номер в таблице менделеева плутоний

Плутоний (обозначается символом Pu; атомное число 94) — тяжёлый хрупкий высокотоксичный радиоактивный металл серебристо-белого цвета. В периодической таблице располагается в семействе актиноидов.

Для элемента характерны существенно отличающиеся от остальных элементов структурные и физико-химические свойства. Плутоний имеет семь аллотропных модификаций при определённых температурах и диапазонах давления: α, β, γ, δ, δ’, ε и ζ. Может принимать степени окисления от +2 до +7, основными считаются +4, +5, +6. Плотность варьируется от 19,8 (α-Pu) до 15,9 г/см³ (δ-Pu).

Стабильных изотопов не имеет. В природе в следовых количествах присутствуют самый долгоживущий изотоп из всех трансурановых элементов 244 Pu, его дочерний нуклид 240 Pu, а также 239 Pu и 238 Pu. В окружающей среде находится преимущественно в виде диоксида (PuO₂), который в воде ещё менее растворим, чем песок (кварц). Нахождение элемента в природе настолько мало, что его добыча нецелесообразна.

Второй после нептуния (который был ошибочно «получен» в 1934 году группой Энрико Ферми; его первый изотоп 239 Np синтезирован и идентифицирован в мае 1940 года Эдвином Макмилланом и Филипом Абельсоном) искусственный элемент, полученный в микрограммовых количествах в конце 1940 г. в виде изотопа 238 Pu.

Первый искусственный химический элемент, производство которого началось в промышленных масштабах (в СССР с 1946 года в Челябинске-40 было создано несколько предприятий по производству оружейного урана и плутония). США, а затем и СССР были первыми странами, освоившими его получение. Для получения плутония применяется как обогащённый, так и природный уран. Общее количество плутония, хранящегося в мире во всевозможных формах, оценивалось в 2003 г. в 1239 т.

Сообщалось о закрытии последнего в мире ядерного реактора по производству оружейного плутония АДЭ-2, который проработал 46 лет и был остановлен в апреле 2010 г. в России, однако уже через месяц в Японии был запущен реактор «Мондзю» (разрешение на перезапуск было получено только в феврале 2010 года, а сам реактор был фактически запущен в тестовом режиме 6 мая; такой режим работы предполагался вплоть до 2013 года, однако 26 августа 2010 года на реакторе произошла новая авария — в реактор упала трёхтонная металлическая труба, повредившая сам реактор; общая остановка реакторов на японских АЭС после аварии на Фукусима-1 привела к тому, что реактор больше не запускали, в конце 2016 года японское правительство приняло решение об утилизации реактора Мондзю, планируется выгрузка топлива в 2022 и окончание работ по демонтажу в 2047).

В таблице справа приведены основные свойства для α-плутония. Данная аллотропическая модификация является основной для плутония при комнатной температуре и нормальном давлении.

Содержание

История

Открытие

Энрико Ферми вместе со своими сотрудниками в Университете Рима сообщил, что они обнаружили химический элемент с порядковым номером 94, в 1934 году. Ферми назвал этот элемент гесперием, сделав таким образом предположение о существовании трансурановых элементов и став их теоретическим первооткрывателем. Он придерживался этой позиции и в своей Нобелевской лекции в 1938 году, однако, узнав об открытии Отто Фришем и Фрицем Штрассманом деления ядра, был вынужден сделать в печатной версии, вышедшей в Стокгольме в 1939 году, примечание, указывающее на необходимость пересмотра «всей проблемы трансурановых элементов». Работа немецких учёных показала, что активность, обнаруженная Ферми в его экспериментах, была обусловлена именно делением, а не открытием трансурановых элементов, как он ранее полагал.

Открытие плутония группой сотрудников Калифорнийского университета в Беркли под руководством Г. Т. Сиборга было совершено с помощью 60-дюймового циклотрона. Первая бомбардировка октаоксида триурана-238 ( 238 U₃O₈) дейтронами, разогнанными в циклотроне до 14—22 МэВ и проходящими через алюминиевую фольгу толщиной 0,002 дюйма (50,8 мкм), была произведена 14 декабря 1940 года. Сравнивая образцы, полученные и выдержанные в течение 2,3 суток, с выделенной фракцией чистого нептуния, учёные обнаружили существенную разницу в их альфа-активностях и предположили, что её рост через 2 суток обусловлен влиянием нового элемента, являющегося дочерним по отношению к нептунию. Дальнейшие физические и химические исследования продолжались 2 месяца. В ночь с 23 на 24 февраля 1941 года был проведён решающий эксперимент по окислению предполагаемого элемента с помощью пероксиддисульфат-ионов и ионов серебра в качестве катализатора, который показал, что нептуний-238 спустя два дня претерпевает бета-минус-распад и образует химический элемент под номером 94 в следующей реакции:

238
92 U (d,2n) → 238
93 Np → (β − ) 238
94 Pu

Таким образом, существование нового химического элемента было подтверждено экспериментально Г. Т. Сиборгом, Э. М. Макмилланом, Дж. В. Кеннеди ( англ. ) и А. К. Валем благодаря изучению его первых химических свойств — возможностью обладать, по крайней мере, двумя степенями окисления.

Немного позднее было установлено, что этот изотоп является неделящимся (пороговым), а следовательно, неинтересным для дальнейших исследований в военных целях, так как пороговые ядра не могут служить основой цепной реакции деления. Поняв это, физики-ядерщики США направили свои усилия на получение делящегося изотопа-239 (который по расчётам должен был быть более мощным источником атомной энергии, чем уран-235). В марте 1941 года 1,2 кг чистейшей соли урана, замурованной в большой парафиновый блок, подвергли в циклотроне бомбардировке нейтронами. На протяжении двух суток длилась бомбардировка урановых ядер, в результате чего были получены приблизительно 0,5 мкг плутония-239. Появление нового элемента, как и было предсказано теорией, сопровождалось потоком альфа-частиц.

28 марта 1941 года проведённые эксперименты показали, что 239 Pu способен делиться под действием медленных нейтронов, с сечением, весьма значительно превышающим сечение для 235 U, причём нейтроны, полученные в процессе деления, пригодны для получения следующих актов ядерного деления, то есть позволяют рассчитывать на осуществление цепной ядерной реакции. С этого момента были начаты опыты по созданию плутониевой ядерной бомбы и строительства реакторов для его наработки. Первое чистое соединение элемента было получено в 1942 году, а первые весовые количества металлического плутония — в 1943 году.

В работе, отправленной на публикацию в журнал Physical Review в марте 1941 г., был описан метод получения и изучения элемента. Однако публикация этой работы была остановлена после того, как были получены данные, что новый элемент может быть использован в ядерной бомбе. Публикация работы произошла спустя год после Второй мировой войны из соображений безопасности и с некоторыми корректировками.

В Третьем рейхе исследователи атома также не оставались бездеятельными. В лаборатории Манфреда фон Ардена были разработаны методы получения 94-го элемента. В августе 1941 года физик Фриц Хоутерманс закончил свой секретный доклад «К вопросу о развязывании цепных ядерных реакций». В нём он указывал на теоретическую возможность изготовления в урановом «котле» нового взрывчатого вещества из природного урана.

Происхождение названия

В 1930 году была открыта новая планета, о существовании которой давно говорил Персиваль Ловелл — астроном, математик и автор фантастических очерков о жизни на Марсе. На основе многолетних наблюдений за движениями Урана и Нептуна он пришёл к заключению, что за Нептуном в Солнечной системе должна быть ещё одна, девятая планета, располагающаяся от Солнца в сорок раз дальше, чем Земля. Элементы орбиты новой планеты были им рассчитаны в 1915 году. Плутон был обнаружен на фотографических снимках, полученных 21, 23 и 29 января 1930 г. астрономом Клайдом Томбо в обсерватории Лоуэлла во Флагстаффе (США). Планета была открыта 18 февраля 1930 года. Название планете было дано одиннадцатилетней школьницей из Оксфорда Венецией Бёрни. В греческой мифологии Аид (в римской Плутон) является богом царства мёртвых.

Первое печатное упоминание термина плутоний датируется 21 марта 1942 года. Название 94-му химическому элементу было предложено Артуром Валем и Гленном Сиборгом. В 1948 году Эдвин Макмиллан предложил назвать 93-й химический элемент нептунием, так как планета Нептун — первая за Ураном. По аналогии в честь второй планеты за Ураном, Плутона, был назван плутоний. Открытие плутония произошло через 10 лет после открытия карликовой планеты (примерно такой же отрезок времени понадобился на открытие Урана и на именование 92-го химического элемента).

Первоначально Сиборг предложил назвать новый элемент «плутием», однако позже решил, что название «плутоний» звучит лучше. Для обозначения элемента он в шутку привёл две буквы «Pu» — это обозначение представилось ему наиболее приемлемым в периодической таблице. Также Сиборгом были предложены некоторые другие варианты названий, например, ультимий (англ. ultimium от лат. ultimus — последний), экстремий ( extremium от лат. extremus — крайний), из-за ошибочного в то время суждения, что плутоний станет последним химическим элементом в периодической таблице. Однако элемент назвали «плутоний» в честь последней планеты Солнечной системы.

Первые исследования

После нескольких месяцев первоначальных исследований химия плутония стала считаться похожей на химию урана. Дальнейшие исследования были продолжены в секретной металлургической лаборатории Чикагского университета. Благодаря Каннингему и Вернеру 18 августа 1942 года был выделен первый микрограмм чистого соединения плутония из 90 кг уранилнитрата, облученного нейтронами на циклотроне 10 сентября 1942 года — спустя месяц, на протяжении которого учёные увеличивали количество соединения — произошло взвешивание. Этот исторический образец весил 2,77 мкг и состоял из диоксида плутония; в настоящее время хранится в Лоуренсовском зале в Беркли. К концу 1942 года было накоплено 500 мкг соли элемента. Для более подробного изучения нового элемента в США было сформировано несколько групп:

В ходе исследований было установлено, что плутоний может находиться в степенях окисления от 3 до 6, и что более низшие степени окисления, как правило, более стабильны по сравнению с нептунием. Тогда же было установлено сходство химических свойств плутония и нептуния. В 1942 году неожиданным стало открытие Стэна Томсона, входящего в группу Гленна Сиборга, которое показало, что четырёхвалентный плутоний получается в бо́льших количествах при нахождении в кислом растворе в присутствии фосфата висмута (III) (BiPO₄). В дальнейшем это привело к изучению и применению висмут-фосфатного метода экстракции плутония. В ноябре 1943 г. некоторые количества фторида плутония(III) (PuF₃) были подвергнуты разделению для получения чистого образца элемента в виде нескольких микрограммов мелкодисперсного порошка. Впоследствии были получены образцы, которые можно было бы рассмотреть невооружённым глазом.

В СССР первые опыты по получению 239 Pu были начаты в 1943—1944 гг. под руководством академиков И. В. Курчатова и В. Г. Хлопина. В короткий срок в СССР были выполнены обширные исследования свойств плутония. В начале 1945 года на первом в Европе циклотроне, построенном в 1937 году в Радиевом институте, был получен первый советский образец плутония путём нейтронного облучения ядер урана. В городе Озёрск с 1945 года началось строительство первого промышленного ядерного реактора по производству плутония, первый объект ПО Маяк, пуск которого был осуществлён 19 июня 1948 года.

Производство в Манхэттенском проекте

Во время Второй мировой войны целью проекта являлось создание ядерной бомбы. Проект атомной программы (англ. atomic programm ), из которой образовался Манхэттенский проект, был одобрен и одновременно создан указом Президента США 9 октября 1941 года. Свою деятельность Манхэттенский проект начал 12 августа 1942 года. Тремя его основными направлениями являлись:

Вторым реактором, который позволил получать плутоний-239, был Графитовый реактор X-10. Он был введён в эксплуатацию 4 ноября 1943 года (строительство длилось 11 месяцев) в городе Оук-Ридж, в настоящее время он располагается на территории Оук-Риджской национальной лаборатории. Этот реактор был вторым в мире после Чикагской поленницы-1 и первым реактором, который был создан в продолжении Манхэттенского проекта. Реактор был первым шагом на пути к созданию более мощных ядерных реакторов (на территории Хэнфорда, Вашингтон), то есть он был экспериментальным. Окончание его работы наступило в 1963 г.; открыт для посещения с 1980-х годов и является одним из старейших ядерных реакторов в мире.

Первым промышленным ядерным реактором по производству 239 Pu является реактор B, расположенный в США. Строительство началось с июня 1943 г. и закончилось в сентябре 1944 г. Мощность реактора составила 250 МВт (в то время как у X-10 всего 1000 кВт). В качестве теплоносителя в этом реакторе впервые применялась вода. Реактор B (вместе с реактором D и реактором F — остальными двумя) позволил получить плутоний-239, который был впервые использован в испытании Тринити. Ядерные материалы, полученные на этом реакторе, были использованы в бомбе, сброшенной на Нагасаки 9 августа 1945 г. Построенный реактор был закрыт в феврале 1968 года и расположен в пустынном районе штата Вашингтон, недалеко от города Ричланд.

В 2004 г. в результате раскопок были обнаружены захоронения на территории Хэнфордского комплекса. В числе них был найден оружейный плутоний, который находился в стеклянном сосуде. Этот образец оружейного плутония оказался самым долгоживущим и был исследован Тихоокеанской национальной лабораторией. Результаты показали, что этот образец был создан на графитовом реакторе X-10 в 1944 году.

Тринити и Толстяк

Холодная война

Большие количества плутония были произведены во время Холодной войны США и СССР. Реакторы США, находящиеся в Savannah River Site (Северная Каролина) и Хэнфорде, во время войны произвели 103 т плутония, в то время как СССР произвел 170 т оружейного плутония. На сегодня около 20 т плутония в ядерной энергетике производится как побочный продукт ядерных реакций. На 1000 т плутония, находящегося в хранилищах, приходится 200 т плутония, извлечённого из ядерных реакторов. На 2007 год СИИПМ оценил мировое количество плутония в 500 т, который примерно одинаково разделён на оружейные и энергетические нужды.

Медицинские эксперименты

Восемнадцать испытаний плутония на людях были проведены без предварительного согласия испытуемых для того, чтобы выяснить, где и как концентрируется плутоний в человеческом организме, и выработать стандарты безопасности обращения с ним. Первые места, в которых проводились эксперименты в рамках Манхэттенского проекта, были: Хэнфорд, Беркли, Лос-Аламос, Чикаго, Оук-Ридж, Рочестер.

Свойства

Физические свойства

Плутоний, как и большинство металлов, имеет яркий серебристый цвет, похожий на никель или железо, но на воздухе окисляется, меняя свой цвет сначала на бронзовый, затем на синий цвет закалённого металла и после превращается в тусклый чёрный или зелёный цвета из-за образования рыхлого окисного покрытия. Также есть сообщения об образовании жёлтого и оливкового цвета оксидной плёнки. При комнатной температуре плутоний находится в α-форме — это наиболее распространённая для плутония аллотропная модификация. Данная структура примерно такая же жёсткая, как серый чугун, если она не легирована другими металлами, которые придадут сплаву пластичность и мягкость. В отличие от большинства металлов, он не является хорошим проводником тепла и электричества.

Плутоний имеет аномально низкую для металлов температуру плавления (примерно 640 °C) и необычно высокую температуру кипения (3235 °C). Свинец является более лёгким металлом, чем плутоний примерно в два раза (разница в плотности составляет 19,86 − 11,34 ≈ 8,52 г/см³).

—
— β 420 1,085 −0,62 γ 505 1,078 −0,50 δ 625 1,004 +0,72 δ’ 735 1,021 +4,43