Плутоний, элемент с порядковым номером 94, открыт Гленом Сиборгом (Glenn Seaborg), Эдвином Макмилланом (Edwin McMillan), Кеннеди (Kennedy), и Артуром Уолхом (Arthur Wahl) в 1940 году в Беркли при бомбардировки мишени из урана 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.
Pu-239 присутствует в природном урана в виде следов (количество - одна часть на 10 15), образуется он там в результате захвата нейтрона ядром U-238. Чрезвычайно малые количества Pu-244 (самого долгоживущего изотопа плутония, период полураспада 80 миллионов лет) были обнаружены в цериевой руде, по видимому, оставшиеся там со времен формирования Земли.
Всего известно 15 изотопов плутония, все радиоактивны. Самые значимые для проектирования ядерного оружия:
Pu 238 -> (86 лет, альфа-распад) -> U 234
Pu 239 -> (24 360 лет, альфа-распад) -> U 235
Pu 240 -> (6580 лет, альфа-распад) -> U 236
Pu 241 -> (14.0 лет, бета-распад) -> Am 241
Pu 242 -> (370 000 лет, альфа-распад) -> U 238

Физические свойства плутония

Плутоний - очень тяжелый серебристый металл, блестящий подобно никелю, когда только что очищен. Это крайне электроотрицательный, химически активный элемент, гораздо в большей степени, чем уран. Он быстро тускнеет, образую радужную пленку (подобно радужной масляной пленки), вначале светло-желтую, со временем переходящую в темно-пурпурную. Если окисление довольно велико, на его поверхности появляется оливково-зеленый порошок оксида (PuO 2).
Плутоний охотно окисляется, и быстро коррозирует даже в присутствии незначительной влажности. Странно, но он покрывается ржавчиной в атмосфере инертного газа с парами воды гораздо быстрее, чем на сухом воздухе или в чистом кислороде. Причина этого - прямое действие кислорода формирует на поверхности плутония слой оксида, мешающий дальнейшему окислению. Воздействие же влаги производит рыхлую смесь из оксида и гидрида. Для предотвращения оксидирования и коррозии требуется сушильная печь.
Плутоний имеет четыре валентности, III-VI. Хорошо растворяется только в очень кислых средах, таких как азотная или соляная кислоты, так же хорошо растворяется в иодистоводородной и хлорной кислотах. Плутониевые соли легко гидролизируются при контакте с нейтральными или щелочными растворами, создавая нерастворимую гидроокись плутония. Концентрированные растворы плутония нестабильны, в следствии радиолитического разложения, ведущего к выпадению осадка.
Вследствии своей радиоактивности, плутоний теплый на ощупь. Большой кусок плутония в термоизолированной оболочке разогревается до температуры, превышающей температуру кипения воды.

Основные физические свойства плутония:
Температура плавления: 641 °C;
Температура кипения: 3232 °C;
Плотность: 19.84 (в альфа-фазе).

Плутоний имеет множество специфических свойств. Он обладает самой низкой теплопроводностью изо всех металлов, самой низкой электропроводностью, за исключением марганца (по другим данным все же самой низкой из всех металлов). В своей жидкой фазе это самый вязкий металл.
При изменении температуры плутоний подвергается самым сильным и неестественным изменениям плотности. Плутоний обладает шестью различными фазами (кристаллическими структурами) в твердой форме, больше чем любой другой элемент (в действительности, по более строгим условиям, их семь). Некоторые переходы между фазами сопровождаются разительными изменениями объема. В двух из этих фаз - дельта и дельта прим - плутоний обладает уникальным свойством сжиматься при повышении температуры, а в остальных - имеет чрезвычайно большой температурный коэффициент расширения. При расплавлении плутоний сжимается, позволяя нерасплавленному плутонию плавать. В своей максимально плотной форме, альфа фазе, плутоний шестой по плотности элемент (тяжелее его только осмий, иридий, платина, рений и нептуний). В альфа фазе чистый плутоний хрупок, но существуют его гибкие сплавы.
Плотности и температурный диапазон фаз плутония:

Фаза Плотность Диапазон существования (°C)

альфа 19.84 (20 °C) стабильна ниже 122

бета 17.8 (122 °C) 122 - 206

гамма 17.2 (206 °C) 224 - 300

дельта прим 15.9 (319 °C) 319 - 476

эпсилон 17.0 (476 °C) 476 - 641 (точка плавления)

жидкая 16.65 (641 °C) 641 - до точки кипения

К концу 1995 года в мире было произведено в общей сложности около 1270 тонн плутония, из которого 257 т для оружейного использования, остальное - побочный продукт АЭС.
Кроме своего оружейного назначения, плутоний может потенциально применяться для производства электроэнергии. Единственную крупную программу по энергетическому использованию плутония имеет только Япония. Это показывает его экономическую неконкурентноспособность по сравнению с ураном в течении десятилетий, по следующим причинам. Стоимость переработки реакторного топлива для извлечения плутония значительно выше, чем цена низкообогащенного урана. Большинство сегодняшних предприятий не оборудованы инструментарием для работы с более опасным для жизни оксидом плутония. Стоимость охраны плутония для предотвращения кражи или диверсии с целью его оружейного применения весьма существенна. Существующие энергетические реакторы могут работать с топливом, содержащим довольно малую величину плутония, представляющую небольшую ценность, и стоимость проектирования и строительства новых реакторов так же весьма велика. Текущая достаточная поставка урана, наличие больших обогатительных мощностей и большие запасы оружейного урана в США и России, который разбавляется для изготовления коммерческого топлива, гарантируют твердые цены на уран в последующие 20-30 лет.
Плутоний имеет и несколько других применений. Самое широко распространенное из них - в радиоизотопных дымовых детекторах в Европе (в США такие же детекторы изготавливаются из америция из-за его более короткого времени полураспада). Плутониево-бериллиевый сплав работает как лабораторный источник нейтронов. Изотоп Pu-238 находится в ряде атомных термоэлектрических генераторах энергии на борту космических исследовательских аппаратов, благодаря долгому времени жизни и высокой тепловой мощности.
Плутоний - элемент практически отсутствующий в природе. Однако около 5000 кг его выделилось в атмосферу в результате ядерных испытаний. По некоторым оценкам, почва в США содержит в среднем 2 милликюри (28 мг) плутония на км 2 от выпадения радиоактивных осадков.

Металлургия плутония

При комнатной температуре плутоний представляет собой кристаллическую структуру, называемую "альфа фаза". В этой форме плутоний имеет свою максимальную плотность - около 19.84 при 20 °С. Атомы в альфа фазе связаны ковалентной связью (в отличии от металлической связи), поэтому физические свойства ближе к минералам, чем к металлам. Это твердый, хрупкий и ломающийся в определенном направлении материал. Альфа фаза не поддается обработке обычными для металлов технологиями производства.
В самом "легком" виде, дельта фазе (плотность 15.9), плутоний достаточно ковкий и вязкий. Так же и в гамма фазе.
В дельта фазе плутоний имеет нормальные металлические свойства, включая превосходную ковкость. Дельта фаза имеет прочность и пластичность сходную с алюминием, делая простой обработку и отливку. Хотя дельта фаза и проявляет аномальное свойство сжиматься при нагревании, этот отрицательный коэффициент расширения невелик. Плутоний в дельта фазе совсем неустойчив. Он стремится осесть в плотную альфа фазу под очень небольшим давлением, увеличив на 25% свою плотность. В чистом плутонии дельта фаза не может существовать при давлении более 1 килобара. Для сравнения, увеличение на 25% плотности урана (или альфа фазы плутония) требует давления 450 килобар. При давлениях свыше 30 килобар плутоний существует только в альфа и бета фазах.
Это свойство перехода дельта -> альфа фазы (и увеличение его плотности на 25%) используется в имплозионных проектах оружия. Плутоний можно стабилизировать в дельта фазе при комнатной температуре путем сплавления его с трехвалентными металлами, такими как галлий, алюминий, церий, индий и америций в концентрации нескольких молярных процентов. Даже стабилизированная, дельта фаза продолжает оставаться легко сжимаемой давлением в несколько килобар. Особенно интересен факт, что в стабилизированном галлием плутонии дельта фаза действительно метастабильна при содержании галлия менее 4 молярных процентов. Это означает, что процесс фазового перехода под давлением в альфа фазу необратим.
Для оружейного применения плутоний обычно стабилизируется в дельта фазе сплавлением с 3-3.5 молярных процента (0.9-1% по весу) галлия. Этот сплав стабилен при температурах по крайней мере от -75 до 475 °C. Стабилизация предотвращает изменения объема плутония при колебаниях температуры после изготовления, что может повредить прецезионно сделанные компоненты устройства. Сплав имеет почти нулевой коэффициент теплового расширения. Так же он облегчает литье из-за наличия единственного эпсилон -> дельта фазового перехода во время охлаждения. Наконец, стабилизация снижает восприимчивость плутония к коррозии. Трехпроцентный галлиевый сплав применялся в Gadget`е и Fat Man`е. Если не считать галлий, плутоний в их ядрах был очень высокой чистоты.
Алюминий хороший материал для сплавления, но первоначально он отсутствовал в американской оружейной программе из-за образования нейтронов в результате реакций альфа частица -> n. Церий не использовался вообще (по многим причинам), в частности, он не давал стойкость к коррозии.
Плутоний для ядер бомб покрывается слоем металла (обычно никелем) для защиты его от ржавчины и снижения биологической опасности. Два полушария для Gadget`а были покрыты гальваническим способом никелем (по другим данным - серебром), процесс был не совсем удачным и привел к появлению раковин в металле. Пересмотр метода привел к химической металлизации при выдерживании плутония в атмосфере карбонильного никеля. Никелем были покрыты ядра Fat Man"а, бомб, взорванных в операции Crossroads, и первом советском заряде РДС-1. Напыление слоя алюминия или гальванопокрытие цинком не применялись.
Потенциально серьезная проблема для использования плутония в оружии - это наличие у него высокого фона спонтанных нейтронов. Присутствие нейтронов в то время, когда еще только достигается надкритическая масса ведет к преждевременной ядерной реакции, недостаточному выходу энергии и в некоторых случаях вообще к отказу оружия, легкому "хлопку". Существуют два источника нейтронного фона.
Самый главный - присутствие изотопа Pu-240, чей уровень спонтанного деления достаточен для появления 10 6 нейтронов/с*кг. Этот изотоп неизбежно образуется в течении производства Pu-239.
Второй из них - взаимодействие сильного альфа-излучения с легкими элементами, находящимися в плутонии. Хотя эта проблема имела большое значение во время Манхэттенского проекта, когда первоначально планировалось использование пушечного дизайна, открытие Pu-240 превратило ее в далекую от практики. Для минимизации (но не исключения) присутствие легких элементов в плутонии должно находиться в отношении одна часть к миллиону, это задача достаточно трудная. Алюминий, из которого альфа-частицы выбивают нейтроны, на некотором протяжении сделался не очень желательным веществом для сплавления, хотя с современным оружейного качества плутонием этот вклад в испускание нейтронов невелик. В конечном счете, удовлетворяющие характеристики галлиевого сплава, установленные в ходе обращения с ним и относительную незначимость таких деталей, как стоимость сплавляемого материала помешали использованию веществ, подобных алюминию.
Первоначальная техника получения металлического плутония заключена в пирохимическом восстановлении галогенидов плутония щелочными металлами. Обычно PuF 4 восстанавливается кальцием и йодом, это стандартный в США метод, по крайней мере в 1970-х годах. Высшей очистки можно достичь электролитическим рафинированием пирохимически произведенного металла (не обязательный шаг для оружейного применения). Это делается в ячейках для электролиза при 700 °C с электролитом из натрия, калия и хлорида плутония, вольфрамовым или танталовым катодом. Таким образом получается 99.99% плутоний. Более новые способы базируются на прямом пирохимическом восстановлении и электрорафинировании плутониевого оксида. Среди преимуществ этих методов - меньшее количество утилизируемых отходов производства. Обработка расплавленного плутония и литье плутония осуществляется сегодня из оборудования, сделанного из слегка окисленного тантала. Литейные формы могут изготовляться из графита, мягкой стали или чугуна, если они покрыты фторидом кальция или оксидом циркония или иттрия.

Токсичность плутония

Хотя плутоний, по-видимому, химически токсичен, как и любой тяжелый металл, этот эффект выражается слабо по сравнению с его радиотоксичностью. Токсические свойства плутония появляются как следствие альфа-радиоактивности. Альфа частицы представляют серьезную опасность только в том случае, если их источник находится в теле (т.е. плутоний должен быть принят внутрь). Хотя плутоний излучает еще и гамма-лучи и нейтроны, которые могут проникать в тело снаружи, уровень их слишком мал, чтобы причинить сильный вред.
Альфа-частицы повреждают только ткани, содержащие плутоний или находящиеся в непосредственном контакте с ним. Значимы два типа действия: острое и хроническое отравления. Если уровень облучения достаточно высок, ткани могут страдать острым отравлением, токсическое действие проявляется быстро. Если уровень низок, создается накопляющийся канцерогенный эффект.
Плутоний очень плохо всасывается желудочно-кишечным трактом, даже когда попадает в виде растворимой соли, впоследствии она все равно связывается содержимым желудка и кишечника. Загрязненная вода, из-за предрасположенности плутония к осаждению из водных растворов и к формированию нерастворимых комплексов с остальными веществами, имеет тенденцию к самоочищению.
Поглощение 500 мг плутония как мелкораздробленного или растворенного материала может привести к смерти от острого облучения пищеварительной системы за несколько дней или недель. Вдыхание 100 мг плутония в виде частиц оптимального для удержания в легких размера ведет к смерти от отека легких за 1-10 дней. Вдыхание дозы в 20 мг ведет к смерти от фиброза примерно за 1 месяц. Для доз много меньших этих величин проявляется хронический канцерогенный эффект.
Для хронического действия, плутоний должен долгое время присутствовать в организме человека. Вдыхание частиц подходящего для удержания в легких размера (1-3 микрона) весьма вероятно ведет к постоянному нахождению их там (детонация взрывчатки, не повлекшая за собой ядерный взрыв, может превратить 20-50% плутония в такую форму). Самая вероятная химическая форма, попадающая в тело, это оксид плутония. Оксид используется в реакторном топливе и частицы металлического плутония быстро окисляются на воздухе. Оксид почти нерастворим в воде.
На протяжении всей жизни риск развития рака легких для взрослого примерно зависит от количества попавшего в тело плутония. Прием внутрь 1 мигрограмма плутония представляет риск в 1% развития рака (нормальная вероятность рака 20%). Соответственно 10 микрограмм увеличивают риск рака с 20% до 30%. Попадание 100 микрограмм или более виртуально гарантируют развитие рака легких (обычно через несколько десятилетий), хотя свидетельства повреждения легких могут появиться в течении нескольких месяцев.
Плутоний обычно содержится в биологических системах в степени окисления +4, имея химическое сходство с Fe 3+. Если он проникнет в систему кровообращения, то с большой вероятностью начнет концентрироваться в тканях, содержащих железо: костном мозге, печени, селезенке. Если 1.4 микрограмма разместятся в костях взрослого человека, в результате ухудшится иммунитет и через несколько лет может развиться рак. Международная комиссия по радиологической защите установила норму ежегодного поглощения на уровне 280 нанограмм. Это значит, что для профессионального облучения концентрация плутония в воздухе не должна превышать 7 пикокюри/м 3 . Максимально допустимая концентрация Pu-239 (для профессионального персонала) 40 нанокюри (0.56 микрограмма) и 16 нанокюри (0.23 микрограмма) для легочной ткани.
Период биологического полувыведения плутония 80-100 лет при нахождении в костной ткани, т.о. концентрация его там практически постоянна. Период полувыведения из печени - 40 лет. Хелатные добавки могут ускорить выведение плутония.

Оружейный плутоний

Это название применяется в США к плутонию с содержанием Pu-240 менее 7%. Типичный состав оружейного плутония приведен ниже. Первые две колонки - средний состав плутония, произведенного в Хэнфорде и Саванне в июне 1968. Третья - базируется на образцах почвы, взятых поблизости от Роки Флетс в 1970-х с учетом америция-241 (продукта распада Pu-241).

Типичный состав оружейного плутония

Хэнфорд Саванна Почва Роки Флетс

(сред. 6/68) (сред. 6/68) (сред. 1970-е)

Pu-238 менее чем 0.05% менее чем 0.05% следы

Pu-239 93.17% 92.99% 93.6%

Pu-240 6.28% 6.13% 5.8%

Pu-241 0.54% 0.86% 0.6%

Pu-242 менее чем 0.05% менее чем 0.05% следы

В США производится и сверхчистый плутоний с 3% Pu-240, для обогащения обычного плутония, и, возможно, для специальных зарядов. Некоторые американские устройства требуют содержание Pu-240 менее 1.5%.
Существенный вопрос: что подразумевает название "оружейного качества". Самая распространенная интерпретация состоит в том, что это плутоний с содержанием изотопа Pu-240 менее 7%, действительно требующийся для успешного создания оружия. По крайней мере, превышение этой отметки означает серьезный компромисс с эффективностью.
Наличие Pu-240 точно определяет характеристики оружия, ибо именно от него зависит нейтронный фон и такие вторичные явления как рост критической массы (незначительный) и тепловой выход. Нейтронный фон влияет на проект ядерного взрывного устройства (ЯВУ) ограничением общей массы заключенного плутония, необходимостью достижения скоростей имплозии выше определенного порога. Как указывалось выше, некоторые проекты (преимущественно старые), требуют плутония с низкой концентрацией Pu-240 по эти причинам.
Однако, в современных усовершенствованных конструкциях, указанные сложности не являются критическими, по крайней мере с начала 1960-х. В недавно рассекреченных документах (WASH-1037, "Введение в ядерное оружие", июнь 1972) указывается, что обозначение плутония как "оружейной чистоты" - исключительно экономический вопрос. С одной стороны, стоимость плутония падает с ростом доли Pu-240. С другой - Pu-240 увеличивает критическую массу. Около 6-7% Pu-240 делает общую стоимость плутония, с учетом указанных причин, минимальной.
Это не означает, что существующие ядерные устройства сохранят работоспособность, если увеличить уровень плутония-240. Они спроектированы для достижения наилучшего эффекта с определенным делящимся материалом и пострадают в работоспособности при изменении изотопного состава.
Принимая средний состав оружейного плутония: 93.4% Pu-239, 6.0% Pu-240 и 0.6% Pu-241 (с пренебрежимым содержанием остальных изотопов) можно просчитать следующие его свойства. Начальная тепловая мощность свежевыработанного оружейного плутония 2.2 Вт/кг, уровень спонтанного деления 27 100 делений/с. Этот показатель деления позволяет использовать в оружии 4-5 кг плутония с очень низкой вероятность предетонации при условии хорошей имплозионной системы. По прошествии пары десятилетий, большая часть Pu-241 превратится в Am-241, существенно увеличив тепловыделение - до 2.8 Вт/кг. Поскольку Pu-241 прекрасно делится, а Am-241 - нет, это приводит к снижению запаса реактивности плутония и должно приниматься в расчет конструкторами.
Нейтронное излучение 5 кг оружейного плутония 300 000 нейтронов/с создает уровень излучения 0.003 рад/час на 1 м. Фон снижается отражателем и взрывчатым веществом, окружающим его. Облегченное оружие уменьшает радиацию в 5-10 раз. С другой стороны, высокая проникающая способность нейтронов увеличивает опасность. Длительный постоянный контакт с ЯВУ во время их обычного обслуживания может привести к дозе радиации, приближающейся к предельной годовой для профессионального состава. Сотрудники плутониевых предприятий, обрабатывающие плутониевый ядра непосредственно или в герметичных боксах, имеют ограниченную защиту от радиации и могут нуждаться в переводе с этой работы на другую, чтобы не превысить годового лимита облучения.
Вследствии малой разницы в массах Pu-239 и Pu-240, эти изотопы не разделяются промышленно широко распространенными способами обогащения. Единственный способ произвести более чистый Pu-239 - сократить время пребывания в реакторе кассеты м U-238. Малые количества плутония разделяются на электромагнитном сепараторе для исследовательских целей. Для развитых государств нет причин для снижения процента Pu-240 менее 6, так как эта концентрация не мешает создавать эффективные и надежные триггеры термоядерных зарядов. Очень малое количество Pu-240 позволяет достичь некоторой дополнительной гибкости, требующейся специализированным или экзотическим изделиям.

Реакторный плутоний

Подавляющая часть сегодняшней атомной энергетики использует урановое горючие. По экономическим причинам ядерное топливо на АЭС работает долгое время и выгорает почти полностью. Степень облученности топливного элемента можно измерить в мегаватт-днях/тонну (МВт-день/т). Плутоний из отработанного ядерного топлива состоит из множества изотопов. Структура их меняется от типа реактора, рабочего режима, но типичные значения таковы:

Реакторы: на легкой воде CANDU MAGNOX

Типичный 33000МВт-день/т 7500МВт-день/т 3000МВт-день/т

Pu-238 2% 1.5% low 0.1%

Pu-239 61% 56.2% 66.6% 80.0%

Pu-240 24% 23.6% 26.6% 16.9%

Pu-241 10% 14.3% 5.3% 2.7%

Pu-242 3% 4.9% 1.5% 0.3%

Реакторы с 33 000 МВт-день/т оперировали с ураном 3-х процентного обогащения в 1970-80-х гг. Со снижением цен на обогащенный уран (из-за освобождения армейских производственных мощностей) в настоящее время используется более насыщенное U-235 топливо - 4-4.5%, позволяя довести выгорание до 45 000 МВт-день/т и даже выше. В результате в отработанном горючем содержится еще больше Pu-238, 240, 241 и 242.
Использую за основу плутоний из типичного легководного реактора, определим его тепловую мощность - 14.5 Вт/кг, увеличивающуюся до 19.6 Вт/кг за 14 лет после полураспада Pu-241 и после полного распада Pu-241 - 24 Вт/кг. Уровень нейтронов - 350 000 нейтронов/кг, удельная радиоактивность - 11.0 кюри/г (0.442 кюри/г альфа-активности).
Принимая в расчет явление изотопного разбавления критической массы (хорошо делятся только Pu-239 и Pu-241) бомба, созданная из 8 кг такого материала выдавала бы 116 Вт тепла (электролампочку такого же размера и такой же мощности невозможно держать в руках) и 2.8 миллиона нейтронов/с. С таким веществом создание атомной бомбы остается под вопросом.
Потребовалось бы система постоянного активного охлаждения ядра для предотвращения порчи ядра, взрывчатки и других компонентов. Высокий уровень нейтронного излучения неибежно вызывает преждевременную детонацию, даже с очень эффективной имплозионной системой. Однако, даже с относительно примитивной в настоящее время конструкцией Fat Man"а, можно было бы произвести взрыв в 0.5 кт или около того. С оптимальной имплозионной системой выход бы составил несколько килотонн. При технологии усиления заряда за счет синтеза, все нежелательные свойства реакторного плутония полностью обходятся, можно изготовить мощный боеприпас, несмотря на менее удобный для использования делящийся материал.
После долгого периода времени, несколько десятилетий или столетий, тепловая мощность реакторного плутония значительно снижается с распадом Pu-238 и Am-241. На нейтронный фон это сказывается мало. Сейчас отработанное реакторное топливо обычно сохраняется на неопределенное время в герметичных контейнерах. В принципе, оно может представлять интерес для террористов, особенно хранящееся уже долгое время, с сократившимся тепловыделением и радиацией.
Сорокалетнее храненение позволит распасться 30-ти процентам Pu-238 и 88-ти процентам Pu-241:
1.5% Pu-238,
67.3% Pu-239,
26.4% Pu-240,
1.3% Pu-241,
3.3% Pu-242.
Происходит снижение мощности до 11.7 Вт/кг и меньший ее рост в дальнейшем (максимум до 13.8 Вт/кг). Хранение реакторного плутония 150 лет изменит состав таким образом:
0.66% Pu-238,
69.06% Pu-239,
26.86% Pu-240,
0.01% Pu-241,
3.41% Pu-242,
с сохранением стабильного тепловыделения на уровне 7.5 Вт/кг.

Возможности обогащения плутония

Применение технологий обогащения урана для удаления нежелательных изотопов плутония технически возможно. Оно усложнено присутствием множества изотопов, отличающихся друг от друга всего одной атомной еденицей массы (U-235 и U-238 отличаются на 3) - значительно снизится и без того небольшой коэффициент сепарации. Может потребоваться двухпроходное разделение - сначала удаляются тяжелые изотопы - Pu-240 и выше, а затем (в зависимости от начального содержания и нежелательности нагрева), отделяется Pu-238. Токсичность, нейтронное излучение и самонагрев плутония во входном и выходном потоках, в обогащенном продукте - все эти факторы еще больше усложняют технологию разделения плутония по сравнению с ураном.
Есть и облегчающий процесс обогащения момент - масса сырья, которая должна быть переработана, более чем на два порядка меньше, чем при разделении природного урана. Это происходит и в следствии высокого изначального содержания Pu-239 (60-70% сравнивая с 0.72% у урана) и меньшей критической массой плутония (6 против 15 кг). Даже со всеми указанными выше сложностями, завод по обогащению плутония будет много меньше уранового безотносительно к используемой технологии разделения.
Довольно-таки легко производить оружейный плутоний из реакторного на электромагнитных сепараторах. В следствии очень высокого коэффициента разделения потребовалось бы всего одна стадия очистки и производительность сепаратора определялась бы концентрацией Pu-239 в сырье. Электромагнитный сепаратор, способный нарабатывать 0.5 урановых бомбы в год (аналогичный планировался Ираком до войны 1991 года), способен на производство 100 плутониевых бомб из реакторного плутония.
Газовая диффузия и центрифугирование тоже жизнеспособные кандидаты. Свойства гексафторида плутония сходны с гексафторидом урана и требуют лишь незначительных изменений в центрифугах или диффузионных мембраннах. Если подать на вход 60% Pu-239/25% Pu-240 плутоний, задаться выходом 94% Pu-239 и терять в шлаке половину поступающего с сырьем Pu-239, то потребуется мощность всего в 2 МПП-кг для производства 1 кг оружейного плутония. Это менее 1 % от ресурсов, нужных для производства 1 кг 90% U-235 из природного урана.
Технология AVLIS (испарение с использованием лазера) создает возможность недорогого разделения и может использоваться с реакторным плутонием в качестве исходного материала. Возможно, это одна из причин исследований по ней в восьмидесятых годах.

Денатурированный плутоний

Если извлеченный из отработавшего топлива плутоний повторно использовать в реакторах на быстрых нейтронах, его изотопный состав постепенно становится менее пригодным для оружейного использования. После нескольких топливных циклов, накопление Pu-238, Pu-240 и Pu-242 делает его неупотребимым для этой цели. Подмешивание такого материала удобный метод "денатурировать" плутоний, или переработать отработавшее ядерное топливо, гарантируя нераспространение делящихся материалов. В основном это служит препятствием против использования реакторного плутония в низкотехнологичных дизайнах. Возросший выход тепла и радиация являются досаждающими помехами, но не серьезными препятствиями, хотя они и рождают значительные проектные ограничения и проблемы с обслуживанием. При усовершенствовании ЯВУ и организации надлежащего производственного процесса такие преткновения полностью преодолеваются.

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 – 75 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.

* Нейтронами низких энергий мы называем нейтроны, энергия которых не превышает 10 кэВ. Нейтроны с энергией, измеряемой долями электронвольта, называются тепловыми, а самые медленные нейтроны – с энергией меньше 0,005 эВ – холодными. Если же энергия нейтрона больше 100 кэВ, то такой нейтрон считается уже быстрым.

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 в 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 C + O 2 = CO 2 . «Сгорая» в ядерном реакторе, грамм плутония дает 2·10 7 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 3,5·10 5 ккал энергии. Это очень много, но...

На переработку гранита и извлечение из него урана нужно затратить еще большее количество энергии – порядка 10 6 ...10 7 ккал/т. Вот если бы удалось в качестве источника энергии использовать не только 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 8·10 7 до 5·10 8 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.

Когда 2,70 >> 2,23

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 поддерживается 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 η. 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 η 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 конструктивными 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 ту же 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 η в ядерной энергетике.

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 – соосаждение с носителями, 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°C – вполне достижима.

При каких бы «ультращадящих» режимах ни отливали детали из чистого плутония, в отливках при затвердевании всегда появятся трещины. При 640°C твердеющий плутоний образует кубическую кристаллическую решетку. По мере уменьшения температуры плотность металла постепенно растет. Но вот температура достигла 480°C, 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°C, 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°C 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

В плутонии-239 в незначительном количестве содержатся и высшие изотопы этого элемента – с массовыми числами 240 и 241. Изотоп 240 Pu практически бесполезен – этот балласт в плутонии. Из 241-го получают америций – элемент №95. В чистом виде, без примеси других изотопов, длутоний-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-251 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 контейнера и 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 калифорния до эйнштейния.

Не самый тяжелый, но самый долгоживущий

Всякий раз, когда учеными 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.)

Рис. 8.

Посмотрите на график, где отражена зависимость периода полураспада четных изотопов плутония от массового числа. С увеличением массы растет и «время жизни» изотопа. Несколько лет назад высшей точки 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.

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 – 82,8 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 14 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

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 электрон-вольт 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.

Открыт в 1940-41 годах американскими учеными Г. Сиборгом, Э. Макмилланом, Дж. Кеннеди и А. Валем, которые получили изотоп 238 Рu в результате облучения урана ядрами тяжелого водорода - дейтонами. Назван в честь планеты Плутон, как и предшественники Плутония в таблице Менделеева - уран и нептуний, названия которых также произошли от планет Урана и Нептуна. Известны изотопы Плутония с массовыми числами от 232 до 246. Следы изотопов 247 Рu и 255 Рu обнаружены в пыли, собранной после взрывов термоядерных бомб. Самым долгоживущим изотопом Плутоний является α-радиоактивный 244 Рu (период полураспада T ½ около 7,5·10 7 лет). Величины T ½ всех изотопов Плутония много меньше возраста Земли, и поэтому весь первичный Плутоний (существовавший на нашей планете при ее формировании) полностью распался. Однако ничтожные количества 239 Рu постоянно образуются при β-распаде 239 Np, который, в свою очередь, возникает при ядерной реакции урана с нейтронами (например, нейтронами космического излучения). Поэтому следы Плутония обнаружены в урановых рудах.

Плутоний - блестящий белый металл, при температурах от комнатной до 640°С (t пл) существует в шести аллотропных модификациях. Аллотропные превращения Плутония сопровождаются скачкообразными изменениями плотности. Уникальная особенность металлического Плутония состоит в том, что при нагревании от 310 до 480 °С он не расширяется, как другие металлы, а сжимается. Конфигурация трех внешних электронных оболочек атома Pu 5s 2 5p 6 5d 10 5f 6 6s 2 6p 2 7s 2 . Химические свойства Плутония во многом сходны со свойствами его предшественников в периодической системе - ураном и нептунием. Плутоний образует соединения со степенями окисления от +2 до +7. Известны оксиды РuО, Рu 2 О 3 , РuО 2 и фаза переменного состава Рu 2 О 3 - Pu 4 O 7 . В соединениях с галогенами Плутоний обычно проявляет степень окисления +3, но известны также галогениды PuF 4 , PuF 6 и РuСl 4 . В растворах Плутоний существует в формах Pu 3+ , Pu 4+ , РuО 2 (плутоноил-ион), PuO 2+ (плутонил - ион) и PuO s 3- , отвечающих степеням окисления от +3 до +7. Указанные ионы (кроме РuО 3- 5) могут находиться в растворе одновременно в равновесии. Ионы Плутония всех степеней окисления склонны к гидролизу и комплексообразованию.

Из всех изотопов Плутония наиболее важен α-радиоактивный 239 Рu (T ½ = 2,4·10 4 лет). Ядра 239 Pu способны к цепной реакции деления под действием нейтронов, поэтому 239 Рu можно использовать как источник атомной энергии (энергия, освобождающаяся при расщеплении 1 г 239 Рu, эквивалентна теплоте, выделяющейся при сгорании 4000 кг угля). В СССР первые опыты по получению 239 Pu были начаты в 1943-44 годах под руководством академиков И. В. Курчатова и В. Г. Хлопина. Впервые Плутоний в СССР был выделен из облученного нейтронами урана в 1945 году. В предельно сжатые сроки были выполнены обширные исследования свойств Плутония, и в 1949 в СССР начал работать первый завод по радиохимическому выделению Плутония.

Промышленное производство 239 Pu основано на взаимодействии ядер 238 U с нейтронами в ядерных реакторах. Последующее отделение Рu от U, Np и высокорадиоактивных продуктов деления осуществляют радиохимическими методами (соосаждением, экстракцией, ионным обменом и других). Металлический Плутоний обычно получают восстановлением PuF 3 , PuF 4 или PuСO 2 парами бария, кальция или лития. Как делящийся материал, 238 Pu используют в атомных реакторах и в атомных и термоядерных бомбах. Изотоп 238 Рu применяют для изготовления атомных электрических батареек, срок службы которых достигает 5 лет и более. Такие батарейки могут применяться, например, в генераторах тока, стимулирующих работу сердца.

Плутоний в организме. Плутоний концентрируется морскими организмами: его коэффициент накопления (то есть отношение концентраций в организме и во внешней среде) для водорослей составляет 1000-9000, для планктона (смешанного) - около 2300, для моллюсков - до 380, для морских звезд - около 1000, для мышц, костей, печени и желудка рыб - 5, 570, 200 и 1060 соответственно. Наземные растения усваивают Плутоний главным образом через корневую систему и накапливают его до 0,01% от своей массы. В организме человека Плутоний задерживается преимущественно в скелете и печени, откуда почти не выводится (особенно из костей). Наиболее токсичный 239 Pu вызывает нарушения кроветворения, остеосаркомы, рак легких. С 70-х годов 20 века доля Плутония в радиоактивном загрязнении биосферы возрастает (так, облученность морских беспозвоночных за счет Плутония становится больше, чем за счет 90 Sr и 137 Cs).

Плутоний был открыт в конце 1940 г. в Калифорнийском университете. Его синтезировали Мак-Миллан, Кеннеди и Валь, бомбардируя окись урана (U 3 O 8) сильно ускоренными в циклотроне ядрами дейтерия (дейтронами). Позднее было установлено, что при этой ядерной реакции сначала получается короткоживущий изотоп нептуний-238, а из него уже плутоний-238 с периодом полураспада около 50 лет. Годом позже Кеннеди, Сиборг, Сегрэ и Валь синтезировали более важный изотоп - плутоний-239 посредством облучения урана сильно ускоренными в циклотроне нейтронами. Плутоний-239 образуется при распаде нептуния-239; он испускает alfa-лучи и имеет период полураспада 24 000 лет. Чистое соединение плутония впервые получено в 1942 r. Затем стало известно, что существует природный плутоний, обнаруженный в урановых рудах, в частности в рудах, залегах в Конго.

Название элемента было предложено в 1948 г.: Мак-Миллан назвал первый трансурановый элемент нептунием в связи с тем, что планета Нептун - первая за Ураном. По аналогии элемент 94 решили назвать плутонием, так как планета Плутон является второй за Ураном. Плутон, открытый в 1930 г., получил свое название от имени бога Плутона - властителя подземного царства по греческой мифологии. В начале XIX в. Кларк предлагал наименовать плутонием элемент барий, производя это название непосредственно от имени бога Плутона, но его предложение не было принято.

Дозообразующие радионуклиды. Часть 5
Дата: 03/08/2011
Тема: Здоровье

Приведены основные характеристики дозообразующих радионуклидов. Основной упор сделан на изложение потенциальной опасности радионуклидов. В целях безопасности применения рассмотрены радиотоксические и радиобиологические эффекты воздействия радиоизотопов на организм и окружающую среду. Изложенное даёт возможность более осознанно относиться к радиационной опасности дозообразующих радионуклидов.

11. Цезий-137

Цезий (лат. caesium - Cs, химический элемент I группы Периодической системы Менделеева, атомный номер 55, атомная масса 132,9054. Назван от латинского caesius - голубой (открыт по ярко-синим спектральным линиям). Серебристо-белый металл из группы щелочных; легкоплавкий, мягкий, как воск; плотность 1,904 г/см 3 и имеет уд. вес 1,88 (при 15ºС), Т пл - 28,4ºС. На воздухе воспламеняется, с водой реагирует со взрывом. Основной минерал - поллуцит.

Известно 34 изотопа цезия с массовыми числами 114-148, из них только один (133 Cs) стабильный, остальные - радиоактивны. Изотопная распространенность цезия-133 в природе составляет приблизительно 100%. 133 Cs относится к рассеянным элементам. В незначительных количествах он содержится практически во всех объектах внешней среды. Кларковое (среднее) содержание нуклида в земной коре - 3,7∙10 -4 %, в почве - 5∙10 -5 %. Цезий - постоянный микроэлемент растительных и животных организмов: в живой фитомассе содержится в количестве 6∙10 -6 %, в организме человека - примерно 4 г. При равномерном распределении цезия-137 в организме человека с удельной активностью 1 Бк/кг мощность поглащенной дозы, по данным различных авторов, варьирует от 2,14 до 3,16 мкГр/год .

В природе этот серебристо-белый щелочной металл встречается в виде стабильного изотопа Cs-133. Это редкий элемент со средним содержанием в земной коре 3,7∙10 -4 %. Обычный, природный цезий и его соединения не радиоактивны . Радиоактивен только искусственно получаемый изотоп 137 Cs. Долгоживущий радиоактивный изотоп цезия 137 Cs образуется при делении ядер 235 U и 239 Pu с выходом около 7%. При радиоактивном распаде 137 Cs испускает электроны с максимальной энергией 1173 кэВ и превращается в короткоживущий γ-излучающий нуклид 137m Ba (табл. 18). Обладает наивысшей среди щелочных металлов химической активностью, хранить его можно только в запаянных вакуумированных ампулах.

Таблица 18
Основные характеристики цезия-137

Изотоп	Основной вид излучения	Период полураспада, T 1/2	Значение УВ вода , Бк/дм 3	Природные вариации ОА в водах (min-max), Бк/дм 3
137 Cs (+ 137m Ba)	β(E β max = 1173 кэВ); γ(E γ = 661 кэВ)		11,0 (НРБ-99) 8,0 (СанПиН 2.3.2.560-96)	n∙10 -3 - n∙10 -2

Металлический цезий применяют в фотоэлементах и фотоумножителях при изготовлении фотокатодов и как геттер в люминесцентных трубках. Пары цезия - рабочее тело в МГД-генераторах, газовых лазерах. Соединения цезия используют в оптике и приборах ночного видения.

В продуктах ядерной реакции деления имеются значительные количества разложенных радионуклидов цезия, среди которых наиболее опасен 137 Cs . Источником загрязнения могут быть и радиохимические заводы. Выброс цезия-137 в окружающую среду происходит в основном в результате ядерных испытаний и аварий на предприятиях атомной энергетики. К началу 1981 г. суммарная активность поступившего в окружающую среду 137 Cs достигла 960 ПБк. Плотность загрязнения в Северном и Южном полушариях и в среднем на земном шаре составляла соответственно 3.42; 0.86 и 3.14 кБк/м 2 , а на территории бывшего СССР в среднем - 3,4 кБк/м 2 .

При аварии на Южном Урале в 1957 г. произошёл тепловой взрыв хранилища радиоактивных отходов, и в атмосферу поступили радионуклиды с суммарной активностью 74 ПБк, в том числе 0,2 ПБк 137 Cs. При пожаре на РХЗ в Уиндскейле в Великобритании в 1957 г. произошёл выброс 12 ПБк радионуклидов, из них 46 ТБк 137 Cs. Технологический сброс радиоактивных отходов предприятия «Маяк» на Южном Урале в р. Течу в 1950 г. составил 102 ПБк, в том числе 137 Cs 12,4 ПБк. Ветровой вынос радионуклидов из поймы оз. Карачай на Южном Урале в 1967 г. составил 30 ТБк. На долю 137 Cs пришлось 0,4 ТБк.

Настоящей катастрофой стала в 1986 г. авария на Чернобыльской атомной электростанции (ЧАЭС): из разрушенного реактора было выброшено 1850 ПБк радионуклидов, при этом на долю радиоактивного цезия пришлось 270 ПБк. Распространение радионуклидов приняло планетарные масштабы. На Украине, в Белоруссии и Центральном районе Российской Федерации выпало более половины от общего количества радионуклидов, осевших на территории СНГ. Известны случаи загрязнения внешней среды в результате небрежного хранения источников радиоактивного цезия для медицинских и технологических целей.

Цезий-137 используется в гамма-дефектоскопии, измерительной технике, для радиационной стерилизации пищевых продуктов, медицинских препаратов и лекарств, в радиотерапии для лечения злокачественных опухолей. Также цезий-137 используется в производстве радиоизотопных источников тока, где он применяется в виде хлорида цезия (плотность 3,9 г/см 3 , энерговыделение около 1,27 Вт/ см 3 ).

Цезий-137 используется в датчиках предельных уровней сыпучих веществ в непрозрачных бункерах. Цезий-137 имеет определенные преимущества перед радиоактивным кобальтом-60: более длительный период полураспада и менее жесткое гамма-излучение. В связи с этим приборы на основе 137 Cs долговечнее, а защита от излучения менее громоздка. Однако, эти преимущества становятся реальными лишь при отсутствии примеси 137 Cs с более коротким периодом полураспада и более жестким гамма-излучением .

Широкое распространение получил в качестве источника γ-излучения. В медицине цезиевые источники, наряду с радиевыми, применяются в терапевтических γ-аппаратах и устройствах для внутритканевой и полостной гамма-терапии. С 1967 г. явление перехода между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-137 используется для определения одной из основных единиц измерения времени - секунды.

Радиоцезий 137 Cs исключительно техногенный радионуклид, его наличие в изучаемой среде связано с испытаниями ядерного оружия или с использованием ядерных технологий. 137 Cs - β-γ-излучающий радиоизотоп цезия, один из главных компонентов техногенного радиоактивного загрязнения биосферы. Образуется в результате ядерных реакций деления. Содержится в радиоактивных выпадениях, сбросах, отходах радиохимических заводов. ОА 137 Cs в питьевой воде ограничивается уровнями 11Бк/дм 3 или 8 Бк/дм 3 .

Геохимической особенностью 137 Cs является его способность очень прочно задерживаться природными сорбентами. Вследствие этого при поступлении в ОПС его активность быстро уменьшается по мере удаления от источника загрязнения. Природные воды сравнительно быстро самоочищаются за счет поглощения 137 Cs взвесями и донными осадками .

Цезий может в значительных количествах накапливаться в сельскохозяйственных растениях, и, в частности, в семенах. Наиболее интенсивно поступает из водной среды и с высокой скоростью передвигается по растению. Внесение в почву калийных удобрений и известкование значительно снижают поглощение цезия растениями, и тем сильнее, чем выше доля калия .

Коэффициент накопления особенно высок у пресноводных водорослей и арктических наземных растений (особенно, лишайников), из животного мира - у северных оленей через ягель, которым они питаются. Внутрь живых организмов цезий-137 в основном проникает через органы дыхания и пищеварения. Этот нуклид поступает в основном с пищей в количестве 10 мкг/сут. Выводится из организма преимущественно с мочой (в среднем 9 мкг/сут). Цезий - постоянный химический микрокомпонент организма растений и животных. Главный накопитель цезия в организме млекопитающих - мышцы, сердце, печень. Около 80 % попавшего в организм цезия накапливается в мышцах, 8 % - в скелете, оставшиеся 12 % распределяются равномерно по другим тканям.

Цезий-137 выводится в основном через почки и кишечник. Биологический период полувыведения накопленного цезия-137 для человека принято считать равным 70 суткам (согласно данным Международной комиссии по радиологической защите). В процессе выведения значительные количества цезия повторно всасываются в кровь в нижних отделах кишечника. Эффективным средством для уменьшения всасывания цезия в кишечнике является сорбент ферроцианид, который связывает нуклид в неусваиваемую форму. Кроме того, для ускорения выведения нуклида стимулируют естественные выделительные процессы, используют различные комплексообразователи.

Развитие радиационных поражений у человека можно ожидать при поглощении дозы примерно в 2 Гр и более. Дозам в 148, 170 и 740 МБк соответствуют лёгкая, средняя и тяжёлая степени поражения, однако лучевая реакция отмечается уже при единицах МБк.

137 Cs принадлежит к группе радиоактивных веществ, равномерно распределяющихся по органам и тканям, по этой причине относится к среднеопасным по радиотоксичности нуклидам. Он обладает хорошей способностью проникать в организм вместе с калием посредством пищевых цепочек.

Основной источник поступления цезия в организм человека - загрязнённые нуклидом продукты питания животного происхождения. Содержание радиоактивного цезия в литре коровьего молока достигает 0,8-1,1 % от суточного поступления нуклида, козьего и овечьего - 10-20 %. Однако в основном он накапливается в мышечной ткани животных: в 1 кг мяса коров, овец, свиней и кур содержится 4,8, 20 и 26 % (соответственно) от суточного поступления цезия. В белок куриных яиц попадает меньше - 1,8-2,1 %. Ещё в больших количествах цезий накапливается в мышечных тканях гидробионтов: активность 1 кг пресноводных рыб может превышать активность 1 л воды более чем в 1000 раз (у морских - ниже) .

Основной источник цезия для населения России - молочные и зерновые продукты (после аварии на ЧАЭС - молочные и мясные), в странах Европы и США цезий поступает в основном с молочными и мясными продуктами и меньше - с зерновыми и овощными . Создаваемое таким образом постоянное внутреннее облучение наносит существенно больший вред, чем внешнее облучение этим изотопом .

Опубликованные методики измерения активности 137 Cs по его β-излучению предполагают радиохимическую подготовку пробы и выделение цезия с высокой степенью чистоты для исключения мешающего влияния других β-излучателей. Современные методы определения 137 Cs основаны, как правило, на регистрации гамма-излучения с энергией 661,6 кэВ. Они подразделяются на инструментальные, нижний предел определения (НПО) которых составляет 1-10 Бк/кг (или Бк/дм 3), и методы с предварительным химическим обогащением (НПО до 10 -2 Бк/кг). Для концентрирования 137 Cs из разбавленных растворов чаще всего используют его соосаждение с ферроцианидами никеля, меди, цинка, железа, кобальта, кальция, магния или сорбенты-коллекторы на их основе.

12. Плутоний

Плутоний (plutonium ) Pu - искусственный радиоактивный химический элемент III группы Периодической системы элементов Менделеева, атомный номер 94, трансурановый элемент, относится к актиноидам. Первый нуклид 238 Pu открыт в 1940 г. Г.Т.Сиборгом (G.Th.Seaborg), Э.М.Мак-Милланом (E.M. McMillan), Дж.Э.Кеннеди (J.E.Kennedy) и А.Ч.Валом (A.Ch.Wahl). Весной 1941 г. Сиборг с сотрудниками обнаружили и впервые выделили четверть микрограмма 239 Pu после распада 239 Np, образовавшегося при облучении 238 U ядрами тяжелого водорода (дейтонами). Вслед за ураном и нептунием новый элемент получил свое имя в честь открытой в 1930 г. планеты Плутон. С 24 августа 2006 г. по решению Международного астрономического союза Плутон более не является планетой Солнечной системы. В греческой мифологии Плутон (он же Аид) - бог царства мертвых .

Плутоний Pu - опаснейший тяжелый металл. Имеет 15 радиоактивных изотопов с массовыми числами от 232 до 246, в основном α-излучателей. На Земле имеются лишь следы этого элемента и только в урановых рудах. Величины Т½ всех изотопов плутония много меньше возраста Земли, и поэтому весь первичный плутоний (существовавший на нашей планете при её формировании) полностью распался. Однако ничтожные количества 239 Pu постоянно образуются при β-распаде 239 Np, который, в свою очередь, возникает при ядерной реакции урана с нейтронами (например, нейтронами космического излучения).

Поэтому следы плутония обнаружены в урановых рудах в таких микроскопических количествах (0,4-15 частей Pu на 10 12 частей U), что о его добыче из урановых руд не может быть и речи. Около 5000 кг его выделилось в атмосферу в результате ядерных испытаний. По некоторым оценкам, почва в США содержит в среднем 2 миллиКюри (28 мг) плутония на км 2 от выпадения радиоактивных осадков. Это типичный продукт творения человеческих рук; его получают в ядерных реакторах из урана-238, который последовательно превращается в уран-239, нептуний-239 и плутоний-239.

Чётные изотопы плутоний-238, -240, -242 не являются делящимися материалами, но могут делиться под действием нейтронов высокой энергии (являются делимыми). Они не способны поддерживать цепную реакцию (за исключением плутония-240). Получены изотопы 232 Pu - 246 Pu; среди продуктов взрыва термоядерных бомб обнаружены также 247 Pu и 255 Pu. Наиболее устойчив малодоступный 244 Pu (α-распад и спонтанное деление, Т 1/2 = 8,2·10 7 лет, атомная масса 244,0642). В свободном виде хрупкий серебристо-белый металл. Следы изотопов 247 Pu и 255 Pu обнаружены в пыли, собранной после взрывов термоядерных бомб.

На ядерные исследования и создание атомной промышленности в США, как позднее и в СССР, были брошены огромные силы и средства. В короткий срок были изучены ядерные и физико-химические свойства плутония (табл. 19) . Первый ядерный заряд на основе плутония был взорван 16 июля 1945 г. на полигоне Аламогордо (испытание под кодовым названием «Тринити»). В СССР первые опыты по получения 239 Pu были начаты в 1943-1944 гг. под руководством академиков И.В. Курчатова и В.Г. Хлопина. Впервые плутоний в СССР был выделен из облучённого нейтронами урана. В 1945 г. и в 1949 г. в СССР начал работать первый завод по радиохимическому выделению.

Таблица 19
Ядерные свойства важнейших изотопов плутония

Ядерные свойства	Плутоний-238	Плутоний-239	Плутоний-240	Плутоний-241	Плутоний-242
Период полураспада, годы
Активность, Ки/г
Тип радиоактив-ного распада	альфа-распад	альфа-распад	альфа-распад	бета-распад	альфа-распад
Энергия радиоактив-ного распада, МэВ

Примечание. Все изотопы плутония - слабые гамма-излучатели. Плутоний-241 превращается в америций-241 (мощный гамма-излучатель)

Лишь два изотопа плутония имеют практическое применение в промышленных и военных целях. Плутоний-238, получаемый в ядерных реакторах из нептуния-237, используется для производства компактных термоэлектрических генераторов. Шесть миллионов электрон-вольт 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 МВт. Максимальная мощность такого же по массе химического источника тока - 5 Вт.

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 неё несложно: излучение поглощается тонкостенным контейнером. Мала и вероятность самопроизвольного деления ядер этого изотопа. Поэтому он нашёл применение не только в источниках тока, но и в медицине. Батарейки с плутонием-238 служат источником энергии в специальных стимуляторах сердечной деятельности, срок службы которых достигает 5 лет и более.
Плутониево-бериллиевый сплав работает как лабораторный источник нейтронов. Изотоп Pu-238 находится в ряде атомных термоэлектрических генераторов энергии на борту космических исследовательских аппаратов. Благодаря долгому времени жизни и высокой тепловой мощности, этот изотоп используется почти исключительно в РИТЭГ космического назначения, например, на всех аппаратах, улетавших дальше орбиты Марса.

Из всех изотопов наиболее интересным представляется Pu-239, его период полураспада 24110 лет. Как делящийся материал, 239 Pu широко используют в качестве ядерного топлива в атомных реакторах (энергия, освобождающаяся при расщеплении 1 г 239 Pu, эквивалентна теплоте, выделяющейся при сгорании 4000 кг угля), в производстве ядерного оружия (т.н. «оружейный плутоний») и в атомных и термоядерных бомбах, а также для ядерных реакторов на быстрых нейтронах и атомных реакторов гражданского и исследовательского назначения. Как источник α-излучения плутоний, наряду с 210 Po, нашел широкое применение в промышленности, в частности, в устройствах элиминации электростатических зарядов. Этот изотоп находит применение и в составе контрольно-измерительной аппаратуры .

Плутоний имеет множество специфических свойств. Он обладает самой низкой теплопроводностью изо всех металлов, самой низкой электропроводностью, за исключением марганца. В своей жидкой фазе это самый вязкий металл. Температура плавления -641°C; температура кипения -3232°C; плотность - 19,84 (в альфа-фазе). Это крайне электроотрицательный, химически активный элемент, гораздо в большей степени, чем уран. Он быстро тускнеет, образуя радужную плёнку (подобно радужной масляной плёнки), вначале светло-жёлтую, со временем переходящую в тёмно-пурпурную. Если окисление довольно велико, на его поверхности появляется оливково-зелёный порошок оксида (PuO 2). Плутоний охотно окисляется, и быстро коррозирует даже в присутствии незначительной влажности .

При изменении температуры плутоний подвергается самым сильным и неестественным изменениям плотности. Плутоний обладает шестью различными фазами (кристаллическими структурами) в твёрдой форме, больше чем любой другой элемент.

Соединения плутония с кислородом, углеродом и фтором используются в ядерной промышленности (непосредственно или в качестве промежуточных материалов). Металлический плутоний не растворяется в азотной кислоте, но диоксид плутония растворяется в горячей концентрированной азотной кислоте. Однако в твердой смеси с диоксидом урана (например, в отработавшем топливе ядерных реакторов) растворимость диоксида плутония в азотной кислоте увеличивается, поскольку диоксид урана растворяется в ней. Эта особенность используется при переработке ядерного топлива (табл. 20).

Таблица 20
Соединения плутония и их применение

Соединения плутония	Применение
Диоксид плутония PuO 2	В смеси с диоксидом урана (UO 2) используется в качестве топлива для ядерных реакторов
Карбид плутония (PuC) Дикарбид плутония (PuС 2) Трикарбид плутония (PuC 3)	Потенциально могут использоваться в качестве топлива для реакторов-бридеров (размножителей)
Трифторид плутония (PuF 3) Тетрафторид плутония (PuF 4)	Являются промежуточными соединениями при производстве металлического плутония
Нитраты плутония - Pu(NO 3) 4 и Pu(NO 3) 3	Не используются. Являются продуктами переработки (при извлечении плутония из отработавшего ядерного топлива)

Важнейшие соединения плутония: PuF 6 (легкокипящая жидкость; термически значительно менее стабилен, чем UF 6), твердые оксид PuO 2 , карбид PuC и нитрид PuN, которые в смесях с соответствующими соединениями урана могут использоваться как ядерное горючее.

Наибольшее распространение получили такие радиоизотопные устройства, как ионизационные сигнализаторы пожара или радиоизотопные индикаторы дыма. При механической обработке плутоний легко образует аэрозоли.

В природе образуется при β-распаде Np-239, который, в свою очередь, возникает при ядерной реакции урана-238 с нейтронами (например, нейтронами космического излучения). Промышленное производство Pu-239 также основано на этой реакции и происходит в атомных реакторах. Плутоний-239 первым образуется в ядерном реакторе при облучении урана-238, чем длительнее этот процесс, тем больше возникает более тяжелых изотопов плутония. Плутоний-239 должен быть химически отделен от продуктов деления и оставшегося в ОЯТ урана. Этот процесс называется репроцессингом. Поскольку все изотопы имеют одинаковое число протонов и разное - нейтронов, их химические свойства (химические свойства зависят от числа протонов в ядре) тождественны, поэтому очень трудно разделить изотопы с помощью химических методов.

Последующее отделение Pu-239 от урана, нептуния и высокорадиоактивных продуктов деления осуществляют на радиохимических заводах радиохимическими методами (соосаждением, экстракцией, ионными обменами др.) Металлический плутоний обычно получают востановлением PuF 3 , PuF 4 или PuO 2 парами бария, кальция или лития.

Затем используют его способность к расщеплению под действием нейтронов в атомных реакторах, а способность к самоподдерживающейся цепной реакции деления при наличии критической массы (7 кг) - в атомных и термоядерных бомбах, где он является основным компонентом. Критическая масса его α-модификации 5,6 кг (шар диаметром 4,1 см). 238 Pu используется в «атомных» электрических батарейках, обладающих длительным сроком службы. Изотопы плутония служат сырьем для синтеза трансплутониевых элементов (Am и др.).

Облучая Pu-239 нейтронами, можно получать смесь изотопов, из которых изотоп Pu-241, также как и Pu-239, является делящимся и мог бы быть использован для получения энергии. Однако, его период полураспада 14,4 года, что не позволяет его длительно сохранять, к тому же, распадаясь, он образует неделящийся Am-241 (α-, γ-радиоактивный) с периодом полураспада 432,8 года. Получается, что примерно через каждые 14 лет количество Am-241 в окружающей среде удваивается. Обнаружить его, как и другие трансурановые элементы, обычной γ-спектрометрической аппаратурой сложно и требуются весьма специфичные и дорогостоящие методы обнаружения. Изотоп Pu- 242 по ядерным свойствам наиболее похож на уран-238, Am-241, получавшийся при распаде изотопа Pu-241, использовался в детекторах дыма.

Америций-241, также как и другие трансурановые элементы (нептуний, калифорний и другие), является экологически опасным радионуклидом, являясь преимущественно α-излучающим элементом, обуславливающим внутреннее облучение организма.

Накопленного на Земле плутония более чем достаточно . Его производства абсолютно не требуется как для обороны, так и энергетики. Тем не менее, из 13 существовавших в СССР реакторов, производивших оружейный плутоний, продолжают работать 3: два из них в г. Северске. Последний такой реактор в США был остановлен в 1988 г. .

Качество плутония определяется по процентному содержанию в нем изотопов (кроме плутония-239) (табл. 21).

На сентябрь 1998 г. цены на плутоний, установленные изотопным отделением Ок-риджской Национальной лаборатории (ORNL) были таковы: $8,25/мг за плутоний-238 (97% чистоты); $4,65/мг за плутоний-239 (>99,99%); $5,45/мг за плутоний-240 (>95%); $14,70/мг за плутоний-241 (>93%) и $19,75/мг за плутоний-242.

Таблица 21
Качество плутония

Эта классификация плутония по качеству, разработанная Департаментом энергетики США, достаточно произвольна. Например, из топливного и реакторного плутония, менее пригодных для военных целей, чем оружейный, также можно сделать ядерную бомбу. Плутоний любого качества может быть применен для создания радиологического оружия (когда радиоактивные вещества распыляются без осуществления ядерного взрыва).

Всего 60 лет назад зеленые растения и животные не содержали в своем составе плутоний, сейчас до 10 т его распылено в атмосфере. Около 650 т наработано атомной энергетикой и свыше 300 т военным производством. Значительная часть всего производства плутония находится в России .

Попадая в биосферу, плутоний мигрирует по земной поверхности, включаясь в биохимические циклы. Плутоний концентрируется морскими организмами: его коэффициент накопления (т.е. отношение концентраций в организме и во внешней среде) для водорослей составляет 1000-9000, для планктона (смешанного) - около 2300, для моллюсков - до 380, для морских звёзд - около 1000, для мышц, костей, печени и желудка рыб - 5,570, 200 и 1060 соответственно. Наземные растения усваивают плутоний главным образом через корневую систему и накапливают его до 0,01% от своей массы. С 70-х гг. 20 века доля плутония в радиоактивном загрязнении биосферы возрастает (облучённость морских беспозвоночных за счёт плутония становится больше, чем за счёт 90 Sr и 137 Cs). ПДК для 239 Pu в открытых водоёмах и воздухе рабочих помещений составляет соответственно 81,4 и 3,3ּ 10 -5 Бк/л .

Поведение плутония в воздушной среде определяет условия для безопасного хранения и обращения с ним в процессе выработки (табл. 22). Окисление плутония создает риск для здоровья людей, так как диоксид плутония, будучи устойчивым соединением, легко попадает в легкие при дыхании. Его удельная активность в 200 тыс. раз выше, чем у урана, к тому же освобождения организма от попавшего в него плутония практически не происходит в течение всей жизни человека.

Период биологического полувыведения плутония 80-100 лет при нахождении в костной ткани, концентрация его там практически постоянна. Период полувыведения из печени - 40 лет. Хелатные добавки могут ускорить выведение плутония .

Таблица 22
Изменение свойств плутония в воздушной среде

Форма и условия среды	Реакция плутония
Металлические слитки при комнатной температуре	Относительно инертен, медленно окисляется
Металлический порошок при комнатной температуре	Быстро реагирует с образованием диоксида плутония (PuO 2)
Порошок мелкого измельчения: с частицами d<1 мм и d>1 мм сс частицами d>1 мм	Произвольно возгорается: при температуре 150°С и 500°С соответственно
При повышенных температуре и влажности	Реагирует с образованием диоксида плутония (PuO 2)

Плутоний называют «ядерным ядом», его допустимое содержание в организме человека оценивается нанограммами. Международная комиссия по радиологической защите (МКРЗ) установила норму ежегодного поглощения на уровне 280 нанограмм. Это значит, что для профессионального облучения концентрация плутония в воздухе не должна превышать 7 пикоКюри/м 3 . Максимально допустимая концентрация Pu-239 (для профессионального персонала) 40 наноКюри (0.56 микрограмма) и 16 наноКюри (0.23 микрограмма) для лёгочной ткани.

Поглощение 500 мг плутония как мелкораздробленного или растворённого материала может привести к смерти от острого облучения пищеварительной системы за несколько дней или недель. Вдыхание 100 мг плутония в виде частиц оптимального для удержания в лёгких размера 1-3 микрона ведёт к смерти от отёка лёгких за 1-10 дней. Вдыхание дозы в 20 мг приводит к смерти от фиброза примерно за месяц. Для доз много меньших этих величин проявляется хронический канцерогенный эффект.
На протяжении всей жизни риск развития рака лёгких для взрослого человека зависит от количества попавшего в тело плутония. Приём внутрь 1 микрограмма плутония представляет риск в 1 % развития рака (нормальная вероятность рака 20 %). Соответственно 10 микрограмм увеличивают риск рака с 20 % до 30 %. Попадание 100 микрограмм или более гарантирует развитие рака лёгких (обычно через несколько десятилетий), хотя свидетельства повреждения лёгких могут появиться в течении нескольких месяцев. Если он проникает в систему кровообращения, то с большой вероятностью начнёт концентрироваться в тканях, содержащих железо: костном мозге, печени, селезёнке. Если 1,4 микрограмма разместятся в костях взрослого человека, в результате ухудшится иммунитет и через несколько лет может развиться рак.

Дело в том, что Pu-239 является α-излучателем, и каждая его α-частица в биологической ткани образует вдоль своего короткого пробега 150 тыс. пар ионов, повреждая клетки, производя различные химические превращения. 239 Pu принадлежит к веществам со смешенным типом распределения, поскольку накапливается не только в костном скелете, но и в печени. Очень хорошо удерживается в костях и практически не удаляется из организма благодаря замедленности обменных процессов в костной ткани. По этой причине данный нуклид принадлежит к разряду наиболее токсичных .

Находясь в организме, плутоний становится постоянным источником α-излучения для человека, вызывая костные опухоли, рак печени и лейкемию, нарушения кроветворения, остеосаркомы, рак лёгких, являясь, таким образом, одним из самых опасных канцерогенов (табл. 23).

Список литературы

1. Тихонов М.Н., Муратов О.Э., Петров Э.Л. Изотопы и радиационные технологии: постижение реальности и взгляд в будущее // Экологическая экспертиза. Обз.инф., 2006, №6, с. 38--99. - М., ВИНИТИ РАН.
Тихонов М.Н., Муратов О.Э., Петров Э.Л. Изотопы и радиационные технологии: постижение реальности и взгляд в будущее // Экологическая экспертиза. Обз.инф., 2006, №6, с. 38--99. - М., ВИНИТИ РАН.2. Баженов В.А., Булдаков Л.А., Василенко И.Я. и др. Вредные химические вещества. Радиоактивные вещества: Справочное издание //Под ред. В.А. Филова и др.-Л.: Химия, 1990. - 464 с.
3. Химическая энциклопедия: в 5 т. // Гл. ред. Зефиров Н.С. - М.: Большая Российская энциклопедия, 1995. - Т. 4, с. 153-154 (радий), с. 282 (рубидий), с. 283 (рутений), с. 300 (свинец), с. 560 (технеций), с. 613 (торий); 1999. - Т. 5, с. 41 (уран), с. 384 (цирконий).
4. Химическая энциклопедия: в 5 т. // Гл. ред. Кнунянц И.Л. - М.: Советская энциклопедия, 1990.- Т.1, с. 78 (актиний), с. 125 (эмериций), с. 241 (барий); Т. 2, с. 284 (калий), с. 286 (калифорний), с.414 (кобальт), с. 577 (лантан); 1992. Т. 3, с. 580 (плутоний).
5. Несмеянов А. Н. Радиохимия. - М.: Химия, 1978. - 560 с.
6. Широков Ю.М., Юдин Н.П. Ядерная физика. - М., Наука, 1980.
7. Козлов В.Ф. Справочник по радиационной безопасности. - 5-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1999. - 520 с.
8. Моисеев А.А., Иванов В.И. Справочник по дозиметрии и радиационной гигиене. - М.: Энергоатомиздат, 1992. - 252 с.
9. Кириллов В.Ф., Книжников В.А., Коренков И.П. Радиационная гигиена // Под ред. Л.А. Ильина. - М.: Медицина, 1988. - 336 с.
10. Рихванов Л.П. Общие и региональные проблемы радиоэкологии. - Томск: ТПУ, 1997. - 384 с.
11. Бэгнал К. Химия редких радиоактивных элементов. Полоний - актиний: Пер. с англ. // Под ред. Ю.В. Гагаринского. - М.: Изд-во иностр. лит-ры. - 256 с.
12. Гусев Н.Г., Рубцов П.М., Коваленко В.В., Колобашкин В.В. Радиационные характеристики продуктов деления: Справочник. - М.: Атомиздат, 1974. - 224 с.
13. Трансурановые элементы в окружающей среде // Под ред. У.С. Хэнсона: Пер. с англ. - М.: Мир, 1985. - 344 с.
14. Смыслов А.А. Уран и торий в земной коре. - Л.: Недра, 1974. - 232 с.
15. Ионизирующие излучения: источники и биологические эффекты. Научный комитет ООН по действию атомной радиации (НКДАР). Доклад за 1982 г. в Генеральной Ассамблее. Т.1. - Нью-Йорк, ООН, 1982. - 882 с.
16. Источники, эффекты и опасность ионизирующей радиации // Доклад Научного комитета ООН по действию атомной радиации Генеральной Ассамблее за 1988 год. - М.: Мир, 1992. - 1232 с.
17. Василенко И.Я. Токсикология продуктов ядерного деления. - М.: Медицина, 1999. - 200 с.
18. Израэль Ю.А., Стукин Е.Д. Гамма - излучение радиоактивных выпадений. - М.: Атомиздат, 1967. - 224 с.
19. Алексахин Р.М., Архипов Н.П., Василенко И.Я. Тяжелые естественные радионуклиды в биосфере. - М.: Наука, 1990. - 368 с.
20. Криволуцкий Д.А. и др. Действие ионизирующей радиации на биогеоценоз. - М.: Гидрометеоиздат, 1977. - 320 с.
21. Булдаков Л.А. Радиоактивные вещества и человек.-М.: Энергоатомиздат, 1990 - 160 с.
22. Рузер Л.С. Радиоактивные аэрозоли //Под ред. А.Н. Мартынюка. - М.: Энергоатомиздат, 2001. - 230 с.
23. Журавлев В.Ф. Токсикология радиоактивных веществ. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 336 с.
24. Моисеев А.А. Цезий-137. Окружающая среда - человек. - М.: Энергоатомиздат, 1985. - 121 с.
25. Тихонов М.Н., Муратов О.Э. Альтернативный ядерно-топливный цикл: необходимость и актуальность // Экология промышленного производства, 2009, вып. 4,с. 40-48.
26. Алексахин Р.М., Васильев А.В., Дикарев В.Г. и др. Сельскохозяйственная радиоэкология. - М., Экология, 1991.
27. Чалов П.И. Изотопное фракционирование природного урана. - Фрунзе: Илим, 1975.
28. Пилипенко А.Т. Натрий и калий // Справочник по элементарной химии. - 2-е изд. - Киев: Наукова думка, 1978, с. 316-319.
29. Тихонов М.Н. Радоновая опасность: источники, дозы и нерешенные вопросы // Экологическая экспертиза. Обз.инф., 2009, вып. 5, с. 2-108. - М., ВИНИТИ РАН.
30. Гудзенко В.В., Дубинчук В.Т. Изотопы радия и радона в природных водах. - М.: Наука, 1987. - 157 с.
31. Мартынюк Ю.Н. К вопросу о качестве питьевой воды по радиационному признаку // АНРИ, 1996, №1, с. 64-66.
32. Борисов Н.Б., Ильин Л.А., Маргулис У.Я. и др. Радиационная безопасность при работе с полонием-210 // Под ред. И.В. Петрянова и Л.А. Ильина. - М.: Атомиздат, 1980. - 264 с.
33. Методика выполнения измерений объемной активности полония-210 и свинца-210 в природных водах альфа-бета-радиометрическим методом с радиохимической подготовкой. - М., 2001.
34. Гусев Н.Г., Беляев В.А. Радиоактивные выбросы в биосфере: Справочник. - М.: Энергоатомиздат, 1991. - 255 с.
35. Болсуновский А.Я. Производство ядерных материалов в России и загрязнение окружающей среды. - В кн.: Атом без грифа «Секретно»: точки зрения. - Москва-Берлин, 1992, с. 9-29.
36. Федорова Е.А., Пономарева Р.П., Милакина Л.А. Закономерности поведения 14 С в системе атмосфера-растение в условиях непостоянной концетрации СО 2 в воздухе // Экология, 1985, №5, с. 24-29.
37. Пономарева Р.П., Милакина Л.А., Савина В.И. Закономерности поведения углерода-14 в пищевых цепях человека в условиях действия локального источника выбросов // Атомная промышленность: окружающая среда и здоровье населения / Под ред. Л.А. Булдакова, С.Н. Демина. - М., 1988, с. 240-249.
38. Рублевский В.П., Голенецкий С.П., Кирдин Г.С. Радиоактивный углерод в биосфере. - М.: Атомиздат, 1979. - 150 с.
39. Артемова Н.Е., Бондарев А.А., Карпов В.И., Курдюмов Б.С. и др. Допустимые выбросы радиоактивных и вредных химических веществ в приземном слое атмосферы. - М.: Атомиздат, 1980. - 235 с.
40. Демин С.Н. Проблема углерода-14 в районе ПО «Маяк» // Вопросы радиационной безопасности, 2000, №1, с. 61-66.
41. Сахаров А.Д. Радиоактивный углерод ядерных взрывов и непороговые биологические эффекты // Атомная энергия, 1958, Т. 4, №6, с. 576-580.
42. Сахаров А.Д. Радиоактивный углерод ядерных взрывов и непороговые биологические эффекты // Наука и всеобщая безопасность, 1991, Т. 1, №4, с. 3-8.
43. Германский А.М. Атмосферный радиоуглерод и смертность в Дании. Интернет-журнал «Коммерческая биотехнология», 2005.
44. Эванс Э. Тритий и его соединения. - М., Атомиздат, 1970.
45. Ленский Л.А. Физика и химия трития. - М., Атомиздат, 1981.
46. Беловодский Л.Ф., Гаевой В.К., Гришмановский В.И. Тритий. - М., Атомиздат, 1985.
47. Андреев Б.М., Зельвенский Я.Д., Катальников С.Г. Тяжелые изотопы водорода в ядерной технике. - М., Атомиздат, 1987.
48. Леенсон И.А. 100 вопросов и ответов по химии. - М., АСТ-Астрель, 2002.
49. Дубасов Ю.В., Окунев Н.С., Пахомов С.А. Мониторинг радионуклидов ксенона и криптона-85 в Северо-Западном регионе России в 2007-2008 гг. // Сб.докл. III Межд. ядерного форума 22-26 сент. 2008 г. - СПб.: НОУ ДПО «АТОМПРОФ», 2008, с. 57-62.
50. Ксензенко В.И., Стасиневич Д.С. Химия и технология брома, йода и их соединений. 2-е изд. - М.: Ин.лит., 1995. - 562 с.
51. Бэгнал К. Химия селена, теллура и полония. - М., 1971.
52. Методические указания МУ 2.6.1.082-96. Оценка дозы внутреннего облучения щитовидной железы йодом-131 по результатам определения содержания йода-129 в объектах окружающей среды (Утв. Зам. Главного государственного санитарного врача РФ 24 мая 1996 г.).
53. Гаврилин Ю.И., Волков В.Я., Макаренкова И.И. Ретроспективное восстановление интегральных выпадений йода-131 по населенным пунктам Брянской области России на основе результатов определения в 2008 г. содержания йода-129 в почве // Радиационная гигиена, 2009, Т. 2, №3, с. 38-44.
54. Василенко И.Я., Василенко О.И. Стронций радиоактивный // Энергия: экономика, техника, экология, 2002, №4, с. 26-32.
55. Василенко И.Я. Радиоактивный цезий-137 // Природа, 1999, №3, с. 70-76.
56. Плутониевая экономика: выход или тупик. Плутоний в окружающей среде // Сост. Миронова Н.И. - Челябинск, 1998. - 74 с.
57. Блюменталь У.Б. Химия циркония. - М., 1963.
58. Перцов Л.А. Ионизирующее излучение биосферы. - М.: Атомиздат, 1973. - 288 с.
59. Популярная библиотека химических элементов. Кн.2. Серебро-нильсборий и далее. - 3-е изд. - М.: Наука, 1983. - 573 с.
60. Огородников Б.И. Торон и его дочерние продукты в проблеме ингаляционного облучения // Атомная техника за рубежом, 2006, №6, с. 10-15.
61. Ярмоненко С.П. Радиобиология человека и животных.-М.: Высшая школа, 1988.-424 с.
62. Бабаев Н.С., Демин В.Ф., Ильин Л.А. и др. Ядерная энергетика, человек и окружающая среда /Под ред. акад. А.П. Александрова. - М.: Энергоатомиздат, 1984. - 312 с.
63. Абрамов Ю.В. и др. Определение доз внешнего облучения органов и тканей в соответствии с требованиями НРБ -99 в производственных условиях //Медицина экстремальных ситуаций, 2000, № 3 (6), с.55-60.
64. Алексахин Р.М., Булдаков Л.А., Губанов В.А. и др. Крупные радиационные аварии: последствия и защитные меры /Под общ. ред. Л.А.Ильина и В.А. Губанова. - М.: ИздАТ, 2001. -752 с.
65. Машкович В.П., Кудрявцева А.В. Защита от ионизирующих излучений: Справочник, 4-е изд. - М.: Энергоатомиздат, 1995.
66. Радиационная медицина. Т.2. Радиационные поражения человека / Под общ. ред. акад. РАМН Л.А.Ильина. -М.:ИздАТ, 2001. -432 с.