Плутоний — химический элемент ; он имеет символ Pu и атомный номер 94. Это актинидный металл серебристо-серого цвета, который тускнеет на воздухе и образует матовый налет при окислении . Элемент обычно имеет шесть аллотропов и четыре степени окисления . Реагирует с углеродом , галогенами , азотом , кремнием и водородом . При воздействии влажного воздуха он образует оксиды и гидриды , которые могут расширять образец до 70% в объеме, который, в свою очередь, отслаивается в виде пирофорного порошка . Он радиоактивен и может накапливаться в костях , что делает обращение с плутонием опасным.
Плутоний был впервые синтетически получен и выделен в конце 1940 и начале 1941 года путем бомбардировки дейтронами урана-238 на 1,5-метровом (60-дюймовом) циклотроне в Калифорнийском университете в Беркли . Сначала был синтезирован нептуний-238 ( период полураспада 2,1 дня), который впоследствии подвергся бета-распаду с образованием нового элемента с атомным номером 94 и атомным весом 238 (период полураспада 88 лет). Поскольку уран был назван в честь планеты Уран, а нептуний — в честь планеты Нептун , элемент 94 был назван в честь Плутона , который в то время также считался планетой. Секретность военного времени не позволяла команде Калифорнийского университета опубликовать свое открытие до 1948 года.
Плутоний — это элемент с самым высоким атомным номером, встречающийся в природе. Следовые количества возникают в природных месторождениях урана-238, когда уран-238 захватывает нейтроны, испускаемые при распаде других атомов урана-238. Тяжелый изотоп плутоний-244 имеет период полураспада, достаточно длительный, чтобы экстремальные следовые количества могли сохраниться с самого начала (с момента образования Земли) до настоящего времени, но до сих пор эксперименты еще не были достаточно чувствительными, чтобы его обнаружить.
И плутоний-239, и плутоний-241 являются делящимися , а это означает, что они могут поддерживать цепную ядерную реакцию , что приводит к их использованию в ядерном оружии и ядерных реакторах . Плутоний-240 демонстрирует высокую скорость спонтанного деления , повышая поток нейтронов любого содержащего его образца. Наличие плутония-240 ограничивает возможность использования образца плутония для оружия или его качество в качестве реакторного топлива, а процентное содержание плутония-240 определяет его класс ( оружейный , топливный или реакторный). Плутоний-238 имеет период полураспада 87,7 лет и испускает альфа-частицы . Он является источником тепла в радиоизотопных термоэлектрических генераторах , которые используются для питания некоторых космических аппаратов . Изотопы плутония дороги и их неудобно разделять, поэтому отдельные изотопы обычно производятся в специализированных реакторах.
Производство плутония в полезных количествах впервые было основной частью Манхэттенского проекта во время Второй мировой войны , в ходе которого были разработаны первые атомные бомбы. Бомбы «Толстяк» , использованные при ядерных испытаниях «Тринити» в июле 1945 года и при бомбардировке Нагасаки в августе 1945 года, имели плутониевые ядра . Эксперименты по облучению плутония на людях проводились без информированного согласия , а после войны произошло несколько аварий с критичностью , некоторые со смертельным исходом. Утилизация плутониевых отходов атомных электростанций и демонтированного ядерного оружия , построенного во время холодной войны , является проблемой распространения ядерного оружия и окружающей среды. Другими источниками попадания плутония в окружающую среду являются осадки в результате многочисленных наземных ядерных испытаний, которые сейчас запрещены .
Плутоний, как и большинство металлов, сначала имеет ярко-серебристый вид, очень похож на никель , но очень быстро окисляется до тускло-серого цвета, хотя также сообщается о желтом и оливково-зеленом цвете. [4] [5] При комнатной температуре плутоний находится в своей α ( альфа ) форме . Эта наиболее распространенная структурная форма элемента ( аллотроп ) примерно такая же твердая и хрупкая, как серый чугун, если только его не легируют другими металлами, чтобы сделать его мягким и пластичным. В отличие от большинства металлов, он не является хорошим проводником тепла или электричества . Он имеет низкую температуру плавления (640 °C, 1184 °F) и необычно высокую температуру кипения (3228 °C, 5842 °F). [4] Это дает широкий диапазон температур (шириной более 2500 Кельвинов), при которых плутоний находится в жидком состоянии, но этот диапазон не является ни самым большим среди всех актинидов и среди всех металлов. [6] Низкая температура плавления, а также реакционная способность самородного металла по сравнению с оксидом приводят к тому, что оксиды плутония являются предпочтительной формой для таких применений, как топливо для ядерных реакторов деления ( МОКС-топливо ).
Альфа-распад , высвобождение высокоэнергетического ядра гелия , является наиболее распространенной формой радиоактивного распада плутония. [7] В массе 5 кг 239 Pu содержится около12,5 × 10 24 атома. С периодом полураспада 24 100 лет, около11,5 × 10 12 его атомов распадаются каждую секунду, испуская альфа-частицу с энергией 5,157 МэВ . Это составляет 9,68 Вт мощности. Тепло, образующееся в результате замедления этих альфа-частиц, делает его теплым на ощупь. [8] [9] 238
Pu из-за гораздо более короткого периода полураспада нагревается до гораздо более высоких температур и раскаляется докрасна излучением черного тела , если его оставить без внешнего нагрева или охлаждения. Это тепло использовалось в радиоизотопных термоэлектрических генераторах (см. Ниже).
Сопротивление — это мера того, насколько сильно материал противодействует потоку электрического тока . Удельное сопротивление плутония при комнатной температуре очень велико для металла, а при более низких температурах оно становится еще выше, что необычно для металлов. [10] Эта тенденция сохраняется до 100 К , ниже которой удельное сопротивление быстро снижается для свежих образцов. [10] Затем сопротивление начинает увеличиваться со временем при температуре около 20 К из-за радиационного повреждения, причем скорость определяется изотопным составом образца. [10]
Из-за самооблучения образец плутония устает по всей своей кристаллической структуре, а это означает, что упорядоченное расположение его атомов со временем нарушается радиацией. [11] Самооблучение также может привести к отжигу , который нейтрализует некоторые эффекты усталости при повышении температуры выше 100 К. [12]
В отличие от большинства материалов, плотность плутония при плавлении увеличивается на 2,5%, но жидкий металл демонстрирует линейное уменьшение плотности с температурой. [10] Вблизи точки плавления жидкий плутоний имеет очень высокую вязкость и поверхностное натяжение по сравнению с другими металлами. [11]
Плутоний обычно имеет шесть аллотропов и образует седьмую (дзета, ζ) при высокой температуре в ограниченном диапазоне давлений. [13] Эти аллотропы, которые представляют собой различные структурные модификации или формы элемента, имеют очень схожую внутреннюю энергию , но значительно различаются плотностью и кристаллической структурой . Это делает плутоний очень чувствительным к изменениям температуры, давления или химического состава и допускает резкие изменения объема после фазовых переходов из одной аллотропной формы в другую. [11] Плотность различных аллотропов варьируется от 16,00 г/см 3 до 19,86 г/см 3 . [14]
Присутствие такого большого количества аллотропов очень затрудняет обработку плутония, поскольку он очень легко меняет состояние. Например, α-форма существует при комнатной температуре в нелегированном плутонии. Он имеет характеристики обработки, аналогичные чугуну , но переходит в пластичную и ковкую β ( бета ) форму при несколько более высоких температурах. [15] Причины сложной фазовой диаграммы не совсем понятны. Альфа-форма имеет низкосимметричную моноклинную структуру, отсюда ее хрупкость, прочность, сжимаемость и плохая теплопроводность. [13]
Плутоний в δ-( дельта ) форме обычно существует в диапазоне температур от 310°C до 452°C, но стабилен при комнатной температуре при легировании небольшим процентом галлия , алюминия или церия , что повышает обрабатываемость и позволяет сваривать его . [15] Форма δ имеет более типичный металлический характер и примерно такая же прочная и податливая, как алюминий. [13] В оружии деления взрывные ударные волны , используемые для сжатия плутониевого ядра, также вызывают переход от обычного плутония в δ-фазе к более плотной α-форме, что существенно помогает достичь сверхкритичности . [ нужна цитата ] ε-фаза, твердый аллотроп с самой высокой температурой, демонстрирует аномально высокую атомную самодиффузию по сравнению с другими элементами. [11]
Плутоний — радиоактивный актинид металла , изотоп которого плутоний-239 является одним из трех основных делящихся изотопов ( два других — уран-233 и уран-235 ); плутоний-241 также очень делится. Чтобы считаться делящимся, атомное ядро изотопа должно быть способно распадаться или делиться при ударе медленно движущегося нейтрона и выделять достаточно дополнительных нейтронов для поддержания цепной ядерной реакции путем расщепления дальнейших ядер. [16]
Чистый плутоний-239 может иметь коэффициент размножения (kэфф ) больше единицы, а это означает, что если металл присутствует в достаточном количестве и имеет соответствующую геометрию (например, сферу достаточного размера), он может образовывать критическую массу . [17] Во время деления часть энергии связи ядра , которая удерживает ядро вместе, высвобождается в виде большого количества электромагнитной и кинетической энергии (большая часть последней быстро преобразуется в тепловую энергию). Деление килограмма плутония-239 может привести к взрыву, эквивалентному 21 000 тоннам в тротиловом эквиваленте (88 000 ГДж ). Именно эта энергия делает плутоний-239 полезным в ядерном оружии и реакторах . [8]
Присутствие изотопа плутония-240 в образце ограничивает потенциал его создания ядерной бомбы, поскольку плутоний-240 имеет относительно высокую скорость спонтанного деления (~ 440 делений в секунду на грамм - более 1000 нейтронов в секунду на грамм), [18] повышая фоновые уровни нейтронов и, таким образом, увеличивая риск преддетонации . [19] Плутоний классифицируется как оружейный , топливный или реакторный в зависимости от процентного содержания плутония-240, который он содержит. Оружейный плутоний содержит менее 7% плутония-240. Топливный плутоний содержит от 7% до менее 19%, а энергетический реакторный — 19% и более плутония-240. Суперклассный плутоний с содержанием плутония-240 менее 4% используется в оружии ВМС США , хранящемся вблизи экипажей кораблей и подводных лодок, из-за его более низкой радиоактивности. [20] Изотоп плутоний-238 не делится, но может легко подвергаться ядерному делению с быстрыми нейтронами , а также альфа-распаду. [8] Все изотопы плутония можно «перевести» в делящийся материал с одним или несколькими поглощениями нейтронов , независимо от того, следует ли за ними бета-распад или нет. Это делает неделящиеся изотопы плутония плодородным материалом .
Охарактеризовано двадцать радиоактивных изотопов плутония. Самыми долгоживущими являются плутоний-244 с периодом полураспада 80,8 миллиона лет, плутоний-242 с периодом полураспада 373 300 лет и плутоний-239 с периодом полураспада 24 110 лет. Все остальные радиоактивные изотопы имеют период полураспада менее 7000 лет. Этот элемент также имеет восемь метастабильных состояний , хотя период полураспада каждого из них составляет менее одной секунды. [7] Плутоний-244 был обнаружен в межзвездном пространстве [21] и имеет самый длительный период полураспада среди всех непервичных радиоизотопов.
Известные изотопы плутония имеют массовое число от 228 до 247. Основными способами распада изотопов с массовыми числами ниже, чем у наиболее стабильного изотопа, плутония-244, являются спонтанное деление и альфа-излучение , в основном с образованием урана (92 протона ) и нептуния . (93 протона) изотопов как продуктов распада (без учета широкого спектра дочерних ядер, образующихся в результате процессов деления). Основным режимом распада изотопов с массовыми числами выше, чем у плутония-244, является бета-излучение , в основном с образованием изотопов америция (95 протонов) в качестве продуктов распада. Плутоний-241 — родительский изотоп ряда распада нептуния , распадающийся до америция-241 посредством бета-излучения. [7] [22]
Плутоний-238 и 239 являются наиболее широко синтезируемыми изотопами. [8] Плутоний-239 синтезируется по следующей реакции с использованием урана (U) и нейтронов (n) посредством бета-распада (β - ) с нептунием (Np) в качестве промежуточного продукта: [23]
Нейтроны деления урана-235 захватываются ядрами урана-238 с образованием урана-239; бета -распад превращает нейтрон в протон с образованием нептуния-239 (период полураспада 2,36 дня), а другой бета-распад образует плутоний-239. [24] Эгон Бретшер , работавший над проектом British Tube Alloys, теоретически предсказал эту реакцию в 1940 году. [25]
Плутоний-238 синтезируется бомбардировкой урана-238 дейтронами ( D, ядрами тяжелого водорода ) по следующей реакции: [26]
В этом процессе дейтрон, поражающий уран-238, производит два нейтрона и нептуний-238, который самопроизвольно распадается с испусканием отрицательных бета-частиц с образованием плутония-238. [27] Плутоний-238 также может быть получен нейтронным облучением нептуния -237 . [28]
Изотопы плутония подвергаются радиоактивному распаду с выделением остаточного тепла . Различные изотопы производят разное количество тепла на единицу массы. Теплота распада обычно указывается как ватт/килограмм или милливатт/грамм. В случае более крупных кусков плутония (например, оружейной ямы) и недостаточного отвода тепла результирующий самонагрев может быть значительным.
При комнатной температуре чистый плутоний имеет серебристый цвет, но при окислении тускнеет. [30] Элемент демонстрирует четыре распространенные степени ионного окисления в водном растворе и одну редкую: [14]
Цвет растворов плутония зависит как от степени окисления, так и от природы кислотного аниона . [32] Именно кислотный анион влияет на степень комплексообразования – то, как атомы соединяются с центральным атомом – видов плутония. Кроме того, в комплексе [K(2.2.2-криптанд)] [Pu II Cp″ 3 ], Cp″ = C 5 H 3 (SiMe 3 ) 2 известна формальная степень окисления +2 плутония . [33]
Степень окисления +8 возможна и в летучем четырехокиси PuO.
4. [34] Хотя он легко разлагается по механизму восстановления, аналогичному FeO.
4, ПуО
4стабилизируется в растворах щелочей и хлороформе . [35] [34]
Металлический плутоний получают путем реакции тетрафторида плутония с барием , кальцием или литием при 1200 °C. [36] Металлический плутоний подвергается воздействию кислот , кислорода и водяного пара, но не щелочей , и легко растворяется в концентрированной соляной , иодистоводородной и хлорной кислотах . [37] Расплавленный металл необходимо хранить в вакууме или инертной атмосфере во избежание реакции с воздухом. [15] При температуре 135 °C металл воспламеняется на воздухе и взрывается, если его поместить в четыреххлористый углерод . [38]
Плутоний — химически активный металл. Во влажном воздухе или влажном аргоне металл быстро окисляется, образуя смесь оксидов и гидридов . [4] Если металл достаточно долго подвергается воздействию ограниченного количества водяного пара, образуется порошкообразное поверхностное покрытие из PuO 2 . [4] Также образуется гидрид плутония , но избыток паров воды образует только PuO 2 . [37]
Плутоний демонстрирует огромную и обратимую скорость реакции с чистым водородом, образуя гидрид плутония . [11] Он также легко реагирует с кислородом, образуя PuO и PuO 2 , а также промежуточные оксиды; Оксид плутония занимает на 40% больше объема, чем металлический плутоний. Металл реагирует с галогенами , образуя соединения общей формулы PuX 3 , где X может быть F , Cl , Br или I, а также встречается PuF 4 . Наблюдаются следующие оксигалогениды: PuOCl, PuOBr и PuOI. Он будет реагировать с углеродом с образованием PuC, с азотом с образованием PuN и с кремнием с образованием PuSi 2 . [14] [38]
Металлоорганический химический состав плутониевых комплексов типичен для актинидорганических форм ; Характерным примером плутониевого соединения является плутоноцен . [24] [39] Методы компьютерной химии указывают на усиленный ковалентный характер связи плутоний-лиганд. [11] [39]
Порошки плутония, его гидридов и некоторых оксидов, таких как Pu 2 O 3, являются пирофорными , то есть могут самопроизвольно воспламеняться при температуре окружающей среды, поэтому с ними обращаются в инертной сухой атмосфере азота или аргона. Объемный плутоний воспламеняется только при нагревании выше 400 °C. Pu 2 O 3 самопроизвольно нагревается и превращается в PuO 2 , который устойчив в сухом воздухе, но при нагревании реагирует с водяными парами. [40]
Тигли , используемые для содержания плутония, должны выдерживать его сильные восстановительные свойства. Это могут выдержать тугоплавкие металлы, такие как тантал и вольфрам , а также более стабильные оксиды, бориды , карбиды , нитриды и силициды . Плавление в электродуговой печи можно использовать для производства небольших слитков металла без использования тигля. [15]
Церий используется в качестве химического имитатора плутония для разработки технологий локализации, извлечения и других технологий. [41]
Плутоний — это элемент, в котором 5f-электроны являются границей перехода между делокализованным и локализованным; поэтому он считается одним из самых сложных элементов. [42] Аномальное поведение плутония обусловлено его электронной структурой. Разница в энергии между подоболочками 6d и 5f очень мала. Размера 5f-оболочки как раз достаточно, чтобы позволить электронам образовывать связи внутри решетки, на самой границе между локализованным и связывающим поведением. Близость энергетических уровней приводит к образованию множества низкоэнергетических электронных конфигураций с почти одинаковыми энергетическими уровнями. Это приводит к конкурирующим конфигурациям 5f n 7s 2 и 5f n−1 6d 1 7s 2 , что обусловливает сложность его химического поведения. Высоконаправленная природа 5f-орбиталей ответственна за направленные ковалентные связи в молекулах и комплексах плутония. [11]
Плутоний может образовывать сплавы и промежуточные соединения с большинством других металлов. Исключения составляют литий, натрий , калий , рубидий и цезий из щелочных металлов ; и магний , кальций, стронций и барий из щелочноземельных металлов ; а также европий и иттербий из редкоземельных металлов . [37] Частичные исключения включают тугоплавкие металлы хром , молибден , ниобий , тантал и вольфрам, которые растворимы в жидком плутонии, но нерастворимы или лишь незначительно растворимы в твердом плутонии. [37] Галлий, алюминий, америций, скандий и церий могут стабилизировать δ-фазу плутония при комнатной температуре. Кремний , индий , цинк и цирконий позволяют образовывать метастабильное состояние δ при быстром охлаждении. Большие количества гафния , гольмия и таллия также позволяют некоторое сохранение δ-фазы при комнатной температуре. Нептуний — единственный элемент, который может стабилизировать α-фазу при более высоких температурах. [11]
Сплавы плутония можно производить путем добавления металла в расплавленный плутоний. Если легирующий металл обладает достаточной восстановительной способностью, плутоний можно добавлять в виде оксидов или галогенидов. Сплавы плутоний-галлий и плутоний-алюминий с δ-фазой производятся путем добавления фторида плутония (III) к расплавленному галлию или алюминию, что позволяет избежать непосредственного контакта с высокореактивным металлическим плутонием. [43]
Следовые количества плутония-238, плутония-239, плутония-240 и плутония-244 можно найти в природе. Небольшие следы плутония-239, несколько частей на триллион , и продукты его распада естественным образом обнаруживаются в некоторых концентрированных урановых рудах, [50] таких как природный ядерный реактор деления в Окло , Габон . [51] Отношение плутония-239 к урану на урановом месторождении Сигар-Лейк-Майн колеблется от2,4 × 10–12 до _44 × 10 -12 . [52] Эти следовые количества 239 Pu возникают следующим образом: в редких случаях 238 U подвергается спонтанному делению, и при этом ядро испускает один или два свободных нейтрона с некоторой кинетической энергией. Когда один из этих нейтронов попадает в ядро другого атома 238 U, он поглощается атомом, который становится 239 U. При относительно коротком периоде полураспада 239 U распадается до 239 Np, который распадается на 239 Pu. [53] [54] Наконец, в образцах природного урана были обнаружены чрезвычайно малые количества плутония-238, что объясняется чрезвычайно редким двойным бета-распадом урана-238. [55]
Из-за его относительно длительного периода полураспада, составляющего около 80 миллионов лет, было высказано предположение, что плутоний-244 встречается в природе в виде первичного нуклида , но ранние сообщения о его обнаружении не смогли быть подтверждены. [56] Учитывая его вероятную первоначальную распространенность в Солнечной системе, нынешние эксперименты, проведенные в 2022 году, вероятно, будут примерно на порядок далеки от обнаружения живого первичного 244 Pu. [57] Однако его длительный период полураспада обеспечил его циркуляцию по Солнечной системе до его исчезновения , [58] и действительно, доказательства спонтанного деления вымершего 244 Pu были обнаружены в метеоритах. [59] Прежнее присутствие 244 Pu в ранней Солнечной системе было подтверждено, поскольку сегодня оно проявляется в виде избытка своих дочерних элементов, либо 232 Th (из пути альфа-распада), либо изотопов ксенона (из его спонтанного деления ). Последние, как правило, более полезны, поскольку химический состав тория и плутония довольно схож (оба преимущественно четырехвалентны), и, следовательно, избыток тория не будет убедительным доказательством того, что некоторая его часть образовалась как дочерний плутоний. [60] 244 Pu имеет самый длительный период полураспада среди всех трансурановых нуклидов и образуется только в r-процессе в сверхновых и сталкивающихся нейтронных звездах ; когда в результате этих событий ядра выбрасываются на высокой скорости и достигают Земли, один только 244 Pu среди трансурановых нуклидов имеет достаточно длительный период полураспада, чтобы пережить путешествие, и, следовательно, на глубоком морском дне были обнаружены крошечные следы живого межзвездного 244 Pu. Поскольку 240 Pu также присутствует в цепочке распада 244 Pu , он, таким образом, также должен присутствовать в вековом равновесии , хотя и в еще меньших количествах. [61]
Мельчайшие следы плутония обычно обнаруживаются в организме человека в результате 550 проведенных атмосферных и подводных ядерных испытаний , а также небольшого числа крупных ядерных аварий . [38] Большинство атмосферных и подводных ядерных испытаний было остановлено Договором об ограниченном запрещении ядерных испытаний в 1963 году, который из ядерных держав был подписан и ратифицирован Соединенными Штатами, Великобританией и Советским Союзом . Франция продолжит атмосферные ядерные испытания до 1974 года, а Китай продолжит атмосферные ядерные испытания до 1980 года. Все последующие ядерные испытания проводились под землей. [62]
Энрико Ферми и группа учёных из Римского университета сообщили, что они открыли элемент 94 в 1934 году. [63] Ферми назвал элемент гесперием и упомянул о нём в своей Нобелевской лекции в 1938 году. [64] Образец на самом деле содержал продукты ядерного деление , прежде всего бария и криптона . [65] Деление ядра, открытое в Германии в 1938 году Отто Ханом и Фрицем Штрассманом , в то время было неизвестно. [66]
Плутоний (в частности, плутоний-238) был впервые получен, выделен, а затем химически идентифицирован в период с декабря 1940 по февраль 1941 года Гленном Т. Сиборгом , Эдвином Макмилланом , Эмилио Сегре , Джозефом В. Кеннеди и Артуром Валем путем бомбардировки урана дейтронами в 60-дюймовый (150 см) циклотрон в Радиационной лаборатории Беркли Калифорнийского университета в Беркли . [67] [68] [69] Нептуний-238 был создан непосредственно в результате бомбардировки, но распался в результате бета-излучения с периодом полураспада чуть более двух дней, что указывало на образование элемента 94. [38] Первая бомбардировка заняла произошло 14 декабря 1940 г., а новый элемент был впервые идентифицирован путем окисления в ночь с 23 на 24 февраля 1941 г. [68]
Документ, документирующий это открытие, был подготовлен командой и отправлен в журнал Physical Review в марте 1941 года, [38] но публикация была отложена до года после окончания Второй мировой войны из соображений безопасности. [70] В Кавендишской лаборатории в Кембридже Игон Бретчер и Норман Физер поняли, что реактор на медленных нейтронах, питаемый ураном, теоретически будет производить значительные количества плутония-239 в качестве побочного продукта. Они подсчитали, что элемент 94 будет делящимся, а также будет иметь дополнительное преимущество, заключающееся в том, что он химически отличается от урана и его можно легко отделить от него. [25]
Макмиллан недавно назвал первый трансурановый элемент нептуний в честь планеты Нептун и предложил, чтобы элемент 94, являющийся следующим элементом в ряду, был назван в честь того, что тогда считалось следующей планетой, Плутоном . [8] [примечание 2] Николас Кеммер из команды Кембриджа независимо предложил то же название, основываясь на тех же рассуждениях, что и команда Беркли. [25] Первоначально Сиборг рассматривал название «плутий», но позже решил, что оно звучит не так хорошо, как «плутоний». [72] Буквы «Pu» он выбрал в шутку в связи с междометием «P U», обозначающим особенно отвратительный запах, который незаметно попал в таблицу Менделеева. [примечание 3] Альтернативные названия, рассматриваемые Сиборгом и другими, были «ультимиум» или «экстремиум» из-за ошибочного убеждения, что они нашли последний возможный элемент в таблице Менделеева . [74]
Хан, Штрассман и независимо Курт Старке в этот момент также работали над трансурановыми элементами в Берлине. Вероятно, Ган и Штрассман знали, что плутоний-239 должен быть делящимся. Однако у них не было сильного источника нейтронов. Об элементе 93 сообщили Хан и Штрассман, а также Старк в 1942 году. Группа Хана не занималась поиском элемента 94, вероятно, потому, что их обескуражила неспособность Макмиллана и Абельсона изолировать его, когда они впервые обнаружили элемент 93. Однако поскольку в этот момент группа Хана имела доступ к более мощному циклотрону в Париже, они, вероятно, смогли бы обнаружить плутоний, если бы попытались, хотя и в крошечных количествах (несколько беккерелей ). [75]
После нескольких месяцев первоначального изучения было обнаружено, что по химическому составу плутоний напоминает уран. [38] Ранние исследования были продолжены в секретной металлургической лаборатории Чикагского университета . 20 августа 1942 года следовые количества этого элемента были выделены и измерены впервые. Было получено около 50 микрограмм плутония-239 в сочетании с ураном и продуктами деления, а выделено лишь около 1 микрограмма. [50] [76] Эта процедура позволила химикам определить атомный вес нового элемента. [77] [примечание 4] 2 декабря 1942 года на ракетной площадке под западной трибуной стадиона Стэгг Филд Чикагского университета исследователи под руководством Энрико Ферми осуществили первую самоподдерживающуюся цепную реакцию в куче графита и урана, известную как КП-1 . Используя теоретическую информацию, полученную в ходе эксплуатации CP-1, компания DuPont построила экспериментальный производственный реактор с воздушным охлаждением, известный как X-10 , и пилотную установку химического разделения в Ок-Ридже. Установка разделения, используя методы, разработанные Гленном Т. Сиборгом и командой исследователей из Met Lab, удалила плутоний из урана, облученного в реакторе Х-10. Информация с CP-1 также была полезна ученым Met Lab, проектирующим реакторы для производства плутония с водяным охлаждением для Хэнфорда. Строительство на объекте началось в середине 1943 года. [78]
В ноябре 1943 года некоторое количество трифторида плутония было восстановлено, чтобы создать первый образец металлического плутония: несколько микрограммов металлических шариков. [50] Было произведено достаточно плутония, чтобы сделать его первым синтетически полученным элементом, видимым невооруженным глазом. [79]
Были также изучены ядерные свойства плутония-239; Исследователи обнаружили, что когда в него попадает нейтрон, он распадается (делится), высвобождая больше нейтронов и энергии. Эти нейтроны могут поражать другие атомы плутония-239 и так далее в ходе экспоненциально быстрой цепной реакции. Это может привести к взрыву, достаточно сильному, чтобы разрушить город, если достаточное количество изотопа будет сконцентрировано для образования критической массы . [38]
На ранних этапах исследований животных использовали для изучения влияния радиоактивных веществ на здоровье. Эти исследования начались в 1944 году в радиационной лаборатории Калифорнийского университета в Беркли и проводились Джозефом Г. Гамильтоном. Гамильтон хотел ответить на вопросы о том, как плутоний будет меняться в организме в зависимости от режима воздействия (пероральный прием, вдыхание, абсорбция через кожу), скорости удержания и как плутоний будет фиксироваться в тканях и распределяться по различным органам. Гамильтон начал вводить крысам растворимые микрограммовые порции соединений плутония-239, используя разные валентные состояния и разные методы введения плутония (перорально, внутривенно и т. д.). В конце концов, лаборатория в Чикаго также провела собственные эксперименты по введению плутония с использованием различных животных, таких как мыши, кролики, рыбы и даже собаки. Результаты исследований в Беркли и Чикаго показали, что физиологическое поведение плутония существенно отличается от радия. Самым тревожным результатом было значительное отложение плутония в печени и в «активно метаболизирующей» части кости. Более того, скорость выведения плутония с экскрементами различалась у разных видов животных почти в пять раз. Из-за таких различий было чрезвычайно сложно оценить, какой будет эта цифра для людей. [80]
Во время Второй мировой войны правительство США учредило Манхэттенский проект , которому было поручено разработать атомную бомбу. Тремя основными исследовательскими и производственными объектами проекта были завод по производству плутония на территории нынешнего Хэнфордского полигона , заводы по обогащению урана в Ок-Ридже, штат Теннесси , и лаборатория исследования и проектирования оружия, теперь известная как Национальная лаборатория Лос-Аламоса . [81]
Первым производственным реактором, производившим плутоний-239, был графитовый реактор Х-10 . Он был запущен в эксплуатацию в 1943 году и был построен на объекте в Ок-Ридже, который позже стал Ок-Риджской национальной лабораторией . [38] [примечание 5]
В январе 1944 года рабочие заложили фундамент первого здания химического разделения — завода «Т», расположенного на 200-Уэст. И завод Т, и дочерний завод в 200-Уэст, завод U, были завершены к октябрю. (Завод U использовался только для обучения во время Манхэттенского проекта.) Строительство разделительного здания на 200-Ист, Завод B, было завершено в феврале 1945 года. Второй объект, запланированный для 200-Ист, был отменен. Построившие их рабочие, прозванные «Королевой Марией», разделительные здания представляли собой впечатляющие конструкции, похожие на каньоны, длиной 800 футов, шириной 65 футов и высотой 80 футов, содержащие сорок технологических бассейнов. Интерьер выглядел жутковато, поскольку операторы за семью футами бетонной защиты манипулировали оборудованием дистанционного управления, просматривая телевизионные мониторы и перископы с верхней галереи. Даже при наличии массивных бетонных крышек технологических бассейнов меры предосторожности против радиационного воздействия были необходимы и влияли на все аспекты проектирования станции. [78]
5 апреля 1944 года Эмилио Сегре в Лос-Аламосе получил первый образец плутония, произведенного в реакторе, из Ок-Риджа. [83] В течение десяти дней он обнаружил, что плутоний, полученный в реакторе, имеет более высокую концентрацию изотопа плутония-240, чем плутоний, произведенный на циклотроне. Плутоний-240 имеет высокую скорость спонтанного деления, что повышает общий фоновый уровень нейтронов в образце плутония. [84] В результате от оригинального плутониевого оружия пушечного типа под кодовым названием « Тонкий человек » пришлось отказаться — возросшее количество спонтанных нейтронов означало, что вероятна предварительная ядерная детонация ( вспыхивание ). [85]
Вся разработка плутониевого оружия в Лос-Аламосе вскоре была заменена на более сложное имплозионное устройство под кодовым названием « Толстяк ». В имплозионном оружии плутоний сжимается до высокой плотности с помощью взрывных линз — технически более сложная задача, чем простая конструкция пистолетного типа, но необходимая для использования плутония в оружейных целях. Обогащенный уран , напротив, можно использовать любым методом. [85]
Строительство реактора Хэнфорд B , первого ядерного реактора промышленного размера для производства материалов, было завершено в марте 1945 года. Реактор B производил расщепляющийся материал для плутониевого оружия, использовавшегося во время Второй мировой войны. [примечание 6] B, D и F были первоначальными реакторами, построенными в Хэнфорде, а позже на этом месте были построены шесть дополнительных реакторов по производству плутония. [88]
К концу января 1945 года высокоочищенный плутоний подвергся дальнейшему концентрированию в построенном здании химической изоляции, где оставшиеся примеси были успешно удалены. Лос-Аламос получил свой первый плутоний из Хэнфорда 2 февраля. Хотя еще не было ясно, что к концу войны можно будет произвести достаточно плутония для использования в бомбах, к началу 1945 года Хэнфорд уже работал. Прошло всего два года с тех пор, как полковник Франклин Матиас впервые основал свою временную штаб-квартиру на берегу реки Колумбия. [78]
По словам Кейт Браун , заводы по производству плутония в Хэнфорде и Маяке в России за четыре десятилетия «выбросили в окружающую среду более 200 миллионов кюри радиоактивных изотопов — в два раза больше, чем было выброшено в результате Чернобыльской катастрофы в каждом случае». ". [89] Большая часть этого радиоактивного загрязнения на протяжении многих лет была частью нормальной работы, но непредвиденные аварии все же происходили, и руководство станции держало это в секрете, поскольку загрязнение продолжалось. [89]
В 2004 году сейф был обнаружен при раскопках могильной траншеи на ядерном полигоне в Хэнфорде . Внутри сейфа находились различные предметы, в том числе большая стеклянная бутылка с беловатой суспензией, которая впоследствии была идентифицирована как самый старый из известных существующих образцов оружейного плутония. Изотопный анализ, проведенный Тихоокеанской северо-западной национальной лабораторией, показал, что плутоний в бутылке был произведен в графитовом реакторе X-10 в Ок-Ридже в 1944 году. [90] [91] [92]
Первое испытание атомной бомбы под кодовым названием «Тринити» , взорвавшееся 16 июля 1945 года недалеко от Аламогордо, штат Нью-Мексико , в качестве расщепляющегося материала использовало плутоний. [50] Имплозионная конструкция « гаджета », как называлось устройство «Тринити», использовала обычные взрывные линзы для сжатия сферы плутония до сверхкритической массы, которая одновременно осыпалась нейтронами из «Ежа» , инициатора. изготовлены из полония и бериллия ( источник нейтронов : (α, n) реакция ). [38] В совокупности это обеспечило неконтролируемую цепную реакцию и взрыв. Общий вес оружия составил более 4 тонн , хотя в его ядре использовалось всего 6,2 кг плутония. [93] Около 20% плутония, использованного в оружии «Тринити», подверглось делению, что привело к взрыву с энергией, эквивалентной примерно 20 000 тонн тротила. [94] [примечание 7]
Идентичная конструкция была использована в атомной бомбе «Толстяк», сброшенной на Нагасаки , Япония , 9 августа 1945 года, в результате чего погибло 35 000–40 000 человек и было уничтожено 68–80% военного производства в Нагасаки. [96] Только после объявления о первых атомных бомбах существование и название плутония стало известно общественности в докладе Смита Манхэттенского проекта . [97]
Большие запасы оружейного плутония были накоплены как Советским Союзом, так и Соединенными Штатами во время холодной войны . Реакторы США в Хэнфорде и на площадке Саванна-Ривер в Южной Каролине произвели 103 тонны [98] , а в СССР, по оценкам, было произведено 170 тонн плутония военного качества. [99] [примечание 8] Ежегодно около 20 тонн этого элемента по-прежнему производится как побочный продукт атомной энергетики . [14] На хранении может находиться до 1000 тонн плутония, из которых более 200 тонн находятся либо внутри ядерного оружия, либо извлечены из него. [38] По оценкам SIPRI, мировые запасы плутония в 2007 году составляли около 500 тонн, поровну разделенных между оружейными и гражданскими запасами. [101]
Радиоактивное загрязнение завода в Роки-Флэтс в основном возникло в результате двух крупных плутониевых пожаров в 1957 и 1969 годах. Гораздо более низкие концентрации радиоактивных изотопов были выброшены на протяжении всего срока эксплуатации завода с 1952 по 1992 год. Преобладающие ветры с завода переносили загрязнение по воздуху на юг и восток. , в населенные пункты к северо-западу от Денвера. О загрязнении района Денвера плутонием в результате пожаров и других источников публично не сообщалось до 1970-х годов. Согласно исследованию 1972 года, соавтором которого был Эдвард Мартелл , «В более густонаселенных районах Денвера уровень загрязнения плутонием в поверхностных почвах в несколько раз превышает уровень выпадений», а загрязнение плутонием «к востоку от завода в Роки-Флэтс колеблется до сотен раз больше, чем от ядерных испытаний». [102] Как отметил Карл Джонсон в книге «Амбио» , «воздействие плутония и других радионуклидов на большое количество населения в районе Денвера в выхлопных газах завода датируется 1953 годом». [103] Производство оружия на заводе в Роки-Флэтс было остановлено после совместного рейда ФБР и Агентства по охране окружающей среды в 1989 году и многих лет протестов. С тех пор завод был остановлен, а его здания снесены и полностью вывезены с территории. [104]
В США часть плутония, извлеченного из демонтированного ядерного оружия, плавится с получением стеклянных бревен из оксида плутония весом две тонны. [38] Стекло изготовлено из боросиликатов , смешанных с кадмием и гадолинием . [примечание 9] Планируется, что эти бревна будут заключены в корпус из нержавеющей стали и храниться на глубине 4 км (2 миль) под землей в скважинах, которые будут залиты бетоном . [38] США планировали хранить плутоний таким образом в хранилище ядерных отходов Юкка-Маунтин , которое находится примерно в 100 милях (160 км) к северо-востоку от Лас-Вегаса, штат Невада . [105]
5 марта 2009 года министр энергетики Стивен Чу заявил на слушаниях в Сенате, что «площадка Юкка-Маунтин больше не рассматривается как вариант хранения отходов реактора». [106] Начиная с 1999 года, ядерные отходы, образующиеся в военных целях, хоронят на экспериментальной установке по изоляции отходов в Нью-Мексико.
В президентском меморандуме от 29 января 2010 года президент Обама учредил Комиссию «Голубая лента» по ядерному будущему Америки . [107] В своем итоговом отчете Комиссия выдвинула рекомендации по разработке комплексной стратегии, в том числе: [108]
Во время и после окончания Второй мировой войны ученые, работавшие над Манхэттенским проектом и другими исследовательскими проектами в области ядерного оружия, проводили исследования воздействия плутония на лабораторных животных и людей. [109] Исследования на животных показали, что несколько миллиграммов плутония на килограмм ткани являются смертельной дозой. [110]
В случае с людьми это включало введение растворов, содержащих (обычно) пять микрограммов плутония, больным пациентам, которые считались либо неизлечимо больными, либо ожидаемая продолжительность жизни которых составляла менее десяти лет либо из-за возраста, либо из-за хронического заболевания. [109] В июле 1945 года эта цифра была снижена до одного микрограмма после того, как исследования на животных показали, что способ распределения плутония в костях более опасен, чем радий . [110] Большинство испытуемых, по словам Эйлин Уэлсом , были бедными, бессильными и больными. [111]
С 1945 по 1947 год восемнадцати людям-испытуемым вводили плутоний без информированного согласия . Тесты были использованы для создания диагностических средств для определения поступления плутония в организм с целью разработки норм безопасности при работе с плутонием. [109] Эбб Кейд был невольным участником медицинских экспериментов, включавших введение 4,7 микрограммов плутония 10 апреля 1945 года в Ок-Ридже, штат Теннесси . [112] [113] Этот эксперимент проводился под руководством Гарольда Ходжа . [114] Другие эксперименты, проводимые Комиссией по атомной энергии США и Манхэттенским проектом, продолжались и в 1970-х годах. «Плутониевые файлы» ведут хронику жизни участников секретной программы, называя каждого участника и обсуждая этические и медицинские исследования, тайно проводимые учеными и врачами. В настоящее время этот эпизод считается серьезным нарушением медицинской этики и клятвы Гиппократа . [115]
Правительство скрывало большинство этих радиационных происшествий до 1993 года, когда президент Билл Клинтон приказал изменить политику, а федеральные агентства затем предоставили соответствующие записи. В результате расследования, проведенного президентским Консультативным комитетом по экспериментам с облучением человека , была обнаружена большая часть материалов об исследованиях плутония на людях. В 1995 году комитет опубликовал противоречивый отчет, в котором говорилось, что «были совершены нарушения», но он не осудил тех, кто их совершил. [111]
Изотоп плутоний-239 является ключевым расщепляющимся компонентом ядерного оружия из-за его легкости деления и доступности. Заключение плутониевой ямы бомбы в тампер (дополнительный слой плотного материала) уменьшает количество плутония, необходимого для достижения критической массы , за счет отражения ускользающих нейтронов обратно в плутониевое ядро. Это уменьшает количество плутония, необходимого для достижения критичности, с 16 кг до 10 кг, что представляет собой сферу диаметром около 10 сантиметров (4 дюйма). [116] Эта критическая масса составляет примерно треть от критической массы урана-235. [8]
В плутониевых бомбах «Толстяк» использовалось взрывное сжатие плутония для получения значительно более высокой плотности, чем обычно, в сочетании с центральным источником нейтронов для начала реакции и повышения эффективности. Таким образом, для взрывной мощности , эквивалентной 20 килотоннам в тротиловом эквиваленте, потребовалось всего 6,2 кг плутония . [94] [117] Гипотетически всего лишь 4 кг плутония — а может быть, и меньше — можно было бы использовать для изготовления одной атомной бомбы с использованием очень сложных сборочных конструкций. [117]
Отработанное ядерное топливо обычных легководных реакторов содержит плутоний, но представляет собой смесь плутония-242 , 240, 239 и 238. Смесь недостаточно обогащена для эффективного ядерного оружия, но может быть использована один раз в качестве МОХ-топлива . [118] Случайный захват нейтронов приводит к увеличению количества плутония-242 и 240 при каждом облучении плутония в реакторе с низкоскоростными «тепловыми» нейтронами, так что после второго цикла плутоний может быть израсходован только быстрыми нейтронами . нейтронные реакторы . Если реакторы на быстрых нейтронах недоступны (обычный случай), избыточный плутоний обычно выбрасывается и образует один из самых долгоживущих компонентов ядерных отходов. Желание потреблять этот плутоний и другие трансурановые топлива и снизить радиотоксичность отходов — обычная причина, по которой инженеры-ядерщики создают реакторы на быстрых нейтронах. [119]
Самый распространенный химический процесс, PUREX ( Plutonium - UR -anium EX traction), перерабатывает отработанное ядерное топливо для извлечения плутония и урана, которые можно использовать для образования смешанного оксидного (MOX) топлива для повторного использования в ядерных реакторах. В топливную смесь можно добавлять оружейный плутоний. МОХ-топливо используется в легководных реакторах и состоит из 60 кг плутония на тонну топлива; через четыре года три четверти плутония сгорают (превращаются в другие элементы). [38] Реакторы-размножители специально разработаны для создания большего количества делящегося материала, чем они потребляют. [120]
МОКС-топливо используется с 1980-х годов и широко применяется в Европе. [118] В сентябре 2000 года Соединенные Штаты и Российская Федерация подписали Соглашение об обращении и утилизации плутония , согласно которому каждая из них согласилась утилизировать 34 тонны оружейного плутония. [121] Министерство энергетики США планирует утилизировать 34 тонны оружейного плутония в США до конца 2019 года путем переработки плутония в МОХ-топливо, которое будет использоваться в коммерческих ядерных энергетических реакторах. [121]
МОКС-топливо улучшает общее выгорание. Твэл перерабатывается после трех лет использования для удаления отходов, которые к тому времени составляют 3% от общего веса стержней. [38] Любые изотопы урана или плутония, произведенные в течение этих трех лет, оставляются, а стержень возвращается в производство. [примечание 10] Присутствие до 1% галлия по массе в оружейном плутониевом сплаве может помешать длительной эксплуатации легководного реактора. [122]
Плутоний, извлеченный из отработанного реакторного топлива, представляет небольшую опасность распространения из-за чрезмерного загрязнения неделящимся плутонием-240 и плутонием-242. Разделение изотопов невозможно. Для производства материала, пригодного для использования в эффективном ядерном оружии, обычно требуется специальный реактор, работающий при очень низком выгорании (следовательно, минимальное воздействие на новообразованный плутоний-239 дополнительных нейтронов, которое приводит к его преобразованию в более тяжелые изотопы плутония) . Хотя считается, что плутоний «оружейного» качества содержит не менее 92% плутония-239 (от общего количества плутония), Соединенным Штатам удалось взорвать устройство мощностью менее 20 килотонн, используя плутоний, который, как полагают, содержит только около 85% плутония-239. так называемый «топливный» плутоний. [123] Плутоний «реакторного класса», полученный в обычном цикле выгорания LWR, обычно содержит менее 60% Pu-239, до 30% паразитного Pu-240/Pu-242 и 10–15% делящегося Pu-241. . [123] Неизвестно, может ли взорваться устройство, использующее плутоний, полученный из переработанных гражданских ядерных отходов, однако такое устройство гипотетически может выдохнуться и распространить радиоактивные материалы на большую городскую территорию. МАГАТЭ консервативно классифицирует плутоний всех изотопных векторов как материал «прямого использования», то есть « ядерный материал, который можно использовать для производства компонентов ядерных взрывных устройств без трансмутации или дальнейшего обогащения». [123]
Изотоп плутоний-238 имеет период полураспада 87,74 года. [124] Он излучает большое количество тепловой энергии с низким уровнем гамма-лучей / фотонов и спонтанных нейтронных лучей/частиц. [125] Будучи альфа-излучателем, он сочетает в себе излучение высокой энергии с низкой проникающей способностью и поэтому требует минимальной защиты. Лист бумаги можно использовать для защиты от альфа-частиц, испускаемых плутонием-238. Один килограмм изотопа может произвести около 570 Вт тепла. [8] [125]
Эти характеристики делают его хорошо подходящим для производства электроэнергии для устройств, которые должны функционировать без непосредственного обслуживания в течение времени, приближающегося к человеческой жизни. Поэтому он используется в радиоизотопных термоэлектрических генераторах и радиоизотопных нагревателях , таких как космические зонды «Кассини» , [126] «Вояджер », «Галилео» и «Новые горизонты» [127] , а также марсоходы «Кьюриосити» [128] и «Настойчивость» ( Марс 2020 ) .
В 1977 году были запущены двойные космические корабли «Вояджер», каждый из которых содержал плутониевый источник питания мощностью 500 Вт. Спустя более 30 лет каждый источник по-прежнему производит около 300 Вт, что позволяет ограниченно эксплуатировать каждый космический корабль. [129] Более ранняя версия той же технологии использовалась в пяти экспериментальных пакетах «Аполлона» на лунной поверхности , начиная с «Аполлона-12» в 1969 году . [38]
Плутоний-238 также успешно используется для питания искусственных кардиостимуляторов , чтобы снизить риск повторной операции. [130] [131] Его в значительной степени заменили первичные элементы на основе лития , но по состоянию на 2003 год [update]в Соединенных Штатах насчитывалось от 50 до 100 кардиостимуляторов с плутониевым питанием, которые все еще были имплантированы и функционировали у живых пациентов. [132] К концу 2007 года количество кардиостимуляторов на плутонии сократилось до девяти. [133] Плутоний-238 изучался как способ обеспечить дополнительное тепло при подводном плавании . [134] Плутоний-238 в смеси с бериллием используется для генерации нейтронов в исследовательских целях. [38]
Вредное воздействие плутония имеет два аспекта: радиоактивность и отравляющее действие тяжелых металлов . Изотопы и соединения плутония радиоактивны и накапливаются в костном мозге . Загрязнение оксидом плутония произошло в результате ядерных катастроф и радиационных инцидентов , включая военные ядерные аварии, в результате которых сгорело ядерное оружие. [135] Исследования последствий этих небольших выбросов, а также широко распространенных радиационных заболеваний и смертей после атомных бомбардировок Хиросимы и Нагасаки предоставили значительную информацию об опасностях, симптомах и прогнозах радиационного отравления , которые в Случай выживших японцев в значительной степени не был связан с прямым воздействием плутония. [136]
При распаде плутония выделяются три типа ионизирующего излучения : альфа, бета и гамма. Как острое, так и длительное воздействие несет в себе опасность серьезных последствий для здоровья, включая лучевую болезнь , генетические повреждения , рак и смерть. Опасность возрастает с увеличением степени воздействия. [38] Альфа-излучение может распространяться лишь на небольшое расстояние и не может пройти через внешний мертвый слой человеческой кожи. Бета-излучение может проникать через кожу человека, но не может пройти весь путь через тело. Гамма-излучение может пройти через весь организм. [137] Несмотря на то, что альфа-излучение не может проникнуть через кожу, проглатываемый или вдыхаемый плутоний облучает внутренние органы. [38] Было обнаружено, что альфа-частицы, образующиеся при вдыхании плутония, вызывают рак легких у группы европейских атомщиков. [ 138] Скелет , где накапливается плутоний, и печень , где он накапливается и концентрируется, находятся под угрозой. [37] Плутоний не усваивается организмом эффективно при попадании в организм; только 0,04% оксида плутония всасывается после приема внутрь. [38] Поглощенный организмом плутоний выводится очень медленно, с биологическим периодом полураспада 200 лет. [139] Плутоний очень медленно проходит через клеточные мембраны и границы кишечника, поэтому абсорбция при проглатывании и включение в структуру костей происходит очень медленно. [140] [141] Дональд Мастик случайно проглотил небольшое количество хлорида плутония (III) , который можно было обнаружить в течение следующих тридцати лет его жизни, но, похоже, он не испытал никаких побочных эффектов. [142]
Плутоний более опасен при вдыхании, чем при проглатывании. Риск рака легких возрастает, если общий эквивалент дозы вдыхаемого плутония превышает 400 мЗв . [143] По оценкам Министерства энергетики США, риск рака в течение жизни от вдыхания 5000 частиц плутония, каждая шириной около 3 мкм , составляет 1% по сравнению со средним показателем по США. [144] Проглатывание или вдыхание больших количеств может вызвать острое радиационное отравление и, возможно, смерть. Однако неизвестно, что ни один человек не умер из-за вдыхания или проглатывания плутония, и многие люди имеют измеримые количества плутония в организме. [123]
Теория « горячих частиц », согласно которой частица плутониевой пыли облучает локализованное пятно легочной ткани, не подтверждается основными исследованиями - такие частицы более подвижны, чем первоначально предполагалось, и токсичность не увеличивается заметно из-за формы частиц. [140] При вдыхании плутоний может попасть в кровоток. Попадая в кровоток, плутоний распространяется по всему телу и попадает в кости, печень и другие органы тела. Плутоний, попадая в органы тела, обычно остается в организме на протяжении десятилетий и продолжает подвергать окружающие ткани воздействию радиации и, таким образом, может вызвать рак. [145]
Часто цитируемая цитата Ральфа Нейдера гласит, что фунта плутониевой пыли, попавшей в атмосферу, было бы достаточно, чтобы убить 8 миллиардов человек. [146] Это оспаривалось Бернардом Коэном , противником общепринятой линейной беспороговой модели радиационной токсичности. Коэн подсчитал, что один фунт плутония может убить не более 2 миллионов человек при вдыхании, так что токсичность плутония примерно эквивалентна токсичности нервно- паралитического газа . [147]
Несколько групп людей, подвергшихся воздействию плутониевой пыли (например, люди, живущие с подветренной стороны от испытательных полигонов в Неваде, выжившие в Нагасаки, работники ядерной установки и «неизлечимо больные» пациенты, которым в 1945–46 годах вводили плутоний для изучения метаболизма плутония), были подвергнуты воздействию плутониевой пыли. тщательно отслеживать и анализировать. Коэн обнаружил, что эти исследования не соответствуют высоким оценкам токсичности плутония, сославшись на такие случаи, как Альберт Стивенс , который дожил до старости после инъекции плутония. [140] «Около 25 сотрудников Лос-Аламосской национальной лаборатории в 1940-х годах вдохнули значительное количество плутониевой пыли; согласно теории горячих частиц, каждый из них имеет 99,5% шанс умереть от рака легких к настоящему времени». но среди них не было ни одного рака легких». [147] [148]
Исследование токсичности плутония для человека так же важно, как и изучение его воздействия на фауну морских систем. Известно, что плутоний попадает в морскую среду в результате сброса отходов или случайной утечки с атомных электростанций. Хотя самые высокие концентрации плутония в морской среде обнаруживаются в отложениях, сложный биогеохимический цикл плутония означает, что он также обнаруживается во всех других отсеках. [149] Например, различные виды зоопланктона, которые участвуют в круговороте питательных веществ , будут потреблять этот элемент ежедневно. Полное выведение поступившего с пищей плутония зоопланктоном делает его дефекацию чрезвычайно важным механизмом очистки плутония из поверхностных вод. [150] Однако те зоопланктоны, которые становятся жертвами хищничества более крупных организмов, могут стать переносчиками плутония к рыбам.
Помимо потребления, рыба также может подвергаться воздействию плутония из-за ее географического распространения по всему миру. В одном исследовании изучалось влияние трансурановых элементов ( плутоний-238 , плутоний-239 , плутоний-240 ) на различных рыб, обитающих в Чернобыльской зоне отчуждения (ЧЗО). Результаты показали, что у части самок окуня в CEZ наблюдается либо отказ, либо задержка созревания гонад. [151] Подобные исследования обнаружили большие скопления плутония в органах дыхания и пищеварения трески, камбалы и сельди. [149]
Токсичность плутония столь же губительна для личинок рыб в местах ядерных отходов. Неразвитая икра подвергается более высокому риску, чем развитая взрослая рыба, подвергающаяся воздействию элемента в этих местах отходов. Национальная лаборатория Ок-Ридж показала, что эмбрионы карпа и гольяна, выращенные в растворах, содержащих изотопы плутония, не вылупились; Из вылупившихся яиц наблюдались значительные отклонения по сравнению с контрольными развитыми эмбрионами. [152] Было обнаружено, что более высокие концентрации плутония вызывают проблемы у морской фауны, подвергающейся воздействию этого элемента.
Необходимо проявлять осторожность, чтобы избежать накопления количеств плутония, приближающихся к критической массе, особенно потому, что критическая масса плутония составляет лишь треть от критической массы урана-235. [8] Критическая масса плутония испускает смертельное количество нейтронов и гамма-лучей . [153] Плутоний в растворе с большей вероятностью образует критическую массу, чем в твердой форме, из-за замедления водородом в воде. [ сомнительно ] [14]
Аварии с критичностью происходили и в прошлом, некоторые из них имели летальные последствия. Неосторожное обращение с кирпичами из карбида вольфрама вокруг плутониевой сферы массой 6,2 кг привело к смертельной дозе радиации в Лос-Аламосе 21 августа 1945 года, когда ученый Гарри Даглян получил дозу, оцененную в 5,1 зиверта (510 бэр ), и умер 25 дней спустя. [154] [155] Девять месяцев спустя другой учёный из Лос-Аламоса, Луис Слотин , погиб от аналогичной аварии с участием бериллиевого отражателя и того же плутониевого ядра (так называемое « ядро демона »), которое ранее унесло жизнь Дагляна. . [156]
В декабре 1958 года во время процесса очистки плутония в Лос-Аламосе в смесительном сосуде образовалась критическая масса, что привело к гибели химического оператора по имени Сесил Келли . Другие ядерные аварии произошли в Советском Союзе, Японии, США и многих других странах. [157]
Металлический плутоний представляет пожароопасность, особенно если материал мелкодисперсный. Во влажной среде плутоний образует на своей поверхности гидриды , которые пирофорны и могут воспламеняться на воздухе при комнатной температуре. Плутоний увеличивается в объеме до 70% по мере окисления и, таким образом, может разрушить контейнер. [40] Дополнительную опасность представляет радиоактивность горящего материала. Песок из оксида магния , вероятно, является наиболее эффективным материалом для тушения плутониевого пожара. Он охлаждает горящий материал, действуя как радиатор , а также блокирует кислород. При хранении и обращении с плутонием в любой форме необходимы особые меры предосторожности; обычно требуется атмосфера сухого инертного газа . [40] [примечание 11]
Обычно плутоний транспортируется через более стабильный оксид плутония в герметичной упаковке. Типичный транспорт состоит из одного грузовика, перевозящего один защищенный транспортный контейнер, вмещающий несколько упаковок общим весом от 80 до 200 кг оксида плутония. Морская перевозка может состоять из нескольких контейнеров, в каждом из которых находится запечатанная упаковка. [159] Комиссия по ядерному регулированию США предписывает, чтобы он был твердым, а не порошковым, если его радиоактивность превышает 0,74 ТБк (20 Кюри ). [160] В 2016 году корабли Pacific Egret [161] и Pacific Heron компании Pacific Nuclear Transport Ltd. перевезли 331 кг (730 фунтов) плутония на государственный объект США в Саванна-Ривер , Южная Каролина . [162] [163]
Правила воздушного транспорта США разрешают перевозку плутония по воздуху при условии соблюдения ограничений на перевозку других опасных материалов тем же рейсом, требований к упаковке и размещения в самой задней части самолета. [164]
В 2012 году средства массовой информации сообщили, что плутоний вывозился из Норвегии коммерческими пассажирскими авиалиниями примерно раз в два года, в том числе один раз в 2011 году. [165] Правила разрешают перевозить самолетом 15 граммов расщепляющегося материала. [165] Такая транспортировка плутония осуществляется без проблем, по словам старшего советника ( Seniorrådgiver ) в Statens Strålevern . [165]
Хотя диоксид плутония обычно имеет оливково-зеленый цвет, образцы могут быть разных цветов. Обычно считается, что цвет зависит от химической чистоты, стехиометрии, размера частиц и метода получения, хотя цвет, полученный в результате данного метода приготовления, не всегда воспроизводим.
![{\displaystyle {\ce {{^{238}_{92}U}+{^{1}_{0}n}->{^{239}_{92}U}->[\beta ^{ -}][23.5\ {\ce {min}}]{^{239}_{93}Np}->[\beta ^{-}][2.3565\ {\ce {d}}]{^{239 }_{94}Пу}}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/f9ba9e4744226a97ce8a41fd5b5e50b18cc259a9)
![{\displaystyle {\begin{aligned}{\ce {{^{238}_{92}U}+{^{2}_{1}D}->}}&{\ce {{^{238} _{93}Np}+2_{0}^{1}n}}\\&{\ce {^{238}_{93}Np->[\beta ^{-}][2.117\ {\ce {d}}]{^{238}_{94}Pu}}}\end{aligned}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/1b584c932e52212178b2befe7a512a7b28f87d35)
