Plutonium -Plutonium

Plutonium,  ₉₄ Pu

Plutonium
Udtale	/ p l uː ˈ t oʊ n i ə m / ​( ploo- TOH -nee-əm )
Allotroper	se Allotroper af plutonium
Udseende	sølvhvid, anløbende til mørkegrå i luften
Massenummer	[244]
Plutonium i det periodiske system
Brint Helium Lithium Beryllium Bor Kulstof Nitrogen Ilt Fluor Neon Natrium Magnesium Aluminium Silicium Fosfor Svovl Klor Argon Kalium Calcium Scandium Titanium Vanadium Chrom Mangan Jern Kobolt Nikkel Kobber Zink Gallium Germanium Arsenik Selen Brom Krypton Rubidium Strontium Yttrium Zirkonium Niobium Molybdæn Technetium Ruthenium Rhodium Palladium Sølv Cadmium Indium Tin Antimon Tellur Jod Xenon Cæsium Barium Lanthanum Cerium Praseodymium Neodym Promethium Samarium Europium Gadolinium Terbium Dysprosium Holmium Erbium Thulium Ytterbium Lutetium Hafnium Tantal Wolfram Rhenium Osmium Iridium Platin Guld Kviksølv (grundstof) Thallium At føre Bismuth Polonium Astatin Radon Francium Radium Actinium Thorium Protactinium Uran Neptunium Plutonium Americium Curium Berkelium Californium Einsteinium Fermium Mendelevium Nobelium Lawrencium Rutherfordium Dubnium Seaborgium Bohrium Hassium Meitnerium Darmstadtium Røntgenium Copernicium Nihonium Flerovium Moscovium Livermorium Tennessine Oganesson Sm ↑ Pu ↓ (Uqo) neptunium ← plutonium → americium
Atomnummer ( Z )	94
Gruppe	f-blok grupper (intet nummer)
Periode	periode 7
Blok	f-blok
Elektron konfiguration	[ Rn ] 5f 6 7s 2
Elektroner pr skal	2, 8, 18, 32, 24, 8, 2
Fysiske egenskaber
Fase på  STP	solid
Smeltepunkt	912,5  K ​(639,4 °C, ​1182,9 °F)
Kogepunkt	3505 K ​(3228 °C, ​5842 °F)
Tæthed (nær  rt )	19,85 g/cm 3 ( 239 Pu)
når flydende (ved  mp )	16,63 g/cm 3
Fusionsvarme	2,82  kJ/mol
Fordampningsvarme	333,5 kJ/mol
Molær varmekapacitet	35,5 J/(mol·K)
Damptryk P  (Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k ved  T  (K) 1756 1953 2198 2511 2926 3499
Atomiske egenskaber
Oxidationstilstande	+2, +3, +4 , +5, +6, +7, +8 (et  amfotert oxid)
Elektronegativitet	Pauling-skala: 1,28
Ioniseringsenergier
Atomradius	empiri: 159  kl
Kovalent radius	187±1 kl
Spektrallinjer af plutonium
Andre ejendomme
Naturlig forekomst	fra forfald
Krystal struktur	monoklinisk
Lydens hastighed	2260 m/s
Varmeudvidelse	46,7 µm/(m⋅K) (ved 25 °C)
Varmeledningsevne	6,74 W/(m⋅K)
Elektrisk resistivitet	1.460 µΩ⋅m (ved 0 °C)
Magnetisk bestilling	paramagnetisk
Youngs modul	96 GPa
Forskydningsmodul	43 GPa
Poisson-forhold	0,21
CAS nummer	7440-07-5
Historie
Navngivning	efter dværgplaneten Pluto , selv opkaldt efter den klassiske gud for underverdenen Pluto
Opdagelse	Glenn T. Seaborg , Arthur Wahl , Joseph W. Kennedy , Edwin McMillan (1940–1941)
Hovedisotoper af plutonium v e
Isotop Henfald overflod halveringstid ( t 1/2 ) mode produkt 238 Pu spore 87,7 år α 234 U SF – 239 Pu spore 2.411 × 10 4  år α 235 U SF – 240 Pu spore 6.561 × 10 3  år α 236 U SF – 241 Pu syn 14.329 år β - 241 Am α 241 Am SF – 242 Pu syn 3,75 × 10 5  år α 238 U SF – 244 Pu spore 81,3 × 10 6  år α 240 U SF – β − β − 244 cm
Kategori: Plutonium udsigt tale redigere | referencer

Plutonium er et radioaktivt kemisk grundstof med symbolet Pu og atomnummer 94. Det er et aktinidmetal med sølvgrå udseende, der plettes , når det udsættes for luft, og danner en mat belægning, når det oxideres . Grundstoffet udviser normalt seks allotroper og fire oxidationstilstande . Det reagerer med kulstof , halogener , nitrogen , silicium og brint . Når det udsættes for fugtig luft, danner det oxider og hydrider , der kan udvide prøven op til 70% i volumen, som igen flager af som et pulver, der er pyrofor . Det er radioaktivt og kan ophobes i knogler , hvilket gør håndteringen af ​​plutonium farlig.

Plutonium blev først syntetisk fremstillet og isoleret i slutningen af ​​1940 og begyndelsen af ​​1941 ved et deuteronbombardement af uranium-238 i den 1,5 meter lange (60 tommer) cyklotron ved University of California, Berkeley . Først blev neptunium-238 ( halveringstid 2,1 dage) syntetiseret, som efterfølgende blev beta-henfaldet til at danne det nye grundstof med atomnummer 94 og atomvægt 238 (halveringstid 88 år). Da uran var blevet opkaldt efter planeten Uranus og neptunium efter planeten Neptun , blev grundstof 94 opkaldt efter Pluto , som på det tidspunkt også blev anset for at være en planet. Krigstidens hemmeligholdelse forhindrede University of California-teamet i at offentliggøre sin opdagelse indtil 1948.

Plutonium er grundstoffet med det højeste atomnummer, der forekommer i naturen. Spormængder opstår i naturlige uran-238-aflejringer, når uran-238 fanger neutroner, der udsendes ved henfald af andre uran-238-atomer.

Både plutonium-239 og plutonium-241 er fissile , hvilket betyder, at de kan opretholde en nuklear kædereaktion , hvilket fører til anvendelser i atomvåben og atomreaktorer . Plutonium-240 udviser en høj hastighed af spontan fission , hvilket øger neutronstrømmen af ​​enhver prøve, der indeholder det. Tilstedeværelsen af ​​plutonium-240 begrænser en plutoniumprøves anvendelighed til våben eller dens kvalitet som reaktorbrændstof, og procentdelen af ​​plutonium-240 bestemmer dens kvalitet ( våbenkvalitet , brændstofkvalitet eller reaktorkvalitet). Plutonium-238 har en halveringstid på 87,7 år og udsender alfapartikler . Det er en varmekilde i radioisotop termoelektriske generatorer , som bruges til at drive nogle rumfartøjer . Plutoniumisotoper er dyre og ubelejlige at adskille, så særlige isotoper fremstilles normalt i specialiserede reaktorer.

At producere plutonium i nyttige mængder for første gang var en stor del af Manhattan-projektet under Anden Verdenskrig , der udviklede de første atombomber. Fat Man -bomberne, der blev brugt i Trinity- atomprøvesprængningen i juli 1945 og ved bombningen af ​​Nagasaki i august 1945, havde plutoniumkerner . Menneskelige strålingseksperimenter , der studerede plutonium, blev udført uden informeret samtykke , og flere kritiske ulykker , nogle dødelige, fandt sted efter krigen. Bortskaffelse af plutoniumaffald fra atomkraftværker og demonterede atomvåben bygget under den kolde krig er en atomspredning og miljømæssig bekymring. Andre kilder til plutonium i miljøet er nedfald fra adskillige overjordiske atomprøvesprængninger, som nu er forbudt .

Egenskaber

Fysiske egenskaber

Plutonium har, som de fleste metaller, et lyst sølvagtigt udseende i starten, meget ligesom nikkel , men det oxideres meget hurtigt til en mat grå, selvom gul og olivengrøn også er rapporteret. Ved stuetemperatur er plutonium i sin α ( alfa ) form . Denne, den mest almindelige strukturelle form af elementet ( allotrop ), er omtrent lige så hårdt og skørt som gråt støbejern , medmindre det er legeret med andre metaller for at gøre det blødt og duktilt. I modsætning til de fleste metaller er det ikke en god leder af varme eller elektricitet . Det har et lavt smeltepunkt (640 °C, 1.184 °F) og et usædvanligt højt kogepunkt (3.228 °C, 5.842 °F). Dette giver et stort temperaturområde (over 2.500 kelvin bredt), hvor plutonium er flydende, men dette interval er hverken det største blandt alle aktinider eller blandt alle metaller. Det lave smeltepunkt samt reaktiviteten af ​​det native metal sammenlignet med oxidet fører til, at plutoniumoxider er en foretrukken form til applikationer såsom nuklear fissionsreaktorbrændsel (MOX- fuel ).

Alfa-henfald , frigivelsen af ​​en højenergi heliumkerne , er den mest almindelige form for radioaktivt henfald for plutonium. En 5 kg masse på ²³⁹ Pu indeholder ca12,5 × 1024 ^atomer . Med en halveringstid på 24.100 år, ca11,5 × 10 ¹² af dets atomer henfalder hvert sekund ved at udsende en 5,157  MeV alfa-partikel. Dette svarer til 9,68 watt effekt. Varme produceret af decelerationen af ​​disse alfapartikler gør det varmt at røre ved.²³⁸
På grund af sin meget kortere halveringstid opvarmes Pu til meget højere temperaturer og lyser rødglødende med sortlegemestråling, hvis den efterlades uden ekstern opvarmning eller køling. Denne varme er blevet brugt i Radioisotope termoelektriske generatorer (se nedenfor).

Resistivitet er et mål for, hvor stærkt et materiale modarbejder strømmen af ​​elektrisk strøm . Modstandsevnen for plutonium ved stuetemperatur er meget høj for et metal, og den bliver endnu højere med lavere temperaturer, hvilket er usædvanligt for metaller. Denne tendens fortsætter ned til 100  K , hvorunder resistiviteten hurtigt falder for friske prøver. Resistiviteten begynder derefter at stige med tiden omkring 20 K på grund af strålingsskader, med hastigheden dikteret af prøvens isotopsammensætning.

På grund af selvbestråling bliver en prøve af plutonium træt gennem dens krystalstruktur, hvilket betyder, at dets ordnede arrangement af dets atomer bliver forstyrret af stråling med tiden. Selvbestråling kan også føre til udglødning , som modvirker nogle af træthedseffekterne, når temperaturen stiger over 100 K.

I modsætning til de fleste materialer stiger plutonium i densitet, når det smelter, med 2,5 %, men det flydende metal udviser et lineært fald i densiteten med temperaturen. Nær smeltepunktet har det flydende plutonium meget høj viskositet og overfladespænding sammenlignet med andre metaller.

Allotroper

Plutonium har normalt seks allotroper og danner en syvende (zeta, ζ) ved høj temperatur inden for et begrænset trykområde. Disse allotroper, som er forskellige strukturelle modifikationer eller former for et element, har meget ens indre energier , men væsentligt varierende tætheder og krystalstrukturer . Dette gør plutonium meget følsomt over for ændringer i temperatur, tryk eller kemi og giver mulighed for dramatiske volumenændringer efter faseovergange fra en allotrop form til en anden. Densiteterne af de forskellige allotroper varierer fra 16,00 g/cm3 ^til 19,86 g/ ^cm3 .

Tilstedeværelsen af ​​disse mange allotroper gør bearbejdning af plutonium meget vanskelig, da det meget let ændrer tilstand. For eksempel eksisterer α-formen ved stuetemperatur i ulegeret plutonium. Det har bearbejdningsegenskaber, der ligner støbejern , men ændrer sig til den plastiske og formbare β ( beta ) form ved lidt højere temperaturer. Årsagerne til det komplicerede fasediagram er ikke helt forstået. α-formen har en monoklinisk struktur med lav symmetri , deraf dens skørhed, styrke, kompressibilitet og dårlige varmeledningsevne.

Plutonium i δ ( delta ) form findes normalt i intervallet 310 °C til 452 °C, men er stabilt ved stuetemperatur, når det er legeret med en lille procentdel af gallium , aluminium eller cerium , hvilket forbedrer bearbejdeligheden og gør det muligt at svejse det . δ-formen har mere typisk metallisk karakter og er nogenlunde lige så stærk og formbar som aluminium. I fissionsvåben vil de eksplosive chokbølger , der bruges til at komprimere en plutoniumkerne, også forårsage en overgang fra den sædvanlige δ-fase plutonium til den tættere α-form, hvilket væsentligt bidrager til at opnå superkritik . ε-fasen, den højeste temperatur faste allotrop, udviser unormalt høj atomær selvdiffusion sammenlignet med andre grundstoffer.

Nuklear fission

Plutonium er et radioaktivt actinidmetal , hvis isotop , plutonium-239 , er en af ​​de tre primære fissile isotoper ( uran-233 og uran-235 er de to andre); plutonium-241 er også meget fissilt. For at blive betragtet som fissile skal en isotops atomkerne være i stand til at bryde fra hinanden eller spalte , når den rammes af en langsomt bevægende neutron og frigive nok yderligere neutroner til at opretholde kernekædereaktionen ved at spalte yderligere kerner.

Rent plutonium-239 kan have en multiplikationsfaktor (k _eff ) større end én, hvilket betyder, at hvis metallet er til stede i tilstrækkelig mængde og med en passende geometri (f.eks. en kugle af tilstrækkelig størrelse), kan det danne en kritisk masse . Under fission frigives en brøkdel af den nukleare bindingsenergi , som holder en kerne sammen, som en stor mængde elektromagnetisk og kinetisk energi (meget af sidstnævnte bliver hurtigt omdannet til termisk energi). Fission af et kilogram plutonium-239 kan producere en eksplosion svarende til 21.000 tons TNT (88.000  GJ ). Det er denne energi, der gør plutonium-239 nyttig i atomvåben og reaktorer .

Tilstedeværelsen af ​​isotopen plutonium-240 i en prøve begrænser dens atombombepotentiale, da plutonium-240 har en relativt høj spontan fissionshastighed (~440 fissioner pr. sekund pr. gram - over 1.000 neutroner pr. sekund pr. gram), hvilket hæver baggrundsneutronen niveauer og dermed øge risikoen for prædetonation . Plutonium identificeres som enten våbenkvalitet , brændstofkvalitet eller reaktorkvalitet baseret på procentdelen af ​​plutonium-240, som det indeholder. Plutonium af våbenkvalitet indeholder mindre end 7 % plutonium-240. Plutonium af brændstofkvalitet indeholder fra 7 % til mindre end 19 %, og kraftreaktorkvalitet indeholder 19 % eller mere plutonium-240. Supergrade plutonium , med mindre end 4% af plutonium-240, bruges i US Navy våben opbevaret i nærheden af ​​skibs- og ubådsbesætninger på grund af dets lavere radioaktivitet. Isotopen plutonium-238 er ikke spaltelig, men kan let gennemgå nuklear fission med hurtige neutroner samt alfa-henfald. Alle plutoniumisotoper kan "avles" til fissilt materiale med en eller flere neutronabsorptioner , uanset om de efterfølges af beta-henfald eller ej. Dette gør ikke-fissile isotoper af Plutonium til et frugtbart materiale .

Isotoper og nukleosyntese

Tyve radioaktive isotoper af plutonium er blevet karakteriseret. De længstlevende er plutonium-244 med en halveringstid på 80,8 millioner år, plutonium-242 med en halveringstid på 373.300 år og plutonium-239 med en halveringstid på 24.110 år. Alle de resterende radioaktive isotoper har halveringstider, der er mindre end 7.000 år. Dette element har også otte metastabile tilstande , selvom alle har halveringstider på mindre end et sekund. Plutonium-244 er blevet fundet i det interstellare rum og har den længste halveringstid af enhver ikke-primordiel radioisotop.

De kendte isotoper af plutonium varierer i massetal fra 228 til 247. De primære henfaldsmåder for isotoper med massetal lavere end den mest stabile isotop, plutonium-244, er spontan fission og alfa-emission , der for det meste danner uran (92 protoner ) og neptunium (93 protoner) isotoper som henfaldsprodukter (som ignorerer den brede vifte af datterkerner skabt af fissionsprocesser). Den primære henfaldstilstand for isotoper med massetal højere end plutonium-244 er beta-emission , der for det meste danner americium (95 protoner) isotoper som henfaldsprodukter. Plutonium-241 er moderisotopen af ​​neptunium-henfaldsserien , der henfalder til americium-241 via beta-emission.

Plutonium-238 og 239 er de mest syntetiserede isotoper. Plutonium-239 syntetiseres via følgende reaktion ved hjælp af uran (U) og neutroner (n) via beta-henfald (β ⁻ ) med neptunium (Np) som et mellemprodukt:

${\displaystyle {\ce {{^{238}_{92}U}+{^{1}_{0}n}->{^{239}_{92}U}->[\beta ^{ -}][23,5\ {\ce {min}}]{^{239}_{93}Np}->[\beta ^{-}][2.3565\ {\ce {d}}]{^{239 }_{94}Pu}}}}$

Neutroner fra spaltningen af ​​uran-235 fanges af uran-238-kerner for at danne uran-239; et beta-henfald omdanner en neutron til en proton for at danne neptunium-239 (halveringstid 2,36 dage), og et andet beta-henfald danner plutonium-239. Egon Bretscher , der arbejdede på British Tube Alloys -projektet, forudsagde denne reaktion teoretisk i 1940.

Plutonium-238 syntetiseres ved at bombardere uranium-238 med deuteroner (D, kernerne af tungt brint ) i følgende reaktion:

${\displaystyle {\begin{aligned}{\ce {{^{238}_{92}U}+{^{2}_{1}D}->}}&{\ce {{^{238} _{93}Np}+2_{0}^{1}n}}\\&{\ce {^{238}_{93}Np->[\beta ^{-}][2.117\ {\ce {d}}]{^{238}_{94}Pu}}}\end{aligned}}}$

I denne proces producerer en deuteron, der rammer uranium-238, to neutroner og neptunium-238, som spontant henfalder ved at udsende negative beta-partikler til dannelse af plutonium-238. Plutonium-238 kan også fremstilles ved neutronbestråling af neptunium-237 .

Nedbrydning af varme og fissionsegenskaber

Plutoniumisotoper gennemgår radioaktivt henfald, som producerer henfaldsvarme . Forskellige isotoper producerer forskellige mængder varme pr. masse. Henfaldsvarmen er normalt angivet som watt/kilogram eller milliwatt/gram. I større stykker plutonium (f.eks. en våbengrav) og utilstrækkelig varmefjernelse kan den resulterende selvopvarmning være betydelig.

Nedbrydningsvarme fra plutoniumisotoper

Isotop	Decay mode	Halveringstid (år)	Henfaldsvarme (W/kg)	Spontane fissionsneutroner (1/(g·s))	Kommentar
238 Pu	alfa til 234 U	87,74	560	2600	Meget høj henfaldsvarme. Selv i små mængder kan forårsage betydelig selvopvarmning. Anvendes alene i radioisotop termoelektriske generatorer .
239 Pu	alfa til 235 U	24100	1.9	0,022	Den vigtigste fissile isotop i brug.
240 Pu	alfa til 236 U , spontan fission	6560	6.8	910	Den vigtigste urenhed i prøver af 239 Pu isotopen. Plutoniumkvaliteten er normalt angivet som en procentdel af 240 Pu. Høj spontan fission hindrer brug i atomvåben.
241 Pu	beta-minus, til 241 Am	14.4	4.2	0,049	Henfalder til americium-241; dens opbygning udgør en strålingsfare i ældre prøver.
242 Pu	alfa til 238 U	376000	0,1	1700	242 Pu henfalder til 238 U gennem alfa-henfald; vil også henfalde ved spontan fission.

Forbindelser og kemi

Ved stuetemperatur er rent plutonium sølvfarvet, men får en anløbning, når det oxideres. Grundstoffet viser fire almindelige ioniske oxidationstilstande i vandig opløsning og en sjælden:

• Pu(III), som Pu ³⁺ (blå lavendel)
• Pu(IV), som Pu ⁴⁺ (gulbrun)
• Pu(V), som PuO⁺
  ₂(lyserød)
• Pu(VI), som PuO²⁺
  ₂(lyserød orange)
• Pu(VII), som PuO^3-5
  _{_}(grøn) - den heptavalente ion er sjælden.

Farven vist af plutoniumopløsninger afhænger af både oxidationstilstanden og syreanionens natur . Det er den sure anion, der påvirker graden af ​​kompleksdannelse - hvordan atomer forbindes til et centralt atom - af plutonium-arterne. Derudover er den formelle +2-oxidationstilstand for plutonium kendt i komplekset [K(2.2.2-kryptand)] [Pu ^II Cp″ ₃ ], Cp″ = C ₅ H ₃ (SiMe ₃ ) ₂ .

En +8 oxidationstilstand er også mulig i det flygtige tetroxid PuO
₄. Selvom det let nedbrydes via en reduktionsmekanisme svarende til FeO
₄, PuO
₄kan stabiliseres i alkaliske opløsninger og chloroform .

Metallisk plutonium fremstilles ved at omsætte plutoniumtetrafluorid med barium , calcium eller lithium ved 1200 °C. Metallisk plutonium angribes af syrer , oxygen og damp, men ikke af alkalier og opløses let i koncentreret saltsyre , jodbrinte og perchlorsyre . Smeltet metal skal holdes i et vakuum eller en inert atmosfære for at undgå reaktion med luft. Ved 135 °C vil metallet antændes i luften og eksplodere, hvis det placeres i kultetrachlorid .

Plutonium er et reaktivt metal. I fugtig luft eller fugtig argon oxiderer metallet hurtigt og danner en blanding af oxider og hydrider . Hvis metallet udsættes længe nok for en begrænset mængde vanddamp, dannes en pulveragtig overfladebelægning af PuO _{2 .} Der dannes også plutoniumhydrid , men et overskud af vanddamp danner kun PuO ₂ .

Plutonium viser enorme og reversible reaktionshastigheder med rent brint og danner plutoniumhydrid . Det reagerer også let med oxygen og danner PuO og PuO ₂ samt mellemliggende oxider; plutoniumoxid fylder 40 % mere volumen end plutoniummetal. Metallet reagerer med halogenerne , hvilket giver anledning til forbindelser med den almene formel PuX3, _hvor X kan være F , Cl , Br eller I, og PuF4 _ses også. Følgende oxyhalogenider observeres: PuOCl, PuOBr og PuOI. Det vil reagere med kulstof til dannelse af PuC, nitrogen til dannelse af PuN og silicium til dannelse af PuSi ₂ .

Den organometalliske kemi af plutoniumkomplekser er typisk for organoactinid- arter; et karakteristisk eksempel på en organoplutoniumforbindelse er plutonocen . Beregningskemiske metoder indikerer en forbedret kovalent karakter i plutonium-ligandbindingen.

Pulvere af plutonium, dets hydrider og visse oxider som Pu ₂ O ₃ er pyrofore , hvilket betyder, at de kan antændes spontant ved omgivelsestemperatur og derfor håndteres i en inert, tør atmosfære af nitrogen eller argon. Bulk plutonium antændes kun ved opvarmning over 400 °C. Pu ₂ O ₃ opvarmes spontant og omdannes til PuO ₂ , som er stabil i tør luft, men reagerer med vanddamp ved opvarmning.

Digler , der bruges til at indeholde plutonium, skal kunne modstå dets stærkt reducerende egenskaber. Ildfaste metaller som tantal og wolfram sammen med de mere stabile oxider, borider , carbider , nitrider og silicider kan tåle dette. Smeltning i en lysbueovn kan bruges til at fremstille små barrer af metallet uden behov for en digel.

Cerium bruges som en kemisk simulator af plutonium til udvikling af indeslutning, udvinding og andre teknologier.

Elektronisk struktur

Plutonium er et grundstof, hvori 5f-elektronerne er overgangsgrænsen mellem delokaliseret og lokaliseret; det betragtes derfor som et af de mest komplekse elementer. Den unormale opførsel af plutonium er forårsaget af dets elektroniske struktur. Energiforskellen mellem 6d og 5f underskallene er meget lav. Størrelsen af ​​5f-skallen er lige nok til at tillade elektronerne at danne bindinger i gitteret, på selve grænsen mellem lokaliseret og bindingsadfærd. Nærheden af ​​energiniveauer fører til flere lavenergielektronkonfigurationer med næsten lige energiniveauer. Dette fører til konkurrerende 5f ⁿ 7s ² og 5f ⁿ⁻¹ 6d ¹ 7s ² konfigurationer, hvilket forårsager kompleksiteten af ​​dens kemiske adfærd. Den stærkt retningsbestemte natur af 5f-orbitaler er ansvarlig for retningsbestemte kovalente bindinger i molekyler og komplekser af plutonium.

Legeringer

Plutonium kan danne legeringer og mellemforbindelser med de fleste andre metaller. Undtagelser omfatter lithium, natrium , kalium , rubidium og cæsium af alkalimetallerne ; og magnesium , calcium, strontium og barium af jordalkalimetallerne ; og europium og ytterbium af de sjældne jordarters metaller . Delvise undtagelser omfatter de ildfaste metaller chrom , molybdæn , niobium , tantal og wolfram, som er opløselige i flydende plutonium, men uopløselige eller kun lidt opløselige i fast plutonium. Gallium, aluminium, americium, scandium og cerium kan stabilisere δ-fasen af ​​plutonium til stuetemperatur. Silicium , indium , zink og zirconium tillader dannelse af metastabil δ-tilstand, når den afkøles hurtigt. Høje mængder af hafnium , holmium og thallium tillader også en vis tilbageholdelse af δ-fasen ved stuetemperatur. Neptunium er det eneste grundstof, der kan stabilisere α-fasen ved højere temperaturer.

Plutoniumlegeringer kan fremstilles ved at tilføje et metal til smeltet plutonium. Hvis legeringsmetallet er tilstrækkeligt reduktivt, kan plutonium tilsættes i form af oxider eller halogenider. δ-fase plutonium-gallium- og plutonium-aluminium-legeringerne fremstilles ved at tilsætte plutonium(III)fluorid til smeltet gallium eller aluminium, hvilket har den fordel, at man undgår at beskæftige sig direkte med det meget reaktive plutoniummetal.

• Plutonium-gallium bruges til at stabilisere δ-fasen af ​​plutonium, undgå α-fasen og α-δ-relaterede problemer. Dens primære anvendelse er i gruber af implosionsatomvåben .
• Plutonium-aluminium er et alternativ til Pu-Ga-legeringen. Det var det oprindelige element, der blev overvejet til δ-fasestabilisering, men dets tendens til at reagere med alfapartiklerne og frigive neutroner reducerer dets anvendelighed til atomvåbengrave. Plutonium-aluminium-legering kan også bruges som en komponent i nukleart brændsel .
• Plutonium-gallium-cobalt- legering (PuCoGa ₅ ) er en ukonventionel superleder , der viser superledning under 18,5 K, en størrelsesorden højere end den højeste mellem tunge fermionsystemer , og har stor kritisk strøm.
• Plutonium-zirconium legering kan bruges som nukleart brændsel .
• Plutonium-cerium og plutonium-cerium-cobolt legeringer bruges som nukleart brændsel.
• Plutonium-uran , med omkring 15-30 mol.% plutonium, kan bruges som atombrændsel til hurtige forædlingsreaktorer. Dens pyrofore natur og høje følsomhed over for korrosion til selvantændelse eller opløsning efter eksponering for luft kræver legering med andre komponenter. Tilsætning af aluminium, kulstof eller kobber forbedrer ikke nedbrydningshastigheden markant, zirconium og jernlegeringer har bedre korrosionsbestandighed, men de går også i luften på flere måneder. Tilsætning af titanium og/eller zirconium øger legeringens smeltepunkt betydeligt.
• Plutonium-uran-titanium og plutonium-uran-zirconium blev undersøgt til brug som nukleart brændsel. Tilføjelsen af ​​det tredje element øger korrosionsbestandigheden, reducerer brændbarheden og forbedrer duktilitet, fabrikationsevne, styrke og termisk udvidelse. Plutonium-uran-molybdæn har den bedste korrosionsbestandighed og danner en beskyttende film af oxider, men titanium og zirconium foretrækkes af fysik.
• Thorium-uran-plutonium blev undersøgt som et nukleart brændsel til hurtige forædlingsreaktorer.

Hændelse

Spormængder af plutonium-238, plutonium-239, plutonium-240 og plutonium-244 kan findes i naturen. Små spor af plutonium-239, nogle få dele pr. trillion , og dets nedbrydningsprodukter findes naturligt i nogle koncentrerede uranmalme, såsom den naturlige nukleare fissionsreaktor i Oklo , Gabon . Forholdet mellem plutonium-239 og uran ved Cigar Lake Mine uranforekomst varierer fra2,4 × 10 ⁻¹² til44 × 10 ⁻¹² . Disse spormængder af ²³⁹ Pu stammer fra følgende måde: i sjældne tilfælde gennemgår ²³⁸ U spontan fission, og i processen udsender kernen en eller to frie neutroner med en vis kinetisk energi. Når en af ​​disse neutroner rammer kernen af ​​et andet ²³⁸ U-atom, absorberes det af atomet, som bliver til ²³⁹ U. Med en relativt kort halveringstid henfalder ²³⁹ U til ²³⁹ Np, som henfalder til ²³⁹ Pu. Endelig er overordentlig små mængder af plutonium-238, tilskrevet det ekstremt sjældne dobbelte beta-henfald af uran-238, blevet fundet i naturlige uranprøver.

På grund af dens relativt lange halveringstid på omkring 80 millioner år, blev det foreslået, at plutonium-244 forekommer naturligt som en primordial nuklid , men tidlige rapporter om dets påvisning kunne ikke bekræftes. Imidlertid sikrede dens lange halveringstid dets cirkulation gennem solsystemet før dets udryddelse , og der er faktisk fundet beviser for den spontane fission af uddøde ^{244 Pu i meteoritter.} Den tidligere tilstedeværelse af ²⁴⁴ Pu i det tidlige solsystem er blevet bekræftet, da det manifesterer sig i dag som et overskud af sine døtre, enten ²³² Th (fra alfa-henfaldsvejen) eller xenon- isotoper (fra dets spontane fission ). Sidstnævnte er generelt mere nyttige, fordi kemierne af thorium og plutonium er ret ens (begge er overvejende tetravalente), og derfor ville et overskud af thorium ikke være et stærkt bevis på, at noget af det blev dannet som en plutoniumdatter. ²⁴⁴ Pu har den længste halveringstid af alle transuraniske nuklider og produceres kun i r-processen i supernovaer og kolliderende neutronstjerner ; når kerner udstødes fra disse begivenheder med høj hastighed for at nå Jorden, har ²⁴⁴ Pu alene blandt transuraniske nuklider en lang nok halveringstid til at overleve rejsen, og derfor er der fundet små spor af levende interstellar ²⁴⁴ Pu i den dybe havbund. Fordi ²⁴⁰ Pu også forekommer i henfaldskæden af ^​​244 Pu, må det således også være til stede i sekulær ligevægt , omend i endnu mindre mængder.

Små spor af plutonium findes sædvanligvis i den menneskelige krop på grund af de 550 atmosfæriske og undervands atomprøver , der er blevet udført, og et lille antal større nukleare ulykker . De fleste atmosfæriske og undersøiske atomprøvesprængninger blev stoppet af traktaten om begrænset testforbud i 1963, hvilken af ​​atommagterne blev underskrevet og ratificeret af USA, Storbritannien og Sovjetunionen . Frankrig ville fortsætte atmosfæriske atomprøvesprængninger indtil 1974 og Kina ville fortsætte atmosfæriske atomprøvesprængninger indtil 1980. Alle efterfølgende atomprøvesprængninger blev udført under jorden.

Historie

Opdagelse

Enrico Fermi og et team af videnskabsmænd ved universitetet i Rom rapporterede, at de havde opdaget grundstof 94 i 1934. Fermi kaldte grundstoffet hesperium og nævnte det i sin Nobelforelæsning i 1938. Prøven indeholdt faktisk produkter af nuklear fission , primært barium og krypton . Nuklear fission, opdaget i Tyskland i 1938 af Otto Hahn og Fritz Strassmann , var ukendt på det tidspunkt.

Plutonium (specifikt plutonium-238) blev først fremstillet, isoleret og derefter kemisk identificeret mellem december 1940 og februar 1941 af Glenn T. Seaborg , Edwin McMillan , Emilio Segrè , Joseph W. Kennedy og Arthur Wahl ved deuteron-bombardement af uran i 60-tommer (150 cm) cyklotron ved Berkeley Radiation Laboratory ved University of California, Berkeley . Neptunium-238 blev skabt direkte ved bombardementet, men henfaldt af beta-emission med en halveringstid på lidt over to dage, hvilket indikerede dannelsen af ​​grundstof 94. Det første bombardement fandt sted den 14. december 1940, og det nye grundstof var først identificeret gennem oxidation natten mellem den 23. og 24. februar 1941.

Et papir, der dokumenterer opdagelsen, blev udarbejdet af holdet og sendt til tidsskriftet Physical Review i marts 1941, men offentliggørelsen blev forsinket indtil et år efter afslutningen af ​​Anden Verdenskrig på grund af sikkerhedsmæssige bekymringer. På Cavendish Laboratory i Cambridge indså Egon Bretscher og Norman Feather , at en langsom neutronreaktor, der brændes med uran, teoretisk ville producere betydelige mængder plutonium-239 som et biprodukt. De beregnede, at grundstof 94 ville være fissilt og havde den ekstra fordel at være kemisk forskelligt fra uran og let kunne adskilles fra det.

McMillan havde for nylig opkaldt det første transuraniske grundstof neptunium efter planeten Neptun og foreslog, at grundstof 94, som er det næste grundstof i serien, blev opkaldt efter det, der dengang blev betragtet som den næste planet, Pluto . Nicholas Kemmer fra Cambridge-holdet foreslog uafhængigt det samme navn, baseret på samme ræsonnement som Berkeley-holdet. Seaborg betragtede oprindeligt navnet som "plutium", men mente senere, at det ikke lød så godt som "plutonium". Han valgte bogstaverne "Pu" som en vittighed, med henvisning til interjektionen "P U" for at indikere en særlig modbydelig lugt, som uden varsel passerede ind i det periodiske system. Alternative navne, som Seaborg og andre overvejede, var "ultimium" eller "extremium" på grund af den fejlagtige tro på, at de havde fundet det sidste mulige grundstof i det periodiske system .

Hahn og Strassmann, og uafhængigt af hinanden Kurt Starke , arbejdede på dette tidspunkt også med transuraniske elementer i Berlin. Det er sandsynligt, at Hahn og Strassmann var klar over, at plutonium-239 skulle være fissilt. De havde dog ikke en stærk neutronkilde. Element 93 blev rapporteret af Hahn og Strassmann, såvel som Starke, i 1942. Hahns gruppe forfulgte ikke element 94, sandsynligvis fordi de blev afskrækket af McMillan og Abelsons manglende succes med at isolere det, da de først havde fundet element 93. Men, da Hahns gruppe havde adgang til den stærkere cyklotron i Paris på dette tidspunkt, ville de sandsynligvis have været i stand til at opdage plutonium, hvis de havde prøvet, omend i små mængder (et par becquerel ).

Tidlig forskning

Kemien af ​​plutonium viste sig at ligne uran efter et par måneders indledende undersøgelse. Tidlig forskning blev fortsat på det hemmelige metallurgiske laboratorium ved University of Chicago . Den 20. august 1942 blev en spormængde af dette grundstof isoleret og målt for første gang. Der blev produceret omkring 50 mikrogram plutonium-239 kombineret med uran og fissionsprodukter, og kun omkring 1 mikrogram blev isoleret. Denne procedure gjorde det muligt for kemikere at bestemme det nye grundstofs atomvægt. Den 2. december 1942, på en ketcherbane under den vestlige tribune ved University of Chicagos Stagg Field, opnåede forskere ledet af Enrico Fermi den første selvopretholdende kædereaktion i en grafit- og uranbunke kendt som CP-1 . Ved at bruge teoretisk information indsamlet fra driften af ​​CP-1 konstruerede DuPont en luftkølet eksperimentel produktionsreaktor, kendt som X-10 , og et pilotanlæg til kemisk separation ved Oak Ridge. Separationsanlægget, ved hjælp af metoder udviklet af Glenn T. Seaborg og et team af forskere ved Met Lab, fjernede plutonium fra uran bestrålet i X-10-reaktoren. Oplysninger fra CP-1 var også nyttige for Met Lab-forskere, der designede de vandkølede plutoniumproduktionsreaktorer til Hanford. Byggeriet på stedet begyndte i midten af ​​1943.

I november 1943 blev noget plutoniumtrifluorid reduceret for at skabe den første prøve af plutoniummetal: nogle få mikrogram metalliske perler. Der blev produceret nok plutonium til at gøre det til det første syntetisk fremstillede grundstof, der kunne ses med det blotte øje.

De nukleare egenskaber af plutonium-239 blev også undersøgt; forskere fandt ud af, at når den bliver ramt af en neutron, går den i stykker (fissioner) ved at frigive flere neutroner og energi. Disse neutroner kan ramme andre atomer af plutonium-239 og så videre i en eksponentielt hurtig kædereaktion. Dette kan resultere i en eksplosion, der er stor nok til at ødelægge en by, hvis nok af isotopen er koncentreret til at danne en kritisk masse .

I de tidlige stadier af forskning blev dyr brugt til at studere virkningerne af radioaktive stoffer på sundheden. Disse undersøgelser begyndte i 1944 ved University of California ved Berkeley's Radiation Laboratory og blev udført af Joseph G. Hamilton. Hamilton søgte at besvare spørgsmål om, hvordan plutonium ville variere i kroppen afhængigt af eksponeringstilstand (oral indtagelse, indånding, absorption gennem huden), retentionshastigheder, og hvordan plutonium ville blive fikseret i væv og fordelt mellem de forskellige organer. Hamilton begyndte at administrere opløselige mikrogram portioner af plutonium-239-forbindelser til rotter ved hjælp af forskellige valenstilstande og forskellige metoder til at introducere plutonium (oral, intravenøs osv.). Til sidst udførte laboratoriet i Chicago også sine egne plutonium-injektionseksperimenter med forskellige dyr som mus, kaniner, fisk og endda hunde. Resultaterne af undersøgelserne i Berkeley og Chicago viste, at plutoniums fysiologiske adfærd adskilte sig væsentligt fra radiums. Det mest alarmerende resultat var, at der var signifikant aflejring af plutonium i leveren og i den "aktivt metaboliserende" del af knoglen. Ydermere var hastigheden for plutoniumeliminering i ekskreterne forskellig mellem dyrearter med så meget som en faktor på fem. En sådan variation gjorde det ekstremt vanskeligt at vurdere, hvad satsen ville være for mennesker.

Produktion under Manhattan Project

Under Anden Verdenskrig etablerede den amerikanske regering Manhattan Project , som havde til opgave at udvikle en atombombe. De tre primære forsknings- og produktionssteder for projektet var plutoniumproduktionsanlægget på det, der nu er Hanford-stedet , uranberigelsesfaciliteterne i Oak Ridge, Tennessee , og våbenforsknings- og designlaboratoriet, nu kendt som Los Alamos National Laboratory .

Den første produktionsreaktor, der lavede plutonium-239, var X-10 Graphite Reactor . Det gik online i 1943 og blev bygget på et anlæg i Oak Ridge, der senere blev Oak Ridge National Laboratory .

I januar 1944 lagde arbejdere grundlaget for den første kemiske separationsbygning, T Plant beliggende i 200-West. Både T-anlægget og dets søsteranlæg i 200-West, U-anlægget, stod færdigt i oktober. (U Plant blev kun brugt til træning under Manhattan-projektet.) Separationsbygningen i 200-East, B Plant, stod færdig i februar 1945. Den anden facilitet, der var planlagt til 200-East, blev annulleret. Tilnavnet Queen Marys af arbejderne, der byggede dem, var adskillelsesbygningerne fantastiske kløftlignende strukturer 800 fod lange, 65 fod brede og 80 fod høje indeholdende fyrre procesbassiner. Interiøret havde en uhyggelig kvalitet, da operatører bag syv fods betonafskærmning manipulerede fjernbetjeningsudstyr ved at se gennem tv-skærme og periskoper fra et øvre galleri. Selv med massive betonlåg på procesbassinerne var forholdsregler mod strålingseksponering nødvendige og påvirkede alle aspekter af anlægsdesign.

Den 5. april 1944 modtog Emilio Segrè ved Los Alamos den første prøve af reaktorproduceret plutonium fra Oak Ridge. Inden for ti dage opdagede han, at reaktor-opdrættet plutonium havde en højere koncentration af isotopen plutonium-240 end cyklotron-produceret plutonium. Plutonium-240 har en høj spontan fissionshastighed, hvilket hæver det overordnede baggrundsneutronniveau i plutoniumprøven. Det originale plutoniumvåben af ​​pistoltype , kodenavnet " Thin Man ", måtte opgives som et resultat - det øgede antal spontane neutroner betød, at nuklear præ-detonation ( fizzle ) var sandsynlig.

Hele plutonium-våbendesignindsatsen i Los Alamos blev snart ændret til den mere komplicerede implosionsanordning, kodenavnet " Fat Man ". Med et implosionsvåben komprimeres plutonium til en høj tæthed med eksplosive linser - en teknisk mere skræmmende opgave end det simple pistoldesign, men nødvendigt for at bruge plutonium til våbenformål. Beriget uran kan derimod bruges med begge metoder.

Byggeriet af Hanford B-reaktoren , den første atomreaktor i industriel størrelse med henblik på materialeproduktion, blev afsluttet i marts 1945. B-reaktoren producerede det fissile materiale til plutoniumvåben, der blev brugt under Anden Verdenskrig. B, D og F var de første reaktorer bygget i Hanford, og seks yderligere plutonium-producerende reaktorer blev bygget senere på stedet.

Ved udgangen af ​​januar 1945 gennemgik det højrensede plutonium yderligere koncentration i den færdige kemiske isoleringsbygning, hvor resterende urenheder blev fjernet med succes. Los Alamos modtog sit første plutonium fra Hanford den 2. februar. Mens det stadig på ingen måde var klart, at der kunne produceres nok plutonium til brug i bomber ved krigens afslutning, var Hanford i begyndelsen af ​​1945 i drift. Der var kun gået to år, siden oberst Franklin Matthias første gang oprettede sit midlertidige hovedkvarter på bredden af ​​Columbia-floden.

Ifølge Kate Brown udgav plutoniumproduktionsanlæggene i Hanford og Mayak i Rusland i løbet af en periode på fire årtier "begge mere end 200 millioner curies af radioaktive isotoper i det omgivende miljø - det dobbelte af mængden, der blev udvist i Tjernobyl-katastrofen i hvert tilfælde ". Det meste af denne radioaktive forurening gennem årene var en del af normal drift, men uforudsete ulykker skete, og anlægsledelsen holdt dette hemmeligt, da forureningen fortsatte med uformindsket styrke.

I 2004 blev et pengeskab opdaget under udgravninger af en gravgrav på Hanford-atomanlægget . Inde i pengeskabet var forskellige genstande, herunder en stor glasflaske indeholdende en hvidlig gylle, som efterfølgende blev identificeret som den ældste prøve af våbenkvalitetsplutonium, der er kendt for at eksistere. Isotopanalyse af Pacific Northwest National Laboratory viste, at plutoniumet i flasken blev fremstillet i X-10 Graphite Reactor ved Oak Ridge i løbet af 1944.

Trinity og Fat Man atombomber

Den første atombombetest, kodenavnet "Trinity" og detoneret den 16. juli 1945, nær Alamogordo, New Mexico , brugte plutonium som sit fissile materiale. Implosionsdesignet af " gadgeten ", som Trinity-enheden fik kodenavnet, brugte konventionelle eksplosive linser til at komprimere en kugle af plutonium til en superkritisk masse, som samtidig blev overhældt med neutroner fra "Urchin", en initiator lavet af polonium og beryllium ( neutronkilde : (α, n) reaktion ). Tilsammen sikrede disse en løbsk kædereaktion og eksplosion. Det samlede våben vejede over 4 tons , selvom det kun brugte 6,2 kg plutonium i sin kerne. Omkring 20 % af det plutonium, der blev brugt i Trinity-våbnet, gennemgik fission, hvilket resulterede i en eksplosion med en energi svarende til cirka 20.000 tons TNT.

Et identisk design blev brugt i "Fat Man" atombomben, der blev kastet over Nagasaki , Japan , den 9. august 1945, og dræbte 35.000-40.000 mennesker og ødelagde 68%-80% af krigsproduktionen ved Nagasaki. Først efter annonceringen af ​​de første atombomber blev eksistensen og navnet på plutonium gjort kendt for offentligheden af ​​Manhattan Project's Smyth Report .

Brug og affald fra den kolde krig

Store lagre af plutonium af våbenkvalitet blev bygget op af både Sovjetunionen og USA under den kolde krig . De amerikanske reaktorer ved Hanford og Savannah River Site i South Carolina producerede 103 tons, og anslået 170 tons plutonium af militærkvalitet blev produceret i USSR. Hvert år produceres der stadig omkring 20 tons af grundstoffet som et biprodukt fra atomkraftindustrien . Så meget som 1000 tons plutonium kan være på lager med mere end 200 tons af det enten inde i eller udvundet af atomvåben. SIPRI anslog verdens plutoniumlagre i 2007 til omkring 500 tons, fordelt ligeligt mellem våbenlagre og civile lagre.

Radioaktiv forurening på Rocky Flats-fabrikken skyldtes primært to store plutoniumbrande i 1957 og 1969. Meget lavere koncentrationer af radioaktive isotoper blev frigivet gennem hele anlæggets levetid fra 1952 til 1992. Fremherskende vinde fra anlægget førte luftbåren forurening mod syd og øst. , ind i befolkede områder nordvest for Denver. Forureningen af ​​Denver-området med plutonium fra brandene og andre kilder blev ikke offentligt rapporteret før i 1970'erne. Ifølge en undersøgelse fra 1972, medforfattet af Edward Martell , "I de tættere befolkede områder af Denver er Pu-forureningsniveauet i overfladejord flere gange nedfald", og plutoniumforureningen "lige øst for Rocky Flats-anlægget rækker op til hundredvis af gange mere end fra atomprøvesprængninger". Som bemærket af Carl Johnson i Ambio , "Eksponeringer af en stor befolkning i Denver-området for plutonium og andre radionuklider i udstødningsfanerne fra anlægget dateres tilbage til 1953." Våbenproduktionen på Rocky Flats-fabrikken blev standset efter et kombineret FBI- og EPA- razzia i 1989 og mange års protester. Anlægget er siden blevet lukket ned, med dets bygninger revet ned og helt fjernet fra stedet.

I USA smeltes noget plutonium udvundet fra demonterede atomvåben til dannelse af glasstammer af plutoniumoxid , der vejer to tons. Glasset er lavet af borosilicater blandet med cadmium og gadolinium . Disse træstammer er planlagt til at blive indkapslet i rustfrit stål og opbevaret så meget som 4 km (2 mi) under jorden i borehuller, der vil blive tilbagefyldt med beton . USA planlagde at opbevare plutonium på denne måde ved Yucca Mountain atomaffaldsdepot , som er omkring 100 miles (160 km) nordøst for Las Vegas, Nevada .

Den 5. marts 2009 fortalte energiminister Steven Chu til en høring i Senatet, at "Yucca Mountain-stedet ikke længere blev betragtet som en mulighed for opbevaring af reaktoraffald". Fra 1999 bliver militærgenereret atomaffald begravet på Waste Isolation Pilot Plant i New Mexico.

I et præsidentielt memorandum dateret 29. januar 2010 oprettede præsident Obama Blue Ribbon Commission for America's Nuclear Future . I deres endelige rapport fremlagde Kommissionen anbefalinger til udvikling af en omfattende strategi til at forfølge, herunder:

"Anbefaling #1: USA bør gennemføre et integreret program til håndtering af nukleart affald, der fører til rettidig udvikling af et eller flere permanente dybe geologiske faciliteter til sikker bortskaffelse af brugt brændsel og højaktivt nukleart affald".

Medicinske eksperimenter

Under og efter afslutningen af ​​Anden Verdenskrig gennemførte forskere, der arbejdede på Manhattan-projektet og andre atomvåbenforskningsprojekter, undersøgelser af virkningerne af plutonium på laboratoriedyr og mennesker. Dyreforsøg viste, at nogle få milligram plutonium pr. kilogram væv er en dødelig dosis.

I tilfælde af mennesker involverede dette injektion af opløsninger indeholdende (typisk) fem mikrogram plutonium i hospitalspatienter, der menes at være enten uhelbredeligt syge eller at have en forventet levetid på mindre end ti år, enten på grund af alder eller kronisk sygdomstilstand. Dette blev reduceret til et mikrogram i juli 1945, efter at dyreforsøg viste, at den måde, hvorpå plutonium fordelte sig i knogler, var farligere end radium . De fleste af forsøgspersonerne, siger Eileen Welsome , var fattige, magtesløse og syge.

Fra 1945 til 1947 blev atten menneskelige forsøgspersoner injiceret med plutonium uden informeret samtykke . Testene blev brugt til at skabe diagnostiske værktøjer til at bestemme optagelsen af ​​plutonium i kroppen for at udvikle sikkerhedsstandarder for arbejde med plutonium. Ebb Cade var en uvillig deltager i medicinske eksperimenter, der involverede injektion af 4,7 mikrogram Plutonium den 10. april 1945 i Oak Ridge, Tennessee . Dette eksperiment var under opsyn af Harold Hodge . Andre eksperimenter ledet af United States Atomic Energy Commission og Manhattan Project fortsatte ind i 1970'erne. Plutonium-filerne skildrer livet for emnerne i det hemmelige program ved at navngive hver involveret person og diskutere den etiske og medicinske forskning, der udføres i hemmelighed af videnskabsmænd og læger. Episoden anses nu for at være et alvorligt brud på medicinsk etik og den hippokratiske ed .

Regeringen dækkede over de fleste af disse strålingsulykker indtil 1993, hvor præsident Bill Clinton beordrede en ændring af politik og føderale agenturer derefter stillede relevante optegnelser til rådighed. Den resulterende undersøgelse blev foretaget af præsidentens rådgivende udvalg for menneskelige strålingseksperimenter , og den afslørede meget af materialet om plutoniumforskning på mennesker. Udvalget udsendte en kontroversiel rapport fra 1995, som sagde, at "der blev begået forkerte", men den fordømte ikke dem, der havde begået dem.

Ansøgninger

Sprængstoffer

Isotopen plutonium-239 er en vigtig fissilt komponent i atomvåben på grund af dens lette fission og tilgængelighed. Indkapsling af bombens plutoniumgrav i en sabotage (et valgfrit lag af tæt materiale) reducerer mængden af ​​plutonium, der er nødvendig for at nå kritisk masse ved at reflektere undslippende neutroner tilbage i plutoniumkernen. Dette reducerer mængden af ​​plutonium, der skal til for at nå kritikalitet fra 16 kg til 10 kg, hvilket er en kugle med en diameter på omkring 10 centimeter (4 tommer). Denne kritiske masse er omkring en tredjedel af den for uran-235.

Fat Man-plutoniumbomberne brugte eksplosiv kompression af plutonium for at opnå væsentligt højere tætheder end normalt, kombineret med en central neutronkilde for at starte reaktionen og øge effektiviteten. Der var således kun brug for 6,2 kg plutonium til et eksplosivt udbytte svarende til 20 kiloton TNT. Hypotetisk set kunne så lidt som 4 kg plutonium - og måske endda mindre - bruges til at lave en enkelt atombombe ved hjælp af meget sofistikerede samlingsdesign.

Blandet oxidbrændstof

Brugt atombrændsel fra normale letvandsreaktorer indeholder plutonium, men det er en blanding af plutonium-242 , 240, 239 og 238. Blandingen er ikke tilstrækkeligt beriget til effektive atomvåben, men kan bruges én gang som MOX-brændsel . Utilsigtet neutronopfangning får mængden af ​​plutonium-242 og 240 til at vokse, hver gang plutonium bestråles i en reaktor med lavhastigheds "termiske" neutroner, så plutoniumet efter den anden cyklus kun kan forbruges af hurtige neutronreaktorer . Hvis hurtige neutronreaktorer ikke er tilgængelige (normaltilfældet), kasseres overskydende plutonium sædvanligvis og udgør en af ​​de længstlevende komponenter i atomaffald. Ønsket om at forbruge dette plutonium og andre transuraniske brændstoffer og reducere radiotoksiciteten af ​​affaldet er den sædvanlige grund atomingeniører giver for at lave hurtige neutronreaktorer.

Den mest almindelige kemiske proces, PUREX ( P lutonium – UR anium EX traction), oparbejder brugt nukleart brændsel for at udvinde plutonium og uran, som kan bruges til at danne et blandet oxid (MOX) brændsel til genbrug i atomreaktorer. Plutonium af våbenkvalitet kan tilsættes til brændstofblandingen. MOX-brændsel bruges i letvandsreaktorer og består af 60 kg plutonium pr. ton brændsel; efter fire år er tre fjerdedele af plutoniumet brændt (forvandlet til andre grundstoffer). Forædlingsreaktorer er specielt designet til at skabe mere fissionelt materiale, end de forbruger.

MOX-brændstof har været i brug siden 1980'erne og er meget udbredt i Europa. I september 2000 underskrev USA og Den Russiske Føderation en Plutonium Management and Disposition Agreement, hvorved hver blev enige om at bortskaffe 34 tons plutonium af våbenkvalitet. Det amerikanske energiministerium planlægger at bortskaffe 34 tons plutonium af våbenkvalitet i USA inden udgangen af ​​2019 ved at omdanne plutonium til et MOX-brændstof, der skal bruges i kommercielle atomkraftreaktorer.

MOX-brændstof forbedrer total forbrænding. En brændselsstang oparbejdes efter tre års brug for at fjerne affaldsprodukter, som på det tidspunkt udgør 3 % af stavenes samlede vægt. Eventuelle uran- eller plutoniumisotoper produceret i løbet af disse tre år er tilbage, og stangen går tilbage i produktion. Tilstedeværelsen af ​​op til 1 % gallium pr. masse i plutoniumlegeringer af våbenkvalitet har potentialet til at forstyrre langsigtet drift af en letvandsreaktor.

Plutonium genvundet fra brugt reaktorbrændsel udgør en lille spredningsfare på grund af overdreven forurening med ikke-fissilt plutonium-240 og plutonium-242. Adskillelse af isotoperne er ikke mulig. En dedikeret reaktor, der opererer på meget lav forbrænding (derfor minimal eksponering af nydannet plutonium-239 for yderligere neutroner, som får den til at blive omdannet til tungere isotoper af plutonium) er generelt påkrævet for at producere materiale, der er egnet til brug i effektive atomvåben . Mens "våbenkvalitet" plutonium er defineret til at indeholde mindst 92% plutonium-239 (af det samlede plutonium), har USA formået at detonere en under 20Kt enhed ved hjælp af plutonium, der menes kun at indeholde omkring 85% plutonium-239, såkaldt plutonium af "brændstofkvalitet". Plutonium af "reaktorkvalitet" produceret af en regulær LWR-udbrændingscyklus indeholder typisk mindre end 60% Pu-239, med op til 30% parasitisk Pu-240/Pu-242 og 10-15% fissile Pu-241. Det er uvist, om en enhed, der bruger plutonium, der er opnået fra oparbejdet civilt nukleart affald, kan detoneres, men en sådan enhed kunne hypotetisk sprede og sprede radioaktive materialer over et stort byområde. IAEA klassificerer konservativt plutonium af alle isotopiske vektorer som "direkte-brug" materiale, det vil sige " nukleart materiale, der kan bruges til fremstilling af nukleare sprængstofkomponenter uden transmutation eller yderligere berigelse".

Strøm og varmekilde

Isotopen plutonium-238 har en halveringstid på 87,74 år. Det udsender en stor mængde termisk energi med lave niveauer af både gammastråler / fotoner og spontane neutronstråler/partikler. Da den er en alfa-emitter, kombinerer den højenergistråling med lav penetration og kræver derved minimal afskærmning. Et ark papir kan bruges til at skærme mod de alfapartikler, der udsendes af plutonium-238. Et kilogram af isotopen kan generere omkring 570 watt varme.

Disse egenskaber gør den velegnet til elproduktion til enheder, der skal fungere uden direkte vedligeholdelse i tidsskalaer, der tilnærmer en menneskelig levetid. Det bruges derfor i termoelektriske radioisotopgeneratorer og radioisotopvarmerenheder, såsom dem i Cassini , Voyager , Galileo og New Horizons rumsonderne og Curiosity and Perseverance ( Mars 2020 ) Mars-roverne .

De to Voyager-rumfartøjer blev opsendt i 1977, som hver indeholdt en 500 watt plutoniumstrømkilde. Over 30 år senere producerer hver kilde stadig omkring 300 watt, hvilket tillader begrænset drift af hvert rumfartøj. En tidligere version af den samme teknologi drev fem Apollo Lunar Surface Experiment Packages , startende med Apollo 12 i 1969.

Plutonium-238 er også blevet brugt med succes til at drive kunstige hjertepacemakere for at reducere risikoen for gentagen operation. Det er stort set blevet erstattet af lithium-baserede primære celler , men fra 2003 var der et sted mellem 50 og 100 plutonium-drevne pacemakere stadig implanteret og fungerende i levende patienter i USA. Ved udgangen af ​​2007 blev antallet af plutoniumdrevne pacemakere rapporteret at være nede på kun ni. Plutonium-238 blev undersøgt som en måde at give supplerende varme til dykning . Plutonium-238 blandet med beryllium bruges til at generere neutroner til forskningsformål.

Forholdsregler

Toksicitet

Der er to aspekter af plutoniums skadelige virkninger: radioaktiviteten og tungmetalgiftvirkningerne . Isotoper og forbindelser af plutonium er radioaktive og akkumuleres i knoglemarven . Forurening med plutoniumoxid er et resultat af nukleare katastrofer og radioaktive hændelser , herunder militære nukleare ulykker, hvor atomvåben er brændt. Undersøgelser af virkningerne af disse mindre udslip samt af den udbredte strålingsforgiftningssygdom og død efter atombomberne i Hiroshima og Nagasaki har givet betydelig information om farerne, symptomerne og prognosen ved stråleforgiftning , som i tilfælde af Japanske overlevende var stort set ikke relateret til direkte plutoniumeksponering.

Under henfaldet af plutonium frigives tre typer ioniserende stråling , nemlig alfa, beta og gamma. Enten akut eller længerevarende eksponering indebærer en fare for alvorlige helbredsudfald, herunder strålesyge , genetiske skader , kræft og død. Faren stiger med mængden af ​​eksponering. Alfastråling kan kun rejse en kort afstand og kan ikke rejse gennem det ydre, døde lag af menneskelig hud. Betastråling kan trænge ind i menneskets hud, men kan ikke gå hele vejen gennem kroppen. Gammastråling kan gå hele vejen gennem kroppen. Selvom alfastråling ikke kan trænge ind i huden, bestråler indtaget eller indåndet plutonium indre organer. Alfa-partikler genereret af inhaleret plutonium har vist sig at forårsage lungekræft i en kohorte af europæiske atomarbejdere. Skelettet , hvor plutonium ophobes, og leveren , hvor det samler sig og bliver koncentreret, er i fare. Plutonium absorberes ikke effektivt i kroppen, når det indtages; kun 0,04% af plutoniumoxid absorberes efter indtagelse. Plutonium, der absorberes af kroppen, udskilles meget langsomt med en biologisk halveringstid på 200 år. Plutonium passerer kun langsomt gennem cellemembraner og tarmgrænser, så absorption ved indtagelse og inkorporering i knoglestrukturen forløber meget langsomt. Donald Mastick slugte ved et uheld en lille mængde Plutonium(III)chlorid , som kunne påvises i de næste tredive år af hans liv, men så ikke ud til at lide nogen uheldige virkninger.

Plutonium er farligere ved indånding end ved indtagelse. Risikoen for lungekræft stiger, når den samlede stråledosisækvivalent af inhaleret plutonium overstiger 400 mSv . Det amerikanske energiministerium vurderer, at livstidskræftrisikoen ved at indånde 5.000 plutoniumpartikler, hver omkring 3  µm bred, er 1 % over det amerikanske baggrundsgennemsnit. Indtagelse eller indånding af store mængder kan forårsage akut stråleforgiftning og muligvis død. Man ved dog, at ingen mennesker er døde på grund af indånding eller indtagelse af plutonium, og mange mennesker har målbare mængder af plutonium i deres kroppe.

Teorien om " varme partikler ", hvor en partikel af plutoniumstøv bestråler en lokaliseret plet af lungevæv, understøttes ikke af almindelig forskning - sådanne partikler er mere mobile end oprindeligt antaget, og toksiciteten øges ikke målbart på grund af partikelform. Ved indånding kan plutonium passere ind i blodbanen. Når det først er i blodbanen, bevæger plutonium sig gennem hele kroppen og ind i knoglerne, leveren eller andre kropsorganer. Plutonium, der når kroppens organer, forbliver generelt i kroppen i årtier og fortsætter med at udsætte det omgivende væv for stråling og kan derfor forårsage kræft.

Et almindeligt citeret citat af Ralph Nader siger, at et pund plutoniumstøv spredt ud i atmosfæren ville være nok til at dræbe 8 milliarder mennesker. Dette blev bestridt af Bernard Cohen , en modstander af den generelt accepterede lineære no-tærskelmodel for strålingstoksicitet. Cohen vurderede, at et pund plutonium ikke kunne dræbe mere end 2 millioner mennesker ved indånding, så toksiciteten af ​​plutonium er nogenlunde ækvivalent med den af ​​nervegas .

Adskillige befolkningsgrupper af mennesker, der har været udsat for plutoniumstøv (f.eks. mennesker, der bor i vindretningen af ​​Nevada-teststeder, overlevende fra Nagasaki, arbejdere på atomkraftværker og "uhelbredeligt syge" patienter, der blev injiceret med Pu i 1945-46 for at studere Pu-metabolisme) er blevet nøje fulgt og analyseret. Cohen fandt, at disse undersøgelser var uforenelige med høje estimater af plutoniumtoksicitet, idet han citerede tilfælde som Albert Stevens , der overlevede til høj alder efter at være blevet injiceret med plutonium. "Der var omkring 25 arbejdere fra Los Alamos National Laboratory, som inhalerede en betydelig mængde plutoniumstøv i løbet af 1940'erne; ifølge teorien om varme partikler har hver af dem en 99,5% chance for at være døde af lungekræft nu, men der har ikke været en eneste lungekræft blandt dem."

Marin toksicitet

At undersøge plutoniums toksicitet hos mennesker er lige så vigtigt som at se på virkningerne på faunaen af ​​marine systemer. Plutonium er kendt for at trænge ind i havmiljøet ved dumpning af affald eller utilsigtet lækage fra atomkraftværker. Selvom de højeste koncentrationer af plutonium i marine miljøer findes i sedimenterne, betyder det komplekse biogeokemiske kredsløb af plutonium, at det også findes i alle andre rum. For eksempel vil forskellige dyreplanktonarter, der hjælper i næringskredsløbet, indtage elementet på daglig basis. Den fuldstændige udskillelse af indtaget plutonium fra zooplankton gør deres afføring til en ekstremt vigtig mekanisme i opfangningen af ​​plutonium fra overfladevand. Imidlertid kan de zooplankton, der bukker under for prædation fra større organismer, blive et transportmiddel af plutonium til fisk.

Ud over forbrug kan fisk også blive udsat for plutonium ved deres geografiske udbredelse over hele kloden. En undersøgelse undersøgte virkningerne af transuranelementer ( plutonium-238 , plutonium-239 , plutonium-240 ) på forskellige fisk, der lever i Tjernobyl-eksklusionszonen (CEZ). Resultaterne viste, at en andel af hunaborrer i CEZ udviste enten svigt eller forsinkelse i modningen af ​​kønskirtlerne. Lignende undersøgelser fandt store ophobninger af plutonium i luftvejene og fordøjelsesorganerne hos torsk, skrubbe og sild.

Plutonium toksicitet er lige så skadelig for larver af fisk i områder med atomaffald. Uudviklede æg har en højere risiko end udviklede voksne fisk udsat for elementet i disse affaldsområder. Oak Ridge National Laboratory viste, at karpe- og elritsembryoner rejst i opløsninger indeholdende plutoniumisotoper ikke klækkede; æg, der klækkede, viste betydelige abnormiteter sammenlignet med kontroludviklede embryoner. Det afslørede, at højere koncentrationer af plutonium har vist sig at forårsage problemer i den marine fauna udsat for elementet.

Kritisk potentiale

Man skal sørge for at undgå akkumulering af mængder af plutonium, som nærmer sig kritisk masse, især fordi plutoniums kritiske masse kun er en tredjedel af uran-235's. En kritisk masse af plutonium udsender dødelige mængder af neutroner og gammastråler . Plutonium i opløsning er mere tilbøjelige til at danne en kritisk masse end den faste form på grund af moderering af brinten i vand.

Kritiske ulykker er sket tidligere, nogle af dem med dødelige konsekvenser. Skødesløs håndtering af wolframcarbidsten omkring en 6,2 kg plutoniumkugle resulterede i en dødelig dosis stråling ved Los Alamos den 21. august 1945, da videnskabsmanden Harry Daghlian modtog en dosis, der blev anslået til at være 5,1 sievert (510  rems ) og døde 25 dage senere. Ni måneder senere døde en anden Los Alamos-forsker, Louis Slotin , af en lignende ulykke, der involverede en berylliumreflektor og den samme plutoniumkerne (den såkaldte " dæmonkerne "), som tidligere havde kostet Daghlian livet.

I december 1958, under en proces med at rense plutonium i Los Alamos, blev der dannet en kritisk masse i en blandebeholder, hvilket resulterede i døden af ​​en kemisk operatør ved navn Cecil Kelley . Andre nukleare ulykker har fundet sted i Sovjetunionen, Japan, USA og mange andre lande.

Antændelighed

Metallisk plutonium er en brandfare, især hvis materialet er findelt. I et fugtigt miljø danner plutonium hydrider på overfladen, som er pyrofore og kan antændes i luft ved stuetemperatur. Plutonium udvider sig med op til 70% i volumen, da det oxiderer og kan dermed knække sin beholder. Radioaktiviteten af ​​det brændende materiale er en yderligere fare. Magnesiumoxidsand er nok det mest effektive materiale til at slukke en plutoniumbrand. Det afkøler det brændende materiale, fungerer som en køleplade og blokerer også for ilt. Særlige forholdsregler er nødvendige for at opbevare eller håndtere plutonium i enhver form; generelt kræves en tør inert gasatmosfære .

Transport

Land og hav

Den sædvanlige transport af plutonium foregår gennem det mere stabile plutoniumoxid i en forseglet emballage. En typisk transport består af en lastbil med en beskyttet skibscontainer, der rummer et antal pakker med en totalvægt varierende fra 80 til 200 kg plutoniumoxid. En søforsendelse kan bestå af flere containere, der hver indeholder en forseglet pakke. United States Nuclear Regulatory Commission dikterer, at det skal være fast i stedet for pulver, hvis indholdet overstiger 0,74  TBq (20  Curies ) radioaktiv aktivitet. I 2016 transporterede skibene Pacific Egret og Pacific Heron fra Pacific Nuclear Transport Ltd. 331 kg (730 lbs) plutonium til en amerikansk regeringsfacilitet i Savannah River , South Carolina .

Luft

Den amerikanske regerings lufttransportbestemmelser tillader transport af plutonium med luft, underlagt restriktioner for andre farlige materialer, der transporteres på samme flyvning, krav til emballage og opbevaring i den bagerste del af flyet.

I 2012 afslørede medier, at plutonium er blevet fløjet ud af Norge med kommercielle passagerflyselskaber — omkring hvert andet år — inklusive én gang i 2011. Regler tillader et fly at transportere 15 gram fissionelt materiale. Sådan plutoniumtransport er uden problemer, mener seniorrådgiver ( seniorrådgiver ) hos Statens strålevern .

Noter

Fodnoter

Citater

Referencer

eksterne links

• "Også digitalt bibliotek for nukleare spørgsmål - Plutonium" . Washington og Lee University . Arkiveret fra originalen den 3. februar 2009 . Hentet 15. februar 2009 .
• Sutcliffe, WG; et al. (1995). "Et perspektiv på farerne ved Plutonium" . Lawrence Livermore National Laboratory . Arkiveret fra originalen den 29. september 2006.
• "Plutoniums fysiske, nukleare og kemiske egenskaber" . IEER . 2005 . Hentet 15. februar 2009 .
• Bhadeshia, H. "Plutonium krystallografi" .
• Samuels, D. (2005). "Plutoniumalderens slutning" . Opdag magasinet . 26 (11).
• Pike, J.; Sherman, R. (2000). "Plutoniumproduktion" . Federation of American Scientists . Arkiveret fra originalen den 3. februar 2009 . Hentet 15. februar 2009 .
• "Plutoniumfremstilling og fremstilling" .
• Ong, C. (1999). "Verdens Plutonium-opgørelser" . Nuclear Files.org. Arkiveret fra originalen den 5. august 2014 . Hentet 15. februar 2009 .
• "Udfordringer i Plutonium Science" . Los Alamos Videnskab . I & II (26). 2000 . Hentet 15. februar 2009 .
• "Plutonium" . Royal Society of Chemistry . Hentet 6. februar 2015 .
• "Plutonium" . Det periodiske system af videoer . University of Nottingham . Hentet 6. februar 2015 .