Masa plutonijuma. Tehnologija proizvodnje plutonijuma za oružje

Šta danas želimo naučiti? Koliko je teška 1 kocka plutonijuma, težina 1 m3 plutonijuma? Nema problema, možete saznati broj kilograma ili broj tona odjednom, masa (težina jednog kubnog metra, težina jedne kocke, težina jednog kubnog metra, težina 1 m3) je navedena u tabeli 1. Ako nekoga zanima, možete preletjeti mali tekst ispod i pročitati neka objašnjenja. Kako se mjeri količina tvari, materijala, tekućine ili plina koja nam je potrebna? Osim onih slučajeva kada je moguće svesti obračun potrebne količine na prebrojavanje robe, proizvoda, elemenata u komadima (komadno brojanje), najlakše nam je odrediti potrebnu količinu na osnovu zapremine i težine (mase) . U svakodnevnom životu najčešća jedinica za mjerenje zapremine za nas je 1 litar. Međutim, broj litara pogodan za proračune u domaćinstvu nije uvijek odgovarajući način za određivanje zapremine za poslovne aktivnosti. Osim toga, litri u našoj zemlji nisu postali opšteprihvaćena „proizvodna“ i trgovačka jedinica za merenje zapremine. Jedan kubni metar, ili u njegovoj skraćenoj verziji - jedna kocka, pokazao se prilično zgodnom i popularnom jedinicom volumena za praktičnu upotrebu. Navikli smo mjeriti gotovo sve tvari, tekućine, materijale, pa čak i plinove u kubnim metrima. Zaista je zgodno. Uostalom, njihovi troškovi, cijene, stope, stope potrošnje, tarife, ugovori o snabdijevanju gotovo su uvijek vezani za kubne metre (kocke), a mnogo rjeđe za litre. Ništa manje važno za praktične aktivnosti je poznavanje ne samo zapremine, već i težine (mase) supstance koja zauzima ovu zapreminu: u ovom slučaju govorimo o tome koliko teži 1 kubni metar (1 kubični metar, 1 kubni metar, 1 m3). Poznavanje mase i zapremine daje nam prilično potpunu predstavu o količini. Posetioci sajta, kada pitaju koliko je teška 1 kocka, često ukazuju na određene jedinice mase u kojima bi želeli da znaju odgovor na pitanje. Kao što smo primijetili, najčešće žele znati težinu 1 kocke (1 kubni metar, 1 kubni metar, 1 m3) u kilogramima (kg) ili tonama (t). U suštini, trebate kg/m3 ili t/m3. To su usko povezane jedinice koje definiraju količinu. U principu, moguća je prilično jednostavna nezavisna konverzija težine (mase) iz tona u kilograme i obrnuto: iz kilograma u tone. Međutim, kao što je praksa pokazala, za većinu posjetitelja stranice prikladnija opcija bi bila, bez pretvaranja kilograma u tone ili obrnuto - broj tona u kilograme po kubnom metru (jedan kubni metar, jedan kubni metar, jedan m3). Stoga smo u tabeli 1 naveli koliko je 1 kubni metar (1 kubni metar, 1 kubni metar) težak u kilogramima (kg) i tonama (t). Odaberite kolonu tabele koja vam je potrebna. Inače, kada pitamo koliko teži 1 kubni metar (1 m3), mislimo na broj kilograma ili broj tona. Međutim, sa fizičke tačke gledišta, zanima nas gustoća ili specifična težina. Masa jedinice zapremine ili količina supstance sadržane u jedinici zapremine je nasipna gustina ili specifična težina. U ovom slučaju nasipnu gustinu i specifičnu težinu plutonijuma. Gustina i specifična težina u fizici se obično ne mjere u kg/m3 ili tonama/m3, već u gramima po kubnom centimetru: g/cm3. Stoga su u tabeli 1 specifična težina i gustina (sinonimi) naznačeni u gramima po kubnom centimetru (g/cm3)

Opis plutonijuma

Plutonijum(Plutonijum) je srebrnasti teški hemijski element, radioaktivni metal sa atomskim brojem 94, koji je u periodnom sistemu predstavljen simbolom Pu.

Ovaj elektronegativni aktivni hemijski element pripada grupi aktinida sa atomskom masom od 244,0642, i, kao i neptunijum, koji je dobio ime u čast istoimene planete, ova hemikalija duguje ime planeti Pluton, budući da su prethodnici Od radioaktivnog elementa u Mendeljejevljevom periodnom sistemu hemijskih elemenata su i neptunijum, koji su takođe dobili imena po udaljenim kosmičkim planetama u našoj Galaksiji.

Poreklo plutonijuma

Element plutonijum je prvi put otkriven 1940. godine na Univerzitetu u Kaliforniji od strane grupe radiologa i naučnih istraživača G. Seaborga, E. McMillana, Kennedyja, A. Walcha prilikom bombardiranja uranijumske mete iz ciklotrona deuteronima - teškim jezgrama vodonika.

U decembru iste godine naučnici su otkrili izotop plutonijuma– Pu-238, čije je vrijeme poluraspada više od 90 godina, a utvrđeno je da pod utjecajem složenih nuklearnih kemijskih reakcija u početku nastaje izotop neptunijum-238, nakon čega se izotop već formira plutonijum-238.

Početkom 1941. naučnici su otkrili plutonijum 239 sa periodom raspadanja od 25.000 godina. Izotopi plutonijuma mogu imati različite sadržaje neutrona u jezgru.

Čisto jedinjenje elementa dobijeno je tek krajem 1942. Svaki put kada bi radiološki naučnici otkrili novi izotop, uvijek su mjerili vrijeme poluraspada izotopa.

Trenutno se izotopi plutonijuma, kojih ima ukupno 15, razlikuju po vremenskom trajanju poluživot. S tim elementom su povezane velike nade i izgledi, ali u isto vrijeme i ozbiljni strahovi čovječanstva.

Plutonijum ima znatno veću aktivnost od, na primer, uranijuma i jedna je od najskupljih tehnički važnih i značajnih supstanci hemijske prirode.

Na primjer, cijena jednog grama plutonijuma je nekoliko puta veća od jednog grama, ili drugih jednako vrijednih metala.

Proizvodnja i ekstrakcija plutonija smatra se skupim, a cijena jednog grama metala u naše vrijeme pouzdano ostaje oko 4.000 američkih dolara.

Kako se dobija plutonijum? Proizvodnja plutonijuma

Proizvodnja hemijskog elementa odvija se u nuklearnim reaktorima, unutar kojih se uranijum cijepa pod uticajem složenih hemijskih i tehnoloških međusobno povezanih procesa.

Uranijum i plutonijum su glavne, glavne komponente u proizvodnji atomskog (nuklearnog) goriva.

Ukoliko je potrebno dobiti veliku količinu radioaktivnog elementa, koristi se metoda ozračivanja transuranskih elemenata koji se mogu dobiti iz istrošenog nuklearnog goriva i zračenja uranijuma. Složene hemijske reakcije omogućavaju da se metal odvoji od uranijuma.

Da bi se dobili izotopi, odnosno plutonijum-238 i plutonijum-239 za oružje, koji su međuprodukti raspadanja, neptunijum-237 se zrači neutronima.

Sićušni dio plutonijuma-244, koji je najdugovječniji izotop zbog svog dugog poluraspada, otkriven je u rudi cerijuma, koja je vjerovatno sačuvana od formiranja naše planete Zemlje. Ovaj radioaktivni element se ne pojavljuje u prirodi u prirodi.

Osnovna fizička svojstva i karakteristike plutonijuma

Plutonijum je prilično težak radioaktivni hemijski element srebrnaste boje koji sija samo kada se pročisti. Nuklearni masa metalnog plutonijuma jednako 244 a. e.m.

Zbog svoje visoke radioaktivnosti, ovaj element je topao na dodir i može se zagrijati do temperature koja prelazi temperaturu ključanja vode.

Plutonijum, pod uticajem atoma kiseonika, brzo potamni i prekriven je prelivom tankim filmom u početku svetlo žute, a zatim bogate ili smeđe nijanse.

S jakom oksidacijom dolazi do stvaranja praha PuO2 na površini elementa. Ova vrsta hemijskog metala je podložna jakim procesima oksidacije i korozije čak i pri niskim nivoima vlažnosti.

Da bi se spriječila korozija i oksidacija metalne površine, potrebno je postrojenje za sušenje. Fotografija plutonijuma možete pogledati u nastavku.

Plutonijum je četvorovalentni hemijski metal, dobro se i brzo otapa u jodovodnim supstancama i kiselim sredinama, na primer, u hlornoj kiselini.

Metalne soli se brzo neutraliziraju u neutralnim medijima i alkalnim otopinama, stvarajući nerastvorljivi plutonijum hidroksid.

Temperatura na kojoj se plutonijum topi je 641 stepen Celzijusa, tačka ključanja je 3230 stepeni.

Pod uticajem visokih temperatura dolazi do neprirodnih promena u gustini metala. U svom obliku, plutonijum ima različite faze i ima šest kristalnih struktura.

Tokom prijelaza između faza dolazi do značajnih promjena u zapremini elementa. Element dobija svoj najgušći oblik u šestoj alfa fazi (poslednja faza tranzicije), dok su jedine stvari koje su teže od metala u ovom stanju neptunijum i radijum.

Kada se otopi, element je podvrgnut snažnoj kompresiji, tako da metal može plutati na površini vode i drugih neagresivnih tekućih medija.

Uprkos činjenici da ovaj radioaktivni element spada u grupu hemijskih metala, element je prilično hlapljiv, a kada se u kratkom vremenskom periodu nalazi u zatvorenom prostoru, njegova koncentracija u vazduhu se povećava nekoliko puta.

Osnovna fizička svojstva metala su: nizak stepen, nivo toplotne provodljivosti svih postojećih i poznatih hemijskih elemenata, nizak nivo električne provodljivosti u tečnom stanju, plutonijum je jedan od najviskoznijih metala;

Vrijedi napomenuti da su svi spojevi plutonijuma toksični, otrovni i predstavljaju ozbiljnu opasnost od zračenja za ljudski organizam, do kojeg dolazi zbog aktivnog alfa zračenja, stoga se svi radovi moraju izvoditi s najvećom pažnjom i samo u posebnim odijelima s hemijskom zaštitom. .

Više o svojstvima i teorijama porijekla jedinstvenog metala možete pročitati u knjizi Obruchev "Plutonia"" Autor V.A. Obruchev poziva čitaoce da urone u zadivljujući i jedinstveni svijet fantastične zemlje Plutonije, koja se nalazi duboko u utrobi Zemlje.

Primjena plutonijuma

Industrijski hemijski element se obično klasifikuje na plutonijum za oružje i za reaktore („energetski“).

Tako je za proizvodnju nuklearnog oružja, od svih postojećih izotopa, dozvoljeno koristiti samo plutonijum 239, koji ne bi trebao sadržavati više od 4,5% plutonijuma 240, jer je podložan spontanoj fisiji, što značajno otežava proizvodnju vojnih projektila. .

Plutonijum-238 koristi se za rad malih radioizotopskih izvora električne energije, na primjer, kao izvor energije za svemirsku tehnologiju.

Prije nekoliko decenija plutonijum se koristio u medicini u pejsmejkerima (uređajima za održavanje srčanog ritma).

Prva atomska bomba stvorena na svijetu imala je naboj plutonijuma. Nuklearni plutonijum(Pu 239) je tražen kao nuklearno gorivo za osiguranje rada energetskih reaktora. Ovaj izotop takođe služi kao izvor za proizvodnju transplutonijumskih elemenata u reaktorima.

Ako uporedimo nuklearni plutonijum sa čistim metalom, izotop ima veće metalne parametre i nema prelazne faze, pa se široko koristi u procesu dobijanja gorivnih elemenata.

Oksidi izotopa plutonijuma 242 su takođe traženi kao izvor energije za svemirske smrtonosne jedinice, opremu i gorivne šipke.

Plutonijum za oružje je element koji je predstavljen u obliku kompaktnog metala koji sadrži najmanje 93% izotopa Pu239.

Ova vrsta radioaktivnog metala koristi se u proizvodnji raznih vrsta nuklearnog oružja.

Plutonijum za oružje proizvodi se u specijalizovanim industrijskim nuklearnim reaktorima koji rade na prirodnom ili nisko obogaćenom uranijumu kao rezultat hvatanja neutrona.

Metalni plutonijum se koristi u nuklearnom oružju i služi kao nuklearno gorivo. Plutonijum oksidi se koriste kao izvor energije za svemirsku tehnologiju i nalaze svoju primenu u gorivim šipkama. Plutonijum se koristi za napajanje svemirskih letelica. Jezgra plutonijum-239 sposobna su za nuklearnu lančanu reakciju kada su izložena neutronima, pa se ovaj izotop može koristiti kao izvor atomske energije. Češća upotreba plutonijuma-239 u nuklearnim bombama je zbog činjenice da plutonijum zauzima manji volumen u sferi, pa je zbog ovog svojstva moguće dobiti na eksplozivnoj snazi ​​bombe. Jezgro plutonijuma tokom nuklearne reakcije emituje u proseku oko 2.895 neutrona naspram 2.452 neutrona za uranijum-235. Međutim, cijena proizvodnje plutonija je otprilike šest puta veća od cijene uranijuma-235.

Izotopi plutonijuma našli su svoju upotrebu u sintezi transplutonijumskih elemenata. Tako su mješoviti oksid plutonijum-242 2009. godine i bombardiranje ionima kalcija-48 2010. istog izotopa korišteni za proizvodnju ununkvadija. U nacionalnoj laboratoriji Oak Ridge, dugotrajno neutronsko zračenje Pu se koristi za proizvodnju 24496Cm, 24296Cm, 24997Bk, 25298Cf i 25399Es i 257100Fm. Sa izuzetkom Pu, svi preostali transuranijumski elementi proizvedeni su u prošlosti u istraživačke svrhe. Zahvaljujući neutronskom hvatanju izotopa plutonijuma 1944. G. T. Seaborg i njegova grupa su dobili prvi izotop americijuma 24195Am Am). Da bi se potvrdilo da postoji samo 14 aktinida, 1966. godine u Dubni je izvršena sinteza jezgri rutherfordija pod vodstvom akademika G.N. Flerova:

24294Pu + 2210Ne → 260104Rf + 4n.

δ-stabilizirane legure plutonijuma koriste se u proizvodnji gorivih ćelija, jer imaju bolja metalurška svojstva u odnosu na čisti plutonijum, koji prolazi kroz fazne prelaze kada se zagreva.

"Ultra-čisti" plutonij se koristi u nuklearnom oružju američke mornarice i koristi se na brodovima i podmornicama pod olovnim nuklearnim štitom, što smanjuje opterećenje doze za posadu.

Plutonijum-238 i plutonijum-239 su najčešće sintetisani izotopi.

• Prva nuklearna naprava na bazi plutonijuma detonirana je 16. jula 1945. na poligonu Alamogordo.

Nuklearno oružje

Plutonijum se vrlo često koristio u nuklearnim bombama. Istorijska činjenica je bacanje nuklearne bombe na Nagasaki 1945. od strane Sjedinjenih Država. Bomba bačena na ovaj grad sadržavala je 6,2 kg plutonijuma. Snaga eksplozije bila je 21 kilotona. Do kraja 1945. godine umrlo je 60-80 hiljada ljudi. Nakon 5 godina, ukupan broj smrtnih slučajeva, uključujući umrle od raka i drugih dugoročnih posljedica eksplozije, mogao je dostići ili čak premašiti 140.000.

Princip po kojem se dogodila nuklearna eksplozija koja uključuje plutonijum bio je dizajn nuklearne bombe. „Jezgro“ bombe sastojalo se od sfere ispunjene plutonijumom-239, koja je u trenutku udara o tlo, zbog dizajna i zahvaljujući eksplozivu koji okružuje ovu sferu, bila komprimovana na milion atmosfera. Nakon udara, jezgro se proširilo u zapremini i gustini za desetine mikrosekundi, dok je komprimibilni sklop skočio kroz kritično stanje na termalnim neutronima i postao značajno superkritičan na brzim neutronima, odnosno započela je nuklearna lančana reakcija uz učešće neutrona i jezgra elementa. Treba uzeti u obzir da bomba nije trebala prerano eksplodirati. Međutim, to je praktički nemoguće, jer da bi se kuglica plutonijuma komprimirala za samo 1 cm u desetinama nanosekundi, potrebno je tvari dati ubrzanje desetine triliona puta veće od ubrzanja gravitacije. Tokom konačne eksplozije nuklearne bombe, temperatura se penje na desetine miliona stepeni. Treba napomenuti da je u naše vrijeme 8-9 kg ovog elementa dovoljno za stvaranje punopravnog nuklearnog naboja.

Samo jedan kilogram plutonijuma-239 može proizvesti eksploziju koja je ekvivalentna 20.000 tona TNT-a. Čak 50 g elementa tokom fisije svih jezgara proizvešće eksploziju jednaku detonaciji 1000 tona TNT-a. Ovaj izotop je jedini pogodan nuklid za upotrebu u nuklearnom oružju, budući da će prisustvo najmanje 1% Pu dovesti do stvaranja velikog broja neutrona, što neće omogućiti efikasnu upotrebu sheme punjenja topa za nuklearnu bombu. . Preostali izotopi se razmatraju samo zbog njihovog štetnog djelovanja.

Plutonijum-240 može biti prisutan u nuklearnoj bombi u malim količinama, ali ako se njegov sadržaj poveća, doći će do prijevremene lančane reakcije. Ovaj izotop ima veliku vjerovatnoću spontane fisije, što onemogućuje njegovo zadržavanje u velikom postotku u fisivnom materijalu.

Prema Al-Jazeeri, Izrael ima oko 118 bojevih glava koje sadrže plutonijum kao radioaktivnu supstancu. Vjeruje se da Južna Koreja ima oko 40 kg plutonija, dovoljno za proizvodnju 6 nuklearnih projektila. Godine 2007. IAEA je procijenila da je plutonijum proizveden u Iraku dovoljan za dvije nuklearne bojeve glave godišnje. Pakistan je 2006. godine započeo izgradnju nuklearnog reaktora koji će proizvoditi oko 200 kg radioaktivnog elementa godišnje. Što se tiče broja nuklearnih bojevih glava, ova brojka će biti otprilike 40-50 bombi.

Nekoliko ugovora potpisano je između Rusije i Sjedinjenih Država tokom prve decenije 21. veka. Tako je, posebno, 2003. godine potpisan ugovor o preradi 68 tona plutonijuma u NE Balakovo u MOX gorivo do 2024. godine. Godine 2007. zemlje su potpisale plan da Rusija zbrine 34 tone plutonijuma stvorenog za ruske programe naoružanja. 2010. godine potpisan je sporazum o zbrinjavanju nuklearnog oružja, posebno plutonijuma, čija bi količina bila dovoljna za proizvodnju 17 hiljada nuklearnih bojevih glava.

2010. godine, 17. novembra, potpisan je sporazum između Sjedinjenih Država i Kazahstana o zatvaranju industrijskog nuklearnog reaktora BN-350 u gradu Aktau, koji je proizvodio električnu energiju koristeći plutonijum. Ovaj reaktor je bio prvi pilot reaktor na brzim neutronima u svijetu i Kazahstanu; Njegov staž je bio 27 godina.

Nuklearna kontaminacija

U periodu kada su počela nuklearna ispitivanja na bazi plutonijuma i kada su se tek počela proučavati njegova radioaktivna svojstva, u atmosferu je ispušteno preko 5 tona tog elementa. Od 1970-ih udio plutonijuma u radioaktivnoj kontaminaciji Zemljine atmosfere počeo je da raste.

Plutonijum je stigao do severozapadnog Tihog okeana uglavnom nuklearnim testiranjem. Povećani sadržaj elementa objašnjava se time što su SAD 1950-ih provodile nuklearne testove na teritoriji Maršalovih ostrva na pacifičkom poligonu. Glavno zagađenje od ovih testova dogodilo se 1960. godine. Na osnovu procjena naučnika, prisustvo plutonijuma u Tihom okeanu je povećano u poređenju sa opštom distribucijom nuklearnih materijala na Zemlji. Prema nekim proračunima, doza zračenja koja izlazi iz cezijuma-137 na atolima Maršalovih ostrva iznosi približno 95%, a preostalih 5 su izotopi stroncijuma, americijuma i plutonijuma.

Plutonijum se u okeanu prenosi fizičkim i biogeohemijskim procesima. Vrijeme zadržavanja plutonijuma u površinskim okeanskim vodama kreće se od 6 do 21 godine, što je općenito kraće od vremena cezijuma-137. Za razliku od ovog izotopa, plutonijum je element koji djelimično reaguje sa okolinom i formira 1-10% nerastvorljivih jedinjenja od ukupne mase koja se oslobađa u okolinu. Plutonijum u okeanu pada na dno zajedno sa biogenim česticama, iz kojih se razgradnjom mikroba pretvara u rastvorljive oblike. Najčešći njegovi izotopi u morskom okruženju su plutonijum-239 i plutonijum-240.

U januaru 1968. američki avion B-52 koji je nosio četiri nuklearna oružja srušio se na led u blizini Thulea na Grenlandu, nakon neuspješnog slijetanja. Sudar je izazvao eksploziju i fragmentaciju oružja, ispuštajući plutonijum na ledenu plohu. Nakon eksplozije, gornji sloj kontaminiranog snijega je srušen i kao rezultat toga nastala je pukotina kroz koju je plutonij ušao u vodu. Kako bi se smanjila šteta u prirodi, prikupljeno je oko 1,9 milijardi litara snijega i leda koji bi mogli biti izloženi radioaktivnoj kontaminaciji. Kasnije se ispostavilo da jedna od četiri optužbe nikada nije pronađena.

Poznat je slučaj kada je sovjetska svemirska letjelica Cosmos-954 24. januara 1978. godine, s nuklearnim izvorom energije na brodu, pala na kanadsku teritoriju tokom nekontrolisane deorbite. Ovaj incident je rezultirao ispuštanjem 1 kg plutonija-238 u okoliš na površini od oko 124.000 m².

Ispuštanje plutonijuma u životnu sredinu nije povezano samo sa incidentima koje je napravio čovek. Poznati su slučajevi curenja plutonijuma i iz laboratorijskih i iz fabričkih postavki. Bilo je oko 22 slučajna curenja urana-235 i plutonijuma-239 iz laboratorija. Tokom 1953-1978. nesreće su rezultirale gubitkom od 0,81 do 10,1 kg Pu. Industrijski incidenti rezultirali su ukupno dvije smrti u Los Alamosu zbog dvije nesreće i gubitka 6,2 kg plutonija. U gradu Sarovu 1953. i 1963. godine. oko 8 i 17,35 kg palo je izvan nuklearnog reaktora. Jedan od njih doveo je do uništenja nuklearnog reaktora 1953. godine.

Nivoi izotopske radioaktivnosti od aprila 1986.

Poznat je slučaj nesreće u nuklearnoj elektrani Černobil, koja se dogodila 26. aprila 1986. godine. Kao rezultat uništenja četvrtog bloka, 190 tona radioaktivnih supstanci ispušteno je u okoliš na površini od oko 2200 km². Osam od 140 tona radioaktivnog goriva reaktora završilo je u zraku. Kontaminirana površina iznosila je 160.000 km². U otklanjanju posljedica nesreće učestvovalo je više od 600 hiljada ljudi. Ukupna aktivnost ispuštenih supstanci u životnu sredinu iznosila je, prema različitim procjenama, do 14×10 Bq, uključujući:

• 1.8 EBq 13153I,
• 0,085 EBq 13755Cs,
• 0,01 EBq 9038Sr
• 0,003 EBq izotopa plutonijuma,
• plemeniti gasovi su činili oko polovinu ukupne aktivnosti.

Trenutno, većina stanovnika kontaminiranog područja prima manje od 1 mSv godišnje iznad prirodne pozadine.

Izvor energije i toplote

Kao što je poznato, nuklearna energija se koristi za pretvaranje u električnu energiju zagrijavanjem vode, koja, isparavajući i stvarajući pregrijanu paru, rotira lopatice turbina električnih generatora. Prednost ove tehnologije je odsustvo stakleničkih plinova koji štetno djeluju na okoliš. Od 2009. godine, 438 nuklearnih elektrana širom svijeta proizvelo je približno 371,9 GW električne energije. Međutim, nedostatak nuklearne industrije je nuklearni otpad, od čega se godišnje preradi oko 12.000 tona otpadnog materijala. Do 1982. godine procijenjeno je da je akumulirano oko 300 tona plutonijuma.

Tableta plutonijum-238 dioksida.

Žuto-smeđi prah, koji se sastoji od plutonijum dioksida, može izdržati zagrijavanje do temperature od 1200 °C. Sinteza spoja odvija se razgradnjom plutonijum tetrahidroksida ili tetranitrata u atmosferi kiseonika:

Dobiveni prah boje čokolade se sinterira i zagrijava u struji vlažnog vodonika do 1500 °C. Tako se proizvode tablete gustine 10,5-10,7 g/cm³, koje se mogu koristiti kao nuklearno gorivo. Plutonijum dioksid je najstabilniji i najinertniji od plutonijum oksida i kada se zagrije na visoke temperature, raspada se na svoje komponente, te se stoga koristi u preradi i skladištenju plutonijuma, kao i za njegovu dalju upotrebu kao izvor električne energije. Jedan kilogram plutonijuma je ekvivalentan približno 22 miliona kWh toplotne energije.

SSSR je proizveo nekoliko RTG-ova Topaz, koji su bili namijenjeni za proizvodnju električne energije za svemirske letjelice. Ovi uređaji su dizajnirani da rade sa plutonijumom-238, koji je α-emiter. Nakon pada Sovjetskog Saveza, Sjedinjene Države su kupile nekoliko ovih uređaja kako bi proučile njihov dizajn i dalju upotrebu u svojim dugoročnim svemirskim programima.

RTG sonda New Horizons.

Polonijum-210 bi se mogao nazvati potpuno vrijednom zamjenom za plutonij-238. Njegova toplotna snaga je 140 W/g, a samo jedan gram može zagrijati do 500 °C. Međutim, zbog izuzetno kratkog poluraspada za svemirske misije, upotreba ovog izotopa u svemirskoj industriji je ozbiljno ograničena.

Plutonijum-238 je pronašao svoju upotrebu kao izvor energije za sondu tokom lansiranja sonde New Horizons na Pluton 2006. godine. Generator radioizotopa sadržavao je 11 kg Pu dioksida visoke čistoće, koji je proizvodio u prosjeku 220 W električne energije tokom cijelog putovanja. Bilo je zabrinutosti zbog neuspješnog lansiranja sonde, ali se ono ipak dogodilo. Nakon lansiranja, sonda je dostigla brzinu od 36.000 mph zahvaljujući Zemljinim gravitacionim silama. Godine 2007. gravitacijski manevar oko Jupitera povećao je njegovu brzinu za još 9.000 milja, što mu je omogućilo da se najbliže približi Plutonu u julu 2015. godine, a zatim nastavi sa posmatranjem Kuiperovog pojasa.

Sonde Galileo i Cassini također su bile opremljene izvorima energije na bazi plutonijuma. Izotop će se koristiti i u budućim misijama, na primjer, rover Curiosity će primati energiju iz plutonijuma-238. Njegovo spuštanje na površinu Marsa planirano je za avgust 2012. godine. Rover će koristiti najnoviju generaciju RTG-a, nazvanu Multi-Mission Radioizotop Thermoelectric Generator. Ovaj uređaj će proizvesti 125 W električne energije, a nakon 14 godina 100 W. Za rad rovera, 2,5 kWh energije će se proizvesti iz nuklearnog raspada. Plutonijum-238 je optimalan izvor energije, koji oslobađa 0,56 W g. Korišćenjem ovog izotopa sa teluridom olova, koji se koristi kao termoelektrični element, formira se veoma kompaktan i dugotrajan izvor električne energije bez ikakvih pokretnih delova strukture, što omogućava „uštedu“ prostora letelice.

RTG SNAP-27, korišten u misiji Apollo 14.

Nekoliko kilograma PuO 2 korišteno je ne samo na Galileu, već i na nekim od misija Apollo. Generator energije SNAP-27, čija je toplotna i električna snaga iznosila 1480 W i 63,5 W, sadržavao je 3,735 kg plutonijum-238 dioksida. Kako bi se smanjio rizik od eksplozije ili drugih mogućih nesreća, berilij je korišten kao toplotno otporan, lagan i izdržljiv element. SNAP-27 je bio posljednji tip generatora koji je NASA koristila za svemirske misije; prethodni tipovi su koristili druge izvore električne energije.

Tokom pasivnog seizmičkog eksperimenta na Mjesecu, misija Apollo 11 koristila je dva izvora toplote od 15 W radioizotopa koji su sadržavali 37,6 g plutonijum dioksida u obliku mikrosfera. Generator je korišćen u misijama Apolo 12, 14, 15, 16, 17. Dizajniran je da obezbedi električnom energijom naučnu opremu instaliranu na svemirskim letelicama. Tokom misije Apolo 13, lunarni modul je skrenuo sa putanje, uzrokujući da je izgorio u gustim slojevima atmosfere. Unutar SNAP-27 korišten je gore spomenuti izotop koji je okružen materijalima otpornim na koroziju i koji će se u njima čuvati još 870 godina.

Plutonij-236 i plutonij-238 koriste se za proizvodnju nuklearnih električnih baterija, čiji vijek trajanja doseže 5 godina ili više. Koriste se u generatorima struje koji stimulišu srce. Od 2003. bilo je 50-100 ljudi u Sjedinjenim Državama sa plutonijumskim pejsmejkerom. Upotreba plutonijuma-238 može se proširiti na odijela ronilaca i astronauta. Berilijum se, zajedno sa gore navedenim izotopom, koristi kao izvor neutronskog zračenja.

2007. Velika Britanija je počela rušiti najstariju nuklearnu elektranu na plutonijum u Calder Hallu, koja je počela s radom 17. oktobra 1956. i završila 29. septembra 2007. godine.

Breeder reaktori

Šematski prikaz reaktora za razmnožavanje brzih neutrona sa tečnim metalnim rashladnim sredstvom, sa integralnim i petljastim rasporedom opreme.

Za proizvodnju velikih količina plutonijuma grade se reaktori za razmnožavanje, koji omogućavaju proizvodnju značajnih količina plutonijuma. Reaktori se nazivaju „odgajivači“ jer je uz njihovu pomoć moguće dobiti fisioni materijal u količinama koje premašuju njegove proizvodne troškove.

U SAD-u je gradnja prvih reaktora ovog tipa počela prije 1950. godine. U SSSR-u i Velikoj Britaniji njihova izgradnja počela je početkom 1950-ih. Međutim, prvi reaktori su stvoreni za proučavanje neutronskih karakteristika reaktora sa tvrdim neutronskim spektrom. Dakle, prvi uzorci nisu trebali pokazati velike proizvodne količine, već mogućnost implementacije tehničkih rješenja uključenih u prve reaktore ovog tipa.

Razlika između reaktora za odmrzavanje i konvencionalnih nuklearnih reaktora je u tome što se neutroni u njima ne usporavaju, odnosno ne postoji moderator neutrona kako bi što više njih reagiralo s uranijumom-238. Nakon reakcije nastaju atomi uranijuma-239, koji potom formiraju plutonijum-239. U takvim reaktorima, središnji dio koji sadrži plutonij dioksid u osiromašenom uran-dioksidu okružen je omotačem od još više osiromašenog uranij-238 dioksida, u kojem nastaje Pu. Koristeći U i U zajedno, takvi reaktori mogu proizvesti 50-60 puta više energije iz prirodnog uranijuma, čime se omogućava korištenje rezervi uranovih ruda koje su najpogodnije za preradu. Faktor uzgoja izračunava se omjerom proizvedenog nuklearnog goriva i potrošenog. Međutim, postizanje visoke stope reprodukcije nije lak zadatak. Gorivne šipke u njima moraju se hladiti nečim drugim osim vodom, što smanjuje njihovu energiju. Predložena je upotreba tečnog natrijuma kao rashladnog elementa. Breeder reaktori koriste uranijum-235 obogaćen na više od 15% mase da bi se postiglo potrebno neutronsko zračenje i faktor razmnožavanja od približno 1-1,2.

Trenutno je ekonomski isplativije dobiti uranijum iz rude uranijuma obogaćene na 3% sa uranijumom-235 nego multiplicirati uranijum u plutonijum-239 korišćenjem uranijuma-235 obogaćenog za 15%. Najjednostavnije rečeno, prednost oplemenjivača je sposobnost, tokom rada, ne samo da proizvode električnu energiju, već i da koriste uranijum-238, koji nije pogodan kao nuklearno gorivo.

Plutonijum je otkriven krajem 1940. godine na Kalifornijskom univerzitetu. Sintetizirali su ga McMillan, Kennedy i Wahl bombardiranjem oksida uranijuma (U 3 O 8) s jezgrima deuterijuma (deuteroni) visoko ubrzanim u ciklotronu. Kasnije je otkriveno da ova nuklearna reakcija najprije proizvodi kratkotrajni izotop neptunij-238, a iz njega plutonij-238 s vremenom poluraspada od oko 50 godina. Godinu dana kasnije, Kennedy, Seaborg, Segre i Wahl sintetizirali su važniji izotop, plutonijum-239, zračenjem uranijuma visoko ubrzanim neutronima u ciklotronu. Plutonijum-239 nastaje raspadom neptunija-239; emituje alfa zrake i ima poluživot od 24.000 godina. Čisto jedinjenje plutonijuma je prvi put dobijeno 1942. Tada je postalo poznato da se prirodni plutonijum nalazi u rudama uranijuma, posebno u rudama deponovanim u Kongu.

Ime elementa predloženo je 1948. godine: McMillan je prvi transuranski element nazvao neptunijumom zbog činjenice da je planeta Neptun prva iza Urana. Po analogiji, odlučili su da element 94 nazovu plutonijumom, budući da je planeta Pluton druga nakon Urana. Pluton, otkriven 1930. godine, dobio je ime po imenu boga Plutona, vladara podzemnog svijeta u grčkoj mitologiji. Početkom 19. vijeka. Klark je predložio da se element barijum nazove plutonijumom, izvodeći ovo ime direktno iz imena boga Plutona, ali njegov predlog nije prihvaćen.

Poznato je 15 izotopa plutonijuma. Najvažniji od njih je Pu-239 s vremenom poluraspada od 24.360 godina. Specifična težina plutonijuma je 19,84 na temperaturi od 25°C. Metal počinje da se topi na temperaturi od 641°C i ključa na 3232°C. Njegova valencija je 3, 4, 5 ili 6.

Metal ima srebrnu nijansu i postaje žut kada je izložen kiseoniku. Plutonijum je hemijski reaktivan metal i lako se otapa u koncentrovanoj hlorovodoničnoj kiselini, perhlornoj kiselini i jodovodonoj kiselini. Tokom raspadanja, metal oslobađa toplotnu energiju.

Plutonijum je drugi otkriveni transuranski aktinid. U prirodi se ovaj metal može naći u malim količinama u rudama uranijuma.

Plutonijum je otrovan i zahteva pažljivo rukovanje. Najfisioniji izotop plutonijuma korišten je kao nuklearno oružje. Konkretno, korišten je u bombi koja je bačena na japanski grad Nagasaki.

Ovo je radioaktivni otrov koji se nakuplja u koštanoj srži. Nekoliko nesreća, od kojih su neke bile fatalne, dogodilo se tokom eksperimentiranja na ljudima da proučavaju plutonijum. Važno je da plutonijum ne dostigne kritičnu masu. U rastvoru, plutonijum formira kritičnu masu brže nego u čvrstom stanju.

Atomski broj 94 znači da su svi atomi plutonijuma 94. U vazduhu se na površini metala formira plutonijum oksid. Ovaj oksid je piroforan, pa će plutonijum koji tinja treperiti poput pepela.

Postoji šest alotropnih oblika plutonijuma. Sedmi oblik se pojavljuje na visokim temperaturama.

U vodenom rastvoru plutonijum menja boju. Različite nijanse pojavljuju se na površini metala dok oksidira. Proces oksidacije je nestabilan i boja plutonijuma se može naglo promeniti.

Za razliku od većine supstanci, plutonijum postaje gušći kada se otopi. U rastopljenom stanju, ovaj element je viskozniji od drugih metala.

Metal se koristi u radioaktivnim izotopima u termoelektričnim generatorima koji napajaju svemirske letjelice. U medicini se koristi u proizvodnji elektronskih srčanih stimulatora.

Udisanje isparenja plutonijuma je opasno po zdravlje. U nekim slučajevima to može uzrokovati rak pluća. Udahnuti plutonijum ima metalni ukus.