Плуто́ний (обозначается символом Pu; атомное число 94) — тяжёлый хрупкий радиоактивный металл серебристо-белого цвета^[10]^[11]. В периодической таблице располагается в семействе актиноидов.

Для элемента характерны существенно отличающиеся от остальных элементов структурные и физико-химические свойства^[10]. Плутоний имеет семь аллотропных модификаций при определённых температурах и диапазонах давления^[12]: 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^[5]. «Природными» изотопами^{[~ 1]} плутония считаются самый долгоживущий изотоп из всех трансурановых элементов [1]^[13]^[14]. В природе находится преимущественно в виде диоксида (PuO₂), который в воде еще менее растворим, чем песок (кварц)^[11]. Нахождение элемента в природе настолько мало, что его добыча нецелесообразна^{[~ 2]}.

Широко используется в производстве ядерного оружия (т. н. «оружейный плутоний»), ядерного топлива для атомных реакторов гражданского и исследовательского назначения и в качестве источника энергии для космических аппаратов^[15].

Второй после нептуния (ошибочно «получен» в 1934 году группой Э. Ферми^[16]^[17]; первый изотоп 1940 года Э. Макмилланом и Ф. Абельсоном^[18]^[19]^[20]) искусственный элемент, полученный в микрограммовых количествах в конце 1940 г. в виде изотопа ²³⁸Pu ^[13]. Первый искусственный химический элемент, производство которого началось в промышленных масштабах^[21]. В первой ядерной бомбе в мире, созданной и испытанной в 1945 году в США, использовался плутониевый заряд. Того же типа была и первая бомба, испытанная СССР в 1949 году. Соответственно США, а затем и СССР были первыми странами, освоившими его получение.

Производство плутония очень затратное. Один грамм плутония-238 стоил 1000 долларов США (примерно до 1971 года)^[22], в наше время ~4000^[23], а один килограмм — миллион^[24]. Для получения плутония применяется как обогащенный, так и природный уран. Общее количество плутония, хранящегося в мире во всевозможных формах, оценивалось в 2003 г. в 1239 т^[25].

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

Номера CAS:

7440-07-5 для плутония неспецифического состава,
13981-16-3 для ²³⁸Pu,
15117-48-3 для ²³⁹Pu,
14119-33-6 для ²⁴⁰Pu (англ.)русск..

Содержание

1 История
- 1.1 Открытие
- 1.2 Происхождение названия
- 1.3 Первые исследования
- 1.4 Производство в Манхэттенском проекте
- 1.5 Тринити и Толстяк
- 1.6 Холодная война
- 1.7 Медицинские эксперименты
2 Свойства
- 2.1 Физические свойства
- 2.2 Аллотропические модификации
- 2.3 Соединения и химические свойства
  - 2.3.1 Электронная структура: 5f-электроны
3 Нахождение в природе
4 Изотопы
- 4.1 Изотопы и синтез
- 4.2 Синтез плутония
  - 4.2.1 Плутоний-238
  - 4.2.2 Плутоний-239
  - 4.2.3 Тяжёлые изотопы плутония
- 4.3 Свойства некоторых изотопов
5 Сплавы
- 5.1 Виды сплавов
6 Меры предосторожности
- 6.1 Токсичность
- 6.2 Критическая масса
- 6.3 Самовоспламенение
7 Методы отделения
8 Применение
- 8.1 Ядерное оружие
- 8.2 Ядерное загрязнение
- 8.3 Источник энергии и тепла
  - 8.3.1 Реакторы-размножители
9 Плутоний в художественных произведениях
10 См. также
11 Примечания
- 11.1 Комментарии
- 11.2 Источники
12 Ссылки

История

Открытие

Nuvola apps kview.svg Внешние изображения
Searchtool.svg	Первый образец ²³⁹Pu, использовавшийся для определения его ядерных свойств в марте 1941 года

Энрико Ферми вместе со своими сотрудниками в Университете Рима сообщил, что они обнаружили химический элемент с порядковым номером 94 в 1934 году^[26]. Ферми назвал этот элемент гесперием, считая, что открыл элемент, который сейчас называют плутонием, таким образом сделав 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 деления ядра Отто Фришем и Фрицем Штрассманом, 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^[27]^[28]^[29].

Циклотрон в Беркли, использовавшийся для получения нептуния и плутония.

Открытие плутония группой сотрудников Калифорнийского университета в Беркли под руководством Г. Т. Сиборга было совершено с помощью 60-дюймового циклотрона, имевшегося в распоряжении университета. Первая бомбардировка октаоксида триурана-238 (²³⁸U₃O₈) дейтронами, разогнанными в циклотроне до 14—22 МэВ и проходящими через алюминиевую фольгу толщиной 0,002 дюйма, 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 ионами 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:

23892U (d,2n) →

Гленн Теодор Сиборг (1912—1999) вместе с сотрудниками в Беркли впервые синтезировали плутоний. Он был руководителем или ключевым членом команд, получивших еще восемь элементов: Am, Cm, Bk, Cf, Es, Fm, Md, No^[30]. В его честь назван элемент сиборгий^[31]. Эдвин Макмиллан и Гленн Сиборг в 1951 году были удостоены Нобелевской премии за «изучение химии трансурановых элементов»^[32].

Таким образом, существование нового химического элемента было подтверждено Г. Т. Сиборгом, Э. М. Макмилланом, Дж. В. Кеннеди (англ.) и А. К. Валлем (англ.) благодаря изучению его первых химических свойств — возможностью обладать по крайней мере двумя степенями окисления^[33]^[34]^[35]^[36]^[37]^[10]^[38]^[39]^[35]^[40]^{[~ 3]}.

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 расчетам должен был быть более мощным источником атомной энергии, чем уран-235^[36]). 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^[41]^[42].

28 марта 1941 года проведённые эксперименты показали, что ²³⁹Pu способен делиться под действием медленных нейтронов, с сечением, весьма значительно превышающим сечение для ²³⁵U, причём нейтроны, полученные в процессе деления, пригодны для получения следующих актов ядерного деления, то есть позволяют расчитывать на осуществление цепной ядерной реакции. С этого момента были начаты опыты по созданию плутониевой ядерной бомбы и строительства реакторов для его наработки^[35]^[37]^[43]. Первое чистое соединение элемента было получено в 1942 году^[35], а первые весовые количества металлического плутония — в 1943 году^[44].

В работе, отправленной на публикацию в журнал Physical Review в марте 1941 г., был описан метод получения и изучения элемента^[37]. Однако, публикация этого документа 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^[45] и с некоторыми корректировками^[46].

В Третьем рейхе исследователи атома также не оставались бездеятельными. В лаборатории Манфреда фон Ардена были разработаны методы для получения 94-го элемента. В августе 1941 года физик Фриц Хоутерманс закончил свой секретный доклад «К вопросу о развязывании цепных ядерных реакций». В нем он указывал теоретические возможности для изготовления в урановом «котле» нового взрывчатого вещества из природного урана^[41].

Происхождение названия

С помощью этого астрографа были получены первые снимки Плутона.

См. также: Плутон (карликовая планета)

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 в Флагстаффе (США). Планета была открыта 18 февраля 1930 года^[47]. Название планете было дано одиннадцатилетней школьницей из Оксфорда Венецией Бёрни^[48]. В греческой мифологии Аид (в римской Плутон) является богом царства мёртвых.

Первое печатное упоминание термина плутоний датируется 21 марта 1942 года^[49]. Название 94-му химическому элементу было предложено Артуром Валем и Гленном Сиборгом^[50]. 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^[51]^[52]. 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)^[16]^{[~ 4]}.

Первоначально Сиборг предложил назвать новый элемент «плутием», однако позже решил, что название «плутоний» звучит лучше^[53]. Для обозначения элемента он в шутку привёл две буквы «Pu» — это обозначение представилось ему наиболее приемлемым в периодической таблице^{[~ 5]}. Также Сиборгом были предложены некоторые другие варианты названий, например ультимий, экстермий (англ. ultimium, extermium). Однако из-за ошибочного в то время суждения, что плутоний станет последним химическим элементом в периодической таблице^[50], элемент назвали «плутоний» в честь открытия последней планеты солнечной системы^[16].

Первые исследования

После нескольких месяцев первоначальных исследований, химия плутония стала считаться похожей на химию урана^[37]^{[уточнить]}. Дальнейшие исследования были продолжены в секретной металлургической лаборатории Чикагского университета. Благодаря^{[уточнить]} Каннингему и Вернеру 18 августа 1942 года был выделен первый микрограмм чистого соединения плутония из 90 кг уранилнитрата, облученного нейтронами на циклотроне^[54]^[46]^[55]^[56]. 10 сентября 1942 года — спустя месяц, на протяжении которого ученые увеличивали количество соединения — произошло взвешивание. Этот исторический образец весил 2,77 мкг и состоял из^{[уточнить]} диоксида плутония^[57]; в настоящее время хранится в Лоуренсовском зале в Беркли^[13]. К концу 1942 года было накоплено 500 мкг соли элемента^[41]. Для более подробного изучения нового элемента в США было сформировано несколько групп^[46]:

группа ученых, которая должна была выделить чистый плутоний химическими методами (Лос-Аламос: J. W. Kennedy, C. S. Smith, A. C. Wahl, C. S. Garner, I. B. Johns),
группа, которая изучала поведение плутония в растворах, включая изучение его степеней окисления, потенциалов ионизации и кинетику реакций (Беркли: W. M. Latimer, E. D. Eastman, R. E. Connik, J. W. Gofman и др.),
группа, которая изучала химию комплексообразования ионов плутония (Айова: F. H. Spedding, W. H. Sullivan, A. F. Voigt, A. S. Newton) и другие группы.

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^[46]. В 1942 году неожиданным стало открытие Стэна Томсона, входящего в группу Гленна Сиборга, которое показало, что четырехвалентный плутоний получается в бо́льших количествах при нахождении в кислом растворе в присутствии [36]. В дальнейшем это привело к изучению и применению висмут-фосфатного метода экстракции плутония^[58]. В ноябре 1943 г. некоторые количества мелкодисперсного порошка. Впоследствии были получены образцы, которые можно было бы рассмотреть невооруженным глазом^[59].

Первый циклотрон в СССР использовавшийся для получения плутония.

В СССР первые опыты по получению ²³⁹Pu 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^[60]. 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^[33]^[61]. 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^[62].

Производство в Манхэттенском проекте

Наиболее важные места для Манхэттенского проекта.

Манхэттенский проект берёт свое начало с письма Эйнштейна Рузвельту. Письмо обращало внимание президента на то, что нацистская Германия ведёт активные исследования, в результате которых может вскоре обзавестись атомной бомбой^[63]. В августе 1939 года Лео Силлард (инициатор письма) попросил подписаться в письме его другу Альберту Эйнштейну^[64]. В результате положительного ответа Франклина Рузвельта впоследствии в США был образован Манхэттенский проект^[65].

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^[66]. Тремя его основными целями являлись^[67]:

Производство плутония на территории Хэнфордского комплекса
Обогащение урана в городе Оук-Ридж, штат Теннесси
Исследования в области ядерного оружия и строения атомной бомбы на территории Лос-Аламосской национальной лаборатории

Памятная фотография ученых, принимавших участие на Чикагской поленнице-1. В первом ряду, второй справа: Лео Силлард; первый слева: Энрико Ферми.

Первым ядерным реактором, позволявшим получать бо́льшие количества элемента по сравнению с циклотронами, была Чикагская поленница-1^[35]. Он был введен в эксплуатацию 2 декабря 1942 года благодаря Энрико Ферми и Лео Силларду^[68] (последнему принадлежит предложение об использовании графита как замедлителя нейтронов^[69]); в этот день была произведена первая самоподдерживающаяся ядерная цепная реакция^[70]. Для производства плутония-239 использовались уран-238 и уран-235. Реактор был сооружен под трибунами стадиона Stagg Field Чикагского университета^[35]. Он состоял из 6 тонн металлического урана, 34 тонн оксида урана и 400 тонн «чёрных кирпичей» графита. Единственным, что могло остановить цепную ядерную реакцию, были стержни из кадмия, которые хорошо захватывают тепловые нейтроны и, как следствие, могут предотвратить возможное происшествие^[71]. Из-за отсутствия радиационой защиты и охлаждения его обычная мощность была всего 0,5...200 Вт^[35].

Работники на Графитовом реакторе X-10.

Вторым реактором, который позволил получать плутоний-239, был Графитовый реактор X-10^[37]. Он был введен в эксплуатацию 4 ноября 1943 года^[72] (строительство длилось 11 месяцев) в городе Оук-Ридж, в настоящее время он располагается на терриории Оук-Риджской национальной лаборатории (англ.). Этот реактор был вторым в мире после Чикагской поленницы-1 и первым реактором, который был создан в продолжении Манхэттенского проекта^[73]. 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.^[74]; открыт для посещения с 1980-х годов и является одним из старейших ядерных реакторов в мире^[75].

Пятого апреля 1944 года Эмилио Сегре получил первые образцы плутония, произведенного в реакторе X-10^[74]. В течение 10-ти дней он обнаружил, что концентрация плутония-240 в реакторе очень высока, по сравнению с циклотронами. Данный изотоп имеет очень высокую способность к спонтанному делению, в результате чего повышается общий фон нейтронного облучения^[76]. На данном основании был сделан вывод, что использование особо чистого плутония в ядерной бомбе пушечного типа (англ.), в частности в бомбе Худой, может привести к преждевременной детонации^[77]. Благодаря тому, что технология разработок ядерных бомб всё более улучшалась, было установлено, что для ядерного заряда лучше всего использовать ядерное вещество в виде сфер (англ.)^[76] (этот метод был опробован в испытании Тринити).

Строительство реактора B — первого ядерного реактора, способного получать плутоний в промышленном масштабе.

Первым промышленным ядерным реактором по производству ²³⁹Pu 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^[78]. Реактор B (вместе с реактором D и реактором F — остальными двумя) позволил получить плутоний-239, который был впервые использован в испытании Тринити. Ядерные материалы, одержанные^{[прояснить]} на этом реакторе, были использованы в бомбе сброшенной на Нагасаки 9 августа 1945 г^[79]. Построенный реактор был закрыт в феврале 1968 года и расположен^{[прояснить]} в пустынном районе штата Вашингтон, недалеко от города Ричланд (англ.)^[80].

Хэнфордский комплекс. Реакторы B, D, F и др. расположены вдоль течения реки в верхней части схемы.

В ходе Манхэттенского проекта на Хэнфордском комплексе (образован в 1943 г. для производства плутония и закрыт в 1988 году вместе с окончанием производства^[81]) было создано множество районов (англ. site — место, область, район) предназначенных для получения, хранения, переработки и использования ядерных материалов. На этих захоронениях расположено около 205 кг изотопов плутония (²³⁹Pu—²⁴¹Pu)^[82]. Множественные районы были образованы для хранения девяти ядерных реакторов, которые производили химический элемент, многочисленных вспомогательных построек, которые загрязняли окружающую среду. Другие из этих районов были созданы с целью отделения плутония и урана от примесей химическими способами. По закрытию этого комплекса (по состоянию на 2009 г.) утилизировано более 20 т плутония в безопасных формах (для предотвращения ядерного деления)^[81].

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^[83]^[84]^[85]^[86].

Один из участников проекта (Алан Мэй) был причастен к тайной передаче чертежей о принципах устройства урановой и плутониевой бомб, а также образцов урана-235 и плутония-239^[63].

Тринити и Толстяк

См. также: Тринити (испытание) и Толстяк (бомба)

Первое ядерное испытание под названием Тринити, проведенное 16 июля 1945 г. возле города Аламогордо, Нью-Мексико, использовало плутоний в качестве ядерного заряда^[59]^[87]^[88]. В Штучке (англ.) (взрывное устройство) использовались обычные линзы^{[~ 6]} для того, чтобы сжать плутоний для достижения критической массы. Это устройство было создано для пробы нового типа ядерной бомбы «Толстяк» на основе плутония^[89]. Одновременно с этим из Ежа (англ.) начали поступать нейтроны для ядерной реакции. Устройство было сделано из полония и бериллия^[37]; этот источник применялся в первом поколении ядерных бомб^[90], так как в то время единственным источником нейтронов считалась эта композиция^[33]^{[~ 7]}. Вся эта композиция позволила достичь мощного ядерного взрыва. Полная масса бомбы, использованной при ядерном испытании Тринити, составляла 6 т, хотя в ядре бомбы было всего 6,2 кг плутония^[91], а предполагаемая высота для взрыва над городом составляла 225—500 м^[92]. Приблизительно 20 % использованного плутония в этой бомбе составило 20000 т в тротиловом эквиваленте^[93].

Бомба Толстяк была сброшена на Нагасаки 9 августа 1945. В результате взрыва моментально погибло 70 тыс. человек и ранено ещё 100 тыс^[37]. Она имела схожий механизм: сделанное из плутония ядро помещалось в сферическую алюминиевую оболочку, которая обкладывалась химической взрывчаткой. Во время детонирования оболочки плутониевый заряд сжимался со всех сторон и его плотность перерастала критическую, после чего начиналась цепная ядерная реакция^[94]. В Малыше, сброшенном на Хиросиму тремя днями ранее, использовался уран-235, но не плутоний. Япония 15 августа подписала соглашение о капитуляции. После этих случаев в СМИ было опубликовано сообщение о применении нового химического радиоактивного элемента — плутония.

Холодная война

См. также: Холодная война

Большие количества плутония были произведены во время Холодной войны США и СССР. Реакторы США, находящиеся в Savannah River Site (англ.) (Северная Каролина) и Хэнфорде, во время войны произвели 103 т плутония^[95], в то время как СССР произвел 170 т оружейного плутония^[96]. На сегодня около 20 т плутония в ядерной энергетике производится как побочный продукт ядерных реакций^[97]. На 1000 т плутония, находящегося в хранилищах, приходится 200 т плутония, извлеченного из ядерных реакторов^[37]. На 2007 год СИИПМ оценил мировое количество плутония в 500 т, который примерно одинаково разделен на оружейные и энергетические нужды^[98].

Предполагаемая схема туннельного хранилища ядерных отходов в репозитории Юкка Маунтин.

Сразу же по окончанию Холодной войны все ядерные запасы стали проблемой распространения ядерного оружия (англ.). Например в США из извлеченного из ядерного оружия плутония были сплавлены двухтонные блоки, в которых элемент находится в виде инертного оксида плутония(IV)^[37]. Данные блоки застеклены боросиликатным стеклом с примесью циркония и гадолиния^{[~ 8]}. Затем эти блоки были покрыты нержавеющей сталью и закопаны в землю на глубину 4 км^[37]. Местная и государственная власть США не позволила складировать ядерные отходы в гору Юкка (англ.). В марте 2010 г. власти США решили отозвать лицензию на право складировать ядерные отходы. Барак Обама предложил провести ревизию политики хранения отходов и предоставить рекомендации по разработке новых эффективных методов по контролю за отработанным топливом и отходами^[99].

Медицинские эксперименты

На протяжении Второй мировой войны и после её окончания учёные проводили эксперименты на животных и людях, вводя внутривенно дозы плутония^[100]. Исследования на животных показали, что несколько миллиграммов плутония на килограмм ткани — смертельная доза^[101]. «Стандартная» доза составляла 5 мкг плутония^[100], а в 1945 году эта цифра уменьшилась до 1 мкг за счет того, что плутоний склонен к накоплению в костях и из-за этого более опасен, чем радий^[101].

Восемнадцать испытаний плутония на людях были проведены без предварительного согласия (англ.), 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^[100].

Свойства

Физические свойства

Плутоний в пакете^{[~ 9]}.

Плутоний, как и большинство металлов, имеет яркий серебристый цвет, похожий на никель или железо^[1], но на воздухе окисляется, меняя свой цвет сначала на бронзовый, затем на синий цвет закаленного металла и после превращается в тусклый черный или зеленый цвета из-за образования рыхлого окисного покрытия^[102]. Также есть сообщения об образовании жёлтого и оливкового цвета оксидной плёнки^[103]^[104]. 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^[103].

Плутоний имеет аномально низкую для металлов температуру плавления (примерно 640 °C)^[105] и необычно высокую температуру кипения (3235 °C)^[1]^{[~ 10]}. Свинец является более легким металлом, чем плутоний^[106], примерно в два раза (разница в плотности составляет 19,86 − 11,34 ≈ 8,52 г/см³)^[11].

Некоторые физические свойства плутония^[1]

Атомные радиусы различных модификаций плутония при 298 K и при температурах их существования
Фаза	α	β	γ	δ	δ’	ε
T, K	298	366	508	593	738	763
Атомный радиус, нм	0,158	0,160	0,1601	0,1640	0,1638	0,1622
Радиус при 298 K, нм	0,158	0,159	0,1589	0,1644	0,1644	0,1594

Эффективное поперечное сечение захвата тепловых нейтронов для некоторых изотопов плутония
Изотоп	²³⁸Pu	²³⁹Pu	²⁴⁰Pu	²⁴¹Pu	²⁴²Pu
Эффективное поперечное сечение, 10⁻²⁸ м²	403±10	1028±13	287±7	1400±80	18,6±0,8

Удельное электрическое сопротивление различных фаз плутония и их температурный коэффициент электрического сопротивления
Фаза	T, K	ρ, мкОм·м	α·10⁻³, K⁻¹
α α α α α α	26 50 100 150 273 376	0,648 1,280 1,569 1,535 1,465 1,414	+18,405 (26—50 K) и −0,418 (126—273 K) — —
β	420	1,085	−0,62
γ	505	1,078	−0,50
δ	625	1,004	+0,72
δ’	735	1,021	+4,43

Абсолютный коэффициент термоэлектродвижущей силы плутония e в зависимости от температуры и модификации
Фаза	T, K	среднее значение e, мкВ/K
α α α	20 100 300	1,75 9,8 11,5
β	400	9,1
γ	500	8,4
δ	600	3,0
δ’	725	2,3
ε	800	3,5

Актиноиды, как и лантаноиды, имеют примерно равные энергии ионизации.

Как и у остальных металлов, коррозия плутония увеличивается с увеличением влажности. Некоторые исследования утверждают, что влажный аргон может быть более корродирующим элементом, чем кислород; это связано с тем, что аргон не реагирует с плутонием, и как следствие плутоний начинает растрескиваться^[107]^{[~ 11]}.

Диаграмма плотности плутония^[60].

Альфа-распад, который сопровождается испусканием ядер гелия, является наиболее распространённым видом радиоактивного распада изотопов плутония^[108]. Типичный ядерный боеприпас имеет около 5 кг плутония, в котором находится примерно 12,5×10²⁴ атомов. С периодом полураспада 24,000 лет, около 11,5×10¹² атомов распадаются, выделяя 5,157 МэВ благодаря альфа-частицам. В пересчёте на количество энергии, это составляет 9,58 ватт. Тепло, производимое благодаря распаду ядер и испусканию ими альфа-частиц делает плутоний тёплым на ощупь^[52]^[109].

Строение атома плутония. Электронная конфигурация внешних оболочек 5s²p⁶d¹⁰f⁶6s²p⁶7s² ^[4].

Как известно, электрическое сопротивление характеризует способность материала проводить электрический ток. Удельное сопротивление плутония при комнатной температуре очень велико для металла, и эта особенность будет усиливаться с понижением температуры, что для металлов не свойственно^[59]. Эта тенденция продолжается вплоть до 100 K^[105]; ниже этой отметки электрическое сопротивление будет уменьшаться^[59]. С понижением отметки до 20 K сопротивление начинает возрастать из-за радиационной активности металла, причём данное свойство будет зависеть от изотопного состава металла^[59].

Плутоний обладает самым высоким удельным электрическим сопротивлением среди всех изученных актиноидов (на данный момент), которое составляет 150 мкОм·см (при 22 °C)^[70]. Его твёрдость составляет 261 кг/мм³ (для α-Pu)^[10].

Благодаря тому, что плутоний радиоактивен он со временем претерпевает изменения в своей кристаллической решётке^[110]. Плутоний претерпевает некое подобие отжига так же благодаря самооблучению из-за повышения температуры выше 100 K.

В отличие от большинства материалов плотность плутония увеличивается при нагревании его до температуры плавления на 2,5 %, в то время как у обычных металлов наблюдается уменьшение плотности при повышении температуры^[59]. Ближе к точке плавления жидкий плутоний имеет очень высокий показатель поверхностного натяжения и самую высокую вязкость среди других металлов^[110]^[105]. Характерной особенностью плутония является его уменьшение в объёме в диапазоне температур от 310 до 480 °C в отличие от других металлов^[60].

Аллотропические модификации

Плутоний имеет семь аллотропных модификаций. Шесть из них (см. рисунок выше) существуют при обычном давлении, а седьмая только при высокой температуре и определенном диапазоне давления^[12]. Эти аллотропы, которые различаются по своим структурным характеристикам и показателями плотности, имеют очень похожие значения внутренней энергии. Это свойство делает плутоний очень чувствительным к колебаниям температуры и давления, и приводит к скачкообразному изменению своей структуры^[110]. Показатель плотности всех аллотропных модификаций плутония варьируется от 15,9 г/см³ до 19,86 г/см³^[97]^{[~ 12]}. Наличие многих аллотропных модификаций у плутония делает его трудным металлом в обработке и выкатывании^[1], так как он претерпевает фазовые переходы. Причины существования столь разных аллотропных модификаций у плутония не совсем ясны.

Свойства кристаллических решеток плутония^[13]^[111]^[112]
Фаза	Изображение	Область устойчивости, °C	Симметрия и пространственная группа	Параметры решётки, Å				Число атомов в элементарной ячейке	Рентгеновская плотность, г/см³	Температура перехода, °C	ΔH_{перехода}, Дж/моль
Фаза	Изображение	Область устойчивости, °C	Симметрия и пространственная группа	a	b	c	β	Число атомов в элементарной ячейке	Рентгеновская плотность, г/см³	Температура перехода, °C	ΔH_{перехода}, Дж/моль
α	Monoclinic.svg	Ниже 122	ПМ, P2₁/m	При 21 °C				16	19,86	—	—
α	Monoclinic.svg	Ниже 122	ПМ, P2₁/m	6,183	4,882	10,963	101,79°	16	19,86	—	—
β	—	122—207	ОЦМ, 12/m	При 100 °C				34	17,7	α→β 122±4	3430
β	—	122—207	ОЦМ, 12/m	9,284	10,463	7,859	93,13°	34	17,7	α→β 122±4	3430
γ	Orthorhombic-face-centered.svg	207—315	ГЦО, Fddd	При 235 °C				8	17,14	β→γ 207±5	565
γ	Orthorhombic-face-centered.svg	207—315	ГЦО, Fddd	3,159	5,768	10,162	—	8	17,14	β→γ 207±5	565
δ	Cubic-face-centered.svg	315—457	ГЦК, Fm3m	При 320 °C				4	15,92	γ→δ 315±3	586
δ	Cubic-face-centered.svg	315—457	ГЦК, Fm3m	4,6371	—	—	—	4	15,92	γ→δ 315±3	586
δ’	Tetragonal-body-centered.svg	457—479	ОЦТ, 14/mmm	При 465 °C				2	16	δ→δ’ 457±2	84
δ’	Tetragonal-body-centered.svg	457—479	ОЦТ, 14/mmm	3,34	—	4,44	—	2	16	δ→δ’ 457±2	84
ε	Cubic-body-centered.svg	479—640	ОЦК, Im3m	При 490 °C				2	16,51	δ’→ε 479±4	1841
ε	Cubic-body-centered.svg	479—640	ОЦК, Im3m	3,634	—	—	—	2	16,51	δ’→ε 479±4	1841

Первые три кристаллические модификации — α-, β- и γ-Pu — обладают сложной кристаллической структурой с четырьмя ярко выраженными связями ковалентного характера. Другие — δ-, δ’- и ε-Pu — более высокотемпературные модификации характеризуются более простой структурой^[102].

Альфа-форма существует при комнатной температуре в виде нелегированного и необработанного плутония. Она имеет схожие свойства с чугуном, однако имеет свойство изменяеться и превращаться в пластичный материал, и образовывать ковкую β-форму при более высоких интервалах температуры^[59]. Альфа-форма плутония имеет низкосимметричную моноклинную структуру (кристаллическая структура фаз, которые существуют при комнатных температурах, является низкосимметричной, что более характерно для минералов, чем для металлов), отсюда становится ясным, что она является прочной и плохо проводящей электрический ток модификацией^[12]. В данной форме плутоний очень хрупок, однако имеет самую высокую плотность из всех аллотропных модификаций^[113]. Фазы плутония характеризуются резким изменением механических свойств — от совершенно хрупкого до пластичного металла^[105].

Плутоний в δ-форме обычно существует при значениях температуры от 310 °C до 452 °C, однако может быть стабилен и при комнатной температуре, если он легирован с малопроцентным содержанием галлия, алюминия или церия. Если он находится в сплаве с этими металлами, то это позволяет ему быть использованным при сварке^[59]. Дельта-форма имеет более ярко выраженные характеристики металла, и примерно настолько же прочна и способна быть использована при ковке как и алюминий. В ядерной промышленности ударная волна после микроядерного взрыва используется для того, чтобы сжать плутониевое ядро, основным свойством которого будет увеличение плотности по сравнению с α-формой. Данные действия позволят достичь критической массы плутония для его дальнейшего использования^[114]. Последняя эпсилон-фаза показывает аномально высокий показатель атомной самодиффузии (англ.)^[110].

Плутоний начинает уменьшаться в объеме когда переходит в δ и δ’-фазы, что объясняется отрицательным коэффициентом термического расширения^[105].

Соединения и химические свойства

См. также: Актиноиды#Cвойства

Изученный ионный и металлический радиусы для плутония^[2].

Различные степени окисления плутония в водных растворах.

Актиноиды имеют схожие между собой химические свойства. Меньше всего степеней окисления имеют первые два актиноида и актиний (разброс значений от 3 до 5), далее эти значения увеличиваются и достигают своего пика у плутония и нептуния, затем, после америция, это число опять уменьшается. Данное свойство можно объяснить сложностью поведения электронов у ядер элементов. В 1944 году Гленном Сиборгом была выдвинута гипотеза об актиноидном сжатии, которая предполагает постепенное уменьшение радиусов ионов актиноидов (это же характерно и для лантаноидов). До ее выдвижения первые актиноиды (торий, протактиний и уран) относили к элементам 4, 5 и 6-й групп соответственно^[70]^[115].

Плутоний является химически активным металлом^[103]. В 1967 году советские ученые установили, что высшая степень окисления нептуния и плутония не 6, а 7^[116]. Для этого ученым пришлось окислять озоном PuO₂²⁺ в щелочной среде^[7]. Плутоний проявляет четыре степени окисления в водных растворах и одну очень редкую^[97]:

Pu^III, в качестве Pu³⁺ (светло-фиолетовый),
Pu^IV, в качестве Pu⁴⁺ (шоколадный),
Pu^V, в качестве PuO₂⁺ (светлый)^{[~ 13]},
Pu^VI, в качестве PuO₂²⁺ (светло-оранжевый),
Pu^VII, в качестве PuO₅³⁻ (зелёный) — также присутствуют семивалентные ионы.

Цвета водных растворов плутония зависят от степени окисления и солей кислот^[117]. В них плутоний может находится сразу в нескольких степенях окисления, что объясняется близостью его редокс-потенциалов^[118], что в свою очередь объясняется наличием 5f-электронов, которые расположены на локализованной и делокализованной зоне электронной орбитали^[119]. При pH 5—8 доминирует четырёхвалентный плутоний^[118], который наиболее устойчив среди остальных валентностей (степеней окисления)^[4].

Металлический плутоний получается благодаря реакции его тетрафторида с барием, кальцием или литием при температуре 1200 °C^[120]:

Он реагирует с кислотами, кислородом и их парами, но только не с щелочами^[59] (в растворах которых заметно не растворяется^[7], как и большинство актиноидов^[70]). Быстро растворяется в хлороводороде, иодоводороде, бромоводороде, 72 % хлорной кислоте, 85 % ортофосфорной кислоте, концентрированной CCl₃COOH, сульфаминовой кислоте и кипящей концентрированной азотной кислоте^[103]. Плутоний инертен к концентрированным серной и уксусной кислотам; в их растворах медленно растворяется, то есть реагирует и образует соответствующие соли^[10]. При температуре 135 °C металл самовоспламенится благодаря реакции с кислородом, а если его поместить в атмосферу тетрахлорметана, то взорвётся^[37].

Реакционная способность плутония в растворах^[13]
Раствор	Реакционная способность
Вода	При комнатной температуре реагирует очень медленно, не намного быстрее при температуре кипения; образуется H₂ и черный порошок Pu(O)H
NaCl _(водн.)	Дает H₂ и черный порошок Pu(O)H
HNO₃	Не реагирует при любых концентрациях из-за пассивации; в присутствии 0,005 М HF кипящая концентрированная кислота сравнительно быстро растворяет плутоний
HCl, HBr	Очень быстро растворяется в концентрированных и умеренно разбавленных кислотах
HF	Реагирует очень медленно. Брикеты, полученные прессованием стружки металлического плутония, часто растворяются быстро и полностью с образованием нерастворимого PuF₃^[121]
72%-ая HClO₄	Быстрое растворение
H₂SO₄	Концентрированная кислота образует на металле защитное покрытие, которое останавливает начавшуюся медленную реакцию. Умеренно разбавленная медленно взаимодействует с металлом; образцы металла, содержащие примеси, могут полностью раствориться в 5 н. кислоте
85%-ая H₃PO₄	Реагирует сравнительно быстро
Уксусная кислота	Не взаимодействует с ледяной уксусной кислотой, даже с горячей; медленно взаимодействует с разбавленной кислотой
Трихлоруксусная кислота	Быстро растворяется в концентрированной кислоте; с разбавленной реагирует медленнее
Трифторуксусная кислота	Медленно растворяется в концентрированной кислоте; часто образуется остаток нерастворившегося оксида^[122]
Сульфаминовая кислота	Довольно быстро растворяется в 1,7 М кислоте, причем температура должна быть ниже 40 °C, чтобы избежать разложения кислоты. Остается небольшое количество потенциально пирофорного осадка; в присутствии HNO₃ количество осадка больше^[123]

Во влажном кислороде металл быстро окисляется, образуя оксиды и гидриды. Металлический плутоний реагирует с большинством газов при повышенных температурах^[103]. Если металл достаточно долго подвергается воздействию малых количеств влажного воздуха, то на его поверхности образуется диоксид плутония. Кроме того, может образоваться и его дигидрид, но только при недостатке кислорода^[59]. Ионы плутония во всех степенях окисления склонны к гидролизу и комплексообразованию^[60]. Способность образовывать комплексные соединения увеличивается в ряду Pu⁵⁺ < Pu⁶⁺ < Pu³⁺ < Pu⁴⁺ ^[5].

При комнатной температуре свежий срез плутония имеет серебристый цвет, который затем тускнеет до серого^[52]. Благодаря тому, что поверхность металла становится пассивированной он становится пирофорным, то есть способным к самовозгоранию, поэтому металлический плутоний как правило обрабатывается в инертной атмосфере аргона или азота. Расплавленный металл должен храниться в вакууме, либо в атмосфере инертного газа, чтобы избежать реакции с кислородом^[59].

Плутоний обратимо реагирует с чистым водородом, образуя гидрид плутония при температурах 25—50 °C^[110]^[10]. Кроме того, он легко взаимодействует с кислородом, образовывая монооксид и диоксид плутония, а также оксиды (но не только их, см. раздел ниже) переменного состава (бертоллиды). Оксиды расширяют плутоний на 40 % от его изначального объёма. Металлический плутоний энергично реагирует с галогеноводородами и галогенами, в соединениях с которыми обычно проявляет степень окисления +3, однако известны галогениды состава PuF₄ и PuCl₄ ^[10]^[124]. При реакции с углеродом образует его карбид (PuC), с азотом — нитрид (при 900 °C), с кремнием — силицид (PuSi₂)^[37]^[97]. Карбид, нитрид, диоксид плутония имеют температуру плавления больше 2000 °C и потому применяются в качестве ядерного топлива^[7].

Тигли, используемые для хранения плутония, должны выдерживать его сильные окислительно-восстановительные свойства. Тугоплавкие металлы, такие как тантал и вольфрам, наряду с более стабильными оксидами, боридами, карбидами, нитридами и силицидами, также могут выдержать свойства плутония. Плавка в электродуговой печи может быть использована для получения малых количеств металла без применения тиглей^[59].

Четырёхвалентный церий применяется в качестве химического симулянта плутония(IV)^[125].

Электронная структура: 5f-электроны

Плутоний является элементом, в котором 5f-электроны расположены на границе локализованных и делокализованных электронов, поэтому он считается одним из самых комплексных и трудных элементов для изучения^[119].

Аномальное поведение плутония обусловлено его электронной структурой. Энергетическая разница между 6d и 5f-электронами очень мала. Размеров 5f-оболочки вполне достаточно для того, чтобы они формировали атомную решётку между собой; это происходит на самой границе между локализованными и соединёнными между собой электронами. Близость электронных уровней приводит к формированию низкоэнергетической электронной конфигурации, с примерно одинаковыми уровнями энергии. Это приводит к формированию 5fⁿ7s² и 5fⁿ⁻¹7s²6d¹ электронных оболочек, что приводит к сложности его химических свойств. 5f-электроны участвуют в формировании ковалентных связей и комплексных соединений у плутония^[110].

Бинарные соединения плутония.

Нахождение в природе

В урановых рудах в результате захвата нейтронов (например, нейтронов из космического излучения) ядрами урана образуется нептуний (²³⁹Np), продуктом β-распада которого и является природный плутоний-239. Однако плутоний образуется в таких микроскопических количествах (самое большое отношение ²³⁹Pu/²³⁸U составляет 15×10⁻¹²), что о его добыче из урановых руд не может быть и речи^[118].

Природный плутоний образуется благодаря следующей ядерной реакции^[118]:

По этой же реакции плутоний-239 синтезируется в промышленных масштабах (см. изотопы и синтез).

Распространение следующих после урана элементов резко падает.

Незначительные количества по крайней мере двух последних изотопов плутония (²³⁹Pu и, возможно, ²⁴⁴Pu) могут быть найдены в природе^[70]. В среднем, содержание ²³⁹Pu примерно в 400 тыс. раз меньше, чем у радия^[16]. Малые количества плутония-239 — триллионная доля — и продукты распада могут быть найдены в урановых рудах^[59], например, в природном ядерном реакторе (англ.) в Окло (англ.), Габон^[126]. Этот «природный ядерный реактор» считается единственным в мире, в котором в настоящее время происходит образование актиноидов и их продуктов деления в геосфере^[118]^[127]. Благодаря масс-спектрометрическим измерениям было установлено наличие плутония-244 (он имеет самый большой период полураспада — примерно 80 млн лет) в докембрийском бастнезите^[128].

Отношение плутония к урану, разработка руд которого планируется на 2013 год в шахте Cigar Lake (англ.), составляет примерно от 2,4×10⁻¹² до 44×10⁻¹² ^[129]. Однако даже плутоний-244 находится в меньших количествах в природе, имея период полураспада 80 млн лет^[130]. Эти малые количества плутония-239 получаются следующим способом: в редких случаях уран-238 испытывает спонтанное деление, и в ходе этого процесса ядро испускает один или два свободных нейтрона с некоторой кинетической энергией. Когда один из этих нейтронов сталкивается с ядром урана-238, то образуется уран-239. Имея очень малый период полураспада, уран-239 распадается на нептуний-239, и потом этот изотоп превращается в плутоний-239 (см. реакцию выше).

Поскольку относительно долгоживущий изотоп плутоний-240 находится в цепочке распада плутония-244, то его распад имеет место быть, однако это происходит очень редко (1 случай на 10000). Очень небольшие количества плутония-238 относятся к весьма редкому двойному бета-распаду материнского изотопа — урана-238, который был найден в урановых рудах^[131]. В 1948 г. плутоний был впервые выделен из урановой смоляной руды Г. Т. Сиборгом и М. Перлманом^[132].

Минимальные количества плутония гипотетически могут находится в человеческом организме, учитывая что было проведено около 550-ти ядерных испытаний так или иначе связанных с плутонием. Большинство подводных и воздушных ядерных испытаний было прекращено благодаря договору о запрещении ядерных испытаний, который был подписан в 1963 году и ратифицирован СССР, США, Великобританией и другими государствами. Некоторые государства продолжили ядерные испытания.

Именно потому, что плутоний-239 был синтезирован специально для ядерных испытаний, на сегодняшний день он является самым распространённым и часто используемым синтезированным нуклидом из всех изотопов плутония^[37].

Изотопы

См. также: Изотопы плутония

Открытие изотопов плутония началось с 1940 года, когда был получен плутоний-238. В настоящее время он считается одним из важнейших нуклидов. Годом позднее был открыт самый важный нуклид — плутоний-239^[51], впоследствии нашедший свое применение в ядерной и космической промышленности. Химический элемент является актиноидом, один из его изотопов, который упомянут выше, входит в основную тройку делящихся изотопов^[45] (уран-233 и уран-235 являются остальными двумя)^[133]. Как известно, изотопы всех актиноидов являются радиоактивными, так как они нестабильны^[134], могли найти свое применение и в медицине, если бы не их жесткое радиоизлучение, в том числе плутония.

Наиболее важные ядерные свойства нуклидов плутония перечислены в таблице:

Ядерные свойства изотопов плутония^[13]^[135]^[136]^[137]

Массовое число Период полураспада Тип распада Основное излучение, МэВ
(выход, в %) Способ получения

228 1,1 сек α ≈ 100 %
β⁺ < 0,1 7,950

229 > 2×10⁻⁵ сек α 7,590

230 1,7 мин α ≤ 100 % 7,175

231 8,6 мин β⁺ ≤ 99,8 %
α ≥ 0,2 % 4,007

232 34 мин ЭЗ ≥ 80 %
α ≤ 20 % α 6,60 (62 %)
6,54 (38 %) 23392U(α,5n)

233 20,9 мин ЭЗ 99,88 %
α 0,12 % α 6,30
γ 0,235 23392U(α,4n)

234 8,8 ч ЭЗ 94 %
α 6 % α 6,202 (68 %)
6,151 (32 %) 23592U(α,3n)

235 25,6 мин ЭЗ > 99 %
α 3×10⁻³ % α 5,85
γ 0,049 23592U(α,4n)
23392U(α,2n)

236

2,85 лет
3,5×10⁹ лет

α
СД

α 5,768 (69 %)
5,721 (31 %)

23592U(α,3n)
Доч.

Кольцо чистого, электрорафинированного оружейного плутония (99,9 %). Кольцо весит 5,3 кг, имеет размер 11 см в диаметре. Эта форма не позволяет ему иметь критический размер.

Из изотопов плутония на данный момент известно о существовании 19-ти его нуклидов с массовыми числами 228—247^[137]. Только 4 из них нашли свое применение^[16]. Свойства изотопов имеют некоторую характерную особенность, по которой можно судить об их дальнейшем изучении — четные изотопы имеют бо́льшие периоды полураспада, чем нечетные (однако данное предположение относится только к менее важным его нуклидам).

Министерство энергетики США делит смеси плутония на три вида^[138]:

оружейный плутоний (содержание ²⁴⁰Pu в ²³⁹Pu менее 7 %)
топливный плутоний (от 7 до 18 % ²⁴⁰Pu) и
реакторный плутоний (содержание ²⁴⁰Pu более 18 %)

Термин «сверхчистый плутоний» используется для описания смеси изотопов плутония, в которых содержатся 2—3 процента ²⁴⁰Pu ^[138].

Всего два изотопа этого элемента (²³⁹Pu и ²⁴¹Pu) являются более способными к ядерному делению, нежели остальные; более того, это единственные изотопы, которые подвергаются ядерному делению при действии тепловых нейтронов^[138]. Среди продуктов взрыва термоядерных бомб обнаружены также ²⁴⁷Рu и ²⁵⁵Рu ^[4], периоды полураспада которых несоизмеримо малы.

Изотопы и синтез

Методы экстракции плутония и урана.

Известны около 20 изотопов плутония, все они радиоактивны. Самым долгоживущим из них является плутоний-244, с периодом полураспада 80,8 млн лет; плутоний-242 имеет более короткий период полураспада — 372 300 лет; плутоний-239 — 24 110 лет'. Все остальные изотопы имеют период полураспада меньше 7 тыс. лет. Этот элемент имеет 8 метастабильных состояний, периоды полураспада этих изомеров не превышают 1 с^[108].

Массовое число известных изотопов элемента варьируется от 228 до 247. Все они испытывают один или несколько типов радиоактивного распада:

электронный захват (и, при достаточной энергии, позитронный бета-распад) с образованием изотопов нептуния;
бета-минус-распад с образованием изотопов америция;
альфа-распад с образованием изотопов урана;
спонтанное деление с образованием широкого спектра дочерних изотопов элементов из средней части периодической таблицы, многие из которых β⁻-активны.

Основным каналом распада наиболее лёгких изотопов плутония (с 228 по 231) является альфа-распад, хотя канал электронного захвата для них также открыт. Основным каналом распада лёгких изотопов плутония (с 232 по 235 включительно) является электронный захват, с ним конкурирует альфа-распад. Основными каналами радиоактивного распада изотопов с массовыми числами между 236 и 244 (кроме 237^[139], 241^[139] и 243) являются альфа-распад и (с меньшей вероятностью) спонтанное деление. Основным каналом распада изотопов плутония, массовые числа которых превосходят 244 (а также ²⁴³Pu и ²⁴¹Pu), является бета-минус-распад в изотопы америция (95 протонов). Плутоний-241 является членом "вымершего" радиоактивного ряда нептуния^[52]^[108].

Бета-стабильными (т.е. испытывающими лишь распады с изменением массового числа) являются изотопы с массовыми числами 236, 238, 239, 240, 242, 244.

Синтез плутония

Плутоний в промышленных масштабах получается двумя путями^[138]:

облучением урана (см. реакцию ниже), содержащегося в ядерных реакторах;
облучением в реакторах трансурановых элементов, выделенных из отработанного топлива.

После облучения в обоих случаях выполняется отделение химическими способами плутония от урана, трансурановых элементов и продуктов деления.

Плутоний-238

Плутоний-238, использующийся в радиоизотопных генераторах энергии, лабораторно может синтезироваться в обменной (d, 2n)-реакции на уране-238:

В данном процессе дейтрон попадает в ядро урана-238, в результате чего образуется нептуний-238 и два нейтрона. Далее нептуний-238 испытывает бета-минус-распад в плутоний-238. Именно в этой реакции был впервые получен плутоний (1941, Сиборг). Однако она неэкономична. В промышленности плутоний-238 получают двумя путями:

выделением из облучённого ядерного топлива (в смеси с другими изотопами плутония, разделение которых очень дорого), поэтому чистый плутоний-238 таким методом не нарабатывается
с помощью нейтронного облучения в реакторах нептуния-237.

Цена одного килограмма плутония-238 составляет примерно 1 млн долларов США^[24].

Плутоний-239

Плутоний-239, делящийся изотоп, используемый в ядерном оружии и в ядерной энергетике, промышленно синтезируется^[10] в ядерных реакторах (в т.ч. в энергетических как побочный продукт) с помощью следующей реакции при участии ядер урана и нейтронов с помощью бета-минус-распада и с участием изотопов нептуния как промежуточного продукта распада^[140]:

Нейтроны, излучаемые при делении урана-235, захватываются ураном-238 с образованием урана-239; затем через цепочку двух β⁻-распадов образуются нептуний-239 и далее плутоний-239^[141]. Сотрудники засекреченной британской группы Tube Alloys (англ.), которые занимались изучением плутония во время 2-ой мировой войны, предсказали существование данной реакции в 1940 г.

Тяжёлые изотопы плутония

Ядерные циклы, позволяющие получать более тяжёлые изотопы плутония.

Более тяжёлые изотопы нарабатываются в реакторах из ²³⁹Pu по цепочке последовательных нейтронных захватов, каждый из которых увеличивает массовое число нуклида на единицу.

Свойства некоторых изотопов

Изотопы плутония претерпевают радиоактивный распад, вследствие которого выделяется тепловая энергия. Разные изотопы излучают разное количество тепла. Тепловыделение обычно записывается в пересчёте на Вт/кг или мВт/кг. В случаях, когда плутоний присутствует в больших количествах и нет теплоотвода, тепловая энергия может расплавить содержащий плутоний материал.

Все изотопы плутония способны к ядерному делению (при воздействии нейтрона)^[142] и излучают γ-частицы.

Выделение тепла изотопами плутония^[143]
Изотоп	Тип распада	Период полураспада (в годах)	Тепловыделение (Вт/кг)	Спонтанное деление нейтроны (1/(гр·с))	Комментарий
²³⁸Pu	альфа в ²³⁴U	87,74	560	2600	Очень высокая температура распада. Даже в небольших количествах может привести к саморазогреву. Используется в РТГ.
²³⁹Pu	альфа в ²³⁵U	24100	1,9	0,022	Основной ядерный продукт.
Уран-233	15	11	^[144]
Уран-235	52	17	^[144]
Нептуний-236	7	8,7	^[145]
Нептуний-237	60	18	^[146]
Плутоний-238	9,04—10,07	9,5—9,9	^[147]
Плутоний-239	10	9,9	^[144]^[147]
Плутоний-240	40	15	^[144]
Плутоний-241	12	10,5	^[148]
Плутоний-242	75—100	19—21	^[148]

Плутоний-236 был найден в плутониевой фракции, полученной из природного урана, при измерении радиоизлучения которой наблюдался пробег α-частиц, равный 4,35 см (что соответствует 5,75 МэВ). Было установлено, что данная группа относилась к изотопу ²³⁶Pu, образующемся благодаря реакции ²³⁵U(α,3n)²³⁶Pu. Позднее было обнаружено, что возможны такие реакции как: ²³⁷Np(a, p4n)²³⁶Pu; ²³⁷Np(α,5n)²³⁶Am → (ЭЗ) ²³⁶Pu. В настоящее время его получают благодаря взаимодействию дейтрона с ядром урана-235. Изотоп образуется благодаря α-излучателю альфа-излучателем, способным с спонтанному делению. Скорость самопроизвольного деления составляет 5,8×10⁷ делений на 1 г/ч, что соответствует периоду полураспада для этого процесса — 3,5×10⁹ лет^[35].

Плутоний-238 имеет интенсивность самопроизвольного деления 1,1×10⁶ делений/с·кг, что в 2,6 раза больше ²⁴⁰Pu, и очень высокую тепловую мощность: 567 Вт/кг. Изотоп обладает очень сильным альфа-излучением (при воздействии на него нейтронов^[52]), которое в 283 раза сильнее ²³⁹Pu, что делает его более серьезным источником нейтронов при реакции α → n. Содержание плутония-238 редко когда превышает 1 % от общего состава плутония, однако излучение нейтронов и нагрев делают его очень неудобным для обращения^[149]. Его удельная радиоактивность составляет 17,1 кюри/г^[150].

Плутоний-239 имеет большие сечения рассеивания и поглощения, чем уран и большее число нейтронов в расчете на одно деление, и меньшую критическую массу^[149], которая составляет 10 кг в альфа-фазе^[143]. При ядерном распаде плутония-239 посредством воздействия на него нейтронами, этот нуклид распадается на два осколка (примерно равные между собой более лёгкие атомы), выделяя примерно 200 МэВ энергии. Это приблизительно в 50 млн раз больше выделяемой при горении энергии (C+O₂ → CO₂↑). «Сгорая» в ядерном реакторе изотоп выделяет 2×10⁷ ккал^[16]. Чистый ²³⁹Pu имеет среднюю величину испускания нейтронов от спонтанного деления примерно 30 нейтронов/с·кг (примерно 10 делений в секунду на килограмм). Тепловая мощность составляет 1,92 Вт/кг (для сравнения: теплота обмена веществ у взрослого человека составляет меньшую тепловую мощность), что делает его теплым на ощупь. Удельная активность равна 61,5 мКи/г^[149].

Плутоний-240 является основным изотопом загрязняющим оружейный ²³⁹Pu. Уровень его содержания главным образом важен из-за интенсивности спонтанного деления, которая составляет 415 000 делений/с·кг, но испускается примерно 1×10⁵ нейтронов/с·кг, так как каждое деление рождает приблизительно 2,2 нейтрона, что примерно в 30 000 раз больше, чем у ²³⁹Pu. Плутоний-240 хорошо делится, чуть лучше чем ²³⁵U. Тепловой выход больше, чем у плутония-239 и составляет 7,1 Вт/кг, что обостряет проблему перегрева. Удельная активность равна 227 мКи/г^[149].

Плутоний-241 имеет низкий нейтронный фон и умеренную тепловую мощность и потому непосредственно не влияет на удобство применения плутония (Тепловая мощность равна 3,4 Вт/кг). Однако он с периодом полураспада 14 лет превращается в америций-241, который плохо делится и обладает большой тепловой мощностью, ухудшая качество оружейного плутония. Таким образом, плутоний-241 влияет на старение оружейного плутония. Удельная активность — 106 Ки/г^[149].

Интенсивность испускания нейтронов плутония-242 составляет 840 000 делений/с·кг (вдвое выше ²⁴⁰Pu), плохо подвержен ядерному делению. При заметной концентрации серьезно увеличивает требуемую критическую массу и нейтронный фон. Имея большую продолжительность жизни и маленькое сечение захвата нуклид накапливается в переработанном реакторном топливе. Удельная активность составляет 4 мКи/г^[149].

Сплавы

Сплавы плутония, или интерметаллические соединения, обычно получают прямым взаимодействием элементов в нужных отношениях^[13]. В большинстве случаев для получения гомогенного вещества применяют дуговую плавку; иногда нестабильные сплавы можно получить распылительным осаждением^[151]^[152] или охлаждением расплавов^[153].

δ-Стабилизаторы^[13]
Группа	Растворенный металл	Разница в размерах, %	Минимальное количество растворенного металла, необходимое для стабилизации δ-фазы, %
III A	Sc Lu Tm Er Dy Ce	−0,2 +5,5 +6,2 +6,9 +7,8 +4,3	2,75±0,25 4,1±0,3 <5 4,1±0,3 4,1±0,3 5^{[~ 14]}
III B	Ga Al In Tl	−14,2 −12,9 +1,2 +4,4	2^{[~ 15]} 1^{[~ 16]} 1±0,2 3,6±0,5 4,4±0,6
IV A	Hf Zr	−3,9 −2,6	4,6±0,5 7,0±0,5

Легированные алюминием, галлием или железом, сплавы плутония имеют промышленное значение^[1].

Плутоний может образовывать сплавы и промежуточные соединения с большинством металлов. Исключениями являются литий, натрий, калий и рубидий из щелочных металлов; магний, кальций, стронций и барий из щелочноземельных металлов; европий и иттербий из РЗЭ^[59]. Частичными исключениями являются тугоплавкие металлы: хром, молибден, ниобий, тантал и вольфрам, которые растворимы в жидком плутонии, но почти нерастворимые или малорастворимые в твёрдом плутонии^[59]. Галлий, алюминий, америций, скандий и церий могут стабилизировать δ-плутоний при комнатной температуре. Кремний, индий, цинк и цирконий способны к формированию метастабильного δ-плутония (δ'-фаза) при быстром охлаждении. Большие количества гафния, гольмия и таллия иногда позволяют сохранить некоторое количество δ-плутония при комнатной температуре. Нептуний является единственным элементом, который может стабилизировать α-плутоний при высоких температурах. Титан, гафний и цирконий стабилизируют структуру β-плутония при комнатной температуре при резком охлаждении^[110].

Сплавы плутония могут быть получены при добавлении металла в расплавленный плутоний. Если легирующий металл является достаточно сильным восстановителем, то в этом случае плутоний используется в виде оксидов или галогенидов. Сплавы δ-плутоний-галлий и плутоний-алюминий получают путём добавления фторида плутония(III) в расплавленный галлий или алюминий, который имеет особенность, заключающуюся в том, что алюминий не реагирует с высокоактивным плутонием^[154].

Виды сплавов

Nuvola apps kview.svg Внешние изображения
Searchtool.svg	Сплав плутоний-галий

Плутоний-галлий — сплав, использующийся для стабилизации δ-фазы плутония, который позволяет избежать переход α—δ фаза^[107].
Плутоний-алюминий — альтернативный сплав, по своим свойствам аналогичен сплаву Pu-Ga. Данный сплав может быть использован в качестве компонента ядерного топлива^[155].
Плутоний-галлий-кобальт (PuGaCo₅) — сверхпроводниковый сплав при температуре, составляющей 18,5 К. Необычно высокая температура перехода может свидетельствовать о том, что вещества на основе плутония представляют собой новый класс сверхпроводников^[119]^[156]^[14].
Плутоний-цирконий — сплав, который иногда может быть использован в качестве ядерного топлива^[157].
Плутоний-церий и плутоний-церий-кобальт — сплавы, используемые в качестве ядерного топлива^[158].
Плутоний-уран — сплав, содержания плутония в котором примерно равно 15—30 молей в процентном содержании. Используется в ядерных реакторах, работающих на быстрых нейтронах. Сплав имеет пирофорный характер, высокую восприимчивость к коррозии при достижении точки самовоспламенения, или способен к разложению при воздействии на него кислородом. Данный сплав требует легирования с другими металлами. Добавление алюминия, углерода или меди не сможет существенно улучшить свойства сплава; добавление циркония или сплавов железа повысят коррозионную стойкость данного сплава, однако после нескольких месяцев воздействия воздуха на легированный сплав данные качества теряются. Добавление титана и/или циркония позволит существенно повысить температуру плавления сплава^[159].
Плутоний-уран-титан и плутоний-уран-цирконий — сплав, исследование которого предполагало его использование в качестве ядерного топлива. Добавление третьего элемента (титан и/или цирконий) в эти сплавы позволит улучшить устойчивость к коррозии, снизить возможность воспламенения, повысить пластичность, технологичность, прочность и тепловое расширение. Сплав плутоний-уран-молибден имеет наилучшую устойчивость к коррозии, так как образовывает на своей поверхности оксидную плёнку^[159].
Сплав торий-уран-плутоний был исследован в качестве топлива для ядерных реакторах, работающих на быстрых нейтронах^[159].

Меры предосторожности

Токсичность

Плутоний — радиоактивный элемент.

Все химические элементы в той или иной степени токсичны, если их концентрация в организме превышает установленные нормы. Например, некоторые лантаноиды цериевой группы могут находится в молоке, крови и костях животных, а остальные в люпине, сахарной свекле, чернике, разных водорослях и др^[22]. Нахождение этих элементов в живых организмах объясняется в первую очередь стабильностью их изотопов, в то время как у актиноидов ситуация совсем другая. Все изотопы этой группы в той или иной степени, в том числе плутония, радиоактивны. Из этого следует, что нахождение элементов этой группы в живых организмах исключено. Данное свойство объясняется их радиоактивностью: α, β и γ-излучение пагубно воздействует на все живое, разрушая клетки организма.

Все соединения одного элемента данной группы — плутония — являются ядовитыми. Данные свойства проявляются как следствие α-излучения, так как зачастую приходится работать с α-активными изотопами (например, ²³⁹Pu). Альфа-частицы представляют серьезную опасность в том случае, если их источник находится в теле зараженного. При этом они повреждают окружающие элемент ткани организма. Хотя плутоний способен излучать γ-лучи и нейтроны, которые могут проникать в тело снаружи, их уровень слишком мал для того, чтобы причинить вред здоровью. Разные изотопы плутония обладают разной токсичностью, например типичный реакторный плутоний в 8—10 раз токсичнее чистого ²³⁹Pu, так как в нем преобладают нуклиды ²⁴⁰Pu, который является мощным источником альфа-излучения^[35].

Плутоний самый радиотоксичный элемент из всех актиноидов^[160], однако считается отнюдь не самым опасным элементом. Если принять радиологическую токсичность ²³⁸U за единицу, этот же показатель для плутония и некоторых других элементов образует ряд:

²³⁵U (1,6) — ²³⁹Pu (5,0×10⁴) — ²⁴¹Am (3,2×10⁶) — ⁹⁰Sr (4,8×10⁶) — ²²⁶Ra (3,0×10⁷),

из которого следует вывод, что радий почти в тысячу раз опаснее самого ядовитого изотопа плутония — ²³⁹Pu ^[35]^[59].

При поступлении элемента вместе с водой и пищей плутоний менее ядовит, чем такие вещества как кофеин, ацетаминофен, некоторые витамины, псевдоэфедрин и множество растений и грибов. Он чуть менее вреден этилового спирта, но вреднее табака и всех запрещенных наркотиков. С химической точки зрения он ядовит так же как свинец. С точки зрения ингаляции плутоний — это рядовой токсин (примерно соответствует парам ртути). За всю историю ядерной индустрии достоверно известно об одном случае гибели человека от плутония, а смерти из-за плутония, попавшего в организм человека через лёгкие или желудок, до сих пор ни разу не случилось (при этом в счет не берутся данные о гибели 26 граждан США, которые погибли от передозировки, а также 18 добровольцев, которые подвергались изучению темпов выведения плутония из организма)^[35]^[161].

При ингаляции плутоний обладает канцерогенными свойствами и способен вызвать рак лёгких. Однако следует помнить, что при попадании с пищей ¹⁴C и ⁴⁰K гораздо более канцерогенны^{[источник не указан 90 дней]}. Тем не менее, плутоний токсичен, так как имеет свойство концентрироваться в кроветворных участках костей и может вызвать заболевания через много лет после его попадания^[35].

Альфа-частицы обладают относительно малой проникающей способностью: для ²³⁹Pu пробег α-частиц в воздухе составляет 3,7 см, а в мягкой биологической ткани 43 мкм. В совокупности с высокой полной ионизацией (1,47×10⁷ пар ионов на одну α-частицу) небольшая величина пробега обуславливает значительную величину плотности ионизации; а чем выше ее плотность, тем выше воздействие на организм. В связи с тем, что α-излучение приводит к необратимым изменениям в скелете, печени, селезёнке и почках, все изотопы элемента относят к группе элементов с особо высокой радиотоксичностью (группа A токсичности). Эти изменения трудно диагностировать; они не проявляются настолько быстро, что можно констатировать о нахождении элемента в организме^[35].

Плутоний склонен к образованию аэрозолей^[21]. Хотя плутоний и является металлом, он очень летуч. Например, стоит пронести его образец по комнате, как допустимое содержание элемента будет превышено. Поэтому в процессе дыхания он склонен проникать в легкие и бронхи. Значимы два типа воздействия: острое и хроническое отравление. Если уровень облучения достаточно высок, ткани могут страдать острым отравлением и токсическое воздействие проявляется очень быстро. Если уровень облучения мал, то образуется накопляющийся канцерогенный эффект^[35].

Попавшее количество элемента определяется коэффициентом всасывания, составляющим K = 1×10⁻³. Для биологически связанного элемента коэффициент выше: K = 1×10⁻², причем коэффициент всасывания возрастает в 10—100 раз для детей по сравнению к взрослым. Плутоний может попадать в организм через раны и ссадины, путём вдыхания или заглатывания. Однако наиболее опасным путем попадания в организм является поглощение из легких^[35].

Попавший в лёгкие плутоний частично оседает на поверхности лёгких, частично переходит в кровь, а затем в лимфоузлы и костный мозг. Примерно 60 % попадает в костную ткань, 30 % в печень и 10 % выводится естественным путем. Количество попавшего в организм плутония зависит от величины аэрозольных частиц и растворимости в крови^[35].

Плутоний очень плохо всасывается через желудочно-кишечный тракт. Плутоний в четырехвалентном состоянии в течение нескольких суток на 70—80 % отлагается в печени человека и на 10—15 % в костных тканях. Попавший в организм элемент менее ядовит, чем такие известные яды как цианид или стрихнин. Поглощение всего 0,5 г плутония привело бы к смерти за несколько дней или недель за счет острого облучения пищеварительной системы (для цианида это значение составляет 0,1 г). Вдыхание 0,1 г плутония в виде частиц оптимального размера для удержания в лёгких приведет к смерти из-за отёка лёгких за 1—10 дней. Вдыхание 0,2 г приведет к смерти от фиброза за один месяц. Для намного меньших величин, попавших в организм, возникает высокий риск появления хронического канцерогенного эффекта^[35].

Самой вероятной формой попадания плутония в организм является его практически не растворимый в воде оксид. Он применяется на АЭС в качестве источника электроэнергии^[35]. Следовательно, плутоний, из-за нерастворимости его оксида, имеет большие показатели полувыведения из организма^[160].

В природе плутоний чаще всего находится в четырехвалентном состоянии, которое по своим химическим свойствам напоминает трехвалентное железо. Если он проникает в систему кровообращения, то с большой вероятностью начнет концентрироваться в тканях, содержащих железо: костный мозг, печень, селезёнка. Организм путает плутоний с железом, следовательно белок трансферина забирает плутоний вместо железа, в результате чего останавливается перенос кислорода в организме. Микрофаги растаскивают плутоний по лимфоузлам. Если 0,14 г разместятся в костях взрослого человека, то риск ухудшения иммунитета будет очень велик и через несколько лет может развиться рак^[35]. Проведенные исследования элемента на токсичность показали, что для человека весом 70 кг смертельная доза составляет 0,22 г^[160]

Попавший в организм плутоний выводится из него очень долго — на протяжении 50 лет из организма выведется всего 80 %. Период биологического полувыведения из костной ткани составляет 80—100 лет^[35]. Получается, что его концентрация в костях практически постоянна^[60]. Период полувыведения из печени составляет 40 лет. Максимально безопасным значением количества плутония в организме для ²³⁹Pu составляет 0,047 мкКи что эквивалентно 0,0075 г. Молоко выводит плутоний в 2—10 раз активнее воды^[35].

Критическая масса

Критическая масса – минимальная масса делящегося вещества, при которой в нём может происходить самоподдерживающаяся ядерная реакция деления. Если масса вещества ниже критической, то слишком много нейтронов, необходимых для реакции деления, теряется, и цепная реакция не идёт. При массе больше критической цепная реакция может лавинообразно ускоряться, что приводит к ядерному взрыву.

Критическая масса зависит от размеров и формы делящегося образца, так как они определяют утечку нейтронов из образца через его поверхность. Минимальную критическую массу имеет образец сферической формы, так как площадь его поверхности наименьшая. Критическая масса чистого металлического плутония-239 сферической формы 11 кг (диаметр такой сферы 10 см), урана-235 – 50 кг (диаметр сферы 17 см). Критическая масса также зависит от химического состава образца. Отражатели и замедлители нейтронов, окружающие делящееся вещество, могут существенно снизить критическую массу.

Самовоспламенение

В мелкодисперсном состоянии плутоний, как и все актиниды, пребывает в состоянии пирофорности^[70]. Во влажной среде плутоний на его поверхности образует гидриды переменного состава; реагируя с кислородом плутоний воспламеняется даже при комнатной температуре. В результате окисления плутоний расширяется на 70 % и может повредить содержащий его контейнер^[162]. Радиоактивность плутония является препятствием для тушения. Песок из оксида магния наиболее эффективный материал для тушения: он охлаждает плутоний, а также блокирует доступ кислорода. Плутоний следует хранить либо в атмосфере инертного газа^[162], либо при наличии циркулирующего воздуха (учитывая, что 100 г плутония-239 выделяют 0,2 Вт тепла)^[70]. Элемент имеет исключительно высокую пирофорность при нагреве до 470—520 °C^[1].

Методы отделения

Пьюрекс-процесс применяется для извлечения оксидов плутония, урана и нептуния высокой чистоты.

Обобщенное представление о способах отделения плутония от примесей, предшествующих элементов и их продуктов деления состоит из трех стадий. В первой стадии отработавшие тепловыделяющие сборки демонтируются, и оболочка, содержащая отработавший плутоний и уран, удаляется физическими и химическими способами. На втором этапе извлеченное ядерное топливо растворяют в азотной кислоте. На третьем и самом комплексном этапе отделения плутония от других актинидов и продуктов деления применяют технологию, известную как «solvent process» (рус. экстракция растворителем). Трибутилфосфат обычно используется в качестве экстрагента в керосиноподобном растворителе в пьюрекс-процессе. Как правило, очищение плутония и урана происходит в несколько этапов для достижения необходимой чистоты элементов^[138]. Первоначально вышеупомянутый процесс был создан для переработки ядерного топлива реакторов, созданных для военных целей. Позднее эту технологию удалось применять и на энергетических реакторах^[13].

Применение

Металлический плутоний используется в ядерном оружии и служит в качестве ядерного топлива. Оксиды плутония используются в качестве энергетического источника для космической техники и находят свое применение в ТВЭЛах^[107]. Плутоний используется в элементах питания космических аппаратов^[163]. Ядра плутония-239 способны к цепной ядерной реакции при воздействии на них нейтронов, поэтому этот изотоп можно использовать как источник атомной энергии (энергия, освобождающаяся при расщеплении 1 г ²³⁹Pu, эквивалентна теплоте, выделяющейся при сгорании 4000 кг угля)^[60]. Более частое использование плутония-239 в ядерных бомбах обусловлено тем, что плутоний занимает меньший объем в сфере (где расположено ядро бомбы), следовательно можно выиграть во взрывной силе бомбы за счет этого свойства. Ядро плутония при ядерной реакции испускает всреднем около 2,895 нейтрона против 2,452 нейтрона у урана-235. Однако затраты на производство плутония примерно в шесть раз больше по сравнению с ураном-235^[113].

Изотопы плутония нашли свое применение при синтезе трансплутониевых (последующих после плутония) элементов^[4]. Таким образом, смешанный оксид плутония-242 в 2009 г. и бомбардировки ионами кальция-48 в 2010 году того же изотопа были использованы для получения унунквадия^[164]^[165]^[166]^[167]. В Оук-Риджской национальной лаборатории длительное нейтронное облучение ²³⁹Pu используется для получения трансурановые элементы производились в прошлом в исследовательских целях^[70]. Благодаря нейтронному захвату изотопов плутония в 1944 году Г. Т. Сиборгом и его группой был одержан первый изотоп америция — 24195Am ^[118] (реакция ²³⁹Pu(2n,e)²⁴¹Am)^[37]. Для подтверждения того, что актиноидов всего 14 (по аналогии с лантаноидами) был произведен в 1966 году в Дубне синтез ядер резерфордия (в то время курчатовия) под руководством академика Г. Н. Флёрова^[168]^[169]:

24294Pu + 2210Ne → сплавы плутония применяются при изготовлении топливных элементов, так как они обладают лучшими металлургическими свойствами по сравнению с чистым плутонием, который при нагревании претерпевает фазовые переходы^[13].

«Сверхчистый» плутоний (смесь изотопов плутония, содержание в которой не превышает 2—3 % ²⁴⁰Pu) используется в ядерном оружии ВМФ США и применяется на кораблях и подводных лодках под ядерной защитой из свинца, что снижает дозовую нагрузку на команду^[170].

Плутоний-238 и плутоний-239 являются самыми широко синтезируемыми изотопами^[52].

Первый ядерный заряд на основе плутония был взорван 16 июля 1945 года на полигоне Аламогордо (испытание под кодовым названием «Тринити»).

Ядерное оружие

Основная статья: Ядерное оружие

Плутоний очень часто применялся в ядерных бомбах. Историческим фактом является сброс ядерной бомбы на Нагасаки в 1945 г. США. Бомба, сброшенная на этот город, содержала в себе 6,2 кг плутония^[171]. Мощность взрыва составила 21 килотонну (взрыв оказался на 40 % больше, по сравнению с бомбардировкой Хиросимы)^[172]. К концу 1945 года погибло 60—80 тыс. человек^[173]. По истечении 5 лет, общее количество погибших, с учётом умерших от рака и других долгосрочных воздействий взрыва, могло достичь или даже превысить 140 000 человек^[172].

Принцип имплозии, по которому действует ядерная бомба[~ 17].

Принцип имплозии, по которому действует ядерная бомба^{[~ 17]}.

Ядерный заряд в виде сферы[~ 18].

Ядерный заряд в виде сферы^{[~ 18]}.

Принцип, по которому происходил ядерный взрыв с участием плутония, заключался в конструкции ядерной бомбы. «Ядро» бомбы состояло из сферы, наполненной плутонием-239, которая в момент столкновения с землей сжималась до миллиона атмосфер за счет конструкции^[113] и благодаря окружающему эту сферу взрывчатому веществу^[174]. После удара ядро расширялось в объеме и в плотности за десяток микросекунд, при этом сжимаемая сборка проскакивала критическое состояние на тепловых нейтронах и становилась существенно сверхкритической на быстрых нейтронах, то есть начиналась цепная ядерная реакция с участием нейтронов и ядер элемента^[175]. При этом следовало учитывать, что бомба не должна была взорваться преждевременно. Однако это практически невозможно, так как, чтобы сжать плутониевый шар за десяток наносекунд всего на 1 см, требуется придать веществу ускорение, в десятки триллионов раз превышающее ускорение свободного падения. При конечном взрыве ядерной бомбы температура повышается до десятков миллионов градусов^[113]. Следует отметить, что в наше время для создания полноценного ядерного заряда достаточно 8—9 кг этого элемента^[176].

Всего один килограмм плутония-239 может произвести взрыв, который будет эквивалентен 20000 т тротила^[52]. Даже 50 г элемента при делении всех ядер произведут взрыв, равный детонации 1000 т тротила^[177]. Данный изотоп является единственным подходящим нуклидом для применения в ядерном оружии, так как присутствие хотя бы 1 % ²⁴⁰Pu приведет к образованию большого количества нейтронов, которые не позволят эффективно применять пушечную схему заряда ядерной бомбы. Остальные изотопы рассматриваются только из-за их вредного действия^[149].

Плутоний-240 может находиться в ядерной бомбе в малых количествах, однако если его содержание будет повышено, произойдет преждевременная цепная реакция. Данный изотоп имеет высокую вероятность спонтанного деления (примерно 440 делений в секунду на грамм; высвобождается примерно 1000 нейтронов в секунду на грамм^[178]), что делает невозможным большой процент его содержания в делящемся материале^[77].

По данным телеканала Al-Jazeera, Израиль имеет около 118 боеголовок с плутонием в качестве радиоактивного вещества^[179]. Считается, что Южная Корея имеет около 40 кг плутония, количества которого достаточно для производства 6 ядерных ракет^[180]. По оценкам МАГАТЭ в 2007 году, производимого в Ираке плутония хватало на две ядерные боеголовки в год^[181]. В 2006 г. Пакистан начал строительство ядерного реактора, который позволит нарабатывать около 200 кг радиоактивного элемента в год. В пересчете на количество ядерных боеголовок, эта цифра будет составлять приблизительно 40—50 бомб^[182].

Между Россией и США было подписано несколько договоров на протяжении первого десятилетия 21-го века (на данный момент). Так в частности, в 2003 г. был подписан договор о переработке 68 т (по 34 т с каждой стороны) плутония на Балаковской АЭС в MOX-топливо до 2024 года^[25]. В 2007 г. страны подписали план об утилизации Россией 34 т плутония, созданного для российских оружейных программ^[183]^[176]. В 2010 году был подписан договор об утилизации ядерного оружия, в частности плутония, количества которого хватило бы на производство 17 тыс. ядерных боеголовок^[184].

В 2010 году 17 ноября между США и Казахстаном было подписано соглашение о закрытии промышленного ядерного реактора БН-350 в городе Актау, который вырабатывал электроэнергию за счет плутония^[185]. Этот реактор был первым в мире и Казахстане опытно-промышленным реактором на быстрых нейтронах; срок его работы составил 27 лет^[186].

Ядерное загрязнение

См. также: Переработка отработанного ядерного топлива

В период, когда начинались ядерные испытания (1945—1963 гг.) в основе которых лежал плутоний, и когда его радиоактивные свойства только начинались изучаться, в атмосферу было выброшено свыше 5 т элемента^[160]. С 1970-х годов доля плутония в радиоактивном заражении атмосферы Земли начала возрастать^[1].

В северо-западную часть Тихого океана плутоний попал в основном благодаря ядерным испытаниям. Повышенное содержание элемента объясняется проведением США ядерных испытаний на территории Маршалловых Островов в Тихоокеанском полигоне в 1950-х годах. Основное загрязнение от этих испытаний пришлось на 1960 года. Исходя из оценки ученых, нахождение плутония в тихом океане повышено по сравнению с общим распространением ядерных материалов на земле^[187]. По некоторым расчетам, доза облучения, исходящего от цезия-137, на атоллах Маршалловых островов составляет примерно 95 %, а на остальные 5 приходятся изотопы стронция, америция и плутония^[188].

Плутоний в океане переносится благодаря физическим и биогеохимическим процессам. Время нахождения плутония в поверхностных водах океана составляет от 6 до 21 года, что, как правило, короче, чем у цезия-137. В отличие от этого изотопа, плутоний является элементом, частично реагирующим с окружающей средой и образующим 1—10 % нерастворимых соединений от общей массы, попавшей в окружающую среду (у цезия это значение составляет менее 0,1 %). Плутоний в океане выпадает на дно вместе с биогенными частицами, из которых он восстанавливается в растворимые формы в результате микробного разложения. Наиболее распространенными из его изотопов в морской среде являются плутоний-239 и плутоний-240^[187].

В январе 1968 года, американский самолет B-52 с четырьмя зарядами ядерного оружия в результате неуспешной посадки разбился на льду вблизи Туле, на территории Гренландии. Столкновение вызвало взрыв и фрагментацию оружия, в результате чего плутоний попал на льдину. После взрыва верхний слой загрязненного снега была снесен и в результате образовалась трещина, через которую плутоний попал в воду^[189]. Для уменьшения урона природе было собрано примерно 1,9 млрд литров снега и льда, которые могли подвергнуться радиоактивному загрязнению. Впоследствии оказалось, что один из четырех зарядов так и не был найден^[190].

Известен случай, когда советский космический аппарат Космос-954 24 января 1978 года с ядерным источником энергии на борту при неконтролируемом сходе с орбиты упал на территорию Канады. Данное происшествие привело к попаданию в окружающую среду 1 кг плутония-238 на площадь около 124 000 м² ^[191]^[192].

Попадание плутония в окружающую среду связано не только с техногенными происшествиями. Известны случаи утечки плутония как из лабораторных, так и из заводских условий. Было около 22 аварийных случаев утечки из лабораторий урана-235 и плутония-239. На протяжении 1953—1978 гг. аварийные случаи привели к потере от 0,81 (Маяк, 15 марта 1953 г.) до 10,1 кг (Томск, 13 декабря 1978 г.) ²³⁹Pu. Происшествия на промышленных предприятиях суммарно привели к смерти двух человек в г. Лос-Аламос (21.08.1945 и 21.05.1946) из-за двух случаев аварий и потерь 6,2 кг плутония. В городе Саров в 1953 и 1963 гг. примерно 8 и 17,35 кг попало за пределы ядерного реактора. Один из них привел к разрушению ядерного реактора в 1953 году^[193].

Уровни радиоактивности изотопов по состоянию на апрель 1986 года.

Известен случай аварии на Чернобыльской АЭС, который произошел 26 апреля 1986 года. В результате разрушения четвертного энергоблока в окружающую среду было выброшено 190 т радиоактивных веществ на площадь около 2200 км². Восемь из 140 т радиоактивного топлива реактора оказались в воздухе. Загрязненная площадь составила 160 000 км² ^[194]. Для ликвидации последствий были мобилизованы значительные ресурсы, более 600 тыс. человек участвовали в ликвидации последствий аварии. Суммарная активность веществ, выброшенных в окружающую среду, составила, по различным оценкам, до 14×10¹⁸ Бк (или 14 ЭБк), в том числе^[195]:

1,8 ЭБк — 13153I,
0,085 ЭБк — 13755Cs,
0,01 ЭБк — 9038Sr
0,003 ЭБк — изотопы плутония,
на долю благородных газов приходилось около половины от суммарной активности.

В настоящее время большинство жителей загрязнённой зоны получает менее 1 мЗв в год сверх естественного фона^[195].

Источник энергии и тепла

Nuvola apps kview.svg Внешние изображения
Searchtool.svg	Диоксид плутония

Как известно, атомная энергия применяется для преобразования в электроэнергию за счет нагревания воды, которая испаряясь и образуя перегретый пар вращает лопатки турбин электрогенераторов. Преимуществом данной технологии является отсутствие каких либо парниковых газов, которые оказывают пагубное воздействие на окружающую среду. По состоянию за 2009 год 438 атомных станций по всему миру генерировали примерно 371,9 ГВт электроэнергии (или 13,8 % от общего объема производства электроэнергии)^[196]. Однако минусом ядерной промышленности являются ядерные отходы, которых в год отрабатывается приблизительно 12000 т^{[~ 19]}. Данное количество отработанного материала представляет собой довольно сложную задачу перед сотрудниками АЭС^[197]. К 1982 году было подсчитано, что аккумулировано ~300 т плутония^[198].

Таблетка диоксида плутония-238^{[~ 20]}.

Желто-коричневый порошок, состоящий из диоксида плутония, способен выдерживать нагревание до температуры 1200 °C. Синтез соединения происходит с помощью разложения тетрагидроксида или тетранитрата плутония в атмосфере кислорода^[2]:

Полученный порошок шоколадного цвета спекается и нагревается в токе влажного водорода до 1500 °C. При этом образуются таблетки плотностью 10,5—10,7 г/см³, которые можно использовать в качестве ядерного топлива^[2]. Диоксид плутония является самым стабильным и инертным из оксидов плутония и посредством нагревания до высоких температур разлагается на составляющие, и потому применяется при переработке и хранении плутония, а также его дальнейшего использования как источника электроэнергии^[199]. Один килограмм плутония эквивалентен примерно 22 млн кВт·ч тепловой энергии^[198].

В СССР было произведено несколько РИТЭГов Топаз, которые были предназначены для генерации электричества для космических аппаратов. Эти аппараты были предназначены работать с плутонием-238, который является α-излучателем. После падения Советского Союза США закупили несколько таких аппаратов для изучения их устройства и дальнейшего применения в своих долговременных космических программах^[200].

РИТЭГ зонда Новые Горизонты.

Вполне достойной заменой плутонию-238 можно было бы назвать полоний-210. Его тепловыделение составляет 140 Вт/г, а всего один грамм может разогреться до 500 °C. Однако из-за его чрезвычайно малого для космических миссий периода полураспада (140 сут) применение этого изотопа в космической отрасли сильно ограничено^[90] (например, он был использован в каждой миссии Луноходов, а также нашел свое применение в искусственных спутниках Земли^[201]).

Плутоний-238 в 2006 г. при запуске зонда New Horizons к Плутону нашел свое применение в качестве источника питания для зонда^[202]. Радиоизотопный генератор содержал 11 кг высокочистого диоксида ²³⁸Pu, производившего в среднем 220 Вт электроэнергии на протяжении всего пути (240 Вт в начале пути и 200 Вт к концу)^[203]^[204]. Высказывались опасения о неудачном запуске зонда (шанс неудачи составлял 1:350), однако он все таки состоялся. После запуска зонд развил скорость 36000 миль/ч благодаря силам гравитации Земли. В 2007 году благодаря гравитационному маневру вокруг Юпитера его скорость повысилась еще на 9 тыс. миль (в сумме примерно 72420 км/ч, или 20,1 км/с), что позволит ему приблизиться на минимальное расстояние к Плутону в июле 2015 года и затем продолжить свое наблюдение за поясом Койпера^[205]^[206].

Зонды Галилео и Кассини были также оборудованы источниками энергии, в основе которых лежал плутоний^[207]. Изотоп будет применяться и на будущих миссиях, например марсоход Curiosity будет получать энергию благодаря плутонию-238^[208]. Его спуск на поверхность Марса планируется провести в августе 2012 года^[209]. Марсоход будет использовать последнее поколение РИТЭГов, называемое Multi-Mission Radioisotope Thermoelectric Generator. Это устройство будет производить 125 Вт электрической мощности, а по истечению 14 лет — 100 Вт^[210]. Для работы марсохода будет производиться 2,5 кВт·ч энергии за счет распада ядер (солнечная энергия составит 0,6 кВт·ч)^[211]. Плутоний-238 является оптимальным источником энергии, выделяющим 0,56 Вт·г⁻¹. Применение этого изотопа с теллуридом свинца (PbTe), который используется в качестве термоэлектрического элемента, образует очень компактный и долговременный источник электричества без каких бы то ни было движущих частей конструкции^[70], что позволяет «сэкономить» пространство космических аппаратов.

РИТЭГ SNAP-27, применявшийся в миссии Аполлон-14 (в центре).

Несколько килограммов ²³⁸PuO₂ использовались не только на Галилео, но и на некоторых миссиях Аполлонов^[70]. Генератор электроэнергии SNAP-27 (англ. Systems for Nuclear Auxiliary Power), тепловая и электрическая мощность которого составляла 1480 Вт и 63,5 Вт соответственно, содержал 3,735 кг диоксида плутония-238^[212]. Для уменьшения риска взрыва или иных возможных происшествий, использовался бериллий в качестве термостойкого, лёгкого и прочного элемента^[213]. SNAP-27 был последним типом генераторов, использовавшихся NASA для космических миссий; предыдущие типы (1, 7, 9, 11, 19, 21 и 23) использовали другие источники электроэнергии^[214]^[215]^[216]^[217] (например, SNAP-19 был использован в миссии Пионера-10^[218]^[213]).

При проведении пассивного сейсмического эксперимента (PSEP) на Луне в миссии Аполлон-11 были использованы два радиоизотопных тепловых источника мощностью 15 Вт, которые содержали 37,6 г диоксида плутония в виде микросфер^[13]. Генератор был использован в миссиях Аполлона-12 (отмечается, что это был первый случай использования ядерной энергосистемы при полете на Луну), 14, 15, 16, 17^[219]. Он был призван обеспечивать электроэнергией научное оборудование (англ. ALSEP), установленное на космических аппаратах^[212]. Во время миссии Аполлона-13 произошло схождение лунного модуля с траектории, в результате чего он сгорел в плотных слоях атмосферы. Внутри SNAP-27 был использован вышеупомянутый изотоп, который окружен устойчивыми к коррозии материалами и будет храниться в них еще 870 лет^[220]^[221].

Плутоний-236 и плутоний-238 применяется для изготовления атомных электрических батареек, срок службы которых достигает 5 и более лет. Их применяют в генераторах тока, стимулирующих работу сердца (кардиостимулятор)^[1]^[222]. По состоянию на 2003 г. в США было 50—100 человек, имеющих плутониевый кардиостимулятор^[223]. Применение плутония-238 может распространиться на костюмы водолазов и космонавтов^[224]^[22]. Бериллий вместе с вышеуказанным изотопом применяется как источник нейтронного излучения^[37].

В 2007 г. Великобритания начала снос старейшей ядерной электростанции Calder Hall (англ.) на плутонии, которая начала свою работу 17 октября 1956 года и завершила 29 сентября 2007^[225].

Реакторы-размножители

Схематическое изображение реакторов-размножителей на быстрых нейтронах с жидкометаллическим теплоносителем, с интегральной и петлевой компоновкой оборудования.

Для получения больших количеств плутония строятся реакторы-размножители («бридеры», от англ. to breed — размножать), которые позволяют нарабатывать значительные количества плутония^[2]. Реакторы названы именно «размножителями» потому, что с их помощью возможно получение делящегося материала в количестве, превышающем его затраты на получение^[70].

В США строительство первых реакторов данного типа началось еще до 1950 г. В СССР и Великобритании к их созданию приступили в начале 1950 гг. Однако первые реакторы были созданы для изучения нейтронно-физических характеристик реакторов с жестким спектром нейтронов. Поэтому первые образцы должны были продемонстрировать не большие производственные количества, а возможность реализации технических решений, закладываемых в первые реакторы такого типа («Клементина», EBR-1, БР-1, БР-2)^[226].

Отличие реакторов-разможителей от обычных ядерных реакторов состоит в том, что нейтроны в них не замедляются, то есть отсутствует замедлитель нейтронов (например, графит), для того, чтобы их как можно больше прореагировало с ураном-238. После реакции образуются атомы урана-239, который в дальнейшем и образует плутоний-239^[200]. В таких реакторах центральная часть, содержащая диоксид плутония в обедненном диоксиде урана, окружена оболочкой из еще более обедненного диоксида урана-238 (²³⁸UO₂), в которой и образуется ²³⁹Pu. Используя вместе ²³⁸U и ²³⁵U такие реакторы могут производить из природного урана энергии в 50—60 раз больше, позволяя таким образом использовать запасы наиболее пригодных для переработки урановых руд^[70]. Коэффициент воспроизводства рассчитывается отношением произведенного ядерного топлива к затраченному. Однако достижение высоких показателей воспроизводства нелегкая задача. ТВЭЛы в них должны охлаждаться чем-то отличным от воды, которая уменьшает их энергию (а чем она выше, тем больше коэффициент воспроизводства). Было предложено использование жидкого натрия в качестве охлаждающего элемента. В реакторах-размножителях используют обогащенный более 15 % по массе уран-235, для достижения необходимого нейтронного облучения и коэффициента воспроизводства примерно 1—1,2^[200].

В настоящее время экономически более выгодно получение урана из урановой руды, обогащенной до 3 % ураном-235, чем размножение урана в плутоний-239 с применением урана-235, обогащенного на 15 %^[200]. Проще говоря, преимуществом бридеров является способность в процессе работы не только производить электроэнергию, но и утилизировать непригодный в качестве ядерного горючего уран-238^[227].