Химия - Плутоний - Применение

01 марта 2011


Оглавление:
1. Плутоний
2. История
3. Свойства
4. Нахождение в природе
5. Изотопы
6. Сплавы
7. Меры предосторожности
8. Методы отделения
9. Применение
10. Плутоний в художественных произведениях

Металлический плутоний используется в ядерном оружии и служит в качестве ядерного топлива. Оксиды плутония используются в качестве энергетического источника для космической техники и находят свое применение в ТВЭЛах. Плутоний используется в элементах питания космических аппаратов. Ядра плутония-239 способны к цепной ядерной реакции при воздействии на них нейтронов, поэтому этот изотоп можно использовать как источник атомной энергии. Более частое использование плутония-239 в ядерных бомбах обусловлено тем, что плутоний занимает меньший объем в сфере, следовательно можно выиграть во взрывной силе бомбы за счет этого свойства. Ядро плутония при ядерной реакции испускает всреднем около 2,895 нейтрона против 2,452 нейтрона у урана-235. Однако затраты на производство плутония примерно в шесть раз больше по сравнению с ураном-235.

Изотопы плутония нашли свое применение при синтезе трансплутониевых элементов. Таким образом, смешанный оксид плутония-242 в 2009 г. и бомбардировки ионами кальция-48 в 2010 году того же изотопа были использованы для получения унунквадия. В Оук-Риджской национальной лаборатории длительное нейтронное облучение Pu используется для получения 24496Cm, 24296Cm, 24997Bk, 25298Cf и 25399Es и 257100Fm. За исключением Pu, все оставшиеся трансурановые элементы производились в прошлом в исследовательских целях. Благодаря нейтронному захвату изотопов плутония в 1944 году Г. Т. Сиборгом и его группой был одержан первый изотоп америция — 24195Am Am). Для подтверждения того, что актиноидов всего 14 был произведен в 1966 году в Дубне синтез ядер резерфордия под руководством академика Г. Н. Флёрова:

24294Pu + 2210Ne → 260104Rf + 4n.

δ-Стабилизированные сплавы плутония применяются при изготовлении топливных элементов, так как они обладают лучшими металлургическими свойствами по сравнению с чистым плутонием, который при нагревании претерпевает фазовые переходы.

«Сверхчистый» плутоний используется в ядерном оружии ВМФ США и применяется на кораблях и подводных лодках под ядерной защитой из свинца, что снижает дозовую нагрузку на команду.

Плутоний-238 и плутоний-239 являются самыми широко синтезируемыми изотопами.

• Первый ядерный заряд на основе плутония был взорван 16 июля 1945 года на полигоне Аламогордо.

Ядерное оружие

Плутоний очень часто применялся в ядерных бомбах. Историческим фактом является сброс ядерной бомбы на Нагасаки в 1945 г. США. Бомба, сброшенная на этот город, содержала в себе 6,2 кг плутония. Мощность взрыва составила 21 килотонну. К концу 1945 года погибло 60—80 тыс. человек. По истечении 5 лет, общее количество погибших, с учётом умерших от рака и других долгосрочных воздействий взрыва, могло достичь или даже превысить 140 000 человек.

Принцип, по которому происходил ядерный взрыв с участием плутония, заключался в конструкции ядерной бомбы. «Ядро» бомбы состояло из сферы, наполненной плутонием-239, которая в момент столкновения с землей сжималась до миллиона атмосфер за счет конструкции и благодаря окружающему эту сферу взрывчатому веществу. После удара ядро расширялось в объеме и в плотности за десяток микросекунд, при этом сжимаемая сборка проскакивала критическое состояние на тепловых нейтронах и становилась существенно сверхкритической на быстрых нейтронах, то есть начиналась цепная ядерная реакция с участием нейтронов и ядер элемента. При этом следовало учитывать, что бомба не должна была взорваться преждевременно. Однако это практически невозможно, так как, чтобы сжать плутониевый шар за десяток наносекунд всего на 1 см, требуется придать веществу ускорение, в десятки триллионов раз превышающее ускорение свободного падения. При конечном взрыве ядерной бомбы температура повышается до десятков миллионов градусов. Следует отметить, что в наше время для создания полноценного ядерного заряда достаточно 8—9 кг этого элемента.

Всего один килограмм плутония-239 может произвести взрыв, который будет эквивалентен 20000 т тротила. Даже 50 г элемента при делении всех ядер произведут взрыв, равный детонации 1000 т тротила. Данный изотоп является единственным подходящим нуклидом для применения в ядерном оружии, так как присутствие хотя бы 1 % Pu приведет к образованию большого количества нейтронов, которые не позволят эффективно применять пушечную схему заряда ядерной бомбы. Остальные изотопы рассматриваются только из-за их вредного действия.

Плутоний-240 может находиться в ядерной бомбе в малых количествах, однако если его содержание будет повышено, произойдет преждевременная цепная реакция. Данный изотоп имеет высокую вероятность спонтанного деления, что делает невозможным большой процент его содержания в делящемся материале.

По данным телеканала Al-Jazeera, Израиль имеет около 118 боеголовок с плутонием в качестве радиоактивного вещества. Считается, что Южная Корея имеет около 40 кг плутония, количества которого достаточно для производства 6 ядерных ракет. По оценкам МАГАТЭ в 2007 году, производимого в Ираке плутония хватало на две ядерные боеголовки в год. В 2006 г. Пакистан начал строительство ядерного реактора, который позволит нарабатывать около 200 кг радиоактивного элемента в год. В пересчете на количество ядерных боеголовок, эта цифра будет составлять приблизительно 40—50 бомб.

Между Россией и США было подписано несколько договоров на протяжении первого десятилетия 21-го века. Так в частности, в 2003 г. был подписан договор о переработке 68 т плутония на Балаковской АЭС в MOX-топливо до 2024 года. В 2007 г. страны подписали план об утилизации Россией 34 т плутония, созданного для российских оружейных программ. В 2010 году был подписан договор об утилизации ядерного оружия, в частности плутония, количества которого хватило бы на производство 17 тыс. ядерных боеголовок.

В 2010 году 17 ноября между США и Казахстаном было подписано соглашение о закрытии промышленного ядерного реактора БН-350 в городе Актау, который вырабатывал электроэнергию за счет плутония. Этот реактор был первым в мире и Казахстане опытно-промышленным реактором на быстрых нейтронах; срок его работы составил 27 лет.

Ядерное загрязнение

В период, когда начинались ядерные испытания в основе которых лежал плутоний, и когда его радиоактивные свойства только начинались изучаться, в атмосферу было выброшено свыше 5 т элемента. С 1970-х годов доля плутония в радиоактивном заражении атмосферы Земли начала возрастать.

В северо-западную часть Тихого океана плутоний попал в основном благодаря ядерным испытаниям. Повышенное содержание элемента объясняется проведением США ядерных испытаний на территории Маршалловых Островов в Тихоокеанском полигоне в 1950-х годах. Основное загрязнение от этих испытаний пришлось на 1960 года. Исходя из оценки ученых, нахождение плутония в тихом океане повышено по сравнению с общим распространением ядерных материалов на земле. По некоторым расчетам, доза облучения, исходящего от цезия-137, на атоллах Маршалловых островов составляет примерно 95 %, а на остальные 5 приходятся изотопы стронция, америция и плутония.

Плутоний в океане переносится благодаря физическим и биогеохимическим процессам. Время нахождения плутония в поверхностных водах океана составляет от 6 до 21 года, что, как правило, короче, чем у цезия-137. В отличие от этого изотопа, плутоний является элементом, частично реагирующим с окружающей средой и образующим 1—10 % нерастворимых соединений от общей массы, попавшей в окружающую среду. Плутоний в океане выпадает на дно вместе с биогенными частицами, из которых он восстанавливается в растворимые формы в результате микробного разложения. Наиболее распространенными из его изотопов в морской среде являются плутоний-239 и плутоний-240.

В январе 1968 года, американский самолет B-52 с четырьмя зарядами ядерного оружия в результате неуспешной посадки разбился на льду вблизи Туле, на территории Гренландии. Столкновение вызвало взрыв и фрагментацию оружия, в результате чего плутоний попал на льдину. После взрыва верхний слой загрязненного снега была снесен и в результате образовалась трещина, через которую плутоний попал в воду. Для уменьшения урона природе было собрано примерно 1,9 млрд литров снега и льда, которые могли подвергнуться радиоактивному загрязнению. Впоследствии оказалось, что один из четырех зарядов так и не был найден.

Известен случай, когда советский космический аппарат Космос-954 24 января 1978 года с ядерным источником энергии на борту при неконтролируемом сходе с орбиты упал на территорию Канады. Данное происшествие привело к попаданию в окружающую среду 1 кг плутония-238 на площадь около 124 000 м² .

Попадание плутония в окружающую среду связано не только с техногенными происшествиями. Известны случаи утечки плутония как из лабораторных, так и из заводских условий. Было около 22 аварийных случаев утечки из лабораторий урана-235 и плутония-239. На протяжении 1953—1978 гг. аварийные случаи привели к потере от 0,81 до 10,1 кг Pu. Происшествия на промышленных предприятиях суммарно привели к смерти двух человек в г. Лос-Аламос из-за двух случаев аварий и потерь 6,2 кг плутония. В городе Саров в 1953 и 1963 гг. примерно 8 и 17,35 кг попало за пределы ядерного реактора. Один из них привел к разрушению ядерного реактора в 1953 году.

Известен случай аварии на Чернобыльской АЭС, который произошел 26 апреля 1986 года. В результате разрушения четвертного энергоблока в окружающую среду было выброшено 190 т радиоактивных веществ на площадь около 2200 км². Восемь из 140 т радиоактивного топлива реактора оказались в воздухе. Загрязненная площадь составила 160 000 км² . Для ликвидации последствий были мобилизованы значительные ресурсы, более 600 тыс. человек участвовали в ликвидации последствий аварии. Суммарная активность веществ, выброшенных в окружающую среду, составила, по различным оценкам, до 14×10 Бк, в том числе:

• 1,8 ЭБк — 13153I,
• 0,085 ЭБк — 13755Cs,
• 0,01 ЭБк — 9038Sr
• 0,003 ЭБк — изотопы плутония,
• на долю благородных газов приходилось около половины от суммарной активности.

В настоящее время большинство жителей загрязнённой зоны получает менее 1 мЗв в год сверх естественного фона.

Источник энергии и тепла

Как известно, атомная энергия применяется для преобразования в электроэнергию за счет нагревания воды, которая испаряясь и образуя перегретый пар вращает лопатки турбин электрогенераторов. Преимуществом данной технологии является отсутствие каких либо парниковых газов, которые оказывают пагубное воздействие на окружающую среду. По состоянию за 2009 год 438 атомных станций по всему миру генерировали примерно 371,9 ГВт электроэнергии. Однако минусом ядерной промышленности являются ядерные отходы, которых в год отрабатывается приблизительно 12000 т. Данное количество отработанного материала представляет собой довольно сложную задачу перед сотрудниками АЭС. К 1982 году было подсчитано, что аккумулировано ~300 т плутония.

Желто-коричневый порошок, состоящий из диоксида плутония, способен выдерживать нагревание до температуры 1200 °C. Синтез соединения происходит с помощью разложения тетрагидроксида или тетранитрата плутония в атмосфере кислорода:

.

Полученный порошок шоколадного цвета спекается и нагревается в токе влажного водорода до 1500 °C. При этом образуются таблетки плотностью 10,5—10,7 г/см³, которые можно использовать в качестве ядерного топлива. Диоксид плутония является самым стабильным и инертным из оксидов плутония и посредством нагревания до высоких температур разлагается на составляющие, и потому применяется при переработке и хранении плутония, а также его дальнейшего использования как источника электроэнергии. Один килограмм плутония эквивалентен примерно 22 млн кВт·ч тепловой энергии.

В СССР было произведено несколько РИТЭГов Топаз, которые были предназначены для генерации электричества для космических аппаратов. Эти аппараты были предназначены работать с плутонием-238, который является α-излучателем. После падения Советского Союза США закупили несколько таких аппаратов для изучения их устройства и дальнейшего применения в своих долговременных космических программах.

Вполне достойной заменой плутонию-238 можно было бы назвать полоний-210. Его тепловыделение составляет 140 Вт/г, а всего один грамм может разогреться до 500 °C. Однако из-за его чрезвычайно малого для космических миссий периода полураспада применение этого изотопа в космической отрасли сильно ограничено.

Плутоний-238 в 2006 г. при запуске зонда New Horizons к Плутону нашел свое применение в качестве источника питания для зонда. Радиоизотопный генератор содержал 11 кг высокочистого диоксида Pu, производившего в среднем 220 Вт электроэнергии на протяжении всего пути. Высказывались опасения о неудачном запуске зонда, однако он все таки состоялся. После запуска зонд развил скорость 36000 миль/ч благодаря силам гравитации Земли. В 2007 году благодаря гравитационному маневру вокруг Юпитера его скорость повысилась еще на 9 тыс. миль, что позволит ему приблизиться на минимальное расстояние к Плутону в июле 2015 года и затем продолжить свое наблюдение за поясом Койпера.

Зонды Галилео и Кассини были также оборудованы источниками энергии, в основе которых лежал плутоний. Изотоп будет применяться и на будущих миссиях, например марсоход Curiosity будет получать энергию благодаря плутонию-238. Его спуск на поверхность Марса планируется провести в августе 2012 года. Марсоход будет использовать последнее поколение РИТЭГов, называемое Multi-Mission Radioisotope Thermoelectric Generator. Это устройство будет производить 125 Вт электрической мощности, а по истечению 14 лет — 100 Вт. Для работы марсохода будет производиться 2,5 кВт·ч энергии за счет распада ядер. Плутоний-238 является оптимальным источником энергии, выделяющим 0,56 Вт·г. Применение этого изотопа с теллуридом свинца, который используется в качестве термоэлектрического элемента, образует очень компактный и долговременный источник электричества без каких бы то ни было движущих частей конструкции, что позволяет «сэкономить» пространство космических аппаратов.

Несколько килограммов PuO₂ использовались не только на Галилео, но и на некоторых миссиях Аполлонов. Генератор электроэнергии SNAP-27, тепловая и электрическая мощность которого составляла 1480 Вт и 63,5 Вт соответственно, содержал 3,735 кг диоксида плутония-238. Для уменьшения риска взрыва или иных возможных происшествий, использовался бериллий в качестве термостойкого, лёгкого и прочного элемента. SNAP-27 был последним типом генераторов, использовавшихся NASA для космических миссий; предыдущие типы использовали другие источники электроэнергии.

При проведении пассивного сейсмического эксперимента на Луне в миссии Аполлон-11 были использованы два радиоизотопных тепловых источника мощностью 15 Вт, которые содержали 37,6 г диоксида плутония в виде микросфер. Генератор был использован в миссиях Аполлона-12, 14, 15, 16, 17. Он был призван обеспечивать электроэнергией научное оборудование, установленное на космических аппаратах. Во время миссии Аполлона-13 произошло схождение лунного модуля с траектории, в результате чего он сгорел в плотных слоях атмосферы. Внутри SNAP-27 был использован вышеупомянутый изотоп, который окружен устойчивыми к коррозии материалами и будет храниться в них еще 870 лет.

Плутоний-236 и плутоний-238 применяется для изготовления атомных электрических батареек, срок службы которых достигает 5 и более лет. Их применяют в генераторах тока, стимулирующих работу сердца. По состоянию на 2003 г. в США было 50—100 человек, имеющих плутониевый кардиостимулятор. Применение плутония-238 может распространиться на костюмы водолазов и космонавтов. Бериллий вместе с вышеуказанным изотопом применяется как источник нейтронного излучения.

В 2007 г. Великобритания начала снос старейшей ядерной электростанции Calder Hall  на плутонии, которая начала свою работу 17 октября 1956 года и завершила 29 сентября 2007.

Реакторы-размножители

Для получения больших количеств плутония строятся реакторы-размножители, которые позволяют нарабатывать значительные количества плутония. Реакторы названы именно «размножителями» потому, что с их помощью возможно получение делящегося материала в количестве, превышающем его затраты на получение.

В США строительство первых реакторов данного типа началось еще до 1950 г. В СССР и Великобритании к их созданию приступили в начале 1950 гг. Однако первые реакторы были созданы для изучения нейтронно-физических характеристик реакторов с жестким спектром нейтронов. Поэтому первые образцы должны были продемонстрировать не большие производственные количества, а возможность реализации технических решений, закладываемых в первые реакторы такого типа.

Отличие реакторов-разможителей от обычных ядерных реакторов состоит в том, что нейтроны в них не замедляются, то есть отсутствует замедлитель нейтронов, для того, чтобы их как можно больше прореагировало с ураном-238. После реакции образуются атомы урана-239, который в дальнейшем и образует плутоний-239. В таких реакторах центральная часть, содержащая диоксид плутония в обедненном диоксиде урана, окружена оболочкой из еще более обедненного диоксида урана-238, в которой и образуется Pu. Используя вместе U и U такие реакторы могут производить из природного урана энергии в 50—60 раз больше, позволяя таким образом использовать запасы наиболее пригодных для переработки урановых руд. Коэффициент воспроизводства рассчитывается отношением произведенного ядерного топлива к затраченному. Однако достижение высоких показателей воспроизводства нелегкая задача. ТВЭЛы в них должны охлаждаться чем-то отличным от воды, которая уменьшает их энергию. Было предложено использование жидкого натрия в качестве охлаждающего элемента. В реакторах-размножителях используют обогащенный более 15 % по массе уран-235, для достижения необходимого нейтронного облучения и коэффициента воспроизводства примерно 1—1,2.

В настоящее время экономически более выгодно получение урана из урановой руды, обогащенной до 3 % ураном-235, чем размножение урана в плутоний-239 с применением урана-235, обогащенного на 15 %. Проще говоря, преимуществом бридеров является способность в процессе работы не только производить электроэнергию, но и утилизировать непригодный в качестве ядерного горючего уран-238.

Просмотров: 26843

<<< Платина

Подгруппа бора >>>