Оксид плутония(IV) , или плутония , представляет собой химическое соединение с формулой Pu O 2 . Это твердое вещество с высокой температурой плавления является основным соединением плутония . Его цвет может варьироваться от желтого до оливково-зеленого, в зависимости от размера частиц, температуры и метода производства. [2]
PuO 2 кристаллизуется во флюоритовом мотиве, при этом центры Pu 4+ организованы в гранецентрированную кубическую решетку, а ионы оксида занимают тетраэдрические отверстия. [3] PuO 2 обязан своей полезностью в качестве ядерного топлива тому факту, что вакансии в октаэдрических отверстиях оставляют место для продуктов деления. При ядерном делении один атом плутония распадается на два. Вакансия октаэдрических отверстий обеспечивает место для нового продукта и позволяет монолиту PuO 2 сохранять структурную целостность. [ нужна цитата ]
Диоксид плутония представляет собой стабильный керамический материал с чрезвычайно низкой растворимостью в воде и высокой температурой плавления (2744 °C). В 2011 году температура плавления была повышена на несколько сотен градусов на основании данных исследований быстрого лазерного плавления, которые позволяют избежать загрязнения любым материалом контейнера. [4]
Из-за радиоактивного альфа-распада плутония PuO 2 теплый на ощупь. [ нужна цитата ] Как и все соединения плутония , он подлежит контролю в соответствии с Договором о нераспространении ядерного оружия .
Плутоний самопроизвольно окисляется до PuO 2 в атмосфере кислорода. Диоксид плутония в основном получают путем прокаливания оксалата плутония(IV) Pu(C 2 O 4 ) 2 ·6H 2 O при 300 °C. Оксалат плутония получают при переработке ядерного топлива при растворении плутония в растворе азотной и плавиковой кислоты . [5] Диоксид плутония также можно извлечь из реакторов-размножителей с расплавленными солями путем добавления карбоната натрия к топливной соли после того, как из соли будет удален любой оставшийся уран 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 кораблей дальнего космоса, таких как зонды «Кассини» , «Вояджер» , «Галилео» и «Новые горизонты» , а также в марсоходах « Кьюриосити » и «Настойчивость» на Марсе . Изотоп распадается с испусканием α-частиц, которые затем выделяют тепло (см. Радиоизотопный термоэлектрический генератор ). Высказывались опасения, что случайное возвращение в атмосферу Земли с орбиты может привести к разрушению и/или сгоранию космического корабля, что приведет к рассеянию плутония либо на большом участке поверхности планеты, либо на большом участке поверхности планеты. внутри верхних слоев атмосферы. Однако, хотя по крайней мере два космических корабля с ритэгами PuO 2 повторно вошли в атмосферу Земли и сгорели (« Нимбус B-1» в мае 1968 года и лунный модуль «Аполлон-13» в апреле 1970 года), [6] [7] ритэги обоих космических кораблей выжили. возвращение в атмосферу и удар остались без изменений, и ни в одном случае не было отмечено никакого загрязнения окружающей среды; Фактически, РТГ «Нимбус» был поднят в целости и сохранности со дна Тихого океана и запущен на борт «Нимбус-3» год спустя. В любом случае, ритэги с середины 1960-х годов проектировались так, чтобы оставаться неповрежденными в случае входа в атмосферу и удара после неудачного запуска Транзита 5-БН-3 в 1964 году (находившийся на борту плутониевый ритэг раннего поколения распался при входе в атмосферу и рассеялся). радиоактивный материал в атмосферу к северу от Мадагаскара , что привело к изменению конструкции всех американских ритэгов, которые в то время использовались или находились в стадии разработки). [8]
Физик Питер Циммерман, развивая предложение Теда Тейлора , продемонстрировал, что ядерное оружие малой мощности (1 килотонна ) можно сравнительно легко изготовить 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 находился в форме порошка, как это часто встречается, критическая масса была бы быть еще гораздо выше), что связано как с более низкой плотностью плутония в диоксиде по сравнению с элементарным плутонием, так и с добавлением инертной массы содержащегося воздуха. [10]
Поведение диоксида плутония в организме зависит от способа его приема. При проглатывании большая его часть довольно быстро выводится из организма с отходами организма [11] , но небольшая часть растворяется в ионы кислого желудочного сока и преодолевает гематоэнцефалический барьер, депонируясь в других химических формах в других органах, таких как в фагоцитирующих клетках легких, костного мозга и печени. [12]
В виде частиц диоксид плутония с размером частиц менее 10 мкм [13] радиотоксичен при вдыхании из-за его сильного альфа-излучения . [14]
Критическая масса реакторного плутония составляет около 13,9 кг (неотражённый), или 6,1 кг (10 см природного урана) при плотности 19,4. Таким образом, порошковая прессовка с плотностью 8 будет иметь критическую массу, которая в (19,4/8)^2 раза выше: 82 кг (неотраженная) и 36 кг (отраженная), не считая веса кислорода (который добавляет еще 14 кг). %). При сжатии до кристаллической плотности эти значения уменьшаются до 40 кг и 17,5 кг.