Плутоний

1. ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ

В 1940 Э. Макмиллан и П. Абелсон, проводя эксперименты на циклотроне Радиационной лаборатории Лоренца (Калифорнийский университет в Беркли), обнаружили образование нептуния в уране, облучённом нейтронами, генерируемыми в бериллии ионами дейтерия, ускоренными до высоких энергий. При этом оказалось, что ²³⁹Np, образующийся при β--распаде ²³⁹U, в свою очередь претерпевает β--распад, т.е. переходит в элемент, отстоящий на одну клетку вправо (мы теперь его зовём плутоний). Однако идентифицировать новый элемент они не смогли из-за его большого периода полураспада и низкой удельной активности. Сделали это радиохимики из того же Университета под руководством Гленна Сиборга.

Официально открытие изотопа плутония ²³⁸Pu, с периодом полураспада ~90 лет (86,4 г), приписывается Гленну Сиборгу (Glenn Seaborg), Эдвину Макмиллану (Edwin McMillan), Джону Кеннеди (Kennedy), и Артуру Уолху (Arthur Wahl). Через год был открыт другой изотоп - ²³⁹Pu с Т= ~24000 лет. В 1951 Сиборг и Эдвин Мак-Миллан (McMillan) получили Нобелевскую премию по химии «за открытия в области химии трансурановых элементов». (Кстати, Сиборг - единственный химик, имеющий патент на открытие элемента, даже двух: америция и кюрия).

Название элемента было предложено в 1948: Мак-Миллан назвал первый трансурановый элемент нептунием в связи с тем, что планета Нептун - первая за Ураном. По аналогии элемент 94 решили назвать плутонием, так как планета Плутон является второй за Ураном. Плутон, открытый в 1930, получил свое название от имени бога Плутона (он же Аид) - властителя подземного царства мёртвых по греческой мифологии.

В 1941 и начале 1942 в Калифорнийском университете изучались химические свойства плутония с индикаторными количествами. Было установлено, что высшее состояние окисления может быть получено обработкой низшего состояния окисления такими окислителями, как персульфат в присутствии ионов серебра, бихромат или перманганат калия. Низшее состояние валентности плутония получается путем восстановления сернистым ангидридом или бромид-ионом. Плутоний в водных растворах не восстанавливается до металла с помощью цинка и что плутоний не образует летучий четырехоксид.

Стабильное низшее состояние плутония - четырехвалентное, так как он соосаждается с Th(JО₃)₄. Для отделения больших количеств уранилнитрата от плутония была использована эфирная экстракция. Оказалось, что плутоний в его высшей степени валентности подобен шестивалентному урану, а в низшей - четырехвалентным урану и торию.

Первым реактором, на котором получили плутоний, был окриджский (штат Теннеси) реактор, содержащий тонны металлического урана. Уран можно было удалять и заменять новым. Реактор охлаждался воздушным дутьём. Он был пущен в октябре 1943, в январе 1944 выдал миллиграммовые количества плутония, а в феврале 1944 поставлял его уже граммами.

На Хэндворском заводе (штат Вашингтон), пущенном в конце 1944 были установлены охлаждаемые водой уран-графитовые реакторы. Этот завод начал выпускать плутоний в начале 1945. Разница в масштабе между лабораторными исследованиями и первым заводом в Хэнфорде была оценена множителем 109.

Созданное производство позволило получить 2.02.1945 плутоний в количествах, достаточных для изготовления нескольких атомных бомб.

В нашей стране история оружейного плутония началась в декабре 1946, когда в Москве на территории Лаборатории No 2 (ныне ГНЦ «Курчатовский институт») в Покровском-Стрешневе заработал созданный под руководством И.В.Курчатова небольшой ядерный реактор Ф-1. Химическую переработку облученных в реакторе урановых блоков – стержней длиной 100 мм и диаметром 32 или 35 мм в алюминиевой оболочке – сначала опробовали на установке У-5 в расположенном рядом НИИ-9 (ныне ФГУП НИИ неорганических материалов им. А.А.Бочвара). Затем недалеко от г. Кыштым близ Челябинска был пущен Комбинат No 817 (ныне ПО «Маяк»), в состав которого вошли три завода: «А» – ядерный реактор, «Б» – радиохимический завод и «В» – металлургический завод. Первый промышленный ядерный реактор начал работать на полную мощность 22.06.1948, растворение облученных блоков на заводе «Б» началось 22.12.1948, а первый слиток металлического плутония – массой всего 8,7 г – был получен восстановлением хлорида плутония на заводе «В» 14.04.1949. Плутоний для изготовления атомной бомбы РДС-1 представлял собой две полусферы общей массой 6 кг, покрытые тонкой никелевой плёнкой. В середине 1949 г. их отправили в Арзамас-16 (КБ-11, ныне ВНИИ экспериментальной физики), а затем на Семипалатинский полигон. Лишь на полигоне провели окончательную сборку бомбы: в ее центральную часть вмонтировали полоний-бериллиевый источник нейтронов. Первый испытательный взрыв осуществлён 29.08.1949.

Через несколько лет плутоний оружейного качества уже в промышленных масштабах нарабатываться заводами СССР, а вскоре этот металл стал производиться в Великобритании и Франции. После развития атомных электростанций, плутоний самопроизвольно начал образовываться в ТВЭЛах энергетических, тепловых и транспортных реакторов. Оружейный плутоний из отработанного топлива не выделяется, хотя некоторые страны извлекают из отработанного ядерного топлива гражданский плутоний с целью производства смешанного уран-плутониевого топлива тех же энергетических атомных реакторов.

2. ИЗОТОПЫ ПЛУТОНИЯ

Из 100 возможных изотопов плутония в настоящее время синтезированы 25, у 16 из них изучены ядерные свойства, четыре нашли практическое применение .

Все изотопы плутония получены искусственно. Для синтеза плутония используются заряженные частицы большой энергии, такие, как дейтоны и ионы гелия, ускоренные в циклотроне. Легкие изотопы обычно можно получить путем реакции с заряженными частицами. Более тяжелые изотопы получаются в результате нейтронных реакций в ядерных реакторах. Наиболее устойчив изотоп ²⁴⁴Pu (T=8,05⋅10⁷ лет).

Pu-236

В плутониевой фракции, полученной из природного урана, бомбардированного ионами гелия с энергиями 40 МэВ, наблюдали группу α-частиц с пробегом 4,35 см (5,75 МэВ). Эта группа относилась к изотопу ²³⁶Pu, образующемуся по реакции ²³⁵U(α,3n)²³⁶Pu. ²³⁶Pu - α-излучатель (три группы частиц, дочерний нуклид ²³²U), период полураспада 2.851 лет, способен к самопроизвольному делению. Скорость самопроизвольного деления 5,8⋅10⁷ делений на 1 г/час соответствуют периоду полураспада для этого процесса 3,5⋅10⁹ лет. Изотоп ²³⁶Pu используют для изучения метаболизма плутония в организме и в радиоэкологических исследованиях.

Pu-237

²³⁷ Pu возникает при бомбардировке природного урана ионами гелия с энергией 40 МэВ . В небольших количествах получается и при облучении урана реакторными нейтронами. Основной тип распада – электронный захват (99%, характеристическое рентгеновское излучение, образование ²³⁷Np), но имеет место α-распад с образованием ²³³U и слабое γ-излучение, период полураспада 45,2 дня. ²³⁷Pu находит применение в системах контроля химического выхода плутония в процессе его выделения из проб окружающей среды, а также для исследований метаболизма плутония в человеческом организме .

Pu-238

Плутоний-238 – исторически первый открытый изотоп плутония. Его ядра, как, впрочем, ядра всех изотопов плутония с чётными массовыми числами, тепловыми нейтронами не делятся, поэтому он не может служить ядерной взрывчаткой. T_1/2= 87,74 г, поперечное сечение захвата тепловых нейтронов σ= 5⋅10^{- 26} м² ). Скорость самопроизвольного деления 5,1⋅10⁶ делений на 1 г/час соответствуют периоду полураспада для этого процесса 3,8⋅10¹⁰ лет. При этом развивается очень высокая тепловая мощность: 567 Вт/кг. Период полураспада по делению 3,8⋅10¹⁰ лет. Широко применяется как источник тока в космической технике и в медицине.

При α-распаде ²³⁸Pu выделяется 5,5 МэВ энергии. В источнике электричества, содержащем один килограмм плутония-238, развивается тепловая мощность 560 ватт. Максимальная мощность такого же по массе химического источника тока – 5 ватт. Существует немало излучателей с подобными энергетическими характеристиками, но одна особенность плутония-238 делает этот изотоп незаменимым. Обычно альфа- распад сопровождается сильным гамма-излучением. 238Pu – исключение. Энергия γ-квантов, сопровождающих распад его ядер, невелика, защититься от нее несложно: излучение поглощается тонкостенным контейнером. Мала и вероятность самопроизвольного деления ядер этого изотопа. Поэтому он нашел применение не только в источниках тока, но и в медицине. Батарейки с плутонием-238 служат источником энергии в специальных стимуляторах сердечной деятельности.

Pu-239

Практически самый важный - изотоп ²³⁹Pu с периодом полураспада Т^1/2=2.44·10⁴ лет, испускающий α- частицы (5,15 (69%), 5,453 (24%) и 5,351(0,15%) МэВ и слабое γ-излучение, поперечное сечение захвата тепловых нейтронов σ= 2,71⋅10^-26 м². Скорость самопроизвольного деления 36 делений на 1 г/час соответствуют периоду полураспада для этого процесса 5,5⋅10¹⁵ лет. 1 кг ²³⁹Pu эквивалентен 22 милионам киловатт час тепловой энергии. Взрыв 1 кг плутония равен взрыву 20000 тонн тротила. Единственный изотоп плутония, используемый в атомном оружии.

Этот изотоп делится под действием тепловых нейтронов и используется в ядерных реакторах в качестве горючего, и в атомных бомбах, как ядерное вещество. Он - первый искусственный элемент, производство которого началось в промышленных масштабах .

Отделение плутония от урана, проводимое химическими методами, представляет относительно более простую задачу, чем разделение изотопов урана. Вследствие этого стоимость плутония вдвое ниже стоимости ²³⁵ U. Когда ядро ²³⁹Pu делится нейтронами на два осколка примерно равной массы, выделяется около 200 МэВ энергии.

²³⁹Pu имеет большие сечения рассеивания и поглощения, чем уран и большее число нейтронов в расчете на одно деление (3,03 нейтрона на один акт деления по сравнению с 2,47 у ²³⁵U), и, соответственно, меньшую критическую массу (для высокообогащенного урана значение критической массы составляет 52 кг, для оружейного плутония - 11 кг при пушечной схеме атомной бомбы, при имплозивной схеме, критические массы, естественно, намного меньше (для ²³⁹Pu не более 6 кг).

Относительно короткий период полураспада ²³⁹Pu (по сравнению с ²³⁵U) подразумевает значительное выделение энергии при радиоактивном распаде. ²³⁹Pu производит 1.92 Вт/кг. Это выше, чем средняя теплота обмена веществ у взрослого человека. Как следствие, на ощупь плутоний достаточно теплый. Если кусок плутония хорошо теплоизолировать, он разогреется до температуры свыше 100° за два часа и вскоре до точки перехода альфа в бета фазу. Такой разогрев представляет проблему для конструирования оружия из-за изменения объема, фазовых переходов нестабилизированного плутония.

Pu-240

Плутоний-240 образуется при интенсивном облучении плутония тепловыми нейтронами по реакции ²³⁹ Pu(n,γ)²⁴⁰Pu. Он также может быть получен при бомбардировке урана ионами гелия с энергией 40 МэВ по реакции ²³⁸U(α,2n)²⁴⁰Pu. Скорость самопроизвольного деления 1,6⋅10⁶ делений на 1 г/час соответствуют периоду полураспада 1,2⋅10¹¹ лет. α-излучатель (5,162 (76%) и 5,118 (24%) МэВ), период полураспада 6600 лет.

Плутоний-240 - основной изотоп, загрязняющий оружейный 239Pu. Уровень его содержания важен из- за интенсивности спонтанного деления - 415000 делений/с⋅кг, испускается 1000000 нейтронов/с·кг так как каждое деление рождает 2.26 нейтрона - в 30000 раз больше, чем у ²³⁹Pu. Наличие всего 1% этого изотопа производит так много нейтронов, что пушечная схема заряда уже неработоспособна – начнётся раннее инициирование взрыва и заряд будет распылён до того, как взорвётся основная масса взрывчатки. Пушечная схема возможна только при 100% содержании ²³⁹Pu, добиться чего практически не реально. Поэтому плутониевые бомбы собирают по имплозивной схеме, которая допускает использование плутония довольно сильно загрязнённого изотопом ²⁴⁰Pu. В стандартном оружейном плутонии содержание ²⁴⁰Pu не превышает 6.5%. Более высокие уровни приведут к предетонации (и уменьшению заряда) даже с очень быстрой имплозией. ²⁴⁰Pu хорошо делится, несколько лучше ²³⁵U. Однако высокие концентрации такого изотопа увеличивают требуемую критическую массу, создавая проблему нейтронного фона. Вследствие короткого

времени жизни (1/4 от ²³⁹Pu), тепловой выход выше, 7.1 Вт/кг, обостряя проблему перегрева. Удельная активность плутония-240227 мКи/г.

Pu-241

Плутоний-241 получается при сильном облучении плутония нейтронами, а также в циклотроне по реакции ²³⁸U(α,n)²⁴¹Pu. β-- (99%, 0,02 МэВ) и α (1%, две линии: 4,893 (75%) и 4,848 (25%) МэВ) и γ- излучатель. Этот изотоп так же делим, как и ²³⁹Pu (сечение деления тепловыми нейтронами около 1000 барн), имеет низкий нейтронный фон и умеренную тепловую мощность и потому непосредственно не влияет на удобство применения плутония. Он распадается через 14 лет в ²⁴¹Am, который очень плохо делится и создаёт много тепла: 106 Вт/кг. ²⁴¹Pu обладает большим сечением деления на нейтронах реактора (1100 барн), что имеет значение в использовании плутония в качестве реакторного горючего. Если оружие первоначально содержит ²⁴¹Pu, то через несколько лет его реакционная способность падает, и это следует учитывать для предотвращения уменьшения мощности заряда и увеличения самонагрева. Сам ²⁴¹Pu сильно не нагревается (всего 3.4 Вт/кг) несмотря на свой очень короткий период полураспада из-за очень слабого β-распада.

Удельная активность 241Pu 106 Ки/г.

Pu-242

Один из самых интересных изотопов плутония – ²⁴²Pu можно получить, облучая длительное время ²³⁹Pu в потоках нейтронов. ²⁴²Pu очень редко захватывает нейтроны и потому «выгорает» в реакторе медленнее остальных изотопов; он сохраняется и после того, как остальные изотопы плутония почти полностью перешли в осколки или превратились в ²⁴²Pu. ²⁴²Pu важен как «сырье» для сравнительно быстрого накопления высших трансурановых элементов в ядерных реакторах. ²⁴²Pu тепловыми нейтронами не делится, его и в больших количествах можно облучать в интенсивных нейтронных потоках. Поэтому в реакторах из этого изотопа накапливают в весовых количествах все элементы от калифорния до эйнштейния. Скорость самопроизвольного деления 2,9⋅10⁶ делений на 1 г/час соответствуют периоду полураспада для этого процесса 6,7⋅10¹⁰ лет. ²⁴²Pu - α-излучатель (4,88 МэВ), период полураспада 37500 лет. Поперечное сечение реакции ²⁴¹Pu(n,γ)²⁴²Pu на медленных нейтронах примерно 250 барн. Интенсивность испускания нейтронов ²⁴² Pu 840000 делений/с⋅кг (вдвое выше ²⁴⁰Pu), кроме того, он плохо подвержен вынужденному делению (делится только нейтронами высоких энергий, хотя и склонен к самопроизвольному делению). При заметной

концентрации ²⁴²Pu серьезно увеличивает требуемую критическую массу и нейтронный фон. Имея большую продолжительность жизни и маленькое сечение захвата, ²⁴²Pu накапливается в переработанном реакторном топливе. Удельная активность ²⁴²Pu 4 мКи/г.

Pu-243

Плутоний-243 впервые обнаружен в химически очищенном образце, облучённого нейтронами плутония, содержащего ²⁴²Pu. Это - β-- (энергия 0,56 МэВ) и γ-излучатель (несколько линий в интервале 0,09 – 0,16 МэВ) с периодом полураспада 4,98 часа. Поперечное сечение реакции ²⁴²Pu(n,γ)²⁴³Pu на медленных нейтронах 100 барн.

Pu-244

Плутоний-244 накапливают в ядерном реакторе (из ²⁴³Am). ²⁴⁴Pu (T1/2= 8,26·10⁷ лет), поперечное сечение захвата тепловых нейтронов σ= 1,9⋅10-27 м². Это не только самый долгоживущий изотоп плутония, но и самый долгоживущий из всех изотопов трансурановых элементов! Следы этого изотопа нашли в редкоземельном минерале бастнезите. Из-за его высокой стабильности это перспективный для химических исследований изотоп. Его удельная активность в 3000 раз меньше удельной активности ²⁴⁴Pu. Однако до сих пор неизвестны способы получения ²⁴⁴Pu в заметных количествах и в изотопически чистом виде.

Предпринимались попытки найти более живучий чем ²⁴⁴Pu изотоп трансуранового элемента. Но все попытки остались тщетными. Одно время возлагали надежды на кюрий-247, но после того, как этот изотоп был накоплен в реакторе, выяснилось, что его период полураспада всего 14 млн лет. Побить рекорд ²⁴⁴Pu не удалось.

Еще более тяжелые изотопы плутония подвержены бета-распаду, и их время жизни лежит в интервале от нескольких дней до нескольких десятых секунды. В термоядерных взрывах образуются все изотопы плутония, вплоть до ²⁵⁷Pu. Но их время жизни – десятые доли секунды, и изучить многие короткоживущие изотопы плутония пока не удалось.

3. СВОЙСТВА ПЛУТОНИЯ

Плутоний - очень тяжелый серебристый металл, блестящий подобно никелю. Крайне электроотрицательный, химически активный элемент, гораздо в большей степени, чем уран. Он быстро тускнеет, образую радужную пленку, вначале светло-жёлтую, со временем переходящую в тёмно-пурпурную. Если окисление довольно велико, на его поверхности появляется оливково-зеленый порошок оксида (PuO2).

Плутоний имеет множество специфических свойств. Он обладает самой низкой теплопроводностью изо всех металлов, самой низкой электропроводностью (лишь марганец составляет ему конкуренцию). В своей жидкой фазе это самый вязкий металл. Имеет шесть кристаллических модификаций. При изменении температуры плутоний подвергается самым сильным и неестественным изменениям плотности (аллотропные превращения). Вследствие своей радиоактивности, плутоний теплый на ощупь. Большой кусок плутония в термоизолированной оболочке разогревается до температуры, превышающей температуру кипения воды.

Атомный номер	94
Атомная масса (молярная масса)	244,0642 а.е.м. (г/моль)
Радиус атома	151 пм
Энергия ионизации (первый электрон)	491,9(5,10) кДж/моль (эВ)
Плотность	19,84 г/см3
Теплопроводность	(6,7) Вт/(м·K)
Температура плавления	914 K
Теплота плавления	2,8 кДж/моль
Температура кипения	3505 K
Теплота испарения	343,5 кДж/моль

Плутоний обладает шестью различными фазами (кристаллическими структурами) в твердой форме , больше чем любой другой элемент (в действительности их найдено семь). Некоторые переходы сопровождаются разительными изменениями объема. В двух из этих фаз - дельта и дельта прим — плутоний обладает уникальным свойством сжиматься при повышении температуры, а в остальных - имеет чрезвычайно большой температурный коэффициент расширения. При расплавлении плутоний сжимается, позволяя нерасплавленному плутонию плавать. В своей максимально плотной форме, α- фазе, плутоний шестой по плотности элемент (тяжелее его только осмий, иридий, платина, рений и нептуний). В α-фазе чистый плутоний хрупок, но существуют его гибкие сплавы.

α-Фаза (устойчивая при комнатной температуре) имеет необычно высокий положительный коэффициент расширения и отрицательный температурный коэффициент электросопротивления, а δ-фаза (устойчивая при нагревании в интервале 319-451о) имеет отрицательный коэффициент расширения и положительный температурный коэффициент электросопротивления. Электрическое сопротивление всех фаз высокое, более характерное для полупроводника, чем для металла. Примеси сильно влияют лишь на немногие свойства плутония. В течение нескольких лет δ'-фазу не удавалось обнаружить главным образом потому, что она выпадала или подавлялась очень небольшими количествами элементов, присутствовавшими в качестве примесей. Поэтому вначале некоторые исследователи плутония связывали необычные свойства плутония с наличием примесей в металле. Однако результаты более поздних работ с металлом относительно высокой степени чистоты показали, что примеси не так уж сильно влияют на свойства плутония.

В зарядах атомных бомб чистый плутоний не применяется. Обычно используются сплавы плутония с другими металлами, например, галлием, небольшое количество которого увеличивает стабильность дельта- фазы, и, тем самым, упрощает обработку плутония. Для того чтобы получить симметричную кубическую структуру плутония при комнатной температуре ученые, работавшие над Манхэттенским проектом, эмпирическим путем пришли к необходимости образования сплава плутония с небольшим количеством галлия, позволяющего получить поддающиеся технологической обработке таблетки плутония. Вместе с тем, природа взаимодействия двух химических элементов оставалась непонятной. 60 лет. Не было ясного объяснения, почему галлий преобразует низкосимметричную структуру плутония в кубическую. Только в 2007 выяснилось, что в чистом плутонии связи между атомами очень неравномерны, чем вызвана склонность металла принимать низкосимметричную структуру. Однако когда атомы галлия помещаются в атомную решетку плутония, они делают атомные связи более однородными, создавая высокосимметричную кубическую решетку. Галлий уравнивает атомные связи в плутонии, стабилизируя кубическую структуру при комнатной температуре.

Попутно заметим, что в оружии, основанном на цепной реакции деления, ударная волна, сжимающая плутониевый заряд, вызывает переход плутония из дельта-фазы в более плотную α-фазу, тем самым существенно облегчая достижение сверхкритичности.

4. ОРУЖЕЙНЫЙ ПЛУТОНИЙ

Изотопы плутония получают в урановых промышленных реакторах на медленных нейтронах по реакции (n, γ).

Наиболее важный в практическом отношении изотоп ²³⁹Pu получают в ядерных реакторах при

длительном облучении нейтронами природного или обогащенного урана.

Обычно содержание ²³⁹Pu в смеси составляет 90-95%, ²⁴⁰Pu-1-7%, содержание других изотопов не превышает десятых долей процента. Тяжёлые долгоживущие изотопы Pu получают при длительном облучении нейтронами ²³⁹Pu. Выход ²⁴²Pu составляет несколько десятков процентов, a ²⁴⁴Pu - доли процента от содержания ²⁴²Pu. Весовые количества изотопно чистого ²³⁸Pu образуются при облучении нейтронами ²³⁷ Np. Лёгкие изотопы плутония с массовыми числами 232-237 обычно получают на циклотроне при облучении изотопов урана α-частицами.

Самым известным оружейным изотопом плутония является ²³⁹Pu, менее известно, что ²⁴¹Pu, нарабатываемый в реакторе из ²⁴⁰Pu, так же способен к самопроизвольному делению и, следовательно, при случае может стать оружейным. Далее мы под оружейным будем понимать ²³⁹Pu с примесью ²⁴⁰Pu.

К концу 20-го века в мире было произведено в общей сложности около 1300 тонн плутония, из которого около 300 т для оружейного использования, остальное - побочный продукт АЭС (реакторный плутоний).

По классификации изотопных составов плутония, принятой в США:

плутоний относится к плутонию оружейного качества (WGPu), если содержание изотопа ²⁴⁰Pu составляет менее 7% (в некоторых зарядах используется плутоний с содержанием ²⁴⁰Pu менее 1,7%;

плутоний относится к плутонию "топливного" качества (FGPu), если содержание изотопа ²⁴⁰Pu составляет от 7% до 18%;

плутоний относится к плутонию "реакторного" качества (RGPu), если содержание изотопа ²⁴⁰Pu составляет более 18%.

Оружейный плутоний отличает от реакторного не столько степень обогащения и химический состав, сколько изотопный состав, сложным образом зависящий как от времени облучения урана нейтронами, так и от времени хранения после облучения. Особенно важно содержание изотопов ²⁴⁰Pu и ²⁴¹Pu.

При комнатной температуре плутоний представляет собой кристаллическую структуру, называемую «альфа фаза». В этой форме плутоний имеет свою максимальную плотность - 19.84 г/см3 при 20°. Атомы в α- альфа фазе связаны ковалентной связью (в отличии от металлической связи), поэтому физические свойства ближе к минералам, чем к металлам. Это твёрдый, хрупкий и ломающийся в определенном направлении материал. α-фаза не поддается обработке обычными для металлов технологиями производства. В самом «лёгком» виде, дельта-фазе (плотность 15.9), плутоний достаточно ковкий и вязкий. Так же и в γ-фазе. В δ- фазе плутоний имеет нормальные металлические свойства, включая превосходную ковкость. Дельта фаза имеет прочность и пластичность сходную с алюминием, делая простой обработку и отливку. Хотя δ-фаза и проявляет аномальное свойство сжиматься при нагревании, этот отрицательный коэффициент расширения невелик. Плутоний в δ-фазе неустойчив - стремится осесть в плотную α-фазу под очень небольшим давлением, увеличив на 25% свою плотность. В чистом плутонии δ-фаза не может существовать при давлении более 1 килобара. Увеличение на 25% плотности урана (или α-фазы плутония) требует давления 450 килобар. При давлениях свыше 30 килобар плутоний существует только в α- и β-фазах. Это свойство перехода дельта→альфа фазы (и увеличение его плотности на 25%) используется в имплозионных схемах оружия.

Плутоний можно стабилизировать в δ-фазе при комнатной температуре путем сплавления его с трёхвалентными металлами, такими как галлий, алюминий, церий, индий и америций в концентрации нескольких молярных процентов. Даже стабилизированная, δ-фаза продолжает оставаться легко сжимаемой давлением в несколько килобар. Интересен факт, что в стабилизированном галлием плутонии δ-фаза действительно метастабильна при содержании галлия менее 4 мол%. Это означает, что процесс фазового перехода под давлением в α-фазу необратим. Для оружейного применения плутоний стабилизируется в δ- фазе сплавлением с 3-3.5 мол% (0.9-1% по весу) галлия. Этот сплав стабилен при температурах по крайней мере от -75 до 475°. Стабилизация предотвращает изменения объема плутония при колебаниях температуры после изготовления, что может повредить прецезионно сделанные компоненты устройства. Сплав имеет почти нулевой коэффициент теплового расширения. Так же он облегчает литье из-за наличия единственного эпсилон→дельта фазового перехода во время охлаждения. Наконец, стабилизация снижает восприимчивость плутония к коррозии. Трёхпроцентный галлиевый сплав применялся в Gadget`е и Fat Man`е. Если не считать галлий, плутоний в их ядрах был очень высокой чистоты.

Алюминий хороший материал для сплавления, но первоначально он отсутствовал в американской оружейной программе из-за образования нейтронов в результате реакций α→n. Церий не использовался вообще, т.к. он не давал стойкость к коррозии. Плутоний для ядер бомб покрывается слоем металла (обычно никелем) для защиты его от ржавчины и снижения биологической опасности. Никелем были покрыты ядра Fat Man'а, бомб, взорванных в операции Crossroads, и первом советском заряде РДС-1.

Хотя испускание нейтронов не является такой уж серьезной проблемой для конструкторов оружия, оно может создать сложности в производстве и обращении с таким зарядом. Нейтроны создают дополнительный вклад в облучение тех, кто собирает или обслуживает оружие. Заряды требующие непосредственный контакт с людьми, например Davy Crocket, требуют по этой причине сверхчистого плутония с низким уровнем испускания нейтронов. Непосредственная отливка и обработка плутония выполняется вручную в герметичных камерах с перчатками для оператора. Это подразумевает совсем небольшую защиту человека от испускающего нейтроны плутония. Поэтому плутоний с большим содержанием ²⁴⁰Pu обрабатывается только дистанционно либо жёстко ограничивается время работы с ним каждого работника. Этими причинами (радиоактивность, худшие свойства ²⁴⁰Pu) объясняется, почему плутоний реакторного качества не применяется для изготовления оружия - дешевле нарабатывать оружейный плутоний в специальных реакторах. Хотя и из реакторного плутония, как мы уже говорили, можно изготовить ядерное взрывное устройство.

5. РАДИОТОКСИЧНОСТЬ ПЛУТОНИЯ

Хотя плутоний химически токсичен, как и любой тяжелый металл, но этот эффект выражается слабо по сравнению с его радиотоксичностью. Все изотопы и соединения плутония ядовиты. Токсические свойства плутония появляются как следствие α-радиоактивности, т.к. обычно приходится работать с α-активными изотопами плутония (например, с ²³⁹Рu). Альфа частицы представляют серьезную опасность только в том случае, если их источник находится в теле (т.е. плутоний должен быть принят внутрь). При этом, α-частицы повреждают только ткани, содержащие плутоний или находящиеся в непосредственном контакте с ним. Хотя плутоний излучает еще и γ-лучи и нейтроны, которые могут проникать в тело снаружи, уровень их слишком мал, чтобы причинить сильный вред. Разные изотопы плутония обладают разной токсичностью: типичный реакторный плутоний в 8-10 раз токсичнее чистого ²³⁹Pu.

При поступлении с водой и пищей, плутоний менее ядовит, чем такие известные вещества, как кофеин, ацетаминофен, некоторые витамины, псевдоэфедрин и множество растений и грибов. Он чуть менее вреден этилового спирта, но вреднее табака и, тем более, всех запрещённых наркотиков. С химической точки зрения при приёме внутрь, он ядовит как свинец и другие тяжёлые металлы (Кто пробовал, утверждают, что у плутония типичный вкус металла). Спорообразующие палочки, вызывающие ботулизм, бактерии вызывающие столбняк, мухоморы и т.п. намного страшнее плутония. Не так уж опасен плутоний и при вдыхании – с точки зрения ингаляции это – рядовой токсин (примерно соответствует парам ртути).

Не удивительно, что за всю историю ядерной индустрии достоверно зафиксирован единственный случай смерти от плутония, а смерти из-за плутония, попавшего в организм человека через лёгкие или желудок, до сих пор ни разу не случилось (здесь мы не учитываем гибель нескольких человек, превысивших на своём рабочем месте критическую массу плутония). Выжили и те 26 американцев, кто был переоблучён плутонием в 40-ых годах, а также 18 добровольцев, которым вводили плутоний для изучения темпов его вывода из человеческого организма.

Другое дело, что при ингаляции плутоний обладает канцерогенным эффектом и способен вызвать рак лёгкого. Но опять же: природные β- и γ- излучатели (например, ¹⁴С и ⁴⁰К) при поступлении с пище гораздо канцерогенней, так как могут вызывать такие виды раков, на которые α-излучатели (в том числе – плутоний), в принципе не способны.

Тем не менее, плутоний, естественно, опасен, т.к. при вдыхании и при приёме пищи, концентрируется непосредственно в кроветворных участках костей и может вызвать заболевание даже через много лет после поступления в организм.

α-частицы обладают относительно малой проникающей способностью: для ²³⁹Рu пробег α-частиц в воздухе составляет 3,7 см, а в мягкой биологической ткани - 43 мк. В совокупности с высокой полной ионизацией (1,47⋅107 пар ионов на одну α-частицу) небольшая величина пробега обусловливает значительную величину плотности ионизации. А чем выше плотность ионизации, тем больше биологический эффект. Поскольку пробег α-частиц в твёрдом веществе мал, резиновые перчатки, надетые на руки работающего, служат достаточной защитой.

Особенно опасно попадание радиоактивных веществ внутрь организма. В связи с тем, что α-излучение плутония производит большие необратимые изменения в скелете, печени, селезёнке и почках, все изотопы плутония относят к группе элементов с особо высокой радиотоксичностью (группа А токсичности). Эти изменения трудно диагностировать; они не проявляются настолько быстро, чтобы можно было принять меры к искусственному выведению плутония с помощью растворов комплексующих реагентов.

Плутоний очень плохо всасывается желудочно-кишечным трактом, даже когда попадает в виде растворимой соли, впоследствии она все равно связывается содержимым желудка и кишечника. Загрязненная вода, из-за предрасположенности плутония к осаждению из водных растворов и к формированию нерастворимых комплексов с остальными веществами, имеет тенденцию к самоочищению. Плутоний в своём четырехвалентном состоянии уже в течение нескольких суток на 70-80% отлагается в тканях печени человека и на 10-15% - в костных тканях. Плутоний, попавший в желудочно-кишечный тракт, менее ядовит, чем хорошо известные яды цианид или стрихнин. Поглощение 500 мг плутония как мелкораздробленного или растворенного материала может привести к смерти (цианида хватило бы 100 мг) от острого облучения пищеварительной системы за несколько дней или недель. Вдыхание 100 мг плутония в виде частиц оптимального для удержания в лёгких размера ведёт к смерти от отека лёгких за 1-10 дней. Вдыхание дозы в 20 мг ведет к смерти от фиброза за 1 месяц. Для доз много меньших этих величин проявляется хронический канцерогенный эффект.

Попавший в организм плутонии выделяется медленно. Скорость выделения такова, что через 50 лет после попадания в организм остается 80% усвоенного количества. Период биологического полувыведения плутония 80-100 лет при нахождении в костной ткани, т.о. концентрация его там практически постоянна. Период полувыведения из печени - 40 лет. Хелатные добавки могут ускорить выведение плутония. Максимально допустимым содержанием плутония в организме считается такое количество, которое может находиться неограниченное время в организме взрослого человека, не причиняя ему вреда. В настоящее время эта величина для ²³⁹Pu установлена равной 0,047 мккюри что эквивалентно 0,75 мкг.

6. РАДИОЭКОЛОГИЯ ПЛУТОНИЯ

Величины периодов полураспада всех изотопов плутония много меньше возраста Земли, и поэтому весь первичный плутоний (существовавший на нашей планете при её формировании) полностью распался. Однако ничтожные количества ²³⁹Pu постоянно образуются при β-распаде ²³⁹Np, который, в свою очередь, возникает при ядерной реакции ²³⁸U с нейтронами (например, нейтронами космического излучения).

Концентрация плутония определяется вековым равновесием. Следы (количество - одна часть на 1015) обнаружены в урановых рудах. Найденная в канадской смоляной руде и карнотите α-активность обязана ²³⁹ Рu, образовавшемуся из ²³⁸U при нейтронном захвате. В урановой руде Конго (Африка) один грамм плутония приходится на 4 млн. т урана. Содержание ²³⁹Pu в смоляных и монацитовых рудах колеблется в небольших пределах: ²³⁹Pu:U=(0,7-2)⋅10^-11. ²³⁹Pu образуется из ²³⁸U под действием нейтронов, возникающих при спонтанном делении ²³⁸U, и также при делении ²³⁵U и в результате реакций (α,n) на лёгких элементах. Чрезвычайно малые количества ²⁴⁴Pu (самого долгоживущего изотопа плутония, Т=80 миллионов лет) были обнаружены в цериевой руде, по видимому, оставшиеся там со времен формирования Земли.

До пуска в 1942 первого ядерного реактора Э.Ферми в г. Чикаго США, во всей Земной коре и растворенном виде в воде Мирового океана находилось менее 50 кг плутония. В ходе развития ядерных технологий, за счет несовершенных технологий переработки плутоний попал в окружающую среду в местах расположения ядерных производств.

Как было сказано, в экосфере Земли природные источники плутония практически отсутствуют. Однако, действуют техногенные источники: аварии на АЭС, атомных подводных лодок, некоторых космических аппаратов, деятельность предприятий ядерной индустрии, возрастающее использование изотопов плутония в науке и технике. Сказываются и последствия ядерных испытаний. Например, в результате ядерных испытаний в середине 20-го века, в атмосферу выделилось 7-10 т суммы изотопов плутония. Испытания в 1945-1976 гг. привели к выбросу в окружающую среду изотопов плутония ^{239, 240}Pu - 13 ТБк, ²⁴¹Pu - 360 ТБк, и 0,13 ТБк других трансурановых элементов.

В 1964 при сгорании спутника в атмосферу попало 0,63 ТБк ²³⁸Pu, что вдвое увеличило концентрацию его в атмосфере. Были и другие аварии .

В настоящее время имеет место некоторое среднее фоновое загрязнение поверхности Земли техногенным плутонием. На этом фоне выделяются местности с повышенным загрязнением – район аварии на Чернобыльской АЭС, окрестности радиохимических предприятий (Челябинская и Красноярская области), полигоны для испытания атомного оружия (Семипалатинск, Новая Земля), воды, окружающие затонувшие атомные подводные лодки, и некоторые другие). К 1958 году, по данным ООН, в атмосферу выброшено 8-10 тонн ²³⁹Pu, в том числе радиохимическими заводами более 1,5 тонн, в результате аварий космических аппаратов около 0,5 тонн, остальной вклад дали испытания ядерного оружия в атмосфере. Уровень глобального загрязнения плутонием почвы колеблется от 30 до 300 Бк/м². Максимальные значения относятся к районам расположения радиохимических предприятий и ядерных аварий.

Источник: И.Н.Бекман ПЛУТОНИЙ Учебное пособие http://profbeckman.narod.ru/Pluton.htm