Plutoniu | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Pelete de plutoniu. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Poziția în tabelul periodic | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Simbol | Ar putea | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Numele de familie | Plutoniu | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Numar atomic | 94 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
grup | - | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Perioadă | A 7- a perioadă | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
bloc | Blocul f | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Familia de elemente | Actinida | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Configurare electronică | [ Rn ] 5 f 6 7 s 2 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Electronii după nivelul de energie | 2, 8, 18, 32, 24, 8, 2 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Proprietățile atomice ale elementului | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Masă atomică | 244,06 u | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Raza atomică (calc) | 159 pm | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Raza covalentă | 187 ± 1 pm | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Starea de oxidare | 6, 5, 4, 3 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Electronegativitate ( Pauling ) | 1.28 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Oxid | Amfoteric | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Energiile de ionizare | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
1 re : 6.0260 eV | 2 e : 11,2 eV | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Izotopii cei mai stabili | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Proprietăți fizice simple ale corpului | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Stare obișnuită | solid | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Masa volumică | 19.816 kg · m -3 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Sistem de cristal | Monoclinic | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Culoare | Alb argintiu pătat în aer liber | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Punct de fuziune |
640 ° C 640 ° ± 2 |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Punct de fierbere | 3228 ° C | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Energia de fuziune | 2,84 kJ · mol -1 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Energie de vaporizare | 344 kJ · mol -1 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Volumul molar | 12,29 × 10 -6 m 3 · mol -1 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Presiunea de vapori |
1 Pa (la 1.483 ° C ) |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Viteza sunetului | 2260 m · s -1 până la 20 ° C | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Căldură masică | 35,5 J · kg -1 · K -1 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Conductivitate electrică | 685 x 10 6 S · m -1 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Conductivitate termică | 6,74 W · m -1 · K -1 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Variat | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
N o CAS | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
N o ECHA | 100.028.288 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
N o EC | 231-117-7 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Precauții | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Radioelement cu activitate notabilă |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Unități de SI & STP, cu excepția cazului în care se prevede altfel. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Plutoniu este elementul chimic cu simbolul Pu și numărul atomic 94. Este un metalic radioactiv transuranic familia de actinide . Este sub forma unui solid cristalizat ale cărui suprafețe proaspete sunt de culoare gri argintiu, dar sunt acoperite în câteva minute, în prezența umidității, cu un strat plictisitor de culoare gri, uneori având tendința spre verde măsliniu, format din oxizi și hidruri ; creșterea volumului rezultată poate ajunge la 70% dintr-un bloc de plutoniu pur, iar substanța astfel formată tinde să se dezintegreze într-o pulbere piroforică .
Plutoniul a fost produs și izolat pentru prima dată la 14 decembrie 1940 la Universitatea din California la Berkeley prin bombardarea uraniului 238 cu deuteriu . Venind după uraniu și neptuniu în tabelul periodic , acest nou element chimic a fost numit cu referire la Pluto , care vine după planetele Uranus și Neptun din sistemul solar . Este un element sintetic , produs artificial de om, dar este raportată și observarea urmelor de plutoniu natural în minereuri de uraniu . Este un metal greu radiotoxic care tinde să se acumuleze în oase și, într-o măsură mai mică, în ficat . În mod obișnuit, observăm patru stări de oxidare ale plutoniului, de la +3 la +6 (starea +7 este rară), cu colorații distincte. Structura electronică a metalului pur este determinată de banda 5f, care are cea mai mare densitate de stări la nivelul Fermi ; Deosebit de îngustă, banda 5f tinde să localizeze electronii din acesta, astfel încât plutoniul pur la temperatura camerei este similar cu materialele fermionice grele , cu capacitate termică mare și rezistivitate electrică .
Știm nu mai puțin de șase alotropi de plutoniu la presiunea atmosferică și un al șaptelea peste 60 MPa . Au proprietăți bine definite și adesea neobișnuite pentru un metal. Astfel, plutoniul α, stabil la temperatura camerei, este unul dintre metalele foarte rare care cristalizează în sistemul monoclinic ; proprietățile sale fizice și structurale se referă mai mult la minerale decât la metale comune, în timp ce proprietățile sale mecanice amintesc de cele din fontă . Plutoniul,, stabil la o temperatură mai mare sau cu o fracție molară mică de galiu , cristalizează pe de altă parte într-un cub cu plasă centrat pe față , cu o densitate mai mică cu aproape 20% față de plutoniul α; este mai metalic, cu proprietăți mecanice similare aluminiului , dar un coeficient de expansiune termică negativ (se contractă la încălzire). Plutoniul este, de asemenea, unul dintre puținele elemente chimice al căror lichid este mai dens decât solid la punctul de topire . Existența mai multor alotropi cu energii interne învecinate face ca modelarea plutoniului să fie deosebit de delicată, până la punctul în care se folosește în schimb un aliaj de plutoniu-galiu , care stabilizează faza δ la temperatura camerei, ceea ce facilitează prelucrarea pieselor în plutoniu.
Plutoniu-239 și plutoniu-241 sunt izotopii fisionabili cu neutroni termici , mijloace care pot contribui la o reacție nucleară în lanț și pot fi utilizate în proiectarea armelor nucleare și a reactoarelor nucleare . Plutoniu-240 are o rată de fisiune spontană foarte ridicată , care necesită să mențină o rată mai mică de 7% în plutoniu arme de grad. Plutoniu-238 are o perioadă de înjumătățire de 88 de ani și emite particule alfa ; este o sursă de căldură utilizată adesea de generatoarele termoelectrice de radioizotopi pentru a alimenta anumite sonde spațiale cu electricitate. Separarea izotopilor de plutoniu este dificilă și sunt de obicei produse în mod special de reactoare specializate. Producția de plutoniu suficient a fost unul dintre obiectivele proiectului Manhattan în timpul celui de-al doilea război mondial pentru a dezvolta primele bombe nucleare. Prima explozie atomică, testul Trinity , a folosit o încărcătură de plutoniu, la fel ca Fat Man , bomba atomică aruncată asupra Nagasaki ; bomba Little Boy aruncată cu trei zile mai devreme pe Hiroshima avea un miez de uraniu îmbogățit .
Plutoniul își datorează numele planetei Pluto , descoperită după Uranus și Neptun , prin analogie cu elementele uraniu și neptuniu care o precedă imediat în tabelul periodic.
Plutoniu este metalic al familiei de actinidelor cu, la fel ca majoritatea celorlalte metale, un aspect argintiu stralucitor , cum ar fi nichel . Cu toate acestea, în contact cu aerul, acesta devine rapid acoperit cu un strat cenușiu plictisitor, cu culori care pot atrage galben sau verde măslin, ultima din nuanță provenind din dioxidul de plutoniu PuO 2..
La fel ca neptuniul și uraniul - și, într-o măsură mai mică, protactiniul - structura electronică a plutoniului în condiții normale de temperatură și presiune este determinată de orbitalii 5f, care contribuie major la legăturile interatomice. Distanțele dintre atomi sunt astfel reduse în aceste materiale care au astfel o densitate deosebit de mare: cea a plutoniului este de 19,816 g · cm- 3 , mai mult decât dublul celei de einsteiniu ( 8,84 g · cm -3 ), care are totuși o masă atomică mai mare . Cu toate acestea, distanțele interatomice dintr-un cristal influențează lățimea benzilor electronice : cu cât aceste distanțe sunt mai mici, cu atât benzile sunt mai înguste. Banda 5f fiind matematic mai îngustă decât benzile 6d și 7s, devine aici suficient de îngustă pentru a avea tendința de a localiza electronii în cristal, ale căror proprietăți metalice sunt în consecință foarte degradate. De aici provine toată complexitatea plutoniului: având în vedere structura foarte specială a benzii materialului, unde benzile 5f și 6d au niveluri de energie foarte similare, electronii 5f ai plutoniului se află la limita dintre starea localizată și starea. , astfel încât o ușoară variație a energiei interne este suficientă pentru a trece de la una la alta, ceea ce duce la modificări bruște ale proprietăților macroscopice ale materialului.
Ca urmare a influenței electronilor 5f, cristalele actinidelor ușoare sunt mai puțin simetrice decât cele ale metalelor obișnuite, deoarece orbitalii 5f sunt foarte direcționali și constrâng geometria cristalelor. Protactiniu cristalizează în sistemul pătratic , mai puțin simetric decât cel al metalelor obișnuite, în timp ce uraniul și neptuniul cristalizează în sistemul ortorombic , chiar mai puțin simetric, iar plutoniul cristalizează în sistemul monoclinic , cel mai puțin simetric dintre toate. Rezultă că plutoniul în starea standard nu este foarte ductil , nu este foarte maleabil , nu prea plastic și, dimpotrivă, este destul de dur și casant; proprietățile sale mecanice sunt adesea comparate cu cele din fontă gri .
O altă consecință a influenței electronilor 5f, plutoniul în stare standard are o conductivitate electrică scăzută și conductivitate termică scăzută , dar capacitate termică ridicată, care este similară cu materialele fermionice grele . În plus, conductivitatea sa electrică tinde să scadă atunci când materialul este răcit, ceea ce este opusul comportamentului obișnuit al metalelor. Tendința este observată până la 100 K , apoi inversată pentru plutoniul proaspăt; cu toate acestea, rezistivitatea crește cu timpul din cauza deteriorării rețelei de cristal datorită radioactivității.
Metal |
Conductivitatea termică |
Rezistivitate electrică |
Compresibilitate |
Modulul lui Young |
---|---|---|---|---|
Plutonium α | 4,2 W · m -1 · K -1 | 1,45 μΩ · m | 0,020 GPa -1 | 100 GPa |
Plutoniu δ ( Pu-Ga ) | 9,2 W · m -1 · K -1 | 1,00 μΩ · m | 0,033 GPa -1 | 42 GPa |
Oțel inoxidabil | 15 W · m -1 · K -1 | 0,7 μΩ · m | 0,0007 GPa -1 | 180 GPa |
Aluminiu | 222 W · m -1 · K -1 | 0,029 μΩ · m | 0,015 GPa -1 | 70 GPa |
În general, radioactivitatea perturbă structura cristalină a plutoniului prin acumularea de defecte de cristal . Cu toate acestea, auto-radiație poate încălzi , de asemenea , materialul suficient pentru a conduce la recoacere , compensarea efectului anterior la temperaturi de peste 1000 K .
Se cunosc aproximativ douăzeci de izotopi de plutoniu . Plutoniu-244 are un timp de înjumătățire mai lungă, cu milioane de ani în urmă 80.8, urmat de plutoniu 242 , cu 373 300 ani, și -plutoniu 239 , cu 24 de 110 ani. Toți ceilalți izotopi ai plutoniului au un timp de înjumătățire mai mic de 7.000 de ani. Plutoniul are, de asemenea, opt izomeri nucleari , a căror perioadă de înjumătățire este întotdeauna mai mică de o secundă.
Izotopii cunoscuți ai plutoniului au o masă atomică cuprinsă între 228 și 247. Modul preferat de descompunere a izotopilor mai ușori decât plutoniul 244 este fisiunea spontană și decăderea α , care produce în principal neptuniu și uraniu , precum și „o mare varietate de produse de fisiune . Modul preferat de descompunere a izotopilor mai grei decât plutoniul 244 este descompunerea β , care produce în esență americiul . Plutoniu-241 este un izotop părinte al Neptuniu serii degradare, care dă americiu-241 prin dezintegrarea β.
Plutoniu-239 este, cu uraniu-233 si uraniu-235 , unul dintre cele trei majore fisionabile izotopi utilizate de industria nucleară sau în scopuri militare. Plutoniu-241 este de asemenea foarte fisionabil, adică, el poate împărți sub impactul unui neutron termic eliberând mai mult neutroni suficiente pentru a permite fisiune alți atomi și , astfel , să mențină un lanț de reacție ; este totuși mult mai radioactiv decât plutoniul 239 și produce, prin decăderea β , a americiului 241 , un puternic emițător de particule α nedorite în aplicațiile obișnuite ale plutoniului. Când sunt supuși la neutroni termici, izotopii 239 Pu și 241 Pu au o probabilitate de aproximativ 3 ⁄ 4 să crape și aproximativ 1 ⁄ 4 să dea 240 Pu și respectiv 242 Pu, astfel încât rata de 240 Pu în plutoniul rezidual după o reacția nucleară este mai mare decât cea a plutoniului inițial.
Cu mult mai puțin radioactiv decât majoritatea celorlalți izotopi, totuși, plutoniul pur 239 are un factor de multiplicare k ef mai mare de 1, ceea ce înseamnă că acest material poate atinge masa critică atâta timp cât o cantitate suficientă de material este colectată în volumul corespunzător. În timpul fisiunii unui atom, o fracțiune din energia legăturii nucleare , care ține împreună nucleul atomic , este eliberată ca energie electromagnetică și energie cinetică , aceasta din urmă fiind rapid transformată în energie termică . Fisiunea unui kilogram de plutoniu-239 poate produce o explozie echivalentă cu 21 kt de TNT ( 88.000 GJ ). Această energie este utilizată de reactoarele nucleare și armele nucleare .
Prezența plutoniului 240 într-o masă de plutoniu-239 limitează importanța militară a acestuia, deoarece acest izotop are o rată de fisiune spontană mai mare cu mai mult de patru ordine de mărime față de cea a plutoniului 239 - aproximativ 440 fisiune · s -1 · G -1 , sau mai mult de 1000 de neutroni · s -1 · g -1 - care degradează performanța explozivă a materialului și crește riscul unei explozii necontrolate. Se spune că plutoniul este de calitate militară (de tip armă ) atunci când conține mai puțin de 7% plutoniu 240 și de combustibil (de tip combustibil ) atunci când conține mai puțin de 19%. Plutoniul de înaltă calitate ( supergrade ), conținând mai puțin de 4% plutoniu 240 , este utilizat, din cauza radioactivității sale mai scăzute, pentru armele nucleare care trebuie păstrate în imediata vecinătate a echipajelor, în submarinele nucleare lansatoare de unelte și diferite tipuri de nave de război pentru exemplu. Plutoniu-238 nu este fisionabil , dar poate fi ușor fissioned condus de neutroni rapizi și de o radioactivitate α .
Cei doi izotopi principali sintetizați sunt plutoniul 238 și plutoniul 239 . Plutoniu-239 este produs prin captura neutronilor și degradare din β de uraniu-238 :
De neutroni de fisiune a uraniului 235 sunt absorbite de nucleele de uraniu 238 , pentru a forma uraniu 239 ; o dezintegrare β transformă apoi un neutron într-un proton pentru a forma neptuniul 239 , transformat printr-o a doua dezintegrare β în plutoniu 239 .
Plutoniu-238 este produs prin bombardarea uraniului-238 cu ioni de deuteriu :
În afară de plutoniul 240 , care prezintă o rată mare de fisiune spontană , și plutoniul 241 , care se descompune prin radioactivitate β , decaderea spontană a principalilor izotopi ai plutoniului are loc în principal prin radioactivitate α , adică prin emisia de particule α ( He 2+ ) care se recombină cu electroni ai metalului pentru a forma heliu , în timp ce plutoniul este transmutat în uraniu . Astfel, un tipic de 5 kg miez armă nucleară conține 12,5 x 10 24 atomi care dau o activitate de 11,5 × 10 12 Bq ( dezintegrări pe secundă) care emit particule alfa, care corespunde în ansamblu la o putere de 9 68 W .
Izotop | Perioadă
radioactiv |
Activitate în masă |
Mod Decay |
Fiul nucleu |
Raport de conexiune |
Energie de descompunere |
---|---|---|---|---|---|---|
238 Pu | 87,76 ani | 6,34 x 10 11 Bq · g-1 | Α radioactivitate | 234 U | 71,04% | 5,499 MeV |
28,84% | 5,457 MeV | |||||
239 Pu | 24 130 de ani | 2,295 x 10 9 Bq · g-1 | Α radioactivitate | 235 U | 73,30% | 5,156 MeV |
15,10% | 5,144 MeV | |||||
11,45% | 5,106 MeV | |||||
240 Pu | 6.567,5 ani | 8,40 x 10 9 Bq · g-1 | Α radioactivitate | 236 U | 72,90% | 5,168 MeV |
27,00% | 5.124 MeV | |||||
241 Pu | 14,29 ani | 3,81 × 10 12 Bq g-1 | Β radioactivitate | 241 am | 99,99% | 20,81 keV |
De radioizotopi de plutoniu eliberează o căldură variabilă de degradare în funcție de izotopi luate în considerare. Această cantitate este , în general , dat în wați pe kilogram sau în milliwatts per gram . Poate atinge valori semnificative în părți mari de plutoniu (de exemplu, în focoase nucleare ). Toți izotopii plutoniului eliberează, de asemenea, raze γ slabe .
Izotop | Căldura dezintegrării | Fisiune spontană ( neutroni ) | Observații |
---|---|---|---|
238 Pu | 560 W · kg -1 | 2600 g -1 · s -1 | Căldură de degradare foarte mare utilizată în generatoarele termoelectrice radioizotopice |
239 Pu | 1,9 W · kg -1 | 0,022 g -1 · s -1 | Principalul izotop fisionabil al plutoniului. |
240 Pu | 6,8 W · kg -1 | 910 g -1 · s -1 | Principala impuritate a plutoniului 239 . Calitatea unui plutoniu este în general exprimată ca procent de 240 Pu. Rata sa de fisiune spontană este nefavorabilă pentru aplicațiile militare. |
241 Pu | 4,2 W · kg -1 | 0,049 g -1 · s -1 | Cade la americi 241 . Acumularea sa prezintă un risc de iradiere de către vechile bucăți de plutoniu. |
242 Pu | 0,1 W · kg -1 | 1700 g -1 · s -1 |
Există șase alotropi de plutoniu la presiunea atmosferică și un al șaptelea peste 60 MPa . Acești alotropi au o energie internă care variază puțin, în timp ce proprietățile lor fizice variază dramatic. Densitatea de plutoniu pur la presiune atmosferică este astfel 19,86 g · cm -3 pentru plutoniu α la temperatura camerei, dar numai 15,92 g · cm -3 pentru plutoniu δ la 125 ° C , o densitate de 20% mai mică, corespunzătoare unei alungiri liniare de peste 7,6%. Plutoniul poate reacționa astfel violent la schimbările de presiune, temperatură sau mediu chimic, iar tranzițiile de fază pot fi însoțite de schimbări semnificative și bruște de volum.
Fază | Sistem de cristal |
Temperatura de tranziție de fază |
Masa volumică |
---|---|---|---|
α | Clinică unică | - | 19,86 g · cm -3 |
β | Monoclinic cu baze centrate | 124,5 ° C | 17,70 g · cm -3 |
γ | Față centrată ortorombică | 214,8 ° C | 17,14 g · cm -3 |
δ | Cubic centrat pe față | 320,0 ° C | 15,92 g · cm -3 |
δ ' | Centrat pătratic | 462,9 ° C | 16,00 g · cm -3 |
ε | Cubic centrat | 482,6 ° C | 16,51 g · cm -3 |
Lichid | ~ 640 ° C | 16,65 g · cm -3 |
Monoclinic (α)
Monoclinic cu baze centrate (β)
Ortorombic centrat pe față (γ)
Tetragonal centrat (δ ')
Cubic centrat (ε)
Existența unor alotropi atât de diferiți pentru astfel de energii interne similare face ca modelarea plutoniului pur să fie deosebit de delicată. Starea sa standard , faza α, este monoclinică , făcând plutoniu pur la temperatura camerei un material dur și casant ca fonta cenușie , care se pretează puțin la prelucrare și este susceptibil de variații bruște ale geometriei sub presiune. Pe de altă parte, faza δ este cubică centrată pe față , la fel ca multe metale comune, cum ar fi aluminiu și nichel , și are proprietăți mecanice similare cu cele ale aluminiului . Stabil de la 320,0 la 462,9 ° C pentru plutoniul pur, faza δ poate fi stabilizată până la temperatura camerei prin adăugarea unei cantități mici de galiu , aluminiu, americium , scandiu sau ceriu , care poate fi prelucrat și sudat părți plutoniu. Aliajul plutoniu-galiu este frecvent utilizat în acest scop, deoarece face posibilă depășirea tranzițiilor de fază nedorite care cauzează distorsiuni din cauza umflarea sau contracții situate în partea. Siliciu , indiu , zinc și zirconiu permite formarea unei faze δ metastabil prin răcire rapidă. Adăugarea de cantități mari de hafniu , holmiu și taliu face posibilă păstrarea fazei δ până la temperatura camerei. Neptuniu este singurul element care stabilizează α faza la temperatură mai mare monoclinic.
Elasticitatea fazei δ este anizotrope , care poate varia cu un factor de șase-șapte în funcție de direcția.
În armele de fisiune, unda de șoc care comprimă nucleul (dincolo de câteva zeci de kilobari) determină, de asemenea, o tranziție de la faza delta la forma alfa, în mod clar mai densă, ceea ce face posibilă realizarea mai ușoară a criticității .
Aliaje plutoniu poate fi obținut prin adăugarea unui metalic la plutoniu topit. Dacă metalul adăugat este suficient de reducător , plutoniul poate fi furnizat sub formă de oxizi sau halogenuri . Plutoniu-galiu aliaj și aliajul plutoniu-aluminiu, care stabilizează faza δ de plutoniu , la temperatura camerei, se obțin prin adăugarea de plutoniu trifluorura PUF 3cu galiu topit sau aluminiu , care are avantajul de a evita manipularea plutoniului metalic, care este foarte reactiv.
Plutoniul pur la temperatura camerei are suprafețe argintii care se întunecă în câteva minute la contactul cu aerul. Prezintă patru stări de oxidare comune într- o soluție apoasă , plus o cincime mai rară:
Un complex cu plutoniu în starea de oxidare formală +2, [K (2.2.2- criptand )] [Pu II Cp ″ 3 ], unde Cp ″ = C 5 H 3 (SiMe 3 ) 2, a fost, de asemenea, publicat.
Culoarea soluțiilor ionice de plutoniu depinde atât de starea de oxidare, cât și de natura anionului acid . Acesta din urmă influențează gradul de complexare a plutoniului.
Plutoniul metalic se obține prin reacția tetrafluorurii de plutoniu PuF 4cu bariu , de calciu sau de litiu , la 1200 ° C . Este atacat de acizi , oxigen și vapori de apă , dar nu de baze . Se dizolvă ușor în acid clorhidric HCI, acid hidroiodic HI și acid percloric HClO 4concentrate. Plutoniul topit trebuie ținut sub vid sau într-o atmosferă inertă pentru a evita reacția cu aerul. La 135 ° C , plutoniul metalic se aprinde în aer liber și explodează în prezența tetraclorometanului CCl 4.
Plutoniul reacționează cu carbonul pentru a forma carburi de plutoniu Pu 3 C 2, PuC 1-δ, Pu 2 C 3și PuC 2 ; reacționează cu azotul N 2pentru a forma un calambur nitrură și cu siliciu pentru a forma un Puși 2 siliciură ; reacționează cu halogeni X 2, unde X poate reprezenta fluor , clor , brom și iod , dând trihalidele PuX 3. Cu fluor, pe lângă trifluorura de plutoniu PuF 3, observăm, de asemenea, tetrafluorură de plutoniu PuF 4precum și hexafluorură de plutoniu PuF 6. În plus, se formează oxihalide PuOCl, PuOBr și PuOI.
Cele Creuzetele utilizate cu plutoniu trebuie să fie capabil să reziste chiar proprietățile reducând acest metal. De metale refractare , cum ar fi tantal și tungsten , iar oxizii , boruri , carburi , nitruri și siliciurilor cele mai stabile, pot fi adecvate. Topirea într-un cuptor cu arc electric poate face posibilă producerea de lingouri mici de plutoniu metalic fără a fi nevoie de un creuzet.
Plutoniul pur expus la umiditate, fie în aer, fie în argon , se acoperă în câteva minute cu un strat plictisitor dintr-un amestec de oxizi și hidruri , care se dezintegrează formându-se.un praf volatil fin a cărui inhalare poate constitui un risc grav pentru sănătate. Acesta este motivul pentru care plutoniul este manipulat în cutii de mănuși care împiedică dispersia atmosferică a acestui praf.
Mai precis, plutoniul expus aerului uscat se acoperă cu un strat de dioxid de plutoniu PuO 2ceea ce asigură o pasivare remarcabilă a metalului, reducând progresul oxidării în material până la 20 pm · h -1 . Pe de altă parte, prezența umidității introduce hidruri PuH x, Cu 1.9 <x <3 , care catalizează coroziunea de oxigen O 2, în timp ce umiditatea în absența oxigenului introduce oxizi intermediari precum sesquioxidul Pu 2 O 3care favorizează coroziunea cu hidrogen. În cele din urmă, umiditatea în prezența oxigenului duce la oxidarea dioxidului de PuO 2 .pentru a forma un oxid mai mare PuO 2 + x pe stratul de dioxid care pare să favorizeze coroziunea metalului în aerul umed.
Pulberile de plutoniu, hidrurile acestuia și anumiți oxizi precum Pu 2 O 3sunt piroforice , adică se pot aprinde spontan la contactul cu aerul la temperatura camerei și, prin urmare, sunt manipulate într-o atmosferă inertă uscată de azot N 2sau argon Ar. plutoniu solid se aprinde numai peste 400 ° C . Pu 2 O 3se încălzește spontan și se transformă în dioxid de plutoniu PuO 2, care este stabil în aer uscat, dar reacționează fierbinte cu vapori de apă . Reacțiile în joc ar fi următoarele:
3 PuO 2+ Pu → 2 Pu 2 O 3 2 Pu 2 O 3+ O 2→ 4 PuO 2.Plutoniu , de asemenea , reacționează cu hidrogen H 2pentru a forma hidruri PuH x, cu 1,9 <x <3 :
2 Pu + x H 2→ 2 PuH x.Valoarea lui x depinde de presiunea parțială a hidrogenului și de temperatura de reacție. Aceste hidruri, care sunt solide cristalizate în sistemul cubic centrat pe față, sunt oxidate rapid de aer și se disociază în elementele lor constitutive atunci când sunt încălzite sub vid dinamic, adică cu pomparea continuă a hidrogenului eliberat.
Diferite tipuri de riscuri trebuie luate în considerare în ceea ce privește manipularea plutoniului, care depind îndeaproape de izotopii implicați . Accidentele de criticitate apar în timpul erorilor de manipulare care conduc la formarea unei mase critice de plutoniu și sunt susceptibile de deteriorare . Cauzează sindromul de radiații acute. . Radiotoxicitatea și toxicitate reproductivă apar ca urmare a absorbției de plutoniu în organismul care conduce la iradierea tisulară cu radiații ionizante pot provoca mutatii genetice si induce cancer .
Cei mai frecvenți izotopi ai plutoniului sunt mai presus de toate emițătorii α , iradierea particulelor α de 4,9 până la 5,5 MeV care sunt ușor oprite de orice substanță solidă, în special de epidermă . Cele plutoniu-241 emite raze beta , mai penetrantă decât α radiație, dar numai 5.2 keV .
Din punct de vedere chimic, plutoniul este combustibil și piroforic , deci prezintă un pericol de incendiu. Toxicitatea sa chimică, pe de altă parte, nu este deosebit de semnificativă.
Acumularea de plutoniu într-un volum care se apropie de masa critică va conduce probabil la inițierea unei reacții nucleare care emite o cantitate letală de neutroni și raze γ . Riscul este cu atât mai mare cu plutoniul, deoarece masa critică a plutoniului 239 este în general doar o treime din cea a uraniului 235 . Acest risc este crescut în soluție datorită moderarea efectului a hidrogenului în apă , care thermalises a neutronilor .
Mai multe tipuri de accidente criticalității care implică plutoniu au fost raportate la XX - lea secol , unele dintre ele ducând la moartea persoanelor afectate. Acesta a fost, de exemplu, cazul la Laboratorul Național Los Alamos din 21 august 1945, în timpul unei erori la manipularea cărămizilor din carbură de tungsten utilizate ca reflectoare de neutroni în jurul unei sfere de plutoniu de nivel militar, care a cauzat 25 de zile mai târziu moartea lui Harry Daghlian Jr. , apoi un cercetător al Proiectului Manhattan , ca urmare a sindromului de radiații acute în urma dozei primite, estimat la 5,1 Sv . Nouă luni mai târziu, Louis Slotin a murit, de asemenea, în Los Alamos, din cauza unui accident similar, în timp ce manipula reflectoarele de beriliu în jurul aceleiași sfere de plutoniu, numite nucleu demonic . Tot în Los Alamos a avut loc un alt accident înDecembrie 1958, costând viața unui tehnician de laborator numit Cecil Kelley în timpul unei operațiuni de purificare a plutoniului, ca urmare a formării unei mase critice într-un vas de amestecare. Alte accidente de acest tip au avut loc în întreaga lume, fie în Statele Unite , Uniunea Sovietică , Japonia sau alte țări.
Un element sintetic produs special pentru radioactivitatea sa , plutoniul este cel mai bine cunoscut pentru radiotoxicitatea sa . Acest lucru rezultă din trei tipuri de radiații ionizante : raze α ( particule α ), raze β ( electroni ) și raze γ ( fotoni energetici). Expunerea acută sau prelungită la această radiație prezintă riscuri pentru sănătate, susceptibile de a se manifesta în contextul unui sindrom de radiații acute , cu mutații genetice și cancere . Riscurile cresc odată cu doza absorbită , măsurată în gri (Gy), și mai precis în funcție de doza echivalentă , măsurată în sieverte (Sv), care cântărește impactul fiziologic al diferitelor tipuri de radiații primite în funcție de capacitatea lor de a provoacă leziuni ale țesutului iradiat. Această ponderare este introdusă de factorul de doză, de obicei măsurat în microsieverturi pe becquerel (µSv / Bq):
Izotop | 238. Plutoniu | 239. Plutoniu | Plutonium 240 | Plutoniu 241 | Plutoniu 242 |
---|---|---|---|---|---|
Activitate în masă | ~ 630 GBq · g -1 | ~ 2,3 GBq · g -1 | ~ 8,5 GBq · g -1 | ~ 3700 GBq · g -1 | ~ 0,15 GBq · g -1 |
Factorul dozei | 0,23 Sv · Bq -1 | 0,25 Sv · Bq -1 | 0,25 Sv · Bq -1 | 0,0048 Sv · Bq -1 | 0,24 Sv · Bq -1 |
Astfel, razele γ trec prin toate țesuturile și afectează întregul organism, în timp ce razele β sunt mai puțin penetrante și razele α nu traversează epiderma, dar sunt mult mai energice (câteva megaelectroni volți, împotriva câtorva volți kiloelectronici pentru razele β și γ) . Astfel, particulele α sunt periculoase atunci când sunt emise chiar și în țesuturi de plutoniul absorbit. Principalul risc este inhalarea particulelor care conțin plutoniu, în special sub formă de dioxid de plutoniu PuO 2, care se formează rapid la contactul cu aerul și care tinde să se dezintegreze în praf fin în prezența umidității. O incidență crescută a cancerului pulmonar a fost astfel demonstrată la angajații din sectorul nuclear. Riscul de cancer pulmonar crește atunci când doza echivalentă de plutoniu inhalat ajunge la 400 mSv . Pe de altă parte, ingestie absoarbe doar 0,04% din PUO 2ingerat. Riscurile se referă și la oase, unde se acumulează plutoniu, precum și la ficat, unde este concentrat.
Nu toți izotopii plutoniului prezintă același nivel de radiotoxicitate. Plutoniul de calitate militară, format din peste 92% din plutoniu 239 , are astfel o radiotoxicitate destul de moderată, datorită activității sale cu o masă mai mică decât cea a plutoniului 240 și în special a plutoniului 238 . Plutoniu-241 are activitate de o mie de ori mai mare, care emite beta raze care sunt mai penetrante decât radiația α , deși de o mie de ori mai puțină energie.
Izotop | 238. Plutoniu | 239. Plutoniu | Plutonium 240 | Plutoniu 241 | Plutoniu 242 |
---|---|---|---|---|---|
Α radiații | 5,5 MeV | 5,1 MeV | 5,2 MeV | < 1 keV | 4,9 MeV |
Β radiații | 11 keV | 6,7 keV | 11 keV | 5,2 keV | 8,7 keV |
Γ radiații | 1,8 keV | < 1 keV | 1,7 keV | < 1 keV | 1,4 keV |
Plutoniu-238 are cea mai mare radiotoxicitate, în timp ce plutoniu-241 produs, a cărui concentrație în creșteri de plutoniu , cu timpul, rapid de americiu-241 , care emite γ raze de energie poate expune mediul la radiații semnificative.
Doza letală din sindromul de iradiere acută observată în experimentele in vivo este de ordinul 400-4000 µg kg -1 într-o singură doză, contaminarea cronică având efecte mai difuze. Prin urmare, se estimează că o cantitate de ordinul a zece miligrame determină moartea unei persoane care a inhalat oxizi de plutoniu la un moment dat. Într-adevăr, testele efectuate pe babuini și câini conduc la o estimare pentru om a mortalității de 50% după 30 de zile cu 9 mg , după un an cu 0,9 mg și 1000 de zile cu 0, 4 mg .
Apariția tumorilor pulmonare a fost demonstrată la câini și șobolani după inhalarea compușilor slab solubili, cum ar fi oxizii de plutoniu: relația doză-efect demonstrată include un prag pentru apariția tumorilor pentru o doză la plămâni în jurul valorii de 1 Gy . Acest prag pentru apariția tumorilor ar corespunde la om cu un depozit pulmonar de aproximativ 200 kBq sau 87 μg ) de 239 PuO 2.
Plutoniul prezintă un pericol de incendiu, mai ales atunci când este sub formă de pulbere fin divizată. În prezența umidității, pe suprafața sa formează hidruri care sunt piroforice și sunt susceptibile să se aprindă la temperatura camerei. Riscul este real și s-a concretizat în 1969 printr-un incendiu major de plutoniu la laboratorul național Rocky Flats . Creșterea volumului rezultată din oxidarea plutoniului poate ajunge la 70% și poate sparge vasele de izolare. Radioactivitatea acestui metal combustibil constituie un risc suplimentar.
Oxid de magneziu MgO este probabil cea mai eficientă substanță de stingere a unui incendiu de plutoniu: se răcește metalul care servește ca radiatorul în timpul tăierii alimentării cu oxigen de ardere . Pentru a preveni riscul de incendiu, se recomandă manipularea plutoniului într-o atmosferă inertă și uscată.
Plutoniul prezintă toxicitatea unui metal greu la fel ca uraniul , de exemplu, dar este mai puțin documentat decât cel al acestuia, iar studiile nu plasează toxicitatea chimică ca risc major asociat cu plutoniul. Mai multe populații expuse la praf de plutoniu au fost atent monitorizate pentru a evalua impactul asupra sănătății contaminării lor cu plutoniu, cum ar fi persoanele care locuiau în apropierea locurilor de experimentare nucleară atmosferică când au fost autorizate, persoanele care lucrau în instalații nucleare, supraviețuitorii bombardamentului atomic din Nagasaki , chiar și pacienții „în fază terminală” de boli fatale cărora li s-a injectat plutoniu în anii 1945-1946 pentru a-i observa metabolismul în corpul uman . Aceste studii nu arată o toxicitate de obicei deosebit de mare pentru plutoniu, cu exemple celebre de cazuri precum cel al lui Albert Stevens , citat de Bernard Cohen (în) , care a trăit până la o vârstă avansată după ce a suferit injecții cu plutoniu. Câteva zeci de cercetători de la Laboratorul Național Los Alamos au inhalat, de asemenea, cantități semnificative de praf de plutoniu în anii 1940, fără a dezvolta cancer pulmonar.
Unele retorici antinucleare afirmă că „ingerarea chiar și a unei milionimi de gram este fatală”, ceea ce nu este susținut de literatura existentă. Datele epidemiologice ale membrilor "clubului UPPU ", adică despre cele 26 de persoane care au lucrat la laboratorul național Los Alamos la plutoniu și care l-au ingerat până la punctul în care a fost urmărit în urină, arată prin exemplu o mortalitate și o rată a cancerului mai mică decât media.
Afirmația că „ar fi nevoie doar de câteva sute de grame de plutoniu răspândite uniform pe pământ pentru a șterge toată viața umană”, de asemenea, nu este în concordanță cu datele disponibile. Se estimează că dispersia unei mase de ordinul unui kilogram pe o suprafață de câteva sute de kilometri pătrați (adică pe o rază de aproximativ 10 km ) duce la o contaminare mai mică de o sutime de microgram pe metru pătrat , deci câteva sute de grame distribuite uniform pe suprafața Pământului ar fi cu mult sub orice cantitate detectabilă.
De asemenea , este necesar să se distingă radiotoxicitate de plutoniu 238 , care este deosebit de mare, de aceea a plutoniu 239 folosit de armata și industria nucleară, a cărei radioactivitate spontană este apreciabil mai puțin. Acești doi izotopi sunt produși în cantități foarte diferite, prin circuite separate și pentru utilizări fără legătură: plutoniul 238 este produs cu o rată de câteva kilograme, în principal ca sursă de energie la bord pentru un generator termoelectric de radioizotop , în timp ce plutoniul-239 este produs cu o rată de câteva tone pentru a profita de natura sa de izotop fisibil în reactoarele nucleare sau armele nucleare.
La om , plutoniul absorbit este transportat de transferrine și este stocat în sânge de feritină, acumulându-se în cele din urmă în oase , de asemenea, în ficat și, într-o măsură mai mică, în plămâni . Rămâne în corpul uman cu un timp de înjumătățire biologic de aproximativ 50 de ani. O modalitate obișnuită de a limita efectele este de a injecta un complex de dietilen triamină acid penta-acetic ( DTPA , uneori numit „acid pentetic”) cu calciu sau zinc în termen de 24 de ore de la contaminare, ceea ce limitează legarea plutoniului, precum și a americiului. și curium . Se pot utiliza și alți chelatori , cum ar fi enterobactina și deferoxamina , unii cu o eficacitate mai bună decât DTPA, cum ar fi 3,4,3-LIHOPO sau DFO-HOPO (deferoxamină-hidroxipiridinonă).
Se estimează că la om, 10% din plutoniul care a traversat bariera intestinală sau pulmonară părăsește corpul (prin urină și fecale). Restul după trecerea prin sânge este fixat pe jumătate în ficat și pe jumătate în schelet , unde rămâne o perioadă foarte lungă de timp și parțial pentru viață (American DOE estimează că timpul de înjumătățire în organ este de 20 și 50 de ani, respectiv pentru ficat și os, conform modelelor simplificate care nu iau în considerare redistribuțiile intermediare (în caz de fractură și / sau menopauză (cf. descalcificare ) și în timpul reciclării normale a oaselor etc.). DOE precizează că nivelul acumulat în ficat și schelet depinde, de asemenea, de vârsta individului (absorbția în ficat crește odată cu înaintarea în vârstă) și că, de fapt, plutoniul este fixat mai întâi pe suprafața corticală și trabeculară a oaselor înainte de a fi redistribuit lent pe tot parcursul volumul mineral osos.
Plutoniu-239 este un fisionabil izotop cheie pentru realizarea de arme nucleare datorită ușurinței sale relative de punere în aplicare și relativ ridicată disponibilitatea acesteia. Este posibil să se reducă masa critică necesară exploziei prin înconjurarea miezului de plutoniu cu reflectoare de neutroni care au rolul dublu de a crește fluxul de neutroni termici în miez și de a întârzia expansiunea termică a acestuia din urmă, pentru a prelungi lanțul. reacție și crește puterea exploziei nucleare .
O masă de 10 kg de plutoniu 239 fără reflector este în general suficientă pentru a ajunge la criticitate; această masă poate fi înjumătățită printr-un design optimizat. Aceasta reprezintă aproximativ o treime din masa critică a uraniului 235 .
Bomba Fat Man a aruncat pe Nagasaki de către Statele Unite în 9 august 1945 folosind o sarcină de 6,4 kg de aliaj plutoniu-galiu 239 Pu - 240 Pu - Ga 96: 1: 3 în jurul unei surse de neutroni de inițiere Be - 210 Po all înconjurat de lentile explozive care comprimă plutoniul pentru a crește semnificativ densitatea acestuia și, prin urmare, puterea exploziei, care a atins echivalentul a 20.000 t de TNT . În teorie, este posibil să se reducă masa de plutoniu necesară într-o armă nucleară pentru a atinge criticitatea la mai puțin de 4 kg cu un design suficient de elaborat.
Combustibilul nuclear uzat de la reactoarele cu apă ușoară convenționale conține un amestec de izotopi 238 Pu , 239 Pu , 240 Pu și 242 Pu . Acest amestec nu este suficient de îmbogățit în plutoniu 239 pentru a permite producerea de arme nucleare, dar poate fi reciclat în combustibil MOX . Cele mai captează neutroni accidentale în timpul reacției nucleare crește cantitatea de plutoniu 240 și plutoniu 242 atunci când plutoniu este iradiat într - un reactor cu neutroni termici , astfel încât, după un prim ciclu, plutoniul poate fi utilizat mai mult de reactoarele cu neutroni rapizi . Dacă astfel de reactoare nu sunt disponibile, ceea ce este de obicei cazul, excesul de plutoniu este de obicei îndepărtat formând deșeuri radioactive de lungă durată. Dorința de a reduce cantitatea de astfel de deșeuri și de a le recupera a determinat construirea de reactoare cu neutroni mai rapide.
Cel mai frecvent proces chimic, cunoscut sub numele de PUREX , permite reprocesarea combustibilului nuclear uzat prin extragerea plutoniului și a uraniului pe care le conține pentru a forma un amestec de oxizi numit MOX , în esență dioxid de uraniu UO 2și dioxid de plutoniu PuO 2, care poate fi folosit din nou în reactoarele nucleare. La acest amestec se poate adăuga plutoniu de calitate militară pentru a-și crește performanța energetică. MOX poate fi utilizat în reactoare cu apă ușoară și conține aproximativ 60 kg pe tonă de combustibil; după patru ani de utilizare, se consumă trei sferturi din plutoniu. Cele reactoare reproducători sunt proiectate pentru a optimiza utilizarea neutronilor produși în timpul reacției nucleare prin folosirea lor pentru a produce, de la ' atomi fertil , mai mult material fisionabil le consumă.
MOX a fost utilizat din anii 1980 , în special în Europa . Statele Unite și Rusia au semnat, înSeptembrie 2000, Acordul de gestionare și prelucrare a plutoniului ( PMDA ) prin care intenționează să elimine treptat 34 de tone de plutoniu militar; american DOE intenționează să fi reciclat această masă de plutoniu în MOX înainte de sfârșitul anului 2019.
MOX crește eficiența energetică totală. O tijă de combustibil nuclear este reprelucrată după trei ani de utilizare pentru a extrage deșeurile, care reprezintă apoi aproximativ 3% din masa totală a acestor tije. Izotopii de uraniu și plutoniu produși în acești trei ani de funcționare sunt lăsați în tija de combustibil, care revine într-un reactor pentru utilizare. Prezența galiului de până la 1% în greutate în plutoniul militar poate interfera cu utilizarea pe termen lung a acestui material într-un reactor cu apă ușoară.
Cele mai mari instalații declarate de reciclare a plutoniului sunt unitățile B205 (ro) și THORP (ro) de la Sellafield , Marea Britanie ; uzina de reprocesare de la La Hague , în Franța ; centrala nucleară Rokkasho din Japonia ; și complexul nuclear Mayak din Rusia ; există alte site-uri declarate a fi mai mici, de exemplu în India și Pakistan .
Plutoniu-238 are un timp de înjumătățire de 87.74 ani. Emite o cantitate mare de energie termică însoțită de fluxuri slabe de neutroni și fotoni de energie gamma . Un kilogram de acest izotop poate produce o putere termică de aproximativ 570 W . Emite în principal particule α de mare energie, dar care pătrund slab, deci necesită doar protecție împotriva luminii. O foaie de hârtie este suficientă pentru a opri razele α.
Aceste caracteristici fac din acest izotop al plutoniului o sursă termică deosebit de interesantă pentru aplicațiile de la bord, care trebuie să funcționeze fără posibilitatea de întreținere directă pe durata vieții umane. Prin urmare, a fost folosit ca sursă de căldură în generatoarele termice radioizotop ( RTG ) și radiatoare încălzitoare ( RHU ), precum acele sonde Cassini , Voyager , Galileo și New Horizons și roverul Curiosity on Mars Science Laboratory .
Sondele gemene Voyager au fost lansate în 1977, fiecare cu o sursă de plutoniu eliberând 500 W putere . Peste 30 de ani mai târziu, aceste surse de energie au eliberat încă o putere de 300 W permițând o funcționare limitată a sondelor. O versiune mai veche a acestei tehnologii a alimentat cele cinci pachete de experimente de suprafață lunară Apollo, începând cu Apollo 12 în 1969.
Plutonium 238 a fost, de asemenea, utilizat cu succes pentru alimentarea stimulatoarelor cardiace pentru a evita operațiile repetate pentru a înlocui sursa de alimentare. Plutoniu-238 , deoarece a fost înlocuită în mare măsură în acest sens de baterii cu litiu , dar încă a rămas în 2003 , între 50 și 100 de pacienți din Statele Unite echipate cu stimulatoare cardiace alimentate plutoniu-238 .
Deoarece plutoniul este susceptibil de a fi utilizat în scopuri militare sau teroriste, acesta face obiectul a numeroase texte și convenții internaționale menite să prevină proliferarea acestuia . Plutoniul reciclat din combustibilul nuclear uzat prezintă un risc limitat de proliferare datorită contaminării sale ridicate a izotopilor non-fissili precum plutoniul 240 și plutoniul 242 , a căror eliminare nu este fezabilă.
Un reactor care funcționează cu o ardere foarte scăzută produce puțini dintre acești izotopi nedoriti și, prin urmare, lasă materialul nuclear potențial utilizabil în scopuri militare. Se crede că plutoniul de calitate militară este de cel puțin 92% plutoniu 239 , dar din punct de vedere tehnic este posibilă detonarea unei bombe nucleare de mică putere din plutoniu care conține doar 85% plutoniu 239 . Plutoniu produs printr - un reactor cu apă ușoară cu o rată normală de ardere conține de obicei mai mică de 60% plutoniu 239 , 10% fisionabil plutoniu 241, și până la 30% izotopilor nedorite plutoniu 240 și 242 . Nu se știe dacă este posibil să detonezi un dispozitiv nuclear realizat din astfel de materiale, totuși un astfel de dispozitiv ar putea răspândi material radioactiv pe o suprafață mare.
Agenția Internațională pentru Energie Atomică clasifică astfel toți izotopii plutoniului, indiferent dacă sunt fisibili sau nu, ca material utilizabil direct în scopuri nucleare, adică ca material nuclear care poate fi utilizat pentru fabricarea explozivilor nucleari fără transmutare sau îmbogățire suplimentară. În Franța, plutoniul este un material nuclear a cărui reținere este reglementată de capitolul III din Codul de apărare .
Plutoniul este un element chimic care este foarte rar în natură și aproape exclusiv produs de oameni din 1940 până în prezent. Cu toate acestea, de la 4 la 30 kg de plutoniu 239 ar fi produse în fiecare an pe Pământ prin radioactivitatea α a uraniului asupra elementelor mai ușoare, precum și sub efectul razelor cosmice . Este al doilea dintre transuranici care a fost descoperit.
Izotop 238 Pu a fost produs în 1940 prin bombardarea unei ținte de uraniu de deuteriu în ciclotronul din Berkeley . În timpul Proiectului Manhattan , plutoniul 239 avea numele de cod 49 , „4” fiind ultima cifră din 94 (numărul atomic) și „9” ultima cifră din 239, masa atomică a izotopului utilizat. , 239 Pu .
Nu mai există plutoniu în cantități detectabile care datează din nucleosinteza primordială. Cu toate acestea, publicațiile mai vechi raportează observații ale plutoniului natural 244 . De asemenea, găsim urme de plutoniu-239 în minereuri naturale de uraniu (precum și neptuniu ), unde rezultă din iradierea uraniului prin rata foarte mică de neutroni creați de decăderea spontană a uraniului.
A fost produs mai masiv (și există încă în cantități mici) ca 239 Pu, în special în structurile geologice , în care uraniul a fost concentrat în mod natural prin procese geologice în urmă cu aproximativ 2 miliarde de ani, ajungând la o criticitate suficientă pentru a genera o reacție nucleară naturală. Rata sa de formare în minereu de uraniu a fost astfel accelerată de reacțiile nucleare făcute posibile de un accident de criticitate naturală. Acesta este cazul la locul reactorului nuclear natural din Oklo .
În centralele nucleare, plutoniul 238 este format alături de plutoniul 239 , prin lanțul de transformare începând cu uraniul fisionabil 235 .
Plutoniul 238, cu un timp de înjumătățire de 86,41 ani, este un emițător foarte puternic de radiații α . Datorită activității sale alfa și gamma ridicate în masă, este utilizată ca sursă de neutroni (prin „reacție alfa” cu elemente ușoare), ca sursă de căldură și ca sursă de energie electrică ( prin conversia căldurii în electricitate . ). Utilizările 238 Pu pentru a genera electricitate sunt limitate la utilizările spațiale și, în trecut, la anumite stimulatoare cardiace.
Plutoniul 238 este preparat din iradierea neutronică a neptuniului 237, o actinidă minoră recuperată în timpul reprocesării sau din iradierea americiului, într-un reactor. În ambele cazuri, pentru a extrage plutoniul 238 din ținte, acestea sunt supuse unui tratament chimic, cuprinzând o dizolvare azotată.
Există doar aproximativ 700 g / t de neptuniu 237 în combustibilul reactorului cu apă ușoară petrecut 3 ani și trebuie extras selectiv.
Iradierea uraniului 238 în reactoarele nucleare generează plutoniu 239 prin captarea neutronilor . În primul rând, un atom de uraniu 238 captează un neutron și se transformă tranzitoriu în uraniu 239 . Această reacție de captare este mai ușoară la neutronii rapide decât la neutroni termici, dar este prezentă în ambele cazuri.
Uraniu 239 format este extrem de instabil. Se transformă rapid (cu un timp de înjumătățire de 23,5 minute) în neptuniu prin β-radioactivitate:
Neptuniu 239 este instabil, iar la rândul său , suferă o degradare β- (cu un timp de înjumătățire de 2,36 zile) , care se transformă în plutoniu-239 relativ stabil (timp de înjumătățire de 24.000 de ani).
Plutoniu-239 este fisionabil , și , prin urmare , poate contribui la reacția în lanț în reactor . Prin urmare, pentru echilibrul energetic al unui reactor nuclear , potențialul energetic al uraniului prezent în reactor îl include nu numai pe cel al uraniului 235 prezent inițial, ci și pe cel al uraniului fertil 238 care va fi transmutat în plutoniu.
Supus unui flux de neutroni într-un reactor, plutoniul 239 poate captura și un neutron fără a fi supus fisiunii. Deoarece combustibilul suferă perioade de iradiere din ce în ce mai lungi, izotopii mai mari se acumulează în acest fel, datorită absorbției neutronilor de către plutoniul-239 și produsele sale. Se formează astfel izotopi 240 Pu, 241 Pu, 242 Pu, până la 243 Pu instabili, care se degradează în americiul 243 .
Izotopul de interes datorită naturii sale fisibile este de 239 Pu , relativ stabil la scară umană (24.000 de ani).
Rata de producție a unui izotop depinde de disponibilitatea precursorului său, care trebuie să fi avut timp să se acumuleze.
Într-un combustibil nou, 239 Pu se formează deci liniar în funcție de timp, proporția de 240 Pu crește în conformitate cu o lege pătrată a timpului (în t 2 ), cea a 241 Pu conform unei legi cubice a timpului (în t 3 ), și așa mai departe.
Astfel, atunci când se folosește un reactor specific pentru fabricarea „plutoniului militar”, combustibilul utilizat pentru producerea plutoniului, precum și țintele și pătura, dacă există, sunt extrase după o scurtă ședere (câteva săptămâni). reactorul pentru a se asigura că plutoniul 239 este cât mai pur posibil.
Pe de altă parte, pentru utilizări civile, o scurtă iradiere nu extrage toată energia pe care combustibilul o poate produce. Prin urmare, combustibilul este îndepărtat din reactoarele generatoare numai după o perioadă mult mai lungă de ședere (3 sau 4 ani).
Ca o primă aproximare, un reactor produce de obicei 0,8 atomi de 239 Pu pentru fiecare fisiune de 235 U , sau un gram de plutoniu pe zi și pe M W de putere termică (reactoarele cu apă ușoară produc mai puțin decât grafit-gaz). În Franța, de exemplu, reactoarele nucleare produc în jur de 11 tone de plutoniu în fiecare an.
240 Pu este pur și simplu fertil și are o radioactivitate „numai“ de patru ori mai mare decât 239 Pu (cu un timp de înjumătățire de 6500 ani).
241 Pu este fisionabile , dar extrem de radioactiv (timp de înjumătățire de 14,29 ani).
În plus, se descompune pentru a produce americiul-241 absorbant de neutroni , care, prin posibila sa acumulare, reduce eficacitatea dispozitivelor nucleare militare sau civile.
242 Pu are o viață mult mai lungă decât anterioare (373.000 de ani). Nu este fisibil în neutroni termici. Secțiunea sa transversală este mult mai mică decât cea a altor izotopi; reciclarea succesivă a plutoniului în reactor tinde, prin urmare, să acumuleze plutoniul în această formă foarte infertilă.
243 Pu este instabil (timp de înjumătățire mai mic de 5 ore) și dezintegrări la americiu 243 .
Plutoniu-244 , cel mai stabil izotop cu un timp de înjumătățire de 80 de milioane de ani, nu se formează în reactoare nucleare. Într-adevăr, capturile succesive de neutroni începând de la uraniu 239 duc la 243 Pu, cu un timp de înjumătățire foarte scăzut (de ordinul a cinci ore). Chiar și în reactoarele cu „flux mare”, 243 Pu se schimbă rapid la 243 Am, fără a avea timp să capteze un neutron suplimentar pentru a forma 244 Pu.
Pe de altă parte, fluxuri mai mari de neutroni permit această formare. Este sintetizat în timpul exploziilor nucleare sau prin nucleosinteză stelară în timpul exploziei unei supernove . Astfel, în 1952 , explozia primei bombe termonucleare americane (testul Ivy Mike ) a produs două radioelemente pe atunci încă necunoscute: plutoniu 244 ( 244 Pu) și plutoniu 246 ( 246 Pu). Cele urmele de 244 Pu în mediu sunt în general atribuite testelor nucleare atmosferice precum și a resturilor 244 Pu esențiale.
După aproape 70 de ani de producție mondială în continuă creștere, stocurile declarate de plutoniu au atins un total de 500 de tone la sfârșitul anului 2013, din care 52% de origine civilă și 48% de origine militară. Stocurile declarate sunt distribuite în principal între 5 țări:
„ În timp ce dioxidul de plutoniu este în mod normal verde măsliniu, probele pot avea diferite culori. În general, se crede că culoarea este o funcție de puritate chimică, stoichiometrie, dimensiunea particulelor și metoda de preparare, deși culoarea rezultată dintr-o metodă de preparare dată nu este întotdeauna reproductibilă. "
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | ||||||||||||||||
1 | H | Hei | |||||||||||||||||||||||||||||||
2 | Li | Fi | B | VS | NU | O | F | Născut | |||||||||||||||||||||||||
3 | n / A | Mg | Al | da | P | S | Cl | Ar | |||||||||||||||||||||||||
4 | K | Aceasta | Sc | Ti | V | Cr | Mn | Fe | Co | Sau | Cu | Zn | Ga | GE | As | Vezi | Fr | Kr | |||||||||||||||
5 | Rb | Sr. | Da | Zr | Nb | Mo | Tc | Ru | Rh | Pd | Ag | CD | În | Sn | Sb | Tu | Eu | Xe | |||||||||||||||
6 | Cs | Ba | Acest | Relatii cu publicul | Nd | P.m | Sm | A avut | Doamne | Tb | Dy | Ho | Er | Tm | Yb | Citit | Hf | Ta | W | Re | Os | Ir | Pt | La | Hg | Tl | Pb | Bi | Po | La | Rn | ||
7 | Pr | Ra | Ac | Th | Pa | U | Np | Ar putea | A.m | Cm | Bk | Cf | Este | Fm | Md | Nu | Lr | Rf | Db | Sg | Bh | Hs | Mt. | Ds | Rg | Cn | Nh | Fl | Mc | Lv | Ts | Og | |
8 | 119 | 120 | * | ||||||||||||||||||||||||||||||
* | 121 | 122 | 123 | 124 | 125 | 126 | 127 | 128 | 129 | 130 | 131 | 132 | 133 | 134 | 135 | 136 | 137 | 138 | 139 | 140 | 141 | 142 |
Metale alcaline |
Pământ alcalin |
Lantanide |
Metale de tranziție |
Metale slabe |
metal- loids |
Non metale |
gene halo |
Gazele nobile |
Elemente neclasificate |
Actinide | |||||||||
Superactinide |