Збагачений плутоній. Що робити, якщо ваш син знайшов плутонію. Як отримують плутоній

Цей метал називають дорогоцінним, але не за красу, а за незамінність. У періодичній системі Менделєєва цей елемент займає осередок під номером 94. Саме з ним вчені пов'язують свої найбільші надії, і саме плутоній називають найнебезпечнішим металом для людства.

Плутоній: опис

за зовнішньому виглядуце сріблясто-білий метал. Він є радіоактивним і може бути представлений у вигляді 15 ізотопів, що мають різні періоди напіврозпаду, наприклад:

• Pu-238 – близько 90 років
• Pu-239 – близько 24 тисяч років
• Pu-240 – 6580 років
• Pu-241 – 14 років
• Pu-242 – 370 тисяч років
• Pu-244 – близько 80 мільйонів років

Цей метал не можна видобути з руди, оскільки він є продуктом радіоактивного перетворення урану.

Як одержують плутоній?

Виробництво плутонію потребує розщеплення урану, що можна здійснити лише в атомних реакторах. Якщо ж говорити про присутність елемента Pu в земній корі, то на 4 мільйони тонн уранової руди буде всього 1 грам чистого плутонію. І це грам утворюється шляхом природного захоплення нейтронів ядрами урану. Таким чином, щоб отримати це ядерне пальне (зазвичай – ізотоп 239-Pu) у кількості кількох кілограм необхідно провести складний технологічний процес в атомному реакторі.

Властивості плутонію

Радіоактивний метал плутоній має такі фізичні властивості:

• густина 19,8 г/см 3
• температура плавлення – 641°C
• температура кипіння – 3232°C
• теплопровідність (при 300 K) – 6,74 Вт/(м·К)

Плутоній радіоактивний, тому теплий на дотик. При цьому для цього металу характерна найнижча теплопровідність та електропровідність. Рідкий плутоній є найв'язкішим із усіх існуючих металів.

Найменша зміна температури плутонію призводить до миттєвої зміни густини речовини. Загалом же, маса плутонію постійно змінюється, оскільки ядра цього металу перебувають у стані постійного розподілу більш дрібні ядра і нейтрони. Критична маса плутонію - так називають мінімальну масу діленої речовини, при якій перебіг поділу (ланцюгової ядерної реакції) залишається можливим. Наприклад, критична маса збройового плутонію – 11 кг (порівняно, критична маса високозбагаченого урану – 52 кг).

Уран та плутоній – основне ядерне пальне. Щоб отримати плутоній у великій кількості застосовується дві технології:

• опромінення урану
• опромінення трансуранових елементів, отриманих з відпрацьованого палива

Обидва способи є відділення плутонію та урану в результаті протікання хімічної реакції.

Для отримання чистого плутонію-238 застосовується нейтронне опромінення нептунія-237. Цей ізотоп бере участь у створенні збройового плутонію-239, зокрема, він є проміжним продуктом розпаду. $1 млн. – саме стільки становить ціна за 1 кг плутонію-238.

У багатьох наших читачів воднева бомба асоціюється з атомною, але набагато потужнішою. Насправді це принципово нова зброя, яка зажадала для свого створення незрівнянно великих інтелектуальних зусиль і працює на інших фізичних принципах.

Єдине, що ріднить атомну і водневу бомбу, то це те, що обидві вивільняють колосальну енергію, приховану в атомному ядрі. Зробити це можна двома шляхами: розділити важкі ядра, наприклад, урану чи плутонію, більш легкі (реакція поділу) чи змусити злитися найлегші ізотопи водню (реакція синтезу). В результаті обох реакцій маса матеріалу, що вийшов, завжди менше маси вихідних атомів. Але маса не може зникнути безвісти - вона переходить в енергію за знаменитою формулою Ейнштейна E = mc 2 .

Для створення атомної бомби необхідною і достатньою умовою є отримання матеріалу, що ділиться в достатній кількості. Робота досить трудомістка, але малоінтелектуальна, що лежить ближче до гірничорудної промисловості, ніж високої науки. Основні ресурси при створенні такої зброї йдуть на будівництво гігантських уранових копалень та збагачувальних комбінатів. Свідченням простоти пристрою є той факт, що між отриманням необхідної для першої бомби плутонію та першим радянським ядерним вибухом не минуло й місяця.

Нагадаємо коротко принцип роботи такої бомби, відомий із курсу шкільної фізики. В її основі лежить властивість урану і деяких трансуранових елементів, наприклад плутонію, при розпаді виділяти більше одного нейтрону. Ці елементи можуть розпадатися як мимовільно, і під впливом інших нейтронів.

Нейтрон, що вивільнився, може залишити радіоактивний матеріал, а може і зіткнутися з іншим атомом, викликавши чергову реакцію поділу. При перевищенні певної концентрації речовини (критичної маси) кількість новонароджених нейтронів, що викликають подальший поділ атомного ядра, починає перевищувати кількість ядер, що розпадаються. Кількість атомів, що розпадаються, починає зростати лавиноподібно, народжуючи нові нейтрони, тобто відбувається ланцюгова реакція. Для урану-235 критична маса становить близько 50 кг, для плутонію-239 – 5,6 кг. Тобто кулька плутонію масою трохи менше 5,6 кг є просто теплим шматком металу, а масою трохи більше існує всього кілька наносекунд.

Власне схема роботи бомби проста: беремо дві півсфери урану або плутонію, кожна трохи менше критичної маси, розташовуємо їх на відстані 45 см, обкладаємо вибухівкою та вибухаємо. Уран або плутоній спікається в шматок надкритичної маси і починається ядерна реакція. Всі. Існує інший спосіб запустити ядерну реакцію – обжати потужним вибухом шматок плутонію: відстань між атомами зменшиться, і реакція почнеться за меншої критичної маси. На цьому принципі працюють усі сучасні атомні детонатори.

Проблеми атомної бомби починаються з того моменту, коли хочемо наростити потужність вибуху. Простим збільшенням матеріалу, що ділиться, не обійтися - як тільки його маса досягає критичної, він детонує. Вигадувалися різні хитромудрі схеми, наприклад, робити бомбу не з двох частин, а з множини, чому бомба починала нагадувати розтрощений апельсин, а потім одним вибухом збирати її в один шматок, але все одно при потужності понад 100 кілотон проблеми ставали непереборними.

А ось пальне для термоядерного синтезу критичної маси немає. Ось Сонце, наповнене термоядерним паливом, висить над головою, всередині його вже мільярд років триває термоядерна реакція, - і нічого, не вибухає. До того ж при реакції синтезу, наприклад, дейтерію та тритію (важкого та надважкого ізотопу водню) енергії виділяється в 4,2 рази більше, ніж при згорянні такої ж маси урану-235.

Виготовлення атомної бомби було скоріше експериментальним, ніж теоретичним процесом. Створення водневої бомби зажадало появи абсолютно нових фізичних дисциплін: фізики високотемпературної плазми і надвисоких тисків. Перш ніж починати конструювати бомбу, треба було досконально розібратися в природі явищ, що відбуваються лише в ядрі зірок. Ніякі експерименти тут допомогти було неможливо - інструментами дослідників були лише теоретична фізика і математика. Невипадково гігантська роль розробці термоядерної зброї належить саме математикам: Уламу, Тихонову, Самарскому тощо.

Класичний супер

До кінця 1945 Едвард Теллер запропонував першу конструкцію водневої бомби, що отримала назву «класичний супер». Для створення жахливого тиску і температури, необхідні початку реакції синтезу, передбачалося використовувати звичайну атомну бомбу. Сам «класичний супер» був довгим циліндром, наповненим дейтерієм. Передбачалася також проміжна «запальна» камера з дейтерієвотрітієвою сумішшю - реакція синтезу дейтерію і тритію починається при нижчому тиску. За аналогією з багаттям, дейтерій мав відігравати роль дров, суміш дейтерію з тритієм - склянки бензину, а атомна бомба - сірники. Така схема отримала назву "труба" - своєрідна сигара з атомною запальничкою з одного кінця. За такою ж схемою почали розробляти водневу бомбу та радянські фізики.

Однак математик Станіслав Улам на звичайній логарифмічній лінійці довів Теллеру, що виникнення реакції синтезу чистого дейтерію в «супері» навряд чи можливо, а для суміші знадобилася б така кількість тритію, що для його напрацювання потрібно було б практично заморозити виробництво збройового плутонію в США.

Шар з цукром

У 1946 року Теллер запропонував чергову схему водневої бомби - «будильник». Вона складалася з сферичних шарів урану, дейтерію і тритію, що чергуються. При ядерному вибуху центрального заряду плутонію створювалося необхідне тиск і температура початку термоядерної реакції інших шарах бомби. Однак для «будильника» був потрібний атомний ініціатор великої потужності, а США (як, втім, і СРСР) мали проблеми з напрацюванням збройового урану і плутонію.

Восени 1948 до аналогічної схеми прийшов і Андрій Сахаров. У Радянському Союзі конструкція одержала назву «шарка». Для СРСР, який не встигав у достатній кількості напрацьовувати збройовий уран-235 та плутоній-239, цукрова слойка була панацеєю. І ось чому.

У звичайній атомній бомбі природний уран-238 не тільки марний (енергії нейтронів при розпаді не вистачає для ініціації поділу), а й шкідливий, оскільки жадібно поглинає вторинні нейтрони, уповільнюючи ланцюгову реакцію. Тому збройовий уран на 90% складається із ізотопу уран-235. Однак нейтрони, що з'являються в результаті термоядерного синтезу, в 10 разів більш енергетичні, ніж нейтрони поділу, і природний уран-238, що опромінений такими нейтронами, починає чудово ділитися. Нова бомба дозволяла використовувати як вибухівку уран-238, який раніше розглядався як відходи виробництва.

Родзинкою цукрової «шарки» було також застосування замість гостродефіцитного тритію білої легкої кристалічної речовини – дейтриду літію 6 LiD.

Як згадувалося вище, суміш дейтерію та тритію підпалюється набагато легше, ніж чистий дейтерій. Однак на цьому переваги тритію закінчуються, а залишаються одні недоліки: у нормальному стані тритій - газ, через що виникають труднощі із зберіганням; тритій радіоактивний і, розпадаючись, перетворюється на стабільний гелій-3, що активно пожирає такі необхідні швидкі нейтрони, що обмежує термін придатності бомби кількома місяцями.

Нерадіоактивний дейтрид літію при опроміненні його повільними нейтронами поділу - наслідками вибуху атомного запалу - перетворюється на тритій. Таким чином, випромінювання первинного атомного вибуху за мить виробляє достатню для подальшої термоядерної реакції кількість тритію, а дейтерій в дейтриде літію є спочатку.

Саме така бомба, РДС-6с, і була успішно випробувана 12 серпня 1953 року на вежі Семипалатинського полігону. Потужність вибуху склала 400 кілотонн, і досі не припинилися суперечки, чи це був справжній термо ядерний вибухабо надпотужний атомний. Адже на реакцію термоядерного синтезу в цукорівському шарі довелося не більше 20% сумарної потужності заряду. Основний внесок у вибух зробила реакція розпаду опроміненого швидкими нейтронами урану-238, завдяки якому РДС-6с відкрила еру так званих «брудних» бомб.

Справа в тому, що основне радіоактивне забруднення дають якраз продукти розпаду (зокрема, стронцій-90 і цезій-137). Фактично, цукорівська «слойка» була гігантською атомною бомбою, лише трохи посиленою термоядерною реакцією. Не випадково лише один вибух «слойки» дав 82% стронцію-90 та 75% цезію-137, які потрапили в атмосферу за всю історію існування Семипалатинського полігону.

Американ бомб

Проте першими водневу бомбу підірвали саме американці. 1 листопада 1952 року на атоле Елугелаб у Тихому океані було успішно випробувано термоядерний пристрій «Майк» потужністю 10 мегатонн. Назвати бомбою 74-тонний американський пристрій можна насилу. «Майк» був громіздким пристроєм розміром з двоповерховий будинок, заповнений рідким дейтерієм при температурі, близької до абсолютного нуля (сахарівська «шаровка» була цілком транспортабельним виробом). Проте родзинкою «Майка» були не розміри, а геніальний принцип обтиснення термоядерної вибухівки.

Нагадаємо, що основна ідея водневої бомби полягає у створенні умов для синтезу (надвисокого тиску та температури) за допомогою ядерного вибуху. У схемі «шарка» ядерний заряд розташований у центрі, і тому він не стільки стискає дейтерій, скільки розкидає його назовні – збільшення кількості термоядерної вибухівки не призводить до збільшення потужності – вона просто не встигає детонувати. Саме цим і обмежена гранична потужність цієї схеми - найпотужніша у світі «шаровка» Orange Herald, підірвана англійцями 31 травня 1957 року, дала лише 720 кілотонн.

Ідеально було б, якби змусити вибухати атомний запал усередину, стискаючи термоядерну вибухівку. Але як це зробити? Едвард Теллер висунув геніальну ідею: стискати термоядерне пальне не механічною енергією та нейтронним потоком, а випромінюванням первинного атомного запалу.

У новій конструкції Теллера атомний вузол, що ініціює, був рознесений з термоядерним блоком. Рентгенівське випромінювання при спрацьовуванні атомного заряду випереджало ударну хвилю і поширювалося вздовж стінок циліндричного корпусу, випаровуючи і перетворюючи на плазму поліетиленове внутрішнє облицювання корпусу бомби. Плазма, у свою чергу, перевипромінювала м'якше рентгенівське випромінювання, яке поглиналося зовнішніми шарами внутрішнього циліндра з урану-238 – «пушера». Шари починали вибухоподібно випаровуватись (це явище називають абляція). Розпечену уранову плазму можна порівняти зі струменями надпотужного ракетного двигуна, тяга якого спрямована всередину циліндра з дейтерієм. Урановий циліндр плескався, тиск і температура дейтерію досягала критичного рівня. Це ж тиск обтискав центральну плутонію до критичної маси, і вона детонувала. Вибух плутонієвого запалу тиснув на дейтерій зсередини, додатково стискаючи та нагріваючи термоядерну вибухівку, яка детонувала. Інтенсивний потік нейтронів розщеплює ядра урану-238 у «пушері», викликаючи вторинну реакцію розпаду. Все це встигало статися до того моменту, коли вибухова хвиля від первинного ядерного вибуху сягала термоядерного блоку. Розрахунок всіх цих подій, що відбуваються за мільярдні частки секунди, і зажадав напруження розуму найсильніших математиків планети. Творці «Майка» відчували від 10-мегатонного вибуху не жах, а невимовний захват - їм вдалося не тільки розібратися в процесах, які в реальному світі йдуть тільки в ядрах зірок, а й експериментально перевірити свої теорії, влаштувавши свою невелику зірку на Землі.

Браво

Обійшовши росіян за красою конструкції, американці не змогли зробити свій пристрій компактним: вони використовували рідкий переохолоджений дейтерій замість порошкоподібного літрію дейтриду у Сахарова. У Лос-Аламосі на сахаровскую «шару» реагували з часткою заздрості: «замість величезної корови з відром сирого молока росіяни використовують пакет сухого молока». Проте приховати секрети одна від одної обом сторонам не вдалося. Першого березня 1954 року у атола Бікіні американці випробували 15-мегатонну бомбу «Браво» на дейтриді літію, а 22 листопада 1955 року над семипалатинським полігоном рвонула перша радянська двоступінчаста термоядерна бомба РДС-37 потужністю 1,7 мега. З того часу конструкція термоядерної бомби зазнала незначних змін (наприклад, з'явився урановий екран між бомбою, що ініціює, і основним зарядом) і стала канонічною. А у світі не залишилося більше таких масштабних загадок природи, розгадати які можна було б таким ефектним експериментом. Хіба що народження наднової зірки.

Існує 15 відомих ізотопів плутонію. Найважливіший із них – Pu-239 з періодом піврозпаду 24360 років. Питома маса плутонію становить 19,84 за температури 25оС. Метал починає плавитися за температури 641оС, закипає при 3232оС. Його валентність буває 3, 4, 5 чи 6.

У металу сріблястий відтінок і він жовтіє при взаємодії з киснем. Плутоній – хімічний реактивний метал і легко розчиняється в концентрованій соляній, хлорній кислоті, в йодисто-водневій кислоті. При розпаді метал виділяє енергію тепла.

Плутоній - відкритий другимза рахунком трансурановий актинід. У природі цей метал можна знайти у невеликих кількостях в уранічних рудах.

Плутоній отруйний і потребує акуратного поводження. Найбільш розщеплюваний ізотоп плутонію використовувався як ядерну зброю. Зокрема, його застосовували у бомбі, яка була скинута на японське місто Нагасакі.

Це радіоактивна отрута, що накопичується в кістковому мозку. При проведенні експериментів над людьми з метою вивчення плутонію сталося кілька нещасних випадків, деякі з летальним кінцем. Важливо, щоб плутоній не досяг критичної маси. У розчині плутоній швидше утворює критичну масу, ніж у твердому стані.

Атомне число 94 означає, що всі атоми плутонію мають 94 . На повітрі лежить на поверхні металу утворюється оксид плутонію. Цей оксид пірофорний, тому плутоній, що тліє, мерехтітиме, як зола.

Існує шість алотропних форм плутонію. Сьома форма з'являється за високих температур.

У водяному розчині плутоній змінює колір. На поверхні металу з'являються різні відтінки з його окислення. Процес окислення нестабільний, колір плутонію може раптово змінюватися.

На відміну більшості речовин, плутоній ущільнюється, коли плавиться. У розплавленому стані цей елемент в'язкіший, ніж інші метали.

Метал застосовується у радіоактивних ізотопах у термоелектричних генераторах, у яких працюють космічні кораблі. У медицині його застосовують під час виробництва електронних стимуляторів для серця.

Вдихання пар плутонію небезпечне для здоров'я. У деяких випадках це може спровокувати рак легень. У вдихається плутонію металевий присмак.

Інтегральний швидкий реактор (ІБР) є не просто новий тип реактора, це новий паливний цикл. Інтегральний швидкий реактор – реактор на швидких нейтронах без сповільнювача. У ньому є лише активна зона та відсутня бланкет.
В ІБР використовується металеве паливо− сплав урану та плутонію.
У його паливному циклі використовується відновлення палива у самому реакторі з допомогою пиропроцессинга . У піропроцессингу на ІБР практично чистий уран збирається на твердому катоді, а суміш плутонію, америція, нептунія, кюрія, урану і деякі продукти поділу збираються на рідкий кадмієвий катод, що плаває в солі електроліту. Інші продукти поділу збираються в солі електроліту.
Інтегральний швидкий реактор охолоджується рідким натрієм або свинцем. Виробництво металевого палива простіше та дешевше, ніж керамічного. Металеве паливо робить вибір піропроцесу природним. У металевого палива краща теплопровідність теплоємність, ніж у оксидного палива служить сплав урану і плутонію.
Початкова закладка в інтегральний швидкий реактор повинна містити більше ізотопів, що діляться під дією теплових нейтронів ( > 20%), ніж у реактор на теплових нейтронах. Це можуть бути сильно збагачені уран або плутоній, списана ядерна зброя тощо. За час роботи реактор перетворює матеріали (фертильні), що не діляться під дією теплових нейтронів, в діляться. Фертильними матеріалами швидкому реакторі можуть бути збіднений уран (в основному U-238) природний уран, торій або уран перероблений з опроміненого палива звичайного водяного реактора.
Паливо міститься у сталевій оболонці з рідким натрієм, розташованим між паливом та оболонкою. Вільний простір над паливом дозволяє гелію та радіоактивному ксенону вільно збиратися без істотного збільшення тиску всередині паливного елемента і дозволяє паливу розширюватися не пошкоджуючи оболонки реактора.
Перевага свинцю в порівнянні з натрієм полягає в його хімічній інертності, особливо у воді або повітрі. З іншого боку, свинець набагато більше в'язок, що ускладнює його перекачування. Крім того, в ньому містяться ізотопи, що активуються нейтронами, яких практично відсутні в натрії.
Контури охолодження сконструйовані таким чином, що дозволяють передачу конвекцією тепла. Так що при втраті живлення насосами або несподіваною зупинкою реактора, тепло навколо активної зони буде достатньо для циркуляції охолоджувача.
В ІБР ізотопи, що діляться, не поділяються з ізотопами плутонію, а також з продуктами поділу і тому використання такого процесу для виробництва зброї практично неможливо. Крім того, плутоній не вилучається з реактора, що робить його несанкціоноване використання нереальним. Після того, як актиніди (уран, плутоній та мінорні актиніди) перероблені, залишаються відходи - продукти розподілу Sm-151 з періодом напіврозпаду 90 л або довготривалі як Tc-99 з періодом напіврозпаду 211000 л і більше.
Відходи ІБР або мають малі періоди напіврозпаду, або дуже великі, що означає, що вони радіоактивні слабко. Загальна кількість відходів ІБР становить 1/20 від переробленого палива (яке зазвичай вважається відходами) реакторів на теплових нейтронах із тією ж потужністю. 70% товарів розподілу або стабільні, або мають періоди напіврозпаду близько року. Технецій-99 та йод-129, яких 6% у продуктах поділу мають дуже великі періоди напіврозпаду, але можуть бути трансмутовані в реакторі в ізотопи з малими періодами напіврозпаду (15.46 с і 12.36 год) поглинанням нейтронів в реакторі. Цирконій-93 (5% у відходах) може бути перероблено в оболонки для палива, де радіоактивність не має значення. Інші компоненти відходів менш радіоактивні, ніж природний уран.
В ІБР використовується паливний цикл на два порядки більш ефективний, в частині використання палива, порівняно з традиційними циклами в реакторах на повільних нейтронах, що перешкоджає поширенню ядерної зброї, що мінімізує високоактивні відходи, більше того, використовує деякі відходи як паливо.
В ІБР паливо та оболонка сконструйована так, що при підвищенні температури та їх розширенні все більше нейтронів залишають активну зону, зменшуючи інтенсивність ланцюгової реакції. Тобто працює негативний коефіцієнт реактивності. В ІБР цей ефект настільки сильний, що здатний зупинити ланцюгову реакцію без втручання операторів

Піропрцесінг ‒ високотемпературний метод електролітичної переробки ВЯП. Порівняно з гідрометалургійним методом(наприклад PUREX) , Піропроцесинг використовується безпосередньо на реакторі.Розчинниками є розплавлені солі (наприклад, LiCl + KCl або LiF + CaF 2) та розплавлені метали (наприклад, кадмій, вісмут, магній), а не вода та органічні сполуки.У піропроцессингу вилучення урану, а також плутонію та мінорних актинідів відбувається одночасно і вони можуть відразу використовуватися як паливо. Обсяг відходів при цьому менший і в них містяться в основному продукти розподілу.Піро прцессінг використовується в ІБР та реакторах з розплавленими солями.

Металевий плутоній використовується в ядерній зброї та служить як ядерне паливо. Оксиди плутонію використовуються як енергетичне джерело для космічної техніки і знаходять своє застосування у ТВЕЛах. Плутоній використовується у елементах живлення космічних апаратів. Ядра плутонію-239 здатні до ланцюгової ядерної реакції при впливі на них нейтронів, тому цей ізотоп можна використовувати як джерело атомної енергії. Частіше використання плутонію-239 в ядерних бомбах обумовлено тим, що плутоній займає менший обсяг у сфері, отже можна виграти у вибуховій силі бомби за рахунок цієї властивості. Ядро плутонію при ядерній реакції випускає в середньому близько 2,895 нейтрону проти 2,452 нейтрону у урану-235. Однак витрати на виробництво плутонію приблизно в шість разів більші порівняно з ураном-235.

Ізотопи плутонію знайшли своє застосування при синтезі трансплутонієвих елементів. Таким чином, змішаний оксид плутонію-242 у 2009 р. та бомбардування іонами кальцію-48 у 2010 році того ж ізотопу були використані для отримання унунквадію. В Оук-Ріджській національній лабораторії тривале нейтронне опромінення Pu використовується для отримання 24496Cm, 24296Cm, 24997Bk, 25298Cf та 25399Es та 257100Fm. За винятком Pu, всі трансуранові елементи, що залишилися, проводилися в минулому в дослідницьких цілях. Завдяки нейтронному захопленню ізотопів плутонію в 1944 році Г. Т. Сіборг і його групою був здобутий перший ізотоп америція - 24195Am Am). Для підтвердження того, що актиноїдів всього 14 був зроблений в 1966 в Дубні синтез ядер резерфордія під керівництвом академіка Г. Н. Флерова:

24294Pu + 2210Ne → 260104Rf + 4n.

δ-Стабілізовані сплави плутонію застосовуються при виготовленні паливних елементів, так як вони мають кращі металургійні властивості в порівнянні з чистим плутонію, який при нагріванні зазнає фазових переходів.

«Надчистий» плутоній використовується в ядерній зброї ВМФ США та застосовується на кораблях та підводних човнах під ядерним захистом зі свинцю, що знижує дозове навантаження на команду.

Плутоній-238 і плутоній-239 є широко ізотопами, що широко синтезуються.

• Перший ядерний заряд на основі плутонію було підірвано 16 липня 1945 року на полігоні Аламогордо.

Ядерну зброю

Плутоній часто застосовувався в ядерних бомбах. Історичним фактом є скидання ядерної бомби на Нагасакі 1945 р. США. Бомба, скинута на це місто, містила 6,2 кг плутонію. Потужність вибуху становила 21 кілотонну. До кінця 1945 року загинуло 60-80 тис. Чоловік. Через 5 років загальна кількість загиблих, з урахуванням померлих від раку та інших довгострокових впливів вибуху, могла досягти або навіть перевищити 140 000 осіб.

Принцип, яким відбувався ядерний вибух за участю плутонію, полягав у конструкції ядерної бомби. «Ядро» бомби складалося зі сфери, наповненої плутонією-239, яка в момент зіткнення із землею стискалася до мільйона атмосфер за рахунок конструкції і завдяки вибуховій речовині, що оточує цю сферу. Після удару ядро ​​розширювалося обсягом і щільності за десяток мікросекунд, у своїй стислива збірка проскакувала критичний стан теплових нейтронах і ставала суттєво надкритичної на швидких нейтронах, тобто починалася ланцюгова ядерна реакція з участю нейтронів і ядер елемента. При цьому слід враховувати, що бомба не повинна була вибухнути передчасно. Однак це практично неможливо, оскільки, щоб стиснути плутонієву кулю за десяток наносекунд всього на 1 см, потрібно надати речовині прискорення, що в десятки трильйонів перевищує прискорення вільного падіння. Під час кінцевого вибуху ядерної бомби температура підвищується до десятків мільйонів градусів. Слід зазначити, що у час створення повноцінного ядерного заряду досить 8-9 кг цього елемента.

Всього один кілограм плутонію-239 може зробити вибух, який буде еквівалентний 20000 т тротилу. Навіть 50 г елемента при розподілі всіх ядер зроблять вибух, що дорівнює детонації 1000 т тротилу. Цей ізотоп є єдиним відповідним нуклідом для застосування в ядерній зброї, оскільки присутність хоча б 1% Pu призведе до утворення великої кількості нейтронів, які не дозволять ефективно застосовувати гарматну схему заряду ядерної бомби. Інші ізотопи розглядаються лише через їхню шкідливу дію.

Плутоній-240 може перебувати в ядерній бомбі в малих кількостях, проте якщо його вміст буде підвищено, відбудеться передчасна ланцюгова реакція. Цей ізотоп має високу ймовірність спонтанного поділу, що унеможливлює великий відсоток його вмісту в матеріалі.

За даними телеканалу Al-Jazeera, Ізраїль має близько 118 боєголовок із плутонієм як радіоактивну речовину. Вважається, що Південна Корея має близько 40 кг плутонію, кількості якого достатньо для виробництва шести ядерних ракет. За оцінками МАГАТЕ в 2007 році плутонію, що виробляється в Іраку, вистачало на дві ядерні боєголовки на рік. У 2006 р. Пакистан розпочав будівництво ядерного реактора, який дозволить напрацьовувати близько 200 кг радіоактивного елемента на рік. У перерахунку на кількість ядерних боєголовок ця цифра складатиме приблизно 40-50 бомб.

Між Росією та США було підписано кілька договорів упродовж першого десятиліття 21 століття. Так, зокрема, у 2003 р. було підписано договір про переробку 68 т плутонію на Балаківській АЕС у MOX-паливо до 2024 року. У 2007 р. країни підписали план про утилізацію Росією 34 т плутонію, створеного для російських програм зброї. 2010 року було підписано договір про утилізацію ядерної зброї, зокрема плутонію, кількості якої вистачило б на виробництво 17 тис. ядерних боєголовок.

У 2010 році 17 листопада між США та Казахстаном було підписано угоду про закриття промислового ядерного реактора БН-350 у місті Актау, яке виробляло електроенергію за рахунок плутонію. Цей реактор був першим у світі та Казахстані дослідно-промисловим реактором на швидких нейтронах; термін його роботи становив 27 років.

Ядерне забруднення

У період, коли починалися ядерні випробування, в основі яких лежав плутоній, і коли його радіоактивні властивості тільки починали вивчатися, в атмосферу було викинуто понад 5 т елемента. З 1970-х років частка плутонію в радіоактивному зараженні атмосфери Землі почала зростати.

У північно-західну частину Тихого океану плутоній потрапив переважно завдяки ядерним випробуванням. Підвищений вміст елемента пояснюється проведенням ядерних випробувань США на території Маршаллових Островів у Тихоокеанському полігоні в 1950-х роках. Основне забруднення від цих випробувань припало на 1960 року. Виходячи з оцінки вчених, знаходження плутонію в тихому океані підвищено порівняно із загальним розповсюдженням ядерних матеріалів на землі. За деякими розрахунками, доза опромінення, що походить від цезію-137, на атолах Маршаллових островів становить приблизно 95%, а на інші 5 доводяться ізотопи стронцію, америцію і плутонію.

Плутоній в океані переноситься завдяки фізичним та біогеохімічним процесам. Час знаходження плутонію в поверхневих водах океану становить від 6 до 21 року, що зазвичай коротше, ніж у цезію-137. На відміну від цього ізотопу, плутоній є елементом, що частково реагує з навколишнім середовищем і утворює 1-10% нерозчинних сполук від загальної маси, що потрапила в навколишнє середовище. Плутоній в океані випадає на дно разом із біогенними частинками, з яких він відновлюється в розчинні форми внаслідок мікробного розкладання. Найбільш поширеними з його ізотопів у морському середовищі є плутоній-239 та плутоній-240.

У січні 1968 року американський літак B-52 з чотирма зарядами ядерної зброї внаслідок неуспішної посадки розбився на льоду поблизу Тулі, на території Гренландії. Зіткнення викликало вибух та фрагментацію зброї, внаслідок чого плутоній потрапив на крижину. Після вибуху верхній шар забрудненого снігу було знесено і в результаті утворилася тріщина, через яку плутоній потрапив у воду. Для зменшення шкоди природі було зібрано приблизно 1,9 млрд літрів снігу та льоду, які могли зазнати радіоактивного забруднення. Згодом виявилося, що один із чотирьох зарядів так і не був знайдений.

Відомий випадок, коли радянський космічний апарат Космос-954 24 січня 1978 з ядерним джерелом енергії на борту при неконтрольованому сході з орбіти впав на територію Канади. Ця подія призвела до потрапляння в навколишнє середовище 1 кг плутонію-238 на площу близько 124 000 м².

Попадання плутонію в довкілля пов'язане не лише з техногенними обставинами. Відомі випадки витоку плутонію як із лабораторних, так і із заводських умов. Було близько 22 аварійних випадків витоку з лабораторій урану-235 та плутонію-239. Протягом 1953-1978 років. аварійні випадки спричинили втрату від 0,81 до 10,1 кг Pu. Події на промислових підприємствах сумарно призвели до смерті двох людей у ​​м. Лос-Аламос через два випадки аварій та втрат 6,2 кг плутонію. У місті Саров у 1953 та 1963 pp. приблизно 8 та 17,35 кг потрапило за межі ядерного реактора. Один із них призвів до руйнування ядерного реактора у 1953 році.

Рівні радіоактивності ізотопів станом на квітень 1986 року.

Відомий випадок аварії на Чорнобильській АЕС, який стався 26 квітня 1986 року. Внаслідок руйнування четвертого енергоблоку в довкілля було викинуто 190 т радіоактивних речовин на площу близько 2200 км². Вісім із 140 т радіоактивного палива реактора опинилися у повітрі. Забруднена площа становила 160 000 км². Для ліквідації наслідків було мобілізовано значні ресурси, понад 600 тис. осіб брали участь у ліквідації наслідків аварії. Сумарна активність речовин, викинутих у навколишнє середовище, становила, за різними оцінками, до 14×10 Бк, зокрема:

• 1,8 ЕБк - 13153I,
• 0,085 ЕБк - 13755Cs,
• 0,01 ЕБк - 9038Sr
• 0,003 ЕБк - ізотопи плутонію,
• частку благородних газів припадало близько половини від сумарної активності.

В даний час більшість жителів забрудненої зони отримує менше 1 мЗв на рік понад природний фон.

Джерело енергії та тепла

Як відомо, атомна енергія застосовується для перетворення на електроенергію за рахунок нагрівання води, яка випаровуючись і утворюючи перегріту пару обертає лопатки турбін електрогенераторів. Перевагою даної технології є відсутність будь-яких парникових газів, які надають згубний вплив на довкілля. За 2009 рік 438 атомних станцій по всьому світу генерували приблизно 371,9 ГВт електроенергії. Однак мінусом ядерної промисловості є ядерні відходи, яких у рік відпрацьовується приблизно 12000 т. Дана кількість відпрацьованого матеріалу є досить складним завданням перед співробітниками АЕС. До 1982 року було підраховано, що акумульовано ~300 т плутонію.

Пігулка діоксиду плутонію-238.

Жовто-коричневий порошок, що складається з діоксиду плутонію, може витримувати нагрівання до температури 1200 °C. Синтез сполуки відбувається за допомогою розкладання тетрагідроксиду або тетранітрату плутонію в атмосфері кисню:

Отриманий порошок шоколадного кольору спікається та нагрівається у струмі вологого водню до 1500 °C. При цьому утворюються таблетки щільністю 10,5-10,7 г/см³, які можна використовувати як ядерне паливо. Діоксид плутонію є найбільш стабільним та інертним з оксидів плутонію і за допомогою нагрівання до високих температур розкладається на складові, і тому застосовується при переробці та зберіганні плутонію, а також його подальшого використання як джерела електроенергії. Один кілограм плутонію еквівалентний приблизно 22 млн. кВт·г теплової енергії.

У СРСР було виготовлено кілька РІТЕГів Топазів, які були призначені для генерації електрики для космічних апаратів. Ці апарати були призначені працювати з плутонію-238, який є α-випромінювачем. Після падіння Радянського СоюзуСША закупили кілька таких апаратів для вивчення їхнього пристрою та подальшого застосування у своїх довготривалих космічних програмах.

РІТЕГ зонда Нові Горизонти.

Цілком гідною заміною плутонію-238 можна було б назвати полоній-210. Його тепловиділення складає 140 Вт/г, а лише один грам може розігрітися до 500 °C. Однак через його надзвичайно малого для космічних місійПеріод напіврозпаду застосування цього ізотопу в космічній галузі сильно обмежено.

Плутоній-238 у 2006 р. під час запуску зонда New Horizons до Плутона знайшов своє застосування як джерело живлення для зонда. Радіоізотопний генератор містив 11 кг високочистого діоксиду Pu, що виробляв у середньому 220 Вт електроенергії протягом усього шляху. Висловлювалися побоювання про невдалий запуск зонда, проте він все ж таки відбувся. Після запуску зонд розвинув швидкість 36 000 миль/год завдяки силам гравітації Землі. У 2007 році завдяки гравітаційному маневру навколо Юпітера його швидкість підвищилася ще на 9 тис. миль, що дозволить йому наблизитися до мінімальної відстані до Плутона в липні 2015 року і потім продовжити своє спостереження за поясом Койпера.

Зонди Галілео та Кассіні були також обладнані джерелами енергії, в основі яких лежав плутоній. Ізотоп застосовуватиметься і на майбутніх місіях, наприклад марсохід Curiosity отримуватиме енергію завдяки плутонію-238. Його спуск на поверхню Марса планується провести у серпні 2012 року. Марсохід використовуватиме останнє покоління РІТЕГів, зване Multi-Mission Radioisotope Thermoelectric Generator. Цей пристрій буде виробляти 125 Вт електричної потужності, а через 14 років - 100 Вт. Для роботи марсоходу вироблятиметься 2,5 кВт·год енергії за рахунок розпаду ядер. Плутоній-238 є оптимальним джерелом енергії, що виділяє 0,56 Вт·г. Застосування цього ізотопу з телуридом свинцю, який використовується як термоелектричний елемент, утворює дуже компактне і довгострокове джерело електрики без будь-яких рушійних частин конструкції, що дозволяє «заощадити» простір космічних апаратів.

РІТЕГ SNAP-27, який застосовувався в місії Аполлон-14.

Декілька кілограмів PuO 2 використовувалися не лише на Галілео, а й на деяких місіях Аполлонів. Генератор електроенергії SNAP-27, теплова та електрична потужність якого становила 1480 Вт та 63,5 Вт відповідно, містив 3,735 кг діоксиду плутонію-238. Для зменшення ризику вибуху або інших можливих подій використовувався берилій як термостійкий, легкий і міцний елемент. SNAP-27 був останнім типом генераторів, що використовували NASA для космічних місій; Попередні типи використовували інші джерела електроенергії.

При проведенні пасивного сейсмічного експерименту на Місяці в місії Аполлон-11 було використано два радіоізотопні теплові джерела потужністю 15 Вт, які містили 37,6 г діоксиду плутонію у вигляді мікросфер. Генератор був використаний у місіях Аполлона-12, 14, 15, 16, 17. Він мав забезпечувати електроенергією наукове обладнання, встановлене на космічних апаратах. Під час місії Аполлона-13 відбулося сходження місячного модуля з траєкторії, внаслідок чого він згорів у щільних шарах атмосфери. Усередині SNAP-27 був використаний вищезгаданий ізотоп, який оточений стійкими до корозії матеріалами і зберігатиметься в них ще 870 років.

Плутоній-236 та плутоній-238 застосовується для виготовлення атомних електричних батарей, термін служби яких досягає 5 і більше років. Їх застосовують у генераторах струму, що стимулюють роботу серця. Станом на 2003 р. у США було 50-100 осіб, які мають плутонієвий кардіостимулятор. Застосування плутонію-238 може поширитись на костюми водолазів та космонавтів. Берилій разом із вищезазначеним ізотопом застосовується як джерело нейтронного випромінювання.

У 2007 р. Великобританія розпочала знесення найстарішої ядерної електростанції Calder Hall на плутонії, яка розпочала свою роботу 17 жовтня 1956 року і завершила 29 вересня 2007 року.

Реактори-розмножувачі

Схематичне зображення реакторів-розмножувачів на швидких нейтронах з рідкометалевим теплоносієм, з інтегральним та петлевим компонуванням обладнання.

Для отримання більших кількостей плутонію будуються реактори-розмножувачі, які дозволяють напрацьовувати значну кількість плутонію. Реактори названі саме «розмножувачами» тому, що з їх допомогою можливе отримання матеріалу, що ділиться в кількості, що перевищує його витрати на отримання.

У будівництво перших реакторів даного типу почалося ще до 1950 р. У СРСР та Великобританії до їх створення приступили на початку 1950 р.р. Однак перші реактори були створені для вивчення нейтронно-фізичних характеристик реакторів із жорстким спектром нейтронів. Тому перші зразки мали продемонструвати не великі виробничі кількості, а можливість реалізації технічних рішень, закладених у перші реактори такого типу.

Відмінність реакторів-розмішувачів від звичайних ядерних реакторів полягає в тому, що нейтрони в них не сповільнюються, тобто відсутній уповільнювач нейтронів, щоб їх якнайбільше прореагувало з ураном-238. Після реакції утворюються атоми урану-239, який у подальшому і утворює плутоній-239. У таких реакторах центральна частина, що містить діоксид плутонію в збідненому діоксиді урану, оточена оболонкою ще збіднішого діоксиду урану-238, в якій і утворюється Pu. Використовуючи разом U та U такі реактори можуть виробляти з природного урану енергії в 50-60 разів більше, дозволяючи таким чином використовувати запаси найбільш придатних для переробки уранових руд. Коефіцієнт відтворення розраховується ставленням виробленого ядерного палива до витраченого. Однак досягнення високих показників відтворення є нелегким завданням. ТВЕЛи в них повинні охолоджуватися чимось відмінним від води, яка зменшує їхню енергію. Було запропоновано використання рідкого натрію як охолодний елемент. У реакторах-розмножувачах використовують збагачений більше 15% масою уран-235, для досягнення необхідного нейтронного опромінення і коефіцієнта відтворення приблизно 1-1,2.

Нині економічно вигідніше отримання урану з уранової руди, збагаченої до 3 % ураном-235, ніж розмноження урану плутоній-239 із застосуванням урану-235, збагаченого на 15 %. Простіше кажучи, перевагою бридерів є здатність у процесі роботи не лише виробляти електроенергію, а й утилізувати непридатний як ядерне паливо уран-238.