Химия
Плутоний Pu - элемент № 94 связаны очень большие надежды и очень большие опасения человечества. В наши дни это один из самых важных, стратегически важных, элементов. Это самый дорогой из технически важных металлов - он намного дороже серебра, золота и платины. Он поистине драгоценен.
Предыстория и история
Вначале были протоны - галактический водород . В результате его сжатия и последовавших затем ядерных реакций образовались самые невероятные «слитки» нуклонов. Среди них, этих «слитков», были, по-видимому, и содержащие по 94 протона. Оценки теоретиков позволяют считать, что около 100 нуклонных образований, в состав которых входят 94 протона и от 107 до 206 нейтронов, настолько стабильны, что их можно считать ядрами изотопов элемента № 94.
Но все эти изотопы - гипотетические и реальные - не настолько стабильны, чтобы сохраниться до наших дней с момента образования элементов солнечной системы. Период полураспада самого долгоживущего изотопа элемента №94 - 81 млн. лет. Возраст Галактики измеряется миллиардами лет. Следовательно, у «первородного» плутония не было шансов дожить до наших дней. Если он и образовывался при великом синтезе элементов Вселенной, то те давние его атомы давно «вымерли», подобно тому как вымерли динозавры и мамонты.
В XX в. новой эры, нашей эры, этот элемент был воссоздан. Из 100 возможных изотопов плутония синтезированы 25. У 15 из них изучены ядерные свойства. Четыре нашли практическое применение. А открыли его совсем недавно. В декабре 1940 г. при облучении урана ядрами тяжелого водорода группа американских радиохимиков во главе с Гленном Т. Сиборгом обнаружила неизвестный прежде излучатель альфа-частиц с периодом полураспада 90 лет. Этим излучателем оказался изотоп элемента № 94 с массовым числом 238. В том же году, но несколькими месяцами раньше Э.М. Макмиллан и Ф. Эйбельсон получили первый элемент, более тяжелый, чем уран, - элемент № 93. Этот элемент назвали нептунием , а 94-й - плутонием. Историк определенно скажет, что названия эти берут начало в римской мифологии, но в сущности происхождение этих названий скорее не мифологическое, а астрономическое.
Элементы № 92 и 93 названы в честь далеких планет солнечной системы - Урана и Нептуна, но и Нептун в солнечной системе - не последний, еще дальше пролегает орбита Плутона - планеты, о которой до сих пор почти ничего не известно... Подобное же построение наблюдаем и на «левом фланге» менделеевской таблицы: uranium - neptunium - plutonium, однако о плутонии человечество знает намного больше, чем о Плутоне. Кстати, Плутон астрономы открыли всего за десять лет до синтеза плутония - почти такой же отрезок времени разделял открытия Урана - планеты и урана - элемента.
Загадки для шифровальщиков
Первый изотоп элемента № 94 - плутоний-238 в наши дни нашел практическое применение. Но в начале 40-х годов об этом и не думали. Получать плутоний-238 в количествах, представляющих практический интерес, можно, только опираясь на мощную ядерную промышленность. В то время она лишь зарождалась. Но уже было ясно, что, освободив энергию, заключенную в ядрах тяжелых радиоактивных элементов, можно получить оружие невиданной прежде силы. Появился Манхэттенский проект, не имевший ничего, кроме названия, общего с известным районом Нью-Йорка. Это было общее название всех работ, связанных с созданием в США первых атомных бомб. Руководителем Манхэттенского проекта был назначен не ученый, а военный - генерал Гровс, «ласково» величавший своих высокообразованных подопечных «битыми горшками».
Руководителей «проекта» плутоний-238 не интересовал. Его ядра, как, впрочем, ядра всех изотопов плутония с четными массовыми числами, нейтронами низких энергий не делятся, поэтому он не мог служить ядерной взрывчаткой. Тем не менее первые не очень внятные сообщения об элементах № 93 и 94 попали в печать лишь весной 1942 г.
Чем это объяснить? Физики понимали: синтез изотопов плутония с нечетными массовыми числами - дело времени, и недалекого. От нечетных изотопов ждали, что, подобно урану-235, они смогут поддерживать цепную ядерную реакцию. В них, еще не полученных, кое-кому виделась потенциальная ядерная взрывчатка. И эти надежды плутоний
, к сожалению, оправдывал.
В шифровках того времени элемент № 94 именовался не иначе, как... медью . А когда возникла необходимость в самой меди (как конструкционном материале для каких-то деталей), то в шифровках наряду с «медью» появилась «подлинная медь».
«Древо познания добра и зла»
В 1941 г. был открыт важнейший изотоп плутония - изотоп с массовым числом 239. И почти сразу же подтвердилось предсказание теоретиков: ядра плутония-239 делились тепловыми нейтронами. Более того, в процессе их деления рождалось не меньшее число нейтронов, чем при делении урана-235. Тотчас же были намечены пути получения этого изотопа в больших количествах...
Прошли годы. Теперь уже ни для кого не секрет, что ядерные бомбы, хранящиеся в арсеналах, начинены плутонием-239 и что их, этих бомб, достаточно, чтобы нанести непоправимый ущерб всему живому на Земле.
Распространено мнение, что с открытием цепной ядерной реакции (неизбежным следствием которого стало создание ядерной бомбы) человечество явно поторопилось. Можно думать по-другому или делать вид, что думаешь по-другому, - приятнее быть оптимистом. Но и перед оптимистами неизбежно встает вопрос об ответственности ученых. Мы помним триумфальный июньский день 1954 г., день, когда дала ток первая атомная электростанция в Обнинске. Но мы не можем забыть и августовское утро 1945 г. - «утро Хиросимы», «черный день Альберта Эйнштейна»... Помним первые послевоенные годы и безудержный атомный шантаж - основу американской политики тех лет. А разве мало тревог пережило человечество в последующие годы? Причем эти тревоги многократно усиливались сознанием, что, если вспыхнет новая мировая война, ядерное оружие будет пущено в ход.
Здесь можно попробовать доказать, что открытие плутония не прибавило человечеству опасений, что, напротив, оно было только полезно.
Допустим, случилось так, что по какой-то причине или, как сказали бы в старину, по воле божьей, плутоний оказался недоступен ученым. Разве уменьшились бы тогда наши страхи и опасения? Ничуть не бывало. Ядерные бомбы делали бы из урана-235 (и в не меньшем количестве, чем из плутония), и эти бомбы «съедали» бы еще большие, чем сейчас, части бюджетов.
Зато без плутония не существовало бы перспективы мирного использования ядерной энергии и больших масштабах. Для «мирного атома» просто не хватило бы урана-235. Зло, нанесенное человечеству открытием ядерной энергии, не уравновешивалось бы, пусть даже частично, достижениями «доброго атома».
Как измерить, с чем сравнить
Когда ядро плутония-239 делится нейтронами на два осколка примерно равной массы, выделяется около 200 Мэв энергии. Это в 50 млн. раз больше энергии, освобождающейся в самой известной экзотермической реакции С + O 2 = СO 2 . «Сгорая» в ядерном реакторе, грамм плутония дает 2 107 ккал. Чтобы не нарушать традиции (а в популярных статьях энергию ядерного горючего принято измерять внесистемными единицами - тоннами угля, бензина, тринитротолуола и т. д.), заметим и мы: это энергия, заключенная в 4 т угля. А в обычный наперсток помещается количество плутония, энергетически эквивалентное сорока вагонам хороших березовых дров.
Такая же энергия выделяется и при делении нейтронами ядер урана-235. Но основную массу природного урана (99,3%!) составляет изотоп 238 U, который можно использовать, только превратив уран в плутоний...
Энергия камней
Оценим энергетические ресурсы, заключенные в природных запасах урана.
Уран - рассеянный элемент, и практически он есть всюду. Каждому, кто побывал, к примеру, в Карелии, наверняка запомнились гранитные валуны и прибрежные скалы. Но мало кто знает, что в тонне гранита до 25 г урана. Граниты составляют почти 20% веса земной коры. Если считать только уран-235, то в тонне гранита заключено 3,5-105 ккал энергии. Это очень много, но...
На переработку гранита и извлечение из него урана нужно затратить еще большее количество энергии - порядка 106-107 ккал/т. Вот если бы удалось в качестве источника энергии использовать не тол ко уран-235, а и уран-238, тогда гранит можно было бы рассматривать хотя бы как потенциальное энергетическое сырье. Тогда энергия, полученная из тонны камня, составила бы уже от 8-107 до 5-108 ккал. Это равноценно 16-100 т угля. И в этом случае гранит мог бы дать людям почти в миллион раз больше энергии, чем все запасы химического топлива на Земле.
Но ядра урана-238 нейтронами не делятся. Для атомной энергетики этот изотоп бесполезен. Точнее, был бы бесполезен, если бы его не удалось превратить в плутоний-239. И что особенно важно: на это ядерное превращение практически не нужно тратить энергию - напротив, в этом процессе энергия производится!
Попробуем разобраться, как это происходит, но вначале несколько слов о природном плутонии.
В 400 тысяч раз меньше, чем радия
Уже говорилось, что изотопы плутония не сохранились со времени синтеза элементов при образовании нашей планеты. Но это не означает, что плутония в Земле нет.
Он все время образуется в урановых рудах. Захватывая нейтроны космического излучения и нейтроны, образующиеся при самопроизвольном (спонтанном) делении ядер урана-238, некоторые - очень немногие - атомы этого изотопа превращаются в атомы урана-239. Эти ядра очень нестабильны, они испускают электроны и тем самым повышают свой заряд. Образуется нептуний - первый трансурановый элемент. Нептуний-239 тоже весьма неустойчив, и его ядра испускают электроны. Всего за 56 часов половина нептуния-239 превращается в плутоний-239, период полураспада которого уже достаточно велик - 24 тыс. лет.
Почему не добывают плутоний из урановых руд
? Мала, слишком мала концентрация. «В грамм добыча - в год труды» - это о радии , а плутония в рудах содержится в 400 тыс. раз меньше, чем радия. Поэтому не только добыть - даже обнаружить «земной» плутоний необыкновенно трудно. Сделать это удалось только после того, как были изучены физические и химические свойства плутония, полученного в атомных реакторах.
Накапливают плутоний 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.
Если реактор работает на тепловых нейтронах (напомним, что их скорость - порядка 2000 м в секунду, а энергия - доли электронвольта), то из естественной смеси изотопов урана получают количество плутония, немногим меньшее, чем количество «выгоревшего» урана-235. Немногим, но меньшее, плюс неизбежные потери плутония при химическом выделении его из облученного урана. К тому же цепная ядерная реакция подцеживается в природной смеси изотопов урана только до тех пор, пока не израсходована незначительная доля урана-235. Отсюда закономерен вывод: «тепловой» реактор на естественном уране - основной тип ныне действующих реакторов - не может обеспечить расширенного воспроизводства ядерного горючего. Но что же тогда перспективно? Для ответа на этот вопрос сравним ход цепной ядерной реакции в уране-235 и плутонии-239 и введем в наши рассуждения еще одно физическое понятие.
Важнейшая характеристика любого ядерного горючего - среднее число нейтронов, испускаемых после того, как ядро захватило один нейтрон. Физики называют его эта-числом и обозначают греческой буквой ц. В «тепловых» реакторах на уране наблюдается такая закономерность: каждый нейтрон порождает в среднем 2,08 нейтрона (η=2,08). Помещенный в такой реактор плутоний под действием тепловых нейтронов дает η=2,03. Но есть еще реакторы, работающие на быстрых нейтронах. Естественную смесь изотопов урана в такой реактор загружать бесполезно: цепная реакция не пойдет. Но если обогатить «сырье» ураном-235, она сможет развиваться и в «быстром» реакторе. При этом ц будет равно уже 2,23. А плутоний, помещенный под обстрел быстрыми нейтронами, даст η равное 2,70. В наше распоряжение поступит «лишних полнейтрона». И это совсем не мало.
Проследим, на что тратятся полученные нейтроны. В любом реакторе один нейтрон нужен для поддержания цепной ядерной реакции. 0,1 нейтрона поглощается конструкционными материалами установки. «Избыток» идет на накопление плутония-239. В одном случае «избыток» равен 1,13, в другом - 1,60. После «сгорания» килограмма плутония в «быстром» реакторе выделяется колоссальная энергия и накапливается 1,6 кг плутония. А уран и в «быстром» реакторе даст туже энергию и 1,1 кг нового ядерного горючего. И в том и в другом случае налицо расширенное воспроизводство. Но нельзя забывать об экономике.
В силу ряда технических причин цикл воспроизводства плутония занимает несколько лет. Допустим, что пять лет. Значит, в год количество плутония увеличится только на 2%, если η=2,23, и на 12%, если η=2,7! Ядерное горючее - капитал, а всякий капитал должен давать, скажем, 5% годовых. В первом случае налицо большие убытки, а во втором - большая прибыль. Этот примитивный пример иллюстрирует «вес» каждой десятой числа в ядерной энергетике.
Важно и другое. Ядерная энергетика должна поспевать за ростом потребности в энергии. Расчеты показывают: его условие выполнимо в будущем только тогда, когда η приближается к трем. Если же развитие ядерных энергетических источников будет отставать от потребностей общества в энергии, то останется два пути: либо «затормозить прогресс», либо брать энергию из каких-то других источников. Они известны: термоядерный синтез, энергия аннигиляции вещества и антивещества, но пока еще технически недоступны. И не известно, когда они будут реальными источниками энергии для человечества. А энергия тяжелых ядер уже давно стала для нас реальностью, и сегодня у плутония как главного «поставщика» энергии атома нет серьезных конкурентов, кроме, может быть, урана-233.
Сумма многих технологий
Когда в результате ядерных реакций в уране накопится необходимое количество плутония, его необходимо отделить не только от самого урана, но и от осколков деления - как урана, так и плутония, выгоревших в цепной ядерной реакции. Кроме того, в урано-плутониевой массе есть и некоторое количество нептуния. Сложнее всего отделить плутоний от нептуния и редкоземельных элементов (лантаноидов). Плутонию как химическому элементу в какой-то мере не повезло. С точки зрения химика, главный элемент ядерной энергетики - всего лишь один из четырнадцати актиноидов. Подобно редкоземельным элементам, все элементы актиниевого ряда очень близки между собой по химическим свойствам, строение внешних электронных оболочек атомов всех элементов от актиния до 103-го одинаково. Еще неприятнее, что химические свойства актиноидов подобны свойствам редкоземельных элементов, а среди осколков деления урана и плутония лантаноидов хоть отбавляй. Но зато 94-й элемент может находиться в пяти валентных состояниях, и это «подслащивает пилюлю» - помогает отделить плутоний и от урана, и от осколков деления.
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.
Нет нужды подробно описывать все стадии химического разделения плутония и урана. Обычно разделение их начинают с растворения урановых брусков в азотной кислоте, после чего содержащиеся в растворе уран, нептуний, плутоний и осколочные элементы «разлучают», применяя для этого уже традиционные радиохимические методы - осаждение, экстракцию, ионный обмен и другие. Конечные плутонийсодержащие продукты этой многостадийной технологии - его двуокись PuO 2 или фториды - PuF 3 или PuF 4 . Их восстанавливают до металла парами бария , кальция или лития . Однако полученный в этих процессах плутоний не годится на роль конструкционного материала - тепловыделяющих элементов энергетических ядерных реакторов из него не сделать, заряда атомной бомбы не отлить. Почему? Температура плавления плутония - всего 640°С - вполне достижима.
При каких бы «ультращадящих» режимах ни отливали детали из чистого плутония, в отливках при затвердевании всегда появятся трещины. При 640°С твердеющий плутоний образует кубическую кристаллическую решетку. По мере уменьшения температуры плотность металла постепенно растет. Но вот температура достигла 480°С, и тут неожиданно плотность плутония резко падает. До причин этой аномалии докопались довольно быстро: при этой температуре атомы плутония перестраиваются в кристаллической решетке. Она становится тетрагональной и очень «рыхлой». Такой плутоний может плавать в собственном расплаве, как лед на воде.
Температура продолжает падать, вот она достигла 451°С, и атомы снова образовали кубическую решетку, но расположились на большем, чем в первом случае, расстоянии друг от друга. При дальнейшем охлаждении решетка становится сначала орторомбической, затем моноклинной. Всего плутоний образует шесть различных кристаллических форм! Две из них отличаются замечательным свойством - отрицательным коэффициентом температурного расширения: с ростом температуры металл не расширяется, а сжимается.
Когда температура достигает 122°С и атомы плутония в шестой раз перестраивают свои ряды, плотность меняется особенно сильно - от 17,77 до 19,82 г/см 3 . Больше, чем на 10%!
Соответственно уменьшается объем слитка. Если против напряжений, возникавших на других переходах, металл еще мог устоять, то в этот момент разрушение неизбежно.
Как же тогда изготовить детали из этого удивительного металла? Металлурги легируют плутоний (добавляют в него незначительные количества нужных элементов) и получают отливки без единой трещины. Из них и делают плутониевые заряды ядерных бомб. Вес заряда (он определяется прежде всего критической массой изотопа) 5-6 кг. Он без труда поместился бы в кубике с размером ребра 10 см.
Тяжелые изотопы плутония
В плутонии-239 в незначительном количестве содержатся и высшие изотопы этого элемента - с массовыми числами 240 и 241. Изотоп 240 Pu практически бесполезен - это балласт в плутонии. Из 241-го получают америций - элемент № 95. В чистом виде, без примеси других изотопов, плутоний-240 и плутоний-241 можно получить при электромагнитном разделении плутония, накопленного в реакторе. Перед этим плутоний дополнительно облучают нейтронными потоками со строго определенными характеристиками. Конечно, все это очень сложно, тем более что плутоний не только радиоактивен, но и весьма токсичен. Работа с ним требует исключительной осторожности.
Один из самых интересных изотопов плутония - 242 Pu можно получить, облучая длительное время 239 Pu в потоках нейтронов. 242 Pu очень редко захватывает нейтроны и потому «выгорает» в реакторе медленнее остальных изотопов; он сохраняется и после того, как остальные изотопы плутония почти полностью перешли в осколки или превратились в плутоний-242.
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-252 потребуется около 20 лет.
Можно сократить время накопления высших изотопов, увеличив интенсивность потока нейтронов в реакторе. Так и делают, но тогда нельзя облучать большое количество плутония-239. Ведь этот изотоп делится нейтронами, и в интенсивных потоках выделяется слишком много энергии. Возникают дополнительные сложности с охлаждением реактора. Чтобы избежать этих сложностей, пришлось бы уменьшить количество облучаемого плутония. Следовательно, выход калифорния стал бы снова мизерным. Замкнутый круг!
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 америция до фермия .
Всякий раз, когда ученым удавалось получить новый изотоп плутония, измеряли период полураспада его ядер. Периоды полураспада изотопов тяжелых радиоактивных ядер с четными массовыми числами меняются закономерно. (Этого нельзя сказать о нечетных изотопах.)
С увеличением массы растет и «время жизни» изотопа. Несколько лет назад высшей точкой этого графика был плутоний-242. А дальше как пойдет эта кривая - с дальнейшим ростом массового числа? В точку 1, которая соответствует времени жизни 30 млн. лет, или в точку 2, которая отвечает уже 300 млн. лет? Ответ на этот вопрос был очень важен для наук о Земле. В первом случае, если бы 5 млрд, лет назад Земля целиком состояла из 244 Pu, сейчас во всей массе Земли остался бы только один атом плутония-244. Если же верно второе предположение, то плутоний-244 может быть в Земле в таких концентрациях, которые уже можно было бы обнаружить. Если бы посчастливилось найти в Земле этот изотоп, наука получила бы ценнейшую информацию о процессах, происходивших при формировании нашей планеты.
Периоды полураспада некоторых изотопов плутония
Несколько лет назад перед учеными встал вопрос: стоит ли пытаться найти тяжелый плутоний в Земле? Для ответа на него нужно было прежде всего определить период полураспада плутония-244. Теоретики не могли рассчитать эту величину с нужной точностью. Вся надежда была только на эксперимент.
Плутоний-244 накопили в ядерном реакторе. Облучали элемент № 95 - америций (изотоп 243 Am). Захватив нейтрон, этот изотоп переходил в америций-244; америций- 244 в одном из 10 тыс. случаев переходил в плутоний-244.
Из смеси америция с кюрием выделили препарат плутония-244. Образец весил всего несколько миллионных долей грамма. Но их хватило для того чтобы определить период полураспада этого интереснейшего изотопа. Он оказался равным 75 млн. лет. Позже другие исследователи уточнили период полураспада плутония-244, но ненамного - 81 млн. лет. В 1971 г. следы этого изотопа нашли в редкоземельном минерале бастнезите .
Много попыток предпринимали ученые, чтобы найти изотоп трансуранового элемента, живущий дольше, чем 244 Pu. Но все попытки остались тщетными. Одно время возлагали надежды на кюрий-247, но после того, как этот изотоп был накоплен в реакторе, выяснилось, что его период полураспада всего 16 млн. лет. Побить рекорд плутония-244 не удалось, - это самый долгоживущий из всех изотопов трансурановых элементов.
Еще более тяжелые изотопы плутония подвержены бета-распаду, и их время жизни лежит в интервале от нескольких дней до нескольких десятых секунды. Мы знаем наверное, что в термоядерных взрывах образуются все изотопы плутония, вплоть до 257 Pu. Но их время жизни - десятые доли секунды, и изучить многие короткоживущие изотопы плутония пока не удалось.
Возможности первого изотопа плутония
И напоследок - о плутонии-238 - самом первом из «рукотворных» изотопов плутония, изотопе, который вначале казался бесперспективным. В действительности это очень интересный изотоп. Он подвержен альфа-распаду, т. е. его ядра самопроизвольно испускают альфа-частицы - ядра гелия. Альфа-частицы, порожденные ядрами плутония-238, несут большую энергию; рассеявшись в веществе, эта энергия превращается в тепло. Как велика эта энергия? Шесть миллионов электронвольт освобождается при распаде одного атомного ядра плутония-238. В химической реакции та же энергия выделяется при окислении нескольких миллионов атомов. В источнике электричества, содержащем один килограмм плутония-238, развивается тепловая мощность 560 ватт. Максимальная мощность такого же по массе химического источника тока - 5 ватт.
Существует немало излучателей с подобными энергетическими характеристиками, но одна особенность плутония-238 делает этот изотоп незаменимым. Обычно альфа- распад сопровождается сильным гамма-излучением, проникающим через большие толщи вещества. 238 Pu - исключение. Энергия гамма-квантов, сопровождающих распад его ядер, невелика, защититься от нее несложно: излучение поглощается тонкостенным контейнером. Мала и вероятность самопроизвольного деления ядер этого изотопа. Поэтому он нашел применение не только в источниках тока, но и в медицине. Батарейки с плутонием-238 служат источником энергии в специальных стимуляторах сердечной деятельности.
Но 238 Pu не самый легкий из известных изотопов элемента № 94, получены изотопы плутония с массовыми числами от 232 до 237. Период полураспада самого легкого изотопа - 36 минут.
Плутоний - большая тема. Здесь рассказано главное из самого главного. Ведь уже стала стандартной фраза, что химия плутония изучена гораздо лучше, чем химия таких «старых» элементов, как железо . О ядерных свойствах плутония написаны целые книги. Металлургия плутония - еще один удивительный раздел человеческих знаний... Поэтому не нужно думать, что, прочитав этот рассказ, вы по-настоящему узнали плутоний - важнейший металл XX в.
- КАК ВОЗЯТ ПЛУТОНИЙ. Радиоактивный и токсичный плутоний требует особой осторожности при перевозке. Сконструирован контейнер специально для его транспортировки - контейнер, который не разрушается даже при авиационных катастрофах. Сделан он довольно просто: это толстостенный сосуд из нержавеющей стали, окруженный оболочкой из красного дерева. Очевидно, плутоний того стоит, но прпредставьте, какой толщины должны быть стенки, если известно, что контейнер для перевозки всего двух килограммов плутония весит 225 кг!
- ЯД И ПРОТИВОЯДИЕ. 20 октября 1977 г. агентство «Франс Пресс» сообщило: найдено химическое соединение, способное выводить из организма человека плутоний. Через несколько лет об этом соединении стало известно довольно многое. Это комплексное соединение - линейный катехинамид карбоксилазы, вещество класса хелатов (от греческого - «хела» - клешня). В эту химическую клешню и захватывается атом плутония, свободный или связанный. У лабораторных мышей с помощью этого вещества из организма выводили до 70% поглощенного плутония. Полагают, что в дальнейшем это соединение поможет извлекать плутоний и из отходов производства, и из ядерного горючего.
Давайте коротко припомним историю подписания СОУП-2000 с двух разных сторон: 1) конкретно о плутонии и 2) в связке с договорами СНВ-I и СНВ-III - договор о Сокращении Наступательных Вооружений.
СНВ-2 подробно анализировать не имеет смысла, но коротко коснемся. В 1993 году президент РФ Ельцин Б.Н. и президент США Джордж Буш подписали договор СНВ-II. Если коротко, то по нему стороны обязались отказаться от использования баллистических ракет с разделяющимися головными частями индивидуального наведения. Мотив понятен - уж очень опасно, слишком велик риск эскалации международного напряжения и глобального конфликта. Но 1993 год был слишком бурным в России, чтобы дело дошло до ратификации этого договора, судьба которого оказалась весьма короткой. ВС РФ, а затем Госдума проводили дебаты, вносили изменения вплоть до 2002 года, в котором США в одностороннем порядке вышли из договора об ограничении ПРО. В ответ правительство России просто отказалось от ратификации СНВ-2.
Джордж Буш (США) и Михаил Горбачев (СССР), Фото: gazeta.eot.su
Но подписание СНВ-II и отказ от его ратификации не отменили действие СНВ-I, подписанного еще СССР и США в далеком 1991 году 31 июля Горбачевым и Джорджем Бушем-старшим. По этому договору СССР должен был ограничить себя 6’000 ядерных боеголовок, а США - 8’500. Выполнение договора было затруднено «небольшой проблемой» - распался СССР. Однако 23 мая 1992 был подписан Лиссабонский договор, сторонами которого были США, Россия, Белоруссия, Украина и Казахстан, в соответствии с которым к СНВ-1 присоединились последние три государства. Белоруссия, Украина и Казахстан - государства, на территории которых в 1992 году оставались бывшие общие ядерные арсеналы СССР. По Лиссабонскому договору Белоруссия, Украина и Казахстан взяли на себя обязательства или уничтожить ядерное оружие, оказавшееся на их территории, либо передать его России. 6 декабря 2001 года Россия и США заявили, что полностью выполнили свои обязательства по СНВ-1.
Что означали сокращения ядерных боеголовок для нашего и американского атомных проектов? Часть наработанных в годы «холодной войны» запасов оружейного урана и оружейного плутония оказались просто «лишними» для оборонных программ обоих государств. Это стало основой для соглашения, а затем контракта ВОУ-НОУ 1993-1994 годов и началом к подготовке СОУП. С плутонием вопрос технически значительно сложнее, чем с ураном: в 1992 еще никто не понимал, каким способом можно избавиться от опасного радиоактивного вещества с периодом полураспада 24’000 лет. Первый шаг был очевиден: Россия и США обязались закрыть и ликвидировать все атомные реакторы по наработке оружейного плутония.
«Не совсем пока понимаем, как уничтожать, но уж новые запасы делать точно не будем».
В те же годы свой первый опыт по производству МОКС-топлива начала нарабатывать Франция, но в используемой в этой стране технологии использовался плутоний только и исключительно из ОЯТ (отработанного ядерного топлива). Как использовать для той же цели плутоний оружейный, было совершенно непонятно, но уже тогда ведущие специалисты понимали, что именно переработка оружейного плутония в МОКС-топливо и последующее его «сжигание» в реакторах АЭС и есть самый надежный способ его утилизации. В октябре 1996 года эксперты нескольких стран провели встречу в Париже, по итогам которой переработка оружейного плутония в МОКС-топливо была признана предпочтительной схемой утилизации, а так называемая «иммобилизация» была признана дополнительным вариантом.
Иммобилизация, если кратко - технологический прием, при котором плутоний включают в состав химически устойчивого соединения с какими-то другими химическими элементами, полученную «смесь» в комплекте с замедлителями нейтронов (чтобы застраховаться от цепной реакции деления) помещают в капсулу из особого сорта стекла, капсулу помещают в стальной контейнер, стальной контейнер «хоронят» в глубоких геологических формациях. Сказка о кощеевой игле на новый лад, вызывающая здоровый скепсис. Химическое соединение как создается, так и разрушается, для этого меч-кладенец не требуется. Вечное хранение в глубоких геологических структурах - теоретически замечательное мероприятие, ни разу пока не реализованное на практике, а речь не просто о некоем радиактивном веществе, а о важнейшем компоненте атомного и термоядерного оружия.
С 1998 года действовало российско-американское межправительственное соглашение о научно-техническом сотрудничестве в области обращения с плутонием, выводимом из военных программ, эксперты приступили к выработке всех пунктов Соглашения-2000. Первоначально планировалось начать утилизацию не позднее 2007 года: по 34 тонны для каждой стороны со скоростью не менее 2 тонн в год. Но технология не желала сдаваться быстро и просто - поэтому последовали дополнительные протоколы 2006 и 2010 годов, по последнему из которых фактическое уничтожение оружейного плутония должно было начаться в 2018 году. При этом единственно возможной технологией был выбран основной вариант: МОКС-топливо - реактор АЭС. Любое изменение возможно только при письменном согласии обеих сторон - очевидно, что таким образом Россия уже тогда страховалась от попыток США использовать иммобилизацию.
Энергоблок № 4 Белоярской АЭС с реактором на быстрых нейтронах БН-800, Фото: sdelanounas.ru
Страховка была совершенно логична для России и Росатома прежде всего именно по техническим причинам. Ни наши обычные АЭС, ни реактор на быстрых нейтронах БН-600 МОКС-топливо еще не использовали, переход на него - не самое дешевое удовольствие, требующий серьезных инвестиций. Но, тем не менее, Россия последовательно и аккуратно выполняла взятые на себя обязательства: строила реактор БН-800, разрабатывала технологию переработки в МОКС-топливо оружейного плутония, аккуратно завершив эту разработку строительством уникального завода в Железногорске. Это единственный мире завод, способный превратить в МОКС-топливо плутоний и из ОЯТ, и плутоний оружейный. И снова очевидно, что и тут Росатом перестраховывался: не будем перерабатывать оружейный по соглашению с США - пустим в ход наше ОЯТ, продвигая практическую реализацию технологии замкнутого ядерного топливного цикла. Не сделаем этого - потенциально можем получить «мертвый» завод, зарытые в бетон государственные инвестиции.
США с технологией «оружейный плутоний - МОКС-топливо - реактор АЭС» не справились от слова «совсем». Нет ни технологии, ни, тем более, завода по производству МОКС-топлива. Нет ни одного промышленного реактора на быстрых нейтронах. Не получено ни одной лицензии МАГАТЭ на использование МОКС-топлива в обычных реакторах. При этом, согласно протокола к СОУП от 2010 года, напоминаю, практическое уничтожение плутония должно было начаться в 2018 году - то есть у американцев оставалось в запасе не более полутора лет. И даже в том случае, если бы Россия закрыла на все это глаза и согласилась на пресловутую иммобилизацию, американцы не способны за такой срок реализовать и ее: ну, нет у них ни одного хранилища в глубокой геологической формации! Проект Юкка-Маунтин заморожен, оставлен без финансирования, никакой определенной позиции по этому проекту нет ни у мадам Клинтон, ни у господина Трампа. Прием РАО в хранилище WIPP как был приостановлен после пожара в 2014 году, так и не возобновляется до сих пор «по техническим причинам». Куда «иммобилизировать», извините?
Владимир Путин (Россия), Фото: http://politikus.ru/
С учетом всего сказанного, создается впечатление, что сегодняшний закон нет ни малейшего смысла называть неким «ультиматумом» с нашей стороны. На наш взгляд, Владимир Владимирович, в общем-то, спас имидж США от неизбежного позора: если бы не его инициатива о приостановке действия СОУП, новый президент Америки просто вынужден был бы признаться в том, что его государство не способно выполнять взятые на себя обязательства по причине своей технологической несостоятельности. Но и прощать этих безнадежных ребят Россия не намерена - условия , на которых Россия готова возобновить действие СОУП, требуют полного изменения всей внешней политики США. «Ничего личного, только бизнес» - если господа американцы вдруг забыли ими же придуманную присказку, им ее припомнили. Жестко? Безусловно.
Но ни Путин лично, ни Росатом в частности, ни Россия вообще не виноваты в том, что у нынешнего поколения американских атомщиков руки растут из … м-м-м… не из плеч, в общем. То, что Буш-младший отказался от внесения на рассмотрение Конгресса США договора о сотрудничестве с Россией в атомной отрасли из-за «агрессии России в Южной Осетии и в Абхазии» - тоже не наша головная боль. Был у американцев шанс перенять успешный опыт в самых разных направлениях атомного проекта - они от него отказались. Самостоятельно они смогли только угрохать 7,7 млрд долларов на освоение технологии переработки оружейного плутония в МОКС-топливо, выдав на-горА нулевой результат.
Какой может быть судьба оружейного плутония, не нужного для оборонных программ, сегодня можно только гадать. Россия в одностороннем порядке уничтожать его не намерена, разработанная технология, реализованная для завода в Железногорске, позволяет заниматься решением проблем ОЯТ и замкнутого топливного цикла - тут мы ничего не потеряли. Но приостановка действия СОУП-2000 дает серьезнейшие аргументы самым тревожным настроениям, подпитывая призрак новой «холодной войны». Речь - о СНВ-III, подписанном Россией и США 10 марта 2010 года и ратифицированном в 2011.
Барак Обама (США) и Дмитрий Медведев (Россия), Фото: Defence.ru
Этот договор содержит новые ограничения на количества ядерных боезарядов, но стоит помнить, что при его ратификации Государственной Думой было принято еще и заявление депутатов, в котором указана необходимость отслеживания строительства системы американской ПРО в Европе, а также необходимость вывода с континента тактического ядерного оружия США. Заявления эти были ответом на резолюцию, принятую Сенатом США при ратификации СНВ-III:
«Новый договор не накладывает органичений на создание системы ПРО».
Очевидно, что обе стороны обеспечили себе возможность выхода из СНВ-III, («хотите ограничить нашу ПРО? Мы выходим из СНВ!» против «хотите продолжать разворачивать ПРО? Мы выходим из СНВ!»), а остающиеся не уничтоженными 34 тонны плутония делают такой выход достаточно «зловещим». Напоминаем, что военные специалисты для некой «условной» боеголовки в наше время считают необходимым всего 25 кг оружейного плутония. Калькулятор подскажет, каким количеством нового ядерного оружия может обернуться отказ от СНВ-III: теоретически это позволяет создать 1’360 новых боеголовок и России, и Соединенным Штатам.
Межконтинентальная баллистическая ракета “Тополь-М”, Фото: 3mv.ru
Но учтем, однако, еще одну техническую деталь. В состав атомной бомбы, помимо оружейного плутония, входит еще и оружейный уран. Оружейный уран - компонент и термоядерной бомбы. Если кто-то забыл, оружейным считается уран, содержание изотопа уран-235 в котором составляет 90%. По обоюдной договоренности, наработка оружейного урана прекращена по обе стороны океана, но мы ведь гипотезу строим, исходя из того, что новый виток эскалации напряженности будет совсем уж тугим, не так ли? В США количество предприятий, потенциально способных нарабатывать оружейный уран, равно нулю (за что, разумеется, отдельное «спасибо» мужу нового кандидата на пост президента США, столь удачно приватизировавшему Американскую Обогатительную Компанию). В России же количество таких предприятий равно четырем. Вот с учетом этого обстоятельства давайте, наконец, и переведем текст нового закона на понятный язык. Да, это всего лишь наш «самопальный» вариант перевода, но критикам придется начинать с поиска дырок в логике. А мы, как и обычно, будем рады услышать конструктивную критику. На наш взгляд, «перевод» выглядит приблизительно так.
«Господа американские партнеры! Вы не способны утилизировать плутоний, поскольку вы просто не обучаемы, поскольку вы загнали свою атомную отрасль в клоаку. Давайте забудем об этом самом СОУП, пусть «лишний» оружейный плутоний останется для вас и для нас стратегическим резервом. Но при этом ни вы, ни мы не забудем, что оружейный уран вы наработать просто не сможете: сами вы с центрифугами не справились, а прикупить технологию на стороне вам не позволит Договор о нераспространении ядерного оружия. И, даже если вы положите с прибором и на него, вы по времени проигрываете лет 5-10: пока вы построите заводы, пока освоите новую для вас технологию, мы новые боеголовки успеем создать и поставить на боевое дежурство. Давайте смотреть правде в глаза: вы, господа партнеры, ядерную гонку вооружений против нас не способны выиграть ни при каких раскладах. Потому последний раз предлагаем: давайте жить мирно, занимаясь каждый своими делами. Что такое «заниматься своими делами», понять не можете? Нет проблем, перечисляем» - и далее по тексту идут условия возвращения России к действию СОУП-2000.
Стоит, пожалуй, еще раз заострить внимание на том, что безнадежное отставание США в атомном проекте - не результат каких-то козней, интриг со стороны России. Не бегал Путин с Кириенко с черными пистолетами, подметных писем не писали, все - «Сама-сама-сама». Американцы не отстали - они просто встали на тормоз, самоуспокоились после победы в «холодной войне», после краха СССР. А Россия, ее Росатом - шагали себе и шагали.
Композиция изотопов плутония, накапливающегося в реакторе в результате реакций, происходящих в урановом топливе, зависит от степени выгорания топлива. Из 5 основных образовавшихся изотопов 2 с нечетными массовыми номерами – 239 Pu и 241 Pu являются ращепляющимися, т.е. способными к ращеплению под действием тепловых нейтронов, и в ринципе могут быть использованы в качестве реакторного топлива. Поэтому, если речь идет о возможности использования плутония в качестве реакторного топлива, значение имеет количестио накоплен-ного 239Pu и 241Pu. Для ядерного же оружия необходим практически чистый 239Pu т.к. излучатели нейтронов 240Pu и 238Pu могут спонтанно вызвать “пред-начальное воспламенение”, а это приведет к существенно меньшей силе взрыва атомной бомбы. Поэтому разница в “качестве” плутония обычно определяется его изотопным составом.
239 Pu накапливаеться в обычном энергетическом реакторе на урановом топливе в результате нейтронного захвата изотопом 238 U.Одновременно с этим происходит основная реакция деления изотопа 235 U сопровождающаяся выдел поэтому для того, чтобы его можно было использовать в качестве топлива в легководных реакторвах, естественный уран обогащают, доводя содержание 235 U до 3-4%. После одного года работы типичного ЛВР мощностью 1000 МВт образуется около 200 кг плутония из которых около 150 кг составляет 239 Pu.
Таблица 2 - Виды плутония.
Таким образом, при работе атомного уранового реактора в его топливных стержнях накапливаются различные изотопы плутония.
Плутоний, производимый в топливных элементах обычных промышленных атомных реакторов, подвергшихся экспозиции 33000 МВт*сут/т уранового топлива, имеет приблизительно следующий изотопный состав:
Таблица 3 - Изотопный состав реакторного плутония (степень выгорания 30-40 МВт*сут/кг).
Лишь два из пяти изотопов плутония, 239 Pu и 241 Pu, являются расщепляющимися (делящимися), т.е. способными к расщеплению в результате захвата тепловых (медленных) нейтронов, и в принципе пригодны для использования в качестве реакторного топлива. Поэтому, если речь идет о возможности использования плутония в качестве реакторного топлива, важно знать только количество 239 Pu и 241 Pu, обозначаемое Puf от слов Pu (плутоний) и fissile (делящийся). Полное же количество всех изотопов плутония обозначается Put от слова total (полный, общий, итоговый).
Для ядерного же оружия желательно иметь практически чистый 239 Pu, поскольку изотопы 240 Pu и 238 Pu самопроизвольно испускают нейтроны, которые могут вызвать т. н. «предначальное воспламенение», а это приведет к существенно меньшей силе взрыва атомной бомбы. Поэтому принято классифицировать плутоний по "качеству" в соответствии с его изотопным составом.
Хотя предначальное воспламенение уменьшает мощность взрыва ядерного взрывного устройства, изготовленного из реакторного плутония, можно утверждать, что мощность взрыва сравнительно простого взрывного устройства из реакторного плутония, подобного бомбе, взорванной в Нагасаки, будет равно примерно одной или нескольким килотоннам, даже если предначальное воспламенение произойдет в наименее благоприятный момент. В Японии и некоторых европейских странах сторонники плутония продолжают утверждать, что из-за предначального воспламенения реакторный плутоний практически не может быть использован в ядерном оружии, и что поэтому плутониевые программы в этих странах, основанные на выделении и использовании реакторного плутония, следует рассматривать исключительно как «мирные». Однако это мнение противоречит фактам, признанным международной научной общественностью. В докладе американской Национальной Академии наук, выпущенном в 1994 году и посвященном утилизации ядерных оружейных материалов, утверждается, что «плутоний практически любого изотопного состава может быть использован в ядерном оружии».
В некоторых европейских странах апологеты плутония продолжают утверждать, что реакторный плутоний практически не может быть использован в ядер-ном оружии и на этом основании плутониевые программы в таких странах, основанные на выделении и использовании реакторного плутония, предлагается рассматривать, исключетельно, как “мирные”. Утверждение о “мирном” характере реакторного плутония, однако, противоречит фактам, признанным международной научной общественностью. В докладе американской Национальной Академии Наук, выпущенном в 1991 году и посвященном диспозиции ядерных оружейных материалов, утверждается, что “плутоний с практически любым изотопным составом может быть использован в ядерном оружии”. Можно привести и другие научные и технические аргументы в пользу того, что реакторный плутоний является подходящим материалом для ядерного оружия.
МОКС-топливо
Поскольку и реакторный плутоний, и плутоний более высоких сортов является смесью делящихся изотопов, он в принципе пригоден для использования в качестве реакторного топлива. Обычно плутоний используется в этом качестве в виде смеси диоксида плутония PuO 2 с диоксидом урана UO 2 . Эта смесь оксидов (PuO 2 +UO 2), называемая МОКС-топливом, обычно используется в двух типах реакторов - в реакторах на быстрых нейтронах (БН) и в легководных реакторах (ЛВР).
Реактор на БН может вырабатывать плутоний в результате захвата нейтронов ядрами 238 U, находящегося в активной зоне реактора и в окружающем ее бланкете, в то время как плутоний (МОКС-топливо с 20-30% плутония) "горит" в активной зоне. Такой реактор называют размножителем или бридером, поскольку он вырабатывает больше плутония, чем потребляет. Смысл бридера в том, что он повышает эффективность использования ресурсов урана в целых 60 раз, и он позволяет преобразовать ранее остававшийся без применения 238 U в плутоний и одновременно вырабатывать полезную мощность. Из-за этих заманчивых перспектив реактор на БН стал с самого начала развития атомной промышленности ее "голубой мечтой", почти «вечным двигателем».
Но, увы - реальность оказалась больше похожа на кошмар, чем на прекрасный сон. Чтобы размножение было возможным, реакция деления в реакторе на БН поддерживается быстрыми (высокоэнергетическими) нейтронами, в отличие от ЛВР, которые работают на тепловых нейтронах. Поскольку нет возможности использовать замедляющий охладитель, приходится охлаждать активную зону реактора на БН расплавом щелочного металла, который имеет высокую химическую активность и реагирует со взрывом с воздухом и водой.
Отметим далее, что размножение плутония происходит не так быстро, как хотелось бы: время удвоения, то есть время, за которое один бридер создает достаточно плутония для загрузки другого такого же реактора (40 лет), значительно превышает время жизни первого реактора (не более 30 лет). Это указывает на другую ключевую проблему бридера: в конечном итоге для его эксплуатации должна быть создана система, включающая множество этапов, в том числе выделение плутония, загрузка топлива в реакторы, переработка отработавшего топлива и бланкета.
Эти и другие технические трудности бридеров стали причиной неэкономичности их использования, и оба эти недостатка - технические сложности и высокие стоимостные показатели - привели к тому, что США и все западноевропейские страны свернули свои бридерные программы.
Применение МОКС в качестве ядерного топлива: проблемы безопасности
С окончанием периода «холодной войны» угроза начала мировой войны с применением ядерного оружия уменьшилась почти до нуля. Ее место заняла опасность распространения ядерного оружия и применения его ранее не обладавшими им государствами или группами, что может произойти в случае, если в их руки попадет высокообогащенный уран или плутоний.
В настоящее время основная угроза безопасности в связи с ядерным оружием возникает из-за распространения его на страны, ранее им не обладавшие. Пока лишь семь государств обладают ядерным оружием. Это Китай, Франция, Россия, США, Великобритания, Индия и Пакистан.
На данный момент США располагают 9500 ядерных боеголовок, Россия - примерно 10500. Если разрабатываемые в настоящее время соглашения о сокращении вооружений вступят в силу, Россия и США уменьшат свои ядерные арсеналы до примерно 5000 с каждой стороны к 2003 году. Но даже после столь значительного сокращения эти две страны будут обладать весьма внушительными запасами ядерного оружия.
Великобритания располагает 400 ядерных боеголовок; Франция примерно 500; Китай, вероятно, около 400; Индия около 40; Пакистан примерно 7. Можно также предполагать, что Иран, Израиль и Северная Корея стремятся к созданию ядерного оружия.
Тем не менее, маловероятно, что какой-либо стране удастся войти в клуб ядерный держав в течение ближайших 10-15 лет. В течение этого периода произойдет широкое распространение атомных технологий, ориентированных на мирное применение (но которые можно использовать для развития военных программ). Одновременно будет происходить распространение технологии создания баллистических ракет. Опасное сочетание! Когда это произойдет (а можно опасаться, что это случится примерно через 10-15 лет), распространение ядерного оружия может пойти быстрыми темпами.
Сейчас значительное внимание уделяется деятельности ядерных держав по модернизации их ядерных вооружений («вертикальная гонка вооружений»). Однако не следует недооценивать опасности, которые таит в себе попадание ядерного оружия в распоряжение государств, ранее его не имевших («горизонтальная гонка вооружений»), поскольку это создает угрозу применения ядерного оружия в будущих локальных конфликтах.
Обретение какой-либо державой статуса ядерной будет дестабилизировать обстановку в соответствующем регионе. Более того, одна лишь возможность такого обретения наносит ущерб безопасности, заставляя страны-соседи напрягать силы, чтобы не отстать от лидера. Например, если Япония начнет работать над созданием ядерного оружия, Северная и Южная Кореи будут склонны сделать то же, а Китай, вероятно, займется наращиванием ядерных арсеналов.
Кажется маловероятным, что правительства будут принимать политические решения о создании ядерного оружия в ближайшее время, зато риск попадания ядерного оружия в руки террористов все возрастает. Эта опасность уже стала более актуальной, чем угроза мировой ядерной войны, по крайней мере, в ближайшей и среднесрочной перспективе.
Террористы неизменно стремятся к нанесению возможно большего ущерба. От ставших привычными попыток взрыва самолетов они переходят к более серьезным действиям, таким как атака с использованием нервно-паралитического газа в Токио. Этот пример показывает, что лидеры террористических группировок не останавливаются перед применением современного оружия массового уничтожения - в данном случае химического. Ядерное оружие может стать следующим в этой цепи.
Использование МОКС в качестве топлива для ядерных реакторов с последующим выделением плутония из отработанных топливных элементов резко увеличивает опасность попадания делящихся материалов, пригодных для изготовления ядерного оружия, в руки агрессивно настроенных государств и террористов. В простейшей атомной бомбе вся энергия взрыва возникает за счет реакции деления ядер.
Ниже описано устройство плутониевой атомной бомбы имплозионного типа. Те, кому удастся ее изготовить, могут быть уверены в том, что она сработает - им не потребуется проводить испытаний, так что изготовление и последующее размещение взрывного устройства можно будет осуществить в тайне.
Плутоний-239, основной изотоп плутония, используемый в ядерных взрывных устройствах, получается в любом ядерном реакторе, работающем на урановом топливе при захвате нейтрона ядром урана-238. В России практически весь оружейный плутоний был наработан в специальных промышленных реакторах. Характерной особенностью промышленных реакторов является относительно невысокая степень использования топлива - характерное значение глубины выгорания составляет 400-600 МВт-дн/т. Это связано с тем, что при большей глубине выгорания в топливе образуется значительное количество изотопа плутония-240. Изотоп Ри-240 является довольно интенсивным излучателем спонтанных нейтронов и потому его присутствие значительно ухудшает качество плутония как оружейного материала.82 По классификации, принятой в США, оружейным плутонием считается материал с содержанием Ри-240 менее 5.8%.
Выделение плутония из отработавшего топлива осуществляется радиохимическими методами на специальных производствах. Из-за высокой радиоактивности отработавшего топлива все операции по его переработке ведутся с помощью дистанционных средств в "каньонах” с толстыми бетонными стенами. Процесс производства плутония сопровождается образованием больших объемов радиоактивных и токсичных отходов и требует создания сложной инфраструктуры для их обработки и захоронения.
Промышленные реакторы использовались для наработки и других ядерных оружейных материалов, в частности трития, используемого в составе тритий- дейтериевой смеси для усиления первичных узлов термоядерного оружия. Производство трития для оружейных целей как правило осуществляется в ядерном реакторе при облучении нейтронами ядер изотопа лития-6.83 Наработанный тритий выделяется из литиевых мишеней при их обработке в вакуумной печи и очищается химическими методами. В начальные годы развития ядерного арсенала в реакторах также нарабатывался полоний-210, использовавшийся при производстве бериллий-полониевых нейтронных источников, необходимых для инициирования цепной реакции при подрыве ядерного заряда. (В последующие годы бериллий-полониевые инициаторы были заменены внешними системами нейтронного инициирования на основе электростатических трубок.)84 Наработка полония осуществлялась посредством облучения нейтронами мишеней из висмута.
Развитие реакторной технологии
Для производства плутония в СССР использовались в основном реакторы канального типа, использующие в качестве замедлителя нейтронов графит, и охлаждаемые водой, прокачиваемой по каналам с топливными элементами. Топливо - блочки природного металлического урана в алюминиевой оболочке - загружалось в вертикальные технологические каналы, проделанные в графитовой кладке ре
акторной зоны. Для выравнивания радиального распределения мощности и потоков нейтронов в реакторной зоне водо-графитных промышленных реакторов по ее периферии располагались каналы с топливом из высокообогащенного урана.
Всего в СССР было сконструировано три поколения графитовых реакторов. Реактором первого поколения является реактор А, пущенный в эксплуатацию в июне 1948 г. в Челябинске-40 (впоследствии Челябинск-65). Спроектированный Н. А. Доллежалем реактор имел мощность 100 МВт (позднее она была доведена до 900 МВт). Охлаждение реактора осуществлялось по прямоточной схеме -вода- охладитель забиралась из внешнего источника, прокачивалась через реакторную зону и сбрасывалась в окружающую среду. Топливо (около 150 т урана) располагалось в вертикальных каналах 1353-тонной графитовой кладки.85
Реактор второго поколения (например, реактор АВ-1, пущенный в эксплуатацию в 1950 г.) представлял собой вертикальный цилиндр графитовой кладки с вертикальными каналами для топлива и управляющих стержней. По сравнению с реактором А, АВ-1 имел большую мощность и был более безопасным. Как и реактор А, реакторы второго поколения были прямоточными и использовались исключительно для наработки оружейного плутония.86
Реакторы третьего поколения, построенные после 1958 г., проектировались как реакторы двойного назначения.88 Представителями реакторов третьего поколения являются работающие до настоящего времени реакторы серии АДЭ. Каждый такой реактор имеет мощность около 2000 МВт и нарабатывает примерно 0.5 т оружейного плутония в год. Получаемый в процессе работы пар используется для производства примерно 350 МВт тепла и 150 МВт электричества. В отличие от реакторов первого и второго поколений, реакторы третьего поколения имеют двухконтурную систему охлаждения с замкнутой циркуляцией воды по первому контуру, теплообменник, парогенератор, и турбину для производства электричества.
| Мощность | до 2000 Мвт |
| Производство электроэнергии | 150-200 Мвт (э) |
| Производство тепла | 300-350 Гкал/ч |
| Замедлитель | графит |
| Теплоноситель | вода |
| Число каналов | 2832 |
| Число топливных элементов в канале | 66-67 |
300-350 т |
75 кг |
| Глубина выгорания топлива | 600-1000 МВт-дн/т |
| Топливная композиция (природный уран) | металлический природный уран |
| Топливная композиция (ВОУ) | дисперсное (8.5% U02 в алюминиевой матрице) |
| Диаметр стержня | 35 мм |
| Материал оболочки | алюминиевый сплав |
| Толщина оболочки | gt; 1 мм |
| Хранение отработавшего топлива | мокрое |
| Стандартное время хранения | 6 месяцев |
| Максимально допустимое время хранения | 18 месяцев |
Табл. 3-2. Характеристики реактора АДЭ87
Развитие радиохимической технологии
Развитие отечественной школы радиохимии началось в Радиевом институте АН СССР под руководством академика В. Г. Хлопина. В 1946 г. в РИАНе была предложена первая в стране ацетатно-фторидная технология промышленного выделения плутония и урана из облученного уранового топлива. Технология была проверена и отработана на опытной радиохимической установке У-5 в институте НИИ-9 и внедрена на первом радиохимическом заводе (завод Б) в Челябинске-40 (впоследствии Челябинск-65).
На начальном этапе эксплуатации химический передел завода Б основывался на окислительно-восстановительном процессе ацетатного осаждения уранил- триацетата. Этот процесс проходил в две стадии - на первой осуществлялась очистка плутония и урана от продуктов деления и отделение плутония от урана в ходе ацетатного осаждения. На второй стадии осуществлялся аффинаж (доочистка) плутония при его осаждении с помощью фторида лантана.
Радиохимическая технология постоянно совершенствовалась с целью повышения ее безопасности, полноты извлечения и чистоты плутония и урана и снижения расхода материалов и объемов образующихся отходов. Вследствие высокой химической агрессивности фтора, использование лантанно-фторидной технологии было дорогим и небезопасным. Поэтому при разработке второго радиохимического завода (завод ББ), построенного в Челябинске-40 в конце 50-х годов, было решено отказаться от лантанно-фторидной технологии в пользу использования двойного цикла ацетатного осаждения. Ацетатная технология, однако, также была весьма дорогостоящей, приводила к большим объемам растворов и отходов и требовала создания целого ряда вспомогательных производств. Поэтому в начале 60-х годов второй цикл ацетатного осаждения (на стадии аффинажа плутония) был заменен сорбционными методами, основанными на селективном поглощении плутония ионно-обменными смолами. Введение сорбционной технологии значительно повысило качество продукции завода. Однако использование новой технологии оказалось небезопасным и, после взрыва сорбционной колонны, произошедшего в Челябинске в 1965 г.,90 было решено начать работы по внедрению экстракционных технологий. (Первые исследования по экстракционным технологиям были начаты в конце 40-х годов.) Экстракционные технологии стали основой господствующей в настоящее время схемы переработки отработавшего реакторного топлива типа Пурекс (Purex) и используются на всех радиохимических заводах России. Пурекс представляет собой многостадийный процесс, основанный на селективной экстракции плутония и урана с помощью трибутилфос- фата.
В создании радиохимических технологий принимали участие многие институты и организации. Научные разработки и отработка радиохимических технологий велись в Радиевом институте, ВНИИ неорганических материалов, ВНИИ химической технологии.91 Основные конструкторские разработки и производство оборудования осуществлялись Свердловским НИИ химического машиностроения. Проектные решения проходили экспертизу или разрабатывались расположенным в Ленинграде Всесоюзным научно-исследовательским и проектным институтом энерготехнологий (ВНИПИЭТ). Основную тяжесть по проверке научно- технических решений и внедрении технологий несли непосредственно комбинаты по производству плутония.
Комплекс по производству плутония
Промышленное производство плутония осуществлялось интегрированным комплексом трех комбинатов: Челябинск-65, Томск-7 и Красноярск-26.
Челябинск-65 (ПО "Маяк")
Комбинат Челябинск-65, известный в настоящее время как ПО "Маяк",92 расположен на севере Челябинской области в г. Озерск. Основанный в 1948 г., комбинат был первым в СССР комплексом по производству плутония и плутониевых изделий. Наработка плутония осуществлялась пятью уран-графитовыми реакторами (А, ИР-АИ, АВ-1, АВ-2 и АВ-3), пущенными между 1948 и 1955 гг.93 В период между 1987 и 1990 гг. все уран-графито вые реакторы были остановлены. В настоящее время они используются для научных наблюдений и готовятся к демонтажу. В состав реакторного завода в разное время входили (и входят) реакторы и других типов, использовавшиеся для производства трития и других изотопов.
Облученное топливо промышленных реакторов перерабатывалось на входившем в состав комбината радиохимическом заводе (завод Б). Радиохимический завод начал переработку облученного урана 22 декабря 1948 г. и первые годы его эксплуатации были исключительно трудными. Отсутствие опыта и знаний, несовершенство технологий и аппаратуры, высокая коррозионность и радиоактивность технологических растворов обуславливали высокую аварийность и переоблучение персонала.94 Завод был неоднократно реконструирован в начале 50-х годов и продолжал устойчиво работать до 1959 г. С этого момента объемы производства начали снижаться и в начале 60-х годов завод был остановлен. Впоследствии на месте завода Б был построен радиохимический завод РТ-1.
Переработка топлива промышленных реакторов была продолжена на заводе ББ. Строительство завода ББ, проектировавшегося для замещения первого радиохимического производства, было начато в 1954 г. и полностью закончено в сентябре 1959 г. В 1987 г., после остановки двух из пяти нарабатывавших плутоний реакторов, завод ББ был остановлен и выделение оружейного плутония в Челябинске-65 было прекращено. Между 1987 и 1990 гг. облученное топливо продолжавших работать промышленных реакторов направлялось для переработки на радиохимический завод в Томске-7.
Плутониевая продукция радиохимических заводов передавалась на химикометаллургический завод В. Завод В был построен в 1948 г. для производства металлического плутония и деталей ядерных боеприпасов.95 Вторая очередь завода позволила изготавливать оружейные детали из урана. В настоящее время завод продолжает работы по переработке делящихся оружейных материалов и производству деталей боеприпасов. В 1997 г. завод, как и химико-металлургическое производство в Томске-7, включился в работу по разобогащению оружейного урана.
Кроме производства плутония, в Челябинске-65 было налажено производство трития и других специальных изотопов.96 С 1951 г. в этих целях использовался 50-МВт реактор АИ, использовавший в качестве топлива уран с обогащением 2%. Несколько позднее наработка трития была организована в тяжеловодных реакторах, первым из которых был реактор ОК-180.97 (Производство трития на ОК-180 началось, по всей видимости, только после 1954 г.) 27 декабря 1955 г. был принят в эксплуатацию второй тяжеловодный реактор-ОК-190. Эти реакторы были остановлены в 1965 и 1986 гг. и им на смену пришли две новые установки. В 1979 г. в эксплуатацию был пущен" легководный (водо-водяной) реактор "Руслан", а в 1986-1987 гг. начал работу тяжеловодный реактор "Людмила".98 Реакторы "Руслан" к "Людмила" продолжают использоваться для производства трития, изотопного сырья для радиоизотопного завода (плутония-238, кобальта-60, углерода-14, иридия-192 и других) и радиационно-легированного кремния.
Выделение изотопов осуществляется комплексом завода РТ-1. Облученное с целью производства трития топливо передается на входящий в состав ПО “Маяк" тритиевый завод-единственное в стране предприятие по производству
трития и тритиевых узлов для ядерного оружия." Изотопная продукция поступает на радиоизотопный завод (в эксплуатации с 1962 г.) для выпуска альфа-, гамма- и бета-источников радиоизлучения, термических генераторов на основе плутония-238 и стронция-90 и широкого набора радионуклидов.100
Комбинат "Маяк" является важным звеном топливного цикла реакторов АЭС и других реакторных установок. Значительная часть инфраструктуры старого оборонного завода Б вошла в состав радиохимического завода РТ-1, пущенного в эксплуатацию в 1976 г. Первая линия РТ-1 была спроектирована для переработки высокообогащенного уран-алюминиевого топлива промышленных и судовых реакторов. В 1978 г. завод начал переработку топлива реакторов ВВЭР-440. В настоящее время три технологические линии РТ-1 используются для переработки топлива реакторов ВВЭР-440 и БН-600, топлива транспортных и исследовательских реакторов и ВОУ топлива промышленных реакторов. Переработка топлива осуществляется по схеме Пурекс. В состав завода также входят сооружения приемки и промежуточного хранения отработавшего топлива, установки для хранения, переработки и остекловывания радиоактивных отходов и хранилища выделенных урана и плутония. Завод РТ-1 способен ежегодно перерабатывать 400 т топлива реакторов АЭС и 10 т топлива транспортных реакторов (20-30 реакторных зон транспортных установок в год).
Помимо переработки топлива, в сферу деятельности РТ-1 входят работы по обращению с радиоактивными отходами и опытные работы на исследовательских
| Реактор | | Тип | Назначение | Мощность Мвт |
| ПО “Маяк" (Челябинск-65) | | | |
|
| А | 1948-1987 | водо-графитовый, прямоточный | плутоний | 100/900 |
| ИР-АИ | 1951-1987 | водо-грэфитовый, прямоточный | плутоний | 50/500 |
| АВ-1 | 1950-1989 | водо-графитовый, прямоточный | плутоний | 300/1200 |
| АВ-2 | 1951-1990 | водо-графитовый, прямоточный | плутоний | 300/1200 |
| АВ-3 | 1952-1990 | водо-графитовый, прямоточный | плутоний, тритий | 300/1200 |
| ОК-180 | 1951-1965 | тяжеловодный | тритий | 100? |
| ОК-1ЭО | 1955-1986 | тяжеловодный | тритий | 100? |
| Руслан | 1979-н.в. | водо-водяной | тритий, изотопы | Нет данных |
| Людмила | 1986-н.в. | тяжеловодный | тритий, изотопы | нет данных |
| Сибирский химический комбинат (Томск-7) | | |
||
| И-1 | 1955-1990 | водо-графитовый, прямоточный | плутоний | 600/1200 |
| ЭИ-2 | />1956-1990 | | плутоний | 600/1200 |
| АДЭ-3 | 1961-1992 | водо-графитовый, двухконтурный | плутоний | 1600/1900 |
| АДЭ-4 | 1964-н.в. | водо-графитовый, двухконтурный | плутоний | 1600/1900 |
| АДЭ-5 | 1965-н.в. | водо-графитовый, двухконтурный | плутоний | 1600/1900 |
| Горно-химический комбинат (Красноярск-26) | | |
||
| АД | 1958-1992 | водо-графитовый, прямоточный | плутоний | 1600/1800 |
| АДЭ-1 | 1961-1992 | водо-графитовый, прямоточный | плутоний | 1600/1800 |
| АДЭ-2 | 1964-н.в. | водо-графитовый, двухконтурный | плутоний | 1600/1800 |
Табл. 3-3. Построенные в СССР промышленные реакторы
и полупромышленных установках по производству смешанного уран-плутониево- го оксидного топлива (МОКС топливо). В Челябинске-65 было начато строительство завода по производству плутониевого топлива для быстрых реакторов (Цех 300).101 Строительство наполовину построенного завода было заморожено в 1989 г.
Челябинск-65 является одной из основных площадок, осуществляющих хранение делящихся материалов. На заводе РТ-1 хранится примерно 30 т энергетического плутония.102 На комбинате также хранится значительное количество оружейных делящихся материалов, извлеченных из ликвидируемых ядерных боеприпасов. Летом 1994 г. в Челябинске-65 было начато строительство центрального хранилища для оружейных урана и плутония, высвобожденных при демонтаже ядерного оружия. Предполагается, что первая очередь хранилища, способная принять 25 тысяч контейнеров с оружейными материалами, будет пущена в эксплуатацию в 1999 г.; строительство второй очереди увеличит вместимость хранилища до 50 тысяч контейнеров. Согласно проекту, разработанному Санкт-Петербургским институтом ВНИПИЭТ, хранилище должно обеспечить безопасное хранение материалов в течение 80-100 лет.103
Комбинат обладает широкой научно-технической базой для поддержки работы основных производств, которая включает в себя центральную заводскую лабораторию, приборный завод, инструментальный завод, машиноремонтный цех и специализированное стройуправление. В городе действует отделение Московского инженерно-физического института-головного вуза страны в области прикладной ядерной физики.
Томск-7 (Сибирский химический комбинат)
Сибирский химический комбинат в Томске-7104 был основан в 1949 г. как комплекс по производству оружейных делящихся материалов и деталей из них. Наработка плутония в Томске-7 осуществлялась пятью реакторами: И-1, ЭИ-2, АДЭ-3, АДЭ-4, и АДЭ-5. Реактор И-1, пущенный в эксплуатацию 20 ноября г., являлся прямоточным по конструкции и использовался исключительно для наработки плутония. В сентябре 1958 г. и июле 1961 г. на комбинате начали работать реакторы ЭИ-2 и АДЭ-3 соответственно. Реакторы АДЭ-4 и АДЭ-5 были введены в эксплуатацию в 1965 и 1967 гг. За исключением И-1, все реакторы Томска-7 имели замкнутую схему теплосъема и использовались как для наработки плутония, так и для производства тепла и электричества.
Первые три реактора в Томске-7 были остановлены 21 августа 1990 г. (И-1), 31 декабря 1990 г. (ЭИ-2) и 14 августа 1992 г. (АДЭ-3). Два остающихся в эксплуатации реактора имеют суммарную мощностью 3800 МВт и вырабатывают 660- 700 МВт тепла и 300 МВт электричества. Тепловая энергия используется для теплоснабжения Северска (Томск-7) и близрасположенного Томска, а также для производственных нужд СХК и находящегося по соседству нефтехимического комплекса.
В настоящее время отработавшее топливо промышленных реакторов СХК перерабатывается на входящем в состав комбината радиохимическом заводе, который был введен в эксплуатацию в 1956 До 1983 г. переработка топлива осуществлялась по ацетатной схеме. После этого завод был переведен на технологию Пурекс.
До недавнего времени выделенный на радиохимическом заводе плутоний поступал на химико-металлургический завод Томска-7 для перевода в металлическую форму, легирования и производства деталей боеприпасов.105 По всей видимости свеженаработанный плутоний смешивался с плутонием из снятых с вооружения боезарядов для поддержания на приемлемом уровне концентрации
америция-241 в плутонии.106 Начиная с октября 1994 г. свеженаработанный плутоний переводится в форму двуокиси и направляется на хранение.
Другой участок химико-металлургического завода ведет работы по обработке высокообогащенного урана и производству из него оружейных деталей. В 1994- гг. здесь же были начаты операции перевода высокообогащенного оружейного урана в уран низкого обогащения в рамках российско-американского соглашения о продаже ВОУ. Выполняемая в Томске-7 часть работ включает в себя перевод металлического урана в окисную форму. Значительная часть урана проходит через передел радиохимической переработки для удаления химических загрязнителей (легирующих материалов, остатков продуктов деления и трансурановых элементов). Очищенный порошок окиси урана упаковывается в герметичные контейнеры и направляется в Свердловск-44 и Красноярск-45 для фторирования и разобогащения. В конце 1996 г. в Томске-7 также начал действовать производственный участок по фторированию и разобогащению урана.107
Красноярск-26 (Горно-химический комбинат)
Комбинат в Красноярске-26108 был создан в феврале 1950 г.109 для производства оружейного плутония. Отличительной особенностью реакторного и радиохимического заводов и связанных с ними цехов, лабораторий и складских помещений Красноярска-26 является их размещение в многоуровневой системе туннелей внутри горного массива, на глубине 200-250 м под землей.
Реакторный завод Красноярска-26 был пущен в эксплуатацию 25 августа 1958 г. и к 1964 г. на комбинате действовало три графитовых реактора (АД, АДЭ-1, АДЭ-2). В 1964 г. в Красноярске-26 начал работать радиохимический завод. (С 1958 по 1964 г. отработавшее топливо реакторов перерабатывалось на заводах Челябинска-65 и/или Томска-7.) Двуокись плутония - конечный продукт комбината-передавалась на химико-металлургические заводы Челябинска-65 и/или Томска-7 для производства металлического плутония и оружейных деталей. Начиная с октября 1994 г. выделенный плутоний в форме оксида хранится на складах комбината.
Два прямоточных реактора Красноярска-26 (АД и АДЭ-1) были остановлены в 1992 г.11 Третий реактор имеет двухконтурную систему охлаждения и по своей конструкции аналогичен действующим реакторам Томска-7. Как и в случае Томска-7, реактор производит тепло для местного населения и не может быть остановлен без постройки замещающих мощностей.
В 1972 г. были начаты работы по проектированию комплекса радиохимического завода РТ-2 в Красноярске-26. В соответствии с проектом завод РТ-2 должен осуществлять радиохимическую переработку топлива реакторов ВВЭР-1000. Строительство первой очереди завода-хранилища отработавшего реакторного топлива -началось в 1976 г. на наземной площадке находящейся в 4-5 км к северу от подземного комплекса. Хранилище вместимостью 6000 т топлива было введено в эксплуатацию в декабре 1985 г. и к 1995 г. было заполнено на 15-20%.ш Строительство второй очереди РТ-2 -радиохимического завода производительностью 1500 т/год-также началось в конце 70-х годов. Однако, вследствие недостаточного финансирования и противодействия местного экологического движения, в 1989 г. строительство завода (построенного на 30%) было заморожено. Несмотря на решение правительства России о необходимости завершения строительства, принятое в феврале 1995 г.,112 будущее завода РТ-2 представляется неясным.
Плутоний (латинское Plutonium, обозначается символом Pu) — радиоактивный химический элемент с атомным номером 94 и атомным весом 244,064. Плутоний является элементом III группы периодической системы Дмитрия Ивановича Менделеева, относится к семейству актиноидов. Плутоний - тяжелый (плотность при нормальных условиях 19,84 г/см³) хрупкий радиоактивный металл серебристо-белого цвета.
Плутоний не имеет стабильных изотопов. Из ста возможных изотопов плутония синтезированы двадцать пять. У пятнадцати из них изучены ядерные свойства (массовые числа 232-246). Четыре нашли практическое применение. Наиболее долгоживущие изотопы - 244Pu (период полураспада 8,26.107 лет), 242Pu (период полураспада 3,76 105 лет), 239Pu (период полураспада 2,41 104 лет), 238Pu (период полураспада 87,74 года) - α-излучатели и 241Pu (период полураспада 14 лет) - β-излучатель. В природе плутоний встречается в ничтожных количествах в урановых рудах (239Pu); он образуется из урана под действием нейтронов, источниками которых являются реакции, протекающие при взаимодействии α-частиц с легкими элементами (входящими в состав руд), спонтанное деление ядер урана и космическое излучение.
Девяносто четвертый элемент открыт группой американских ученых - Гленом Сиборгом (Glenn Seaborg), Кеннеди (Kennedy), Эдвином Макмилланом (Edwin McMillan) и Артуром Уолхом (Arthur Wahl) в 1940 году в Беркли (в Калифорнийском университете) при бомбардировке мишени из окиси урана (U3O8) сильно ускоренными ядрами дейтерия (дейтронами) из шестидесятидюймового циклотрона. В мае 1940 свойства плутония были предсказаны Льюисом Тернером (Louis Turner).
В декабре 1940 года был открыт изотоп плутония Pu-238, с периодом полураспада ~90 лет, через год - более важный Pu-239 с периодом полураспада ~24 000 лет.
Эдвин Макмиллан в 1948 году предложил назвать химический элемент плутонием в честь открытия новой планеты Плутон и по аналогии с нептунием, который был назван в честь открытия Нептуна.
Металлический плутоний (изотоп 239Pu) используется в ядерном оружии и служит в качестве ядерного топлива энергетических реакторов, работающих на тепловых и особенно на быстрых нейтронах. Критическая масса для 239Pu в виде металла составляет 5,6 кг. Кроме всего прочего изотоп 239Pu является исходным веществом для получения в ядерных реакторах трансплутониевых элементов. Изотоп 238Pu применяют в малогабаритных ядерных источниках электрического тока, используемых в космических исследованиях, а также в стимуляторах сердечной деятельности человека.
Плутоний-242 важен как «сырье» для сравнительно быстрого накопления высших трансурановых элементов в ядерных реакторах. δ-стабилизированные 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. Оксиды плутония используются в качестве энергетического источника для космической техники и находят свое применение в ТВЭЛах.
Все соединения плутония являются ядовитыми, что является следствием α-излучения. Альфа-частицы представляют серьезную опасность в том случае, если их источник находится в теле зараженного, они повреждают окружающие элемент ткани организма. Гамма-излучение плутония не опасно для организма. Стоит учесть, что 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. Плутоний самый радиотоксичный элемент из всех актиноидов, однако, считается далеко не самым опасным элементом, так радий почти в тысячу раз опаснее самого ядовитого изотопа плутония - 239Pu.
Биологические свойства
Плутоний концентрируется морскими организмами: коэффициент накопления этого радиоактивного металла (отношение концентраций в организме и во внешней среде) для водорослей составляет 1000-9000, для планктона - приблизительно 2300, для морских звёзд - около 1000, для моллюсков - до 380, для мышц, костей, печени и желудка рыб - 5, 570, 200 и 1060 соответственно. Наземные растения усваивают плутоний в основном через корневую систему и накапливают его до 0,01 % от своей массы. В организме человека девяносто четвертый элемент задерживается преимущественно в скелете и печени, откуда почти не выводится (особенно из костей).
Плутоний высокотоксичен, причем его химическая опасность (как любого другого тяжелого металла) выражается значительно слабее (с химической точки зрения он также ядовит как свинец.) в сравнении с его радиоактивной токсичностью, которая является следствием альфа-излучения. Причем α-частицы обладают относительно малой проникающей способностью: для 239Pu пробег α-частиц в воздухе составляет 3,7 см, а в мягкой биологической ткани 43 мк. Поэтому α-частицы представляют серьезную опасность в том случае, если их источник находится в теле зараженного. При этом они повреждают окружающие элемент ткани организма.
В тоже время γ-лучи и нейтроны, которые плутоний также испускает и которые способны проникать в тело снаружи, не очень опасны, ведь их уровень слишком мал для того, чтобы причинить вред здоровью. Плутоний относится к группе элементов с особо высокой радиотоксичностью. В тоже время 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.
При поступлении элемента вместе с водой и пищей плутоний менее ядовит, чем такие вещества как кофеин, некоторые витамины, псевдоэфедрин и множество растений и грибов. Это объясняется тем, что данный элемент плохо всасывается ЖКТ, даже при поступлении в виде растворимой соли, эта самая соль связывается содержимым желудка и кишечника. Однако поглощение 0,5 грамма плутония в мелкораздробленном или растворенном состоянии может привести к смерти от острого облучения пищеварительной системы за несколько дней или недель (для цианида это значение составляет 0,1 грамма).
С точки зрения ингаляции плутоний - это рядовой токсин (примерно соответствует парам ртути). При ингаляции плутоний обладает канцерогенными свойствами и способен вызвать рак лёгких. Так при вдыхании ста миллиграмм плутония в виде частиц оптимального для удержания в легких размера (1-3 микрона) ведет к смерти от отека легких за 1-10 дней. Доза в двадцать миллиграмм приводит к смерти от фиброза примерно за месяц. Меньшие дозы приводят к хроническому канцерогенному отравлению. Опасность ингаляционного проникновения плутония в организм увеличивается вследствие того, что плутоний склонен к образованию аэрозолей.
Несмотря на то, что это металл, он весьма летуч. Непродолжительное нахождение металла в помещении значительно увеличивает его концентрацию в воздухе. Попавший в лёгкие плутоний частично оседает на поверхности лёгких, частично переходит в кровь, а затем в лимфу и вещество костного мозга. Большая часть (примерно 60 %) попадает в костную ткань, 30 % в печень и всего 10 % выводится естественным путем. Количество попавшего в организм плутония зависит от величины аэрозольных частиц и растворимости в крови.
Попадающий тем или иным путем в человеческий организм плутоний схож по свойствам с трехвалентным железом, поэтому, проникая в систему кровообращения, плутоний начинает концентрироваться в тканях, содержащих железо: костный мозг, печень, селезёнка. Организм воспринимает плутоний, как железо, следовательно, белок трансферина забирает плутоний вместо железа, в результате чего останавливается перенос кислорода в организме. Микрофаги растаскивают плутоний по лимфоузлам. Попавший в организм плутоний выводится из него очень долго - на протяжении 50 лет из организма выведется всего 80 %. Период полувыведения из печени составляет 40 лет. Для костной ткани период полувыведения плутония составляет 80-100 лет, фактически, концентрация девяносто четвертого элемента в костях постоянна.
На протяжении Второй мировой войны и после её окончания учёные, работавшие в Манхэттенском проекте, а также ученые Третьего рейха и другие научно-исследовательские организации, проводили эксперименты с использованием плутония на животных и людях. Результаты исследований на животных показали, что несколько миллиграммов плутония на килограмм ткани - смертельная доза. Применение плутония на людях заключалось в том, что хронически больным пациентам внутримышечно вводили обычно 5 мкг плутония. В итоге было установлено, что смертельная доза для пациента равна одному микрограмму плутония, и что плутоний более опасен, чем радий, и склонен к накапливанию в костях.
Как известно, плутоний - элемент практически отсутствующий в природе. Однако порядка пяти тонн его выделилось в атмосферу в результате ядерных испытаний в период 1945-1963 гг. Суммарное же количество плутония, выброшенного в атмосферу из-за ядерных испытаний до 1980-х годов, оценивается в 10 тонн. По некоторым оценкам, почва в Соединенных Штатах Америки содержит в среднем 2 милликюри (28 мг) плутония на км2 от выпадения радиоактивных осадков, а нахождение плутония в Тихом океане повышено по сравнению с общим распространением ядерных материалов на земле.
Последнее явление связано с проведением ядерных испытаний США на территории Маршалловых Островов в Тихоокеанском полигоне в середине 1950-х годов. Время нахождения плутония в поверхностных водах океана составляет от 6 до 21 года, однако, даже по прошествии этого срока, плутоний выпадает на дно вместе с биогенными частицами, из которых он восстанавливается в растворимые формы в результате микробного разложения.
Мировое загрязнение девяносто четвертым элементом связано не только с ядерными испытаниями, но и с авариями на производствах и технике, взаимодействующей с этим элементом. Так в январе 1968 года самолет B-52 ВВС США, несший на борту четыре ядерных заряда, потерпел крушение на территории Гренландии. В результате взрыва произошло разрушение зарядов и утечка плутония в океан.
Другой случай радиоактивного загрязнения окружающей среды в результате аварии произошел с советским космическим аппаратом «Космос-954» 24 января 1978 года. В результате неконтролируемого схода с орбиты спутник с ядерным источником энергии на борту упал на территорию Канады. В результате аварии в окружающую среду попало более килограмма плутония-238, распространившегося на территорию площадью около 124 000 м².
Самый страшный пример аварийной утечки радиоактивных веществ в окружающую среду - авария на Чернобыльской АЭС, которая произошла 26 апреля 1986 года. В результате разрушения четвертого энергоблока в окружающую среду было выброшено 190 тонн радиоактивных веществ (в том числе и изотопы плутония) на площадь около 2200 км².
Попадание плутония в окружающую среду связано не только с техногенными происшествиями. Известны случаи утечки плутония, как из лабораторных, так и из заводских условий. Известно более двадцати аварийных случаев утечки из лабораторий 235U и 239Pu. 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 городе Лос-Аламос (21 августа 1945 г. и 21 мая 1946 г.) 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.
При делении ядра 238Pu нейтронами происходит выделение энергии в размере 200 МэВ, что в 50 миллионов раз больше, чем при протекании самой известной экзотермической реакции: C + O2 → CO2. «Сгорая» в ядерном реакторе один грамм плутония дает 2 107 ккал - это энергия, заключенная в 4 т угля. Наперсток же плутониевого топлива в энергетическом эквиваленте может быть приравнен к сорока вагонам хороших дров!
Считается, что «природный изотоп» плутония (244Pu) самый долгоживущий изотоп из всех трансурановых элементов. Его период полураспада составляет 8,26∙107 лет. Ученые длительное время пытались получить изотоп трансуранового элемента, который существовал бы дольше 244Pu - большие надежды в этом отношении возлагались на 247Cm. Однако после его синтеза выяснилось, что период полураспада этого элемента всего 14 млн лет.
История
В 1934 году группа ученых во главе с Энрико Ферми сделала заявление, что в ходе научных работ в Университете Рима они обнаружили химический элемент с порядковым номером 94. Элемент по настоянию Ферми был назван геспериумом, ученый был убежден, что открыл новый элемент, который сейчас называют плутонием, таким образом, сделав предположение о существовании трансурановых элементов и став их теоретическим первооткрывателем. Эту гипотезу Ферми отстаивал и в своей Нобелевской лекции в 1938 году. Только после открытия деления ядер немецкими учеными Отто Фришем и Фрицем Штрассманом, Ферми был вынужден сделать в печатной версии, вышедшей в Стокгольме в 1939 году примечание, указывающее на необходимость пересмотра «всей проблемы трансурановых элементов». Дело в том, что работа Фриша и Штрассмана показала, что активность, обнаруженная Ферми в его экспериментах, была обусловлена именно делением, а не открытием трансурановых элементов, как он ранее полагал.
Новый - девяносто четвертый элемент был открыт в конце 1940 года. Произошло это в Беркли в Калифорнийском университете. При бомбардировке окиси урана (U3O8) ядрами тяжелого водорода (дейтронами) группа американских радиохимиков во главе с Гленном Т. Сиборгом обнаружила неизвестный прежде излучатель альфа-частиц с периодом полураспада 90 лет. Этим излучателем оказался изотоп элемента № 94 с массовым числом 238. Таким образом, 14 декабря 1940 года были получены первые микрограммовые количества плутония вместе с примесью других элементов и их соединений.
В ходе эксперимента, проведённого в 1940 году, было установлено, что при проводимой ядерной реакции сначала получается короткоживущий изотоп нептуний-238 (период полураспада 2,117 суток), а из него уже плутоний-238:
23392U (d,2n) → 23893Np → (β−) 23894Pu
Долгие и трудоемкие химические опыты по отделению нового элемента от примесей продолжались два месяца. Существование нового химического элемента было подтверждено в ночь с 23 на 24 февраля 1941 года Г. Т. Сиборгом, Э. М. Макмилланом, Дж. В. Кеннеди и А. К. Валлем благодаря изучению его первых химических свойств - возможностью обладать, по крайней мере, двумя степенями окисления. Немногим позже окончания опытов было установлено, что этот изотоп является неделящимся, а, следовательно, неинтересным для дальнейшего изучения. Вскоре (март 1941 года) Кеннеди, Сиборг, Сегрэ и Валь синтезировали более важный изотоп - плутоний-239 посредством облучения урана сильно ускоренными в циклотроне нейтронами. Этот изотоп образуется при распаде нептуния-239, испускает alfa-лучи и имеет период полураспада 24 000 лет. Первое чистое соединение элемента было получено в 1942 году, а первые весовые количества металлического плутония были получены в 1943 году.
Название нового 94 элемента было предложено в 1948 году Макмилланом, который несколькими месяцами ранее обнаружения плутония совместно с Ф. Эйбельсоном получил первый элемент, более тяжелый, чем уран, - элемент № 93, который назвали нептунием в честь планеты Нептун - первой за Ураном. По аналогии элемент № 94 решили назвать плутонием, так как планета Плутон является второй за Ураном. В свою очередь Сиборг предложил назвать новый элемент «плутием», однако потом понял, что название не очень звучит по сравнению с «плутонием». Кроме того, он выдвигал и другие названия для нового элемента: ультимиум, экстермиум, из-за ошибочного в то время суждения, что плутоний станет последним химическим элементом в периодической таблице. В итоге, элемент назвали «плутоний» в честь открытия последней планеты солнечной системы.
Нахождение в природе
Период полураспада самого долгоживущего изотопа плутония - 75 млн лет. Цифра весьма внушительная, однако, возраст Галактики измеряется миллиардами лет. Из этого следует, что у первичных изотопов девяносто четвертого элемента, образовавшихся при великом синтезе элементов Вселенной, не было шансов дожить до наших дней. И все же, это не означает, что плутония совсем нет в Земле. Он постоянно образуется в урановых рудах. Захватывая нейтроны космического излучения и нейтроны, образующиеся при спонтанном (самопроизвольном) делении ядер 238U, некоторые - очень немногие - атомы этого изотопа превращаются в атомы 239U. Ядра этого элемента очень нестабильны, они испускают электроны и тем самым повышают свой заряд, происходит образование нептуния - первого трансуранового элемента. 239Np также неустойчив, его ядра тоже испускают электроны, поэтому всего за 56 часов половина 239Np превращается в 239Pu.
Период полураспада этого изотопа уже весьма велик и составляет 24 000 лет. В среднем, содержание 239Pu примерно в 400 000 раз меньше, чем у радия. Поэтому не только добыть - даже обнаружить «земной» плутоний необыкновенно трудно. Малые количества 239Pu - триллионная доля - и продукты распада могут быть найдены в урановых рудах, например, в природном ядерном реакторе в Окло, Габон (Западная Африка). Так называемый «природный ядерный реактор» считается единственным в мире, в котором в настоящее время происходит образование актиноидов и их продуктов деления в геосфере. По современным оценкам в этом регионе несколько миллионов лет назад происходила самоподдерживающаяся реакция с выделением тепла, продолжавшаяся более полумиллиона лет.
Итак, мы уже знаем, что в урановых рудах в результате захвата нейтронов ядрами урана образуется нептуний (239Np), продуктом β-распада которого и является природный плутоний-239. Благодаря специальным приборам - масс-спектрометрам было обнаружено наличие плутония-244 (244Pu), который имеет самый большой период полураспада - примерно 80 миллионов лет, в докембрийском бастнезите (в цериевой руде). В природе 244Pu находится преимущественно в виде диоксида (PuO2), который в воде еще менее растворим, чем песок (кварц). Поскольку относительно долгоживущий изотоп плутоний-240 (240Pu) находится в цепочке распада плутония-244, то его распад имеет место быть, однако это происходит очень редко (1 случай на 10 000). Очень небольшие количества плутония-238 (238Pu) относятся к весьма редкому двойному бета-распаду материнского изотопа - урана-238, который был найден в урановых рудах.
Следы изотопов 247Pu и 255Pu обнаружены в пыли, собранной после взрывов термоядерных бомб.
Минимальные количества плутония гипотетически могут находиться в человеческом организме, учитывая то, что было проведено огромное количество ядерных испытаний так или иначе связанных с плутонием. Плутоний накапливается преимущественно в скелете и печени, откуда практически не выводится. Кроме того, девяносто четвертый элемент накапливается морскими организмами; наземные растения усваивают плутоний главным образом через корневую систему.
Выходит, что искусственно синтезированный плутоний все-таки существует в природе, так почему же его не добывают, а получают искусственным путем? Дело в том, что слишком мала концентрация данного элемента. О другом радиоактивном металле - радии говорят: «в грамм добыча - в год труды», а радия в природе в 400 000 раз больше, чем плутония! По этой причине не только добыть - даже обнаружить «земной» плутоний необыкновенно трудно. Сделать это удалось лишь после того, как были изучены физические и химические свойства плутония, полученного в атомных реакторах.
Применение
Изотоп 239Pu (наряду с U) используют в качестве ядерного топлива энергетических реакторов, работающих на тепловых и на быстрых нейтронах (восновном), а также при изготовлении ядерного оружия.
Около полутысячи атомных электростанций по всему миру генерируют примерно 370 ГВт электроэнергии (или 15 % от общего объема производства электроэнергии в мире). Плутоний-236 применяется при изготовлении атомных электрических батареек, срок службы которых достигает пяти лет и более, их применяют в генераторах тока, стимулирующих работу сердца (кардиостимуляторы). 238Pu применяют в малогабаритных ядерных источниках электрического тока, используемых в космических исследованиях. Так плутоний-238 является источником питания для зондов New Horizons, Galileo и Cassini, марсохода Curiosity и других космических аппаратов.
В ядерном оружии применяется плутоний-239, так как данный изотоп является единственным подходящим нуклидом для применения в ядерной бомбе. Кроме того, 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.
Схема, по которой происходит ядерный взрыв с участием плутония, заключается в конструкции самой бомбы, ядро которой состоит из сферы, заполненной 239Pu. В момент столкновения с землей сфера сжимается до миллиона атмосфер за счет конструкции и благодаря окружающему эту сферу взрывчатому веществу. После удара происходит расширение ядра в объеме и плотности за кратчайшее время - десяток микросекунд, сборка проскакивает критическое состояние на тепловых нейтронах и переходит в сверхкритическое состояние на быстрых нейтронах - начинается цепная ядерная реакция с участием нейтронов и ядер элемента. При конечном взрыве ядерной бомбы выделяется температура порядка десятков миллионов градусов.
Изотопы плутония нашли свое применение при синтезе трансплутониевых (следующих после плутония) элементов. Так, например, в Оук-Риджской национальной лаборатории при длительном нейтронном облучение 239Pu получают 24496Cm, 24296Cm, 24997Bk, 25298Cf, 25399Es и 257100Fm. Таким же образом в 1944 году был впервые получен и америций 24195Am. В 2010 году оксид плутония-242 бомбардируемый ионами кальция-48 послужил источником получения унунквадия.
δ-Стабилизированные сплавы плутония используются в изготовлении ТВЭЛов, ведь они обладают значительно лучшими металлургическими свойствами в сравнении с чистым плутонием, который при нагревании претерпевает фазовые переходы и является весьма хрупким и ненадежным материалом. Сплавы плутония с другими элементами (интерметаллические соединения) обычно получают прямым взаимодействием элементов в нужных соотношениях, при этом в основном используется дуговая плавка, иногда нестабильные сплавы получают распылительным осаждением или охлаждением расплавов.
Основные промышленные легирующие элементы для плутония - это галлий, алюминий и железо, хотя плутоний способен образовывать сплавы и промежуточные соединения с большинством металлов за редким исключением (калий, натрий, литий, рубидий, магний, кальций, стронций, барий, европий и иттербий). Тугоплавкие металлы: молибден, ниобий, хром, тантал и вольфрам растворимы в жидком плутонии, но почти нерастворимы или мало растворимы в твёрдом плутонии. Индий, кремний, цинк и цирконий способны к формированию метастабильного δ-плутония (δ"-фаза) при быстром охлаждении. Галлий, алюминий, америций, скандий и церий могут стабилизировать δ-плутоний при комнатной температуре.
Большие количества гольмия, гафния и таллия 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. Применение таких сплавов довольно разнообразно. Например, сплав плутоний-галий используется для стабилизации δ-фазы плутония, который позволяет избежать переход α-δ фаза. Тройной сплав плутоний-галлий-кобальт (PuGaCo5) - сверхпроводниковый сплав при температуре 18,5 К. Существует ряд сплавов (плутоний-цирконий, плутоний-церий и плутоний-церий-кобальт), которые используются в качестве ядерного топлива.
Производство
Промышленный плутоний получают двумя способами. Это либо облучение ядер 238U, содержащегося в ядерных реакторах, либо разделение радиохимическими способами (соосаждением, экстракцией, ионным обменом и др.) плутония от урана, трансурановых элементов и продуктов деления, содержащихся в отработанном топливе.
В первом случае наиболее значимый в практическом отношении изотоп 239Pu (в смеси с небольшой примесью 240Pu) получают в ядерных реакторах при участии ядер урана и нейтронов с помощью β--распада и с участием изотопов нептуния как промежуточного продукта деления:
23892U + 21D → 23893Np + 210n;
23893Np → 23894Pu
β--распад
В данном процессе дейтрон попадает в уран-238, в результате чего образуется нептуний-238 и два нейтрона. Далее нептуний-238 спонтанно делится, излучая бета-минус-частицы, которые образуют плутоний-238.
Обычно содержание 239Pu в смеси составляет 90-95 %, 240Pu-1-7 %, содержание других изотопов не превышает десятых долей процента. Изотопы с большими периодами полураспада - 242Pu и 244Pu получают при продолжительном облучении нейтронами 239Pu. Причем выход 242Pu составляет несколько десятков процентов, а 244Pu - доли процента от содержания 242Pu. Небольшие количества изотопно-чистого плутония-238 образуются при облучении нейтронами нептуния-237. Легкие изотопы плутония с массовыми числами 232-237 обычно получают на циклотроне при облучении изотопов урана α-частицами.
При втором способе промышленного производства 239Pu используют пьюрекс-процесс, основанный на экстракции трибутилфосфатом в легком разбавителе. В первом цикле осуществляют совместную очистку Pu и U от продуктов деления, а затем их разделение. Во втором и третьем циклах плутоний подвергают дальнейшей очистке и концентрированию. Схема такого процесса основана на разнице в свойствах четырех- и шестивалентных соединений разделяемых элементов.
Первоначально отработавшие ТВЭЛы демонтируются и оболочка, содержащая отработавший плутоний и уран, удаляется физическими и химическими способами. Далее извлеченное ядерное топливо растворяют в азотной кислоте. Ведь она - сильный окислитель при растворении и уран, и плутоний, и примеси окисляются. Атомы плутония с нулевой валентностью превращаются в Pu+6, происходит растворение, как плутония, так и урана. Из такого раствора девяносто четвертый элемент восстанавливают до трехвалентного состояния сернистым газом, а затем осаждают фторидом лантана (LаF3).
Однако осадок кроме плутония содержит нептуний и редкоземельные элементы, но основная масса (уран) остается в растворе. Далее плутоний вновь окисляют до Pu+6 и вновь добавляют фторид лантана. Теперь уже редкоземельные элементы переходят в осадок, а плутоний остается в растворе. Далее окисляется нептуний до четырехвалентного состояния броматом калия, так как на плутоний этот реактив не действует, то при вторичном осаждении тем же фторидом лантана трехвалентный плутоний переходит в осадок, а нептуний остается в растворе. Конечными продуктами таких операций являются плутонийсодержащие соединения - двуокись PuO2 или фториды (PuF3 или PuF4), из которых (путем восстановления парами бария, кальция или лития) получают металлический плутоний.
Получение более чистого плутония можно достичь электролитическим рафинированием пирохимически произведенного металла, что производится в ячейках для электролиза при температуре 700° C с электролитом из калия, натрия и хлорида плутония с применением вольфрамового или танталового катода. Получаемый таким образом плутоний имеет чистоту 99,99 %.
Для получения больших количеств плутония строятся реакторы-размножители, так называемые «бридеры» (от английского глагола to breed - размножать). Свое название данные реакторы получили благодаря своей возможности получения делящегося материала в количестве, превышающем затраты этого материала на получение. Отличие реакторов такого типа от остальных заключается в том, что нейтроны в них не замедляются (отсутствует замедлитель, например, графит) для того, чтобы их как можно больше прореагировало с 238U.
После реакции образуются атомы 239U, которые в дальнейшем и образуют 239Pu. Ядро такого реактора, содержащее PuO2 в обедненном диоксиде урана (UO2), окружено оболочкой из еще более обедненного диоксида урана-238 (238UO2), в которой и образуется 239Pu. Совместное использование 238U и 235U позволяет «бриддерам» производить из природного урана энергии в 50-60 раз больше других реакторов. Однако у этих реакторов существует большой недостаток - ТВЭЛы обязаны охлаждаться средой отличной от воды, которая снижает их энергию. Поэтому было решено использовать жидкий натрий в качестве охладителя.
Строительство таких реакторов в Соединенных Штатах Америки началось после окончания Второй Мировой Войны, СССР и Великобритания приступили к их созданию лишь в 1950-х годах.
Физические свойства
Плутоний - очень тяжелый (плотность при н. у. 19,84 г/см³) серебристый металл, в очищенном состоянии очень похожий на никель, однако на воздухе плутоний быстро окисляется, тускнеет, образую радужную пленку, сначала светло-желтую, затем переходящую в темно-пурпурную. При сильном окислении на поверхности металла появляется оливково-зеленый порошок оксида (PuO2).
Плутоний - очень электроотрицательный и химически активный металл, во много раз больше, даже чем уран. Имеет семь аллотропных модификаций (α, β, γ, δ, δ", ε и ζ), которые меняются в определенном температурном отрезке и при определенном диапазоне давления. При комнатной температуре плутоний находится в α-форме - это наиболее распространённая для плутония аллотропная модификация. В альфа фазе чистый плутоний хрупок и весьма жёсток - данная структура примерно такая же жёсткая, как серый чугун, если она не легирована другими металлами, которые придадут сплаву пластичность и мягкость. Кроме того, в этой максимально плотной форме плутоний - шестой по плотности элемент (тяжелее его только осмий, иридий, платина, рений и нептуний). Дальнейшие аллотропные превращения плутония сопровождаются скачкообразными изменениями плотности. Так, например, при нагревании от 310 до 480 °С он не расширяется, как другие металлы, а сжимается (фазы «дельта» и «дельта-прим»). При расплавлении (переход из фазы «эпсилон» в жидкую фазу) плутоний также сжимается, позволяя нерасплавленному плутонию всплывать.
Плутоний отличает большое количество необычных свойств: у него самая низкая теплопроводность из всех металлов - при 300 K она составляет 6,7Вт/(м К); у плутония самая низкая электропроводность; в своей жидкой фазе - плутоний самый вязкий металл. Удельное сопротивление девяносто четвертого элемента при комнатной температуре очень велико для металла, и эта особенность будет усиливаться с понижением температуры, что для металлов не свойственно. Такая «аномалия» прослеживается вплоть до температуры 100 К - ниже этой отметки электрическое сопротивление будет уменьшаться. Однако, с отметки в 20 К сопротивление вновь начинает возрастать из-за радиационной активности металла.
Плутоний обладает самым высоким удельным электрическим сопротивлением среди всех изученных актиноидов (на данный момент), которое составляет 150 мкОм см (при 22 °C). Этот металл имеет низкую температуру плавления (640 °C) и необычно высокую температуру кипения (3 227 °C). Ближе к точке плавления жидкий плутоний имеет очень высокий показатель вязкости и поверхностного натяжения по сравнению с другими металлами.
Благодаря своей радиоактивности, плутоний теплый на ощупь. Большой кусок плутония в термооболочке разогревается до температуры, превышающей температуру кипения воды! Кроме того, вследствие своей радиоактивности плутоний со временем претерпевает изменения в своей кристаллической решётке - происходит некое подобие отжига благодаря самооблучению из-за повышения температуры выше 100 K.
Наличие большого количества аллотропных модификаций у плутония делает его трудным металлом в обработке и выкатывании из-за фазовых переходов. Мы уже знаем, что в альфа-форме девяносто четвертый элемент схож по свойствам с чугуном, однако имеет свойство изменяться и превращаться в пластичный материал, и образовывать ковкую β-форму при более высоких интервалах температур. Плутоний в δ-форме обычно стабилен при значениях температуры от 310 °C до 452 °C, но может существовать и при комнатной температуре, если легирован малопроцентным содержанием алюминия, церия или галлия. Находясь в сплаве с этими металлами, плутоний может использоваться при сварке. Вообще дельта-форма имеет более ярко выраженные характеристики металла - по прочности и способности к ковке близка к алюминию.
Химические свойства
Химические свойства девяносто четвертого элемента во многом схожи со свойствами его предшественников в периодической системе - ураном и нептунием. Плутоний довольно активный металл, он образует соединения со степенями окисления от +2 до +7. В водных растворах элемент проявляет следующие степени окисления: Pu (III), в качестве Pu3+ (существует в кислых водных растворах, имеет светло-фиолетовый цвет); Pu (IV), в качестве Pu4+ (шоколадный оттенок); Pu (V), в качестве PuO2+ (светлый раствор); Pu (VI), в качестве PuO22+ (светло-оранжевый цвет раствора) и Pu(VII), в качестве PuO53- (зелёный раствор).
Причем указанные ионы (кроме PuO53-) могут находиться в растворе одновременно в равновесии, что объясняется наличием 5f-электронов, которые расположены на локализованной и делокализованной зоне электронной орбитали. При pH 5-8 доминирует Pu (IV), который наиболее устойчив среди остальных валентностей (степеней окисления). Ионы плутония всех степеней окисления склонны к гидролизу и комплексообразованию. Способность образовывать такие соединения увеличивается в ряду Pu5+
Компактный плутоний медленно окисляется на воздухе, покрываясь радужной маслянистой пленкой оксида. Известны следующие окислы плутония: PuO, Pu2O3, PuO2 и фаза переменного состава Pu2O3 - Pu4O7 (бертоллиды). В присутствии незначительного количества влаги скорость окисления и корродирования значительно возрастает. Если металл достаточно долго подвергается воздействию малых количеств влажного воздуха, то на его поверхности образуется диоксид плутония (PuO2). При недостатке кислорода может образоваться и его дигидрид (PuH2). Удивительно, но плутоний покрывается ржавчиной в атмосфере инертного газа (например, аргона) с парами воды гораздо быстрее, чем на сухом воздухе или в чистом кислороде. На самом деле этот факт легко объяснить - прямое действие кислорода формирует на поверхности плутония слой оксида, препятствующего дальнейшему окислению, присутствие влаги производит рыхлую смесь из оксида и гидрида. Кстати, благодаря именно такому покрытию металл становится пирофорным, то есть он способен к самовозгоранию, по этой причине металлический плутоний, как правило, обрабатывается в инертной атмосфере аргона или азота. При этом кислород является защитным веществом и предотвращает воздействие влаги на металл.
Девяносто четвертый элемент реагирует с кислотами, кислородом и их парами, но только не со щелочами. Плутоний хорошо растворим лишь в очень кислых средах (например, соляная кислота HCl), а так же растворяется в в хлороводороде, иодоводороде, бромоводороде, 72 % хлорной кислоте, 85 % ортофосфорной кислоте H3PO4, концентрированной CCl3COOH, сульфаминовой кислоте и кипящей концентрированной азотной кислоте. В растворах щелочей плутоний заметно не растворяется.
При воздействии щелочей на растворы, содержащие четырех валентный плутоний, выпадает осадок гидроксида плутония Pu(OH)4 xH2O, обладающий основными свойствами. При воздействии щелочей на растворы солей, содержащих PuO2+, выпадает амфотерный гидроксид PuO2OH. Ему отвечают соли - плутониты, например, Na2Pu2O6.
Плутониевые соли легко гидролизируются при контакте с нейтральными или щелочными растворами, создавая нерастворимую гидроокись плутония. Концентрированные растворы плутония нестабильны, вследствие радиолитического разложения, ведущего к выпадению осадка.