يوجد 15 نظيرًا معروفًا للبلوتونيوم. وأهمها البلوتونيوم 239 مع عمر نصف يبلغ 24360 سنة. الثقل النوعي للبلوتونيوم هو 19.84 عند 25 درجة مئوية. يبدأ المعدن في الذوبان عند درجة حرارة 641 درجة مئوية ويغلي عند 3232 درجة مئوية. تكافؤها هو 3 أو 4 أو 5 أو 6.

المعدن له صبغة فضية ويتحول إلى اللون الأصفر عند تعرضه للأكسجين. البلوتونيوم هو معدن كيميائي متفاعل ويذوب بسهولة في حمض الهيدروكلوريك المركز وحمض البيركلوريك وحمض الهيدرويودك. أثناء التحلل ، يطلق المعدن طاقة حرارية.

البلوتونيوم هو ثاني أكتينيد يتم اكتشافه عبر اليورانيوم. في الطبيعة ، يمكن العثور على هذا المعدن بكميات صغيرة في خامات اليورانيوم.

البلوتونيوم سام ويجب التعامل معه بحذر. تم استخدام أكثر نظائر البلوتونيوم انشطارية كسلاح نووي. على وجه الخصوص ، تم استخدامه في قنبلة ألقيت على مدينة ناغازاكي اليابانية.

إنه سم مشع يتراكم في نخاع العظام. أثناء إجراء التجارب على البشر لدراسة البلوتونيوم ، وقعت عدة حوادث ، بعضها قاتل. من المهم ألا يصل البلوتونيوم إلى الكتلة الحرجة. في المحلول ، يشكل البلوتونيوم كتلة حرجة أسرع مما كانت عليه في الحالة الصلبة.

العدد الذري 94 يعني أن كل ذرات البلوتونيوم بها 94. يتشكل أكسيد البلوتونيوم في الهواء على سطح المعدن. هذا الأكسيد قابل للاشتعال ، لذا يتوهج البلوتونيوم المشتعل مثل الرماد.

هناك ستة أشكال متآصلة من البلوتونيوم. الشكل السابع يظهر في درجات حرارة عالية.

في محلول مائي ، يتغير لون البلوتونيوم. تظهر ظلال مختلفة على سطح المعدن أثناء تأكسده. عملية الأكسدة غير مستقرة ويمكن أن يتغير لون البلوتونيوم فجأة.

على عكس معظم المواد ، يتصلب البلوتونيوم عندما يذوب. في الحالة المنصهرة ، يكون هذا العنصر أكثر لزوجة من المعادن الأخرى.

يستخدم المعدن في النظائر المشعة في المولدات الكهروحرارية التي تشغل المركبات الفضائية. في الطب ، يتم استخدامه في إنتاج المنشطات الإلكترونية للقلب.

استنشاق أبخرة البلوتونيوم يشكل خطرا على الصحة. في بعض الحالات ، يمكن أن يؤدي ذلك إلى الإصابة بسرطان الرئة. البلوتونيوم المستنشق له طعم معدني.

يعتمد تكوين نظائر البلوتونيوم المتراكمة في المفاعل نتيجة التفاعلات التي تحدث في وقود اليورانيوم على درجة احتراق الوقود. من بين النظائر الخمسة الرئيسية التي تم تكوينها ، يوجد اثنان بأعداد كتلة فردية - 239 Pu و 241 Pu انشطاريان ، أي قابلة للانشطار تحت تأثير النيوترونات الحرارية ، ومن حيث المبدأ يمكن استخدامها كوقود للمفاعلات. لذلك ، عندما يتعلق الأمر بإمكانية استخدام البلوتونيوم كوقود للمفاعل ، فإن كمية 239Pu و 241Pu المتراكمة مهمة. من ناحية أخرى ، تتطلب الأسلحة النووية 239Pu نقيًا عمليًا. يمكن أن تسبب بواعث النيوترونات 240Pu و 238Pu تلقائيًا "الاشتعال المسبق" ، وهذا سيؤدي إلى قوة انفجار أصغر بكثير للقنبلة الذرية. لذلك ، عادة ما يتم تحديد الاختلاف في "جودة" البلوتونيوم من خلال تركيبته النظيرية.

يتراكم 239 Pu في مفاعل طاقة تقليدي يعمل باليورانيوم نتيجة لالتقاط النيوترون بواسطة نظير 238 U. وبالتزامن مع ذلك ، يحدث تفاعل الانشطار الرئيسي للنظير 235 U ، مصحوبًا بفصل ، وبالتالي ، من أجل استخدامه كوقود في مفاعلات الماء الخفيف ، يتم تخصيب اليورانيوم الطبيعي ، وبذلك يصل محتوى اليورانيوم 235 إلى 3-4٪. بعد عام واحد من تشغيل LWR نموذجي بسعة 1000 ميجاوات ، يتم تكوين حوالي 200 كجم من البلوتونيوم ، منها حوالي 150 كجم تساوي 239 Pu.

الجدول 2 - أنواع البلوتونيوم .

وهكذا ، أثناء تشغيل مفاعل اليورانيوم النووي ، تتراكم نظائر البلوتونيوم المختلفة في قضبان الوقود الخاصة به.

البلوتونيوم المنتج في خلايا وقود المفاعلات النووية التجارية التقليدية المعرضة لـ 33000 ميغاواط * د / طن من وقود اليورانيوم ، يحتوي على التركيبة النظيرية التالية تقريبًا:

الجدول 3 - التركيب النظائري للبلوتونيوم المستخدم في المفاعل (احتراق 30-40 ميجاوات * يوم / كجم).

اثنان فقط من نظائر البلوتونيوم الخمسة ، 239 Pu و 241 Pu ، هي نظائر انشطارية (انشطارية) ، أي قادرة على الانشطار نتيجة لالتقاط النيوترونات الحرارية (البطيئة) ، وهي مناسبة من حيث المبدأ للاستخدام كوقود للمفاعلات. لذلك ، إذا كنا نتحدث عن إمكانية استخدام البلوتونيوم كوقود للمفاعل ، فمن المهم معرفة فقط كمية 239 Pu و 241 Pu ، التي يرمز إليها Puf من الكلمتين Pu (البلوتونيوم) والانشطار (الانشطار). تم تعيين العدد الإجمالي لجميع نظائر البلوتونيوم من مجموع الكلمات (الإجمالي ، الإجمالي ، النهائي).

بالنسبة للأسلحة النووية ، من المستحسن الحصول على 239 Pu نقي عمليًا ، لأن النظير 240 Pu و 238 Pu ينبعثان تلقائيًا من النيوترونات ، والتي يمكن أن تسبب ما يسمى. "الاشتعال المسبق" ، وهذا سوف يؤدي إلى انخفاض كبير في قوة انفجار القنبلة الذرية. لذلك من المعتاد تصنيف البلوتونيوم حسب "الجودة" وفقًا لتكوينه النظيري.

على الرغم من أن الاشتعال المسبق يقلل من إنتاج جهاز التفجير النووي المصنوع من البلوتونيوم المستخدم في المفاعل ، يمكن القول إن ناتج جهاز متفجر بسيط نسبيًا مصنوع من البلوتونيوم المستخدم في المفاعل ، مثل قنبلة ناجازاكي ، سيكون حوالي واحد أو كيلوطن قليلة ، حتى لو حدث الاشتعال المسبق في أقل اللحظات ملاءمة. في اليابان وبعض الدول الأوروبية ، يواصل مؤيدو البلوتونيوم القول إنه بسبب الاشتعال المسبق ، فإن البلوتونيوم المستخدم في المفاعل غير قابل للاستخدام عمليًا في الأسلحة النووية ، وبالتالي ، فإن برامج البلوتونيوم في هذه البلدان على أساس فصل المفاعل واستخدامه- يجب اعتبار البلوتونيوم المصنف على أنه "سلمي" فقط. ومع ذلك ، فإن هذا الرأي يتعارض مع الحقائق التي أقرها المجتمع العلمي الدولي. ورد في تقرير للأكاديمية الوطنية للعلوم بالولايات المتحدة عام 1994 حول التخلص من مواد الأسلحة النووية أن "البلوتونيوم من أي تركيبة نظيرية تقريبًا يمكن استخدامه في الأسلحة النووية".

في بعض البلدان الأوروبية ، يستمر المدافعون عن البلوتونيوم في التأكيد على أن البلوتونيوم المستخدم في المفاعل لا يمكن عمليًا استخدامه في الأسلحة النووية ، وعلى هذا الأساس ، يُقترح النظر في برامج البلوتونيوم في هذه البلدان القائمة على فصل واستخدام البلوتونيوم في المفاعل حصريًا بأنها "سلمية". ومع ذلك ، فإن البيان حول الطبيعة "السلمية" للبلوتونيوم المستخدم في المفاعل يتعارض مع الحقائق التي أقرها المجتمع العلمي الدولي. ورد في تقرير للأكاديمية الوطنية للعلوم بالولايات المتحدة عام 1991 حول التخلص من المواد النووية المستخدمة في صنع الأسلحة أنه "يمكن استخدام البلوتونيوم من أي تركيبة نظيرية تقريبًا في الأسلحة النووية". يمكن تقديم حجج علمية وتقنية أخرى مفادها أن البلوتونيوم المستخدم في المفاعل مادة مناسبة للأسلحة النووية.

وقود موكس

نظرًا لأن كلا من البلوتونيوم المستخدم في المفاعل والبلوتونيوم عالي الدرجة عبارة عن خليط من النظائر الانشطارية ، فإنهما من حيث المبدأ مناسبان للاستخدام كوقود للمفاعلات. عادة ما يستخدم البلوتونيوم بهذه السعة في شكل خليط من ثاني أكسيد البلوتونيوم PuO 2 مع ثاني أكسيد اليورانيوم UO 2. يستخدم هذا المزيج من الأكاسيد (PuO 2 + UO 2) ، المسمى وقود MOX ، بشكل شائع في نوعين من المفاعلات - مفاعلات النيوترون السريع (FN) ومفاعلات الماء الخفيف (LWR).

يمكن لمفاعل BN ​​أن ينتج البلوتونيوم نتيجة لالتقاط النيوترون بواسطة 238 نواة يو موجودة في قلب المفاعل وفي الغطاء المحيط به ، بينما "يحترق" البلوتونيوم (وقود موكس مع 20-30٪ بلوتونيوم) في القلب. يُطلق على هذا المفاعل اسم المربي أو المولد لأنه ينتج بلوتونيوم أكثر مما يستهلكه. الهدف من المربي هو أنه يزيد من كفاءة استخدام موارد اليورانيوم بما يصل إلى 60 مرة ، ويسمح لك بتحويل 238 يو غير مستخدم سابقًا إلى بلوتونيوم وتوليد طاقة مفيدة في نفس الوقت. بسبب هذه الاحتمالات المغرية ، أصبح مفاعل BN ​​منذ بداية تطور الصناعة النووية "الحلم الأزرق" ، تقريبًا "آلة الحركة الدائمة".

لكن ، للأسف ، تبين أن الواقع يشبه كابوسًا أكثر من كونه حلمًا جميلًا. لجعل التكاثر ممكنًا ، يتم دعم تفاعل الانشطار في مفاعل BN ​​بواسطة نيوترونات سريعة (عالية الطاقة) ، على عكس LWRs ، التي تعمل على النيوترونات الحرارية. نظرًا لأنه لا يمكن استخدام مبرد مثبط ، فمن الضروري تبريد المنطقة النشطة لمفاعل BN ​​باستخدام صهر فلز قلوي ، والذي له نشاط كيميائي عالٍ ويتفاعل بشكل متفجر مع الهواء والماء.

نلاحظ كذلك أن تكاثر البلوتونيوم لا يتم بالسرعة التي نرغب فيها: إن الوقت المضاعف ، أي الوقت الذي ينتج فيه أحد المربين ما يكفي من البلوتونيوم لتحميل آخر من نفس المفاعل (40 عامًا) ، يتجاوز بشكل كبير عمر المفاعل. المفاعل الأول (لا يزيد عن 30 عامًا). يشير هذا إلى مشكلة رئيسية أخرى مع المربي: في النهاية ، يجب إنشاء نظام لتشغيله ، بما في ذلك العديد من المراحل ، بما في ذلك فصل البلوتونيوم ، وتحميل الوقود في المفاعلات ، والوقود المستهلك ، وإعادة المعالجة الشاملة.

هذه الصعوبات الفنية وغيرها من الصعوبات التقنية للمربين جعلت استخدامها غير اقتصادي ، وكلا النواقص - الصعوبات الفنية ومؤشرات التكلفة العالية - دفعت الولايات المتحدة وجميع دول أوروبا الغربية إلى تقليص برامج التربية الخاصة بهم.

استخدام الموكس كوقود نووي: قضايا الأمان

مع نهاية فترة الحرب الباردة ، انخفض خطر اندلاع حرب عالمية باستخدام الأسلحة النووية إلى الصفر تقريبًا. حل محله خطر انتشار الأسلحة النووية واستخدامها من قبل الدول أو الجماعات التي لم تكن تمتلكها من قبل ، وهو ما يمكن أن يحدث إذا وقع في أيديهم يورانيوم عالي التخصيب أو بلوتونيوم.

في الوقت الحاضر ، ينشأ التهديد الأمني ​​الرئيسي فيما يتعلق بالأسلحة النووية من انتشارها إلى دول لم تكن تمتلكها من قبل. حتى الآن ، تمتلك سبع دول فقط أسلحة نووية. هذه هي الصين وفرنسا وروسيا والولايات المتحدة والمملكة المتحدة والهند وباكستان.

تمتلك الولايات المتحدة حاليًا 9500 رأس نووي ، وروسيا حوالي 10500. إذا دخلت اتفاقيات خفض الأسلحة التي تجري صياغتها حيز التنفيذ ، ستخفض روسيا والولايات المتحدة ترسانتيهما النوويتين إلى حوالي 5000 لكل منهما بحلول عام 2003. ولكن حتى بعد هذا التخفيض الكبير ، سيكون لدى هذين البلدين مخزون مثير للإعجاب من الأسلحة النووية.

تمتلك بريطانيا 400 رأس نووي. فرنسا حوالي 500 ؛ الصين ، ربما حوالي 400 ؛ الهند حوالي 40 ؛ باكستان حوالي 7. ويمكن الافتراض أيضًا أن إيران وإسرائيل وكوريا الشمالية تسعى لتطوير أسلحة نووية.

ومع ذلك ، فمن غير المرجح أن تتمكن أي دولة من دخول نادي القوى النووية في غضون 10-15 سنة القادمة. خلال هذه الفترة سيكون هناك انتشار واسع للتقنيات النووية الموجهة نحو التطبيقات السلمية (ولكن يمكن استخدامها لتطوير البرامج العسكرية). في الوقت نفسه ، ستنتشر تقنية إنشاء الصواريخ الباليستية. مزيج خطير! عندما يحدث هذا (ويمكن للمرء أن يخشى حدوثه في غضون 10 إلى 15 عامًا تقريبًا) ، يمكن أن ينتشر انتشار الأسلحة النووية بوتيرة سريعة.

يتم الآن إيلاء اهتمام كبير لأنشطة القوى النووية لتحديث أسلحتها النووية ("سباق التسلح الرأسي"). ومع ذلك ، لا ينبغي الاستهانة بالمخاطر التي يشكلها وقوع الأسلحة النووية في أيدي الدول التي لم تكن تمتلكها من قبل ("سباق التسلح الأفقي") ، لأن هذا يشكل تهديدًا باستخدام الأسلحة النووية في النزاعات المحلية المستقبلية.

إن حصول أي قوة على الوضع النووي يزعزع استقرار الوضع في المنطقة المعنية. علاوة على ذلك ، فإن مجرد احتمال حدوث مثل هذا الاستحواذ يضر بالأمن ، ويجبر الدول المجاورة على إجهاد قواتها من أجل مواكبة القائد. على سبيل المثال ، إذا بدأت اليابان العمل على تطوير أسلحة نووية ، فإن كوريا الشمالية والجنوبية ستميلان إلى فعل الشيء نفسه ، ومن المرجح أن تبني الصين ترسانات نووية.

يبدو من غير المحتمل أن تتخذ الحكومات قرارات سياسية لتطوير أسلحة نووية في أي وقت قريب ، لكن خطر وقوع أسلحة نووية في أيدي الإرهابيين يتزايد. لقد أصبح هذا الخطر بالفعل أكثر إلحاحًا من خطر نشوب حرب نووية عالمية ، على الأقل في المديين القصير والمتوسط.

يسعى الإرهابيون على الدوام إلى إلحاق أكبر قدر ممكن من الضرر. من المحاولات المعتادة لتفجير الطائرات ، ينتقلون إلى إجراءات أكثر جدية ، مثل هجوم غاز الأعصاب في طوكيو. يوضح هذا المثال أن قادة الجماعات الإرهابية لا يترددون في استخدام أسلحة الدمار الشامل الحديثة - في هذه الحالة ، الأسلحة الكيميائية. يمكن أن تكون الأسلحة النووية هي التالية في السلسلة.

إن استخدام موكس كوقود للمفاعلات النووية ، متبوعًا بفصل البلوتونيوم عن عناصر الوقود المستهلك ، يزيد بشكل كبير من خطر وقوع المواد الانشطارية المناسبة لصنع أسلحة نووية في أيدي الدول العدوانية والإرهابيين. في أبسط قنبلة ذرية ، تنشأ كل طاقة الانفجار من تفاعل الانشطار النووي.

جهاز القنبلة الذرية من نوع البلوتونيوم من نوع الانفجار الداخلي موصوفة أدناه. يمكن لأولئك الذين ينجحون في صنعها التأكد من أنها ستنجح - فلن يحتاجوا إلى إجراء اختبارات ، لذلك يمكن تصنيع الجهاز المتفجر ووضعه لاحقًا في السر.

وصف البلوتونيوم

البلوتونيوم(البلوتونيوم) هو عنصر كيميائي فضي ثقيل ، وهو معدن مشع برقم ذري 94 ، ويرمز له في الجدول الدوري بو.

ينتمي هذا العنصر الكيميائي النشط الكهربية إلى مجموعة الأكتينيدات ذات الكتلة الذرية 244.0642 ، ومثل النبتونيوم ، الذي حصل على اسمه تكريماً للكوكب الذي يحمل نفس الاسم ، تدين هذه المادة الكيميائية باسم كوكب بلوتو ، منذ السلائف من العنصر المشع في الجدول الدوري للعناصر الكيميائية لمندليف هو النبتونيوم ، والذي سُمي أيضًا على اسم كواكب فضائية بعيدة في مجرتنا.

أصل البلوتونيوم

عنصر البلوتونيومتم اكتشافه لأول مرة في عام 1940 في جامعة كاليفورنيا من قبل مجموعة من علماء الأشعة والباحثين العلميين جي.

في ديسمبر من نفس العام ، اكتشف العلماء نظير البلوتونيوم- البلوتونيوم 238 ، الذي يبلغ نصف عمره أكثر من 90 عامًا ، بينما وجد أنه تحت تأثير التفاعلات الكيميائية النووية الأكثر تعقيدًا ، يتم الحصول على نظير النبتونيوم 238 مبدئيًا ، وبعد ذلك يتم تكوين النظير بالفعل البلوتونيوم 238.

اكتشف العلماء في أوائل عام 1941 بلوتونيوم 239مع فترة اضمحلال 25000 سنة. يمكن أن تحتوي نظائر البلوتونيوم على وفرة مختلفة من النيوترونات في النواة.

لا يمكن الحصول على مركب نقي للعنصر إلا في نهاية عام 1942. في كل مرة يكتشف أطباء الأشعة نظيرًا جديدًا ، كانوا يقيسون دائمًا نصف عمر النظائر.

في الوقت الحالي ، تختلف مدة نظائر البلوتونيوم ، التي يبلغ مجموع نظائرها 15 نصف الحياة. وبهذا العنصر تقترن الآمال والآفاق العظيمة ، ولكن في نفس الوقت ، مخاوف جدية للبشرية.

البلوتونيوم له نشاط أعلى بكثير من اليورانيوم ، على سبيل المثال ، وينتمي إلى أغلى المواد من الناحية التقنية والأهمية ذات الطبيعة الكيميائية.

على سبيل المثال ، تبلغ تكلفة جرام البلوتونيوم عدة مرات أكثر من جرام واحد ، أو معادن أخرى ذات قيمة مماثلة.

يعتبر إنتاج واستخراج البلوتونيوم مكلفًا ، وتكلفة جرام واحد من المعدن في عصرنا بثقة تبلغ حوالي 4000 دولار أمريكي.

كيف يتم الحصول على البلوتونيوم؟ إنتاج البلوتونيوم

يتم إنتاج عنصر كيميائي في المفاعلات النووية ، التي ينقسم فيها اليورانيوم تحت تأثير العمليات الكيميائية والتكنولوجية المعقدة المترابطة.

اليورانيوم والبلوتونيوم هما المكونان الرئيسيان في إنتاج الوقود الذري (النووي).

إذا كان من الضروري الحصول على كمية كبيرة من عنصر مشع ، يتم استخدام طريقة تشعيع عناصر عبر اليورانيوم ، والتي يمكن الحصول عليها من الوقود النووي المستهلك وإشعاع اليورانيوم. يتيح مسار التفاعلات الكيميائية المعقدة فصل المعدن عن اليورانيوم.

للحصول على النظائر ، وهي البلوتونيوم 238 والبلوتونيوم 239 المستخدم في صنع الأسلحة ، وهما من منتجات الاضمحلال الوسيطة ، يتم استخدام تشعيع النيوترونات للنبتونيوم 237.

تم العثور على جزء ضئيل من البلوتونيوم 244 ، وهو أكثر أنواع النظائر "طويلة العمر" نظرًا لعمره النصفي الطويل ، أثناء البحث في خام السيريوم ، والذي نجا على الأرجح من تكوين كوكب الأرض. هذا العنصر المشع لا يحدث بشكل طبيعي في الطبيعة.

الخصائص الفيزيائية الأساسية وخصائص البلوتونيوم

البلوتونيوم عنصر كيميائي مشع فضي ثقيل إلى حد ما لا يتلألأ إلا عند تنقيته. الذري كتلة معدن البلوتونيوميساوي 244 أ. تأكل.

نظرًا لنشاطه الإشعاعي العالي ، فإن هذا العنصر دافئ عند لمسه ، ويمكن أن يسخن إلى درجة حرارة تتجاوز مؤشر درجة الحرارة عند غليان الماء.

البلوتونيوم ، تحت تأثير ذرات الأكسجين ، يغمق بسرعة ويصبح مغطى بغشاء رقيق قزحي الألوان من الأصفر الفاتح في البداية ، ثم مشبع أو بني.

مع الأكسدة القوية ، يحدث تكوين مسحوق PuO2 على سطح العنصر. يخضع هذا النوع من المعدن الكيميائي لعمليات أكسدة وتآكل قوية حتى في مستويات الرطوبة المنخفضة.

لمنع تآكل وأكسدة سطح المعدن ، هناك حاجة إلى مجفف. صورة البلوتونيوميمكن رؤيته أدناه.

ينتمي البلوتونيوم إلى المعادن الكيميائية الرباعية التكافؤ ، ويذوب جيدًا وسريعًا في مواد الهيدروديد ، والوسائط الحمضية ، على سبيل المثال ، في الكلور.

يتم تحييد الأملاح المعدنية بسرعة في وسط محايد ، محاليل قلوية ، مع تكوين هيدروكسيد البلوتونيوم غير القابل للذوبان.

درجة الحرارة التي يذوب عندها البلوتونيوم هي 641 درجة مئوية ، ونقطة الغليان 3230 درجة.

تحت تأثير أنظمة درجات الحرارة المرتفعة ، تحدث تغيرات غير طبيعية في كثافة المعدن. في شكل بلوتونيوم ، له مراحل مختلفة وستة هياكل بلورية.

أثناء الانتقال بين المراحل ، تحدث تغييرات كبيرة في حجم العنصر. يكتسب العنصر الشكل الأكثر كثافة في مرحلة ألفا السادسة (المرحلة الأخيرة من الانتقال) ، بينما النبتونيوم والراديوم هو أثقل من المعدن في هذه الحالة.

عند الذوبان ، يحدث ضغط قوي للعنصر ، لذلك يمكن أن يلتصق المعدن بسطح الماء والوسائط السائلة الأخرى غير العدوانية.

على الرغم من حقيقة أن هذا العنصر المشع ينتمي إلى مجموعة المعادن الكيميائية ، إلا أن العنصر متقلب تمامًا ، وعندما يكون في مكان مغلق لفترة زمنية قصيرة ، يزداد تركيزه في الهواء ويزيد عدة مرات.

تشمل الخصائص الفيزيائية الرئيسية للمعدن: درجة منخفضة ، مستوى التوصيل الحراري لجميع العناصر الكيميائية الموجودة والمعروفة ، مستوى منخفض من التوصيل الكهربائي ، في الحالة السائلة ، يعد البلوتونيوم أحد أكثر المعادن لزوجة.

وتجدر الإشارة إلى أن أي مركبات بلوتونيوم سامة وسامة وتشكل خطراً جسيماً للتعرض لجسم الإنسان ، والذي يحدث بسبب إشعاع ألفا النشط ، لذلك يجب القيام بجميع الأعمال بعناية فائقة وفقط في بدلات خاصة مع حماية كيميائية. .

المزيد حول الخصائص ، يمكن العثور على نظريات حول أصل معدن فريد في الكتاب Obruchev "البلوتونيوم". المؤلف V.A. يدعو Obruchev القراء إلى الانغماس في عالم مذهل وفريد ​​من نوعه لأرض بلوتونيا الرائعة ، والتي تقع في أعماق أحشاء الأرض.

استخدام البلوتونيوم

من المعتاد تصنيف عنصر كيميائي صناعي إلى بلوتونيوم يستخدم في صنع الأسلحة ومستوى مفاعل ("طاقة").

وبالتالي ، من أجل إنتاج الأسلحة النووية ، من بين جميع النظائر الموجودة ، يُسمح باستخدام البلوتونيوم 239 فقط ، حيث لا ينبغي أن يكون هناك أكثر من 4.5 ٪ من البلوتونيوم 240 ، لأنه يخضع للانشطار التلقائي ، مما يعقد بشكل كبير التصنيع. من الرؤوس الحربية.

البلوتونيوم 238يجد تطبيقًا لتشغيل مصادر النظائر المشعة صغيرة الحجم للطاقة الكهربائية ، على سبيل المثال ، كمصدر للطاقة لتكنولوجيا الفضاء.

منذ عدة عقود ، كان البلوتونيوم يستخدم في الطب في أجهزة تنظيم ضربات القلب (أجهزة للحفاظ على إيقاع القلب).

كانت أول قنبلة ذرية تم صنعها في العالم تحتوي على شحنة بلوتونيوم. البلوتونيوم النووي(Pu 239) مطلوب كوقود نووي لضمان تشغيل مفاعلات الطاقة. أيضًا ، يعمل هذا النظير كمصدر للحصول على عناصر transplutonium في المفاعلات.

إذا قارنا البلوتونيوم النووي بالمعدن النقي ، فإن النظير يحتوي على معايير معدنية أعلى ، وليس له مراحل انتقالية ، وبالتالي فهو يستخدم على نطاق واسع في عملية الحصول على عناصر الوقود.

هناك حاجة أيضًا إلى أكاسيد نظائر البلوتونيوم 242 كمصدر للطاقة للمركبات الفضائية والمعدات وقضبان الوقود.

البلوتونيوم المستخدم في صنع الأسلحة- هذا عنصر يتم تقديمه في شكل معدن مضغوط يحتوي على 93٪ على الأقل من نظير Pu239.

يستخدم هذا النوع من المعدن المشع في إنتاج أنواع مختلفة من الأسلحة النووية.

يتم الحصول على البلوتونيوم المستخدم في صنع الأسلحة في مفاعلات نووية صناعية متخصصة تعمل باليورانيوم الطبيعي أو منخفض التخصيب ، نتيجة لالتقاط النيوترونات.

كيمياء

يرتبط عنصر البلوتونيوم البلوتونيوم رقم 94 بآمال كبيرة ومخاوف عالية جدًا للبشرية. وهو اليوم أحد أهم العناصر ذات الأهمية الاستراتيجية. هذا هو أغلى المعادن المهمة تقنيًا - فهو أغلى بكثير من الفضة والذهب والبلاتين. إنه حقًا ثمين.

الخلفية والتاريخ

في البداية كان هناك بروتونات - هيدروجين مجري. نتيجة لانضغاطها والتفاعلات النووية اللاحقة ، تكونت "سبائك" النيوكليونات الأكثر روعة. ومن بين هذه "السبائك" ، على ما يبدو ، تحتوي كل واحدة منها على 94 بروتونا. تشير تقديرات الباحثين النظريين إلى أن حوالي 100 تكوين نيوكليون ، والتي تشمل 94 بروتونًا ومن 107 إلى 206 نيوترونًا ، مستقرة جدًا بحيث يمكن اعتبارها نوى نظيرية للعنصر رقم 94.
لكن كل هذه النظائر - الافتراضية والحقيقية - ليست مستقرة لدرجة أنه يتم الحفاظ عليها حتى يومنا هذا من لحظة تشكل عناصر النظام الشمسي. يبلغ عمر النصف لنظير العنصر رقم 94 الأطول عمراً 81 مليون سنة. يُقاس عمر المجرة بمليارات السنين. وبالتالي ، لم يكن للبلوتونيوم "الأصلي" فرصة للبقاء على قيد الحياة حتى يومنا هذا. إذا تم تشكيله أثناء التوليف العظيم لعناصر الكون ، فإن تلك الذرات القديمة منه "ماتت" منذ زمن بعيد ، تمامًا كما ماتت الديناصورات والماموث.
في القرن العشرين. حقبة جديدة ، بعد الميلاد ، تم إعادة إنشاء هذا العنصر. من بين 100 نظير ممكن من نظائر البلوتونيوم ، تم تصنيع 25 منها ، تمت دراسة 15 منها لمعرفة خصائصها النووية. وجد أربعة تطبيقات عملية. وقد تم افتتاحه مؤخرًا فقط. في ديسمبر 1940 ، أثناء تعريض اليورانيوم بنواة هيدروجين ثقيلة للإشعاع ، اكتشفت مجموعة من علماء الكيمياء الإشعاعية الأمريكيين بقيادة جلين تي سيبورج باعث جسيمات ألفا غير معروف حتى الآن بعمر نصف يبلغ 90 عامًا. تبين أن هذا الباعث هو نظير للعنصر رقم 94 برقم كتلي 238. في نفس العام ، ولكن قبل عدة أشهر ، قام E.M. تلقى Macmillan و F. Abelson العنصر الأول الأثقل من اليورانيوم - العنصر رقم 93. وكان يسمى هذا العنصر النبتونيوم ، والعنصر 94 - البلوتونيوم. سيقول المؤرخ بالتأكيد أن هذه الأسماء نشأت في الأساطير الرومانية ، لكن أصل هذه الأسماء في جوهرها ليس أسطوريًا ، بل فلكي.
تم تسمية العنصرين رقم 92 و 93 على اسم الكواكب البعيدة في النظام الشمسي - أورانوس ونبتون ، لكن نبتون ليس الأخير في النظام الشمسي ، يقع مدار بلوتو أبعد من ذلك - كوكب لا يُعرف عنه شيء تقريبًا حتى الآن ... بناء مشابه نلاحظه أيضًا على "الجانب الأيسر" من الجدول الدوري: اليورانيوم - النبتونيوم - البلوتونيوم ، ومع ذلك ، تعرف البشرية الكثير عن البلوتونيوم أكثر من معرفة بلوتو. بالمناسبة ، اكتشف علماء الفلك بلوتو قبل عشر سنوات فقط من تخليق البلوتونيوم - نفس الفترة الزمنية تقريبًا فصلت اكتشافات أورانوس - الكوكب واليورانيوم - العنصر.

الألغاز لبرامج الفدية

وجد الآن النظير الأول للعنصر رقم 94 ، البلوتونيوم 238 ، تطبيقًا عمليًا. لكن في أوائل الأربعينيات من القرن الماضي ، لم يفكروا حتى في الأمر. لا يمكن الحصول على البلوتونيوم 238 بكميات ذات فائدة عملية إلا بالاعتماد على صناعة نووية قوية. في ذلك الوقت ، كانت قد بدأت للتو. لكن كان من الواضح بالفعل أنه من خلال إطلاق الطاقة الموجودة في نوى العناصر المشعة الثقيلة ، كان من الممكن الحصول على أسلحة ذات قوة غير مسبوقة. ظهر مشروع مانهاتن ، ولم يكن له سوى اسم مشترك مع المنطقة المعروفة في نيويورك. كان هذا هو الاسم العام لجميع الأعمال المتعلقة بإنشاء القنابل الذرية الأولى في الولايات المتحدة. لم يكن رئيس مشروع مانهاتن عالِمًا ، بل كان رجلاً عسكريًا - الجنرال غروفز ، الذي أطلق "بمودة" على عنابره المتعلمة تعليمًا عاليًا "الأواني المكسورة".
لم يكن قادة "المشروع" مهتمين بالبلوتونيوم 238. نواتها ، مثل نوى جميع نظائر البلوتونيوم ذات الأعداد الكتلية ، لا تنشطر مع النيوترونات منخفضة الطاقة ، لذلك لا يمكن أن تكون بمثابة متفجر نووي. ومع ذلك ، فإن التقارير الأولى غير الواضحة عن العنصرين رقم 93 و 94 لم تظهر إلا في الطباعة في ربيع عام 1942.
كيف يمكن تفسير هذا؟ فهم الفيزيائيون: تخليق نظائر البلوتونيوم ذات الأعداد الكتلية الفردية هو مسألة وقت ، وليس بعيد المنال. كان من المتوقع أن تكون النظائر الغريبة ، مثل اليورانيوم 235 ، قادرة على الحفاظ على تفاعل نووي متسلسل. في نفوسهم ، التي لم يتم استلامها بعد ، رأى بعض الأشخاص متفجرات نووية محتملة. وهذه الآمال البلوتونيوم، للأسف ، مبرر.
في الأصفار في ذلك الوقت ، لم يكن العنصر رقم 94 يسمى أكثر من ... النحاس. وعندما نشأت الحاجة إلى النحاس نفسه (كمادة هيكلية لبعض الأجزاء) ، ظهر في التشفير ، جنبًا إلى جنب مع "النحاس" ، "النحاس الأصلي".

"شجرة معرفة الخير والشر"

في عام 1941 ، تم اكتشاف أهم نظير للبلوتونيوم ، وهو نظير كتلته 239. وعلى الفور تقريبًا تم تأكيد تنبؤ النظريين: نوى البلوتونيوم 239 المنشطرة بالنيوترونات الحرارية. علاوة على ذلك ، أثناء عملية انشطارها ، وُلد عدد لا يقل عن النيوترونات مما كان عليه في انشطار اليورانيوم 235. تم تحديد طرق الحصول على هذا النظير بكميات كبيرة على الفور ...
مرت سنوات. الآن لا يخفى على أحد أن القنابل النووية المخزنة في الترسانات محشوة بالبلوتونيوم 239 وأن هذه القنابل كافية لإحداث أضرار لا يمكن إصلاحها لجميع أشكال الحياة على الأرض.
من المعتقد على نطاق واسع أنه مع اكتشاف تفاعل نووي متسلسل (نتيجته الحتمية إنشاء قنبلة نووية) ، من الواضح أن البشرية كانت في عجلة من أمرها. يمكنك التفكير بشكل مختلف أو التظاهر بالتفكير بشكل مختلف - إنه لمن دواعي سروري أن تكون متفائلاً. لكن حتى المتفائلين يواجهون حتما مسألة مسؤولية العلماء. نتذكر اليوم المنتصر في يونيو 1954 ، اليوم الذي أعطت فيه أول محطة للطاقة النووية في أوبنينسك الكهرباء. لكن لا يمكننا أن ننسى صباح أغسطس من عام 1945 - "صباح هيروشيما" ، "يوم ألبرت أينشتاين الممطر" ... نتذكر السنوات الأولى بعد الحرب والابتزاز الذري الجامح - أساس السياسة الأمريكية في تلك السنوات. لكن هل عانت البشرية من مخاوف قليلة في السنوات اللاحقة؟ علاوة على ذلك ، تضاعفت هذه المخاوف من خلال إدراك أنه إذا اندلعت حرب عالمية جديدة ، فسيتم استخدام أسلحة نووية.
هنا يمكنك محاولة إثبات أن اكتشاف البلوتونيوم لم يزيد مخاوف البشرية ، بل على العكس من ذلك ، كان مفيدًا فقط.
لنفترض أنه لسبب ما ، أو كما يقولون في الأيام الخوالي ، بإرادة الله ، لم يكن البلوتونيوم متاحًا للعلماء. هل ستنخفض مخاوفنا بعد ذلك؟ لم يحدث شيء. القنابل النووية ستصنع من اليورانيوم 235 (وبكمية لا تقل عن البلوتونيوم) ، وهذه القنابل سوف "تلتهم" أجزاء من الميزانيات أكبر مما هي عليه الآن.
ولكن بدون البلوتونيوم ، لن تكون هناك احتمالات للاستخدام السلمي للطاقة النووية على نطاق واسع. للحصول على "ذرة مسالمة" لن يكون هناك ما يكفي من اليورانيوم 235. إن الشر الذي يلحق بالبشرية باكتشاف الطاقة النووية لن يكون متوازنًا ، ولو جزئيًا ، بإنجازات "الذرة الطيبة".

كيف تقيس وما تقارن

عندما يتم تقسيم نواة البلوتونيوم 239 بواسطة النيوترونات إلى جزأين متساويتين الكتلة تقريبًا ، يتم إطلاق حوالي 200 ميغا إلكترون فولت من الطاقة. هذه طاقة تزيد بمقدار 50 مليون مرة عن أشهر تفاعل طارد للحرارة С + O 2 = СO 2. يعطي غرام البلوتونيوم 2107 سعرات حرارية عند "الاحتراق" في مفاعل نووي. من أجل عدم انتهاك التقاليد (وفي المقالات الشائعة ، تُقاس طاقة الوقود النووي عادةً بوحدات خارج النظام - أطنان من الفحم ، والبنزين ، وثلاثي نيتروتولوين ، وما إلى ذلك) ، نلاحظ أيضًا: هذه هي الطاقة الموجودة في 4 أطنان من الفحم. وفي الكشتبان العادي يتم وضع كمية من البلوتونيوم تعادل بقوة أربعين سيارة محملة بحطب خشب البتولا الجيد.
يتم إطلاق نفس الطاقة أثناء انشطار نوى اليورانيوم 235 بواسطة النيوترونات. لكن الجزء الأكبر من اليورانيوم الطبيعي (99.3٪!) هو النظير 238 يو ، والذي لا يمكن استخدامه إلا عن طريق تحويل اليورانيوم إلى بلوتونيوم ...

طاقة الحجر

دعونا نقيم موارد الطاقة الموجودة في الاحتياطيات الطبيعية لليورانيوم.
اليورانيوم عنصر مبعثر ، وعمليًا في كل مكان. أي شخص زار ، على سبيل المثال ، كاريليا ، بالتأكيد تذكر صخور الجرانيت والصخور الساحلية. لكن قلة من الناس يعرفون أن هناك ما يصل إلى 25 غرامًا من اليورانيوم في طن من الجرانيت. يشكل الجرانيت حوالي 20٪ من وزن القشرة الأرضية. إذا عدنا اليورانيوم 235 فقط ، فعندئذٍ يتم احتواء 3.5-105 كيلو كالوري من الطاقة في طن من الجرانيت. إنه كثير ، لكن ...
تتطلب معالجة الجرانيت واستخراج اليورانيوم منه قدرًا أكبر من الطاقة - حوالي 106-107 كيلو كالوري / طن. الآن ، إذا كان من الممكن استخدام ليس فقط اليورانيوم 235 ، ولكن أيضًا اليورانيوم 238 كمصدر للطاقة ، فيمكن اعتبار الجرانيت على الأقل مادة خام محتملة للطاقة. عندئذٍ تكون الطاقة التي يتم الحصول عليها من طن من الحجر من 8-107 إلى 5-108 كيلو كالوري. هذا يعادل 16-100 طن من الفحم. وفي هذه الحالة ، يمكن للجرانيت أن يمنح الناس ما يقرب من مليون مرة طاقة أكثر من جميع احتياطيات الوقود الكيميائي على الأرض.
لكن نوى اليورانيوم 238 لا تنشطر بالنيوترونات. بالنسبة للطاقة النووية ، هذا النظير عديم الفائدة. بتعبير أدق ، سيكون عديم الفائدة إذا لم يتم تحويله إلى بلوتونيوم 239. وما هو مهم بشكل خاص: ليست هناك حاجة عمليًا لإنفاق الطاقة على هذا التحول النووي - على العكس من ذلك ، يتم إنتاج الطاقة في هذه العملية!
دعنا نحاول معرفة كيفية حدوث ذلك ، لكن أولاً بضع كلمات عن البلوتونيوم الطبيعي.

400 ألف مرة أصغر من الراديوم

لقد قيل بالفعل أن نظائر البلوتونيوم لم يتم الحفاظ عليها منذ تكوين العناصر أثناء تكوين كوكبنا. لكن هذا لا يعني أنه لا يوجد بلوتونيوم في الأرض.
يتشكل طوال الوقت في خامات اليورانيوم. من خلال التقاط نيوترونات الإشعاع الكوني والنيوترونات الناتجة عن الانشطار التلقائي (التلقائي) لنواة اليورانيوم 238 ، تتحول بعض ذرات هذا النظير - قليلة جدًا - إلى ذرات يورانيوم 239. هذه النوى غير مستقرة للغاية ، فهي تصدر إلكترونات وبالتالي تزيد من شحنتها. يتكون النبتونيوم - أول عنصر عبر اليورانيوم. النبتونيوم 239 هو أيضًا غير مستقر للغاية ، وتصدر نواته إلكترونات. في 56 ساعة فقط ، يتحول نصف النبتونيوم 239 إلى بلوتونيوم 239 ، نصف عمره بالفعل طويل جدًا - 24 ألف سنة.
لماذا لا يتم استخراج البلوتونيوم من خامات اليورانيوم؟؟ تركيز صغير ومنخفض للغاية. "الإنتاج لكل جرام هو عمل سنوي" - هذا حوالي الراديوم ، والبلوتونيوم في الخامات أقل بـ 400 ألف مرة من الراديوم. لذلك ، ليس فقط استخلاص - حتى اكتشاف البلوتونيوم "الأرضي" أمر صعب بشكل غير عادي. تم ذلك فقط بعد دراسة الخصائص الفيزيائية والكيميائية للبلوتونيوم الذي تم الحصول عليه في المفاعلات النووية.
يتراكم البلوتونيوم في المفاعلات النووية. في تدفقات النيوترونات القوية ، يحدث نفس التفاعل كما هو الحال في خامات اليورانيوم ، لكن معدل تكوين وتراكم البلوتونيوم في المفاعل أعلى بكثير - مليار مليار مرة. من أجل تفاعل تحويل اليورانيوم 238 الصابورة إلى بلوتونيوم 239 عالي الطاقة ، يتم إنشاء الظروف المثلى (ضمن مقبولة).
إذا كان المفاعل يعمل على نيوترونات حرارية (تذكر أن سرعتها حوالي 2000 متر في الثانية ، والطاقة هي كسور من إلكترون فولت) ، يتم الحصول على كمية من البلوتونيوم من خليط طبيعي من نظائر اليورانيوم ، أقل قليلاً من الكمية من اليورانيوم 235 "المحترق". ليس كثيرًا ، ولكن أقل ، بالإضافة إلى الخسائر الحتمية للبلوتونيوم أثناء فصله الكيميائي عن اليورانيوم المشع. بالإضافة إلى ذلك ، يستمر تفاعل نووي متسلسل في خليط طبيعي من نظائر اليورانيوم فقط حتى يتم استخدام جزء صغير من اليورانيوم 235. ومن ثم فإن الاستنتاج منطقي: لا يمكن للمفاعل "الحراري" على اليورانيوم الطبيعي - النوع الرئيسي من المفاعلات العاملة حاليًا - أن يضمن التكاثر الموسع للوقود النووي. لكن ما هو المستقبل إذن؟ للإجابة على هذا السؤال ، دعنا نقارن مسار تفاعل نووي متسلسل في اليورانيوم 235 والبلوتونيوم 239 ونقدم مفهومًا فيزيائيًا آخر في تفكيرنا.
أهم ما يميز أي وقود نووي هو متوسط ​​عدد النيوترونات المنبعثة بعد أن تلتقط النواة نيوترونًا واحدًا. يطلق عليه الفيزيائيون رقم eta ويشيرون إليه بالحرف اليوناني c. في مفاعلات اليورانيوم "الحرارية" ، لوحظ النمط التالي: يولد كل نيوترون ما معدله 2.08 نيوترون (η = 2.08). يعطي البلوتونيوم الموضوع في مثل هذا المفاعل تحت تأثير النيوترونات الحرارية η = 2.03. ولكن هناك أيضًا مفاعلات تعمل على النيوترونات السريعة. لا جدوى من تحميل خليط طبيعي من نظائر اليورانيوم في مثل هذا المفاعل: لن يبدأ التفاعل المتسلسل. ولكن إذا تم تخصيب "المواد الخام" باليورانيوم 235 ، فإنها ستكون قادرة على التطور في مفاعل "سريع". في هذه الحالة ، سيساوي c بالفعل 2.23. والبلوتونيوم ، الذي يوضع تحت النار باستخدام نيوترونات سريعة ، يعطي n يساوي 2.70. سيكون لدينا "نيوترون إضافي كامل" تحت تصرفنا. وهذا لا يكفي.

دعونا نرى ما يتم إنفاق النيوترونات المستلمة فيه. في أي مفاعل ، هناك حاجة لنيوترون واحد للحفاظ على تفاعل نووي متسلسل. 0.1 نيوترون تمتصه المواد الإنشائية للمنشأة. يذهب "الفائض" إلى تراكم البلوتونيوم 239. في إحدى الحالات ، يكون "الفائض" 1.13 ، في الحالة الأخرى - 1.60. بعد "حرق" كيلوغرام واحد من البلوتونيوم في المفاعل "السريع" ، تنطلق طاقة هائلة ويتراكم 1.6 كيلوغرام من البلوتونيوم. وسيمنح اليورانيوم في مفاعل "سريع" نفس الطاقة و 1.1 كيلوجرام من الوقود النووي الجديد. في كلتا الحالتين ، يكون التكاثر الموسع واضحًا. لكن يجب ألا ننسى الاقتصاد.
نظرًا لعدد من الأسباب الفنية ، تستغرق دورة تكاثر البلوتونيوم عدة سنوات. دعنا نقول خمس سنوات. وهذا يعني أن كمية البلوتونيوم ستزداد بنسبة 2٪ فقط سنويًا إذا كانت = 2.23 ، وبنسبة 12٪ إذا كانت = 2.7! الوقود النووي هو رأس المال ، وأي رأس مال يجب أن ينتج ، على سبيل المثال ، 5٪ سنويًا. في الحالة الأولى ، هناك خسائر كبيرة ، وفي الحالة الثانية - أرباح كبيرة. يوضح هذا المثال البدائي "وزن" كل عشر رقم في الطاقة النووية.
شيء آخر مهم أيضا. يجب أن تواكب الطاقة النووية النمو في الطلب على الطاقة. تظهر الحسابات أن حالته ممكنة في المستقبل فقط عندما تقترب من ثلاثة. إذا تأخر تطوير مصادر الطاقة النووية عن احتياجات الطاقة في المجتمع ، فستكون هناك طريقتان: إما "إبطاء التقدم" أو الحصول على الطاقة من بعض المصادر الأخرى. وهي معروفة: الاندماج النووي الحراري ، طاقة إبادة المادة والمادة المضادة ، لكنها غير متوفرة تقنيًا بعد. ولا يُعرف متى ستكون مصادر حقيقية للطاقة للبشرية. ولطالما أصبحت طاقة النوى الثقيلة حقيقة واقعة بالنسبة لنا ، واليوم لا يوجد منافس جاد للبلوتونيوم ، باعتباره "المورد" الرئيسي للطاقة الذرية ، باستثناء اليورانيوم 233.

مجموع العديد من التقنيات

عندما تتراكم الكمية المطلوبة من البلوتونيوم في اليورانيوم نتيجة للتفاعلات النووية ، يجب فصلها ليس فقط عن اليورانيوم نفسه ، ولكن أيضًا عن الشظايا الانشطارية - اليورانيوم والبلوتونيوم على حد سواء ، المحترقة في تفاعل نووي متسلسل. بالإضافة إلى ذلك ، هناك كمية معينة من النبتونيوم في كتلة اليورانيوم والبلوتونيوم. أصعب شيء هو فصل البلوتونيوم عن النبتونيوم والعناصر الأرضية النادرة (اللانثانيدات). البلوتونيوم كعنصر كيميائي سيئ الحظ إلى حد ما. من وجهة نظر الكيميائي ، فإن العنصر الرئيسي للطاقة النووية هو مجرد واحد من أربعة عشر أكتينيدًا. مثل العناصر الأرضية النادرة ، فإن جميع عناصر سلسلة الأكتينيوم قريبة جدًا من بعضها البعض في الخواص الكيميائية ، وتركيب غلاف الإلكترون الخارجي لذرات جميع العناصر من الأكتينيوم إلى 103 هو نفسه. بل إنه من المزعج للغاية أن تكون الخصائص الكيميائية للأكتينيدات مماثلة لتلك الخاصة بالعناصر الأرضية النادرة ، ومن بين شظايا انشطار اليورانيوم والبلوتونيوم يوجد أكثر من اللانثانيدات الكافية. ولكن من ناحية أخرى ، يمكن أن يكون العنصر 94 في خمس حالات تكافؤ ، وهذا "حلوى الحبة" - يساعد على فصل البلوتونيوم عن كل من اليورانيوم وشظايا الانشطار.
يتراوح تكافؤ البلوتونيوم من ثلاثة إلى سبعة. مركبات البلوتونيوم رباعي التكافؤ هي الأكثر استقرارًا كيميائيًا (وبالتالي فهي الأكثر شيوعًا والأكثر دراسة).
يمكن أن يعتمد فصل الأكتينيدات المتشابهة كيميائيًا - اليورانيوم والنبتونيوم والبلوتونيوم - على الاختلاف في خصائص مركباتها الرباعية والسداسية التكافؤ.

ليست هناك حاجة لوصف بالتفصيل جميع مراحل الفصل الكيميائي للبلوتونيوم واليورانيوم. يبدأ فصلها عادةً بتفكك قضبان اليورانيوم في حمض النيتريك ، وبعد ذلك يتم "فصل" عناصر اليورانيوم والنبتونيوم والبلوتونيوم والشظايا الموجودة في المحلول ، باستخدام الطرق الكيميائية الإشعاعية التقليدية لهذا الغرض - الترسيب والاستخراج والتبادل الأيوني وغيرها. . المنتجات النهائية المحتوية على البلوتونيوم لهذه التقنية متعددة المراحل هي ثاني أكسيد PuO 2 أو الفلورايد - PuF 3 أو PuF 4. يتم اختزالها إلى معدن يحتوي على الباريوم أو الكالسيوم أو أبخرة الليثيوم. ومع ذلك ، فإن البلوتونيوم الذي تم الحصول عليه في هذه العمليات غير مناسب لدور مادة هيكلية - فمن المستحيل صنع عناصر وقود لمفاعلات الطاقة النووية منه ، ومن المستحيل إلقاء شحنة قنبلة ذرية. لماذا ا؟ يمكن تحقيق نقطة انصهار البلوتونيوم - فقط 640 درجة مئوية -.
بغض النظر عن الظروف "فائقة الإبقاء" المستخدمة لصب أجزاء من البلوتونيوم النقي ، ستظهر الشقوق دائمًا في المصبوبات أثناء التصلب. عند درجة حرارة 640 درجة مئوية ، يشكل البلوتونيوم المتصلب شبكة بلورية مكعبة. مع انخفاض درجة الحرارة ، تزداد كثافة المعدن تدريجياً. ولكن بعد ذلك وصلت درجة الحرارة إلى 480 درجة مئوية ، ثم فجأة تنخفض كثافة البلوتونيوم بشكل حاد. تم اكتشاف أسباب هذا الشذوذ بسرعة: عند درجة الحرارة هذه ، يتم إعادة ترتيب ذرات البلوتونيوم في الشبكة البلورية. يصبح رباعي الزوايا و "فضفاضة" جدا. يمكن لمثل هذا البلوتونيوم أن يطفو في ذوبانه ، مثل الثلج على الماء.
تستمر درجة الحرارة في الانخفاض ، وقد وصلت الآن إلى 451 درجة مئوية ، وشكلت الذرات مرة أخرى شبكة مكعبة ، ولكنها تقع على مسافة أكبر من بعضها البعض مما كانت عليه في الحالة الأولى. مع مزيد من التبريد ، تصبح الشبكة أولًا معينيًا لتقويم العظام ، ثم أحادي الميل. في المجموع ، يشكل البلوتونيوم ستة أشكال بلورية مختلفة! اثنان منهم لهما خاصية ملحوظة - معامل التمدد الحراري السلبي: مع زيادة درجة الحرارة ، لا يتمدد المعدن ، بل يتقلص.
عندما تصل درجة الحرارة إلى 122 درجة مئوية وتعيد ذرات البلوتونيوم ترتيب صفوفها للمرة السادسة ، تتغير الكثافة بشدة بشكل خاص - من 17.77 إلى 19.82 جم / سم 3. أكثر من 10٪!
وفقًا لذلك ، ينخفض ​​حجم السبيكة. إذا كان المعدن لا يزال قادرًا على تحمل الضغوط التي نشأت في التحولات الأخرى ، فإن التدمير في هذه اللحظة أمر لا مفر منه.
كيف ، إذن ، لصنع أجزاء من هذا المعدن المذهل؟ ينتج علماء المعادن البلوتونيوم (يضيفون كميات صغيرة من العناصر الضرورية إليه) ويحصلون على المسبوكات دون كسر واحد. يتم استخدامها لصنع شحنات البلوتونيوم للقنابل النووية. وزن الشحنة (يتم تحديدها بشكل أساسي من خلال الكتلة الحرجة للنظير) هو 5-6 كجم. يمكن وضعها بسهولة في مكعب بحجم ضلع 10 سم.

نظائر البلوتونيوم الثقيلة

يحتوي البلوتونيوم 239 أيضًا على كمية صغيرة من النظائر الأعلى لهذا العنصر - بأعداد كتلتها 240 و 241. نظير 240 Pu غير مجدي عمليًا - إنه صابورة في البلوتونيوم. من 241 ، يتم الحصول على الأميريسيوم - العنصر رقم 95. في شكله النقي ، بدون خليط من النظائر الأخرى ، يمكن الحصول على البلوتونيوم -240 والبلوتونيوم 241 عن طريق الفصل الكهرومغناطيسي للبلوتونيوم المتراكم في المفاعل. قبل ذلك ، يتم تعريض البلوتونيوم أيضًا للإشعاع بتدفقات نيوترونية بخصائص محددة بدقة. بالطبع ، كل هذا معقد للغاية ، خاصة وأن البلوتونيوم ليس مشعًا فحسب ، بل إنه شديد السمية أيضًا. العمل معها يتطلب الحذر الشديد.
يمكن الحصول على أحد أكثر نظائر البلوتونيوم إثارة للاهتمام ، وهو 242 Pu ، عن طريق تشعيع 239 Pu لفترة طويلة في تدفقات النيوترونات. 242 نادرًا ما يلتقط البلوتونيوم النيوترونات وبالتالي "يحترق" في المفاعل بشكل أبطأ من النظائر الأخرى ؛ يستمر حتى بعد انتقال نظائر البلوتونيوم المتبقية بالكامل تقريبًا إلى شظايا أو تحولت إلى بلوتونيوم 242.
يعتبر البلوتونيوم 242 مهمًا باعتباره "مادة خام" للتراكم السريع نسبيًا لعناصر أعلى عبر اليورانيوم في المفاعلات النووية. إذا تم تعريض البلوتونيوم 239 للإشعاع في مفاعل تقليدي ، فسوف يستغرق الأمر حوالي 20 عامًا لتجميع كميات ميكروغرام من البلوتونيوم من الجرامات ، على سبيل المثال ، كاليفورنيوم 252.
من الممكن تقليل وقت تراكم النظائر الأعلى عن طريق زيادة شدة تدفق النيوترونات في المفاعل. إنهم يفعلون ذلك ، ولكن بعد ذلك يستحيل تشعيع كمية كبيرة من البلوتونيوم 239. بعد كل شيء ، يتم تقسيم هذا النظير بواسطة النيوترونات ، ويتم إطلاق الكثير من الطاقة في تدفقات مكثفة. هناك صعوبات إضافية في تبريد المفاعل. لتجنب هذه المضاعفات ، يجب تقليل كمية البلوتونيوم المشع. وبالتالي ، سيكون إنتاج كاليفورنيا بائسًا مرة أخرى. الحلقة المفرغة!
إن البلوتونيوم 242 غير قابل للانشطار بالنيوترونات الحرارية ، ويمكن تشعيعه بكميات كبيرة في تدفقات نيوترونية مكثفة ... لذلك ، في المفاعلات ، "تُصنع" جميع العناصر من الأميريسيوم إلى الفيرميوم من هذا النظير وتتراكم بكميات الوزن.
كلما نجح العلماء في الحصول على نظير جديد للبلوتونيوم ، قاموا بقياس نصف عمر نواته. تتغير فترات نصف عمر نظائر النوى المشعة الثقيلة ذات الأعداد الكتلية بانتظام. (لا يمكن قول الشيء نفسه عن النظائر الفردية.)
مع زيادة الكتلة ، تزداد "عمر" النظير. قبل بضع سنوات ، كان البلوتونيوم 242 هو أعلى نقطة في هذا الرسم البياني. ثم كيف سيتجه هذا المنحنى - مع زيادة أخرى في العدد الكتلي؟ إلى النقطة 1 ، والتي تتوافق مع عمر 30 مليون سنة ، أو للنقطة 2 ، والتي تتوافق بالفعل مع 300 مليون سنة؟ كانت الإجابة على هذا السؤال مهمة جدًا لعلوم الأرض. في الحالة الأولى ، إذا كانت الأرض قبل 5 مليارات سنة تتكون بالكامل من 244 Pu ، فإن ذرة واحدة فقط من البلوتونيوم 244 ستبقى في الكتلة الكاملة للأرض. إذا كان الافتراض الثاني صحيحًا ، فقد يكون البلوتونيوم 244 موجودًا في الأرض بتركيزات يمكن اكتشافها بالفعل. إذا كنا محظوظين بما يكفي للعثور على هذا النظير في الأرض ، فسيحصل العلم على المعلومات الأكثر قيمة حول العمليات التي حدثت أثناء تكوين كوكبنا.

نصف عمر بعض نظائر البلوتونيوم

قبل بضع سنوات ، واجه العلماء السؤال التالي: هل يستحق الأمر محاولة العثور على البلوتونيوم الثقيل في الأرض؟ للإجابة عليه ، كان من الضروري أولاً وقبل كل شيء تحديد عمر النصف للبلوتونيوم 244. لم يتمكن المنظرون من حساب هذه القيمة بالدقة المطلوبة. كل الأمل كان فقط للتجربة.
تراكم البلوتونيوم 244 في مفاعل نووي. تم تشعيع العنصر رقم 95 ، الأمريسيوم (النظير 243 صباحا). بعد أن التقط نيوترونًا ، انتقل هذا النظير إلى أمريسيوم -244 ؛ الأمريسيوم 244 في واحدة من 10 آلاف حالة انتقلت إلى البلوتونيوم 244.
تم عزل مستحضر بلوتونيوم 244 من خليط من الأميريسيوم والكوريوم. كانت العينة تزن بضعة أجزاء من المليون من الجرام. لكنها كانت كافية لتحديد عمر النصف لهذا النظير الأكثر إثارة للاهتمام. اتضح أنها تساوي 75 مليون سنة. في وقت لاحق ، حدد باحثون آخرون نصف عمر البلوتونيوم 244 ، ولكن ليس كثيرًا - 81 مليون سنة. في عام 1971 ، تم العثور على آثار لهذا النظير في معدن الأرض النادرة bastnäsite.
قام العلماء بالعديد من المحاولات للعثور على نظير لعنصر عبر اليورانيوم يعيش لفترة أطول من 244 Pu. لكن كل المحاولات باءت بالفشل. في وقت من الأوقات ، كانت الآمال معلقة على الكوريوم 247 ، ولكن بعد أن تراكم هذا النظير في مفاعل ، اتضح أن نصف عمره كان 16 مليون سنة فقط. لم يكن من الممكن التغلب على الرقم القياسي للبلوتونيوم 244 - فهو الأطول عمرا من بين جميع نظائر عناصر ما بعد اليورانيوم.
حتى نظائر البلوتونيوم الأثقل عرضة لانحلال بيتا وتتراوح أعمارها من بضعة أيام إلى بضعة أعشار من الثانية. نحن نعلم على وجه اليقين أن جميع نظائر البلوتونيوم ، حتى 257 بو ، تتشكل في انفجارات نووية حرارية. لكن عمرها لا يتجاوز أعشار من الثانية ، والعديد من نظائر البلوتونيوم قصيرة العمر لم تتم دراستها بعد.

احتمالات أول نظير بلوتونيوم

وأخيرًا - حول البلوتونيوم 238 - أول نظائر البلوتونيوم "من صنع الإنسان" ، وهو نظير بدا للوهلة الأولى غير واعد. إنه في الواقع نظير مثير للاهتمام. إنه يخضع لتحلل ألفا ، أي أن نواته تنبعث تلقائيًا جزيئات ألفا - نواة الهيليوم. تحمل جسيمات ألفا الناتجة عن نوى البلوتونيوم 238 قدرًا كبيرًا من الطاقة ؛ في المادة ، يتم تحويل هذه الطاقة إلى حرارة. ما هو حجم هذه الطاقة؟ يتم تحرير ستة ملايين إلكترون فولت عندما تتحلل نواة ذرية واحدة من البلوتونيوم 238. في تفاعل كيميائي ، يتم إطلاق نفس الطاقة عندما تتأكسد عدة ملايين من الذرات. مصدر للكهرباء يحتوي على كيلوغرام واحد من البلوتونيوم 238 يطور طاقة حرارية تبلغ 560 واط. الطاقة القصوى لمصدر تيار كيميائي له نفس الكتلة هي 5 واط.
هناك العديد من بواعث ذات خصائص طاقة متشابهة ، ولكن إحدى سمات البلوتونيوم 238 تجعل هذا النظير لا غنى عنه. عادة ما يكون تسوس ألفا مصحوبًا بإشعاع جاما القوي الذي يخترق ثخانات كبيرة من المادة. 238 Pu هو استثناء. إن طاقة كوانتا جاما المصاحبة لانحلال نواتها منخفضة ، وليس من الصعب الدفاع عنها: يتم امتصاص الإشعاع بواسطة حاوية رقيقة الجدران. إن احتمال الانشطار النووي التلقائي لهذا النظير ضئيل أيضًا. لذلك ، وجد التطبيق ليس فقط في المصادر الحالية ، ولكن أيضًا في الطب. تعمل البطاريات التي تحتوي على البلوتونيوم 238 كمصدر للطاقة في محفزات القلب الخاصة.
لكن 238 Pu ليس الأخف وزناً من النظائر المعروفة للعنصر رقم 94 ، فقد تم الحصول على نظائر البلوتونيوم ذات الأعداد الكتلية من 232 إلى 237. نصف عمر النظير الأخف هو 36 دقيقة.

البلوتونيوم موضوع كبير. هنا هو الأهم من الأهم. بعد كل شيء ، لقد أصبحت بالفعل عبارة قياسية أن كيمياء البلوتونيوم قد تمت دراستها بشكل أفضل بكثير من كيمياء العناصر "القديمة" مثل الحديد. كُتبت كتب كاملة عن الخصائص النووية للبلوتونيوم. تعدين البلوتونيوم هو قسم رائع آخر من المعرفة البشرية ... لذلك ، يجب ألا تعتقد أنه بعد قراءة هذه القصة ، تعلمت حقًا البلوتونيوم - أهم معدن في القرن العشرين.

• كيف يتم إخراج البلوتونيوم. يتطلب البلوتونيوم المشع والسام عناية خاصة أثناء النقل. تم تصميم الحاوية خصيصًا لنقلها - حاوية لا تنهار حتى أثناء حوادث الطيران. إنه مصنوع بكل بساطة: إنه وعاء سميك من الفولاذ المقاوم للصدأ محاط بقشرة من خشب الماهوجني. من الواضح أن البلوتونيوم يستحق كل هذا العناء ، لكن تخيل مدى سماكة الجدران إذا كنت تعلم أن حاوية لنقل كيلوغرامين فقط من البلوتونيوم تزن 225 كجم!
• السم والمضاد. في 20 أكتوبر 1977 ، ذكرت وكالة الأنباء الفرنسية أنه تم العثور على مركب كيميائي يمكنه إزالة البلوتونيوم من جسم الإنسان. بعد بضع سنوات ، أصبح معروفًا الكثير عن هذا المركب. هذا المركب المركب هو كربوكسيلاز كاتشيناميد خطي ، وهو مادة من فئة كلاب (من اليونانية - "hela" - مخلب). في هذا المخلب الكيميائي يتم التقاط ذرة البلوتونيوم ، الحرة أو المقيدة. في فئران التجارب ، تمت إزالة ما يصل إلى 70٪ من البلوتونيوم الممتص من الجسم بمساعدة هذه المادة. يُعتقد أن هذا المركب سيساعد في المستقبل على استخراج البلوتونيوم من كل من النفايات الصناعية والوقود النووي.

البلوتونيوم (بلوتونيوم) Pu ، - عنصر كيميائي مشع تم الحصول عليه صناعياً ، Z = 94 ، الكتلة الذرية 244.0642 ؛ يشير إلى الأكتينيدات. حاليًا ، هناك 19 نظيرًا معروفًا للبلوتونيوم. أخفهم 228 بو (71/2 = 1.1 ثانية) ، الأثقل ^ Pu (7i / 2 = 2.27 يومًا) ، 8 أيزومرات نووية. أكثر النظائر استقرارًا 2A-236 و 238 و 239 و 240 و 242 و 244: و 6.66-jus Bq / g على التوالي. متوسط ​​طاقة إشعاع النظائر ذات A = 236 و 238 و 239 و 240 و 242 و 244 هو 5.8 و 5.5 و 5.1 و 5.2 و 4.9 و 4.6 ميغا فولت على التوالي. تخضع نظائر البلوتونيوم الخفيفة (232 Pu ، 234Pu ، 235Pu ، 237Pu) لالتقاط الإلكترون. 2 4 "Pu - p-emitter" (الحلقة = 0.0052 MeV). الأكثر أهمية عمليًا - 2 s9Pu (7 | / 2 = 2.44-104 سنة ، اضمحلال ، انشطار تلقائي (s ، my-٪)) انشطاري تحت تأثير النيوترونات البطيئة ويستخدم في المفاعلات النووية كوقود ، و في القنابل الذرية من حيث الشحنة.

البلوتونيوم -236 (7i / 2 = 2.85i سنة) ، باعث: 5.72 MeV (30.56٪) و 5.77 MeV (69.26٪) ، نوكليد ابنة 2 3 2 U ، نشاط محدد 540 Ci / G. احتمال الانشطار التلقائي كجم 6. معدل الانشطار التلقائي من 5.8-7 أقسام لكل 1 جم / ساعة يتوافق مع فترة نصف العمر لهذه العملية من 3.5-109 سنة.

يمكن الحصول عليها من ردود الفعل:

يتشكل هذا النظير أيضًا أثناء تحلل الباعث α 2 4oCsh (7i / 2 = 27 يومًا) وباعث p 23 6m Np (7i / 2 = 22 ساعة). يتحلل 2 s 6 Pu بالطرق التالية: تسوس أ ، واحتمال 100٪ ، وانشطار تلقائي (احتمال

البلوتوبيوم -237 (7! / 2 = 45> 2 يوم) ، المنتج الابنة 2 37Np. يمكن الحصول عليه بقذف اليورانيوم الطبيعي بأيونات الهيليوم بطاقة 40 ميغا إلكترون فولت بواسطة التفاعلات النووية:

كما أنه يتشكل بكميات صغيرة عند تعريض اليورانيوم للإشعاع بنيوترونات المفاعل. النوع الرئيسي من الاضمحلال هو التقاط الإلكترون

(99 ٪ ، انبعاث الأشعة السينية المميز ، ^ Np ابنة المنتج) ، ولكن تسوس مع تكوين 2 Sz وانبعاث y ضعيف ، ونصف العمر 45.2 يومًا. يجد 2 s7Pz تطبيقًا في أنظمة مراقبة الإطلاق الكيميائي للبلوتونيوم أثناء فصله عن عينات المكونات البيئية ، وكذلك لدراسات استقلاب البلوتونيوم في جسم الإنسان

البلوتونيوم 238 ، 7 * 1/2 = 87.74 سنة ، باعث (طاقات 5.495 (76٪) ، 5.453 (24٪) و 5.351 (0.15٪) MeV ، باعث y ضعيف (طاقات من 0.044 DO 0.149 MeV). يبلغ نشاط 1 جم من هذا النويدات حوالي 633.7 جيجا بايت (نشاط محدد 17 Ci / g) ؛ تحدث كل ثانية في نفس الكمية من المادة -1200 فعل من الانشطار التلقائي.معدل الانشطار التلقائي هو 5.1-6 أقسام لكل 1 جم / ساعة تتوافق مع عمر النصف لهذه العملية من 3.8-10 10 سنوات. في هذه الحالة ، تتطور طاقة حرارية عالية جدًا: 567 واط / كجم ، المقطع العرضي للانشطار تحت تأثير النيوترونات الحرارية -18 حظيرة لديها نشاط إشعاعي عالي الجودة (283 مرة أقوى من ^ Pu) ، مما يجعله أكثر خطورة مصدر النيوترونات من التفاعلات (أ ، ن).

• 2 s 8Pu تتشكل نتيجة للاضمحلال التالي:
  • (3 - اضمحلال النيوكليدات 2 3 8 Np:

يتكون 2 3 8 Pu في أي مفاعل نووي يعمل على يورانيوم طبيعي أو منخفض التخصيب يحتوي أساسًا على النظير 2 3 8 u. في هذه الحالة ، تحدث التفاعلات النووية التالية:

يتشكل أيضًا عندما يتم قصف اليورانيوم بـ 40 ميغا إلكترون فولت من أيونات الهيليوم:

تسوس في 2 34U (الاحتمال 100٪ ، طاقة اضمحلال 5.593 MeV):

تبلغ طاقة جسيمات a المنبعثة 5.450 ميجا بايت (في 2 "0.9"٪ من الحالات ؛ و 5.499 ميجا بايت (. في 70.91٪ من الحالات) ، واحتمال الانشطار التلقائي هو 1.9-7٪ من الحالات.

في اضمحلال a 2 3 8 Pu ، يتم إطلاق 5.5 MeV من الطاقة. في مصدر للكهرباء يحتوي على كيلوغرام واحد من 2-3 8 Pu ، تتطور طاقة حرارية تبلغ ~ 560 واط. الطاقة القصوى لمصدر تيار كيميائي له نفس الكتلة هي 5 واط. هناك عدد غير قليل من بواعث ذات خصائص طاقة متشابهة ، ولكن إحدى سمات 2sPu تجعل هذا النظير لا غنى عنه. عادة ما يكون التسوس مصحوبًا بإشعاع y قوي. 2 من 8 ري استثناء. طاقة الكميات y المصاحبة لانحلال نواتها منخفضة. إن احتمال الانشطار النووي التلقائي لهذا النظير ضئيل أيضًا. يستخدم 288 Ru لتصنيع البطاريات الذرية الكهربائية ومصادر النيوترونات ، كمصادر طاقة لأجهزة تنظيم ضربات القلب ، لتوليد الطاقة الحرارية في المركبات الفضائية ، كجزء من أجهزة كشف الدخان بالنظائر المشعة ، إلخ.

البلوتونيوم -239 ، 71/2 = 2.44-th 4 سنوات ، a-decay 100٪ ، إجمالي طاقة الاضمحلال 5.867 MeV ، ينبعث جزيئات a مع طاقات 5.15 (69٪) ، 5.453 (24٪) و 5.351 (0 ، 15٪) ) والإشعاع y الضعيف ، المقطع العرضي لالتقاط النيوترون الحراري st = 271-barn. نشاط محدد 2.33109 بيكريل / غرام. معدل التقسيم التلقائي لـ 36 حالة / جم / ساعة يتوافق مع 7 "أقسام = 5.5-10 * 5 سنوات. 1 كجم 2 39Pu ما يعادل 2.2-107 كيلوواط / ساعة من الطاقة الحرارية. إن انفجار كيلوغرام واحد من البلوتونيوم يعادل انفجار 20 ألف طن من مادة تي إن تي. النظير الوحيد للبلوتونيوم المستخدم في الأسلحة الذرية. 2 39Pu عضو في عائلة 2P + 3- منتج اضمحلاله هو 2 35U. هذا النظير قابل للانشطار تحت تأثير النيوترونات الحرارية ويستخدم في المفاعلات النووية باعتباره gosho. 2 39Ri يتم الحصول عليها في اتفاقيات yalepny وفقًا لـ Peakpiya:

المقطع العرضي لرد الفعل -455 حظيرة. * يتم تشكيل 39Pu أيضًا عندما

قصف اليورانيوم بالديوترونات بطاقات تزيد عن 8 ميغا إلكترون فولت حسب التفاعلات النووية:

وكذلك أثناء قصف اليورانيوم بأيونات الهليوم بطاقة 40 ميغا إلكترون فولت
الانشطار العفوي ، الاحتمال 1.36-10 * 7٪.

يعتبر فصل البلوتونيوم عن اليورانيوم بالطرق الكيميائية أبسط نسبيًا من فصل نظائر اليورانيوم. ونتيجة لذلك ، فإن تكلفة البلوتونيوم أقل بعدة مرات من تكلفة 2 أوقية. عندما يتم تقسيم نواة 2 39Pu بواسطة النيوترونات إلى جزأين متساويتين الكتلة تقريبًا ، يتم إطلاق حوالي 200 ميغا إلكترون فولت من الطاقة. قادرة على الحفاظ على تفاعل سلسلة الانشطار. يشير نصف العمر القصير نسبيًا لـ 2 39Pu (مقارنة بـ nU) إلى إطلاق كبير للطاقة أثناء التحلل الإشعاعي. 2 39Rz ينتج 1.92 واط / كجم. كتلة معزولة جيدًا من البلوتونيوم تسخن حتى أكثر من 100 درجة مئوية في ساعتين وقريبًا إلى نقطة الانتقال a-p ، مما يمثل مشكلة لتصميم السلاح بسبب تغيرات الحجم أثناء انتقالات طور البلوتونيوم. نشاط محدد 2 39Pu 2.28-12 بيكريل / ز. 239Pu قابل للانشطار بسهولة بواسطة النيوترونات الحرارية. عندما يتحلل النظير الانشطاري 239 Pu ، يعطي طاقة حرارية تعادل 25.000.000 كيلو واط / كجم. في 2 39Pu ، المقطع العرضي للانشطار بالنيوترونات البطيئة هو 748 حظيرة ، والمقطع العرضي للالتقاط الإشعاعي هو 315 حظيرة. يحتوي 2 39Pu على مقاطع عرضية للامتصاص والانتثار أكبر من اليورانيوم وعدد أكبر من النيوترونات أثناء الانشطار (3.03 نيوترون لكل حدث انشطار مقارنة بـ 2.47 لـ 2 zzi) ، وبالتالي كتلة حرجة أقل. نقي 2 39Pu لديه متوسط ​​انبعاث نيوتروني من الانشطار التلقائي -30 نيوترون / ثانية-كجم (-10 انشقاقات / ثانية).

البلوتونيوم -240 ، 71/2 = 6564 لترًا ، تسوس أ ، نشاط محدد 8.51-109 بيكريل / جم. معدل الانشطار التلقائي 1.6-6 حالات / جم / ساعة ، Ti / 2 = i ، 2-io ش ل. يحتوي 24 ° Pu على مقطع عرضي للنيوترونات أصغر بثلاث مرات من 239Pu وفي معظم الحالات يتحول إلى 24 * Pu.

24op ويتكون أثناء اضمحلال بعض النويدات المشعة:

طاقة الاضمحلال 5.255 ميغا إلكترون فولت ، جسيمات أ ذات الطاقات 5.168 (72.8٪) ، 5.123 (27.10٪) إلكترون فولت ؛

الانشطار العفوي ، الاحتمال 5.7-6.

في وقود اليورانيوم ، يزداد محتوى nPu أثناء تشغيل المفاعل. في الوقود المستهلك للمفاعل النووي ، -70٪ * s9Pu و 26٪ 2 4 ° Pu ، مما يجعل من الصعب تصنيع أسلحة نووية ، لذلك يتم الحصول على البلوتونيوم المستخدم في صنع الأسلحة في مفاعلات مصممة خصيصًا عن طريق معالجة اليورانيوم بعد عدة عشرات من الأيام من التشعيع. * 4 ° Pu هو النظير الرئيسي الملوث للأسلحة من الدرجة 239Pu. مستوى محتواها مهم بسبب شدة الانشطار العفوي - 415000 انشطار / ثانية لكل كيلوغرام ، 1000 نيوترون / ثانية لكل كيلوغرام ، حيث ينتج كل انشطار 2.26 نيوترون - 30000 مرة أكثر من الكتلة المتساوية 2339Pu . ينتج عن وجود 1٪ فقط من هذا النظير عددًا كبيرًا من النيوترونات بحيث لا يعمل مخطط شحن المدفع - سيبدأ البدء المبكر للانفجار وسيتم تفريق الشحنة قبل انفجار الجزء الأكبر من المتفجرات. مخطط المدفع ممكن فقط بنسبة 10٪ من محتوى * 39Pu ، وهو أمر مستحيل عمليًا. لذلك ، يتم تجميع قنابل البلوتونيوم وفقًا لمخطط الانفجار الداخلي ، والذي يسمح باستخدام البلوتونيوم الملوث بشدة بالنظير بو. في البلوتونيوم المستخدم في صنع الأسلحة ، المحتوى هو 2 4 درجة مئوية

نظرًا للنشاط المحدد الأعلى (1/4 من 2 39Pu) ، يكون ناتج الحرارة أعلى ، 7.1 واط / كجم ، مما يؤدي إلى تفاقم مشكلة السخونة الزائدة. نشاط محدد IgPu 8.4109 بيكريل / ز. محتوى IgPu في بلوتونيوم يستخدم في صناعة الأسلحة (0.7٪) ، في بلوتونيوم المفاعل (> 19٪). إن وجود 24 ° Pu في وقود المفاعلات الحرارية أمر غير مرغوب فيه ، ولكن هذا النظير يعمل كوقود في المفاعلات السريعة.

البلوتونيوم 241 ، Г ، / 2 = 14 لتر ، المنتج الفرعي 241 أمبير ، p- (99٪ ، рmax = 0.014 MeV) ، a (1٪ ، خطان: 4.893 (75٪) و 4.848 (25٪) MeV ) وباعث y ، نشاط محدد ^ Pu 3.92-12 Ci / g. يتم الحصول عليها عن طريق تشعيع البلوتونيوم بقوة بالنيوترونات ، وكذلك في السيكلوترون بالتفاعل 2 3 8 U (a، n) 241 Pu. هذا النظير قابل للانشطار بواسطة النيوترونات من أي طاقة (المقطع العرضي لامتصاص النيوترون لـ ^ 'Pu هو 1/3 أكبر من ذلك بالنسبة لـ ^ Pui ، المقطع العرضي للانشطار بالنيوترونات الحرارية حوالي 100 حظيرة ، واحتمال الانشطار عند الامتصاص من النيوترون هو 73٪) ، وله خلفية نيوترونية منخفضة وقوة حرارية معتدلة ، وبالتالي لا يؤثر بشكل مباشر على قابلية استخدام البلوتونيوم. يتحلل إلى 241 صباحًا ، والذي ينقسم بشكل سيئ للغاية ويولد الكثير من الحرارة: 6 واط / كجم. ^ "يحتوي Pu على مقطع عرضي انشطاري كبير على نيوترونات المفاعل (poo barn) ، مما يجعل من الممكن استخدامه كوقود. إذا كان السلاح يحتوي في البداية على 241 Pu ، فبعد بضع سنوات تنخفض تفاعله ، ويجب أن يؤخذ ذلك في الاعتبار لمنع انخفاض قوة الشحن وزيادة التسخين الذاتي. 24'Ri نفسها لا تصبح ساخنة جدًا (فقط 3.4 وات / كجم) على الرغم من نصف عمرها القصير جدًا بسبب ضعف إشعاع P. عندما يتم امتصاص نيوترون من قبل 24 * نواة Pu ، إذا لم ينقسم ، فإنه يمر إلى 242 Pu. 241 Ri هو المصدر الرئيسي للحصول على ^ 'Ash.

البلوتونيوم 242 (^ / 2 = 373300 سنة) ،

البلوتونيوم 243 رقم / 2 = 4-956 ساعة) ، p "- (الطاقة 0.56 MeV) وباعث y (عدة خطوط في النطاق 0.09-e-o.16 MeV) المقطع العرضي للتفاعل 242 Pu (n ، y ) 243 Pu على نيوترونات بطيئة 10 حظيرة تشكلت في اضمحلال p لـ ^ 3Pu 24 sAs ، ويمكن الحصول عليها عن طريق التشعيع بالنيوترونات 2 4 2 Pu. نظرًا لعمرها النصفي القصير ، فهي موجودة في وقود المفاعل المشع بكميات ضئيلة.

البلوتونيوم 244 (Ti / 2 = 8 ، o * io 7 سنوات) ، باعث ، ه أ = 4.6 MeV ، قادر على الانشطار التلقائي ، نشاط محدد 6.66-105 Bq / g ، مقطع عرضي لالتقاط النيوترون الحراري 0 = 19 حظيرة. إنه ليس فقط نظير البلوتونيوم الأطول عمراً ، ولكنه أيضًا الأطول عمراً من بين جميع نظائر عناصر ما بعد اليورانيوم. نشاط محدد 2

حتى نظائر البلوتونيوم الأثقل تخضع لانحلال p وتتراوح أعمارها من بضعة أيام إلى بضعة أعشار من الثانية. تتشكل جميع نظائر البلوتونيوم ، حتى 257Pu ، في انفجارات نووية حرارية. لكن عمرها لا يتجاوز أعشار من الثانية ، والعديد من نظائر البلوتونيوم قصيرة العمر لم تتم دراستها بعد.

البلوتونيوم معدن ثقيل للغاية ، أبيض فضي يلمع مثل النيكل عند تكريره حديثًا. الكتلة الذرية 244.0642 صباحًا. (جم / مول) ، نصف القطر الذري 151 م ، طاقة التأين (الإلكترون الأول) 491.9 (5.10) كيلوجول / مول (eV) ، التكوين الإلكتروني 5f 6 7s 2. نصف قطر الأيونات: (+ 4 هـ) 93 ، (+ 3 هـ) 108 م ، الكهربية (وفقًا لبولينج) 1.28 ، T P l \ u003d 639.5 ° ، G K ip \ u003d 3235 ° ، كثافة البلوتونيوم 19.84 (مرحلة) ، حرارة تبخر البلوتونيوم 80.46 كيلو كالوري / مول. ضغط بخار البلوتونيوم أعلى بكثير من ضغط بخار اليورانيوم (300 مرة عند 1540 0). يمكن تجريد البلوتونيوم من اليورانيوم المصهور. ستة تعديلات متآصلة من البلوتونيوم المعدني معروفة. في درجات الحرارة

في ظل الظروف المعملية ، يمكن الحصول على البلوتونيوم المعدني عن طريق اختزال هاليدات البلوتونيوم مع الليثيوم أو الكالسيوم أو الباريوم أو المغنيسيوم عند 1200 درجة:

يتم الحصول على البلوتونيوم المعدني أيضًا عن طريق الاختزال في طور البخار عند 1300 0 من بلوتونيوم ثلاثي فلوريد عن طريق سيليكات الكالسيوم وفقًا للتفاعل

أو التحلل الحراري لهاليدات البلوتونيوم في الفراغ.

يحتوي البلوتونيوم على العديد من الخصائص المحددة. لديها أقل الموصلية الحرارية لجميع المعادن ، وأقل الموصلية الكهربائية ، باستثناء المنغنيز. في مرحلته السائلة ، فهو أكثر المعادن لزوجة. عندما تتغير درجة الحرارة ، يخضع البلوتونيوم لأقوى وأقوى تغيرات غير طبيعية في الكثافة.

يحتوي البلوتونيوم على ست مراحل متميزة (الهياكل البلورية) في شكل صلب (الجدول 3) ، أكثر من أي عنصر آخر. بعض التحولات بين المراحل مصحوبة بتغييرات كبيرة في الحجم. في مرحلتين من هاتين المرحلتين - دلتا ودلتا برايم - يتمتع البلوتونيوم بخاصية فريدة للتقلص مع زيادة درجة الحرارة ، وفي البقية يكون له معامل تمدد حراري كبير للغاية. عند الذوبان ، يتقلص البلوتونيوم ، مما يسمح للبلوتونيوم غير المذاب بالطفو. في أكثر أشكاله كثافة ، الطور a ، البلوتونيوم هو العنصر السادس الأكثر كثافة (فقط الأوزميوم والإيريديوم والبلاتين والرينيوم والنبتونيوم أثقل منه). في المرحلة a ، يكون البلوتونيوم النقي هشًا. من المعروف عدد كبير من السبائك والمركبات المعدنية من البلوتونيوم مع Al ، Be ، Co ، Fe ، Mg ، Ni ، Ag. مركب PuBe، 3 هو مصدر للنيوترونات بكثافة 6.7 * 107 نيوترون / كربون.

أرز. 5.

بسبب نشاطه الإشعاعي ، فإن البلوتونيوم دافئ عند اللمس. يتم تسخين قطعة كبيرة من البلوتونيوم في غلاف معزول حرارياً إلى درجة حرارة تتجاوز درجة غليان الماء. والبلوتونيوم المطحون ناعماً هو بيورومورفيك ؛ وعند درجة 300 0 يشتعل تلقائياً. يتفاعل مع الهالوجينات وهاليدات الهيدروجين ، مكونًا هاليدات ، مع هيدروجين - هيدريد ، مع كربيد كربيد ، يتفاعل مع النيتروجين عند درجة حرارة 250 0 لتكوين نيتريد ، ويشكل أيضًا نيتريدًا تحت تأثير الأمونيا. يعيد ثاني أكسيد الكربون إلى ثاني أكسيد الكربون أو الكربون ، وبالتالي يشكل كربيدًا. يتفاعل مع مركبات الكبريت الغازية. يذوب البلوتونيوم بسهولة في هيدروكلوريك ، و 85٪ فوسفوريك ، و hydroiodic ، و perchloric ، وأحماض كلوروأسيتيك مركزة. يعمل H2SO4 المخفف على إذابة البلوتونيوم ببطء ، بينما يعمل H2SO4 المركّز و HN0 3 على تثبيطه ولا يتفاعل معه. القلويات ليس لها تأثير على البلوتونيوم المعدني. تتحلل أملاح البلوتونيوم بسهولة عند التلامس مع المحاليل المحايدة أو القلوية ، مما ينتج عنه هيدروكسيد البلوتونيوم غير القابل للذوبان. محاليل البلوتونيوم المركزة غير مستقرة بسبب التحلل الإشعاعي الذي يؤدي إلى الترسيب.

فاتورة غير مدفوعة. 3. الكثافة ودرجة الحرارة لمراحل البلوتونيوم:

التكافؤ الرئيسي للبلوتونيوم هو 4+. إنه عنصر كهربي ، تفاعلي (عند 0.2 فولت) ، أكثر بكثير من اليورانيوم. يتلاشى بسرعة ، ويشكل فيلمًا قزحي الألوان ، أصفر فاتح في البداية ، ثم يتحول في النهاية إلى اللون الأرجواني الداكن. إذا كانت الأكسدة سريعة إلى حد ما ، يظهر مسحوق أكسيد أخضر زيتوني (PuO 2) على سطحه.

يتأكسد البلوتونيوم بسهولة ويتآكل بسرعة حتى في حالة وجود رطوبة طفيفة. يصدأ بسرعة أكبر في جو غاز خامل مع بخار الماء منه في الهواء الجاف أو الأكسجين النقي. عندما يتم تسخين البلوتونيوم في وجود الهيدروجين والكربون والنيتروجين والأكسجين والفوسفور والزرنيخ والفلور والسيليكون والتيلوريوم ، فإنه يشكل مركبات صلبة غير قابلة للذوبان مع هذه العناصر.

من أكاسيد البلوتونيوم ، البلوتونيوم 2 0 3 والبلوتونيوم 0 2 معروفان.

ثاني أكسيد البلوتونيوم Pu0 2 - مسحوق أخضر زيتوني ، بلورات سوداء لامعة أو كرات من البني الأحمر إلى الأصفر الكهرماني. هيكل بلوري من نوع الفلوريت (Pu- * + يشكل تزامنًا مكعبًا محوره الوجه ، و O 2- رباعي السطوح). الكثافة 11.46 ، Gpl = 2400 درجة. يتكون من جميع أملاح البلوتونيوم (على سبيل المثال ، أكسالات ، بيروكسيد) عند تسخينه في الهواء أو في جو من 0 2 ، عند درجات حرارة 700-1000 0 ، بغض النظر عن درجة أكسدة البلوتونيوم في هذه الأملاح. على سبيل المثال ، يمكن الحصول عليها عن طريق تكليس Pu (IV) oxalate hexahydrate Pu (C 2 0 4) 2 -6H 2 0 (يتكون أثناء معالجة الوقود النووي المستهلك):

Pu0 2 ، منتصف النهار في درجات حرارة منخفضة ، يذوب بسهولة في أحماض النيتريك والهيدروكلوريك المركزة. من ناحية أخرى ، فإن PuO 2 المكلس بالكاد قابل للذوبان ويمكن نقله إلى محلول فقط كنتيجة لمعاملة خاصة. إنه غير قابل للذوبان في الماء والمذيبات العضوية. يتفاعل ببطء مع خليط ساخن من HN0 3 المركز مع HF. يستخدم هذا المركب المستقر كشكل وزن في تحديد البلوتونيوم. كما أنها تستخدم لإعداد الوقود في الطاقة النووية.

يتم الحصول على البلوتونيوم المتفاعل بشكل خاص ، ولكنه يحتوي على كميات صغيرة من الأكسالات ، عن طريق تحلل البلوتونيوم (C 2 0 4) 2 -6H 2 0 عند 130-300 درجة.

هيدريد Р11Н3تم الحصول عليها من العناصر عند 150-5-200 درجة.

يشكل البلوتونيوم هاليدات وأوكسي هاليدات ، ومبيدات غازات PuSi 2 و sesquisulfide PuSi ، 33 ^ b5 ، والتي تعتبر ذات أهمية بسبب انخفاض انصهارها ، وكذلك الكربيدات من مختلف العناصر المتكافئة: من PuC إلى Pu 2 C 3. RiS - بلورات سوداء ، G 11L = 1664 0. جنبا إلى جنب مع جامعة كاليفورنيا يمكن استخدامه كوقود للمفاعلات النووية.

نيتريد البلوتونيوم ، PuN - بلورات رمادية (إلى سوداء) مع شبكة مكعبة مركزية الوجه من نوع NaCl (0 = 0.4905 نانومتر ، ض = 4 ، مجموعة فضاء Ртзт ؛ تزداد المعلمة الشبكية بمرور الوقت تحت تأثير أ- إشعاع)؛ T pl. = 2589 ° (مع التحلل) ؛ كثافة 14350 كجم / م 3. لديها موصلية حرارية عالية. عند درجة حرارة عالية (~ 1 درجة مئوية) يكون متطايرًا (مع التحلل). يتم الحصول عليها عن طريق تفاعل البلوتونيوم مع النيتروجين عند 6 درجات مئوية أو بمزيج من الهيدروجين والأمونيا (ضغط 4 كيلو باسكال). يتأكسد مسحوق البلوتونيوم PuN في الهواء عند درجة حرارة الغرفة ، ويتحول تمامًا إلى PuO 2 بعد 3 أيام ، ويتأكسد البلوتونيوم الكثيف ببطء (0.3٪ في 30 يومًا). يتحلل ببطء بالماء البارد وبسرعة عن طريق التسخين ، وتشكيل PuO 2 ؛ قابل للذوبان في أحماض الهيدروكلوريك والكبريتيك المخففة لتكوين أملاح البلوتونيوم (III) المقابلة ؛ وفقًا لقوة التأثير على نيتريد البلوتونيوم ، يمكن ترتيب الأحماض في السلسلة HN0 3> HC1> H 3 P0 4 >> H 2 S04> HF. يمكن استخدامه كوقود مفاعل.

هناك العديد من فلوريدات البلوتونيوم: PuF 3 ، PuF 4 ، PuF6.

بلوتونيوم رباعي فلوريد PuF 4 - مادة وردية أو بلورات بنية اللون ، نظام أحادي الميل. متماثل مع Zr و Hf و Th و U و Np و Ce رباعي فلوريد. G pl \ u003d 1037 0، G k، "1 \ u003d 1277 °. إنه ضعيف الذوبان في الماء والمذيبات العضوية ، ولكنه قابل للذوبان بسهولة في المحاليل المائية في وجود أملاح أو أيونات Ce (IV) ، Fe (III) ، Al (III) التي تشكل مجمعات ثابتة مع أيونات الفلور. يتم الحصول على راسب وردي من PuF4 - 2.5H 2 0 عن طريق ترسيب حمض الهيدروفلوريك من المحاليل المائية لأملاح البلوتونيوم (III). يجف هذا المركب عند تسخينه حتى 350 متر في تيار HF.

يتكون PuF 4 من عمل فلوريد الهيدروجين على ثاني أكسيد البلوتونيوم في وجود الأكسجين عند 550 درجة وفقًا للتفاعل:

PuF 4 ويمكن أيضًا الحصول عليه عن طريق معالجة البلوتونيوم 3 بالفلور عند 300 0 أو بتسخين أملاح البلوتونيوم (III) أو البلوتونيوم (IV) وتيار فلوريد الهيدروجين. من المحاليل المائية لـ Pu (IV) PuF 4 يترسب بواسطة حمض الهيدروفلوريك على شكل راسب وردي من التركيبة 2PuF 4 H 2 0. يتراسب PuF 4 بالكامل تقريبًا مع LaF 3. عند تسخينه في الهواء إلى 400 0 PuF 4 يتحول إلى Pu0 2.

سداسي فلوريد البلوتونيوم ، PuFe - بلورات متطايرة في درجة حرارة الغرفة ، بني مصفر (عند درجات حرارة منخفضة - عديم اللون) بنية معينية ، Gpl \ u003d 52 ° ، T knp \ u003d b2 °عند الضغط الجوي ، الكثافة 5060 كجم / مول ، حرارة التسامي 12.1 كيلو كالوري / مول ، حرارة التبخر = 7.4 كيلو كالوري مول * 1 ، حرارة الانصهار = 4.71 كيلو كالوري / مول ، معرضة جدًا للتآكل وحساسة للانحلال الذاتي. PuFe هو سائل منخفض الغليان وأقل استقرارًا من الناحية الحرارية وأقل تطايرًا من سادس فلوريد اليورانيوم. أبخرة PuFe ملونة مثل NO 2 ، السائل له لون بني غامق. عامل مفلور قوي وعامل مؤكسد ؛ يتفاعل بعنف مع الماء. حساسة للغاية للرطوبة ؛ مع H 2 0 في ضوء النهار يمكن أن تتفاعل بقوة شديدة مع وميض لتشكيل Pu0 2 و PuF 4. يتكثف PuFe عند -195 0 على الجليد ، عند تسخينه ، يتحلل ببطء إلى Pu0 2 فو. يتحلل المضغوط PuFe تلقائيًا بسبب إشعاع البلوتونيوم.

يتم الحصول على سادس فلوريد اليورانيوم عن طريق معالجة PuF4 أو Pu0 2 بالفلور عند 6004-700 درجة.

تعد فلورة PuF 4 بالفلور عند 7004-800 درجة سريعة جدًا وهي تفاعل طارد للحرارة. تتم إزالة PuF6 الناتج بسرعة من المنطقة الساخنة لتجنب التحلل - يتم تجميده أو يتم توليفه في تدفق الفلور ، مما يزيل المنتج بسرعة من حجم التفاعل.

يمكن أيضا PuFa الحصول على payakpies:

توجد نترات Pu (III) و Pu (IV) و Pu (VII): Pu (N0 3) 3 و Pu (N0 3) 4 و Pu0 2 (N0 3) 2 على التوالي.

نترات البلوتونيوم ،يتم الحصول على Pu (N0 3) 4 * 5H 2 0 عن طريق التبخر البطيء (على مدى عدة أشهر) لمحلول Pu (IV) حمض النيتريك المركز في درجة حرارة الغرفة. دعونا نذوب جيدًا في HN0 3 والماء (محلول حمض النيتريك ذو اللون الأخضر الداكن واللون البني). قابل للذوبان في الأسيتون والأثير وفوسفات ثلاثي بوتيل. تصدر محاليل نترات البلوتونيوم ونترات الفلزات القلوية في حمض النيتريك المركز أثناء التبخر نترات مزدوجة Me 2 [Pu (N0 3) b] ، حيث Me + \ u003d Cs +، Rb +، K +، Th +، C 9 H 7 NH +، C 5 H 5 NH +، NH 4 +.

أوكسالات البلوتونيوم (IV) ، Pu (C 2 0 4) 2 -6H 2 0 ، عبارة عن مسحوق رملي (أحيانًا أصفر-أخضر). متماثل مع U (C 2 0 4) -6H 2 0. سداسي هيدرات أكسالات البلوتونيوم ضعيف الذوبان في الأحماض المعدنية وقابل للذوبان في محاليل الأمونيوم أو أكسالات المعادن القلوية والكربونات لتشكيل مركبات معقدة. تم ترسيبه بواسطة حمض الأكساليك من محاليل حمض النيتريك (i.5 * 4.5M HNO.0) من Pu (IV):

يجف عند تسخينه في الهواء إلى 10 درجات ، فوق 400 0 يتحلل:

في المركبات ، يُظهر البلوتونيوم حالات أكسدة من +2 إلى +7. في المحاليل المائية ، تشكل الأيونات المقابلة لحالات الأكسدة من +3 إلى +7. في هذه الحالة ، يمكن أن تكون أيونات جميع حالات الأكسدة ، باستثناء Pu (VII) ، في محلول في نفس الوقت في حالة توازن. تخضع أيونات البلوتونيوم في المحلول للتحلل المائي وتشكل مركبات معقدة بسهولة. تزداد القدرة على تكوين مركبات معقدة في سلسلة Pu5 +

تعتبر أيونات Pu (IV) الأكثر استقرارًا في المحلول. Pu (V) غير متناسب إلى Pu (lV) و Pu (Vl). حالة التكافؤ Pu (VI) هي سمة من سمات المحاليل المائية المؤكسدة بشدة وتتوافق مع أيون البلوتونيل Pu0 2 2+. توجد أيونات البلوتونيوم ذات الشحنات 3+ و 4+ في المحاليل المائية في غياب التحلل المائي والتكوين المعقد في شكل كاتيونات شديدة الترطيب. Pu (V) و Pu (VI) في المحاليل الحمضية عبارة عن كاتيونات تحتوي على الأكسجين من النوعين 0 2 + و М0 2 2+.

تتوافق حالات أكسدة البلوتونيوم (III و IV و V و VI) مع الحالات الأيونية التالية في المحاليل الحمضية: Pu 3+ و Pu4 + و Pu0 2 2+ و Pu0 5 3 في أيونات البلوتونيوم المتوازنة بدرجات مختلفة من الأكسدة. بالإضافة إلى ذلك ، لوحظ عدم تناسق بين Pu (IV) و Pu (V):

يزيد معدل عدم التناسب مع زيادة تركيز البلوتونيوم ودرجة الحرارة.

حلول Reese + لها لون أزرق بنفسجي. من حيث خصائصه ، فإن Rcz + قريبة من REE. هيدروكسيده وفلوريده وفوسفاته وأكسالاته غير قابلة للذوبان. Pu (IV) هو أكثر حالات البلوتونيوم استقرارًا في المحاليل المائية. Pu (IV) عرضة للتكوين المعقد مع أحماض النيتريك والكبريتيك والهيدروكلوريك والأسيتيك وغيرها. لذلك ، في حمض النيتريك المركز ، يتشكل مركب Pu (IV) من Pu (N0 3) 5- و Pu (L) 3) b 2 ". في المحاليل المائية ، يتحلل Pu (IV) بسهولة. هيدروكسيد البلوتونيوم (الأخضر) عرضة إلى البلمرة. فلوريد غير قابل للذوبان ، هيدروكسيد ، أكسالات ، Pu (IV) يودات Pu (IV) تترسب بشكل جيد مع هيدروكسيدات غير قابلة للذوبان ، فلوريد اللانثانم ، Zr ، Th ، Ce iodates ، Zr و Bi phosphates ، Th ، U (IV) ، Bi ، La oxalates. يتكون Pu (IV) من فلوريد مزدوج وكبريتات مع Na و K و Rb و Cs و NH 4 +. . من البلوتونيوم (VI) ذي الأهمية يوجد بلوتونيل أسيتات الصوديوم NaPu0 2 (C 2 H 3 0 2) 3 وأسيتات بلوتونيل الأمونيوم NH 4 Pu0 2 (C 2 H 3 0 2) ، والتي تتشابه هيكليًا مع U ، Np ، وفي المجمعات.

إمكانات الأكسدة الرسمية للبلوتونيوم (في V) في محلول lM من HC10 4:

يتناقص استقرار المركب المتكون مع هذا الأنيون لأيونات الأكتينيد بالترتيب التالي: М4 +> 0 2+> 3 +> М0 2 2+> 0 2 + من أجل تقليل الجهد الأيوني. تقل قدرة الأنيونات على التكوين المعقد مع أيونات الأكتينيد للأنيونات المشحونة منفردة - فلوريد> نترات> كلوريد> فوق كلورات ؛ لكربونات الأنيونات المشحونة بشكل مضاعف> أكسالات> كبريتات. يتكون عدد كبير من الأيونات المعقدة بمواد عضوية.

يتم استخلاص كل من Pu (IV) و Pu (VI) جيدًا من المحاليل الحمضية باستخدام ethyl ether و TBP و diisopropyl ketone وما إلى ذلك. يتم استخلاص المجمعات التي تشبه الكماشة جيدًا باستخدام المذيبات العضوية غير القطبية ، على سبيل المثال ، باستخدام a-thenoyltrifluoroacetone ، p -ديكتون ، كوبفيرون. يتيح استخراج مجمعات Pu (IV) مع α-thenoyltrifluoroacetone (TTA) إمكانية تنقية البلوتونيوم من معظم الشوائب ، بما في ذلك الأكتينيد والعناصر الأرضية النادرة.

المحاليل المائية لأيونات البلوتونيوم في حالات مختلفة لها الألوان التالية: Pu (III) ، مثل Pcz + (أزرق أو أرجواني شاحب) ؛ Pu (IV) مثل Pc4 * (أصفر-بني) ؛ Pu (VI) مثل PuO 2 2+ (وردي-برتقالي). Pu (V) ، مثل Pu0 2 + ، يكون لونه ورديًا في البداية ، ولكنه غير مستقر في المحلول ، وهذا الأيون غير متناسب مع Pu 4+ و Pu0 2 2+ ؛ ثم يتأكسد البلوتونيوم 4+ من Pu0 2 + إلى Pu0 2 2+ ويختزل إلى Pu 3+. وهكذا ، بمرور الوقت ، يكون المحلول المائي للبلوتونيوم عبارة عن خليط من Pc3 + و PuO 2 2+. Pu (VII) مثل Pu0 5 2 - (أزرق غامق).

للكشف عن البلوتونيوم ، يتم استخدام طريقة القياس الإشعاعي ، بناءً على قياس إشعاع البلوتونيوم وطاقته. تتميز هذه الطريقة بحساسية عالية إلى حد ما: فهي تسمح يكتشف 0.0001 ميكروغرام 2 39 بي. إذا كانت هناك بواعث أخرى في العينة التي تم تحليلها ، فيمكن تحديد البلوتونيوم عن طريق قياس طاقة جسيمات a باستخدام مقياس الطيف.

يستخدم عدد من الطرق الكيميائية والفيزيائية الكيميائية للتقدير النوعي للبلوتونيوم الاختلاف في خصائص أشكال التكافؤ للبلوتونيوم. يمكن اكتشاف أيون Pu (III) في المحاليل المائية المركزة إلى حد ما من خلال لونه الأزرق الساطع ، والذي يختلف بشكل حاد عن اللون الأصفر والبني للمحاليل المائية التي تحتوي على أيونات Pu (IV).

أطياف امتصاص الضوء لمحاليل أملاح البلوتونيوم في حالات الأكسدة المختلفة لها نطاقات امتصاص محددة وضيقة ، مما يجعل من الممكن تحديد أشكال التكافؤ واكتشاف أحدها في وجود الآخرين. تكمن أقصى درجات امتصاص الضوء المميزة لـ Pu (III) في منطقة 600 و 900 mk ، Pu (IV) - 480 و 66o mk ، Pu (V) - 569 mk و Pu (VI) 830 + 835 mk.

على الرغم من أن البلوتونيوم سام كيميائيًا ، مثل أي معدن ثقيل ، إلا أن هذا التأثير ضعيف مقارنة بسميته الإشعاعية. تظهر الخصائص السامة للبلوتونيوم كنتيجة للنشاط الإشعاعي.

بالنسبة لـ 2 s 8 Pu ، 2 39Pu ، 24op U) 242p u> 244Pu مجموعة مخاطر الإشعاع A ، MZA = 3.7-yuz Bk ؛ لـ 2 4 Pu و 2 43 Pu مجموعة مخاطر الإشعاع B ، MZA = 3.7-104 Bq. إذا كانت السمية الإشعاعية 2 ثانية "وتم أخذها كواحدة ، فإن نفس مؤشر البلوتونيوم وبعض العناصر الأخرى يشكل سلسلة: 235U 1.6 - 2 39Pu 5.0 - 2 4 1 Ash 3.2 - 9 "Sr 4.8 - ^ Ra 3.0. يمكن ملاحظة أن البلوتونيوم ليس أخطر أنواع النويدات المشعة.

دعونا نتحدث بإيجاز عن الإنتاج الصناعي للبلوتونيوم.

يتم إنتاج نظائر البلوتونيوم في مفاعلات اليورانيوم القوية التي تعمل على نيوترونات بطيئة وفقًا للتفاعل (n ، y) وفي مفاعلات التوليد التي تعمل على النيوترونات السريعة. يتم إنتاج نظائر البلوتونيوم أيضًا في مفاعلات الطاقة. بحلول نهاية القرن العشرين ، تم إنتاج ما مجموعه -1300 طن من البلوتونيوم في العالم ، منها حوالي 300 طن للاستخدام في الأسلحة ، والباقي كان منتجًا ثانويًا لمحطات الطاقة النووية (المفاعل البلوتونيوم).

يختلف البلوتونيوم المستخدم في الأسلحة عن البلوتونيوم المستخدم في المفاعل ليس بدرجة تخصيبه وتركيبه الكيميائي بقدر ما هو في التركيب النظيري ، والذي يعتمد بطريقة معقدة على وقت تشعيع اليورانيوم بالنيوترونات ووقت التخزين بعد ذلك. تشعيع. محتوى النظائر 24 درجة Pu و 24'Pu مهم بشكل خاص. على الرغم من أنه يمكن إنشاء القنبلة الذرية بأي محتوى من هذه النظائر في البلوتونيوم ، إلا أن وجود 2 4 "p u في 239r يحدد جودة السلاح ، منذ ذلك الحين. تعتمد الخلفية النيوترونية وظواهر مثل نمو الكتلة الحرجة والعائد الحراري عليها. تؤثر الخلفية النيوترونية على الجهاز المتفجر عن طريق الحد من الكتلة الكلية للبلوتونيوم والحاجة إلى تحقيق معدلات عالية من الانفجار الداخلي. لذلك ، كانت قنابل المخططات القديمة تتطلب محتوى منخفضًا من 24opu. لكن مشاريع التصميم "عالية" تستخدم البلوتونيوم بأي درجة نقاء. لذلك ، فإن مصطلح "البلوتونيوم المستخدم في صنع الأسلحة" ليس له أي معنى عسكري ؛ هذا معيار اقتصادي: تصميم قنبلة "عالية" أغلى بكثير من التصميم "المنخفض".

مع زيادة جزء 24op U) ، تنخفض تكلفة البلوتونيوم وتزداد الكتلة الحرجة. محتوى 7٪ 24 ° Pu يجعل التكلفة الإجمالية للبلوتونيوم في حدها الأدنى. متوسط ​​تكوين البلوتونيوم المستخدم في صنع الأسلحة: 93.4٪ 239 Pu ، 6.0٪

24 درجة Pu و 0.6٪ 241 Pu. الطاقة الحرارية لهذا البلوتونيوم 2.2 واط / كغ ، ومستوى الانشطار التلقائي 27100 انشطار / ثانية. يسمح هذا المستوى للسلاح باستخدام 4 كجم من البلوتونيوم مع احتمالية منخفضة للغاية للتنفيس المسبق في نظام جيد للانفجار الداخلي. بعد 20 عامًا ، سيتحول معظم الـ 24 ، Pu إلى ^ 'Am ، مما يزيد بشكل كبير من إطلاق الحرارة - ما يصل إلى 2.8 واط / كجم. نظرًا لأن 241 Pu قابل للانشطار تمامًا ، في حين أن 241 Am ليس كذلك ، فإن هذا سيقلل من هامش تفاعل البلوتونيوم. ينتج إشعاع النيوترون البالغ 5 كجم من البلوتونيوم المستخدم في صنع الأسلحة والذي يبلغ 300000 نيوترون / ثانية مستوى إشعاع قدره 0.003 راد / ساعة على مسافة 1 متر ، ويتم تقليل الخلفية بواسطة عاكس ومتفجرات تحيط بها بمعامل 10. ومع ذلك ، فإن الاتصال المطول لموظفي الخدمة بجهاز متفجر نووي أثناء صيانته يمكن أن يؤدي إلى جرعة إشعاعية تساوي الحد السنوي.

نظرًا للاختلاف الصغير في كتل 2 - "* 9 Pu و 24 ° Pu ، لا يتم فصل هذه النظائر بطرق التخصيب الصناعية. على الرغم من أنه يمكن فصلها على فاصل كهرومغناطيسي. ومع ذلك ، من الأسهل الحصول على أكثر نقاءً 2 zeRi عن طريق تقليل وقت المكوث في المفاعل * s * i لا يوجد سبب لتقليل محتوى 24 ° Pu إلى أقل من 6٪ ، لأن هذا التركيز لا يتداخل مع إنشاء محفزات فعالة للشحنات النووية الحرارية.

بالإضافة إلى البلوتونيوم المستخدم في صنع الأسلحة ، يوجد أيضًا البلوتونيوم المستخدم في المفاعلات. يتكون البلوتونيوم المستهلك من العديد من النظائر. يعتمد التركيب على نوع المفاعل وطريقة التشغيل. القيم النموذجية لمفاعل الماء الخفيف: 2 s 8 Pu - 2٪، 239Pu - 61٪، 24 ° Pll - 24٪، 24iPu - 10٪، 242Pll - 3٪. من الصعب صنع قنبلة من هذا البلوتونيوم (يكاد يكون من المستحيل على الإرهابيين) ، ولكن في البلدان ذات التكنولوجيا المتقدمة ، يمكن استخدام البلوتونيوم في المفاعلات لإنتاج شحنات نووية.

فاتورة غير مدفوعة. 4. توصيف أنواع البلوتونيوم.

يعتمد التركيب النظائري للبلوتونيوم المتراكم في المفاعل على درجة احتراق الوقود. من بين النظائر الخمسة الرئيسية المتكونة ، اثنان منها فردي ض- 2 39Pu و 24Pu انشطاريتان ، أي قادرة على الانشطار تحت تأثير النيوترونات الحرارية ، ويمكن استخدامها كوقود مفاعل. في حالة استخدام البلوتونيوم كوقود للمفاعل ، فإن كمية 2 39Pu و 241 Pu المتراكم مهمة. إذا أعيد استخدام البلوتونيوم المستعاد من الوقود المستهلك في مفاعلات نيوترونية سريعة ، يصبح تركيبه النظائري تدريجياً أقل قابلية للاستخدام في الأسلحة. بعد عدة دورات وقود ، فإن تراكم 2 s 8 Pu و # 2 4 Pu و ^ 2 Pu يجعله غير مناسب لهذا الغرض. يعتبر الخلط في مثل هذه المواد طريقة مناسبة "لتفسخ" البلوتونيوم ، مما يضمن عدم انتشار المواد الانشطارية.

يحتوي كل من البلوتونيوم المستخدم في صنع الأسلحة والمفاعل على بعض NPu. ^ يتحلل Pu إلى 24 'Am عن طريق انبعاث جسيم p. نظرًا لأن "الابنة 241 Am لها عمر نصف أطول بكثير (432 لترًا) من الأصل 241 Pu (14.4 لترًا) ، فإن مقدارها في الشحنة (أو في نفايات NFC) تزداد مع اضمحلال ^ 'Pu. γ- تشكل الإشعاع نتيجة لانحلال 241 أمبير ، فهو أقوى بكثير من 241 Pu ، وبالتالي فإنه يزداد أيضًا بمرور الوقت. يرتبط تركيز ®4phi وفترة تخزينه ارتباطًا مباشرًا بمستوى γ- الإشعاع الناتج عن زيادة محتوى الرماد 24 ". لا يمكن تخزين البلوتونيوم لفترة طويلة - بعد استخدامه ، يجب استخدامه ، وإلا فسيتعين إعادة تدويره مرة أخرى في عملية إعادة التدوير الشاقة والمكلفة .

فاتورة غير مدفوعة. 5. بعض خصائص البلوتونيوم المستخدم في صنع الأسلحة والمفاعلات

يتم الحصول على النظير 2 39Pu ، وهو الأهم من الناحية العملية ، في المفاعلات النووية أثناء التشعيع النيوتروني طويل المدى لليورانيوم الطبيعي أو المخصب:

لسوء الحظ ، تحدث تفاعلات نووية أخرى أيضًا ، مما يؤدي إلى ظهور نظائر بلوتونيوم أخرى: 2 - s8 Pu و a4op u و 24 Phi و 242 Pu ، والتي يتم فصلها عن 2 s9Pc ، على الرغم من أنها مهمة قابلة للحل ولكنها صعبة للغاية:

عندما يتم تشعيع اليورانيوم بنيوترونات المفاعل ، تتشكل فيه نظائر البلوتونيوم الخفيفة والثقيلة. دعونا نفكر أولاً في تكوين نظائر للبلوتونيوم بكتلة أقل من 239.

جزء صغير من النيوترونات المنبعثة أثناء الانشطار لديه طاقة كافية لإثارة التفاعل 2 3 8 U (n، 2n) 2 3؟ u. 237 U عبارة عن باعث p ومع T '، / 2 \ u003d 6.8 يومًا ، يتحول إلى 2 37Np طويل العمر. يتكون هذا النظير في مفاعل الجرافيت على اليورانيوم الطبيعي بكمية 0.1٪ من إجمالي كمية 239Pu المتكونة في وقت واحد. يؤدي التقاط النيوترونات البطيئة 2 3؟ Np إلى تكوين 2 3 8 Np. المقطع العرضي لهذا التفاعل هو 170 حظيرة. تبدو سلسلة التفاعلات كما يلي:

نظرًا لاستخدام نيوترونين هنا ، يكون الناتج متناسبًا مع مربع جرعة الإشعاع ونسبة كميات 238 Pu إلى 239Pu تتناسب مع نسبة 239Pu إلى 238U. تكوين 2 3 8 Pu في 2 39 Pu هو اضمحلال 242 St ، المتكون في مفاعلات اليورانيوم .2 3 8 Pu أيضًا من التفاعلات:

نظرًا لأن هذا تفاعل نيوتروني من الدرجة الثالثة ، فإن نسبة كمية 2 3 8 Pu المتكون بهذه الطريقة إلى 2 39 Pu تتناسب مع مربع النسبة * 3 9 Pu to 2 3 8 U. من التفاعلات تصبح أكثر أهمية نسبيًا عند العمل باليورانيوم المخصب في النيكل.

تركيز 2 3 8 Pu في عينة تحتوي على 5.6٪ 24 ° Pu هو 0.0115٪. تقدم هذه القيمة مساهمة كبيرة إلى حد ما في إجمالي نشاط المستحضرات ، منذ ^ Pu Ti / 2 = 86.4 لتر.

يرتبط وجود 2 3 6 Pu في البلوتونيوم المنتج في المفاعل بعدد من التفاعلات:

يبلغ محصول 2 3 6 Pu أثناء تشعيع اليورانيوم ~ 10-9-io "8٪.

من وجهة نظر تراكم البلوتونيوم في اليورانيوم ، ترتبط التحولات الرئيسية بتكوين نظير 2 39Pu. لكن التفاعلات الجانبية الأخرى مهمة أيضًا ، لأنها تحدد العائد ونقاء المنتج المستهدف. الوفرة النسبية للنظائر الثقيلة 240Pu ، NgPi ، 242Pu ، وكذلك 23pPu ، 237Np و NpAsh تعتمد على جرعة التشعيع النيوتروني لليورانيوم (زمن بقاء اليورانيوم في المفاعل). مقاطع التقاط النيوترون لنظائر البلوتونيوم هي كبيرة بما يكفي لإحداث تفاعلات متتالية (n ، y) حتى عند تركيزات منخفضة من 239Pu في اليورانيوم.

فاتورة غير مدفوعة. 6. التركيب النظائري للبلوتونيوم المعزول من البلوتونيوم المشع عروش اليورانيوم الطبيعي. _

يتحول الـ 241 Pu المتكون أثناء تشعيع اليورانيوم بالنيوترونات إلى 241 As ، والذي يتم تفريغه أثناء المعالجة الكيميائية التكنولوجية لكتل ​​اليورانيوم (ومع ذلك ، يتراكم 241 At تدريجياً مرة أخرى في البلوتونيوم المنقى). لذلك ، على سبيل المثال ، نشاط a من البلوتونيوم المعدني "- يحتوي على 7.5٪ 24 درجة مئوية من البلوتونيوم ، يزداد بنسبة 2٪ في السنة (بسبب تكوين 24 ، At). 24 ، يحتوي البلوتونيوم على مقطع عرضي كبير للانشطار في المفاعل النيوترونات ، وهي - براز الحظيرة ، وهو أمر مهم عند استخدام البلوتونيوم كوقود للمفاعلات.

إذا تعرض اليورانيوم أو البلوتونيوم لإشعاع نيوتروني قوي ، يبدأ تركيب الأكتينيدات الصغيرة:

يتكون من 2 4 * Pu 2 4 * Am ، يتفاعل بدوره مع النيوترونات ، مكونًا 2 s 8 Pu و 2 4 2 Pu:

تفتح هذه العملية إمكانية الحصول على مستحضرات البلوتونيوم بإشعاع y منخفض نسبيًا.

أرز. 6. تغير في نسبة نظائر البلوتونيوم أثناء التشعيع المطول بـ 2 s9P وتدفق نيوتروني 3 x 10 x 4 n / cm 2 s.

وهكذا ، فإن نظائر البلوتونيوم طويلة العمر - ^ Pu و 244Pu تتشكل خلال تشعيع طويل المدى (حوالي مائة يوم أو أكثر) باستخدام 239Pu نيوترون. في هذه الحالة ، يصل محصول 2 4 2 Pu إلى عدة عشرات بالمائة ، بينما كمية 2 44 Pu المتكونة هي كسور في المائة من ^ Pu. في الوقت نفسه ، يتم الحصول على Am و Cm و transplutonium الأخرى ، وكذلك عناصر التجزئة.

في إنتاج البلوتونيوم ، يتم تشعيع اليورانيوم (على شكل معدن) في مفاعل صناعي (حراري أو سريع) ، ومميزاته كثافة نيوترونية عالية ، ودرجة حرارة منخفضة ، وإمكانية التعرض للإشعاع لفترة أقصر بكثير من حملة المفاعل.

تتمثل المشكلة الرئيسية التي نشأت أثناء إنتاج البلوتونيوم المستخدم في صنع الأسلحة في المفاعل في اختيار الوقت الأمثل لتشعيع اليورانيوم. النقطة المهمة هي أن النظير 2 3 8 ، الذي يشكل الجزء الأكبر من اليورانيوم الطبيعي ، يلتقط النيوترونات ، مكونًا 23 9 Pu ، بينما 2 3 3 يدعم سلسلة تفاعل الانشطار. نظرًا لأن تكوين نظائر البلوتونيوم الثقيلة يتطلب التقاطًا إضافيًا للنيوترونات ، فإن عدد هذه النظائر في اليورانيوم ينمو بشكل أبطأ من عدد 239Pu. يحتوي اليورانيوم المشع في المفاعل لفترة قصيرة على كمية صغيرة من 239Pu ، لكنه أنقى من التعرض الطويل ، لأن النظائر الثقيلة الضارة لم يكن لديها وقت للتراكم. ومع ذلك ، فإن 2 39Pc نفسها عرضة للانشطار ، ومع زيادة تركيزها في المفاعل ، يزداد معدل تحويلها. لذلك ، يجب إزالة اليورانيوم من المفاعل بعد عدة أسابيع من بدء التشعيع.

أرز. 7- تراكم نظائر البلوتونيوم في المفاعل: l - ^ Pu؛ 2 - 240 Pu (في أوقات قصيرة ، يتكون البلوتونيوم المستخدم في صنع الأسلحة ، وفي أوقات طويلة - على مستوى المفاعل ، أي غير مناسب للاستخدام في الأسلحة).

يتم التعبير عن المقياس الإجمالي لإشعاع خلايا الوقود بالميغاواط / يوم / طن. يُنتَج البلوتونيوم المستخدم في صنع الأسلحة من عناصر ذات ميغاواط منخفضة في اليوم / طن ، وينتج عددًا أقل من نظائر المنتج الثانوي. تصل خلايا الوقود في مفاعلات الماء المضغوط الحديثة إلى مستويات 33000 ميغاواط / طن. يبلغ التعرض النموذجي في مفاعل الاستنباط 100 ميغاواط / يوم / طن. خلال مشروع مانهاتن ، تلقى وقود اليورانيوم الطبيعي 100 ميغاواط / طن فقط ، وبالتالي ، تم إنتاج 239 Pu عالي الجودة (إجمالي 1 % 2 4 ° Pll).