Главная / Саморазвитие / Плотность плутония 239. Занимательная ядерная физика (13 фото)

Плотность плутония 239. Занимательная ядерная физика (13 фото)

Этот металл называют драгоценным, однако не за красоту, а за незаменимость. В периодической системе Менделеева этот элемент занимает ячейку под номером 94. Именно с ним ученые связывают свои самые большие надежды, и именно плутоний они называют самым опасным металлом для человечества.

Плутоний: описание

По внешнему виду это серебристо-белый металл. Он является радиоактивным и может быть представлен в виде 15 изотопов, имеющих различные периоды полураспада, к примеру:

Pu-238 – около 90 лет
Pu-239 – около 24 тысяч лет
Pu-240 – 6580 лет
Pu-241 – 14 лет
Pu-242 – 370 тысяч лет
Pu-244 – около 80 миллионов лет

Этот металл нельзя добыть из руды, поскольку он является продуктом радиоактивного превращения урана.

Как получают плутоний?

Производство плутония требует расщепления урана, что можно осуществить только в атомных реакторах. Если же говорить о присутствии элемента Pu в земной коре, то на 4 миллиона тонн урановой руды будет приходиться всего 1 грамм чистого плутония. И этот грамм образуется путем естественного захвата нейтронов ядрами урана. Таким образом, чтобы получить это ядерное горючее (обычно – изотоп 239-Pu) в количестве нескольких килограмм необходимо проведение сложного технологического процесса в атомном реакторе.

Свойства плутония

Радиоактивный металл плутоний обладает следующими физическими свойствами:

плотность 19,8 г/см 3
температура плавления – 641°C
температура кипения – 3232°C
теплопроводность (при 300 K) – 6,74 Вт/(м·К)

Плутоний радиоактивен, поэтому теплый на ощупь. При этом для этого металла характерна самая низкая теплопроводность и электропроводность. Жидкий плутоний является самым вязким из всех существующих металлов.

Малейшее изменение температуры плутония приводит к моментальному изменению плотности вещества. В целом же, масса плутония постоянно меняется, поскольку ядра этого металла находятся в состоянии постоянного деления на более мелкие ядра и нейтроны. Критическая масса плутония – так называют минимальную массу делимого вещества, при которой протекание деления (цепной ядерной реакции) остается возможным. К примеру, критическая масса оружейного плутония – 11 кг (для сравнения, критическая масса высокообогащенного урана – 52 кг).

Уран и плутоний – основное ядерное горючее. Чтобы получить плутоний в больших количествах применяется две технологии:

облучение урана
облучение трансурановых элементов, полученных из отработанного топлива

Оба способа представляют собой отделение плутония и урана в результате протекания химической реакции.

Для получения чистого плутония-238 применяется нейтронное облучение нептуния-237. Этот же изотоп участвует в создании оружейного плутония-239, в частности, он является промежуточным продуктом распада. $1 млн. – именно столько составляет цена за 1 кг плутония-238.

Существует 15 известных изотопов плутония. Самый важный из них – Pu-239 с периодом полураспада 24360 лет. Удельная масса плутония составляет 19,84 при температуре 25оС. Металл начинает плавиться при температуре 641оС, закипает при 3232оС. Его валентность бывает 3, 4, 5 или 6.

У металла серебристый оттенок, и он желтеет при взаимодействии с кислородом. Плутоний – химический реактивный металл и легко растворяется в концентрированной соляной , в хлорной кислоте, в йодисто-водородной кислоте. При -распаде металл выделяет энергию тепла.

Плутоний - открытый вторым по счету трансурановый актинид. В природе этот металл можно обнаружить в небольших количествах в уранических рудах.

Плутоний ядовит и требует аккуратного обращения. Наиболее расщепляемый изотоп плутония использовался в качестве в ядерном оружии. В частности, его применяли в бомбе, которая была сброшена на японский город Нагасаки.

Это радиоактивный яд, накапливающийся в костном мозге. При проведении экспериментов над людьми в целях изучения плутония произошло несколько несчастных случаев, некоторые с летальным исходом. Важно, чтобы плутоний не достиг критической массы. В растворе плутоний быстрее образует критическую массу, чем в твердом состоянии.

Атомное число 94 означает, что все атомы плутония имеют 94 . На воздухе на поверхности металла образуется оксид плутония. Этот оксид пирофорный, поэтому тлеющий плутоний будет мерцать, как зола.

Существует шесть аллотропных форм плутония. Седьмая форма появляется при высоких температурах.

В водном растворе плутоний меняет цвет. На поверхности металла появляются различные оттенки по мере его окисления. Процесс окисления нестабилен, и цвет плутония может внезапно меняться.

В отличие от большинства веществ, плутоний уплотняется, когда плавится. В расплавленном состоянии этот элемент более вязкий, чем другие металлы.

Металл применяется в радиоактивных изотопах в термоэлектрических генераторах, на которых работают космические корабли. В медицине его применяют при производстве электронных стимуляторов для сердца.

Вдыхание паров плутония опасно для здоровья. В некоторых случаях это может спровоцировать рак легких. У вдыхаемого плутония металлический привкус.

Интегральный быстрый реактор (ИБР) не просто новый тип реактора, это новый топливный цикл. Интегральный быстрый реактор − реактор на быстрых нейтронах без замедлителя. В нем есть только активная зона и отсутствует бланкет.
В ИБР используется металлическое топливо − сплав урана и плутония.
В его топливном цикле используется восстановление топлива непосредственно в самом реакторе с помощью пиропроцессинга . В пиропроцессинге на ИБР практически чистый уран собирается на твердом катоде, а смесьплутония , америция , нептуния , кюрия , урана и некоторые продукты деления собираются нажидкий кадмиевый катод, плавающий в соли электролита.Остальные продукты деления собираются в соли электролита и в слое кадмия.
Интегральный быстрый реактор охлаждается жидким натрием или свинцом. Производство металлического топлива проще и дешевле, чем керамического. Металлическое топливо делает выбор пиропроцесса естественным. У металлического топлива лучшая теплопроводность теплоемкость, чем у оксидного Топливом служит сплав урана и плутония.
Первоначальная закладка в интегральный быстрый реактор должна содержать больше делящихся под действием тепловых нейтронов изотопов (> 20%), чем в реактор на тепловых нейтронах. Это могут быть сильно обогащенные уран или плутоний, списанное ядерное оружие и т.п. За время работы реактор преобразует неделящиеся под действием тепловых нейтронов материалы(фертильные) в делящиеся. Фертильными материалами быстром реакторе могут быть обедненный уран (в основном U-238) природный уран, торий или уран переработанный из облученного топлива обычного водяного реактора.
Топливо содержится в стальной оболочке с жидким натрием, расположенным между топливом и оболочкой. Свободное пространство над топливом позволяет гелию и радиоактивному ксенону свободно собираться без существенного увеличения давления внутри топливного элемента и позволяет топливу расширятся не повреждая оболочки реактора.
Преимущество свинца по сравнению с натрием заключается в его химической инертности, в особенности по отношению в воде или воздуху. С другой стороны, свинец гораздо более вязок, что затрудняет его перекачку. Кроме того, в нем содержатся активируемые нейтронами изотопы, которых практически отсутствуют в натрии.
Контуры охлаждения сконструированы таким образом, что позволяют передачу тепла конвекцией. Так что при потере питания насосами или неожиданной остановки реактор, тепло вокруг активной зоны будет достаточно для циркуляции охладителя.
В ИБР делящиеся изотопы не разделяются с изотопами плутония, а также с продуктами деления и поэтому использование такого процесса для производства оружия практически невозможно. Кроме того плутоний не извлекается из реактора, что делает его несанкционированное использование нереальным. После того, как актиниды (уран, плутоний и минорные актиниды) переработаны, остаются отходы − продукты деления Sm-151 с периодом полураспада 90 л или долгоживущие как Tc-99 с периодом полураспада 211000 л и более.
Отходы ИБР либо имеют малые периоды полураспада, либо очень большие, что означает, что они слабо радиоактивны. Общее количество отходов ИБР составляет 1/20 от переработанного топлива (которое обычно считается отходами) реакторов на тепловых нейтронах с той же мощностью. 70% продуктов деления либо стабильны, либо имеют периоды полураспада около года. Технеций-99 и иод-129, которых 6% в в продуктах деления имеют очень большие периоды полураспада, но могут быть трансмутированы в реакторе в изотопы с малыми периодами полураспада (15.46 с и 12.36 ч) поглощением нейтронов в реакторе. Цирконий-93 (5% в отходах) может быть переработаны в оболочки для топлива, где радиоактивность не имеет значения. Остальные компоненты отходов менее радиоактивны, чем естественный уран.
В ИБР используется топливный цикл на два порядка более эффективный, в части использования топлива, по сравнению с традиционными циклами в реакторах на медленных нейтронах, препятствующий распространению ядерного оружия, минимизирующий высокоактивные отходы, более того, использующий некоторые отходы как топливо.
В ИБР топливо и оболочка сконструирована так, что при повышении температуры и их расширении все больше нейтронов покидают активную зону, уменьшая интенсивность цепной реакции. То есть работает отрицательный коэффициент реактивности. В ИБР этот эффект настолько силен, что способен остановить цепную реакцию без вмешательства операторов

Пиропрцессинг ‒ высокотемпературный метод электролитической переработки ОЯТ . По сравнению с гидрометаллургическим методом (например PUREX), пиропроцессинг используется непосредственно на реакторе. Растворителями являются расплавленные соли (например, LiCl + KCl или LiF + CaF 2) и расплавленные металлы (например, кадмий, висмут, магний), а не вода и органические соединения. В пиропроцессинге извлечение урана, а также плутония и минорных актинидов происходит одновременно и они могут тут же использоваться как топливо. Объем отходов при этом меньше и в них содержатся в основном продукты деления. Пиропрцессинг используется в ИБР и реакторах с расплавленными солями.

Сколько весит 1 куб плутония, вес 1 м3 плутония. Количество килограмм в 1 кубическом метре, количество тонн в 1 кубометре, кг в 1 м3. Объемная плотность плутония удельный вес.

Что мы хотим узнать сегодня узнать? Сколько весит 1 куб плутония, вес 1 м3 плутония? Нет проблем, можно узнать количество килограмм или количество тонн сразу, масса (вес одного кубометра, вес одного куба, вес одного кубического метра, вес 1 м3) указаны в таблице 1. Если кому-то интересно, можно пробежать глазами небольшой текст ниже, прочесть некоторые пояснения. Как измеряется нужное нам количество вещества, материала, жидкости или газа? За исключением тех случаев, когда можно свести расчет нужного количества к подсчету товара, изделий, элементов в штуках (поштучный подсчет), нам проще всего определить нужное количество исходя из объема и веса (массы). В бытовом отношении самой привычной единицей измерения объема для нас является 1 литр. Однако, количество литров, пригодное для бытовых расчетов, не всегда применимый способ определения объема для хозяйственной деятельности. Кроме того, литры в нашей стране так и не стали общепринятой "производственной" и торговой единицей измерения объема. Один кубический метр или в сокращенном варианте - один куб, оказался достаточно удобной и популярной для практического использования единицей объема. Практически все вещества, жидкости, материалы и даже газы мы привыкли измерять в кубометрах. Это действительно удобно. Ведь их стоимость, цены, расценки, нормы расхода, тарифы, договора на поставку почти всегда привязаны к кубическим метрам (кубам), гораздо реже к литрам. Не менее важным для практической деятельности оказывается знание не только объема, но и веса (массы) вещества занимающего этот объем: в данном случае речь идет о том сколько весит 1 куб (1 кубометр, 1 метр кубический, 1 м3). Знание массы и объема, дают нам довольно полное представление о количестве. Посетители сайта, спрашивая сколько весит 1 куб, часто указывают конкретные единицы массы, в которых им хотелось бы узнать ответ на вопрос. Как мы заметили, чаще всего хотят узнать вес 1 куба (1 кубометра, 1 кубического метра, 1 м3) в килограммах (кг) или в тоннах (тн). По сути, нужны кг/м3 или тн/м3. Это тесно связанные единицы определяющие количество. В принципе возможен довольно простой самостоятельный пересчет веса (массы) из тонн в килограммы и обратно: из килограммов в тонны. Однако, как показала практика, для большинства посетителей сайта более удобным вариантом было бы сразу узнать сколько килограмм весит 1 куб (1 м3) плутония или сколько тонн весит 1 куб (1 м3) плутония , без пересчета килограмм в тонны или обратно - количества тонн в килограммы на один метр кубический (один кубометр, один куб, один м3). Поэтому, в таблице 1 мы указали сколько весит 1 куб (1 кубометр, 1 метр кубический) в килограммах (кг) и в тоннах (тн). Выбирайте тот столбик таблицы, который вам нужен самостоятельно. Кстати, когда мы спрашиваем сколько весит 1 куб (1 м3), мы подразумеваем количество килограмм или количество тонн. Однако, с физической точки зрения нас интересует плотность или удельный вес. Масса единицы объема или количество вещества помещающегося в единице объема - это объемная плотность или удельный вес. В данном случае объемная плотность и удельный вес плутония. Плотность и удельный вес в физике принято измерять не в кг/м3 или в тн/м3, а в граммах на кубический сантиметр: гр/см3. Поэтому в таблице 1 удельный вес и плотность (синонимы) указаны в граммах на кубический сантиметр (гр/см3)

Изотоп плутония 238 Pu впервые искусственно получен 23.02.1941 года группой американских ученых во главе с Г. Сиборгом путем облучения ядер урана дейтронами. Только затем плутоний был обнаружен в природе: в ничтожно малых количествах 239 Pu обычно содержится в урановых рудах как продукт радиоактивного превращения урана. Плутоний - первый искусственный элемент, полученный в доступных для взвешивания количествах (1942г.) и первый, производство которого началось в промышленных масштабах.
В названии элемента продолжена астрономическая тема: он назван в честь Плутона, второй планеты, следующей за Ураном.

Нахождение в природе, получение:

В урановых рудах в результате захвата нейтронов (например, нейтронов из космического излучения) ядрами урана образуется нептуний(239 Np), продуктом b -распада которого и является природный плутоний-239. Однако плутоний образуется в таких микроскопических количествах (0,4-15 частей Pu на 10 12 частей U), что о его добыче из урановых руд не может быть и речи.
Плутоний получают в ядерных реакторах. В мощных потоках нейтронов происходит та же реакция, что и в урановых рудах, но скорость образования и накопления плутония в реакторе намного выше – в миллиард миллиардов раз. Для реакции превращения балластного урана-238 в энергетический плутоний-239 создаются оптимальные (в пределах допустимого) условия.
Плутоний-244 также накопили в ядерном реакторе. Изотоп элемента №95 – америция, 243 Am захватив нейтрон, переходил в америций-244; америций-244 переходил в кюрий, но в одном из 10 тыс. случаев происходил переход в плутоний-244. Из смеси америция с кюрием выделили препарат плутония-244 весом всего несколько миллионных долей грамма. Но их хватило для того чтобы определить период полураспада этого интереснейшего изотопа - 75 млн лет. Позднее он был уточнен и оказался равным 82,8 млн лет. В 1971 г. следы этого изотопа нашли в редкоземельном минерале бастнезите. 244 Pu – это самый долгоживущий из всех изотопов трансурановых элементов.

Физические свойства:

Серебристо-белый металл, имеет 6 аллотропных модификаций. Температура плавления 637°C, кипения - 3235°C. Плотность: 19,82 г/см 3 .

Химические свойства:

Плутоний способен реагировать с кислородом, с образованием оксида(IV), который, как у всех первых семи актиноидов, имеет слабый основный характер.
Pu + O 2 = PuO 2
Реагирует с разбавленной серной, соляной, хлорной кислотами.
Pu + 2HCl(p) = PuCl 2 + H 2 ; Pu + 2H 2 SO 4 = Pu(SO 4) 2 + 2H 2
Не реагирует с азотной и концентрированной серной кислотами. Валентность плутония меняется от трех до семи. Химически наиболее стабильны (а следовательно, наиболее распространены и наиболее изучены) соединения четырехвалентного плутония. Разделение близких по химическим свойствам актиноидов – урана, нептуния и плутония – может быть основано на разнице в свойствах их четырех- и шестивалентных соединений.

Важнейшие соединения:

Оксид плутония(IV) , PuO 2 , имеет слабый основный характер.
...
...

Применение:

Плутоний широко использовался в производстве ядерного оружия (т. н. «оружейный плутоний»). Первый ядерный заряд на основе плутония был взорван 16 июля 1945 года на полигоне Аламогордо (испытание под кодовым названием "Тринити").
Находит применение (экспериментально) в качестве ядерного топлива для атомных реакторов гражданского и исследовательского назначения.
Плутоний-242 важен как «сырье» для сравнительно быстрого накопления высших трансурановых элементов в ядерных реакторах. Если в обычном реакторе облучать плутоний-239, то на накопление из граммов плутония микрограммовых количеств, к примеру, калифорния-251 потребуется около 20 лет. Плутоний-242 тепловыми нейтронами не делится, его и в больших количествах можно облучать в интенсивных нейтронных потоках. Поэтому в реакторах из этого изотопа «делают» и накапливают в весовых количествах все элементы от калифорния до эйнштейния.

Коваленко О.А.
ХФ ТюмГУ

Источники:
"Вредные химические вещества: Радиоактивные вещества" Справочник Л. 1990 стр. 197
Рабинович В.А., Хавин З.Я. "Краткий химический справочник" Л.: Химия, 1977 стр. 90, 306-307.
И.Н. Бекман. Плутоний. (уч.пособие, 2009)