Plutonium kritik kütləsi. Miflər olmadan plutonium haqqında

Bəşəriyyət həmişə bir çox problemləri həll edə biləcək yeni enerji mənbələri axtarışında olub. Bununla belə, onlar həmişə təhlükəsiz deyillər. Beləliklə, xüsusən də bu gün geniş istifadə olunanlar, hər kəsin ehtiyac duyduğu sadəcə çox böyük miqdarda elektrik enerjisi istehsal edə bilsələr də, hələ də ölümcül təhlükə daşıyırlar. Lakin, dinc məqsədlərlə yanaşı, planetimizin bəzi ölkələri ondan hərbi məqsədlər üçün, xüsusən də nüvə başlıqları yaratmaq üçün istifadə etməyi öyrəniblər. Bu məqalədə adı silah dərəcəli plutonium olan bu cür dağıdıcı silahların əsasları müzakirə olunacaq.

Qısa məlumat

Metalın bu yığcam forması 239Pu izotopunun minimum 93,5%-ni ehtiva edir. Silah dərəcəli plutonium, "reaktor həmkarından" fərqlənə bilməsi üçün belə adlandırıldı. Prinsipcə, plutonium həmişə tamamilə hər hansı bir nüvə reaktorunda əmələ gəlir ki, bu da öz növbəsində az zənginləşdirilmiş və ya təbii uran üzərində işləyir, tərkibində əsasən 238U izotopu var.

Hərbi sənayedə tətbiq

Silah dərəcəli plutonium 239Pu nüvə silahlarının əsasını təşkil edir. Eyni zamanda, kütləvi nömrələri 240 və 242 olan izotopların istifadəsi əhəmiyyətsizdir, çünki onlar çox yüksək neytron fonu yaradır, bu da son nəticədə yüksək effektiv nüvə sursatının yaradılmasını və dizaynını çətinləşdirir. Bundan əlavə, plutonium izotopları 240Pu və 241Pu, 239Pu ilə müqayisədə əhəmiyyətli dərəcədə daha qısa yarı ömrünə malikdir, buna görə də plutonium hissələri çox isti olur. Məhz bu baxımdan mühəndislər nüvə silahına artıq istiliyi çıxarmaq üçün əlavə elementlər əlavə etməyə məcbur olurlar. Yeri gəlmişkən, 239Pu təmiz formada insan bədənindən daha istidir. Ağır izotopların parçalanma prosesinin məhsullarının metalın kristal qəfəsini zərərli dəyişikliklərə məruz qoyması faktını nəzərə almamaq da mümkün deyil və bu, sonda plutonium hissələrinin konfiqurasiyasını tamamilə təbii olaraq dəyişdirə bilər. nüvə partlayıcı qurğunun tam sıradan çıxmasına səbəb olur.

Ümumiyyətlə, yuxarıda göstərilən bütün çətinlikləri aradan qaldırmaq olar. Praktikada "reaktor" plutoniumuna əsaslanan partlayıcı qurğular artıq bir dəfədən çox sınaqdan keçirilmişdir. Ancaq başa düşmək lazımdır ki, nüvə silahlarında onların yığcamlığı, aşağı çəkisi, davamlılığı və etibarlılığı heç də az əhəmiyyət kəsb etmir. Bu baxımdan, onlar yalnız silah dərəcəli plutoniumdan istifadə edirlər.

İstehsal reaktorlarının konstruksiya xüsusiyyətləri

Rusiyada demək olar ki, bütün plutonium qrafit moderatoru ilə təchiz edilmiş reaktorlarda istehsal edilmişdir. Reaktorların hər biri silindrik şəkildə yığılmış qrafit blokları ətrafında qurulmuşdur.

Quraşdırıldıqda, qrafit blokları azotdan istifadə edən soyuducu suyun davamlı dövriyyəsini təmin etmək üçün onların arasında xüsusi yuvalara malikdir. Yığılmış strukturda suyun soyudulması və yanacağın onlardan keçməsi üçün yaradılmış şaquli yerləşdirilmiş kanallar da var. Montajın özü, artıq şüalanmış yanacağın boşaldılması üçün istifadə olunan kanalların altında açılışları olan bir quruluş tərəfindən sərt şəkildə dəstəklənir. Üstəlik, kanalların hər biri yüngül və son dərəcə güclü alüminium ərintisindən hazırlanmış nazik divarlı boruda yerləşir. Təsvir edilən kanalların əksəriyyətində 70 yanacaq çubuğu var. Soyuducu su birbaşa yanacaq çubuqlarının ətrafında axır, onlardan artıq istiliyi çıxarır.

İstehsal reaktorlarının gücünün artırılması

Əvvəlcə ilk Mayak reaktoru 100 MVt istilik gücü ilə işləyirdi. Bununla belə, sovet nüvə silahı proqramının əsas rəhbəri reaktorun qışda 170-190 MVt, yayda isə 140-150 MVt gücdə işləməsi təklifi ilə çıxış edib. Bu yanaşma reaktora gündə demək olar ki, 140 qram qiymətli plutonium istehsal etməyə imkan verdi.

1952-ci ildə aşağıdakı üsullardan istifadə edərək işləyən reaktorların istehsal gücünü artırmaq üçün tam hüquqlu tədqiqat işləri aparıldı:

• Soyutma üçün istifadə olunan və nüvə stansiyasının nüvələrindən axan suyun axını artıraraq.
• Kanal layneri yaxınlığında baş verən korroziya fenomeninə qarşı müqaviməti artırmaqla.
• Qrafit oksidləşmə sürətinin azaldılması.
• Yanacaq hüceyrələrinin içərisində temperaturun artması.

Nəticədə, yanacaq və kanal divarları arasındakı boşluq artırıldıqdan sonra sirkulyasiya edən suyun ötürmə qabiliyyəti əhəmiyyətli dərəcədə artdı. Korroziyadan da qurtula bildik. Bunun üçün ən uyğun alüminium ərintiləri seçildi və natrium bikromat aktiv şəkildə əlavə edilməyə başlandı, bu da soyuducu suyun yumşaqlığını artırdı (pH təxminən 6.0-6.2 oldu). Azotun soyudulması üçün istifadə edildikdən sonra qrafitin oksidləşməsi aktual problem olmaqdan çıxdı (əvvəllər yalnız hava istifadə olunurdu).

1950-ci illərin sonlarında yeniliklər praktikada tam şəkildə həyata keçirildi, uranın radiasiya nəticəsində yaranan çox lazımsız inflyasiyasını azaldıb, uran çubuqlarının istiliklə bərkiməsini əhəmiyyətli dərəcədə azaldıb, üzlük müqavimətini yaxşılaşdırıb və istehsalın keyfiyyətinə nəzarəti artırıb.

Mayakda istehsal

"Çelyabinsk-65" silah dərəcəli plutoniumun yaradıldığı çox gizli zavodlardan biridir. Müəssisədə bir neçə reaktor var idi və biz onların hər birinə daha yaxından nəzər salacağıq.

Reaktor A

Quraşdırma əfsanəvi N. A. Dollezhalın rəhbərliyi ilə hazırlanmış və yaradılmışdır. 100 MVt gücündə işləyirdi. Reaktorda qrafit blokunda şaquli şəkildə yerləşdirilmiş 1149 idarəetmə və yanacaq kanalı var idi. Quruluşun ümumi çəkisi təxminən 1050 ton idi. Demək olar ki, bütün kanallar (25-dən başqa) ümumi kütləsi 120-130 ton olan uranla yüklənmişdi. Nəzarət çubuqları üçün 17 kanal, təcrübələr üçün isə 8 kanal istifadə edilmişdir. Yanacaq elementinin maksimal dizayn istilik buraxılışı 3,45 kVt idi. Əvvəlcə reaktor gündə təxminən 100 qram plutonium istehsal edirdi. İlk metal plutonium 16 aprel 1949-cu ildə istehsal edilmişdir.

Texnoloji çatışmazlıqlar

Demək olar ki, dərhal alüminium örtüklərin korroziyasından və yanacaq hüceyrələrinin örtülməsindən ibarət olduqca ciddi problemlər müəyyən edildi. Uran çubuqları da şişmiş və zədələnmiş, soyuducu suyun birbaşa reaktorun nüvəsinə sızmasına səbəb olmuşdur. Hər sızmadan sonra qrafiti hava ilə qurutmaq üçün reaktoru 10 saata qədər dayandırmaq lazım gəlirdi. 1949-cu ilin yanvarında kanal laynerləri dəyişdirildi. Bundan sonra quraşdırma 26 mart 1949-cu ildə işə salındı.

A reaktorunda istehsalı hər cür çətinliklərlə müşayiət olunan silah dərəcəli plutonium 1950-1954-cü illərdə orta vahid gücü 180 MVt olan istehsal edilmişdir. Reaktorun sonrakı istismarı daha intensiv istifadə ilə müşayiət olunmağa başladı ki, bu da təbii olaraq daha tez-tez bağlanmalara səbəb oldu (ayda 165 dəfəyə qədər). Nəticədə reaktor 1963-cü ilin oktyabrında bağlandı və yalnız 1964-cü ilin yazında fəaliyyətini bərpa etdi. O, 1987-ci ildə kampaniyasını tamamilə başa vurdu və uzun illər fəaliyyət göstərdiyi bütün dövr ərzində 4,6 ton plutonium istehsal etdi.

AB reaktorları

1948-ci ilin payızında Çelyabinsk-65 müəssisəsində üç AB reaktorunun qurulması qərara alındı. Onların istehsal gücü gündə 200-250 qram plutonium idi. Layihənin baş dizayneri A. Savin olub. Hər bir reaktor 65-i idarəetmə kanalı olmaqla 1996 kanaldan ibarət idi. Qurğular texniki yenilikdən istifadə etdi - hər bir kanal xüsusi soyuducu sızma detektoru ilə təchiz edildi. Bu hərəkət reaktorun özünün işini dayandırmadan laynerləri dəyişdirməyə imkan verdi.

Reaktorların istismarının birinci ili onların gündə təxminən 260 qram plutonium istehsal etdiyini göstərdi. Bununla belə, artıq istismarın ikinci ilindən etibarən güc tədricən artırıldı və artıq 1963-cü ildə onun göstəricisi 600 MVt idi. İkinci əsaslı təmirdən sonra laynerlərlə bağlı problem tamamilə həll olundu və illik 270 kiloqram plutonium istehsalı ilə güc artıq 1200 MVt idi. Bu göstəricilər reaktorlar tamamilə bağlanana qədər qaldı.

AI-IR reaktoru

Çelyabinsk müəssisəsi bu qurğudan 22 dekabr 1951-ci ildən 1987-ci il mayın 25-dək istifadə etmişdir. Reaktor uranla yanaşı, kobalt-60 və polonium-210 da istehsal edirdi. Əvvəlcə qurğu tritium istehsal edirdi, lakin sonradan plutonium istehsal etməyə başladı.

Həmçinin, silah dərəcəli plutonium emalı zavodunda ağır suda işləyən reaktorlar və tək yüngül su reaktoru (adı “Ruslan” idi) işləyirdi.

Sibir nəhəngi

Plutoniumun yaradılması üçün beş reaktorun yerləşdiyi zavodun adı "Tomsk-7" idi. Bölmələrin hər biri neytronları yavaşlatmaq üçün qrafitdən və düzgün soyutma təmin etmək üçün adi sudan istifadə edirdi.

I-1 reaktoru suyun bir dəfə keçdiyi soyutma sistemi ilə işləyirdi. Bununla belə, qalan dörd qurğu istilik dəyişdiriciləri ilə təchiz olunmuş qapalı birincil sxemlərlə təchiz edilmişdir. Bu dizayn əlavə olaraq buxar istehsal etməyə imkan verdi ki, bu da öz növbəsində elektrik enerjisi istehsalına və müxtəlif yaşayış sahələrinin istiləşməsinə kömək etdi.

Tomsk-7-də EI-2 adlı reaktor da var idi ki, bu da öz növbəsində ikili təyinatlı idi: o, plutonium istehsal edir və yaranan buxar hesabına 100 MVt elektrik enerjisi, həmçinin 200 MVt istilik enerjisi istehsal edirdi.

Mühim informasiya

Alimlərin fikrincə, silah dərəcəli plutoniumun yarı ömrü təxminən 24360 ildir. Böyük rəqəm! Bu baxımdan, sual xüsusilə kəskinləşir: "Bu elementin istehsalının tullantıları ilə necə düzgün mübarizə aparmaq olar?" Ən yaxşı variant silah dərəcəli plutoniumun sonrakı emalı üçün xüsusi müəssisələrin tikintisi hesab olunur. Bu onunla izah olunur ki, bu halda element artıq hərbi məqsədlər üçün istifadə edilə bilməz və insan nəzarəti altında olacaq. Rusiyada silah plutoniumunun utilizasiyası məhz belədir, lakin Amerika Birləşmiş Ştatları fərqli yol tutdu və bununla da beynəlxalq öhdəliklərini pozdu.

Belə ki, Amerika hökuməti yüksək dərəcədə zənginləşdirilmiş materialı sənaye üsulu ilə deyil, plutoniumun seyreltilməsi və 500 metr dərinlikdə xüsusi qablarda saxlanması yolu ilə məhv edilməsini təklif edir. Söz yox ki, bu halda material istənilən vaxt asanlıqla yerdən çıxarıla və yenidən hərbi məqsədlər üçün istifadə oluna bilər. Rusiya prezidenti Vladimir Putinin sözlərinə görə, əvvəlcə ölkələr plutoniumun bu üsulla yox, sənaye obyektlərində utilizasiyasını həyata keçirmək barədə razılığa gəliblər.

Silah dərəcəli plutoniumun dəyəri xüsusi diqqətə layiqdir. Ekspertlərin fikrincə, bu elementin on tonları bir neçə milyard ABŞ dollarına başa gələ bilər. Bəzi ekspertlər hətta 500 ton silah plutoniumunu 8 trilyon dollara qədər qiymətləndiriblər. Məbləğ həqiqətən təsir edicidir. Bunun nə qədər pul olduğunu aydınlaşdırmaq üçün deyək ki, 20-ci əsrin son on ilində Rusiyanın orta illik ÜDM-i 400 milyard dollar olub. Yəni, əslində, silah dərəcəli plutoniumun real qiyməti Rusiya Federasiyasının iyirmi illik ÜDM-inə bərabər idi.

İnteqrasiya edilmiş sürətli reaktor (IFR) sadəcə yeni tip reaktor deyil, yeni yanacaq dövrüdür. İnteqral sürətli reaktor moderatoru olmayan sürətli neytron reaktorudur. Yalnız aktiv zonaya malikdir və yorğan yoxdur.
IBR metal yanacaqdan istifadə edir− uran və plutoniumun ərintisi.
Onun yanacaq dövrü piroprocessing istifadə edərək birbaşa reaktorun özündə yanacağın azaldılmasından istifadə edir. IBR piroprocessing zamanı, demək olar ki, təmiz uran bərk katodda, plutonium, americium, neptunium, curium, uranium və bəzi parçalanma məhsullarının qarışığı elektrolit duzunda üzən maye kadmium katodda toplanır.Qalan parçalanma məhsulları toplanır. elektrolit duzunda və kadmium təbəqəsində.
İnteqrasiya edilmiş sürətli reaktor maye natrium və ya qurğuşun ilə soyudulur. Metal yanacağının istehsalı keramika yanacağından daha sadə və ucuzdur. Metal yanacaq piroprosesi təbii seçim edir. Metal yanacağı oksid yanacağından daha yaxşı istilik keçiriciliyinə və istilik tutumuna malikdir.Yanacaq uran və plutoniumun ərintisidir.
İnteqrasiya edilmiş sürətli reaktora ilkin yükləmə istilik neytronlarının təsiri altında daha çox parçalanan izotopları ehtiva etməlidir ( > termal neytron reaktoruna nisbətən 20%. Bu, yüksək dərəcədə zənginləşdirilmiş uran və ya plutonium, istismardan çıxarılan nüvə silahları və s. ola bilər. Əməliyyat zamanı reaktor termal neytronların təsiri altında parçalanmayan materialları (münbit) parçalana bilənlərə çevirir. Sürətli reaktorda münbit materiallar tükənmiş uran (əsasən U-238), təbii uran, torium və ya adi su reaktorundan şüalanmış yanacaqdan işlənmiş uran ola bilər.
Yanacaq yanacaq və korpus arasında yerləşən maye natrium olan polad korpusda saxlanılır. Yanacağın üstündəki boş yer, yanacaq elementinin daxilində təzyiqi əhəmiyyətli dərəcədə artırmadan, helium və radioaktiv ksenonun sərbəst şəkildə yığılmasına imkan verir və reaktor örtüyünə zərər vermədən yanacağın genişlənməsinə imkan verir.
Qurğunun natriumdan üstünlüyü onun kimyəvi təsirsizliyidir, xüsusən də su və ya hava ilə. Digər tərəfdən, qurğuşun daha viskozdur, bu da nasosla işləməyi çətinləşdirir. Bundan əlavə, o, natriumda praktiki olaraq olmayan neytronla aktivləşdirilmiş izotopları ehtiva edir.
Soyutma sxemləri konveksiya ilə istilik ötürülməsinə imkan verəcək şəkildə hazırlanmışdır. Beləliklə, nasoslarda güc itkisi və ya reaktorun gözlənilmədən bağlanması olarsa, nüvənin ətrafındakı istilik soyuducunun dövriyyəsi üçün kifayət edəcəkdir.
IBR-də parçalanan izotoplar plutonium izotoplarından, həmçinin parçalanma məhsullarından ayrılmır və buna görə də silah istehsalı üçün belə bir prosesin istifadəsi praktiki olaraq mümkün deyil. Bundan əlavə, plutonium reaktordan çıxarılmır, bu da onun icazəsiz istifadəsini qeyri-real edir. Aktinidlər (uran, plutonium və kiçik aktinidlər) emal edildikdən sonra qalan tullantılar yarı ömrü 90 l olan Sm-151 və ya Tc-99 kimi uzunömürlü, 211.000 l və ya daha çox yarı ömrü olan parçalanma məhsullarıdır. .
IBR tullantıları ya qısa, ya da çox uzun yarı ömrünə malikdir, yəni zəif radioaktivdir. İBR tullantılarının ümumi miqdarı eyni gücə malik termal neytron reaktorlarının təkrar emal edilmiş yanacağının (adətən tullantı hesab olunur) 1/20 hissəsidir. Parçalanma məhsullarının 70%-i ya sabitdir, ya da təxminən bir il yarım ömrünə malikdir. Texnetium-99 və yod-129, bunlardan 6%-i parçalanma məhsullarında çox uzun yarımparçalanma dövrünə malikdir, lakin reaktorda neytronların udulması ilə reaktorda qısa yarımparçalanma müddəti olan izotoplara (15,46 s və 12,36 saat) çevrilə bilər. . Sirkonium-93 (tullantıda 5%) radioaktivliyin narahat olmadığı yerlərdə yanacaq örtüyünə çevrilə bilər. Tullantıların qalan komponentləri təbii urandan daha az radioaktivdir.
İİB yavaş neytron reaktorlarında ənənəvi dövrlərlə müqayisədə yanacaq istifadəsi baxımından iki qat daha səmərəli yanacaq dövründən istifadə edir, nüvə silahlarının yayılmasının qarşısını alır, yüksək səviyyəli tullantıları minimuma endirir və üstəlik bəzi tullantıları yanacaq kimi istifadə edir. .
IBR-də yanacaq və üzlük elə qurulub ki, temperatur artdıqca və onlar genişləndikcə daha çox neytron nüvəni tərk edərək zəncirvari reaksiyanın intensivliyini azaldır. Yəni mənfi reaktivlik əmsalı işləyir. IBR-də bu təsir o qədər güclüdür ki, operatorun müdaxiləsi olmadan zəncirvari reaksiyanı dayandıra bilər

Piroprocessing ‒ yüksək temperatur üsulu işlənmiş nüvə yanacağının elektrolitik təkrar emalı. Hidrometallurgiya üsulu ilə müqayisədə(məsələn, PUREX) , piroprocessing birbaşa reaktorda istifadə olunur. Həlledicilər su və üzvi birləşmələr deyil, ərimiş duzlar (məsələn, LiCl + KCl və ya LiF + CaF 2) və ərimiş metallardır (məsələn, kadmium, vismut, maqnezium). Piroprosesdə uranın, həmçinin plutoniumun və kiçik aktinidlərin çıxarılması eyni vaxtda baş verir və onlar dərhal yanacaq kimi istifadə edilə bilər. Tullantıların həcmi daha kiçikdir və əsasən parçalanma məhsullarını ehtiva edir. Pyro Emal IBR və ərimiş duz reaktorlarında istifadə olunur.

Plutonium (plutonium) Pu, - süni yolla alınmış radioaktiv kimyəvi element, Z=94, atom kütləsi 244,0642; aktinidlərə aiddir. Hazırda plutoniumun 19 izotopu məlumdur. Onlardan ən yüngüli 228 Ri (71/2=1,1 s), ən ağırı ^Pu (7i/) 2 =2,27 gün), 8 nüvə izomeri. Ən sabit izotop 2A- 236, 238, 239, 240, 242 və 244-dür: 21013, 6.29-11,2.33-10,8.51109, 3.7-12,1.48-8 və 6.66-uz, Bq. A = 236, 238, 239, 240, 242 və 244 olan izotopların a-şüalanmasının orta enerjisi müvafiq olaraq 5,8, 5,5, 5,1, 5,2, 4,9 və 4,6 MeV-dir. Plutoniumun yüngül izotopları (2 3 2 Pu, 2 34 Pu, 235 Pu, 2 3 7 Pu) elektron tutma keçir. 2 4 "Pi - p-emitter (Ep = 0,0052 MeV). Praktiki olaraq ən vacibi 2 39Ru (7|/ 2 =2,44-104 il, a-çürümə, spontan parçalanma (z, mənim %)) yavaş neytronların təsiri altında bölünür və nüvə reaktorlarında yanacaq kimi istifadə olunur və atom bombaları yüklü maddə kimi.

Plutonium-236 (7i/ 2 =2,85i il), a-emitter: 5,72 MeV (30,56%) və 5,77 MeV (69,26%), qızı nuklid 2 3 2 U, xüsusi aktivlik 540 Ci/ G. Spontan parçalanma ehtimalı kq 6. 1 q/saatda 5,8-7 bölünmənin kortəbii parçalanma dərəcəsi bu prosesin 3,5-109 il yarım ömrünə uyğundur.

Reaksiyalarla əldə edilə bilər:

Bu izotop həm də a-emitter 2 4оСш (7i/ 2 =27 gün) və p-emitter 23 6m Np (7i/ 2 =22 saat) parçalanması zamanı əmələ gəlir. 2 saat 6 Ri aşağıdakı istiqamətlərdə parçalanır: a-çürümə, ehtimal 100% və spontan parçalanma (ehtimal

Plutopium-237 (7!/ 2 =45> 2 gün), qız məhsulu 2 37Np. Nüvə reaksiyaları vasitəsilə təbii uranı 40 MeV enerjili helium ionları ilə bombalamaqla əldə etmək olar:

Uran reaktor neytronları ilə şüalandıqda da az miqdarda əmələ gəlir. Əsas çürümə növü elektronların tutulmasıdır

(99%, xarakterik rentgen emissiyası, qızı məhsul ^Np), lakin 2 zi və zəif y-emissiya yaratmaq üçün a-çürümə var, yarım ömrü 45,2 gün. 2 z7Rts, plutoniumun ətraf mühit komponentlərinin nümunələrindən təcrid edilərkən kimyəvi məhsuldarlığının monitorinqi sistemlərində, həmçinin insan orqanizmində plutoniumun metabolizmasını öyrənmək üçün istifadə olunur.

Plutonium-238, 7*1/2=87,74 il, a-emitter (enerjilər 5,495(76%), 5,453(24%) və 5,351(0,15%) MeV, zəif y-emitter (enerjilər 0,044-dən 0,149 MeV-ə qədər). Bu nuklidin 1 q aktivliyi ~633,7 GBq (xüsusi aktivlik 17 Ci/g); hər saniyə eyni miqdarda maddədə -1200 spontan parçalanma aktı baş verir.Spontan parçalanma sürəti 1 q-da 5,1-6 parçalanmadır. /saat bu proses üçün 3,8-10 10 il yarımparçalanma dövrünə uyğundur.Bu halda çox yüksək istilik gücü inkişaf edir: 567 Vt/kq G D el = 3,8-10 10 il.Termal neytronun kəsişməsi a = 500 anbar , termal neytronların təsiri altında parçalanma kəsiyi 18 anbardır.O, çox yüksək spesifik α-radioaktivliyə malikdir (^Pu-dan 283 dəfə güclü), bu da onu daha ciddi edir. reaksiyalardan neytronların mənbəyi (a, n).

• 2 h 8Pu aşağıdakı parçalanmalar nəticəsində əmələ gəlir:
  • (3 -nüklidin parçalanması 2 3 8 Np:

2 h 8 Ru əsasən 2 h 8 u izotopunu ehtiva edən təbii və ya az zənginləşdirilmiş uran üzərində işləyən istənilən nüvə reaktorunda əmələ gəlir. Bu vəziyyətdə aşağıdakı nüvə reaksiyaları baş verir:

Uran 40 MeV enerjili helium ionları ilə bombardman edildikdə də əmələ gəlir:

çürümə aşağıdakı istiqamətlərdə baş verir: a-2 34U-da çürümə (ehtimal 10%, parçalanma enerjisi 5,593 MeV):

buraxılan alfa hissəciklərinin enerjisi 5.450 Mei (2.9% hallarda; və 5.499 Mei (70.91% hallarda) olur. Spontan parçalanma ehtimalı 1.9-7% təşkil edir.

2 3 8 Pu a-parçalanma zamanı 5,5 MeV enerji ayrılır. Bir kiloqram 2-3 8 Ri olan elektrik enerjisi mənbəyində ~50 vatt istilik gücü inkişaf edir. Eyni kütlənin kimyəvi cərəyan mənbəyinin maksimum gücü 5 vattdır. Bənzər enerji xüsusiyyətlərinə malik bir çox emitent var, lakin 2 3Ri-nin bir xüsusiyyəti bu izotopu əvəzolunmaz edir. Adətən çürümə güclü y emissiyası ilə müşayiət olunur. 2 z 8 Ri istisnadır. Nüvələrinin parçalanmasını müşayiət edən y-kvantanın enerjisi azdır. Bu izotopun nüvələrinin kortəbii parçalanma ehtimalı da azdır. 288 Ri nüvə elektrik batareyalarının və neytron mənbələrinin istehsalı üçün, kardiostimulyatorlar üçün enerji mənbələri kimi, kosmik gəmilərdə istilik enerjisi yaratmaq üçün, radioizotop tüstü detektorlarının bir hissəsi kimi və s.

Plutonium-239, 71/2=2,44-cü 4 il, a-parçalanma 00%, ümumi parçalanma enerjisi 5,867 MeV, enerjiləri 5,15 (69%), 5,453 (24%) və 5,351(0, 15%) olan a-hissəcikləri buraxır. ) və zəif y-radiasiya, termal neytron tutma kəsiyi st = 271 anbar. Xüsusi aktivlik 2.33109 Bq/q. 36 bölmə/q/saatın özbaşına bölünmə sürəti 7” bölməyə = 5,5-10*5 ilə uyğundur. 1 kq 2 39Ri 2,2-107 kilovat-saat istilik enerjisinə bərabərdir. 1 kq plutoniumun partlaması 20.000 ton trotilin partlamasına bərabərdir. Atom silahlarında istifadə edilən yeganə plutonium izotopu. 2 39Pu 2P+3 ailəsinin bir hissəsidir.Onun çürümə məhsulu 2 35U-dur. Bu izotop termal neytronlar tərəfindən parçalanır və nüvə reaktorlarında yanacaq kimi istifadə olunur. 2 39Ri pakpiyaya görə jalopy paktoplarda alınır:

Reaksiya kəsiyi -455 anbar. *39Pu da nə zaman əmələ gəlir

uranın nüvə reaksiyaları ilə enerjisi 8 MeV-dən yuxarı olan deytronlarla bombardmanı:

eləcə də uranın enerjisi 40 MeV olan helium ionları ilə bombardman edildikdə
spontan bölünmə, ehtimal 1,36-10*7%.

Plutoniumun urandan kimyəvi ayrılması uran izotoplarının ayrılmasından nisbətən daha sadə bir işdir. Nəticədə, plutoniumun dəyəri 2 zzi qiymətindən bir neçə dəfə aşağıdır. 2 39 Pu nüvəsi neytronlar tərəfindən təxminən bərabər kütləli iki fraqmentə parçalandıqda, təxminən 200 MeV enerji ayrılır. Parçalanma zəncirvari reaksiyasını davam etdirməyə qadirdir. 2 39Pu (^u ilə müqayisədə) nisbətən qısa yarımparçalanma dövrü radioaktiv parçalanma zamanı enerjinin əhəmiyyətli dərəcədə sərbəst buraxılmasını nəzərdə tutur. 2 39Rc 1,92 Vt/kq istehsal edir. Yaxşı izolyasiya edilmiş plutonium bloku iki saat ərzində 100°-dən yuxarı bir temperatura və tezliklə a-p keçid nöqtəsinə qədər qızdırır ki, bu da plutoniumun faza keçidləri zamanı həcm dəyişiklikləri səbəbindən silah dizaynı üçün problem yaradır. Xüsusi aktivlik 2 39Pu 2.28-12 Bq/q. 2 39Pu termal neytronlar tərəfindən asanlıqla parçalanır. Parçalanan izotop 239 Pu tam parçalanma zamanı 25.000.000 kVt/kq-a bərabər istilik enerjisi təmin edir. 2 39Pi 748 anbarın yavaş neytronları üçün parçalanma kəsiyinə və 315 anbarın radiasiya tutma kəsiyinə malikdir. 2 39Pu urandan daha böyük səpilmə və udma en kəsiylərinə və parçalanma zamanı daha çox sayda neytrona malikdir (2 zzi üçün 2,47 ilə müqayisədə parçalanma hadisəsi başına 3,03 neytron) və müvafiq olaraq daha aşağı kritik kütlə. Saf 2 39Pu -30 neytron/s-kq (-10 parçalanma/s) kortəbii parçalanma nəticəsində orta hesabla neytron emissiyasına malikdir.

Plutonium-240, 71/2=6564 l, a-parçalanma, xüsusi aktivlik 8,51-109 Bq/q. Spontan parçalanma dərəcəsi 1,6-6 bölmə/q/saat, Ti/2=i,2-io u l. 24°Pu 239 Pu-dan üç dəfə kiçik effektiv neytron tutma kəsiyinə malikdir və əksər hallarda 2 4*Pu-ya çevrilir.

24op və müəyyən radionuklidlərin parçalanması zamanı əmələ gəlir:

Parçalanma enerjisi 5,255 MeV, enerjili a-hissəciklər 5,168 (72,8%), 5,123 (27,10%) MeV;

Spontan bölünmə, ehtimal 5.7-6.

Uran yanacağında ^Pu-nun tərkibi reaktorun işləməsi zamanı artır. Nüvə reaktorunun işlənmiş yanacağının tərkibində 70% *39Pu və 26% 2 4°Pu var ki, bu da atom silahlarının istehsalını çətinləşdirir, buna görə də silah dərəcəli plutonium bunun üçün xüsusi olaraq hazırlanmış reaktorlarda bir neçə on dəfə uranı emal etməklə əldə edilir. şüalanma günləri. *4°Pu 2 dərəcəli 39Pu silahı çirkləndirən əsas izotopdur. Tərkibinin səviyyəsi kortəbii parçalanmanın intensivliyinə görə vacibdir - 415.000 parçalanma/s-kq, 1000 neytron/s-kq buraxılır, çünki hər parçalanma 2.26 neytron istehsal edir - 2 39Ri bərabər kütlədən 30.000 dəfə çoxdur. Bu izotopun yalnız 1%-nin olması o qədər çox neytron istehsal edir ki, topun yüklənmə dövrəsi işləmir - partlayışın erkən başlaması başlayacaq və partlayıcının böyük hissəsi partlamadan əvvəl yük atomlaşdırılacaq. Top sxemi yalnız *39Pu məzmunu ilə mümkündür, buna nail olmaq praktiki olaraq mümkün deyil. Buna görə də, plutonium bombaları IgPu izotopu ilə kifayət qədər çirklənmiş plutoniumdan istifadə etməyə imkan verən partlayış sxemindən istifadə etməklə yığılır. Silah dərəcəli plutonium 2 4° Pu ehtiva edir

Daha yüksək xüsusi aktivliyə görə (2 39Pi-nin 1/4-ü) istilik çıxışı daha yüksəkdir, 7,1 Vt/kq, bu, həddindən artıq istiləşmə problemini daha da gücləndirir. ^ Pu-nun xüsusi aktivliyi 8,4109 Bq/q təşkil edir. Silah dərəcəli plutoniumda (0,7%) və reaktor dərəcəli plutoniumda (>19%) IgPu tərkibi. Termal reaktorlar üçün yanacaqda 24 ° Pu-nun olması arzuolunmazdır, lakin bu izotop sürətli reaktorlarda yanacaq kimi xidmət edir.

Plutonium-241, G,/2=14 l, əlavə məhsul 241 Am, p- (99%, ?рmax=0.014 MeV), a (1%, iki xətt: 4.893 (75%) və 4.848 (25%) MeV ) və y-emitter, ^ Pu 3.92-12 Ci/g-nin xüsusi aktivliyi. Plutoniumun neytronlarla güclü şüalanması ilə, həmçinin siklotronda 2 3 8 U(a,n) 241 Pu reaksiyası ilə alınır. Bu izotop istənilən enerjinin neytronları tərəfindən parçalanır (^'Pu-nun neytron udma kəsiyi ^Phi-dən 1/3 böyükdür, termal neytronların parçalanma kəsiyi təqribən 100 anbardır, bir elementin udulması ilə parçalanma ehtimalı) neytron 73% təşkil edir, aşağı neytron fonuna və orta istilik gücünə malikdir və buna görə də plutoniumun istifadəsinin asanlığına birbaşa təsir göstərmir. Çox zəif parçalanan və çox istilik yaradan 241 Am-a parçalanır: 10 6 Vt/kq. ^‘Pu reaktor neytronları (poo anbarı) üçün böyük parçalanma kəsiyinə malikdir, bu da onu yanacaq kimi istifadə etməyə imkan verir. Silahda əvvəlcə 241 Ri varsa, bir neçə ildən sonra onun reaktivliyi azalır və bu, şarj gücünün azalmasının və özünü qızdırmanın artmasının qarşısını almaq üçün nəzərə alınmalıdır. 24 'Ru özü çox zəif P radiasiyasına görə çox qısa yarımparçalanma müddətinə baxmayaraq çox qızmır (cəmi 3,4 Vt/kq). Neytron 24 * Pu nüvəsi tərəfindən udulduğunda, parçalanmazsa, 242 Pu-ya çevrilir. 241 Pu ^‘As-ın əsas mənbəyidir.

Plutonium-242 (^/2=373300 il),

Plutonium-243 No/2=4-956 saat), p"- (enerji 0,56 MeV) və y-emitter (0,09-0,16 MeV diapazonunda bir neçə xətt) Reaksiyanın kəsişməsi 242 Pu(n ,y) 243 Pu yavaş neytronlarda 00 anbar."^sPu 24 zAsh-in p-parçalanması zamanı əmələ gəlir, 2 4 2 Pu neytronları ilə şüalanma yolu ilə əldə edilə bilər. Qısa yarımparçalanma dövrünə görə o, az miqdarda şüalanmış reaktor yanacağının tərkibində olur.

Plutonium-244 (Ti/ 2 =8.o*io 7 il), a-emitter, E a = 4,6 MeV, spontan parçalanma qabiliyyətinə malikdir, xüsusi aktivlik 6,66-105 Bq/q, termal neytron tutma kəsiyi 0=19 anbar. Bu, təkcə plutoniumun ən uzunömürlü izotopu deyil, həm də transuran elementlərinin bütün izotopları arasında ən uzunömürlüdür. Xüsusi fəaliyyət 2

Plutoniumun daha ağır izotopları da p-parçalanmaya məruz qalır və onların ömürləri bir neçə gündən saniyənin onda bir neçəsinə qədər dəyişir. Termonüvə partlayışlarında plutoniumun bütün izotopları 2 57 Pu-a qədər əmələ gəlir. Lakin onların ömrü saniyənin onda biri qədərdir və plutoniumun bir çox qısa ömürlü izotopları hələ öyrənilməmişdir.

Plutonium çox ağır, gümüşü-ağ metaldır və təzə təmizləndikdə nikel kimi parlayır. Atom kütləsi 244.0642 amu. (q/mol), atom radiusu 151 pm, ionlaşma enerjisi (birinci elektron) 491,9(5,10) kJ/mol (eV), elektron konfiqurasiya 5f 6 7s 2. İon radiusu: (+4e) 93, (+3e) 08 pm, elektronmənfilik (Paulinq) 1,28, T P l = 639,5°, G K ip = 3235°, plutonium sıxlığı 19,84 (a-faza), plutoniumun buxarlanma istiliyi 80,46 kkal/mol. Plutoniumun buxar təzyiqi uranın buxar təzyiqindən əhəmiyyətli dərəcədə yüksəkdir (1540 0 300 dəfə). Plutonium ərimiş urandan distillə edilə bilər. Metal plutoniumun altı allotropik modifikasiyası məlumdur. Temperaturlarda

Laboratoriya şəraitində metal plutonium plutonium halogenidlərinin litium, kalsium, barium və ya maqnezium ilə 1200°-də reduksiya reaksiyaları ilə əldə edilə bilər:

Metal plutonium, həmçinin reaksiyaya uyğun olaraq kalsium silisidin istifadə edərək, buxar fazasında plutonium trifluoridin 1300 0-da azaldılması ilə əldə edilir.

və ya plutonium halogenidlərinin vakuumda termal parçalanması.

Plutonium bir çox spesifik xüsusiyyətlərə malikdir. Manqan istisna olmaqla, bütün metallar arasında ən aşağı istilik keçiriciliyinə, ən aşağı elektrik keçiriciliyinə malikdir. Maye fazasında ən özlü metaldır. Temperatur dəyişdikdə, plutonium sıxlıqda ən ciddi və qeyri-təbii dəyişikliklərə məruz qalır.

Plutonium bərk formada (Cədvəl 3) hər hansı digər elementdən daha çox altı müxtəlif fazaya (kristal quruluşa) malikdir. Fazalar arasında bəzi keçidlər həcmdə kəskin dəyişikliklərlə müşayiət olunur. Bu fazaların ikisində - delta və delta prime - plutonium temperatur artdıqca özünəməxsus büzülmə xüsusiyyətinə malikdir, digərlərində isə həddindən artıq yüksək temperaturda genişlənmə əmsalı var. Ərindikdə plutonium büzülür və əriməmiş plutoniumun üzməsinə imkan verir. Ən sıx formada a-faza, plutonium altıncı ən sıx elementdir (yalnız osmium, iridium, platin, renium və neptunium daha ağırdır). a-fazasında saf plutonium kövrəkdir. Plutoniumun Al, Be, Co, Fe, Mg, Ni, Ag ilə çoxlu ərintiləri və intermetal birləşmələri məlumdur. PuBe, 3 mürəkkəbi 6,7 * 107 neytron/skg intensivliyə malik neytron mənbəyidir.

düyü. 5.

Radioaktivliyinə görə plutonium toxunanda isti olur. Termal izolyasiya edilmiş qabıqda böyük bir plutonium parçası suyun qaynama nöqtəsini aşan bir temperatura qədər qızdırılır. İncə üyüdülmüş plutonium piromorfdur və 300 0-də özbaşına alovlanır. O, halogenlər və hidrogen halogenidləri ilə halogenidlər, hidrogen-hidridlər, karbon-karbid ilə reaksiyaya girir, azotla 250 0-da reaksiyaya girərək nitridi, ammonyakla təmasda olduqda isə nitridləri də əmələ gətirir. CO2-ni CO və ya C-yə qədər azaldır və karbid əmələ gəlir. Qazlı kükürd birləşmələri ilə qarşılıqlı təsir göstərir. Plutonium xlorid, 85% fosfor, hidroyod, perklor və konsentratlı xloroasetik turşularda asanlıqla həll olunur. Seyreltilmiş H2SO4 plutoniumu yavaş-yavaş həll edir, lakin konsentrasiya edilmiş H2S04 və HN03 onu passivləşdirir və onunla reaksiya vermir. Qələvilərin metal plutoniumuna heç bir təsiri yoxdur. Plutonium duzları neytral və ya qələvi məhlullarla təmasda olduqda asanlıqla hidrolizləşərək həll olunmayan plutonium hidroksid yaradır. Plutoniumun konsentratlı məhlulları çöküntülərə səbəb olan radiolitik parçalanma səbəbindən qeyri-sabitdir.

Cədvəl 3. Plutonium fazalarının sıxlığı və temperatur diapazonu:

Plutoniumun əsas valentliyi 4+-dir. Bu, urandan qat-qat çox, elektromənfi, kimyəvi cəhətdən reaktiv elementdir (0,2 V). Tez sönür, əvvəlcə açıq sarı, sonra isə tünd bənövşəyi rəngə çevrilən iridescent film əmələ gətirir. Oksidləşmə kifayət qədər sürətli olarsa, onun səthində zeytun yaşıl oksid tozu (PuO 2) görünür.

Plutonium asanlıqla oksidləşir və cüzi nəmlik olduqda belə tez korroziyaya məruz qalır. Su buxarı ilə inert qaz atmosferində quru havada və ya təmiz oksigendən daha sürətli paslanır. Plutonium hidrogen, karbon, azot, oksigen, fosfor, arsen, flüor, silisium və tellurun iştirakı ilə qızdırıldıqda bu elementlərlə bərk həll olunmayan birləşmələr əmələ gətirir.

Plutonium oksidləri arasında Pu 2 0 3 və Pu 0 2 məlumdur.

Pu02 plutonium dioksid zeytun-yaşıl toz, qara parlaq kristallar və ya qırmızı-qəhvəyidən kəhrəba-sarıya qədər toplardır. Kristal strukturu flüorit tiplidir (Pu-* + üz mərkəzli kub sistemini, O 2- tetraedr təşkil edir). Sıxlıq 11,46, Gpl=2400°. Plutoniumun demək olar ki, bütün duzlarından (məsələn, oksalat, peroksid) havada və ya atmosferdə 0 2, 700-1000 0 temperaturda qızdırıldıqda, plutoniumun bu duzlarda oksidləşmə vəziyyətindən asılı olmayaraq əmələ gəlir. Məsələn, Pu(IV) Pu(C 2 0 4) 2 -6H 2 0 oksalat heksahidratının (işlənmiş yanacağın təkrar emalı zamanı əmələ gələn) kalsinasiyası ilə əldə edilə bilər:

Pu0 2, aşağı temperaturda günorta, konsentratlaşdırılmış xlorid və azot turşularında asanlıqla həll olunur. Əksinə, kalsine edilmiş Pu0 2 çətin həll olunur və yalnız xüsusi müalicə nəticəsində məhlula gətirilə bilər. Suda və üzvi həlledicilərdə həll olunmur. HF ilə konsentratlaşdırılmış HN0 3-ün isti qarışığı ilə yavaş-yavaş reaksiya verir. Bu stabil birləşmə plutoniumun təyinində qravimetrik forma kimi istifadə olunur. Nüvə enerjisində yanacaq hazırlamaq üçün də istifadə olunur.

Xüsusilə reaktiv Pu0 2, lakin az miqdarda oksalat ehtiva edən Pu(C 2 0 4) 2 -6H 2 0-nın 130-^-300°-də parçalanması ilə əldə edilir.

Hidrid R11H3 150-5-200°-də olan elementlərdən alınır.

Plutonium aşağı ərimə qabiliyyətinə görə maraq kəsb edən halidlər və oksihalidlər, disilisid PuSi 2 və sesquisulfid PuSi,33^b5, həmçinin müxtəlif stoxiometriyaların karbidləri əmələ gətirir: PuS-dən Pu2C3-ə qədər. RiS - qara kristallar, G 11L = 1664 0. UC ilə birlikdə nüvə reaktorları üçün yanacaq kimi istifadə edilə bilər.

Plutonium nitridi, PuN - NaCl tipli üz mərkəzli kub qəfəsli boz (qara) rəngli kristallar (0 = 0,4905 nm, z = 4, kosmik qrup Ptzm; qəfəs parametri öz təsiri altında zamanla artır. a-radiasiya); T pl.=2589° (parçalanma ilə); sıxlıq 14350 kq/m3. Yüksək istilik keçiriciliyinə malikdir. Yüksək temperaturda (~1boo°) uçucudur (parçalanma ilə). Plutoniumun azotla 6oo°-də və ya hidrogen və ammonyak qarışığı (təzyiq 4 kPa) ilə reaksiyaya girməsi yolu ilə əldə edilir. Toz plutonium PuN otaq temperaturunda havada oksidləşir, 3 gündən sonra tamamilə Pu0 2-yə çevrilir, sıx plutonium yavaş-yavaş oksidləşir (30 gündə 0,3%). Soyuq su ilə yavaş-yavaş və qızdırıldıqda tez hidrolizləşərək Pu0 2 əmələ gətirir; uyğun Pu (III) duzlarını yaratmaq üçün seyreltilmiş xlorid və sulfat turşularında asanlıqla həll olunur; Plutonium nitridə təsir gücünə görə turşuları HN0 3 >HC1>H 3 P0 4 >>H 2 S04>HF sırasına düzmək olar. Reaktor yanacağı kimi istifadə edilə bilər.

Bir neçə plutonium flüoridləri var: PuF 3, PuF 4, PuF6.

Plutonium tetraflorid PuF 4 çəhrayı maddə və ya qəhvəyi kristal, monoklinik sistemdir. Zr, Hf, Th, U, Np və Ce tetraflorid ilə izomorfdur. Г pl = 1037 0, Г к, «1 = 1277°. Suda və üzvi həlledicilərdə zəif həll olunur, lakin Ce(IV), Fe(III), Al(III) duzlarının və ya flüor ionları ilə sabit komplekslər əmələ gətirən ionların iştirakı ilə sulu məhlullarda asanlıqla həll olunur. Çəhrayı çöküntü PuF 4 -2.5H 2 0 Pu(III) duzlarının sulu məhlullarından hidrofluorik turşu ilə çökdürülməklə əldə edilir. Bu birləşmə HF cərəyanında 350 m-ə qədər qızdırıldıqda susuzlaşır.

PuF 4 reaksiyaya görə oksigenin 550°-də iştirakı ilə plutonium dioksid üzərində hidrogen flüoridinin təsiri ilə əmələ gəlir:

PuF 4 PuF 3-ü 300 0-da flüorla müalicə etməklə və ya Pu(III) və ya Pu(IV) duzlarını və hidrogen flüorid axınını qızdırmaqla da əldə etmək olar. Pu(IV) sulu məhlullarından PuF 4 hidrofluor turşusu ilə 2PuF 4 H 2 0 tərkibli çəhrayı çöküntü şəklində çökdürülür. PuF 4 demək olar ki, tamamilə LaF 3 ilə birlikdə çökür. Havada 400 0 PuF 4-ə qədər qızdırıldıqda Pu0 2-yə çevrilir.

Plutonium heksaflorid, PuFe - otaq temperaturunda sarımtıl-qəhvəyi rəngli (aşağı temperaturda - rəngsiz) ortoromb quruluşlu uçucu kristallar, Gpl = 52°, T knp =b2° atmosfer təzyiqində, sıxlığı 5060 kqm-z, sublimasiya istiliyi 12,1 kkal/mol, buxarlanma istiliyi = 7,4 kkal mol * 1, ərimə istiliyi = 4,71 kkal/mol, korroziyaya çox meyilli və avtoradiolizə həssasdır. PuFe az qaynayan mayedir, termal cəhətdən UF6-dan daha az dayanıqlı və daha az uçucudur. PuFe buxarı NO 2 kimi rəngdədir, maye tünd qəhvəyi rəngdədir. Güclü flüorlaşdırıcı və oksidləşdirici agent; su ilə şiddətlə reaksiya verir. Nəmə çox həssasdır; c H 2 0 gün işığında Pu0 2 və PuF 4 əmələ gətirmək üçün flaşla çox güclü reaksiya verə bilər. PuFe, buzda -195 0-da qatılaşdırılmış, qızdırıldıqda, yavaş-yavaş Pu0-a hidroliz olur. 2 Fo. Kompakt PuFe, plutoniumun a-radiasiyası səbəbindən kortəbii olaraq parçalanır.

UF6, PuF 4 və ya Pu0 2-nin flüorla 6004-700°-də müalicəsi ilə əldə edilir.

PuF 4-ün flüorla 7004-800°-də flüorlaşması çox tez baş verir və ekzotermik reaksiyadır. Parçalanmanın qarşısını almaq üçün yaranan PuF6 tez bir zamanda isti zonadan çıxarılır - dondurulmuş və ya sintez flüor axınında həyata keçirilir, bu da məhsulu reaksiya həcmindən tez çıxarır.

PuFa da edə bilər geri ödəmə ilə almaq:

Pu(III), Pu(IV) və Pu(VII) nitratları var: müvafiq olaraq Pu(N0 3) 3, Pu(N0 3) 4 və Pu0 2 (N0 3) 2.

plutonium nitrat, Pu(N0 3) 4 *5H 2 0 konsentratlaşdırılmış Pu(IV) nitrat məhlulunun otaq temperaturunda yavaş (bir neçə ay ərzində) buxarlanması ilə əldə edilir. HN0 3 və suda yaxşı həll olunur (azot turşusu məhlulu tünd yaşıl, qəhvəyi rəngdədir). Aseton, efir və tributil fosfatda həll olunur. Plutonium nitrat və qələvi metal nitratların konsentratlaşdırılmış nitrat turşusunda məhlulları buxarlanma zamanı ikiqat Me 2 [Pu(N0 3)b] nitratları buraxır, burada Me + =Cs +, Rb +, K +, Th +, C 9 H 7 NH + , C 5 H 5 NH + , NH 4 + .

Plutonium (IV) oksalat, Pu(C 2 0 4) 2 -6H 2 0, qumlu (bəzən sarı-yaşıl) tozdur. U(C 2 0 4)-6H 2 0 ilə izomorf. Plutonium oksalat heksahidrat mineral turşularda zəif həll olunur və kompleks birləşmələrin əmələ gəlməsi ilə oksalatlar və ammonium və ya qələvi metal karbonatların məhlullarında yaxşı həll olunur. Nitratdan oksalat turşusu ilə çökdürülür (i.5*4.5M HNO.0 Pu(IV) məhlulları):

Havada 0°-yə qədər qızdırıldıqda susuzlaşır, 400 0-dən yuxarı isə parçalanır:

Birləşmələrdə plutonium +2 ilə +7 arasında oksidləşmə vəziyyətini nümayiş etdirir. Sulu məhlullarda +3-dən +7-yə qədər oksidləşmə vəziyyətinə uyğun ionlar əmələ gətirir. Bu halda, Pu(VII) istisna olmaqla, bütün oksidləşmə dərəcələrinin ionları eyni vaxtda tarazlıqda məhlulda ola bilər. Məhluldakı plutonium ionları hidrolizdən keçir və asanlıqla kompleks birləşmələr əmələ gətirir. Kompleks birləşmələr yaratmaq qabiliyyəti Pu5 + seriyasında artır

Pu (IV) ionları məhlulda ən stabildir. Pu(V) Pu(lV) və Pu(Vl) nisbətində qeyri-mütənasibdir. Pu(VI)-nın valentlik vəziyyəti güclü oksidləşən sulu məhlullar üçün xarakterikdir və o, Pu0 2 2+ plutonil ionuna uyğundur. 3+ və 4+ yüklü plutonium ionları sulu məhlullarda yüksək hidratlı kationlar şəklində hidroliz və kompleks əmələgəlmə olmadıqda mövcuddur. Turşu məhlullarda Pu(V) və Pu(VI) M0 2 + və M0 2 2+ tipli oksigen tərkibli kationlardır.

Plutoniumun oksidləşmə dərəcələri (III, IV, V və VI) turşu məhlullarında aşağıdakı ion vəziyyətlərinə uyğundur: Pu 3+, Pu4 +, Pu0 2 2+ və Pu0 5 3 Plutoniumun oksidləşmə potensialının "yaxınlığına görə. ionları bir-birinə" məhlullarda eyni vaxtda fərqli oksidləşmə vəziyyətinə malik plutonium ionları tarazlıqda mövcud ola bilər. Bundan əlavə, Pu (IV) və Pu (V) nisbətinin pozulması müşahidə olunur:

Plutonium konsentrasiyası və temperaturun artması ilə disproporsionallıq dərəcəsi artır.

Reese+ məhlulları mavi-bənövşəyi rəngə malikdir. Öz xüsusiyyətlərinə görə Rts + nadir torpaq elementlərinə yaxındır. Onun hidroksid, ftor, fosfat və oksalat həll olunmur. Pu (IV) sulu məhlullarda plutoniumun ən sabit vəziyyətidir. Pu(IV) azot, kükürd, xlorid, sirkə və digər turşularla kompleks əmələ gəlməyə meyllidir. Beləliklə, konsentratlaşdırılmış azot turşusunda Pu(IV) Pu(N0 3)5- və Pu(G) 3)6 2" kompleksləri əmələ gətirir. Sulu məhlullarda Pu(IV) asanlıqla hidrolizə olunur. Plutonium hidroksid (yaşıl) meyllidir. həll olunmayan flüorid, hidroksid, oksalat, Pu(IV) iodat.Pu(IV) həll olunmayan hidroksidlər, lantan ftorid, Zr, Th, Ce iodatlar, Zr və Bi fosfatlar, Th, U(IV), Bi, La oksalatlar.Pu(IV) Na, K, Rb, Cs və NH 4+ ilə ikiqat flüoridlər və sulfatlar əmələ gətirir.Pu(Pu(III) və Pu(VI) məhlullarını qarışdırmaqla təxminən 2 M HN0 3 məhlulunda əldə edilir. Pu( VI) duzlarından natrium plutonilasetat NaPu0 2 (C 2 H 3 0 2) 3 və ammonium plutonilasetat NH 4 Pu0 2 (C 2 H 3 0 2) maraq doğurur, onlar strukturuna görə müvafiq birləşmələrə U oxşardırlar. , Np və At.

HC10 4-ün lM məhlulunda plutoniumun (V-də) formal oksidləşmə potensialları:

Bu anionla əmələ gələn kompleksin aktinid ionları üçün dayanıqlığı aşağıdakı ardıcıllıqla azalır: M4 + >M0 2+ >M3 + >M0 2 2+ > M0 2+, yəni. ion potensialını azaltmaq üçün. Anionların aktinid ionları ilə komplekslər yaratmaq qabiliyyəti tək yüklü anionlar üçün azalır - ftor > nitrat > xlorid > perklorat; ikiqat yüklü anionlar üçün karbonat>oksalat>sulfat. Üzvi maddələrlə çoxlu sayda kompleks ion əmələ gəlir.

Həm Pu(IV), həm də Pu(VI) etil efir, TBP, diizopropil keton və s. ilə turşu məhlullarından yaxşı çıxarılır. Pəncəşəkilli komplekslər, məsələn, a-tenoyltrifluoroaseton, p-diketon, kuferon ilə yaxşı ekstraksiya edilir. qeyri-polyar üzvi həlledicilər. Pu (IV) komplekslərinin a-thenoyltrifluoroaseton (TTA) ilə çıxarılması plutoniumun əksər çirklərdən, o cümlədən aktinid və nadir torpaq elementlərindən təmizlənməsinə imkan verir.

Müxtəlif dövlətlərdə plutonium ionlarının sulu məhlulları aşağıdakı rənglərə malikdir: Pu (III), Pcs + (mavi və ya lavanda); Pu(IV), Pc4* kimi (sarı-qəhvəyi); Pu(VI), kimi Pu0 2 2+ (çəhrayı-narıncı). Pu(V), Pu0 2+ kimi, ilkin olaraq çəhrayıdır, lakin məhlulda qeyri-sabitdir, bu ion Pu 4+ və Pu0 2 2+ ilə qeyri-mütənasib olur; Pu 4+ sonra oksidləşir, Pu0 2 +-dan Pu0 2 2+-a keçir və Pu 3+-a qədər azalır. Beləliklə, plutoniumun sulu məhlulu zamanla Pcs + və Pu0 2 2+ qarışığına çevrilir. Pu(VII), kimi Pu0 5 2 - (tünd göy).

Plutoniumun aşkarlanması üçün plutoniumun a-radiasiyasını və onun enerjisini ölçməyə əsaslanan radiometrik metoddan istifadə olunur. Bu üsul kifayət qədər yüksək həssaslıqla xarakterizə olunur: imkan verir kəşf etmək 0,0001 µg 2 39Pi. Təhlil edilən nümunədə başqa α-emitterlər varsa, plutoniumun identifikasiyası α-spektrometrlərdən istifadə edərək α-hissəciklərin enerjisini ölçməklə həyata keçirilə bilər.

Plutoniumun keyfiyyətcə təyini üçün bir sıra kimyəvi və fiziki-kimyəvi üsullar plutoniumun valentlik formalarının xassələrindəki fərqdən istifadə edir. Kifayət qədər konsentrasiya edilmiş sulu məhlullarda Pu(III) ionunu onun parlaq mavi rəngi ilə aşkar etmək olar, bu rəng Pu(IV) ionları olan sulu məhlulların sarı-qəhvəyi rəngindən kəskin şəkildə fərqlənir.

Müxtəlif oksidləşmə vəziyyətlərində olan plutonium duzlarının məhlullarının işıq udma spektrləri spesifik və dar udma zolaqlarına malikdir ki, bu da valentlik formalarını müəyyən etməyə və digərlərinin iştirakı ilə onlardan birini aşkar etməyə imkan verir. Pu(III) üçün ən xarakterik işıq udma maksimalları 600 və 900 mmk, Pu(IV) - 480 və 66 mmk, Pu(V) - 569 mmk və Pu(VI) 830+835 mmk bölgələrində yerləşir.

Plutonium kimyəvi cəhətdən zəhərli olsa da, hər hansı bir ağır metal kimi, bu təsir onun radiotoksikliyi ilə müqayisədə zəifdir. Plutoniumun zəhərli xüsusiyyətləri a-radioaktivliyin nəticəsi kimi görünür.

2 s üçün 8 Pu, 2 39Pu, 24op U) 242p u> 244Pu şüalanma təhlükəsi qrupu A, MZA=z,7-uz Bq; 2 4>Pu və 2 43Pu üçün radiasiya təhlükəsi qrupu B, MZA = 3,7-104 Bq. Radioloji toksiklik 2 3 olarsa və birlik kimi qəbul edilirsə, plutonium və bəzi digər elementlər üçün eyni göstərici seriyanı təşkil edir: 235U 1,6 - 2 39Pu 5,0 - 2 4 1 Kül 3,2 - 9"Sr 4,8 - ^Ra 3,0. Görünür ki, plutonium radionuklidlər arasında ən təhlükəli deyil.

Plutoniumun sənaye istehsalını qısaca müzakirə edək.

Plutonium izotopları (p, y) reaksiyasından istifadə edərək yavaş neytronlardan istifadə edən güclü uran reaktorlarında və sürətli neytronlardan istifadə edən reaktorlarda istehsal olunur. Plutonium izotopları da güc reaktorlarında istehsal olunur. 20-ci əsrin sonlarına qədər dünya cəmi -1300 ton plutonium istehsal etdi, bunun ~300 tonu silah istifadə üçün idi, qalanı nüvə elektrik stansiyalarının (reaktor plutonium) əlavə məhsulu idi.

Silah dərəcəli plutonium reaktor dərəcəli plutoniumdan zənginləşmə dərəcəsinə və kimyəvi tərkibinə görə deyil, həm uranın neytronlarla şüalanma vaxtından, həm də sonrakı saxlama müddətindən mürəkkəb şəkildə asılı olan izotop tərkibi ilə fərqlənir. şüalanma. 24°Pu və 2 4‘Pu izotoplarının tərkibi xüsusilə vacibdir. Plutoniumda bu izotopların istənilən tərkibi ilə atom bombası yaradıla bilsə də, buna baxmayaraq, 239r-da 2 4 «p u-nun olması silahın keyfiyyətini müəyyənləşdirir, çünki neytron fonu və kritik kütlənin artımı və istilik çıxışı kimi hadisələr ondan asılıdır. Neytron fonu plutoniumun ümumi kütləsini və yüksək partlayış sürətinə nail olmaq ehtiyacını məhdudlaşdırmaqla partlayıcı qurğuya təsir göstərir. Buna görə də, köhnə dizayn bombaları 2 4 və ya aşağı məzmun tələb etdi. Ancaq "yüksək" dizayn layihələrində istənilən saflıqda plutonium istifadə olunur. Buna görə də, “silah dərəcəli plutonium” termininin heç bir hərbi mənası yoxdur; bu iqtisadi parametrdir: "yüksək" bomba dizaynı "aşağı" olandan xeyli bahadır.

24op U) payı artdıqca plutoniumun qiyməti düşür və kritik kütlə artır. 7% 24°Pu tərkibi plutoniumun ümumi dəyərini minimuma endirir. Silah dərəcəli plutoniumun orta tərkibi: 93,4% 239 Ri, 6,o%

24°Pu və 0,6% 241 Pu. Belə plutoniumun istilik gücü 2,2 Vt/kq, spontan parçalanma səviyyəsi 27100 parçalanma/s təşkil edir. Bu səviyyə 4 kq plutoniumun yaxşı partlama sistemində əvvəlcədən partlama ehtimalı çox aşağı olan silahda istifadə edilməsinə imkan verir. 20 ildən sonra 24-dən çoxu Pu ^'At-a çevriləcək, istilik buraxılmasını əhəmiyyətli dərəcədə artıracaq - 2,8 Vt/kq-a qədər. 241 Pu yüksək parçalanan, lakin 241 At olmadığı üçün bu, plutoniumun reaktivlik marjasının azalmasına səbəb olacaq. 5 kq 300.000 neytron/s silah dərəcəli plutoniumdan neytron şüalanması 1 m məsafədə 0,003 rad/saat radiasiya səviyyəsi yaradır.Fon reflektor və onu əhatə edən partlayıcı tərəfindən 10 dəfə azaldılır. Lakin texniki qulluqçuların nüvə partlayıcı qurğuya texniki qulluq zamanı onunla uzun müddət təması illik həddə bərabər şüalanma dozası ilə nəticələnə bilər.

2 - "* 9 Pu və 24 °Pu kütlələrindəki kiçik fərqə görə, bu izotoplar sənaye zənginləşdirmə üsulları ilə ayrılmır. Baxmayaraq ki, onları elektromaqnit ayırıcıdan istifadə etməklə ayırmaq olar. Lakin daha təmiz əldə etmək daha asandır. 2 zeRi reaktorda qalma müddətini azaltmaqla *3 *i 24 °Pi-nin tərkibini 6%-dən aşağı azaltmaq üçün heç bir səbəb yoxdur, çünki bu konsentrasiya termonüvə yüklərinin effektiv tetikleyicilerinin yaradılmasına mane olmur.

Silah dərəcəli plutoniumdan əlavə, reaktor dərəcəli plutonium da var. İşlənmiş nüvə yanacağının plutoniumu bir çox izotopdan ibarətdir. Kompozisiya reaktorun növündən və iş rejimindən asılıdır. Yüngül su reaktoru üçün tipik dəyərlər: 2 × 8 Pu - 2%, 239Pu - 61%, 24 °Pll - 24%, 24iPu - 10%, 242 Pll - 3%. Belə plutoniumdan bomba hazırlamaq çətindir (terrorçular üçün faktiki olaraq qeyri-mümkündür), lakin inkişaf etmiş texnologiyaya malik ölkələrdə nüvə yüklərinin istehsalı üçün reaktor plutoniumundan istifadə edilə bilər.

Cədvəl 4. Plutonium növlərinin xüsusiyyətləri.

Reaktorda yığılmış plutoniumun izotop tərkibi yanacağın yanma dərəcəsindən asılıdır. Yaranan beş əsas izotopdan ikisi tək izotopdur Z- 2 39Pi və 24,Pi parçalanır, yəni. termal neytronların təsiri altında parçalanma qabiliyyətinə malikdir və reaktor yanacağı kimi istifadə edilə bilər. Plutoniumdan reaktor yanacağı kimi istifadə edildikdə, yığılmış 2 39 Ri və 241 Ri miqdarı vacibdir. İşlənmiş yanacaqdan əldə edilən plutonium sürətli neytron reaktorlarında təkrar istifadə edilərsə, onun izotop tərkibi tədricən silah istifadəsi üçün daha az uyğunlaşır. Bir neçə yanacaq dövründən sonra 2 × 8 Pu, #2 4″ Pu və ^ 2 Pu toplanması onu bu məqsəd üçün yararsız edir. Bu cür materialın qarışdırılması, parçalanan materialların çoxalmamasını təmin edərək, plutoniumun "denaturasiyalaşdırılması" üçün əlverişli bir üsuldur.

Həm silah, həm də reaktor dərəcəli plutonium müəyyən miqdarda ^ Pu ehtiva edir. ^'Pu p-hissəciyinin emissiyası ilə 24 'Am-a parçalanır. Qız 241 At ana 241 Pu (14,4 l) ilə müqayisədə əhəmiyyətli dərəcədə uzun yarımxaricolma dövrünə (432 l) malik olduğundan, onun yükdəki (və ya NFC tullantısındakı) miqdarı ^'Pu çürüdükcə artır. 241 Am-ın çürüməsi nəticəsində, 241 Pu-dan çox güclüdür, buna görə də zaman keçdikcə artır.®4phi konsentrasiyası və onun saxlanma müddəti artım nəticəsində yaranan y-radiasiya səviyyəsi ilə birbaşa əlaqələndirilir. tərkibində 24 'As. Plutonium uzun müddət saxlanıla bilməz - İstifadə edildikdən sonra istifadə edilməlidir, əks halda yenidən vaxt aparan və bahalı təkrar emala məruz qalmalı olacaq.

Cədvəl 5. Silah və reaktor dərəcəli plutoniumun bəzi xüsusiyyətləri

Ən praktiki əhəmiyyətli izotop 2 39Pu, təbii və ya zənginləşdirilmiş uranın uzunmüddətli neytron şüalanması zamanı nüvə reaktorlarında istehsal olunur:

Təəssüf ki, plutoniumun digər izotoplarının meydana gəlməsinə səbəb olan digər nüvə reaksiyaları da baş verir: 2 - 38 Pu, a4 və ya u, 24 Phi və 242 Pu, 2 39Rc-dən ayrılması həll edilə bilən olsa da, çox çətin bir işdir. :

Uranın reaktor neytronları ilə şüalanması zamanı plutoniumun həm yüngül, həm də ağır izotopları əmələ gəlir. Əvvəlcə kütləsi 239-dan az olan plutonium izotoplarının əmələ gəlməsini nəzərdən keçirək.

Parçalanma zamanı buraxılan neytronların kiçik bir hissəsi 2 3 8 U(n,2n) 2 3?u reaksiyanı həyəcanlandırmaq üçün kifayət qədər enerjiyə malikdir. 237 U p-emitterdir və T’,/ 2 =6.8 gün ilə uzunömürlü 2 37Np-ə çevrilir. Təbii uran üzərində qrafit reaktorunda bu izotop eyni vaxtda əmələ gələn 2 39Pu-nun ümumi miqdarının 0,1%-i həcmində əmələ gəlir. Yavaş neytronların 2 3?Np tutması 2 3 8 Np əmələ gəlməsinə səbəb olur. Bu reaksiyanın kəsiyi 170 anbardır. Reaksiya zənciri belə görünür:

Burada iki neytron iştirak etdiyi üçün məhsuldarlıq radiasiya dozasının kvadratına mütənasibdir və 238 Pu-dan 2 39 Pu-ya nisbəti 2 39 Pu-dan 238 U-a nisbətinə mütənasibdir. Mütənasiblik ciddi şəkildə müşahidə edilmir ^U-nun 6,8 günlük yarım ömrü ilə əlaqəli 23?Np-nin əmələ gəlməsindəki geriləmə.2 39Pu-da 238 Pu-nun əmələ gəlməsinin daha az əhəmiyyətli mənbəyi uran reaktorlarında əmələ gələn 242 St-nin parçalanmasıdır.238 Pu reaksiyalarla da əmələ gəlir:

Bu üçüncü dərəcəli neytron reaksiyası olduğundan, bu şəkildə əmələ gələn 2 3 8 Pu miqdarının 2 39 Pu-ya olan nisbəti * 3 8 Pu - 2 3 8 U nisbətinin kvadratına mütənasibdir. Lakin bu zəncir ^u ilə zənginləşdirilmiş uranla işləyərkən reaksiyaların sayı nisbətən əhəmiyyətli olur.

5,6% 24 °Pu olan nümunədə 2 × 8 Pu konsentrasiyası 0,0115% təşkil edir. Bu dəyər dərmanların ümumi a-aktivliyinə kifayət qədər əhəmiyyətli töhfə verir, çünki ^ Pu Ti/2= 86,4 l.

Reaktorda istehsal olunan plutoniumda 2 6 Pu olması bir sıra reaksiyalarla əlaqələndirilir:

Uranın şüalanması zamanı 2 3 6 Pu məhsuldarlığı ~ω-9-io" 8% təşkil edir.

Plutoniumun uranda toplanması nöqteyi-nəzərindən əsas çevrilmələr 2 39Pu izotopunun əmələ gəlməsi ilə bağlıdır. Lakin digər yan reaksiyalar da vacibdir, çünki onlar hədəf məhsulun məhsuldarlığını və təmizliyini müəyyən edir. Ağır izotopların nisbi tərkibi 240 Pu, ^Phi, 242 Pu, həmçinin 23Pu, 2 37Np və ^"Kül uranın neytron şüalanmasının dozasından (uranın reaktorda qalma müddətindən) asılıdır. Kəsiklər plutonium izotopları tərəfindən neytron tutulması üçün kifayət qədər böyükdür ki, uranda 2 39Pu aşağı konsentrasiyalarda belə ardıcıl reaksiyalara (n, y) səbəb olur.

Cədvəl 6. Şüalanan plutoniumun izotop tərkibi təbii uran taxtları. _

Uranın neytronlarla şüalanması zamanı əmələ gələn 241 Pu, uran bloklarının kimyəvi-texnoloji emalı zamanı atılan 241 As-a çevrilir (241 At, lakin tədricən təmizlənmiş plutoniumda yenidən toplanır). Məsələn, 7,5% 24 °Pu olan metal plutoniumun a-aktivliyi bir ildən sonra 2% artır (24, At əmələ gəlməsi ilə əlaqədar) 24, Pu reaktor neytronları üçün böyük parçalanma kəsiyinə malikdir, to - poo anbar, reaktor yanacağı kimi plutonium istifadə edərkən vacibdir.

Uran və ya plutonium güclü neytron şüalanmasına məruz qalırsa, kiçik aktinidlərin sintezi başlayır:

2 4*Pu, 2 4*Am-dan əmələ gələn öz növbəsində neytronlarla reaksiyaya girərək 2 3 8 Pu və 2 4 2 Pu əmələ gətirir:

Bu proses nisbətən aşağı y-radiasiya ilə plutonium preparatlarının alınması imkanını açır.

düyü. 6. 3*10*4 n/sm 2 s neytron axını ilə 2 39Pu uzunmüddətli şüalanma zamanı plutonium izotoplarının nisbətinin dəyişməsi.

Beləliklə, plutoniumun uzunömürlü izotopları - ^Pu və 2 44Pu 2 39Pu neytronla uzunmüddətli (təxminən yüz gün və ya daha çox) şüalanma zamanı əmələ gəlir. Bu halda, 2 4 2 Pu məhsuldarlığı bir neçə on faizə çatır, əmələ gələn 2 44 Pu miqdarı isə ^ Pu faizinin bir hissəsini təşkil edir. Eyni zamanda Am, Cm və digər transplutonium, həmçinin parçalanma elementləri alınır.

Plutonium istehsalında uran (metal şəklində) sənaye reaktorunda (termik və ya sürətli) şüalanır ki, onun üstünlükləri yüksək neytron sıxlığı, aşağı temperatur və şüalanmanın mümkünlüyündən çox qısa müddətə mümkün olmasıdır. reaktor kampaniyası.

Bir reaktorda silah dərəcəli plutonium istehsalı zamanı yaranan əsas problem uranın şüalanması üçün optimal vaxtın seçilməsi idi. Fakt budur ki, təbii uranın əsas hissəsini təşkil edən 238 izotopu 239Pu əmələ gətirərək neytronları tutur, 2333 isə parçalanma zəncirvari reaksiyasını dəstəkləyir. Plutoniumun ağır izotoplarının əmələ gəlməsi üçün əlavə neytron tutulması tələb olunduğundan, uranda belə izotopların miqdarı 2 39Pu miqdarından daha yavaş artır. Qısa müddət ərzində reaktorda şüalanan uranın tərkibində az miqdarda 2 39 Pu var, lakin zərərli ağır izotopların yığılmağa vaxtı olmadığı üçün uzun müddət məruz qalmadan daha təmizdir. Bununla belə, 2 39Рц özü parçalanmaya məruz qalır və reaktorda konsentrasiyasının artması ilə onun çevrilmə sürəti artır. Buna görə də, uran şüalanmanın başlanmasından bir neçə həftə sonra reaktordan çıxarılmalıdır.

düyü. 7- Plutonium izotoplarının reaktorda toplanması: l - ^Pu; 2 - 240 Pu (qısa vaxtlarda silah dərəcəli plutonium əmələ gəlir və uzun müddət reaktor dərəcəli plutonium əmələ gəlir, yəni silah istifadəsi üçün yararsızdır).

Yanacaq elementinin ümumi şüalanma dərəcəsi meqavat gün/tonla ifadə edilir. Silah dərəcəli plutonium az miqdarda MW-gün/t olan elementlərdən istehsal olunur və daha az yan məhsul izotopları istehsal edir. Müasir təzyiqli su reaktorlarında yanacaq elementləri 33.000 MVt/t səviyyəyə çatır. Seleksioner reaktorda tipik ekspozisiya 100 MVt-gün/t təşkil edir. Manhetten Layihəsi zamanı təbii uran yanacağı cəmi 100 MVt/t aldı, buna görə də çox yüksək keyfiyyətli 239 Ri (ümumi 1 % 2 4°Pll).

(Pu) aktinid qrupunun gümüşü-ağ radioaktiv metalıdır, toxunduqda istidir (radiaktivliyinə görə. Təbiətdə uranit qatranında və digər uran və serium filizlərində çox az miqdarda tapılır, əhəmiyyətli miqdarda süni istehsal olunur. Təxminən 5 ton nüvə sınaqları nəticəsində atmosferə plutonium buraxıldı.
Hekayə
1940-cı ildə Qlenn Siborq, Edvin MakMillan, Kennedi və Artur Uol tərəfindən 1940-cı ildə Berklidə (ABŞ) siklotronda sürətləndirilmiş deytronlarla uran hədəfinin bombardmanı zamanı kəşf edilmişdir.
adının mənşəyi
Plutoniumun adını Pluton planetinin şərəfinə almışdır, çünki əvvəlki kəşf edilmiş kimyəvi element Neptunium adlanırdı.
Qəbz
Plutonium nüvə reaktorlarında istehsal olunur.
Təbii uranın əsas hissəsini təşkil edən 238 U izotopu parçalanma üçün çox uyğun deyil. Nüvə reaktorları üçün uran bir qədər zənginləşdirilmişdir, lakin nüvə yanacağında 235 U-nun payı kiçik olaraq qalır (təxminən 5%). Yanacaq çubuqlarında əsas hissə 238 U təşkil edir. Nüvə reaktorunun işləməsi zamanı 238 U nüvələrinin bir hissəsi neytronları tutur və sonradan təcrid oluna bilən 239 Pu-ya çevrilir.

Plutoniumun (uran, torium, neptunium kimi) kimyəvi xassələrinə çox oxşar olan aktinidlərə aid olduğu üçün nüvə reaksiyalarının məhsulları arasında plutoniumu təcrid etmək olduqca çətindir. Vəzifə çətinləşir ki, çürümə məhsulları arasında kimyəvi xassələri də plutoniumla oxşar olan nadir torpaq elementləri var. Ənənəvi radiokimyəvi üsullardan istifadə olunur - çöküntü, ekstraksiya, ion mübadiləsi və s. Bu çoxmərhələli texnologiyanın son məhsulu plutonium oksidləri PuO 2 və ya flüoridlərdir (PuF 3, PuF 4).
Plutonium Metallotermiya üsulu ilə çıxarılır (vakuumda oksidlərdən və duzlardan aktiv metalların azaldılması):

PuF 4 +2 Ba = 2BaF 2 + Pu

İzotoplar
Plutoniumun ondan çox izotopu məlumdur, onların hamısı radioaktivdir.
Ən vacib izotop 239 Pu, nüvə parçalanmasına və nüvə zəncirvari reaksiyalarına qadirdir. Nüvə silahlarında istifadə üçün uyğun olan yeganə izotopdur. Uran-235-dən daha yaxşı neytron udma və səpilmə xüsusiyyətlərinə, parçalanma başına neytronların sayına (təxminən 3-ə qarşı 2.3) və müvafiq olaraq daha aşağı kritik kütləyə malikdir. Onun yarı ömrü təxminən 24 min ildir. Plutoniumun digər izotopları ilk növbədə onların ilkin (silah) istifadəsi üçün zərərli olması baxımından nəzərdən keçirilir.
İzotop 238 Pu güclü alfa radioaktivliyə malikdir və nəticədə əhəmiyyətli istilik əmələ gətirir (567 Vt / kq). Bu, nüvə silahlarında istifadə üçün problemlidir, lakin nüvə batareyalarında tətbiqləri var. Marsın orbitindən kənara çıxan demək olar ki, bütün kosmik gəmilərdə 238 Pu istifadə edən radioizotop reaktorları var. Plutonium reaktorunda bu izotopun nisbəti çox azdır.
İzotop 240 Pu silah dərəcəli plutoniumun əsas çirkləndiricisidir. O, yüksək kortəbii parçalanma sürətinə malikdir və yüksək neytron fonu yaradır ki, bu da nüvə yüklərinin partlamasını xeyli çətinləşdirir. Hesab edilir ki, onun silahlardakı payı 7%-dən çox olmamalıdır.
241 Pu aşağı neytron fonuna və orta istilik emissiyasına malikdir. Onun payı 1%-dən bir qədər azdır və silah dərəcəli plutoniumun xüsusiyyətlərinə təsir etmir. Bununla belə, 1914-cü il yarımparçalanma dövrü ilə çoxlu istilik əmələ gətirən amerisium-241-ə çevrilir və bu, yüklərin həddindən artıq istiləşməsi ilə bağlı problem yarada bilər.
242 Pu neytron tutma reaksiyası üçün çox kiçik kəsiyi var və çox az miqdarda olsa da (0,1%-dən az) nüvə reaktorlarında toplanır. Silah dərəcəli plutoniumun xüsusiyyətlərinə təsir göstərmir. Əsasən transplutonium elementlərinin sintezində sonrakı nüvə reaksiyaları üçün istifadə olunur: termal neytronlar nüvə parçalanmasına səbəb olmur, buna görə də bu izotopun istənilən miqdarı güclü neytron axını ilə şüalana bilər.
Plutoniumun digər izotopları olduqca nadirdir və nüvə silahlarının istehsalına heç bir təsiri yoxdur. Ağır izotoplar çox az miqdarda əmələ gəlir, qısa ömürlüdür (bir neçə gündən və ya saatdan azdır) və beta-parçalanma yolu ilə amerikiumun müvafiq izotoplarına çevrilirlər. Onların arasında fərqlənir 244 Pu- yarı ömrü təxminən 82 milyon ildir. Bütün transuran elementlərinin ən izotopudur.
Ərizə
1995-ci ilin sonunda dünyada təqribən 1270 ton plutonium istehsal edilmişdi ki, bunun da 257 tonu hərbi məqsədlər üçün nəzərdə tutulmuşdu ki, bunun üçün yalnız 239 Pu izotopu uyğundur. Nüvə reaktorlarında yanacaq kimi 239 Pu istifadə etmək mümkündür, lakin iqtisadi baxımdan o, urandan daha aşağıdır. Plutoniumun çıxarılması üçün nüvə yanacağının təkrar emalının dəyəri aşağı zənginləşdirilmiş (~5% 235 U) uranın qiymətindən qat-qat çoxdur. Yalnız Yaponiyada plutoniumun enerji istifadəsi proqramı var.
Allotropik dəyişikliklər
Bərk formada plutonium yeddi allotropik modifikasiyaya malikdir (lakin ? və ? 1 fazaları bəzən birləşdirilir və bir faza hesab olunur). Otaq temperaturunda plutonium adlanan kristal quruluşdur ?-faza. Atomlar kovalent bağla (metal rabitəsi əvəzinə) bağlanır, ona görə də fiziki xassələri metallara nisbətən minerallara daha yaxındır. Bu, müəyyən istiqamətlərdə qırılan sərt, kövrək bir materialdır. Bütün metallar arasında aşağı istilik keçiriciliyinə, manqan istisna olmaqla, aşağı elektrik keçiriciliyinə malikdir. ?-faza adi metal texnologiyalarından istifadə etməklə emal edilə bilməz.
Temperatur dəyişdikdə, plutonium yenidən qurulur və son dərəcə güclü dəyişikliklər yaşayır. Fazalar arasında bəzi keçidlər həcmdə sadəcə təəccüblü dəyişikliklərlə müşayiət olunur. Bu fazaların ikisində (? və?1) plutonium unikal xüsusiyyətə malikdir - mənfi temperatur genişlənmə əmsalı, yəni. artan temperaturla daralır.
Qamma və delta fazalarında plutonium metalların adi xassələrini, xüsusən də elastikliyini nümayiş etdirir. Bununla belə, delta fazasında plutonium qeyri-sabitlik nümayiş etdirir. Yüngül təzyiq altında sıx (25%) alfa fazasına yerləşməyə çalışır. Bu xüsusiyyət nüvə silahlarının partlayıcı qurğularında istifadə olunur.
1 kilobardan yuxarı təzyiqlərdə təmiz plutoniumda delta fazası ümumiyyətlə mövcud deyil. 30 kilobardan yuxarı təzyiqlərdə yalnız alfa və beta fazaları mövcuddur.
Plutonium metallurgiyası
Qallium, alüminium, serium, indium kimi üçvalentli metallarla bir neçə mol faiz konsentrasiyasında ərinti əmələ gətirməklə plutonium delta fazasında normal təzyiqdə və otaq temperaturunda sabitləşə bilər. Məhz bu formada plutonium nüvə silahlarında istifadə olunur.
Silahlaşdırılmış plutonium
Nüvə silahı istehsal etmək üçün arzu olunan izotopun (235 U və ya 239 Pu) 90%-dən çox təmizliyinə nail olmaq lazımdır. Urandan yüklərin yaradılması bir çox zənginləşdirmə mərhələsini tələb edir (çünki təbii uranda 235 U nisbəti 1% -dən azdır), reaktor plutoniumunda 239 Pu nisbəti adətən 50% -dən 80% -ə qədərdir (yəni demək olar ki, 100 dəfə çoxdur). Və bəzi reaktorların iş rejimlərində 90%-dən çox 239 Pu olan plutonium əldə etmək mümkündür - belə plutonium zənginləşdirmə tələb etmir və birbaşa nüvə silahının istehsalı üçün istifadə edilə bilər.
Bioloji rol
Plutonium məlum olan ən zəhərli maddələrdən biridir. Plutoniumun toksikliyi onun kimyəvi xassələri ilə deyil (baxmayaraq ki, plutonium hər hansı bir ağır metal kimi zəhərlidir), daha çox onun alfa radioaktivliyi ilə bağlıdır. Alfa hissəcikləri hətta nazik təbəqələr və ya parçalar tərəfindən saxlanılır. Deyək ki, bir neçə millimetr dəri daxili orqanları qoruyaraq, onların axını tamamilə udacaq. Lakin alfa hissəcikləri təmasda olduqları toxumalara son dərəcə zərərlidir. Belə ki, plutonium bədənə daxil olarsa, ciddi təhlükə yaradır. Həll olunan formada olsa belə, mədə-bağırsaq traktında çox zəif sorulur. Ancaq yarım qram plutoniumun qəbulu həzm sisteminə kəskin məruz qalması səbəbindən həftələr ərzində ölümlə nəticələnə bilər.
Bir qram plutonium tozunun onda birinin inhalyasiyası on gün ərzində ağciyər ödemi nəticəsində ölümlə nəticələnir. 20 mq dozada inhalyasiya bir ay ərzində fibrozdan ölümə səbəb olur. Kiçik dozalar kanserogen təsirə səbəb olur. 1 mkq plutoniumun qəbulu ağciyər xərçəngi ehtimalını 1% artırır. Buna görə bədəndə 100 mikroqram plutonium demək olar ki, xərçəngin inkişafına zəmanət verir (on il ərzində, baxmayaraq ki, toxuma zədələnməsi daha əvvəl baş verə bilər).
Bioloji sistemlərdə plutonium adətən +4 oksidləşmə vəziyyətində olur və dəmirlə oxşarlıqlar göstərir. Bir dəfə qanda, çox güman ki, dəmir olan toxumalarda cəmləşəcək: sümük iliyi, qaraciyər, dalaq. Sümük iliyində hətta 1-2 mikroqram plutonium çökərsə, immunitet əhəmiyyətli dərəcədə pisləşəcəkdir. Plutoniumun sümük toxumasından çıxarılması müddəti 80-100 ildir, yəni. o, demək olar ki, bütün həyatı boyu orada qalacaq.
Radioloji Mühafizə üzrə Beynəlxalq Komissiya illik maksimum plutonium qəbulunu 280 nanoqram müəyyən edib.

O, həqiqətən qiymətlidir.

Arxa plan və tarix

Başlanğıcda protonlar - qalaktik hidrogen var idi. Onun sıxılması və sonrakı nüvə reaksiyaları nəticəsində nuklonların ən inanılmaz “külçələri” əmələ gəldi. Bu “külçələr” arasında, yəqin ki, 94 protonu olanlar da var idi. Nəzəriyyəçilərin hesablamalarına görə, 94 proton və 107-dən 206-ya qədər neytrondan ibarət 100-ə yaxın nuklon birləşmələri o qədər sabitdir ki, onları 94 nömrəli elementin izotoplarının nüvəsi hesab etmək olar.

Lakin bütün bu izotoplar - hipotetik və real - Günəş sisteminin elementlərinin formalaşmasından bu günə qədər sağ qalacaq qədər sabit deyil. 94 nömrəli elementin ən uzunömürlü izotopunun yarımparçalanma müddəti 75 milyon ildir. Qalaktikanın yaşı milyardlarla illərlə ölçülür. Beləliklə, "ilkin" plutoniumun bu günə qədər yaşamaq şansı yox idi. Əgər o, Kainatın elementlərinin böyük sintezi zamanı əmələ gəlibsə, onun qədim atomları da dinozavrların və mamontların nəsli kəsildiyi kimi çoxdan “sönmüşdür”.

20-ci əsrdə Yeni dövr, AD, bu element yenidən yaradıldı. Plutoniumun 100 mümkün izotopundan 25-i sintez edilmişdir.Onlardan 15-nin nüvə xassələri öyrənilmişdir. Dördü praktik tətbiq tapdı. Və bu yaxınlarda açıldı. 1940-cı ilin dekabrında uranın ağır hidrogen nüvələri ilə şüalanması zamanı Qlenn T. Siborqun başçılıq etdiyi bir qrup amerikalı radiokimyaçı yarımparçalanma müddəti 90 il olan, əvvəllər naməlum olan alfa hissəciklərinin emitentini kəşf etdi. Bu emitent kütlə sayı 238 olan 94 nömrəli elementin izotopu oldu. Həmin ildə, lakin bir neçə ay əvvəl E.M. McMillan və F. Abelson urandan daha ağır olan birinci elementi - 93 nömrəli elementi əldə etdilər. Bu element neptunium, 94-cü element isə plutonium adlanır. Tarixçi mütləq deyəcək ki, bu adlar Roma mifologiyasından yaranıb, lakin mahiyyət etibarı ilə bu adların mənşəyi daha çox mifoloji deyil, astronomikdir.

92 və 93 nömrəli elementlər Günəş sisteminin uzaq planetlərinin - Uran və Neptun adından götürülüb, lakin Neptun Günəş sistemində sonuncu deyil, hətta Plutonun orbitində yerləşir - bu planet haqqında demək olar ki, hələ heç nə məlum deyil. .. Oxşar konstruksiya Biz dövri cədvəlin “sol cinahında” da görürük: uran – neptunium – plutonium, lakin bəşəriyyət plutonium haqqında Plutondan daha çox şey bilir. Yeri gəlmişkən, astronomlar Plutonu plutoniumun sintezindən cəmi on il əvvəl kəşf etdilər - demək olar ki, eyni müddət Uranın - planetin və uranın - elementin kəşflərini ayırdı.

Kriptoqraflar üçün tapmacalar

94 nömrəli elementin ilk izotopu olan plutonium-238 bu günlərdə praktik tətbiqini tapmışdır. Lakin 40-cı illərin əvvəllərində bu barədə düşünmürdülər. Plutonium-238-i yalnız güclü nüvə sənayesinə arxalanmaqla praktiki maraq doğuran miqdarda əldə etmək mümkündür. O vaxt o, təzəcə körpəlikdə idi. Amma artıq aydın idi ki, ağır radioaktiv elementlərin nüvələrində olan enerjini buraxmaqla misli görünməmiş gücə malik silahlar əldə etmək mümkün idi. Məşhur Nyu-York bölgəsi ilə ortaq bir addan başqa heç nə olmayan Manhetten Layihəsi ortaya çıxdı. Bu, ABŞ-da ilk atom bombalarının yaradılması ilə bağlı bütün işlərin ümumi adı idi. Bu alim deyil, Manhetten Layihəsinin rəhbəri təyin edilən hərbçi general Qrovuz idi və yüksək təhsilli ittihamlarını “sevgilə” “sınıq qablar” adlandırırdı.

“Layihənin” rəhbərlərini plutonium-238 maraqlandırmırdı. Onun nüvələri, bərabər kütləli plutoniumun bütün izotoplarının nüvələri kimi, aşağı enerjili neytronlar* tərəfindən parçalana bilməz, buna görə də nüvə partlayıcısı rolunu oynaya bilməzdi. Buna baxmayaraq, 93 və 94 nömrəli elementlər haqqında ilk çox aydın olmayan hesabatlar yalnız 1942-ci ilin yazında çap olundu.

* Aşağı enerjili neytronları enerjisi 10 keV-dən çox olmayan neytronlar adlandırırıq. Enerjisi elektronvoltun fraksiyaları ilə ölçülən neytronlara termal, enerjisi 0,005 eV-dən az olan ən yavaş neytronlara isə soyuq deyilir. Neytron enerjisi 100 keV-dən çox olarsa, belə bir neytron sürətli hesab olunur.

Bunu necə izah edə bilərik? Fiziklər başa düşdülər: tək kütləli plutonium izotoplarının sintezi zaman məsələsi idi və çox da uzun deyildi. Qəribə izotopların uran-235 kimi nüvə zəncirvari reaksiyasını dəstəkləyə biləcəyi gözlənilirdi. Bəzi insanlar onları hələ alınmamış potensial nüvə partlayıcısı kimi görürdülər. Plutonium isə təəssüf ki, bu ümidləri doğrultdu.

O dövrün şifrələməsində 94 nömrəli element misdən başqa bir şey deyildi. Və misin özünə (bəzi hissələr üçün struktur material kimi) ehtiyac yarandıqda, kodlarda "mis" ilə yanaşı, "əsl mis" də meydana çıxdı.

"Xeyir və Şəri Bilik Ağacı"

1941-ci ildə plutoniumun ən mühüm izotopu - kütlə sayı 239 olan izotopu kəşf edildi. Və demək olar ki, dərhal nəzəriyyəçilərin proqnozu təsdiqləndi: plutonium-239-un nüvələri istilik neytronları tərəfindən parçalandı. Üstəlik, onların parçalanması zamanı uran-235-in parçalanması zamanı olduğundan daha az sayda neytron istehsal edilmişdir. Bu izotopu böyük miqdarda əldə etməyin yolları dərhal göstərildi...

İllər keçdi. İndi heç kimə sirr deyil ki, arsenallarda saxlanılan nüvə bombaları plutonium-239 ilə doludur və bu bombalar Yerdəki bütün canlılara düzəlməz ziyan vurmaq üçün kifayətdir.

Geniş yayılmış bir inanc var ki, bəşəriyyət açıq şəkildə nüvə zəncirvari reaksiyasının kəşfi ilə tələsdi (qaçılmaz nəticəsi nüvə bombasının yaradılması idi). Siz fərqli düşünə və ya başqa cür düşünə bilərsiniz - optimist olmaq daha xoşdur. Amma hətta optimistlər də istər-istəməz alimlərin məsuliyyəti sualı ilə üzləşirlər. 1954-cü ilin zəfərli iyun gününü, Obninskdəki ilk atom elektrik stansiyasının işə salındığı günü xatırlayırıq. Amma 1945-ci ilin avqust səhərini - “Xirosimanın səhərini”, “Albert Eynşteynin qara günü”nü unuda bilmərik... Biz müharibədən sonrakı ilk illəri və o illərdə Amerika siyasətinin əsasını təşkil edən cilovsuz atom şantajını xatırlayırıq. Bəs bəşəriyyət sonrakı illərdə çoxlu bəlalarla üzləşmədimi? Üstəlik, yeni dünya müharibəsi başlayarsa, nüvə silahından istifadə ediləcəyi şüuru bu narahatlığı dəfələrlə gücləndirdi.

Burada plutoniumun kəşfinin bəşəriyyətə qorxu qatmadığını, əksinə, yalnız faydalı olduğunu sübut etməyə cəhd edə bilərsiniz.

Deyək ki, nədənsə və ya köhnə dövrlərdə deyəcəkləri kimi, Allahın izni ilə plutonium alimlər üçün əlçatmaz olub. O zaman qorxularımız və narahatlıqlarımız azalacaqmı? Heç nə olmadı. Nüvə bombaları uran-235-dən (və plutoniumdan az olmayan miqdarda) hazırlanacaqdı və bu bombalar büdcənin indikindən daha böyük hissəsini “yeyəcək”.

Lakin plutonium olmasaydı, nüvə enerjisindən geniş miqyasda dinc istifadə perspektivi olmazdı. Sadəcə olaraq, “dinc atom” üçün uran-235 kifayət etməyəcək. Nüvə enerjisinin kəşfi ilə bəşəriyyətə vurulan pislik “yaxşı atom”un nailiyyətləri ilə qismən də olsa tarazlaşdırıla bilməzdi.

Necə ölçmək, nə ilə müqayisə etmək

Plutonium-239 nüvəsi neytronlar tərəfindən təxminən bərabər kütləli iki fraqmentə parçalandıqda, təxminən 200 MeV enerji ayrılır. Bu, ən məşhur C + O 2 = CO 2 ekzotermik reaksiyasında ayrılan enerjidən 50 milyon dəfə çoxdur. Nüvə reaktorunda “yanan” bir qram plutonium 2·10 7 kkal verir. Ənənələri pozmamaq üçün (və məşhur məqalələrdə nüvə yanacağının enerjisi adətən qeyri-sistem vahidləri ilə ölçülür - ton kömür, benzin, trinitrotoluol və s.), biz də qeyd edirik: bu, 4 tonda olan enerjidir. kömürdən. Və adi bir yüksükdə qırx vaqon dolu yaxşı ağcaqayın odununa bərabər enerjili miqdarda plutonium var.

Eyni enerji uran-235 nüvələrinin neytronlar tərəfindən parçalanması zamanı ayrılır. Lakin təbii uranın əsas hissəsi (99,3%!) 238 U izotopudur və ondan yalnız uranın plutonium halına salınması ilə istifadə edilə bilər...

Daşların enerjisi

Təbii uran ehtiyatlarında olan enerji ehtiyatlarını qiymətləndirək.

Uran iz elementidir və demək olar ki, hər yerdə tapılır. Məsələn, Kareliyanı ziyarət edən hər kəs, yəqin ki, qranit daşları və sahil qayalarını xatırlayacaqdır. Ancaq az adam bilir ki, bir ton qranitdə 25 q-a qədər uran var. Qranitlər yer qabığının çəkisinin demək olar ki, 20%-ni təşkil edir. Yalnız uran-235 saysaq, onda bir ton qranitdə 3,5·10 5 kkal enerji var. Çoxdu, amma...

Qranit emalı və ondan uranın çıxarılması daha böyük miqdarda enerji sərf etməyi tələb edir - təxminən 10 6 ...10 7 kkal/t. İndi enerji mənbəyi kimi təkcə uran-235 deyil, həm də uran-238-dən istifadə etmək mümkün olsaydı, o zaman qranit ən azı potensial enerji xammalı hesab oluna bilərdi. Onda bir ton daşdan alınan enerji artıq 8·10 7-dən 5·10 8 kkal olacaqdır. Bu, 16...100 ton kömürə bərabərdir. Və bu halda qranit insanlara Yerdəki bütün kimyəvi yanacaq ehtiyatlarından demək olar ki, milyon dəfə çox enerji verə bilər.

Lakin uran-238 nüvələri neytronlarla parçalanmır. Bu izotop nüvə enerjisi üçün yararsızdır. Daha doğrusu, plutonium-239-a çevrilə bilməsə, faydasız olardı. Və xüsusilə vacibdir: bu nüvə transformasiyasına praktiki olaraq heç bir enerji sərf etmək lazım deyil - əksinə, bu prosesdə enerji istehsal olunur!

Bunun necə baş verdiyini anlamağa çalışaq, amma əvvəlcə təbii plutonium haqqında bir neçə söz.

radiumdan 400 min dəfə azdır

Planetimizin əmələ gəlməsi zamanı elementlərin sintezindən bəri plutoniumun izotoplarının qorunmadığı artıq deyilib. Amma bu o demək deyil ki, Yer kürəsində plutonium yoxdur.

Hər zaman uran filizlərində əmələ gəlir. Kosmik şüalanmadan neytronları və uran-238 nüvələrinin kortəbii parçalanması nəticəsində yaranan neytronları tutaraq, bu izotopun bəzi - çox az - atomları uran-239 atomlarına çevrilir. Bu nüvələr çox qeyri-sabitdirlər, elektronlar buraxırlar və bununla da yüklərini artırırlar. İlk transuran elementi olan Neptunium əmələ gəlir. Neptunium-239 da çox qeyri-sabitdir və onun nüvələri elektronlar buraxır. Cəmi 56 saat ərzində neptunium-239-un yarısı plutonium-239-a çevrilir, onun yarımparçalanma müddəti artıq kifayət qədər uzundur - 24 min il.

Niyə uran filizlərindən plutonium çıxarılmır? Aşağı, çox aşağı konsentrasiya. "Bir qram hasilat bir il işdir" - bu radium haqqındadır və filizlərdə radiumdan 400 min dəfə az plutonium var. Buna görə də nəinki mina etmək, hətta “yer” plutoniumunu aşkar etmək olduqca çətindir. Bu, yalnız nüvə reaktorlarında istehsal olunan plutoniumun fiziki və kimyəvi xassələri öyrənildikdən sonra edilib.

2.70 >> 2.23 olduqda

Plutonium nüvə reaktorlarında toplanır. Güclü neytron axınlarında eyni reaksiya uran filizlərində olduğu kimi baş verir, lakin reaktorda plutoniumun əmələ gəlməsi və yığılma sürəti xeyli yüksəkdir - milyard milyard dəfə. Balast uran-238-in enerji dərəcəli plutonium-239-a çevrilməsi reaksiyası üçün optimal (məqbul daxilində) şərait yaradılır.

Əgər reaktor istilik neytronları üzərində işləyirsə (xatırlayın ki, onların sürəti saniyədə təxminən 2000 m-dir və enerjisi elektron voltun bir hissəsidir), o zaman uran izotoplarının təbii qarışığından plutoniumun miqdarından bir qədər az olan bir miqdar əldə edilir. “yanmış” uranın miqdarı-235. Bir az, lakin daha az, üstəgəl plutoniumun şüalanmış urandan kimyəvi ayrılması zamanı qaçılmaz itkiləri. Bundan əlavə, nüvə zəncirvari reaksiya uran izotoplarının təbii qarışığında yalnız uran-235-in kiçik bir hissəsi istehlak olunana qədər saxlanılır. Buradan məntiqi nəticə çıxır: təbii urandan istifadə edən "istilik" reaktoru - hazırda fəaliyyət göstərən reaktorların əsas növü - nüvə yanacağının genişləndirilməsini təmin edə bilməz. Bəs o zaman nə vəd edir? Bu suala cavab vermək üçün uran-235 və plutonium-239-da nüvə zəncirvari reaksiyasının gedişatını müqayisə edək və müzakirələrimizə başqa bir fiziki anlayış təqdim edək.

Hər hansı bir nüvə yanacağının ən mühüm xüsusiyyəti nüvənin bir neytron tutmasından sonra buraxılan neytronların orta sayıdır. Fiziklər onu eta nömrəsi adlandırır və yunan η hərfi ilə işarələyirlər. Uran üzərində "termal" reaktorlarda aşağıdakı nümunə müşahidə olunur: hər bir neytron orta hesabla 2,08 neytron yaradır (η = 2,08). Termal neytronların təsiri altında belə bir reaktorda yerləşdirilən plutonium η = 2,03 verir. Lakin sürətli neytronlarla işləyən reaktorlar da var. Belə bir reaktora uran izotoplarının təbii qarışığını yükləmək faydasızdır: zəncirvari reaksiya baş verməyəcək. Ancaq "xammal" uran-235 ilə zənginləşdirilərsə, onu "sürətli" reaktorda hazırlamaq olar. Bu halda, η artıq 2.23-ə bərabər olacaqdır. Sürətli neytron atəşinə məruz qalan plutonium isə 2,70-ə bərabər η verəcəkdir. Bizim ixtiyarımızda "əlavə yarım neytron" olacaq. Və bu heç də az deyil.

Gəlin görək yaranan neytronlar nəyə sərf olunur. İstənilən reaktorda zəncirvari nüvə reaksiyasını saxlamaq üçün bir neytron lazımdır. Quraşdırmanın struktur materialları tərəfindən 0,1 neytron udulur. "Həddindən artıq" plutonium-239 toplamaq üçün istifadə olunur. Bir halda “artıq” 1,13, digərində isə 1,60-dır. Bir kiloqram plutoniumun “sürətli” reaktorda “yanmasından” sonra nəhəng enerji ayrılır və 1,6 kq plutonium yığılır. Və "sürətli" bir reaktorda uran eyni enerji və 1,1 kq yeni nüvə yanacağı verəcəkdir. Hər iki halda genişlənmiş reproduksiya göz qabağındadır. Amma iqtisadiyyatı da unutmaq olmaz.

Bir sıra texniki səbəblərə görə plutoniumun çoxalma dövrü bir neçə il çəkir. Beş il deyək. Bu o deməkdir ki, ildə plutoniumun miqdarı η = 2,23 olduqda cəmi 2%, η = 2,7 olarsa 12% artacaq! Nüvə yanacağı kapitaldır və istənilən kapital, məsələn, illik 5% gəlir verməlidir. Birinci halda böyük itkilər, ikincidə isə böyük gəlirlər olur. Bu primitiv nümunə nüvə enerjisində η ədədinin hər onda birinin “çəkisi”ni göstərir.

Bir çox texnologiyaların cəmi

Nüvə reaksiyaları nəticəsində uranda lazımi miqdarda plutonium yığıldıqda, o, təkcə uranın özündən deyil, həm də nüvə zəncirvari reaksiyasında yanmış parçalanma parçalarından - həm uran, həm də plutoniumdan ayrılmalıdır. Bundan əlavə, uran-plutonium kütləsi də müəyyən miqdarda neptunium ehtiva edir. Ayırmaq ən çətin şeylər plutonium neptunium və nadir torpaq elementləridir (lantanidlər). Plutonium, bir kimyəvi element kimi, müəyyən dərəcədə şanssız olmuşdur. Kimyaçı nöqteyi-nəzərindən nüvə enerjisinin əsas elementi on dörd aktiniddən yalnız biridir. Nadir torpaq elementləri kimi, aktinium seriyasının bütün elementləri kimyəvi xassələrə görə bir-birinə çox oxşardır; aktiniumdan 103-ə qədər bütün elementlərin atomlarının xarici elektron qabıqlarının quruluşu eynidir. Daha da xoşagəlməz hal odur ki, aktinidlərin kimyəvi xassələri nadir torpaq elementlərinin xüsusiyyətlərinə bənzəyir və uran və plutoniumun parçalanma parçaları arasında kifayət qədər lantanidlər var. Lakin sonra 94-cü element beş valentlik vəziyyətində ola bilər və bu, "həbi şirinləşdirir" - bu, plutoniumun həm uran, həm də parçalanma parçalarından ayrılmasına kömək edir.

Plutoniumun valentliyi üç ilə yeddi arasında dəyişir. Kimyəvi cəhətdən ən sabit (və buna görə də ən çox yayılmış və ən çox öyrənilmiş) birləşmələr tetravalent plutoniumdur.

Oxşar kimyəvi xassələrə malik aktinidlərin - uran, neptun və plutoniumun ayrılması onların tetra və altıvalentli birləşmələrinin xassələrindəki fərqə əsaslana bilər.

Plutonium və uranın kimyəvi ayrılmasının bütün mərhələlərini ətraflı təsvir etməyə ehtiyac yoxdur. Adətən, onların ayrılması uran çubuqlarının azot turşusunda həll edilməsi ilə başlayır, bundan sonra məhlulda olan uran, neptun, plutonium və parçalanma elementləri bunun üçün ənənəvi radiokimyəvi üsullardan - daşıyıcılarla birlikdə çökdürmə, ekstraksiya, ion mübadiləsindən istifadə edərək "ayırılır" və qeyriləri. Bu çoxmərhələli texnologiyanın son plutonium tərkibli məhsulları onun dioksidi PuO 2 və ya flüoridlərdir - PuF 3 və ya PuF 4. Onlar barium, kalsium və ya litium buxarı ilə metala çevrilir. Lakin bu proseslərdə əldə edilən plutonium struktur material rolu üçün uyğun deyil - ondan nüvə enerjisi reaktorlarının yanacaq elementləri hazırlana bilməz və atom bombasının yükü tökülə bilməz. Niyə? Plutoniumun ərimə nöqtəsi - cəmi 640 ° C - olduqca əldə edilə bilər.

Təmiz plutoniumdan hissələri tökmək üçün hansı "ultra-zərif" şərtlərdən istifadə olunmasından asılı olmayaraq, bərkimə zamanı tökmələrdə həmişə çatlar yaranır. 640°C-də qatılaşan plutonium kub kristal qəfəs əmələ gətirir. Temperatur azaldıqca metalın sıxlığı tədricən artır. Lakin sonra temperatur 480°C-ə çatdı və sonra birdən plutoniumun sıxlığı kəskin şəkildə azaldı. Bu anomaliyanın səbəbləri olduqca tez aşkar edildi: bu temperaturda plutonium atomları kristal qəfəsdə yenidən qurulur. Bu tetraqonal və çox "boş" olur. Belə plutonium suyun üzərindəki buz kimi öz ərimələrində üzə bilər.

Temperatur düşməyə davam edir, indi 451 ° C-ə çatdı və atomlar yenidən bir kub qəfəs meydana gətirdi, lakin birinci halda olduğundan bir-birindən daha çox məsafədə yerləşir. Daha da soyutma ilə şəbəkə əvvəlcə ortorombik, sonra monoklinik olur. Ümumilikdə plutonium altı müxtəlif kristal forma əmələ gətirir! Onlardan ikisi əlamətdar bir xüsusiyyət ilə fərqlənir - termal genişlənmənin mənfi əmsalı: artan temperaturla metal genişlənmir, lakin büzülür.

Temperatur 122°C-ə çatdıqda və plutonium atomları altıncı dəfə öz sıralarını dəyişdirdikdə, sıxlıq xüsusilə kəskin şəkildə dəyişir - 17,77-dən 19,82 q/sm3-ə qədər. 10% -dən çox! Müvafiq olaraq, külçənin həcmi azalır. Metal hələ də digər keçidlərdə yaranan streslərə qarşı dura bilsə, bu anda məhv olmaq qaçınılmazdır.

Bəs bu heyrətamiz metaldan hissələri necə hazırlamaq olar? Metallurqlar plutonium əridirlər (ona az miqdarda tələb olunan elementlər əlavə etməklə) və bir çatlaq olmadan dökümlər əldə edirlər. Onlar nüvə bombaları üçün plutonium yükləri hazırlamaq üçün istifadə olunur. Yükün çəkisi (ilk növbədə izotopun kritik kütləsi ilə müəyyən edilir) 5...6 kq-dır. O, asanlıqla 10 sm kənar ölçüsü olan bir kuba sığdıra bilər.

Ağır izotoplar

Plutonium-239 da az miqdarda bu elementin daha yüksək izotoplarını ehtiva edir - kütlə nömrələri 240 və 241. 240 Pu izotopu praktiki olaraq yararsızdır - bu, plutoniumdakı balastdır. 241-dən amerisium alınır - element No 95. Saf formada, digər izotopların qarışığı olmadan, dlutonium-240 və plutonium-241 reaktorda yığılmış plutoniumun elektromaqnitlə ayrılması yolu ilə əldə edilə bilər. Bundan əvvəl plutonium əlavə olaraq ciddi şəkildə müəyyən edilmiş xüsusiyyətlərə malik neytron axını ilə şüalanır. Əlbəttə ki, bütün bunlar çox mürəkkəbdir, xüsusən də plutonium təkcə radioaktiv deyil, həm də çox zəhərlidir. Onunla işləmək həddindən artıq ehtiyatlılıq tələb edir.

Plutoniumun ən maraqlı izotoplarından biri olan 242 Pu 239 Pu-nu uzun müddət neytron axınında şüalandırmaqla əldə edilə bilər. 242 Pu çox nadir hallarda neytronları tutur və buna görə də reaktorda digər izotoplara nisbətən daha yavaş “yanır”; plutoniumun qalan izotopları demək olar ki, tamamilə fraqmentlərə çevrildikdən və ya plutonium-242-yə çevrildikdən sonra belə davam edir.

Plutonium-242 daha yüksək transuran elementlərinin nüvə reaktorlarında nisbətən sürətli yığılması üçün “xammal” kimi vacibdir. Əgər plutonium-239 adi reaktorda şüalanırsa, o zaman qram plutoniumdan, məsələn, Kaliforniya-251-in mikroqram miqdarını toplamaq üçün təxminən 20 il vaxt lazımdır.

Reaktorda neytron axınının intensivliyini artırmaqla daha yüksək izotopların yığılma müddətini azaltmaq mümkündür. Bu, onların etdikləridir, lakin siz böyük miqdarda plutonium-239-u şüalandıra bilməzsiniz. Axı, bu izotop neytronlarla bölünür və intensiv axınlarda çox enerji ayrılır. Konteynerin və reaktorun soyudulması zamanı əlavə çətinliklər yaranır. Bu çətinliklərdən qaçmaq üçün şüalanan plutoniumun miqdarını azaltmaq lazımdır. Nəticədə, kaliforniumun məhsuldarlığı yenə də az olacaq. Şiddətli dairə!

Plutonium-242 termal neytronlarla parçalanmır, intensiv neytron axınında böyük miqdarda şüalana bilir... Buna görə də reaktorlarda kaliforniumdan tutmuş einşteyniuma qədər bütün elementlər bu izotopdan “hazırlanır” və çəki miqdarında toplanır.

Ən ağır deyil, ən uzun ömürlüdür

Alimlər hər dəfə plutoniumun yeni izotopunu əldə etməyə müvəffəq olduqda onun nüvələrinin yarımparçalanma müddəti ölçülürdü. Kütləvi ədədləri bərabər olan ağır radioaktiv nüvələrin izotoplarının yarı ömrü müntəzəm olaraq dəyişir. (Bu tək izotoplar üçün deyilə bilməz.)

düyü. 8.

Plutoniumun hətta izotoplarının yarı ömrünün kütlə sayından asılılığını göstərən qrafikə baxın. Kütlə artdıqca izotopun “həyat müddəti” də artır. Bir neçə il əvvəl bu qrafikin ən yüksək nöqtəsi plutonium-242 idi. Və sonra bu əyri necə gedəcək - kütlə sayının daha da artması ilə? Tam olaraq 1 , bu 30 milyon illik ömür müddətinə və ya nöqtəsinə uyğundur 2 , 300 milyon ildir cavab verən? Bu sualın cavabı geoelmlər üçün çox vacib idi. Birinci halda, əgər 5 milyard il əvvəl Yer tamamilə 244 Pu-dan ibarət idisə, indi Yerin bütün kütləsində plutonium-244-ün yalnız bir atomu qalacaqdı. İkinci fərziyyə doğrudursa, plutonium-244 Yerdə artıq aşkar edilə bilən konsentrasiyalarda ola bilər. Əgər Yer kürəsində bu izotopu tapmaq bizə qismət olsaydı, planetimizin əmələ gəlməsi zamanı baş verən proseslər haqqında elm ən qiymətli məlumatları alardı.

Bir neçə il əvvəl alimlər bir sualla qarşılaşdılar: Yerdə ağır plutonium tapmağa cəhd etməyə dəyərmi? Buna cavab vermək üçün ilk növbədə plutonium-244-ün yarı ömrünü müəyyən etmək lazım idi. Nəzəriyyəçilər bu dəyəri lazımi dəqiqliklə hesablaya bilmədilər. Bütün ümidlər yalnız təcrübə üçün idi.

Plutonium-244 nüvə reaktorunda toplanıb. 95 nömrəli element, amerisium (izotop 243 Am) şüalanmışdır. Bir neytron tutaraq bu izotop amerisium-244-ə çevrildi; americium-244, 10 min hadisədən birində plutonium-244-ə çevrildi.

Plutonium-244 preparatı amerisium və kurium qarışığından təcrid edilmişdir. Nümunə bir qramın cəmi bir neçə milyonda bir hissəsini çəkdi. Lakin onlar bu maraqlı izotopun yarı ömrünü müəyyən etmək üçün kifayət idi. 75 milyon ilə bərabər olduğu ortaya çıxdı. Daha sonra digər tədqiqatçılar plutonium-244-ün yarı ömrünü aydınlaşdırdılar, lakin çox deyil - 82,8 milyon il. 1971-ci ildə bu izotopun izləri nadir torpaq mineral bastnasitdə tapıldı.

Alimlər 244 Pu-dan daha uzun ömür sürən transuran elementinin izotopunu tapmaq üçün bir çox cəhdlər ediblər. Lakin bütün cəhdlər nəticəsiz qaldı. Bir vaxtlar kurium-247-yə ümidlər bağlanmışdı, lakin bu izotop reaktorda toplanandan sonra onun yarı ömrünün cəmi 14 milyon il olduğu üzə çıxıb. Plutonium-244 rekordunu qırmaq mümkün olmadı - bu, transuran elementlərinin bütün izotopları arasında ən uzunömürlüdür.

Plutoniumun hətta daha ağır izotopları beta parçalanmaya məruz qalır və onların ömrü bir neçə gündən saniyənin onda bir neçəsinə qədər dəyişir. Biz dəqiq bilirik ki, plutoniumun bütün izotopları 257 Pu-a qədər olan termonüvə partlayışlarında əmələ gəlir. Lakin onların ömrü saniyənin onda biri qədərdir və plutoniumun bir çox qısa ömürlü izotopları hələ öyrənilməmişdir.

Birinci izotopun imkanları

Və nəhayət - plutonium-238 haqqında - əvvəlcə perspektivsiz görünən bir izotop olan plutoniumun "texnogen" izotoplarından birincisi. Əslində çox maraqlı izotopdur. Alfa çürüməsinə məruz qalır, yəni. onun nüvələri kortəbii olaraq alfa hissəciklərini - helium nüvələrini buraxır. Plutonium-238 nüvələrinin yaratdığı alfa hissəcikləri yüksək enerji daşıyır; maddədə dağılan bu enerji istiliyə çevrilir. Bu enerji nə qədər böyükdür? Plutonium-238-in bir atom nüvəsinin parçalanmasından altı milyon elektron volt ayrılır. Kimyəvi reaksiyada bir neçə milyon atom oksidləşdikdə eyni enerji ayrılır. Bir kiloqram plutonium-238 ehtiva edən elektrik mənbəyi 560 vatt istilik gücü inkişaf etdirir. Eyni kütlənin kimyəvi cərəyan mənbəyinin maksimum gücü 5 vattdır.

Bənzər enerji xüsusiyyətlərinə malik bir çox emitent var, lakin plutonium-238-in bir xüsusiyyəti bu izotopu əvəzolunmaz edir. Alfa parçalanması adətən maddənin böyük təbəqələrinə nüfuz edən güclü qamma radiasiya ilə müşayiət olunur. 238 Pu istisnadır. Onun nüvələrinin çürüməsi ilə müşayiət olunan qamma şüalarının enerjisi azdır və ondan qorunmaq çətin deyil: şüalanma nazik divarlı qab tərəfindən udulur. Bu izotopun nüvələrinin kortəbii parçalanma ehtimalı da azdır. Buna görə də təkcə cari mənbələrdə deyil, həm də tibbdə tətbiq tapmışdır. Plutonium-238 ehtiva edən batareyalar xüsusi ürək stimulyatorlarında enerji mənbəyi kimi xidmət edir.

Lakin 238 Pu 94 nömrəli elementin məlum ən yüngül izotopu deyil, plutoniumun izotopları 232-dən 237-yə qədər kütlə ilə əldə edilmişdir. Ən yüngül izotopun yarı ömrü 36 dəqiqədir.

Plutonium böyük bir mövzudur. Ən vacib şeylər burada deyilir. Axı, plutoniumun kimyasının dəmir kimi "köhnə" elementlərin kimyasından daha yaxşı öyrənilməsi artıq standart bir ifadəyə çevrildi. Plutoniumun nüvə xassələri haqqında bütöv kitablar yazılmışdır. Plutoniumun metallurgiyası insan biliklərinin başqa bir heyrətamiz hissəsidir... Buna görə də, bu hekayəni oxuduqdan sonra 20-ci əsrin ən vacib metalı olan plutoniumu həqiqətən öyrəndiyinizi düşünməməlisiniz.