Плутоний — химический элемент ; его символ Pu , атомный номер 94. Это серебристо-серый актиноидный металл , который тускнеет при контакте с воздухом и образует матовое покрытие при окислении . Элемент обычно проявляет шесть аллотропов и четыре степени окисления . Он реагирует с углеродом , галогенами , азотом , кремнием и водородом . При контакте с влажным воздухом он образует оксиды и гидриды , которые могут расширять образец до 70% в объеме, которые, в свою очередь, расслаиваются в виде порошка, который является пирофорным . Он радиоактивен и может накапливаться в костях , что делает обращение с плутонием опасным.
Плутоний был впервые синтезирован и выделен в конце 1940 и начале 1941 года путем бомбардировки дейтронами урана-238 в 1,5-метровом (60-дюймовом) циклотроне в Калифорнийском университете в Беркли . Сначала был синтезирован нептуний-238 ( период полураспада 2,1 дня), который затем бета-распался , образовав новый элемент 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 позволила команде Калифорнийского университета опубликовать свое открытие до 1948 года.
Плутоний — элемент с самым высоким атомным числом, который, как известно, встречается в природе. Следовые количества возникают в месторождениях природного урана, когда уран-238 захватывает нейтроны, испускаемые при распаде других атомов урана-238. Тяжелый изотоп плутоний-244 имеет достаточно долгий период полураспада, чтобы экстремальные следовые количества могли сохраниться изначально (с момента образования Земли) до настоящего времени, но до сих пор эксперименты не были достаточно чувствительными, чтобы обнаружить его.
Оба плутония-239 и плутоний-241 являются делящимися , что означает, что они могут поддерживать ядерную цепную реакцию , что приводит к применению в ядерном оружии и ядерных реакторах . Плутоний-240 имеет высокую скорость спонтанного деления , увеличивая поток нейтронов любого образца, содержащего его. Присутствие 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 неудобны для разделения, поэтому определенные изотопы обычно производятся в специализированных реакторах.
Получение плутония в полезных количествах впервые было важной частью Манхэттенского проекта во время Второй мировой войны , в ходе которого были разработаны первые атомные бомбы. Бомбы Fat Man , использованные в ядерном испытании Trinity в июле 1945 года и при бомбардировке Нагасаки в августе 1945 года, имели плутониевые сердечники . Эксперименты по изучению плутония с облучением людей проводились без осознанного согласия , и после войны произошло несколько аварий с критическим состоянием , некоторые из которых закончились летальным исходом. Утилизация отходов плутония с атомных электростанций и демонтированного ядерного оружия, созданного во время холодной войны, является проблемой ядерного распространения и охраны окружающей среды. Другими источниками плутония в окружающей среде являются осадки от многих наземных ядерных испытаний, которые в настоящее время запрещены .
Плутоний, как и большинство металлов, сначала имеет яркий серебристый вид, очень похожий на никель , но он очень быстро окисляется до тускло-серого цвета, хотя также сообщалось о желтом и оливково-зеленом цветах. [4] [5] При комнатной температуре плутоний находится в своей α ( альфа ) форме . Это наиболее распространенная структурная форма элемента ( аллотроп ), примерно такая же твердая и хрупкая, как серый чугун, если только ее не легировать другими металлами, чтобы сделать ее мягкой и пластичной. 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 большой диапазон температур (шире 2500 кельвинов), при которых плутоний является жидким, но этот диапазон не является самым большим среди всех актинидов и среди всех металлов, [6] при этом нептуний теоретически имеет самый большой диапазон в обоих случаях. Низкая температура плавления, а также реактивность 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 ядра гелия с высокой энергией , является наиболее распространенной формой радиоактивного распада плутония. [7] Масса 5 кг 239 Pu содержит около12,5 × 1024 атомов. 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, выделяемое при торможении этих альфа-частиц, делает его теплым на ощупь. [8] [9] 238
Pu из-за своего гораздо более короткого периода полураспада нагревается до гораздо более высоких температур и раскаляется докрасна с излучением черного тела , если его оставить без внешнего нагрева или охлаждения. Это тепло использовалось в радиоизотопных термоэлектрических генераторах (см. ниже).
Удельное сопротивление плутония при комнатной температуре очень велико для металла, и становится еще выше при более низких температурах, что необычно для металлов. [10] Эта тенденция продолжается до 100 К , ниже которой удельное сопротивление быстро уменьшается для свежих образцов. [10] Затем удельное 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, то есть упорядоченное расположение его атомов со временем нарушается радиацией. [11] Самооблучение также может привести к отжигу , который противодействует некоторым эффектам усталости при повышении температуры выше 100 К. [12]
В отличие от большинства материалов, плутоний увеличивается в плотности при плавлении 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 седьмой (дзета, ζ) при высокой температуре в ограниченном диапазоне давлений. [13] Эти аллотропы, которые являются различными структурными модификациями или формами элемента, имеют очень схожую внутреннюю энергию, но значительно различающиеся плотности и кристаллические структуры . Это делает плутоний очень чувствительным к изменениям температуры, давления или химии и допускает резкие изменения объема после фазовых переходов из одной аллотропной формы в другую. [11] Плотности различных аллотропов варьируются от 16,00 г/см 3 до 19,86 г/см 3 . [14]
Наличие этих многочисленных аллотропов делает обработку плутония очень сложной, так как он очень легко меняет свое состояние. Например, форма α существует при комнатной температуре в нелегированном плутонии. Она имеет характеристики обработки, подобные чугуну , но при несколько более высоких температурах переходит в пластичную и ковкую форму β ( бета ). [15] Причины сложной фазовой диаграммы не совсем понятны. Форма α имеет низкосимметричную моноклинную структуру, отсюда ее хрупкость, прочность, сжимаемость и плохая теплопроводность. [13]
Плутоний в форме δ ( дельта ) обычно существует в диапазоне температур от 310 °C до 452 °C, но стабилен при комнатной температуре при сплавлении с небольшим процентом галлия , алюминия или церия , что повышает его обрабатываемость и позволяет сваривать его . [15] Форма δ имеет более типичный металлический характер и примерно такая же прочная и пластичная, как алюминий. [13] В ядерном оружии взрывные ударные волны , используемые для сжатия плутониевого ядра, также вызывают переход из обычной δ-фазы плутония в более плотную α-форму, что значительно помогает достичь сверхкритичности . [ требуется ссылка ] Фаза ε, твердый аллотроп с самой высокой температурой, демонстрирует аномально высокую атомную самодиффузию по сравнению с другими элементами. [11]
Плутоний — радиоактивный актиноидный металл , изотоп которого , плутоний-239 , является одним из трех основных делящихся изотопов ( два других — уран-233 и уран-235 ); плутоний-241 также является высокоделящимся. Чтобы считаться делящимся, атомное ядро изотопа должно быть способно распадаться или делиться при ударе медленно движущегося нейтрона и выделять достаточно дополнительных нейтронов для поддержания ядерной цепной реакции путем расщепления дополнительных ядер. [16]
Чистый плутоний-239 может иметь коэффициент размножения (k eff ) больше единицы, что означает, что если металл присутствует в достаточном количестве и имеет соответствующую геометрию (например, сферу достаточного размера), он может образовать критическую массу . [17] Во время деления часть ядерной энергии связи , 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 произвести взрыв, эквивалентный 21 000 тонн тротила (88 000 ГДж ). Именно эта энергия делает плутоний-239 полезным в ядерном оружии и реакторах . [8]
Присутствие изотопа плутония-240 в образце ограничивает его потенциал ядерной бомбы, поскольку 240 Pu имеет относительно высокую скорость спонтанного деления (~440 делений в секунду на грамм; более 1000 нейтронов в секунду на грамм), [18] повышая фоновый уровень нейтронов и, таким образом, увеличивая риск преждевременной детонации . [19] Плутоний идентифицируется как оружейный , топливный или реакторный на основе процента содержащегося в нем 240 Pu . Оружейный плутоний содержит менее 7% 240 Pu. Топливный плутоний содержит 7–19%, а энергетический реакторный содержит 19% или более 240 Pu. Сверхчистый плутоний , содержащий менее 4% 240 Pu, используется в оружии ВМС США , хранящемся вблизи экипажей кораблей и подводных лодок, из-за его более низкой радиоактивности. [20] Плутоний-238 не является делящимся, но может легко подвергаться ядерному делению с быстрыми нейтронами , а также альфа-распаду. [8] Все изотопы плутония могут быть «разведены» в делящийся материал с одним или несколькими поглощениями нейтронов , независимо от того, сопровождается ли это бета-распадом или нет. Это делает неделящиеся изотопы плутония плодородным материалом .
Было охарактеризовано двадцать радиоизотопов плутония. Самыми долгоживущими являются 244 Pu с периодом полураспада 80,8 миллионов лет; 242 Pu с периодом полураспада 373 300 лет; и 239 Pu с периодом полураспада 24 110 лет. Все остальные изотопы имеют период полураспада менее 7 000 лет. Этот элемент также имеет восемь метастабильных состояний , хотя все они имеют период полураспада менее секунды. [7] 244 Pu был обнаружен в межзвездном пространстве [21] , и у него самый длинный период полураспада среди всех непервичных радиоизотопов.
Известные изотопы плутония имеют массовые числа от 228 до 247. Основными способами распада изотопов с массовыми числами ниже, чем у самого стабильного изотопа 244 Pu, являются спонтанное деление и альфа-излучение , в основном образуя изотопы урана (92 протона ) и нептуния (93 протона) в качестве продуктов распада (не принимая во внимание широкий спектр дочерних ядер, образующихся в результате процессов деления). Основным способом распада изотопов тяжелее 244 Pu, наряду с 241 Pu и 243 Pu, является бета-излучение , образуя изотопы америция (95 протонов). Плутоний-241 является родительским изотопом ряда нептуния , распадаясь до америция-241 посредством бета-излучения. [7] [22]
Плутоний-238 и 239 являются наиболее широко синтезируемыми изотопами. [8] 239 Pu синтезируется посредством следующей реакции с использованием урана (U) и нейтронов (n) через бета-распад (β − ) с нептунием (Np) в качестве промежуточного продукта: [23]
Нейтроны от деления урана-235 захватываются ядрами урана-238, образуя уран-239; бета-распад преобразует нейтрон в протон, образуя нептуний-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 путем бомбардировки урана-238 дейтронами (D или 2H , ядрами тяжелого водорода ) в следующей реакции: [26]
где дейтрон, ударяющий уран-238, производит два нейтрона и нептуний-238, который распадается, испуская отрицательные бета-частицы, образуя плутоний-238. [27] Плутоний-238 также может быть получен путем нейтронного облучения нептуния -237 . [28]
Изотопы плутония подвергаются радиоактивному распаду, который производит тепло распада . Различные изотопы производят разное количество тепла на единицу массы. Тепло распада обычно указывается как ватт/килограмм или милливатт/грамм. В более крупных кусках плутония (например, оружейная яма) и недостаточном отводе тепла результирующий самонагрев может быть значительным.
При комнатной температуре чистый плутоний имеет серебристый цвет, но при окислении приобретает тусклый оттенок. [30] Элемент проявляет четыре распространенных ионных состояния окисления в водном растворе и одно редкое: [14]
Цвет, который показывают растворы плутония, зависит как от степени окисления, так и от природы аниона кислоты . [32] Именно анион кислоты влияет на степень комплексообразования — то, как атомы соединяются с центральным атомом — видов плутония. Кроме того, формальная степень окисления +2 плутония известна в комплексе [K(2.2.2-криптанд)] [Pu II Cp″ 3 ], Cp″ = C 5 H 3 (SiMe 3 ) 2 . [33]
Степень окисления +8 возможна также в летучем тетроксиде PuO
4. [34] Хотя он легко разлагается по механизму восстановления, подобному FeO
4, PuO
4может быть стабилизирован в щелочных растворах 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 пара, но не щелочей , и легко растворяется в концентрированных соляной , иодистоводородной и хлорной кислотах . [37] Расплавленный металл необходимо хранить в вакууме или инертной атмосфере, чтобы избежать реакции с воздухом. [15] При 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 PuO 2. [4] Также образуется гидрид плутония , но избыток водяного пара образует только PuO 2. [37 ]
Плутоний показывает огромные и обратимые скорости 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 заполняет на 40% больше объема, чем металлический плутоний. Металл реагирует с галогенами , давая начало соединениям с общей формулой PuX 3 , где X может быть F , Cl , Br или I , а также наблюдается PuF 4 . Наблюдаются следующие оксигалогениды: PuOCl, PuOBr и PuOI. Он будет реагировать с углеродом, образуя PuC , азотом, образуя PuN , и кремнием , образуя PuSi 2 . [14] [38]
Металлоорганическая химия комплексов плутония типична для органоактинидных видов; характерным примером органоплутониевого соединения является плутоноцен . [24] [39] Методы вычислительной химии указывают на усиленный ковалентный характер связи плутоний-лиганд. [11] [39]
Порошки плутония, его гидриды и некоторые оксиды, такие как Pu2O3 , являются пирофорными , то есть они могут самопроизвольно воспламеняться при температуре окружающей среды, и поэтому с ними работают в инертной, сухой атмосфере азота или аргона. Массовый плутоний воспламеняется только при нагревании выше 400 °C. Pu2O3 самопроизвольно нагревается и превращается в PuO2 , который стабилен в сухом воздухе, но реагирует с водяным паром при нагревании. [40]
Тигли, используемые для содержания плутония, должны выдерживать его сильные восстановительные свойства. Тугоплавкие металлы , такие как тантал и вольфрам, а также более стабильные оксиды, бориды , карбиды , нитриды и силициды могут выдерживать это. Плавка в электродуговой печи может использоваться для производства небольших слитков металла без необходимости использования тигля. [15]
Церий используется в качестве химического имитатора плутония для разработки технологий удержания, извлечения и других технологий. [41]
Плутоний — элемент, в котором 5f-электроны являются границей перехода между делокализованным и локализованным; поэтому он считается одним из самых сложных элементов. [42] Аномальное поведение плутония вызвано его электронной структурой. Разница энергий между подоболочками 6d и 5f очень мала. Размер оболочки 5f как раз достаточен, чтобы позволить электронам образовывать связи внутри решетки, на самой границе между локализованным и связывающим поведением. Близость энергетических уровней приводит к множественным низкоэнергетическим электронным конфигурациям с почти равными уровнями энергии. Это приводит к конкурирующим конфигурациям 5f n 7s 2 и 5f n−1 6d 1 7s 2 , что обуславливает сложность его химического поведения. Высоконаправленная природа 5f-орбиталей отвечает за направленные ковалентные связи в молекулах и комплексах плутония. [11]
Плутоний может образовывать сплавы и промежуточные соединения с большинством других металлов. Исключения включают литий, натрий , калий , рубидий и цезий из щелочных металлов ; и магний , кальций, стронций и барий из щелочноземельных металлов ; и 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 немного растворимы в твердом плутонии. [37] Галлий, алюминий, америций, скандий и церий могут стабилизировать δ-фазу плутония при комнатной температуре. Кремний , индий , цинк и цирконий допускают образование метастабильного δ-состояния при быстром охлаждении. Высокое содержание гафния , гольмия и таллия также позволяет некоторое сохранение δ-фазы при комнатной температуре. Нептуний является единственным элементом, который может стабилизировать α-фазу при более высоких температурах. [11]
Сплавы плутония можно получить, добавив металл к расплавленному плутонию. Если легирующий металл достаточно восстановительный, плутоний можно добавить в виде оксидов или галогенидов. Сплав плутония с галлием (PGA) и сплав плутония с алюминием δ-фазы получают путем добавления фторида Pu(III) к расплавленному галлию или алюминию, что имеет преимущество, заключающееся в том, что не приходится иметь дело напрямую 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 встречаются в некоторых концентрированных рудах урана, [50] таких как естественный ядерный реактор деления в Окло , Габон . [51] Соотношение плутония-239 к урану на урановом месторождении Cigar Lake Mine колеблется от2,4 × 10 −12 в44 × 10 −12 . [52] Эти следовые количества 239 Pu возникают следующим образом: в редких случаях 238 U подвергается спонтанному делению, и в этом процессе ядро испускает один или два свободных нейтрона с некоторой кинетической энергией. Когда один из этих нейтронов сталкивается с ядром другого атома 238 U, он поглощается атомом, который становится 239 U. При относительно коротком периоде полураспада 239 U распадается на 239 Np, который распадается на 239 Pu. [53] [54] Наконец, чрезвычайно малые количества плутония-238, приписываемые чрезвычайно редкому двойному бета-распаду урана-238, были обнаружены в образцах природного урана. [55]
Из-за его относительно длительного периода полураспада, составляющего около 80 миллионов лет, было высказано предположение, что плутоний-244 встречается в природе как первичный нуклид , но ранние сообщения о его обнаружении не смогли быть подтверждены. [56] Исходя из его вероятной первоначальной распространенности в Солнечной системе, текущие эксперименты по состоянию на 2022 год, вероятно, примерно на порядок далеки от обнаружения живого первичного 244 Pu. [57] Однако его длительный период полураспада обеспечил его циркуляцию по всей 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 он проявляется как избыток своих дочерних элементов, либо 232 Th (из пути альфа-распада), либо изотопов ксенона (из его спонтанного деления ). Последние, как правило, более полезны, поскольку химия тория и плутония довольно схожа (оба преимущественно четырехвалентны), и, следовательно, избыток тория не будет убедительным доказательством того, что часть его образовалась как дочерний элемент плутония. [60] 244 Pu имеет самый длительный период полураспада среди всех трансурановых нуклидов и производится только в r-процессе в сверхновых и сталкивающихся нейтронных звездах ; когда ядра выбрасываются из этих событий на высокой скорости, чтобы достичь Земли, 244 Pu единственный среди трансурановых нуклидов имеет достаточно длительный период полураспада, чтобы пережить путешествие, и, следовательно, крошечные следы живого межзвездного 244 Pu были обнаружены на дне глубокого моря. Поскольку 240 Pu также встречается в цепочке распада 244 Pu, он должен, таким образом, также присутствовать в вековом равновесии , хотя и в еще меньших количествах. [61]
Незначительные следы плутония обычно обнаруживаются в организме человека из-за 550 атмосферных и подводных ядерных испытаний , которые были проведены, и небольшого числа крупных ядерных аварий . [38] Большинство атмосферных и подводных ядерных испытаний были остановлены Договором об ограниченном запрещении испытаний в 1963 году, который из ядерных держав был подписан и ратифицирован Соединенными Штатами, Соединенным Королевством и Советским Союзом . Франция продолжала атмосферные ядерные испытания до 1974 года, а Китай продолжал атмосферные ядерные испытания до 1980 года. Все последующие ядерные испытания проводились под землей. [62]
Энрико Ферми и группа ученых из Римского университета сообщили, что они открыли элемент 94 в 1934 году. [63] Ферми назвал элемент гесперием и упомянул его в своей Нобелевской лекции в 1938 году. [64] Образец на самом деле содержал продукты ядерного деления , в основном барий и криптон . [65] Ядерное деление, открытое в Германии в 1938 году Отто Ганом и Фрицем Штрассманом , в то время было неизвестно. [66]
Плутоний (в частности, плутоний-238) был впервые получен, выделен и затем химически идентифицирован между декабрем 1940 года и февралем 1941 года Гленном Т. Сиборгом , Эдвином Макмилланом , Эмилио Сегре , Джозефом У. Кеннеди и Артуром Валем путем дейтронной бомбардировки урана в 60-дюймовом (150 см) циклотроне в Радиационной лаборатории Беркли в Калифорнийском университете в Беркли . [67] [68] [69] Нептуний-238 был создан непосредственно бомбардировкой, но распался под действием бета-излучения с периодом полураспада чуть более двух дней, что указывало на образование элемента 94. [38] Первая бомбардировка состоялась 14 декабря 1940 года, и новый элемент был впервые идентифицирован путем окисления в ночь с 23 на 24 февраля 1941 года. [68]
Группа подготовила документ, документирующий открытие, и отправила его в журнал Physical Review в марте 1941 года [38] , но публикация была отложена до года после окончания Второй мировой войны из-за проблем безопасности. [70] В Кавендишской лаборатории в Кембридже Эгон Бретшер и Норман Фезер поняли, что реактор на медленных нейтронах, работающий на уране, теоретически будет производить значительные количества плутония-239 в качестве побочного продукта. Они подсчитали, что элемент 94 будет делящимся и будет иметь дополнительное преимущество, поскольку он химически отличается от урана и может быть легко отделен от него. [25]
Макмиллан недавно назвал первый трансурановый элемент нептунием в честь планеты Нептун и предложил, чтобы элемент 94, будучи 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 самое название, основываясь на тех же рассуждениях, что и команда Беркли. [25] Сиборг изначально рассматривал название «плутий», но позже решил, что оно звучит не так хорошо, как «плутоний». [72] Он выбрал буквы «Pu» в качестве шутки, в отсылке к междометию «P U», чтобы указать на особенно отвратительный запах, который без уведомления перешел в периодическую таблицу. [примечание 3] Альтернативные названия, рассмотренные Сиборгом и другими, были «ультимиум» или «экстремиум» из-за ошибочного убеждения, что они нашли последний возможный элемент в периодической таблице . [74]
Ган и Штрассман, и независимо Курт Штарке , в то время 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. Элемент 93 был сообщен Ганом и Штрассманом, а также Штарке в 1942 году. Группа Гана не занялась элементом 94, вероятно, потому, что они были обескуражены неудачей Макмиллана и Абельсона в его выделении, когда они впервые нашли элемент 93. Однако, поскольку группа Гана в то время имела доступ к более сильному циклотрону в Париже, они, вероятно, смогли бы обнаружить плутоний, если бы попытались, хотя и в крошечных количествах (несколько беккерелей ). [75]
Химия плутония была обнаружена похожей на уран после нескольких месяцев первоначального изучения. [38] Ранние исследования были продолжены в секретной Металлургической лаборатории Чикагского университета . 20 августа 1942 года следовое количество этого элемента было выделено и впервые измерено. Было получено около 50 микрограммов плутония-239 в сочетании с ураном и продуктами деления, и только около 1 микрограмма было выделено. [50] [76] Эта процедура позволила химикам определить атомный вес нового элемента. [77] [примечание 4] 2 декабря 1942 года на корте для игры в ракетку под западной трибуной стадиона Stagg Field Чикагского университета исследователи во главе с Энрико Ферми добились первой самоподдерживающейся цепной реакции в графитовом и урановом котле, известном как CP-1 . Используя теоретическую информацию, полученную в ходе эксплуатации CP-1, DuPont построил экспериментальный производственный реактор с воздушным охлаждением, известный как X-10 , и пилотную установку для химического разделения в Ок-Ридже. Установка для разделения, используя методы, разработанные Гленном Т. Сиборгом и группой исследователей из Met Lab, удалила плутоний из урана, облученного в реакторе X-10. Информация из CP-1 также была полезна ученым Met Lab, проектировавшим водоохлаждаемые реакторы для производства плутония в Хэнфорде. Строительство на площадке началось в середине 1943 года. [78]
В ноябре 1943 года некоторое количество трифторида плутония было восстановлено для создания первого образца металлического плутония: несколько микрограммов металлических шариков. [50] Было произведено достаточно плутония, чтобы сделать его первым синтетическим элементом, который можно было увидеть невооруженным глазом. [79]
Ядерные свойства плутония-239 также были изучены; исследователи обнаружили, что при столкновении с нейтроном он распадается (делится), высвобождая больше нейтронов и энергии. Эти нейтроны могут поражать другие атомы плутония-239 и так далее в экспоненциально быстрой цепной реакции. Это может привести к взрыву, достаточно большому, чтобы разрушить город, если достаточное количество изотопа сконцентрировано для образования критической массы . [38]
На ранних этапах исследований животные использовались 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 искал ответы на вопросы о том, как плутоний будет меняться в организме в зависимости от способа воздействия (пероральный прием, вдыхание, абсорбция через кожу), скорости удержания и как плутоний будет фиксироваться в тканях и распределяться между различными органами. Гамильтон начал вводить растворимые микрограммовые порции соединений плутония-239 крысам, используя различные валентные состояния и различные методы введения плутония (перорально, внутривенно и т. д.). В конце концов, лаборатория в Чикаго также провела собственные эксперименты по инъекции плутония с использованием разных животных, таких как мыши, кролики, рыбы и даже собаки. Результаты исследований в Беркли и Чикаго показали, что физиологическое поведение плутония значительно отличалось от поведения радия. Самым тревожным результатом было то, что имело место значительное отложение плутония в печени и в «активно метаболизирующей» части кости. Более того, скорость выведения плутония с экскрементами различалась между видами животных в пять раз. Такие различия крайне затрудняли оценку того, какой будет эта скорость для людей. [80]
Во время Второй мировой войны правительство США создало Манхэттенский проект для разработки атомной бомбы. Тремя основными исследовательскими и производственными площадками проекта были завод по производству плутония в том, что сейчас называется Hanford Site ; заводы по обогащению урана в Ок-Ридже, штат Теннесси ; и лаборатория исследований и проектирования оружия, теперь известная как Лос-Аламосская национальная лаборатория , LANL. [81]
Первым производственным реактором, который производил 239 Pu, был графитовый реактор X-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 T, расположенного в 200-West. И завод T, и его родственный объект в 200-West, завод U, были завершены к октябрю. (Завод U использовался только для обучения во время Манхэттенского проекта.) Здание разделения в 200-East, завод B, было завершено в феврале 1945 года. Второе предприятие, запланированное для 200-East, было отменено. Прозванные рабочими, которые их строили, «Королевой Марией», здания разделения представляли собой устрашающие каньоноподобные сооружения длиной 800 футов, шириной 65 футов и высотой 80 футов, содержащие сорок технологических бассейнов. Внутри было жутковато, поскольку операторы за семью футами бетонной защиты управляли оборудованием дистанционного управления, глядя через телевизионные мониторы и перископы с верхней галереи. Даже с массивными бетонными крышками на технологических бассейнах меры предосторожности против воздействия радиации были необходимы и влияли на все аспекты проектирования завода. [78]
5 апреля 1944 года Эмилио Сегре в Лос-Аламосе получил первый образец плутония, полученного в реакторе, из Оук-Риджа. [83] В течение десяти дней он обнаружил, что в плутонии, полученном в реакторе, концентрация 240 Pu выше, чем в плутонии, полученном в циклотроне. У 240 Pu высокая скорость спонтанного деления, что повышает общий фоновый уровень нейтронов в образце плутония. [84] В результате пришлось отказаться от оригинального плутониевого оружия пушечного типа под кодовым названием « Худой человек » — возросшее количество спонтанных нейтронов означало, что вероятна ядерная предварительная детонация ( шипение ). [85]
Все усилия по разработке плутониевого оружия в Лос-Аламосе вскоре были изменены на более сложное имплозивное устройство под кодовым названием « Толстяк ». В имплозивной бомбе плутоний сжимается до высокой плотности с помощью взрывных линз — технически более сложная задача, чем простая бомба пушечного типа, но необходимая для плутониевой бомбы. Уран, напротив, может использоваться с любым из этих методов. [85]
Строительство реактора B в Хэнфорде , 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 первыми реакторами, построенными в Хэнфорде, а позже на этом месте было построено еще шесть реакторов для производства плутония. [88]
К концу января 1945 года высокоочищенный плутоний подвергся дальнейшей концентрации в завершенном здании химической изоляции, где оставшиеся примеси были успешно удалены. Лос-Аламос получил свой первый плутоний из Хэнфорда 2 февраля. Хотя было еще далеко не ясно, можно ли будет произвести достаточно плутония для использования в бомбах к концу войны, к началу 1945 года Хэнфорд уже функционировал. Прошло всего два года с тех пор, как полковник Франклин Маттиас впервые обосновался на берегу реки Колумбия. [78]
По словам Кейт Браун , заводы по производству плутония в Ханфорде и на Маяке в России за четыре десятилетия «выбросили в окружающую среду более 200 миллионов кюри радиоактивных изотопов — в два раза больше, чем было выброшено во время Чернобыльской катастрофы в каждом случае». [89] Большая часть этого радиоактивного загрязнения на протяжении многих лет была частью нормальной эксплуатации, но непредвиденные аварии все же случались, и руководство завода хранило это в секрете, поскольку загрязнение не ослабевало. [89]
В 2004 году во время раскопок могильной траншеи на ядерном объекте в Хэнфорде был обнаружен сейф . Внутри сейфа находились различные предметы, включая большую стеклянную бутылку с беловатой суспензией, которая впоследствии была идентифицирована как старейший из известных образцов оружейного плутония. Изотопный анализ, проведенный Тихоокеанской северо-западной национальной лабораторией, показал, что плутоний в бутылке был произведен в графитовом реакторе X-10 в Оук-Ридже в 1944 году. [90] [91] [92]
Первое испытание атомной бомбы под кодовым названием « Тринити » и взорванное 16 июля 1945 года недалеко от Аламогордо, штат Нью-Мексико , использовало плутоний в качестве расщепляющегося материала. [50] Имплозивная конструкция « Гаджета », как было кодовое название устройства «Тринити», использовала обычные взрывные линзы для сжатия сферы плутония в сверхкритическую массу, которая одновременно обрушивалась нейтронами от «Урчина» , инициатора, сделанного из полония и бериллия ( источник нейтронов : реакция (α, n) ). [38] Вместе они обеспечивали неуправляемую цепную реакцию и взрыв. Оружие весило более 4 тонн , хотя в нем было всего 6 кг плутония. [93] Около 20% плутония в оружии «Тринити» расщепилось; высвободив энергию, эквивалентную примерно 20 000 тонн тротила. [94] [примечание 7]
Идентичная конструкция использовалась в «Толстяке», сброшенном 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 благодаря докладу Смита Манхэттенского проекта . [97]
Большие запасы оружейного плутония были созданы как Советским Союзом , так и Соединенными Штатами во время Холодной войны . Американские реакторы в Хэнфорде и на полигоне Саванна-Ривер в Южной Каролине произвели 103 тонны, [98] и, по оценкам, 170 тонн военного плутония было произведено в СССР. [99] [примечание 8] Каждый год около 20 тонн этого элемента все еще производится как побочный продукт ядерной энергетики . [14] Около 1000 тонн плутония могут находиться на хранении, причем более 200 тонн из них находятся внутри или извлечены из ядерного оружия. [38] SIPRI оценил мировые запасы плутония в 2007 году примерно в 500 тонн, поровну разделенные между оружейными и гражданскими запасами. [101]
Радиоактивное загрязнение на заводе Rocky Flats в первую очередь было вызвано двумя крупными пожарами плутония в 1957 и 1969 годах. Гораздо меньшие концентрации радиоактивных изотопов были выброшены в течение всего срока эксплуатации завода с 1952 по 1992 год. Преобладающие ветры с завода переносили воздушное загрязнение на юг и восток, в населенные районы к северо-западу от Денвера. Загрязнение района Денвера плутонием от пожаров и других источников не было публично объявлено 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 радиоактивных осадков», а загрязнение плутонием «к востоку от завода Rocky Flats достигает сотен раз выше, чем при ядерных испытаниях». [102] Как отметил Карл Джонсон в Ambio , «воздействие плутония и других радионуклидов на большую часть населения в районе Денвера в шлейфы выбросов завода датируется 1953 годом». [103] Производство оружия на заводе Rocky Flats было остановлено после совместного рейда ФБР и Агентства по охране окружающей среды в 1989 году и многолетних протестов. С тех пор завод был закрыт, а его здания были снесены и полностью удалены с территории. [104]
В США часть плутония, извлеченного из демонтированного ядерного оружия, плавится для формирования стеклянных брёвен оксида плутония весом в две тонны. [38] Стекло изготавливается из боросиликатов, смешанных с кадмием и гадолинием . [примечание 9] Планируется, что эти брёвна будут заключены в нержавеющую сталь и храниться на глубине до 4 км (2 миль) под землей в скважинах, которые будут залиты бетоном . [ 38] США планировали хранить плутоний таким образом в хранилище ядерных отходов Yucca Mountain , 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 для хранения отходов реактора». [106] Начиная с 1999 года, ядерные отходы военного назначения захороняются на пилотном заводе по изоляции отходов в Нью-Мексико.
В президентском меморандуме от 29 января 2010 года президент Обама учредил Комиссию Blue Ribbon по ядерному будущему Америки . [107] В своем заключительном отчете Комиссия представила рекомендации по разработке всеобъемлющей стратегии, в том числе: [108]
Во время и после окончания Второй мировой войны ученые, работавшие над Манхэттенским проектом и другими проектами по исследованию ядерного оружия, проводили исследования воздействия плутония на лабораторных животных и людей. [109] Исследования на животных показали, что несколько миллиграммов плутония на кг ткани являются смертельной дозой. [110]
Для людей это включало инъекции растворов, обычно содержащих 5 микрограммов (мкг) плутония, пациентам больниц, которые считались либо неизлечимо больными, либо имеющими ожидаемую продолжительность жизни менее десяти лет из-за возраста или хронического заболевания. [109] Эта доза была снижена до 1 мкг в июле 1945 года после того, как исследования на животных показали, что способ распределения плутония в костях более опасен, чем радий . [110] Большинство испытуемых, говорит Эйлин Уэлсом , были бедными, бессильными и больными. [111]
В 1945–47 годах восемнадцати подопытным людям был введен плутоний без осознанного согласия . Тесты использовались для создания диагностических инструментов для определения поглощения плутония организмом с целью разработки стандартов безопасности при работе с плутонием. [109] Эбб Кейд был невольным участником медицинских экспериментов, которые включали инъекцию 4,7 мкг плутония 10 апреля 1945 года в Оук-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 в 1970-х годах. В «Плутониевых файлах» описывается жизнь субъектов секретной программы, с указанием имен каждого вовлеченного человека и обсуждением этических и медицинских исследований, проведенных в тайне учеными и врачами. Этот эпизод в настоящее время считается серьезным нарушением медицинской этики и клятвы Гиппократа . [115]
Правительство скрывало большую часть этих действий до 1993 года, когда президент Билл Клинтон приказал изменить политику, а федеральные агентства затем предоставили соответствующие записи. Последующее расследование было проведено Консультативным комитетом президента по экспериментам с радиацией на людях , и оно раскрыло большую часть материалов об исследованиях плутония на людях. Комитет опубликовал спорный отчет 1995 года, в котором говорилось, что «были совершены ошибки», но он не осуждал тех, кто их совершил. [111]
239 Pu является ключевым расщепляющимся компонентом в ядерном оружии из-за его легкости деления и доступности. Помещение плутониевой ямки бомбы в тампер (слой плотного материала) уменьшает критическую массу , отражая выходящие нейтроны обратно в плутониевое ядро. Это уменьшает критическую массу с 16 кг до 10 кг, что представляет собой сферу диаметром около 10 сантиметров (4 дюйма). [116] Эта критическая масса составляет около трети от критической массы урана-235. [8]
Плутониевые бомбы Fat Man использовали 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 взрывного выхода, эквивалентного 20 килотоннам тротила, требовалось всего 6 кг плутония. [94] [117] Гипотетически, всего 4 кг плутония — а может быть, даже меньше — можно было бы использовать для изготовления одной атомной бомбы с использованием очень сложных конструкций сборки. [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 МОКС-топлива . [118] Случайный захват нейтронов приводит к тому, что количество плутония-242 и 240 растет каждый раз, когда плутоний облучается в реакторе с низкоскоростными «тепловыми» нейтронами, так что после второго цикла плутоний может потребляться только реакторами на быстрых нейтронах . Если реакторы на быстрых нейтронах недоступны (обычный случай), избыточный плутоний обычно выбрасывается и образует один из самых долгоживущих компонентов ядерных отходов. Желание потребить этот плутоний и другое трансурановое топливо и снизить радиотоксичность отходов является обычной причиной, по которой инженеры-атомщики создают реакторы на быстрых нейтронах. [119]
Самый распространенный химический процесс, PUREX ( Plutonium – UR anium EXtraction ), перерабатывает отработанное ядерное топливо для извлечения плутония и урана, которые могут быть использованы для формирования смешанного оксидного (МОКС) топлива для повторного использования в ядерных реакторах. Оружейный плутоний может быть добавлен в топливную смесь. МОКС-топливо используется в легководных реакторах и состоит из 60 кг плутония на тонну топлива; через четыре года три четверти плутония сжигаются (превращаются в другие элементы). [38] МОКС-топливо используется с 1980-х годов и широко применяется в Европе. [118] Реакторы-размножители специально разработаны для создания большего количества расщепляемого материала, чем они потребляют. [120]
МОКС-топливо улучшает полное выгорание. Топливный стержень 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, остаются, а стержень возвращается в производство. [примечание 10] Наличие до 1% галлия на единицу массы в оружейном плутониевом сплаве может помешать долгосрочной работе легководного реактора. [121]
Плутоний, извлеченный из отработанного реакторного топлива, представляет небольшую опасность распространения из-за чрезмерного загрязнения неделящимся плутонием-240 и плутонием-242. Разделение изотопов нецелесообразно. Для производства материала, пригодного для использования в эффективном ядерном оружии, обычно требуется специальный реактор, работающий при очень низком выгорании (следовательно, минимальное воздействие дополнительных нейтронов на вновь образованный плутоний-239, что приводит к его преобразованию в более тяжелые изотопы плутония) . В то время как «оружейный» плутоний определяется как содержащий не менее 92% плутония-239 (от общего количества плутония), Соединенным Штатам удалось взорвать устройство менее 20 кт, используя плутоний, который, как полагают, содержит только около 85% плутония-239, так называемый «топливный» плутоний. [122] «Реакторный» плутоний, производимый обычным циклом выгорания LWR, обычно содержит менее 60% Pu-239, до 30% паразитного Pu-240/Pu-242 и 10–15% делящегося Pu-241. [ 122] Неизвестно, может ли быть взорвано устройство, использующее плутоний, полученный из переработанных гражданских ядерных отходов, однако такое устройство гипотетически может шипеть и распространять радиоактивные материалы по большой городской территории. МАГАТЭ консервативно классифицирует плутоний всех изотопных векторов как материал «прямого использования», то есть «ядерный материал, который может быть использован для изготовления компонентов ядерных взрывчатых веществ без трансмутации или дальнейшего обогащения». [122]
Период полураспада плутония-238 составляет 87,74 года. [123] Он испускает большое количество тепловой энергии с низким уровнем как гамма-лучей / фотонов , так и нейтронов. [124] Будучи альфа-излучателем, он сочетает в себе излучение высокой энергии с низкой проникающей способностью и, таким образом, требует минимальной защиты. Лист бумаги может быть использован для защиты от альфа-частиц 238 Pu. Один килограмм изотопа генерирует около 570 Вт тепла. [8] [124]
Эти характеристики делают его хорошо подходящим для выработки электроэнергии для устройств, которые должны функционировать без прямого обслуживания в течение времени, приблизительно равного человеческой жизни. Поэтому он используется в радиоизотопных термоэлектрических генераторах и радиоизотопных нагревательных устройствах, таких как в космических зондах Cassini , [125] Voyager , Galileo и New Horizons [126] , а также марсоходах Curiosity [127] и Perseverance ( Марс 2020 ) .
Два космических корабля Voyager были запущены в 1977 году, каждый из них содержал плутониевый источник питания мощностью 500 Вт. Спустя более 30 лет каждый источник по-прежнему вырабатывает около 300 Вт, что позволяет ограниченно эксплуатировать каждый космический корабль. [128] Более ранняя версия той же технологии обеспечивала питание пяти экспериментальных комплектов Apollo Lunar Surface Experiment Packages , начиная с Apollo 12 в 1969 году. [38]
238 Pu также успешно использовался для питания искусственных кардиостимуляторов , чтобы снизить риск повторных операций. [129] [130] Он был в значительной степени заменен первичными ячейками на основе лития , но по состоянию на 2003 год [обновлять]в Соединенных Штатах было где-то от 50 до 100 кардиостимуляторов на основе плутония, все еще имплантированных и функционирующих у живых пациентов. [131] К концу 2007 года сообщалось, что количество кардиостимуляторов на основе плутония сократилось всего до девяти. [132] 238 Pu изучался как способ обеспечения дополнительного тепла для подводного плавания . [133] 238 Pu, смешанный с бериллием, используется для генерации нейтронов в исследовательских целях. [38]
Существует два аспекта вредного воздействия плутония: радиоактивность и отравление тяжелыми металлами . Соединения плутония радиоактивны и накапливаются в костном мозге . Загрязнение оксидом плутония произошло в результате ядерных катастроф и радиоактивных инцидентов , включая военные ядерные аварии, где сгорело ядерное оружие. [134] Исследования последствий этих небольших выбросов, а также широко распространенной лучевой болезни и смерти после атомных бомбардировок Хиросимы и Нагасаки предоставили значительную информацию относительно опасностей, симптомов и прогноза лучевого отравления , которое в случае выживших японцев в значительной степени не было связано с прямым воздействием плутония. [135]
Распад плутония выделяет три типа ионизирующего излучения : альфа (α), бета (β) и гамма (γ). Как острое, так и долгосрочное воздействие несет опасность серьезных последствий для здоровья, включая лучевую болезнь , генетические повреждения , рак и смерть. Опасность возрастает с увеличением дозы воздействия. [38] α-излучение может распространяться только на короткие расстояния и не может проходить через внешний, мертвый слой кожи человека. β-излучение может проникать через кожу человека, но не может пройти через весь организм. γ-излучение может проходить через весь организм. [136] Несмотря на то, что α-излучение не может проникать через кожу, проглоченный или вдыхаемый плутоний облучает внутренние органы. [38] Было обнаружено, что α-частицы, образующиеся при вдыхании плутония, вызывают рак легких у группы европейских работников ядерной промышленности. [137] Скелет , где накапливается плутоний, и печень , где он собирается и концентрируется, находятся под угрозой. [37] Плутоний не всасывается в организм эффективно при приеме внутрь; только 0,04% оксида плутония всасывается после приема внутрь. [38] Плутоний, поглощенный организмом, выводится очень медленно, с биологическим периодом полураспада 200 лет. [138] Плутоний очень медленно проходит через клеточные мембраны и кишечные границы, поэтому всасывание при приеме внутрь и включение в структуру костей происходит очень медленно. [139] [140] Дональд Мастик случайно проглотил небольшое количество хлорида плутония (III) , которое можно было обнаружить в течение следующих тридцати лет его жизни, но, по-видимому, не испытал никаких вредных последствий. [141]
Плутоний более опасен при вдыхании, чем при проглатывании. Риск рака легких увеличивается, когда общая доза радиации, эквивалентная вдыхаемому плутонию, превышает 400 мЗв . [142] Министерство энергетики США оценивает, что риск рака в течение жизни от вдыхания 5000 частиц плутония, каждая из которых имеет ширину около 3 мкм, составляет 1% от фонового среднего показателя в США. [143] Проглатывание или вдыхание больших количеств может вызвать острое радиационное отравление и, возможно, смерть. Однако, не известно ни об одном человеке, который умер из-за вдыхания или проглатывания плутония, и у многих людей в организме есть измеримые количества плутония. [122]
Теория « горячих частиц », в которой частица плутониевой пыли облучает локализованное пятно легочной ткани, не поддерживается основными исследованиями — такие частицы более подвижны, чем первоначально считалось, и токсичность не увеличивается из-за формы частиц. [139] При вдыхании плутоний может попасть в кровоток. Попав в кровоток, плутоний перемещается по всему телу и попадает в кости, печень или другие органы тела. Плутоний, который достигает органов тела, обычно остается в организме в течение десятилетий и продолжает подвергать окружающие ткани воздействию радиации и, таким образом, может вызывать рак. [144]
Часто цитируемая цитата Ральфа Нейдера гласит, что фунта плутониевой пыли, распространенной в атмосфере, было бы достаточно, чтобы убить 8 миллиардов человек. [145] Это оспаривал Бернард Коэн , противник общепринятой линейной беспороговой модели токсичности радиации. Коэн подсчитал, что один фунт плутония может убить не более 2 миллионов человек путем вдыхания, так что токсичность плутония примерно эквивалентна токсичности нервно-паралитического газа . [146]
Несколько групп людей, подвергшихся воздействию плутониевой пыли (например, люди, живущие с подветренной стороны от испытательных полигонов в Неваде, выжившие в Нагасаки, работники ядерных объектов и «неизлечимо больные» пациенты, которым вводили плутоний в 1945–46 годах для изучения метаболизма плутония), были тщательно изучены и проанализированы. Коэн обнаружил, что эти исследования не соответствуют высоким оценкам токсичности плутония, ссылаясь на такие случаи, как Альберт Стивенс, который дожил до старости после инъекции плутония. [139] «Было около 25 работников Национальной лаборатории Лос-Аламоса, которые вдохнули значительное количество плутониевой пыли в 1940-х годах; 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 случая рака легких». [146] [147]
Известно, что плутоний попадает в морскую среду при сбросе отходов или случайной утечке с атомных электростанций. Хотя самые высокие концентрации плутония в морской среде обнаружены в отложениях, сложный биогеохимический цикл плутония означает, что он также обнаружен во всех других отсеках. [148] Например, различные виды зоопланктона, которые помогают в круговороте питательных веществ, будут потреблять элемент ежедневно. Полное выведение поглощенного плутония зоопланктоном делает их дефекацию чрезвычайно важным механизмом в очистке плутония из поверхностных вод. [149] Однако тот зоопланктон, который поддается хищничеству со стороны более крупных организмов, может стать средством передачи плутония рыбам.
Помимо потребления, рыба также может подвергаться воздействию плутония из-за своего распространения по всему миру. В одном исследовании изучалось воздействие 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 ЧЗО наблюдалась либо неспособность, либо задержка созревания гонад. [150] Аналогичные исследования обнаружили большие скопления плутония в дыхательных и пищеварительных органах трески, камбалы и сельди. [148]
Токсичность плутония столь же губительна для личинок рыб в районах захоронения ядерных отходов. Неразвившиеся икринки имеют более высокий риск, чем развитые взрослые рыбы, подвергшиеся воздействию элемента в этих районах захоронения отходов. Национальная лаборатория Оук-Ридж показала, что эмбрионы карпа и пескаря, выращенные в растворах, содержащих плутоний, не вылупились; вылупившиеся икринки показали значительные отклонения по сравнению с контрольными развитыми эмбрионами. [151] Было обнаружено, что более высокие концентрации плутония вызывают проблемы у морской фауны, подвергшейся воздействию элемента.
Необходимо проявлять осторожность, чтобы избежать накопления количеств плутония, приближающихся к критической массе, особенно потому, что критическая масса плутония составляет всего треть от критической массы урана-235. [8] Критическая масса плутония испускает смертельное количество нейтронов и гамма-лучей . [152] Плутоний в растворе с большей вероятностью образует критическую массу, чем в твердой форме, из-за замедления водородом в воде. [ сомнительно – обсудить ] [14]
Происходили критические аварии , иногда со смертельным исходом. Неосторожное обращение с блоками карбида вольфрама вокруг плутониевой сферы весом 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. [153] [154] Девять месяцев спустя другой ученый из Лос-Аламоса, Луис Слотин , погиб от похожей аварии с бериллиевым отражателем и тем же плутониевым ядром (« демоническим ядром »), которое ранее убило Дагляна. [155]
В декабре 1958 года во время процесса очистки плутония в Лос-Аламосе в смесительном сосуде образовалась критическая масса, в результате чего погиб оператор-химик Сесил Келли . Другие ядерные аварии произошли в Советском Союзе, Японии, Соединенных Штатах и многих других странах. [156]
Металлический плутоний пожароопасен, особенно если он мелкодисперсный. Во влажной среде плутоний образует на своей поверхности гидриды , которые являются пирофорными и могут воспламеняться на воздухе при комнатной температуре. Плутоний расширяется до 70% в объеме по мере окисления и, таким образом, может разрушить свой контейнер. [40] Радиоактивность горящего материала является еще одной опасностью. Песок из оксида магния, вероятно, является наиболее эффективным материалом для тушения пожара плутония. Он охлаждает горящий материал, действуя как поглотитель тепла , а также блокирует кислород. Особые меры предосторожности необходимы для хранения или обращения с плутонием в любой форме; как правило, требуется атмосфера сухого инертного газа . [40] [примечание 11]
Обычная транспортировка плутония осуществляется посредством более стабильного оксида плутония в герметичной упаковке. Типичная транспортировка состоит из одного грузовика, перевозящего один защищенный транспортный контейнер, в котором находится ряд упаковок общим весом от 80 до 200 кг оксида плутония. Морская перевозка может состоять из нескольких контейнеров, в каждом из которых находится герметичная упаковка. [158] Комиссия по ядерному регулированию США предписывает, что содержимое должно быть твердым, а не порошкообразным, если радиоактивность превышает 0,74 ТБк (20 кюри ). [159] В 2016 году суда Pacific Egret [160] и Pacific Heron компании Pacific Nuclear Transport Ltd. перевезли 331 кг (730 фунтов) плутония на государственный объект США в Саванна-Ривер , Южная Каролина . [161] [162]
Правила воздушного транспорта правительства США разрешают перевозку плутония по воздуху при условии соблюдения ограничений на другие опасные материалы, перевозимые тем же рейсом, требований к упаковке и размещения в самой задней части самолета. [163]
В 2012 году СМИ сообщили, что плутоний вывозился из Норвегии коммерческими пассажирскими авиалиниями — примерно раз в два года — в том числе один раз в 2011 году. [164] Правила разрешают самолету перевозить 15 граммов расщепляющегося материала. [164] По словам старшего советника ( seniorrådgiver ) в Statens strålevern , такая транспортировка плутония не вызывает проблем. [164]
диоксид плутония обычно оливково-зеленый, образцы могут быть разных цветов. Обычно считается, что цвет является функцией химической чистоты, стехиометрии, размера частиц и метода приготовления, 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{align}{\ce {{^{238}_{92}U}+{^{2}_{1}H}->}}&{\ce {{^{238}_{93}Np}+2_{0}^{1}n}}\\&{\ce {^{238}_{93}Np->[\beta ^{-}][2.117\ {\ce {d}}]{^{238}_{94}Pu}}}\end{align}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/01aef6133d1d81ba9a87860f7409d5d694dc0fa9)
