Оксид плутония(IV) или плутоний — это химическое соединение с формулой Pu O 2 . Это твердое вещество с высокой температурой плавления является основным соединением плутония . Цвет может варьироваться от желтого до оливково-зеленого в зависимости от размера частиц, температуры и метода производства. [2]
PuO 2 кристаллизуется в мотиве флюорита , при этом центры Pu 4+ организованы в гранецентрированную кубическую решетку, а оксидные ионы занимают тетраэдрические пустоты. [3] PuO 2 обязан своей полезностью в качестве ядерного топлива тому факту, что вакансии в октаэдрических пустотах оставляют место для продуктов деления. При ядерном делении один атом плутония расщепляется на два. Вакансия октаэдрических пустот обеспечивает место для нового продукта и позволяет монолиту PuO 2 сохранять свою структурную целостность. [ необходима цитата ]
Диоксид плутония — стабильный керамический материал с чрезвычайно низкой растворимостью в воде и высокой температурой плавления (2744 °C). Температура плавления была пересмотрена в сторону повышения в 2011 году на несколько сотен градусов на основе данных исследований быстрого лазерного плавления, которые позволяют избежать загрязнения любым материалом контейнера. [4]
Из-за радиоактивного альфа-распада плутония PuO2 теплый на ощупь. [ необходима ссылка ] Как и все соединения плутония , он подлежит контролю в соответствии с Договором о нераспространении ядерного оружия .
Плутоний спонтанно окисляется до PuO 2 в атмосфере кислорода. Диоксид плутония в основном производится путем прокаливания оксалата плутония(IV), Pu(C 2 O 4 ) 2 ·6H 2 O, при 300 °C. Оксалат плутония получается во время переработки ядерного топлива, когда плутоний растворяется в растворе азотной и плавиковой кислоты . [5] Диоксид плутония также может быть извлечен из реакторов-размножителей на расплавленных солях путем добавления карбоната натрия к топливной соли после того, как весь оставшийся уран удален из соли в виде его гексафторида.
PuO 2 , наряду с UO 2 , используется в МОКС-топливе для ядерных реакторов . Диоксид плутония-238 используется в качестве топлива для нескольких космических аппаратов дальнего космоса, таких как зонды Cassini , Voyager , Galileo и New Horizons , а также в марсоходах Curiosity и Perseverance на Марсе . Изотоп распадается, испуская α-частицы, которые затем генерируют тепло (см. радиоизотопный термоэлектрический генератор ). Были опасения, что случайное возвращение в атмосферу Земли с орбиты может привести к разрушению и/или сгоранию космического аппарата, что приведет к рассеиванию плутония либо на большом участке поверхности планеты, либо в верхних слоях атмосферы. Однако, хотя по крайней мере два космических аппарата, перевозивших РИТЭГи PuO 2, вернулись в атмосферу Земли и сгорели ( Nimbus B-1 в мае 1968 года и лунный модуль Apollo 13 в апреле 1970 года), [6] [7] РИТЭГи с обоих космических аппаратов пережили возвращение и столкновение неповрежденными, и никакого загрязнения окружающей среды не было отмечено ни в одном из случаев; фактически, РИТЭГ Nimbus был извлечен неповрежденным со дна Тихого океана и запущен на борту Nimbus 3 год спустя. В любом случае, РИТЭГи с середины 1960-х годов были спроектированы так, чтобы оставаться неповрежденными в случае возвращения и столкновения, после неудачного запуска Transit 5-BN-3 в 1964 году (плутониевый РИТЭГ раннего поколения на борту распался при возвращении и рассеял радиоактивный материал в атмосфере к северу от Мадагаскара , что побудило перепроектировать все РИТЭГи США, которые тогда использовались или находились в стадии разработки). [8]
Физик Питер Циммерман, следуя предложению Теда Тейлора , продемонстрировал, что ядерное оружие малой мощности (1 килотонна ) может быть сравнительно легко изготовлено из диоксида плутония. [9] Такая бомба потребовала бы значительно большей критической массы, чем бомба, изготовленная из элементарного плутония (почти в три раза больше, даже при максимальной кристаллической плотности диоксида; если бы диоксид был в форме порошка, как это часто встречается, критическая масса была бы еще намного выше), как из-за более низкой плотности плутония в диоксиде по сравнению с элементарным плутонием, так и из-за добавленной инертной массы содержащегося воздуха. [10]
Поведение диоксида плутония в организме меняется в зависимости от способа его приема. При попадании внутрь большая его часть довольно быстро выводится из организма с отходами, [11] но небольшая часть растворяется в ионы в кислом желудочном соке и пересекает гематоэнцефалический барьер, откладываясь в других химических формах в других органах, таких как фагоцитарные клетки легких, костного мозга и печени. [12]
В форме частиц диоксид плутония с размером частиц менее 10 мкм [13] является радиотоксичным при вдыхании из-за его сильного альфа-излучения . [14]
масса реакторного плутония составляет около 13,9 кг (без отражения) или 6,1 кг (10 см3 природного U) при плотности 19,4. Таким образом, порошковая компактная масса с плотностью 8 будет иметь критическую массу, которая в (19,4/8)^2 раза выше: 82 кг (без отражения) и 36 кг (с отражением), не считая веса кислорода (который добавляет еще 14%). При сжатии до кристаллической плотности эти значения уменьшатся до 40 кг и 17,5 кг.