Neptunium ← Plutonium → Americium | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Komplett tabell • Utvidet tabell | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Generell informasjon | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
navn , symbol , nummer | Plutonium, Pu, 94 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
kjemisk serie | Aktinider | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
gruppe , punktum , blokk | -, 7 , f | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Atommasse | 244u _ | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Elektronisk konfigurasjon | [ Rn ] 5 f 6 7 s 2 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
elektroner per nivå | 2, 8, 18, 32, 24, 8, 2 ( bilde ) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Utseende | sølvhvit | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Atomiske egenskaper | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
middels radius | 135 p.m. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
elektronegativitet | 1,28 ( Pauling-skala ) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Atomradius (kalk) | 159 p.m. ( Bohr radius ) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
kovalent radius | 187± 13.00 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Oksidasjonstilstand(er) | 6, 5, 4 , 3 (amfotært oksid) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
1. ioniseringsenergi | 584,7 kJ /mol | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Spektrallinjer | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
fysiske egenskaper | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
vanlig stat | Fast | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Tetthet | 19816 kg / m3 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Smeltepunkt | 912,5K (639 °C) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Kokepunkt | 3505K (3232°C) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
fordampningsentalpi | 333,5 kJ/mol | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
fusjonsentalpi | 2,82 kJ /mol | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Damptrykk | 10.00Pa ved 2926K | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Flere | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
krystallstruktur | monoklinisk | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Spesifikk varme | 35,5 J / ( K kg ) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Termisk ledningsevne | 6,74 W /(Km) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Elastisk modul | 96GPa | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
skjærmodul | 43GPa | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Poissons forhold | 0,21 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Lydens hastighet | 2260m /s ved 293,15K (20 ° C ) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
mer stabile isotoper | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Hovedartikkel: Isotoper av plutonium | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Verdier i SI og normale forhold for trykk og temperatur , med mindre annet er angitt. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Plutonium er et radioaktivt transuranisk grunnstoff med det kjemiske symbolet Pu og atomnummer 94 . Det er et aktinidmetall med et sølvgrå utseende som mørkner når det utsettes for luft , og danner et ugjennomsiktig lag når det oksideres . Grunnstoffet viser normalt seks allotropiske og fire oksidasjonstilstander . Reagerer med karbon , halogener , nitrogen og silisium . Når den utsettes for fuktig luft, danner den oksider og hydrider som utvider seg opp til 70 % i volum, som igjen frigjøres i form av støv som kan antennes spontant . Det er også et radioaktivt grunnstoff og kan samle seg i beinene . Disse egenskapene gjør håndtering av plutonium farlig.
Plutonium er det tyngste urelementet i kraft av sin mest stabile isotop , plutonium-244 , med en omtrentlig halveringstid på 80 millioner år som er lang nok til at grunnstoffet kan finnes i små mengder i naturen. [ 2 ] Plutonium er først og fremst et biprodukt av kjernefysisk fisjon i reaktorer , der noen av nøytronene som frigjøres ved fisjonsprosessen omdanner uran-238-kjerner til plutonium. [ 3 ]
En av plutoniumisotopene som brukes er plutonium-239 , som har en halveringstid på 24 100 år. Plutonium-239, sammen med plutonium-241, er spaltbare elementer , noe som betyr at kjernene til atomene deres kan splittes når de bombarderes med termiske nøytroner, og frigjør energi, gammastråling og flere nøytroner. Disse nøytronene kan opprettholde en kjernefysisk kjedereaksjon , som fører til bruk i våpen og atomreaktorer .
Plutonium -238 har en halveringstid på 88 år og avgir alfapartikler . Det er en varmekilde i radioisotop termoelektriske generatorer , som brukes til å drive noen romsonder . Plutonium -240 har en høy hastighet av spontan fisjon , noe som øker nøytronfluksen til hvilken prøve den er i. Tilstedeværelsen av plutonium-240 begrenser bruken av prøver til våpen eller kjernebrensel og bestemmer deres karakter. Plutoniumisotoper er dyre og vanskelige å skille, og det er derfor de ofte lages i spesialiserte reaktorer.
Plutonium ble først syntetisert i 1940 av et team ledet av Glenn T. Seaborg og Edwin McMillan ved University of California, Berkeley -laboratoriet ved å bombardere uran-238 med deuterium . Spor av plutonium ble senere funnet i naturen. Produksjonen av plutonium i nyttige mengder for første gang var en viktig del av Manhattan-prosjektet under andre verdenskrig , som utviklet de første atombombene. Den første atomprøven (" Trenity ", i juli 1945), og den andre atombomben som ble brukt til å ødelegge en by (" Fat Man " i Nagasaki , Japan i august 1945) hadde plutonium-239-kjerner. Under og etter krigen ble det utført uinformerte menneskelige eksperimenter som studerte plutoniumstråling, og flere kritiske ulykker, noen av dem dødelige, skjedde. Deponering av plutoniumavfall fra atomkraftverk og demontering av atomvåpen bygget under den kalde krigen er atomspredning og miljøhensyn. Andre kilder til plutonium i miljøet er en konsekvens av de mange (nå forbudte ) kjernefysiske prøvene på overflaten .
Enrico Fermi og et team av forskere fra Universitetet i Roma rapporterte at de oppdaget element 94 i 1934. [ 4 ] Fermi kalte det nye grunnstoffet hesperium og nevnte det i sin Nobel-adresse fra 1938. [ 5 ] Prøven var faktisk en blanding av barium , krypton og andre elementer, men dette var ikke kjent på den tiden fordi kjernefysisk fisjon ennå ikke var oppdaget. [ 6 ]
Plutonium (spesifikt plutonium-238) ble først produsert og isolert 14. desember 1940, og kjemisk identifisert 23. februar 1941, av Dr. Glenn T. Seaborg , Edwin M. McMillan , JW Kennedy og A.C. Wahl , som bombarderte uran. med deuterium i syklotronen med en diameter på 150 cm ved University of California, Berkeley . [ 7 ] [ 8 ] I 1940-eksperimentet ble neptunium -238 produsert i bombardementet, men det forfalt ved beta-utslipp med en kort halveringstid på omtrent to dager, noe som indikerer dannelsen av element 94. [ 9 ]
En vitenskapelig artikkel av funnet ble utarbeidet av teamet og sendt til Physical Review i mars 1941. [ 9 ] Artikkelen ble trukket tilbake før publisering fordi de oppdaget at en isotop av dette nye grunnstoffet (plutonium-239) det kunne gjennomgå kjernefysisk fisjon i en måte som kan være nyttig for atombomben . Publikasjonen ble forsinket til et år etter slutten av andre verdenskrig på grunn av sikkerhetshensyn. [ 10 ]
Edwin McMillan hadde nylig oppkalt det første transuraniske elementet etter planeten Neptun og foreslo at element 94, som er det neste elementet i serien, ble oppkalt etter den da neste planeten, Pluto . [ 11 ] [ note 1 ] Seaborg betraktet opprinnelig navnet "plutonium", men mente senere at det ikke hørtes like bra ut som "plutonium". [ 12 ] Han valgte bokstavene "Pu" som en spøk, som ble sendt uten forvarsel inn i det periodiske systemet . [ note 2 ] Andre alternative navn vurdert av Seaborg og andre var "ultimio" og "extremio", på grunn av den feilaktige troen på at de hadde funnet det siste mulige grunnstoffet i det periodiske systemet. [ 13 ]
Etter noen måneder med innledende studier, ble den grunnleggende kjemien til plutonium funnet å være lik den til uran. [ 9 ] Tidlig forskning fortsatte ved University of Chicago Metallurgical Laboratory . Den 18. august 1942 ble en svært liten mengde isolert og målt for første gang. Omtrent 50 mg plutonium-239 ble produsert, sammen med uran og fisjonsprodukter, og bare rundt 1 mg ble isolert. [ 14 ] Denne prosedyren gjorde det mulig for kjemikere å bestemme atommassen til det nye grunnstoffet. [ 15 ] [ note 3 ]
I november 1943 ble noen plutoniumtrifluorider redusert for å lage den første prøven av metallisk plutonium: noen få mikrogram metalliske perler. [ 14 ] Det ble produsert nok plutonium til at det ble det første syntetiske grunnstoffet som var synlig for det blotte øye. [ 16 ]
De kjernefysiske egenskapene til plutonium-239 ble også studert; Forskerne fant at når et atom blir truffet av et nøytron, brytes det fra hverandre (fisjon), og frigjør flere nøytroner og energi. Disse nøytronene kan treffe andre plutonium-239 atomer og så videre i en rask kjernefysisk kjedereaksjon . Dette kan forårsake en eksplosjon stor nok til å ødelegge en by hvis nok plutonium-239 er konsentrert til å nå kritisk masse . [ 9 ]
Under andre verdenskrig opprettet USAs føderale regjering Manhattan Project , som hadde i oppgave å utvikle atombomben . Prosjektets tre hovedforsknings- og produksjonssteder var Plutonium Production Facility ved det som nå er Hanford Site , Uranium Enrichment Facility i Oak Ridge, Tennessee , og Weapons Research and Design Laboratory, nå kjent som Los Alamos National Laboratory [ 17 ]
Den første produksjonsreaktoren som produserte plutonium-239 var Graphite X-10-reaktoren . Det ble operativt i 1943 og ble bygget ved et anlegg i Oak Ridge som senere ble Oak Ridge National Laboratory . [ 9 ] [ note 4 ]
Den 5. april 1944 mottok Emilio Segrè , ved Los Alamos, den første prøven av plutonium produsert av Oak Ridge-reaktoren. [ 18 ]
Den første testen av en atombombe, kalt Trinity og detonert 16. juli 1945 nær Alamogordo, New Mexico, inneholdt plutonium som fisjonsmateriale. [ 14 ] Utformingen av implosjonsanordningen brukte konvensjonelle eksplosive linser for å komprimere en kule av plutonium til en superkritisk masse, som samtidig ble bombardert med nøytroner fra " Urchin ", [ note 5 ] en initiator laget av polonium og beryllium. [ 9 ] Til sammen sørget disse for en kjedereaksjon og eksplosjon. Hele våpenet veide mer enn 4 tonn, til tross for at det kun var brukt 6,2 kilo plutonium i kjernen. [ 19 ] Omtrent 20 % av plutoniumet som ble brukt i Trinity-våpenet gjennomgikk fisjon, noe som resulterte i en eksplosjon med en energi tilsvarende omtrent 20 000 tonn TNT . [ 20 ]
En identisk design ble brukt i " Fat Man " atombomben , som ble sluppet på Nagasaki , Japan , 9. august 1945, og drepte 70 000 mennesker og skadet ytterligere 100 000. [ 9 ] " Little Boy " -bomben falt over Hiroshima tre dager tidligere, den brukte uran-235 og ikke plutonium. Eksistensen av plutonium ble offentliggjort først etter kunngjøringen av de første atombombene.
Under den kalde krigen ble det bygget opp store lagre av plutonium til atomvåpen av både Sovjetunionen og USA. De amerikanske reaktorene ved Hanford og Savannah River Site i South Carolina produserte 103 tonn, [ 21 ] og det ble anslått at 170 tonn plutonium av militærkvalitet ble produsert i Sovjetunionen. [ 22 ] Omtrent 20 tonn av grunnstoffet produseres fortsatt hvert år som et biprodukt fra kjernekraftindustrien. [ 23 ] Omtrent 1000 tonn plutonium kan være lagret sammen med mer enn 200 tonn plutonium utvunnet fra atomvåpen. [ 9 ] Stockholm International Peace Research Institute anslo at verdens plutoniumreserver i 2007 var 500 tonn, fordelt likt mellom sivile reserver og våpenreserver. [ 24 ]
Under og etter slutten av andre verdenskrig utførte forskere som jobbet med Manhattan-prosjektet og andre atomvåpenforskningsprosjekter studier av effekten av plutonium på laboratoriedyr og mennesker. [ 25 ] Dyrestudier viste at noen få milligram plutonium per kilo vev representerer en dødelig dose. [ 26 ]
Når det gjelder mennesker, involverte slike eksperimenter å injisere løsninger som inneholder (vanligvis) fem mikrogram plutonium i sykehuspasienter som antas å være uhelbredelig syke, eller å ha en forventet levealder på mindre enn ti år enten på grunn av høy alder eller kronisk sykdomstilstand. [ 25 ] Denne mengden ble redusert til ett mikrogram i juli 1945 etter at dyrestudier fant at måten plutonium ble fordelt på i bein var farligere enn radium. [ 26 ] Mange av disse eksperimentene resulterte i sterke mutasjoner. De fleste av testpersonene – ifølge Eileen Welsome – var fattige, maktesløse og syke. [ 27 ]
Plutonium, som de fleste metaller, har et skinnende sølvaktig utseende i begynnelsen, omtrent som nikkel , men oksiderer raskt til en matt grå, selv om gul og olivengrønn også er rapportert. [ 28 ] [ 29 ] Ved romtemperatur er plutonium i sin α ( alfa ) form . Dette, elementets vanligste strukturelle form ( allotrope ), er nesten like hardt og sprøtt som grått støpejern , med mindre det er legert med andre metaller for å gjøre det mykt og formbart. I motsetning til de fleste metaller, er det ikke en god leder av varme eller elektrisitet . Den har et lavt smeltepunkt. (640 °C) og et uvanlig høyt kokepunkt (3228 °C). [ 28 ]
Alfa-forfall, frigjøring av en høyenergi heliumkjerne , er den vanligste formen for radioaktivt forfall for plutonium. [ 30 ] En 5 kg masse på 239 Pu inneholder omtrent 12,5 × 10 24 atomer. Med en halveringstid på 24 100 år, forfaller omtrent 11,5 × 10 12 av atomene hvert sekund, og sender ut en 5,157 MeV alfa-partikkel . Dette tilsvarer 9,68 watt effekt. Varmen som produseres av nedbremsingen av disse alfapartiklene gjør dem varme å ta på. [ 11 ] [ 31 ]
Resistivitet er et mål på hvor sterkt et materiale motsetter strømmen av elektrisk strøm . Resistiviteten til plutonium ved romtemperatur er svært høy for et metall, og blir enda høyere ved lavere temperaturer, noe som er uvanlig for metaller. [ 32 ] Denne trenden fortsetter opp til 100 K , under hvilket resistiviteten avtar raskt for ferske prøver. [ 32 ] Resistiviteten begynner å øke med tiden rundt 20 K på grunn av strålingsskader, med hastigheten diktert av isotopsammensetningen til prøven. [ 32 ]
På grunn av selvbestråling blir en plutoniumprøve utmattet gjennom hele krystallstrukturen, noe som betyr at det ordnede arrangementet av atomene blir forstyrret av stråling over tid. [ 33 ] Selvbestråling kan også føre til utglødning som det motvirker noen av effektene av tretthet når temperaturen stiger over 100 K. [ 34 ]
I motsetning til de fleste materialer, øker plutonium i tetthet når det smelter, med 2,5 %, men det flytende metallet viser en lineær reduksjon i tetthet med temperaturen. [ 32 ] Nær smeltepunktet har flytende plutonium svært høy viskositet og overflatespenning sammenlignet med andre metaller. [ 33 ]
Plutonium har normalt seks allotroper og danner en syvende (zeta, ζ) ved høy temperatur innenfor et begrenset trykkområde. [ 35 ] Disse allotropene, som er forskjellige strukturelle modifikasjoner eller former for et element, har svært like indre energier , men betydelig varierende krystallstrukturer og tettheter . Dette gjør plutonium svært følsomt for endringer i temperatur, trykk eller kjemi, og gir mulighet for drastiske volumendringer etter faseoverganger fra en allotrop form til en annen. [ 33 ] Tetthetene til de forskjellige allotropene varierer fra 16,00 g/cm³ til 19,86 g/cm³. [ 23 ]
Tilstedeværelsen av disse mange allotropene gjør maskinering av plutonium svært vanskelig, siden det endrer tilstand veldig lett. For eksempel eksisterer α-formen ved romtemperatur i ulegert plutonium. Den har lignende maskineringsegenskaper som støpejern, men endres til plast og formbar β ( beta ) form ved litt høyere temperaturer. [ 36 ] Årsakene til det kompliserte fasediagrammet er ikke fullt ut forstått. α-formen har en monoklinisk struktur med lav symmetri, derav dens sprøhet, styrke, komprimerbarhet og lave varmeledningsevne. [ 35 ]
Plutonium i δ ( delta )-formen eksisterer normalt i området 310 °C til 452 °C, men er stabilt ved romtemperatur når det er legert med en liten prosentandel av gallium , aluminium eller cerium , noe som forbedrer bearbeidbarheten og tillater sveising . [ 36 ] δ-formen har en mer typisk metallisk karakter, og er omtrent like sterk og formbar som aluminium. [ 35 ] I fisjonsvåpen vil de eksplosive sjokkbølgene som brukes til å komprimere en plutoniumkjerne også forårsake en overgang fra den vanlige δ-fase plutoniumformen til den tettere formen av α, noe som i betydelig grad bidrar til å oppnå superkritikk . [ 37 ] ε-fasen, den faste allotropen med høyeste temperatur, viser anomisk høy atomær selvdiffusjon sammenlignet med andre elementer [ 33 ]
Plutonium er et radioaktivt aktinidmetall hvis isotop , plutonium-239 , er en av de tre spaltbare primærisotopene ( uran-233 og uran-235 er de to andre); Plutonium-241 er også svært spaltbart. For å bli betraktet som spaltbar, må atomkjernen til en isotop kunne bryte fra hverandre eller spalte når den blir truffet av et saktegående nøytron og frigjøre nok ekstra nøytroner til å opprettholde kjernekjedereaksjonen ved å splitte flere kjerner. [ 38 ]
Rent plutonium-239 kan ha en multiplikasjonsfaktor (k eff ) større enn én, noe som betyr at hvis metallet er tilstede i tilstrekkelig mengde og med en passende geometri (for eksempel en kule av tilstrekkelig størrelse), kan det danne en kritisk masse . [ 39 ] Under fisjon frigjøres en brøkdel av den kjernefysiske bindingsenergien , som holder en kjerne sammen, som en stor mengde elektromagnetisk og kinetisk energi (mye av sistnevnte blir raskt omdannet til termisk energi). Spaltningen av ett kilo plutonium-239 kan gi en eksplosjon tilsvarende 21 000 tonn TNT . Det er denne energien som gjør plutonium-239 nyttig i atomvåpen og reaktorer . [ 11 ]
Tilstedeværelsen av isotopen plutonium-240 i en prøve begrenser dens atombombepotensial, siden plutonium-240 har en relativt høy hastighet av spontan fisjon (~440 sprekker per sekund per gram – mer enn 1000 nøytroner per sekund per gram), [ 40 ] øke bakgrunnsnøytronnivået og dermed øke risikoen for predetonasjon . [ 41 ] Plutonium er identifisert som våpenkvalitet , drivstoffkvalitet eller reaktorkvalitet avhengig av prosentandelen av plutonium-240 det inneholder. Plutonium av våpenkvalitet inneholder mindre enn 7 % plutonium-240. Plutonium av reaktorkvalitet inneholder 7 % til mindre enn 19 %, og plutonium av kraftreaktorkvalitet inneholder 19 % eller mer plutonium-240. Super-grade Plutonium , med mindre enn 4% plutonium-240, brukes i USAs marinevåpen som er lagret i nærheten av skips- og ubåtmannskaper, på grunn av dens lavere radioaktivitet. [ 42 ] Isotopen plutonium-238 er ikke spaltbar, men kan lett gjennomgå kjernefysisk fisjon med raske nøytroner så vel som alfa-nedbrytning. [ 11 ]
Tjue radioaktive isotoper av plutonium er blitt karakterisert. De lengstlevende er plutonium-244, med en halveringstid på 80,8 millioner år, plutonium-242, med en halveringstid på 373.300 år, og plutonium-239, med en halveringstid på 24.110 år. Alle gjenværende radioaktive isotoper har halveringstid på mindre enn 7000 år. Dette elementet har også åtte metastabile tilstander , selv om alle har halveringstider på mindre enn ett sekund. [ 30 ]
Kjente isotoper av plutonium varierer i massetall fra 228 til 247. De primære nedbrytningsmodusene for isotoper med massetall lavere enn for den mer stabile isotopen, plutonium-244, er spontan fisjon og alfa-utslipp , som for det meste danner uran. (92 protoner ) og neptunium (93 protoner) som forfallsprodukter (forsømmer det brede spekteret av datterkjerner skapt av fisjonsprosesser). Den primære nedbrytningsmodusen for isotoper med et massetall høyere enn plutonium-244 er beta-utslipp , som for det meste danner americium (95 protoner) som forfallsprodukter. Plutonium-241 er moderisotopen til neptunium-forfallsserien , som forfaller til americium-241 via beta-utslipp. [ 30 ] [ 43 ]
Plutonium-238 og 239 er de mest syntetiserte isotopene. [ 11 ] Plutonium-239 syntetiseres gjennom følgende reaksjon ved bruk av uran (U) og nøytroner (n) via beta-forfall (β - ) med neptunium (Np) som mellomprodukt: [ 44 ]
Nøytroner fra spaltningen av uran-235 fanges opp av uran-238-kjerner for å danne uran-239; ett beta-forfall konverterer et nøytron til et proton for å danne neptunium-239 (halveringstid 2,36 dager) og et annet beta-forfall danner plutonium-239. [ 45 ] Egon Bretscher som jobbet med British Tube Alloys -prosjektet forutså denne reaksjonen teoretisk i 1940. [ 46 ]
Plutonium-238 syntetiseres ved å bombardere uran-238 med deuteroner (D, hydrogenkjernen ) i følgende reaksjon: [ 47 ]
I denne prosessen produserer et deuteron som treffer uran-238 to nøytroner og neptunium-238, som spontant forfaller ved å sende ut negative beta-partikler for å danne plutonium-238. [ 48 ] _
Isotoper av plutonium gjennomgår radioaktivt forfall, som produserer forfallsvarme . Ulike isotoper produserer forskjellige mengder varme per masse. Varmen fra forfall er vanligvis oppført som en watt/kilogram, eller milliwatt/gram. I større biter av plutonium (f.eks. en våpengrop) og utilstrekkelig varmefjerning, kan den resulterende selvoppvarmingen være betydelig. Alle isotoper produserer svak gammastråling i forfall.
Isotop | desintegrasjonsmodus | halveringstid (år) | desintegreringsvarme (W/kg) | nøytroner (1/(gs)) | Kommentar |
---|---|---|---|---|---|
238 Pu | alfa ved 234 U. | 87,74 | 560 | 2600 | Svært høy nedbrytningsvarme. Selv små mengder kan forårsake betydelig selvoppvarming. Brukes alene i en radioisotop termoelektrisk generator . |
239 Pu | alfa ved 235 U. | 24100 | 1.9 | 0,022 | Den viktigste fissile isotopen i bruk. |
240 Pu | alfa ved 236 U , spontan fisjon | 6560 | 6.8 | 910 | Den viktigste urenheten i prøvene isotop 239 Pu. Plutonium karakter er generelt oppgitt som en prosentandel av 240 Pu. Høy spontan fisjon gjør det vanskelig å bruke i atomvåpen. |
241 Pu | beta-minus, ved 241 Am | 14.4 | 4.2 | 0,049 | Henfaller til americium-241; deres akkumulering utgjør en strålingsfare i eldre prøver. |
242 Pu | alfa ved 238 U. | 376 000 | 0,1 | 1700 |
Ved romtemperatur er rent plutonium sølvfarget, men får en anløpning når det oksiderer. [ 50 ] Grunnstoffet viser fire vanlige ioniske oksidasjonstilstander i vandig løsning og en sjelden: [ 23 ]
Fargen som vises av plutoniumløsninger avhenger av både oksidasjonstilstanden og syreanionens natur . [ 52 ] Det er det sure anionet som påvirker graden av kompleksitet – hvordan atomer er koblet til et sentralt atom – av plutoniumarten. Videre er den formelle +2-oksidasjonstilstanden til plutonium i komplekset [K(2.2.2-kryptand)] [Pu II Cp″ 3 ], Cp″ = C 5 H 3 (SiMe 3 ) 2 kjent . [ 53 ]
Metallisk plutonium produseres ved å reagere plutoniumtetrafluorid med barium , kalsium eller litium ved 1200 °C. [ 54 ] Det angripes av syrer , oksygen og damp , men ikke av alkalier og løses lett opp i saltsyre , saltsyre og perklorsyre [ 55 ] Smeltet metall må holdes i et vakuum eller inert atmosfære for å forhindre reaksjon med luft . [ 36 ] Ved 135 °C vil metallet antennes i luft og eksplodere hvis det legges i karbontetraklorid . [ 9 ]
Plutonium er et reaktivt metall. I fuktig luft eller fuktig argon oksiderer metallet raskt, og produserer en blanding av oksider og hydrider . [ 28 ] Hvis metallet utsettes lenge nok for en begrenset mengde vanndamp, dannes et pulveraktig overflatelag av PuO 2 . [ 28 ] Plutoniumhydrid dannes også, men overflødig vanndamp danner bare PuO2 . [ 55 ]
Plutonium viser enorme og reversible reaksjonshastigheter med rent hydrogen, og danner plutoniumhydrid . [ 33 ] Det reagerer også lett med oksygen, og danner PuO og PuO 2 samt mellomliggende oksider; plutoniumoksid fyller 40 % mer volum enn metallisk plutonium. Metallet reagerer med halogenene , og gir opphav til forbindelser med den generelle formelen PuX 3 hvor X kan være F , Cl , Br eller I og PuF 4 er også sett. Følgende oksyhalogenider er observert: PuOCl, PuOBr og PuOI. Det vil reagere med karbon for å danne PuC, nitrogen for å danne PuN, og silisium for å danne PuSi 2 . [ 23 ] [ 9 ]
Plutoniumpulver, dets hydrider og visse oksider som Pu 2 O 3 er pyrofore , noe som betyr at de kan antennes spontant ved romtemperatur, og håndteres derfor i en tørr, inert atmosfære av nitrogen eller argon. Bulkplutonium antennes bare når det varmes opp over 400°C. Pu 2 O 3 varmes spontant opp og omdannes til PuO 2 , som er stabil i tørr luft, men reagerer med vanndamp ved oppvarming. [ 56 ]
Digler som brukes til å inneholde plutonium må kunne tåle dets sterke reduserende egenskaper . Ildfaste metaller som tantal og wolfram sammen med de mer stabile oksider, borider , karbider , nitrider og silicider kan tåle dette. Smelting i en lysbueovn kan brukes til å produsere små ingots av metall uten behov for en digel. [ 36 ]
Den brukes som en kjemisk simulant av plutonium for utvikling av inneslutning, utvinning og andre teknologier. [ 57 ]
Ionet er ustabilt i løsning og vil disproporsjonere til Pu 4+ og PuO20–2
_.
Plutonium er et grunnstoff der 5f-elektronene er overgangsgrensen mellom delokalisert og lokalisert, og det er derfor det regnes som et av de mest komplekse elementene. [ 58 ] Plutoniums uregelmessige oppførsel er forårsaket av dens elektroniske struktur. Energiforskjellen mellom delsystemene 6d og 5f er svært lav. Størrelsen på 5f-skallet er tilstrekkelig til å tillate elektroner å danne bindinger i gitteret, på selve grensen mellom lokalisert oppførsel og binding. Nærheten til energinivåene fører til flere konfigurasjoner av lavenergielektroner med nesten like energinivåer. Dette fører til konkurransen mellom 5f n 7s 2 og 5f n−1 6d 1 7s 2 konfigurasjoner, noe som forårsaker kompleksiteten til deres kjemiske oppførsel. Den sterkt retningsbestemte naturen til 5f-baner er ansvarlig for de retningsbestemte kovalente bindingene i plutoniummolekyler og komplekser. [ 33 ]
Spormengder av plutonium-238, plutonium-239, plutonium-240 og plutonium-244 kan finnes i naturen. Små spor av plutonium-239, noen få deler per trillion , og dets nedbrytningsprodukter forekommer naturlig i noen konsentrerte uranmalmer, [ 14 ] som den naturlige kjernefysiske fisjonsreaktoren i Oklo , Gabon . [ 59 ] Forholdet mellom plutonium-239 og uran i Cigar Lake Mine uranforekomst varierer fra 2,4 × 10 -12 til 44 × 10 -12 [ 60 ] Disse spormengdene av 239 Pu er De har sin opprinnelse på følgende måte: på sjeldne anledninger gjennomgår 238 U spontan fisjon, og i prosessen sender kjernen ut ett eller to frie nøytroner med en viss kinetisk energi. Når en av disse nøytronene treffer kjernen til et annet 238 U-atom, absorberes det av atomet, som blir 239 U. Med en relativt kort halveringstid avbrytes 239 U til 239 Np, som forfaller til 239 Pu. [ 61 ] [ 62 ] Endelig er det funnet svært små mengder plutonium-238, tilskrevet den ekstremt sjeldne doble beta-nedbrytningen av uran-238, i prøver av naturlig uran. [ 63 ]
På grunn av dens relativt lange halveringstid på rundt 80 millioner år, ble plutonium-244 antydet å forekomme naturlig som en primordial nuklid , men tidlige rapporter om påvisningen kunne ikke bekreftes. [ 64 ] Imidlertid sikret dens lange halveringstid dens sirkulasjon gjennom solsystemet før det ble utryddet , [ 65 ] og bevis for spontan fisjon av de utdødde 244Pu- fisjonsbanene er faktisk funnet i meteoritter. [ 66 ] Den tidligere tilstedeværelsen av 244 Pu i det tidlige solsystemet har blitt bekreftet, ettersom den manifesterer seg i dag som et overskudd av sine døtre, enten 232 Th . (fra alfa-forfallsveien) eller isotoper av xenon (fra dens spontane fisjon ). Sistnevnte er generelt mer nyttige, fordi kjemiene til thorium og plutonium er ganske like (begge er overveiende fireverdige) og dermed ville et overskudd av thorium ikke være et sterkt bevis på at noe av det ble dannet som en datter av plutonium.
Isotopen plutonium-239 er en nøkkelkomponent i atomvåpen på grunn av dens enkle fisjon og tilgjengelighet. Innkapsling av bombens plutoniumbrønn i en sabotasje (et valgfritt lag med tett materiale) reduserer mengden plutonium som trengs for å nå den kritiske massen som reflekterer unnslippende nøytroner tilbake til plutoniumkjernen. Dette reduserer mengden plutonium som trengs for å nå kritikalitet fra 16 kg til 10 kg, som er en kule med en diameter på omtrent 10 cm (4 tommer). [ 67 ] Denne kritiske massen er omtrent en tredjedel av uran-235. [ 11 ]
Plutoniumbombene av typen " Fat Man " produsert under Manhattan-prosjektet brukte eksplosiver for å komprimere plutoniumet til betydelig høyere tettheter enn normalt, kombinert med en sentral kilde til nøytroner for å starte reaksjonen og øke effektiviteten. Dermed var det kun nødvendig med 6,2 kg plutonium for et utbytte tilsvarende en 20 kilotonn TNT -eksplosjon (Se også atomvåpendesign ) Hypotetisk er det bare 4 kg plutonium, kanskje mindre, som trengs for å lage en atombombe ved bruk av svært sofistikerte monteringsdesign. [ 68 ]
Plutoniumisotoper og forbindelser er radioaktive og akkumuleres i benmargen . Plutoniumoksidforurensning har skjedd etter radioaktive hendelser og atomkatastrofer, inkludert militære atomulykker der atomvåpen har brent. [ 69 ] Studier av effektene av disse små lekkasjene, så vel som den omfattende strålingsforgiftningen og påfølgende dødsfall etter atombombene i Hiroshima og Nagasaki , har gitt betydelig informasjon om farene, symptomene og prognosen ved strålingsforgiftning. , som i tilfellet med den overlevende japaneren ( Hibakusha ), ble vist å være stort sett ikke relatert til direkte plutoniumeksponering. [ 70 ]
Under nedbrytningen av plutonium frigjøres tre typer stråling, alfa , beta og gamma . Alfastråling kan bare reise korte avstander og kan ikke reise gjennom det døde ytre laget av menneskelig hud. Betastråling kan penetrere menneskelig hud, men kan ikke passere gjennom kroppen. Gammastråling kan gå gjennom hele kroppen. [ 71 ] Alle tre typer stråling er ioniserende. Akutt eller langvarig eksponering fører til alvorlige helseproblemer, inkludert akutt strålingssyndrom , genetisk skade, kreft og til og med død. Skaden øker med eksponeringsmengden.
Det er nødvendig å forhindre at plutonium samler seg nær sin kritiske masse, fordi den kritiske massen til plutonium er en tredjedel av uran-235. Plutoniums kritiske masse sender ut dødelige mengder nøytroner og gammastråler . Plutonium i flytende tilstand har større sannsynlighet for å danne en kritisk masse enn i fast tilstand på grunn av moderering produsert av hydrogen i vann.
Metallisk plutonium antennes lett, spesielt hvis materialet er finfordelt. I et fuktig miljø danner plutonium pyrofore hydrider på overflaten, som kan ta fyr ved romtemperatur. Plutonium ekspanderer opp til 70 % i volum når det oksideres og kan sprekke beholderen. [ 56 ] Radioaktivitet fra brennende materiale er en ekstra fare. Magnesiumoksidsand er sannsynligvis det mest effektive materialet for å slukke en plutoniumbrann. Dette avkjøler det brennbare materialet, fungerer som en vask , og blokkerer også oksygen. Håndtering eller lagring av plutonium i enhver form krever spesielle forholdsregler; generelt er en tørr inert gassatmosfære nødvendig . [ 56 ] [ note 7 ]