеси оксидов и гидроксидов, что делает его поведение актуальным для науки о коррозии и долгосрочного обращения с ядерными отходами.

Поскольку многие соединения плутония являются мощными излучателями радиации, их химический состав изучается в узкоспециализированных лабораторных условиях с использованием систем дистанционного обращения, перчаточных боксов и тяжелых экранов.

Физические свойства

Физические свойства плутония столь же необычны, как и его химия:

Кристаллическая структура плутония, как известно, нестабильна и варьируется между несколькими аллотропами при различных температурах. Плотность и механические свойства резко меняются между аллотропами, что делает металлургическое изучение плутония одновременно сложным и необходимым, особенно для применения в ядерной технике.

За более подробной информацией обращайтесь в Stanford Advanced Materials (SAM).

Плутоний против урана

Хотя плутоний и уран часто упоминаются в одном дыхании, они принципиально отличаются друг от друга:

Источник

- Уран встречается в природе и добывается из руд, таких как уранинит.

Можно отметить, что большая часть плутония имеет синтетическое происхождение и образуется в результате поглощения нейтронов ураном-238 в ядерном реакторе.

Ядерное поведение

- Изотоп урана-235, встречающийся в природе, может подвергаться делению, но встречается редко.

- Плутоний-239 легче и быстрее производить в больших количествах и он более расщепляем, что способствует его использованию как в реакторах, так и в оружии.

Применение

- Уран является первичным топливом в большинстве коммерческих реакторов.

- Плутоний используется в МОКС-топливе, передовых реакторных конструкциях и специализированных военных приложениях.

Безопасность и токсичность

Плутоний более радиологически и химически опасен, чем уран, поэтому контроль за обращением с ним и международный мониторинг должны быть значительно жестче.

Общие применения

Плутоний используется в различных областях:

Оборона

Сама суть ядерного оружия основана на плутонии-239, поскольку он способен быстро делить ядерные заряды в компактных размерах.

Энергетика

Плутоний реакторного качества используется в МОКС-топливе для производства электроэнергии, чтобы продлить срок использования отработанного ядерного топлива.

Освоение космоса

Эти RTG, работающие на плутонии-238, использовались в таких миссиях, как "Вояджер", "Кассини" и марсоходы.

Научные исследования

Соединения плутония помогают исследователям изучать радиоактивный распад, поведение актинидов и современные материалы в экстремальных условиях.

Методы получения

Плутоний получают в основном путем облучения урана-238 в ядерном реакторе. Уран-239, образующийся при захвате нейтронов, распадается до нептуния-239 и затем до плутония-239. Химическое выделение плутония из отработанного топлива с помощью экстракции растворителями или ионообменных методов является сложной задачей. Процедуры проводятся в строго контролируемых условиях безопасности из-за радиологической опасности материала.

Часто задаваемые вопросы

Почему плутоний считается таким опасным?

Он является одновременно высокорадиоактивным и химически токсичным веществом, что требует соблюдения строгих мер безопасности.

Какие изотопы наиболее важны в промышленном отношении?

Плутоний-239 для реакторов и оружия, а плутоний-238 для источников энергии в космических аппаратах.

Как плутоний выделяют из ядерного топлива?

С помощью многоступенчатых методов химического разделения, включая экстракцию растворителем и оборудование с дистанционным управлением.

Можно ли использовать плутоний в мирных целях?

Да, он играет важную роль в ядерной энергетике и технологиях освоения космоса.

Что делает обращение с плутонием безопасным?

Международные правила, специализированные системы изоляции и строгая подготовка по вопросам радиологической безопасности.