Plutoniu

iso	N / A	TD	DM	DE	DP
²³⁸ Pu	sintetic	87,74 ani	α fix	5.5 204,66	²³⁴ U
²³⁹ Pu	urme	2,41 × 10 ⁴ ani	α fix	5.245 207.06	²³⁵ U
²⁴⁰ Pu	sintetic	6,5 × 10 ³ ani	α fix	5.256 205,66	²³⁶ U
²⁴¹ Pu	sintetic	14 ani	β ^- fix	0,02078 210,83	²⁴¹ am
²⁴² Pu	sintetic	3,73 × 10 ⁵ ani	α fix	4.984 209.47	²³⁸ U
²⁴⁴ Pu	sintetic	8,08 × 10 ⁷ ani	α fix	4.666	²⁴⁰ U

iso: izotop
NA: abundență în natură
TD: timpul de înjumătățire
DM: modul de descompunere
DE: energia de descompunere în MeV
DP: produs de descompunere

Plutoniul este elementul chimic cu numărul atomic 94 și simbolul său este Pu . Este elementul cel mai utilizat astăzi în bombele de fisiune nucleară și este cel caracterizat de cea mai mare radioactivitate. Cel mai important izotop al acestuia este ²³⁹ Pu, care are un timp de înjumătățire de 24.100 de ani.

Caracteristici

Sferă de plutoniu între două blocuri de carbură de tungsten (simulare)

Plutoniul pur este un metal argintiu, dar devine maro când este oxidat . Plutoniul suferă o contracție în volum odată cu creșterea temperaturii.

Căldura produsă de descompunerea alfa face ca plutoniul să fie sensibil sensibil la atingere; cantități mari pot fierbe apa .

În compușii săi, plutoniul are șase numere de oxidare , de la +2 la +7; în soluție apoasă formează preferențial patru specii ionice

Pu (II), ca ion Pu ²⁺ (violet intens)
Pu (III), ca ion Pu ³⁺ (albastru lavandă)
Pu (IV), ca ion Pu ⁴⁺ (galben maroniu)
Pu (V), ca ion PuO + 2 (considerat a fi roz). Acest ion este instabil în soluție și disproporționează față de Pu ⁴⁺ și PuO 2+ 2 ; Pu ⁴⁺ apoi oxidează restul de PuO + 2 la PuO 2+ 2 , reducându-se la Pu ³⁺ . Soluțiile apoase de plutoniu tind să devină în timp un amestec de Pu ³⁺ și PuO 2+ 2 .
Pu (VI), ca ion PuO 2+ 2 (roz-portocaliu)
Pu (VII), ca PUO 3- 5 ion (roșu închis). Ionul heptavalent este rar și preparat numai în condiții de oxidare extremă.

Plutoniul sub formă metalică prezintă unele proprietăți particulare: spre deosebire de alte metale, acesta conduce slab căldura, prezintă variații puternice de volum datorate variațiilor modeste de temperatură sau presiune și nu este magnetic. Aceste proprietăți au fost explicate în 2007 printr-un model care presupune că electronii de valență fluctuează între orbitali, spre deosebire de modelele anterioare care presupuneau un număr fix de electroni de valență pe orbitați. ^[1]

Aplicații

Plutoniu pentru bombele atomice

Plutoniul pentru bombele atomice (cunoscut și în limba engleză pentru armament sau plutoni pentru armament) are o compoziție izotopică foarte specifică. Având în vedere proprietățile fisiunii nucleare și fisiunii spontane ale unor izotopi, trebuie menținută compoziția de ²³⁹ Pu> 93%, astfel încât dispozitivul să fie stabil și sigur pentru funcționare, pentru aceasta, arderea combustibilului este menținută mai mică decât MWd pentru a maximiza producția de ²³⁹ Pu. ^[2]

Datorită fisiunii sale ușoare, ²³⁹ Pu este o componentă fundamentală fisibilă a armelor nucleare moderne. Masa critică pentru o sferă de plutoniu este de 16 kilograme, care poate fi redusă la 10 kilograme prin utilizarea unui scut care le reflectă împotriva neutronilor pe care îi emite. Această cantitate corespunde aproximativ unei sfere de 10 centimetri în diametru care, la detonarea completă, eliberează o energie de 200 kilotoni . ²³⁹ Pu are un timp de înjumătățire (timp de înjumătățire) de 24.200 de ani.

Plutoniul din reactoarele nucleare

Plutoniul din reactoarele nucleare (cunoscut și în limba engleză reactor-grade sau reactor-grade plutonium) a dat arderea mai mare, are compoziții în jur de 60% din ²³⁹ Pu, 25% ²⁴⁰ Pu și restul celorlalți izotopi, cu aceste procente variind în funcție de arderea și tipul de reactor utilizat. ^[2]

Alte utilizări

Izotopul ²³⁸ Pu emite particule alfa și are un timp de înjumătățire de 87 de ani. Această caracteristică îl face adecvat pentru producerea de generatoare de curent pentru dispozitive destinate să funcționeze fără întreținere directă pentru un timp comparabil cu cel al unei vieți umane; din acest motiv este utilizat în generatoarele termoelectrice radioizotopice (RTG), cum ar fi cele care au alimentat sondele Galileo și Cassini . Versiunile anterioare ale aceleiași tehnologii au alimentat dispozitive pentru efectuarea de experimente seismologice pe suprafața Lunii în timpul misiunilor Programului Apollo .

²³⁸ Pu a fost, de asemenea, utilizat pentru a alimenta unele modele de inimă artificială , pentru a reduce riscurile operațiilor chirurgicale repetate. A fost înlocuit pe scară largă de baterii cu litiu reîncărcabil prin inducție , dar se estimează că în Statele Unite, în 2003 , au fost implantate între 50 și 100 stimulatoare cardiace de plutoniu la pacienții încă în viață.

Istorie

Elementul transuranic cu numărul atomic 94 a fost observat pentru prima dată în 1936 de Enrico Fermi , care l-a numit Esperio , inspirat de un nume antic al Italiei ^[3] .

A fost apoi sintetizat în 1940 de Glenn Seaborg , Edwin McMillan , JW Kennedy și AC Wahl prin bombardarea deuteronă a uraniului în ciclotronul Laboratorului Național Lawrence Berkeley , de la Universitatea din Berkeley , California , dar descoperirea a fost păstrată secretă. A fost considerat primul element sintetizat artificial și care nu era prezent pe Pământ, până când în anii șaptezeci același Seaborg și Perlman l-au găsit în unele pitchblende din Canada ^[4] și mai târziu a fost găsit în principal ²³⁹ Pu în oligoelemente în Zaire , Colorado , Rusia , Brazilia , unde însoțește uraniul ^[5] . Și-a luat numele de pe planeta pitică Pluto , pe atunci clasificată ca planetă , pentru că în urma uraniului și a neptuniului au vrut să păstreze analogia cu numele planetelor sistemului solar . În mod curios, Seaborg a ales ca simbol să fie prezentat IUPAC pentru înregistrarea noului element, nu „Pl” logic, ci „Pu”, corespunzător versului făcut de un copil în prezența unui obiect mirositor. De fapt, îi plăcea să-și imagineze că acest nou element avea un miros urât, dar, deși credea că această glumă va fi respinsă în timpul fazei de înregistrare, spre uimirea sa, comisia a aprobat simbolul ^[6] .

În timpul Proiectului Manhattan , s-au construit mari reactoare nucleare în Hanford , statul Washington , pentru a produce plutoniul cu care vor fi construite mai târziu două bombe: Gadgetul a fost testat la locul Trinity , Fat Man a fost aruncat în orașul japonez Nagasaki în timpul bombardării bombelor atomice de la Hiroshima și Nagasaki .

Atât Statele Unite, cât și Uniunea Sovietică au acumulat stocuri mari de plutoniu în timpul războiului rece ; se estimează că în 1982 stocurile se ridicau la 300 de tone. De la sfârșitul Războiului Rece, aceste stocuri au fost un subiect de îngrijorare cu privire la posibila proliferare necontrolată a armelor nucleare în întreaga lume. În Statele Unite, conversia diferitelor centrale electronucleare a fost luată în considerare din 2003 pentru a le alimenta cu plutoniu ( MOX ) în loc de uraniu îmbogățit, pentru a elimina parțial aceste stocuri.

Disponibilitate

Deși aproape tot plutoniul este de origine sintetică, urme foarte slabe se găsesc în mod natural în minereurile de uraniu. Aceste urme provin dintr-un proces de captare a neutronilor de ²³⁸ U care se transformă mai întâi în ²³⁹ U care suferă două descompuneri beta, convertindu-se la ²³⁹ Np și apoi la ²³⁹ Pu. Același proces este utilizat pentru a produce ²³⁹ Pu în reactoarele nucleare. O concentrație semnificativă de plutoniu natural se găsește la situl râului Oklo din Gabon .

Datorită perioadei de înjumătățire îndelungată (80 de milioane de ani), unele urme de ²⁴⁴ Pu datează de la nașterea sistemului solar , produse de explozii de supernova .

Producție

Efectul temperaturii asupra volumului atomic al plutoniului.

Izotopul ²³⁹ Pu este produsul fisibil fundamental pentru majoritatea armelor nucleare: producția sa este, prin urmare, importantă pentru națiunile cu programe militare de dezvoltare nucleară.

²³⁹ Pu este produs în mod normal în reactoarele nucleare prin expunerea ²³⁸ U la un flux de neutroni: reacția nucleară se numește fertilizare . Aceasta se transformă în ²³⁹ U care suferă două descompuneri beta rapide, transformându-se mai întâi în ²³⁹ Np și apoi în ²³⁹ Pu. La sfârșitul expunerii, ²³⁹ Pu format este amestecat cu o cantitate reziduală mare de ²³⁸ U și urme ale altor izotopi de uraniu, precum și a oricăror produse de fisiune; este apoi purificat chimic.

Dacă la rândul său, ²³⁹ Pu captează un neutron, acesta se transformă în ²⁴⁰ Pu, un izotop care are o probabilitate de 10000 de ori mai mare de fisiune spontană decât precedentul, crescând corespunzător riscul de detonare ne-declanșată; din acest motiv, un plutoniu bogat în izotopul său 240 este inutilizabil în armele nucleare, deoarece emite constant neutroni, făcând manipularea lor problematică și riscând să detoneze o parte a armei înainte de a trage. Mai mult decât atât, este imposibil să se distingă chimic ²³⁹ Pu de ²⁴⁰ Pu, prin urmare ar fi necesar să le separați fizic, un proces dificil și costisitor similar cu cel utilizat pentru îmbogățirea uraniului. Din acest motiv, dacă se obține plutoniu-239, iradierea ²³⁸ U nu trebuie niciodată extinsă dincolo de un anumit prag dincolo de care concentrația de plutoniu-240 devine inacceptabil de mare.

Un reactor comercial cu apă necesită oprire completă pentru zile sau chiar săptămâni pentru înlocuirea combustibilului, în timpul schimbării elementelor de combustibil : prin urmare, este descurajată o planificare a ciclului pentru producția de plutoniu; este totuși posibil, chiar dacă mult mai puțin convenabil din punct de vedere economic, să se separe cantitățile mai mici din combustibilul uzat. Din acest motiv, adică pentru a evitaproliferarea nucleară , AIEA inspectează periodic toate reactoarele nucleare aflate în funcțiune în lume.

Un reactor special conceput pentru producția de plutoniu necesită în schimb mașini de schimb continuu de combustibil, cum ar fi reactorul RBMK și CANDU , sau un reactor mai flexibil, mai ales la oprire și pornire. În special, cerințele de flexibilitate la încărcarea RBMK-urilor au făcut imposibilă o structură adecvată de izolare în proiect, ceea ce a agravat drastic dezastrul de la Cernobâl . Cea mai mare parte a plutoniului produs în lume provine din reactoare de cercetare sau reactoare militare, cum ar fi reactorul britanic cu gaz al accidentului Windscale . Producția de plutoniu s-a realizat și cu reactoare autofertilizante cu sodiu prin utilizarea mantalei radiale în miez.

Compuși

Imaginea prezintă culorile diferitelor stări de oxidare ale Pu în soluție.

Plutoniul reacționează rapid cu oxigenul , formând PuO, PuO ₂ și alți oxizi intermediari. Reacționează cu halogeni pentru a produce compuși de tip PuX ₃ , unde X este fluor , clor , brom sau iod . Dintre fluoruri, PuF ₄ este, de asemenea, cunoscut: oxihalidele PuOCl, PuOBr și PuOI sunt, de asemenea, cunoscute.

Plutoniul formează, de asemenea , carbură PuC , nitrură de PuN și, prin reacția cu siliciu , compus PuSi ₂ .

Alotropii

Chiar și la presiunea atmosferică, plutoniul apare sub diferite forme alotrope . Acestea au structuri și densități cristaline foarte diferite: diferența dintre densitățile formelor α și δ este mai mare de 25%. Prezența acestor numeroși alotropi face ca plutoniul să fie dificil de lucrat. Motivele pentru diagrama de fază complicată nu sunt pe deplin cunoscute; unele cercetări recente s-au concentrat pe realizarea unor modele matematice precise de computer ale tranzițiilor de fază.

Izotopi

Sunt cunoscuți 21 de radioizotopi de plutoniu. Cele mai stabile sunt ²⁴⁴ Pu, cu un timp de înjumătățire de 80,8 milioane de ani, ²⁴² Pu cu un timp de înjumătățire de 373.300 de ani și ²³⁹ Pu, cu un timp de înjumătățire de 24.100 de ani. Toți ceilalți izotopi sunt foarte radioactivi și au timp de înjumătățire mai mic de 7.000 de ani. Acest element are, de asemenea, opt stări metastabile , dintre care niciuna nu este stabilă (toate au timp de înjumătățire mai mic de o secundă).

Izotopii plutonii au o greutate atomică cuprinsă între 228,0387 ( ²²⁸ Pu) și 247,074 ( ²⁴⁷ Pu). Modul principal de descompunere înainte de izotopul mai stabil ( ²⁴⁴ Pu) este fisiunea spontană și emisia alfa , în timp ce modul principal după izotopul mai stabil este emisia beta . Produsele de descompunere înainte de ²⁴⁴ Pu (ignorând pletora de nuclee copil generate de fisiune) sunt izotopi de uraniu și neptuniu , în timp ce cei de după sunt izotopi de americi .

Principalii izotopi pentru aplicații practice sunt ²³⁹ Pu, care este potrivit pentru utilizarea în arme nucleare și reactoare, și ²³⁸ Pu, care este potrivit pentru utilizarea în generatoare termoelectrice radioizotopice (a se vedea mai sus pentru detalii suplimentare). Izotopul ²⁴⁰ Pu este ușor supus fisiunii spontane și este produs atunci când ²³⁹ Pu este expus la neutroni. Plutoniul format din mai mult de 90% din ²³⁹ Pu se numește plutoniu cu armă nucleară ; plutoniul obținut din reactoare comerciale conține de obicei cel puțin 20% din ²⁴⁰ Pu și se numește plutoniu reactor .

Pericol

Toți izotopii și compușii plutoniului sunt toxici și radioactivi.

Plutoniul este, prin urmare, extrem de periculos dacă nu este manipulat corespunzător. Particulele alfa pe care le emite nu pătrund în piele , dar pot deteriora grav organele interne dacă plutoniul este inhalat sau ingerat. Sunt deosebit de expuse riscului scheletul , pe a cărui suprafață este absorbit plutoniul, și ficatul , unde este colectat și concentrat. Particulele foarte fine de plutoniu (de ordinul microgramelor) cauzează cancer pulmonar prin inhalare.

Spre deosebire de alți radioizotopi naturali precum radiul sau carbonul-14, plutoniul a fost produs, concentrat și izolat în cantități mari (sute de tone) în timpul Războiului Rece pentru producerea armelor. Aceste depozite, indiferent dacă sunt sau nu sub formă de arme, reprezintă un risc toxicologic semnificativ, în principal deoarece nu există căi ușor practicabile pentru eliminarea lor.

În plus față de problemele legate de toxicitate, trebuie luate măsuri pentru a evita acumularea de plutoniu în cantități apropiate de masa critică sau cantitatea capabilă să declanșeze și să se auto-propageze o reacție de fisiune nucleară . În aceste condiții, chiar dacă nu este limitat, masa de plutoniu se supraîncălzește și, rupându-se, dăunează ceea ce se află în jurul său. Formularul este relevant; ar trebui evitate formele compacte precum cea sferică. O explozie nucleară de ordinul unei bombe atomice nu poate avea loc accidental, deoarece necesită o masă supercritică mare, totuși o masă critică poate produce doze letale de radiații, așa cum sa întâmplat în unele incidente în trecut.

Mai multe astfel de incidente au avut loc atât în Statele Unite, cât și în Uniunea Sovietică, în unele cazuri cu consecințe letale. Manipularea neglijentă a unei sfere de plutoniu de 6,2 kg a dus la expunerea letală la omul de știință Harry Daghlian din Los Alamos la 21 august 1945 , ducând la moartea sa patru săptămâni mai târziu. Doza absorbită de Daghlian a fost de 510 rem (5,1 Sv ). Nouă luni mai târziu, un alt incident similar din Los Alamos a dus la moartea lui Louis Slotin . Tot în Los Alamos, în 1958 , în timpul unui proces de purificare a plutoniului, s-a format o masă critică într-un reactor, provocând moartea unui operator de macara. Incidente similare s-au produs și în Uniunea Sovietică, Japonia și alte națiuni.

Plutoniul metalic reprezintă un pericol de incendiu, mai ales dacă materialul este fin divizat. Reacționează chimic cu oxigenul și apa, cu care poate forma hidrură de plutoniu , o substanță care se aprinde spontan în aer. Plutoniul se extinde considerabil ca urmare a oxidării și poate chiar rupe recipientul în care se află. Cel mai eficient material pentru stingerea unui incendiu de plutoniu este pulberea de oxid de magneziu , care răcește masa de ardere și blochează orice legătură cu oxigenul.

Pentru a evita acest pericol, plutoniul este depozitat în general într-o atmosferă inertă și strict anhidră.

Referințe literare

Un element numit „plutoniu” este menționat de Ippolito Nievo ^[7] , în istoria sa filosofică a viitoarelor secole din 1860, cu 80 de ani înainte de sinteza sa:

«Am luat o jumătate de uncie de fosfor și o dramă de plutoniu, cele două elemente din care este compusă sămânța umană intimă; Le-am amestecat bine și am scos din doză acea particulă infinitesimală care probabil formează instrumentul pasiv al inteligenței. "

( Istoria filozofică a secolelor viitoare, Introducere )

Notă

^ Electronii plutitori ai plutoniului , pe lescienze.espresso.repubblica.it , Le Scienze. Accesat la 3 aprilie 2007 .
^ ^a ^b Asociația Nucleară Mondială - Plutonium
^ Enciclopedia Treccani, Esperio
^ Glenn Seaborg , Ed. Transuranium elemente produse ale alchimiei moderne. (Elemente transuranice, produse ale alchimiei moderne) Stroudsburg: Dowden, Hutchinson și Ross, 1978
^ Pentru concentrații vezi Jacques Pradel , Plutonium este natural! în Protecția împotriva radiațiilor, GEDIM 1991, Vol. 26, N ° 1, paginile 89 și 90
^ O farsă veche de 80 de ani dezvăluită, ascunsă în tabelul periodic! , la nationalgeographic.com , National Geographic. Adus la 28 aprilie 2019 .
^ Ippolito Nievo , Istoria filozofică a secolelor viitoare , Wikisource, Biblioteca gratuită, [1860]. Adus la 18 noiembrie 2008 .

Bibliografie

Francesco Borgese, Elementele tabelului periodic. Descoperire, proprietăți, utilizări. Manual chimic, fizic, geologic , Roma, CISU, 1993, ISBN 88-7975-077-1 .
R. Barbucci, A. Sabatini și P. Dapporto, Tabel periodic și proprietăți ale elementelor , Florența, Edizioni V. Morelli, 1998 (arhivat din original la 22 octombrie 2010) .

Elemente conexe

Acord privind gestionarea și distribuția plutoniului

Alte proiecte

Wikicitată conține citate din sau despre plutoniu
Wikționarul conține dicționarul lema « plutoniu »
Wikimedia Commons conține imagini sau alte fișiere pe plutoniu

linkuri externe

Plutonio , pe Treccani.it - Enciclopedii online , Institutul Enciclopediei Italiene .
( EN ) Plutonium , în Encyclopedia Britannica , Encyclopædia Britannica, Inc.
(EN) Este elementar - Plutonium , al education.jlab.org.
( EN ) Plutonium , pe WebElements.com .
( EN ) Plutonium , pe EnvironmentalChemistry.com .
(EN) Federation of American Scientists - Producția de plutoniu pe fas.org. Adus la 17 mai 2005 (arhivat din original la 3 februarie 2009) .
( EN ) Fabricarea și fabricarea plutoniului , pe nuclearweaponarchive.org .
( EN ) P. Söderlind, Diagrama fazei de presiune ambientală a plutoniului - O teorie unificată pentru α-Pu și δ-Pu , pe edpsciences.org , Europhys . Lett., 55 (4), p. 525, 2001. Adus la 1 mai 2019 (arhivat din original la 13 februarie 2008) .
( RO ) Pericolele plutoniului - Punct de vedere anti-nuclear , pe ccnr.org .
( EN ) Colecție de articole despre plutoniu la Coaliția canadiană pentru responsabilitatea nucleară , pe ccnr.org .
( EN ) Arme nucleare: opțiuni de eliminare a plutoniului utilizabil de surplus de arme , la globalsecurity.org .

Controlul autorității	Tezaur BNCF 23908 · LCCN (EN) sh85103582 · GND (DE) 4136381-4 · NDL (EN, JA) 00.569.238

Portalul chimiei

Portalul Energiei Nucleare

[1] Electronii plutitori ai plutoniului , pe lescienze.espresso.repubblica.it , Le Scienze. Accesat la 3 aprilie 2007 .

[WNA-2] Asociația Nucleară Mondială - Plutonium

[3] Enciclopedia Treccani, Esperio

[4] Glenn Seaborg , Ed. Transuranium elemente produse ale alchimiei moderne. (Elemente transuranice, produse ale alchimiei moderne) Stroudsburg: Dowden, Hutchinson și Ross, 1978

[5] Pentru concentrații vezi Jacques Pradel , Plutonium este natural! în Protecția împotriva radiațiilor, GEDIM 1991, Vol. 26, N ° 1, paginile 89 și 90

[6] O farsă veche de 80 de ani dezvăluită, ascunsă în tabelul periodic! , la nationalgeographic.com , National Geographic. Adus la 28 aprilie 2019 .

[7] Ippolito Nievo , Istoria filozofică a secolelor viitoare , Wikisource, Biblioteca gratuită, [1860]. Adus la 18 noiembrie 2008 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]