Waffenfähiges Plutonium: Anwendung, Produktion, Entsorgung. Plutonium - Anwendung Plutonium dort, wo es verwendet wird

Doch während der Reaktor in Betrieb ist, verbrennt das waffenfähige Isotop Plutonium schnell, wodurch sich im Reaktor eine große Anzahl der Isotope 240 Pu, 241 Pu und 242 Pu ansammelt, die durch den sukzessiven Einfang mehrerer Neutronen entstehen – seit dem Die Abbrandtiefe wird in der Regel durch wirtschaftliche Faktoren bestimmt. Je geringer die Abbrandtiefe, desto weniger Isotope 240 Pu, 241 Pu und 242 Pu enthalten Plutonium, das aus dem bestrahlten Kernbrennstoff abgetrennt wird, aber desto weniger Plutonium wird im Brennstoff gebildet.

Eine spezielle Produktion von Plutonium für Waffen, die fast ausschließlich 239 Pu enthalten, ist vor allem deshalb erforderlich, weil Isotope mit den Massenzahlen 240 und 242 einen hohen Neutronenhintergrund erzeugen, was die Entwicklung effektiver Atomwaffen erschwert, außerdem haben 240 Pu und 241 Pu eine deutlich kürzere Periode Halbwertszeit als 239 Pu, wodurch sich die Plutoniumteile erhitzen und zusätzliche Wärmeableitungselemente in die Konstruktion der Atomwaffe eingebaut werden müssen. Darüber hinaus zerstören die Zerfallsprodukte schwerer Isotope das Kristallgitter des Metalls, was zu einer Formänderung von Plutoniumteilen führen kann, was zum Versagen eines nuklearen Sprengsatzes führen kann.

Grundsätzlich können alle diese Schwierigkeiten überwunden werden, und nukleare Sprengkörper aus „Reaktor“-Plutonium wurden erfolgreich getestet, allerdings handelt es sich bei Munition, bei der Kompaktheit, geringes Gewicht, Zuverlässigkeit und Haltbarkeit eine wichtige Rolle spielen, ausschließlich um speziell hergestellte Waffen in Waffenqualität Plutonium wird verwendet. Die kritische Masse von metallischem 240 Pu und 242 Pu ist sehr groß, 241 Pu ist etwas größer als die von 239 Pu.

Produktion

Entsorgung

Seit Ende der 1990er Jahre haben die USA und Russland Vereinbarungen zur Entsorgung von überschüssigem waffenfähigem Plutonium getroffen.

siehe auch

Anmerkungen

1. Kritische Masse // Europäische Atomgesellschaft (Englisch)
2. VEREINBARUNG zwischen der Regierung der Russischen Föderation und der Regierung der Vereinigten Staaten von Amerika über die Zusammenarbeit bei Reaktoren, die Plutonium produzieren (in der Fassung vom 12. März 2003), erstellt von Codex JSC
3. In Schelesnogorsk wurde der letzte Reaktor des Landes geschlossen, der seit einem halben Jahrhundert waffenfähiges Plutonium produziert hatte. (nicht definiert) . Abgerufen am 10. November 2014.
4. Iwan Fursow. Uran-Diät: US-Atomindustrie könnte mit Brennstoffknappheit konfrontiert sein (Englisch), RT (25. September 2013). Abgerufen am 27. Dezember 2013. „Die Produktion von Plutonium in Militärqualität wurde sowohl in den USA (1988) als auch in Russland (1994) eingestellt.“
5. Zur internationalen Zusammenarbeit Russlands im Bereich der Entsorgung von überschüssigem waffenfähigem Plutonium / Außenministerium der Russischen Föderation, Abteilung für Sicherheits- und Abrüstungsfragen des Außenministeriums der Russischen Föderation, 11.03.2001
6. Ubeev A.V. Abkommen über die Entsorgung von Plutonium / nukleare Nichtverbreitung: Eine prägnante Enzyklopädie, PIR Center
7. 2000 Plutonium Management and Disposition Agreement / State.gov, Büro des Sprechers, 13. April 2010 (Englisch)
8. Es wurde ein Gesetz zur Ratifizierung des Abkommens zwischen den Regierungen Russlands und der Vereinigten Staaten über die Entsorgung von Plutonium unterzeichnet, das für Verteidigungszwecke nicht mehr benötigt wird // kremlin.ru, 7. Juni 2011
9. kremlin.ru,

Name und Funktionen

Sie nennen es „Waffenqualität“, um es von „Reaktorqualität“ zu unterscheiden. Plutonium entsteht in jedem Kernreaktor, der mit natürlichem oder gering angereichertem Uran betrieben wird, das hauptsächlich das Isotop 238 U enthält, wenn es überschüssige Neutronen einfängt. Aber es enthält normalerweise eine größere Menge der Isotope 240 Pu, 241 Pu und 242 Pu, die durch den sukzessiven Einfang mehrerer Neutronen entstehen – da die Abbrandtiefe normalerweise von wirtschaftlichen Faktoren bestimmt wird. Je geringer die Abbrandtiefe, desto weniger Isotope, die schwerer als 239 sind, sind in dem aus dem bestrahlten Kernbrennstoff abgetrennten Plutonium enthalten, aber desto weniger Plutonium wird im Brennstoff gebildet.

Eine spezielle Produktion von Plutonium für Waffen, die fast ausschließlich 239 Pu enthalten, ist vor allem deshalb erforderlich, weil Isotope mit den Massenzahlen 240 und 242 einen hohen Neutronenhintergrund erzeugen, was die Entwicklung effektiver Atomwaffen erschwert, außerdem haben 240 Pu und 241 Pu eine deutlich kürzere Periode Halbwertszeit als 239 Pu, wodurch sich die Plutoniumteile erhitzen und zusätzliche Wärmeableitungselemente in die Konstruktion der Atomwaffe eingebaut werden müssen. Selbst reines 239 Pu ist wärmer als der menschliche Körper. Darüber hinaus zerstören die Zerfallsprodukte schwerer Isotope das Kristallgitter des Metalls, was zu einer Formänderung von Plutoniumteilen führen kann, was zum Versagen eines nuklearen Sprengsatzes führen kann.

Grundsätzlich können alle diese Schwierigkeiten überwunden werden, und nukleare Sprengkörper aus „Reaktor“-Plutonium wurden erfolgreich getestet, allerdings handelt es sich bei Munition, bei der Kompaktheit, geringes Gewicht, Zuverlässigkeit und Haltbarkeit eine wichtige Rolle spielen, ausschließlich um speziell hergestellte Waffen in Waffenqualität Plutonium wird verwendet. Die kritische Masse von metallischem 240 Pu und 242 Pu ist sehr groß, 241 Pu ist etwas größer als die von 239 Pu.

In der UdSSR erfolgte die Produktion von waffenfähigem Plutonium zunächst im Werk Mayak (in der Nähe des Bahnhofs Kyschtym, Gebiet Tscheljabinsk), dann im sibirischen Chemiewerk in Sewersk (ehemals Tomsk-7) und später im Krasnojarsker Bergbau und Das Chemiewerk in der Stadt Zheleznogorsk (auch bekannt als Sotsgorod und Krasnojarsk-26) wurde in Betrieb genommen.

In den Vereinigten Staaten wurde an mehreren Orten waffenfähiges Plutonium produziert, beispielsweise im Hanford-Komplex im Bundesstaat Washington.

siehe auch

Anmerkungen

Links

• Reaktor- und waffenfähiges Plutonium in nuklearen Sprengstoffen, Canadian Coalition for Nuclear Responsibility
• Atomwaffen und Power-Reaktor-Plutonium, Amory B. Lovins, 28. Februar 1980, Nature, Bd. 283, Nr. 5750, S. 817–823
• Garwin Richard L. Der Kernbrennstoffkreislauf: Ist Wiederaufbereitung sinnvoll? // Kernenergie / B. van der Zwaan. – World Scientific, 1999. – S. 144. – ISBN 978-981-02-4011-0

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Entwicklung der radiochemischen Technologie
Die Entwicklung der nationalen Schule für Radiochemie begann am Radiuminstitut der Akademie der Wissenschaften der UdSSR unter der Leitung des Akademiemitglieds V. G. Khlopin. Im Jahr 1946 wurde am RIAN die erste Acetat-Fluorid-Technologie des Landes zur industriellen Trennung von Plutonium und Uran aus bestrahltem Uranbrennstoff vorgeschlagen. Die Technologie wurde in der experimentellen radiochemischen Anlage U-5 am NII-9-Institut getestet und getestet und in der ersten radiochemischen Anlage (Anlage B) in Tscheljabinsk-40 (später Tscheljabinsk-65) implementiert.
In der Anfangsphase des Betriebs basierte die chemische Aufbereitung der Anlage B auf dem Redoxprozess der Acetatfällung von Uranyltriacetat. Dieser Prozess erfolgte in zwei Schritten: Der erste Schritt umfasste die Reinigung von Plutonium und Uran aus Spaltprodukten und die Trennung von Plutonium vom Uran während der Acetatabscheidung. In der zweiten Stufe erfolgte die Raffination (zusätzliche Reinigung) von Plutonium während seiner Fällung mit Lanthanfluorid.
Die radiochemische Technologie wurde ständig verbessert, um ihre Sicherheit, die Vollständigkeit der Rückgewinnung und die Reinheit von Plutonium und Uran zu verbessern und den Materialverbrauch und das erzeugte Abfallvolumen zu reduzieren. Aufgrund der hohen chemischen Aggressivität von Fluor war der Einsatz der Lanthan-Fluorid-Technologie teuer und unsicher. Daher wurde bei der Entwicklung der zweiten radiochemischen Anlage (BB-Anlage), die Ende der 50er Jahre in Tscheljabinsk-40 gebaut wurde, beschlossen, auf die Lanthan-Fluorid-Technologie zu verzichten und stattdessen einen doppelten Acetat-Abscheidungszyklus zu verwenden. Allerdings war die Acetattechnologie auch sehr teuer, verursachte große Mengen an Lösungen und Abfällen und erforderte die Schaffung einer Reihe von Hilfsindustrien. Daher wurde in den frühen 60er Jahren der zweite Zyklus der Acetatfällung (in der Plutoniumraffinierungsstufe) durch Sorptionsmethoden ersetzt, die auf der selektiven Absorption von Plutonium durch Ionenaustauscherharze basierten. Die Einführung der Sorptionstechnologie verbesserte die Qualität der Produkte des Werks erheblich. Der Einsatz der neuen Technologie erwies sich jedoch als unsicher und nach der Explosion einer Sorptionskolonne in Tscheljabinsk im Jahr 196590 wurde beschlossen, mit der Einführung von Extraktionstechnologien zu beginnen. (Die ersten Forschungen zu Extraktionstechnologien begannen Ende der 40er Jahre.) Extraktionstechnologien sind zur Grundlage des derzeit vorherrschenden Schemas zur Wiederaufbereitung abgebrannter Reaktorbrennstoffe vom Typ Purex geworden und werden in allen radiochemischen Anlagen in Russland eingesetzt. Purex ist ein mehrstufiges Verfahren, das auf der selektiven Extraktion von Plutonium und Uran mithilfe von Tributylphosphat basiert.
An der Entwicklung radiochemischer Technologien waren viele Institute und Organisationen beteiligt. Die wissenschaftliche Entwicklung und Erprobung radiochemischer Technologien wurde am Radium-Institut, am Allrussischen Forschungsinstitut für anorganische Materialien und am Allrussischen Forschungsinstitut für chemische Technologie durchgeführt.91 Die wichtigsten Designentwicklungen und die Produktion von Geräten wurden von durchgeführt Swerdlowsker Forschungsinstitut für Chemieingenieurwesen. Designlösungen wurden vom All-Union Scientific Research and Design Institute of Energy Technologies (VNIPIET) in Leningrad untersucht oder entwickelt. Die Hauptlast der Erprobung wissenschaftlicher und technischer Lösungen und der Einführung von Technologien wurde direkt von den Plutoniumproduktionsanlagen getragen.
Plutonium-Produktionskomplex
Die industrielle Produktion von Plutonium erfolgte durch einen integrierten Komplex aus drei Anlagen: Tscheljabinsk-65, Tomsk-7 und Krasnojarsk-26.

Tscheljabinsk-65 (PO Mayak)
Das Werk Tscheljabinsk-65, derzeit bekannt als PA Mayak,92 liegt im Norden der Region Tscheljabinsk in der Stadt Ozersk. Das 1948 gegründete Werk war der erste Komplex in der UdSSR zur Herstellung von Plutonium und Plutoniumprodukten. Die Plutoniumproduktion erfolgte durch fünf Uran-Graphit-Reaktoren (A, IR-AI, AV-1, AV-2 und AV-3), die zwischen 1948 und 1955 in Betrieb genommen wurden.93 Zwischen 1987 und 1990. Alle Uran-Graphit-Reaktoren wurden abgeschaltet. Sie werden derzeit für wissenschaftliche Beobachtungen genutzt und für den Rückbau vorbereitet. Die Reaktoranlage umfasste (und umfasst) zu verschiedenen Zeiten andere Reaktortypen, die zur Herstellung von Tritium und anderen Isotopen verwendet wurden.
Bestrahlter Brennstoff aus Industriereaktoren wurde in der zur Anlage gehörenden radiochemischen Anlage (Anlage B) verarbeitet. Die radiochemische Anlage begann am 22. Dezember 1948 mit der Verarbeitung von bestrahltem Uran und die ersten Betriebsjahre waren äußerst schwierig. Mangelnde Erfahrung und Wissen, mangelhafte Technologie und Ausrüstung, hohe Korrosion und Radioaktivität der Prozesslösungen führten zu einer hohen Unfallrate und einer übermäßigen Belastung des Personals.94 Die Anlage wurde Anfang der 50er Jahre mehrmals umgebaut und war bis 1959 kontinuierlich in Betrieb In diesem Moment begannen die Produktionsmengen zu sinken und Anfang der 60er Jahre wurde das Werk geschlossen. Anschließend wurde auf dem Gelände der Anlage B die radiochemische Anlage RT-1 errichtet.
Die Wiederaufbereitung von Industriereaktorbrennstoffen wurde im BB-Werk fortgesetzt. Der Bau der BB-Anlage, die die erste radiochemische Produktion ersetzen sollte, begann 1954 und wurde im September 1959 vollständig abgeschlossen. 1987, nachdem zwei der fünf Plutonium produzierenden Reaktoren abgeschaltet worden waren, wurde die BB-Anlage gestoppt und die Waffentrennung vorgenommen -Plutonium in Tscheljabinsk 65 wurde eingestellt. Zwischen 1987 und 1990 Der bestrahlte Brennstoff aus weiter betriebenen Industriereaktoren wurde zur Wiederaufbereitung in die radiochemische Anlage in Tomsk-7 geschickt.
Plutoniumprodukte aus radiochemischen Anlagen wurden in die chemische und metallurgische Anlage B überführt. Anlage B wurde 1948 zur Herstellung von Plutoniummetall und Kernwaffenteilen gebaut.95 Die zweite Stufe der Anlage ermöglichte die Herstellung von Waffenteilen aus Uran. Derzeit arbeitet das Werk weiterhin an der Verarbeitung von spaltbarem Waffenmaterial und der Herstellung von Munitionsteilen. Im Jahr 1997 begann die Anlage ebenso wie die chemische und metallurgische Produktion in Tomsk-7 mit der Anreicherung von waffenfähigem Uran.
Neben der Produktion von Plutonium wurde in Tscheljabinsk-65.96 auch die Produktion von Tritium und anderen speziellen Isotopen etabliert. Seit 1951 wurde für diese Zwecke ein 50-MW-KI-Reaktor eingesetzt, der mit 2 % angereichertes Uran als Brennstoff verwendete. Etwas später wurde die Tritiumproduktion in Schwerwasserreaktoren organisiert, der erste davon war der Reaktor OK-180.97 (die Tritiumproduktion im OK-180 begann offenbar erst nach 1954, der zweite Schwerwasserreaktor). in Betrieb genommen - OK-190. Diese Reaktoren wurden 1965 und 1986 abgeschaltet. und sie wurden durch zwei Neuinstallationen ersetzt. 1979 wurde der Leichtwasserreaktor (Wasser-Wasser) „Ruslan“ in Betrieb genommen, 1986-1987 der Schwerwasserreaktor „Ljudmila“.98 Die Reaktoren „Ruslan“ und „Ljudmila“ werden weiterhin genutzt die Produktion von Tritium, Isotopenrohstoffen für die Radioisotopenanlage (Plutonium-238, Kobalt-60, Kohlenstoff-14, Iridium-192 und andere) und strahlungsdotiertem Silizium.
Die Isotopentrennung erfolgt durch den Anlagenkomplex RT-1. Der zur Tritiumproduktion bestrahlte Brennstoff wird in die Tritiumanlage transportiert, die zur Mayak PA, dem einzigen Produktionsunternehmen des Landes, gehört.
Tritium und Tritiumeinheiten für Atomwaffen.“ Isotopenprodukte werden an die Radioisotopenanlage (seit 1962 in Betrieb) zur Herstellung von Alpha-, Gamma- und Beta-Radioquellen, Wärmegeneratoren auf Basis von Plutonium-238 und Strontium-90 und einem breiten Sortiment geliefert von Radionukliden.100
Das Mayak-Werk ist ein wichtiger Teil des Brennstoffkreislaufs von Kernkraftwerksreaktoren und anderen Reaktoranlagen. Ein erheblicher Teil der Infrastruktur des alten Verteidigungswerks B wurde Teil der radiochemischen Anlage RT-1, die 1976 in Betrieb genommen wurde. Die erste RT-1-Linie war für die Verarbeitung von hochangereichertem Uran-Aluminium-Brennstoff aus Industrie- und Schiffsbetrieben konzipiert Reaktoren. Im Jahr 1978 begann die Anlage mit der Wiederaufbereitung von Brennstoffen aus WWER-440-Reaktoren. Derzeit werden drei RT-1-Technologielinien für die Verarbeitung von Brennstoff aus WWER-440- und BN-600-Reaktoren, Brennstoff aus Transport- und Forschungsreaktoren und HEU-Brennstoff aus Industriereaktoren verwendet. Die Kraftstoffaufbereitung erfolgt nach dem Purex-Schema. Zur Anlage gehören außerdem Anlagen zur Annahme und Zwischenlagerung abgebrannter Brennelemente, Anlagen zur Lagerung, Aufbereitung und Verglasung radioaktiver Abfälle sowie Lageranlagen für abgetrenntes Uran und Plutonium. Die RT-1-Anlage ist in der Lage, jährlich 400 Tonnen Brennstoff aus Kernkraftwerksreaktoren und 10 Tonnen Brennstoff aus Transportreaktoren zu verarbeiten (20–30 Reaktorzonen von Transportanlagen pro Jahr).
Der Tätigkeitsbereich von RT-1 umfasst neben der Wiederaufbereitung von Brennstoffen auch Arbeiten zur Entsorgung radioaktiver Abfälle und experimentelle Forschungsarbeiten

und Pilotanlagen zur Herstellung von gemischtem Uran-Plutoniumoxid-Brennstoff (MOX-Brennstoff). In Tscheljabinsk-65 wurde mit dem Bau einer Anlage zur Herstellung von Plutoniumbrennstoff für schnelle Reaktoren begonnen (Werkstatt 300).101 Der Bau der halbfertigen Anlage wurde 1989 eingefroren.
Tscheljabinsk-65 ist einer der Hauptstandorte für die Lagerung von spaltbarem Material. Die RT-1-Anlage lagert etwa 30 Tonnen nukleartaugliches Plutonium.102 Die Anlage lagert auch erhebliche Mengen an waffenfähigem spaltbarem Material, das aus demontierten Atomwaffen gewonnen wurde. Im Sommer 1994 begann in Tscheljabinsk-65 der Bau eines zentralen Lagers für waffenfähiges Uran und Plutonium, das beim Abbau von Atomwaffen freigesetzt wurde. Es wird davon ausgegangen, dass die erste Stufe des Lagers, das 25.000 Container mit waffenfähigem Material aufnehmen kann, 1999 in Betrieb genommen wird; Durch den Bau der zweiten Etappe wird die Lagerkapazität auf 50.000 Container erhöht. Laut dem vom St. Petersburger Institut VNIPIET entwickelten Projekt soll das Endlager eine sichere Lagerung von Materialien für 80–100 Jahre ermöglichen.103
Das Werk verfügt über eine breite wissenschaftliche und technische Basis zur Unterstützung der Arbeit seiner Hauptproduktionsanlagen, zu denen ein zentrales Werkslabor, ein Instrumentenwerk, ein Werkzeugwerk, eine Maschinenreparaturwerkstatt und eine spezialisierte Konstruktionsabteilung gehören. Die Stadt verfügt über eine Zweigstelle des Moskauer Instituts für Technische Physik, der führenden Universität des Landes auf dem Gebiet der angewandten Kernphysik.
Tomsk-7 (Sibirische Chemiefabrik)
Das Sibirische Chemiewerk in Tomsk-7104 wurde 1949 als Komplex zur Herstellung von waffenfähigem Spaltmaterial und Teilen daraus gegründet. Die Plutoniumproduktion in Tomsk-7 erfolgte durch fünf Reaktoren: I-1, EI-2, ADE-3, ADE-4 und ADE-5. Der am 20. November in Betrieb genommene I-1-Reaktor war konstruktionsbedingt ein Direktstromreaktor und diente ausschließlich der Plutoniumproduktion. Im September 1958 bzw. Juli 1961 wurden im Kraftwerk die Reaktoren EI-2 und ADE-3 in Betrieb genommen. Die Reaktoren ADE-4 und ADE-5 wurden 1965 und 1967 in Betrieb genommen. Mit Ausnahme von I-1 verfügten alle Tomsk-7-Reaktoren über einen geschlossenen Wärmeabfuhrkreislauf und wurden sowohl zur Plutoniumproduktion als auch zur Wärme- und Stromerzeugung genutzt.
Die ersten drei Reaktoren in Tomsk-7 wurden am 21. August 1990 (I-1), 31. Dezember 1990 (EI-2) und 14. August 1992 (ADE-3) abgeschaltet. Die beiden noch in Betrieb befindlichen Reaktoren haben eine Gesamtleistung von 3800 MW und produzieren 660-700 MW Wärme und 300 MW Strom. Wärmeenergie wird zur Wärmeversorgung von Sewersk (Tomsk-7) und dem nahegelegenen Tomsk sowie für den Produktionsbedarf des Sibirischen Chemiekombinats und des benachbarten petrochemischen Komplexes verwendet.
Derzeit werden die abgebrannten Brennelemente aus Industriereaktoren des Sibirischen Chemiekombinats in der 1956 in Betrieb genommenen radiochemischen Anlage der Anlage wiederaufbereitet. Bis 1983 erfolgte die Wiederaufbereitung der Brennstoffe nach dem Acetatschema. Anschließend wurde die Anlage auf die Purex-Technologie umgestellt.
Bis vor Kurzem wurde das in der radiochemischen Anlage isolierte Plutonium an die chemische und metallurgische Anlage Tomsk-7 geliefert, wo es in Metallform umgewandelt, legiert und Munitionsteile hergestellt wurde.105 Offenbar wurde frisch produziertes Plutonium mit Plutonium aus stillgelegten Sprengköpfen gemischt, um eine Aufrechterhaltung der Sprengwirkung zu gewährleisten akzeptables Konzentrationsniveau
Americium-241 in Plutonium.106 Ab Oktober 1994 wird frisch produziertes Plutonium in Dioxid umgewandelt und zur Lagerung geschickt.
Ein weiterer Teil des Chemie- und Hüttenwerks beschäftigt sich mit der Verarbeitung von hochangereichertem Uran und der Herstellung von Waffenteilen daraus. Im Jahr 1994- Hier begannen die Arbeiten zur Umwandlung von hochangereichertem waffenfähigem Uran in schwach angereichertes Uran im Rahmen des russisch-amerikanischen Abkommens über den Verkauf von HEU. Ein Teil der in Tomsk-7 durchgeführten Arbeiten umfasst die Umwandlung von metallischem Uran in die Oxidform. Ein erheblicher Teil des Urans durchläuft eine radiochemische Verarbeitung, um chemische Verunreinigungen (Legierungsmaterialien, Rückstände von Spaltprodukten und Transuranelemente) zu entfernen. Gereinigtes Uranoxidpulver wird in versiegelten Behältern verpackt und zur Fluorierung und Entanreicherung nach Swerdlowsk-44 und Krasnojarsk-45 geschickt. Ende 1996 wurde in Tomsk-7.107 auch eine Produktionsstätte zur Fluoridierung und Urananreicherung in Betrieb genommen
Krasnojarsk-26 (Bergbau- und Chemiekombinat)
Das Werk in Krasnojarsk-26108 wurde im Februar 1950109 zur Herstellung von waffenfähigem Plutonium gegründet. Eine Besonderheit der Reaktor- und Radiochemieanlagen sowie der dazugehörigen Werkstätten, Labore und Lager von Krasnojarsk-26 ist ihre Lage in einem mehrstufigen Tunnelsystem innerhalb eines Gebirges in einer Tiefe von 200–250 m unter der Erde.
Die Reaktoranlage Krasnojarsk-26 wurde am 25. August 1958 in Betrieb genommen und bis 1964 waren in der Anlage drei Graphitreaktoren in Betrieb (AD, ADE-1, ADE-2). 1964 wurde in Krasnojarsk-26 eine radiochemische Anlage in Betrieb genommen. (Von 1958 bis 1964 wurde abgebrannter Reaktorbrennstoff in den Anlagen Tscheljabinsk-65 und/oder Tomsk-7 wiederaufbereitet.) Plutoniumdioxid, das Endprodukt der Anlage, wurde in die chemischen und metallurgischen Anlagen Tscheljabinsk-65 und/oder überführt Tomsk-7 zur Herstellung von metallischem Plutonium und Waffenteilen. Seit Oktober 1994 wird abgetrenntes Plutonium in Oxidform in den Lagerhallen des Werks gelagert.
Zwei Durchlaufreaktoren von Krasnojarsk-26 (AD und ADE-1) wurden 1992 abgeschaltet.11 Der dritte Reaktor verfügt über ein Zweikreis-Kühlsystem und ähnelt im Design den in Betrieb befindlichen Reaktoren von Tomsk-7. Wie Tomsk-7 produziert der Reaktor Wärme für die lokale Bevölkerung und kann nicht abgeschaltet werden, ohne Ersatzkapazitäten zu bauen.
1972 begannen die Arbeiten zum Entwurf des radiochemischen Anlagenkomplexes RT-2 in Krasnojarsk-26. Gemäß dem Projekt muss die RT-2-Anlage die radiochemische Verarbeitung von Brennstoffen aus WWER-1000-Reaktoren durchführen. Der Bau der ersten Stufe der Lageranlage für abgebrannte Reaktorbrennstoffe begann 1976 auf einem oberirdischen Gelände 4–5 km nördlich des unterirdischen Komplexes. Das Lager mit einer Kapazität von 6.000 Tonnen Brennstoff wurde im Dezember 1985 in Betrieb genommen und war 1995 zu 15–20 % ausgelastet. Der Bau der zweiten Stufe der radiochemischen Anlage RT-2 mit einer Kapazität von ebenfalls 1.500 Tonnen/Jahr begann in den späten 70er Jahren. Aufgrund unzureichender Finanzierung und des Widerstands der örtlichen Umweltbewegung wurde der Bau der Anlage (zu 30 % abgeschlossen) jedoch 1989 eingefroren. Trotz der Entscheidung der russischen Regierung, den Bau im Februar 1995 abzuschließen112, bleibt die Zukunft der RT-2-Anlage unklar.

Plutonium (lateinisch Plutonium, Symbol Pu) ist ein radioaktives chemisches Element mit der Ordnungszahl 94 und dem Atomgewicht 244,064. Plutonium ist ein Element der Gruppe III des Periodensystems von Dmitri Iwanowitsch Mendelejew und gehört zur Familie der Aktiniden. Plutonium ist ein schweres (Dichte unter Normalbedingungen 19,84 g/cm³), sprödes radioaktives Metall von silbrig-weißer Farbe.

Plutonium hat keine stabilen Isotope. Von den hundert möglichen Isotopen von Plutonium wurden fünfundzwanzig synthetisiert. Die nuklearen Eigenschaften von fünfzehn von ihnen wurden untersucht (Massenzahlen 232–246). Vier davon haben praktische Anwendung gefunden. Die langlebigsten Isotope sind 244Pu (Halbwertszeit 8,26–107 Jahre), 242Pu (Halbwertszeit 3,76–105 Jahre), 239Pu (Halbwertszeit 2,41–104 Jahre), 238Pu (Halbwertszeit 87,74 Jahre) – α- Emitter und 241Pu (Halbwertszeit 14 Jahre) - β-Emitter. In der Natur kommt Plutonium in vernachlässigbaren Mengen in Uranerzen (239Pu) vor; Es entsteht aus Uran unter dem Einfluss von Neutronen, deren Quellen Reaktionen sind, die bei der Wechselwirkung von α-Teilchen mit leichten Elementen (in Erzen enthalten), der spontanen Spaltung von Urankernen und kosmischer Strahlung auftreten.

Das vierundneunzigste Element wurde 1940 von einer Gruppe amerikanischer Wissenschaftler – Glenn Seaborg, Kennedy, Edwin McMillan und Arthur Wahl – in Berkeley (an der University of California) entdeckt, als sie ein Ziel aus Uranoxid (U3O8) mit hochbeschleunigten Deuteriumkernen bombardierten (Deuteronen) aus einem 60-Zoll-Zyklotron. Im Mai 1940 wurden die Eigenschaften von Plutonium von Lewis Turner vorhergesagt.

Im Dezember 1940 wurde das Plutoniumisotop Pu-238 mit einer Halbwertszeit von etwa 90 Jahren entdeckt, ein Jahr später folgte das wichtigere Isotop Pu-239 mit einer Halbwertszeit von etwa 24.000 Jahren.

Edwin MacMillan schlug 1948 vor, das chemische Element Plutonium zu Ehren der Entdeckung des neuen Planeten Pluto und in Analogie zu Neptunium zu benennen, das nach der Entdeckung von Neptun benannt wurde.

Metallisches Plutonium (239Pu-Isotop) wird in Kernwaffen verwendet und dient als Kernbrennstoff in Leistungsreaktoren, die mit thermischen und besonders schnellen Neutronen betrieben werden. Die kritische Masse für 239Pu als Metall beträgt 5,6 kg. Das Isotop 239Pu ist unter anderem Ausgangsstoff für die Herstellung von Transplutoniumelementen in Kernreaktoren. Das 238Pu-Isotop wird in kleinen Kernenergiequellen in der Weltraumforschung sowie in menschlichen Herzstimulanzien verwendet.

Plutonium-242 ist als „Rohstoff“ für die relativ schnelle Anreicherung höherer Transurane in Kernreaktoren wichtig. δ-stabilisierte Plutoniumlegierungen werden bei der Herstellung von Brennstoffzellen verwendet, da sie im Vergleich zu reinem Plutonium, das beim Erhitzen Phasenübergänge durchläuft, bessere metallurgische Eigenschaften aufweisen. Plutoniumoxide werden als Energiequelle für die Raumfahrttechnik genutzt und finden ihre Anwendung in Brennstäben.

Alle Plutoniumverbindungen sind giftig, was eine Folge der α-Strahlung ist. Alpha-Partikel stellen eine ernsthafte Gefahr dar, wenn ihre Quelle im Körper einer infizierten Person liegt; sie schädigen das umliegende Gewebe des Körpers. Gammastrahlung von Plutonium ist für den Körper ungefährlich. Es ist zu bedenken, dass verschiedene Plutoniumisotope unterschiedliche Toxizitäten aufweisen. Beispielsweise ist typisches Reaktorplutonium 8–10 Mal giftiger als reines 239Pu, da es von 240Pu-Nukliden dominiert wird, die eine starke Quelle für Alphastrahlung darstellen. Plutonium ist das radiotoxischste Element aller Aktiniden, gilt jedoch bei weitem nicht als das gefährlichste Element, da Radium fast tausendmal gefährlicher ist als das giftigste Isotop von Plutonium – 239Pu.

Biologische Eigenschaften

Plutonium wird von Meeresorganismen konzentriert: Der Akkumulationskoeffizient dieses radioaktiven Metalls (das Verhältnis der Konzentrationen im Körper und in der äußeren Umgebung) beträgt für Algen 1000-9000, für Plankton etwa 2300, für Seesterne etwa 1000 und für Weichtiere. bis zu 380, für Muskeln, Knochen, Leber und Magen von Fischen – 5, 570, 200 bzw. 1060. Landpflanzen nehmen Plutonium hauptsächlich über das Wurzelsystem auf und reichern es auf 0,01 % ihrer Masse an. Im menschlichen Körper wird das vierundneunzigste Element hauptsächlich im Skelett und in der Leber zurückgehalten, von wo es fast nicht ausgeschieden wird (insbesondere aus den Knochen).

Plutonium ist hochgiftig und seine chemische Gefahr (wie bei jedem anderen Schwermetall) ist viel geringer (aus chemischer Sicht ist es auch giftig wie Blei) im Vergleich zu seiner radioaktiven Toxizität, die eine Folge der Alphastrahlung ist. Darüber hinaus haben α-Partikel eine relativ geringe Penetrationsfähigkeit: Für 239Pu beträgt die Reichweite von α-Partikeln in Luft 3,7 cm und in weichem biologischem Gewebe 43 μm. Daher stellen Alphateilchen eine ernsthafte Gefahr dar, wenn ihre Quelle im Körper einer infizierten Person liegt. Gleichzeitig schädigen sie das das Element umgebende Körpergewebe.

Gleichzeitig sind γ-Strahlen und Neutronen, die auch Plutonium aussendet und von außen in den Körper eindringen können, nicht sehr gefährlich, da ihre Konzentration zu gering ist, um gesundheitsschädlich zu sein. Plutonium gehört zu einer Gruppe von Elementen mit besonders hoher Radiotoxizität. Gleichzeitig weisen verschiedene Plutoniumisotope eine unterschiedliche Toxizität auf. Beispielsweise ist typisches Reaktorplutonium 8–10 Mal giftiger als reines 239Pu, da es von 240Pu-Nukliden dominiert wird, die eine starke Quelle für Alphastrahlung darstellen.

Bei Aufnahme über Wasser und Nahrung ist Plutonium weniger giftig als Substanzen wie Koffein, einige Vitamine, Pseudoephedrin sowie viele Pflanzen und Pilze. Dies erklärt sich aus der Tatsache, dass dieses Element vom Magen-Darm-Trakt schlecht aufgenommen wird, auch wenn es in Form eines löslichen Salzes zugeführt wird; dasselbe Salz wird vom Magen- und Darminhalt gebunden. Allerdings kann die Einnahme von 0,5 Gramm fein verteiltem oder gelöstem Plutonium innerhalb von Tagen oder Wochen zum Tod durch akute Verdauungsbestrahlung führen (bei Cyanid liegt dieser Wert bei 0,1 Gramm).

Aus der Sicht der Inhalation ist Plutonium ein gewöhnliches Gift (ungefähr gleichbedeutend mit Quecksilberdampf). Beim Einatmen ist Plutonium krebserregend und kann Lungenkrebs verursachen. Wenn also einhundert Milligramm Plutonium in Form von Partikeln mit einer optimalen Größe für die Retention in der Lunge (1–3 Mikrometer) eingeatmet werden, führt dies innerhalb von 1–10 Tagen zum Tod durch Lungenödem. Eine Dosis von zwanzig Milligramm führt in etwa einem Monat zum Tod durch Fibrose. Kleinere Dosen führen zu chronischen krebserregenden Vergiftungen. Die Gefahr des Einatmens von Plutonium in den Körper steigt, da Plutonium zur Bildung von Aerosolen neigt.

Obwohl es ein Metall ist, ist es ziemlich flüchtig. Ein kurzer Aufenthalt von Metall in einem Raum erhöht seine Konzentration in der Luft deutlich. Plutonium, das in die Lunge gelangt, setzt sich teilweise auf der Lungenoberfläche ab, gelangt teilweise in das Blut und dann in die Lymphe und das Knochenmark. Der Großteil (ca. 60 %) gelangt ins Knochengewebe, 30 % in die Leber und nur 10 % werden auf natürlichem Wege ausgeschieden. Die Menge an Plutonium, die in den Körper gelangt, hängt von der Größe der Aerosolpartikel und der Löslichkeit im Blut ab.

Plutonium, das auf die eine oder andere Weise in den menschlichen Körper gelangt, hat ähnliche Eigenschaften wie Eisen. Daher beginnt sich Plutonium beim Eindringen in das Kreislaufsystem in eisenhaltigen Geweben zu konzentrieren: Knochenmark, Leber, Milz. Der Körper nimmt Plutonium als Eisen wahr, daher nimmt das Transferrin-Protein Plutonium anstelle von Eisen auf, wodurch die Sauerstoffübertragung im Körper stoppt. Mikrophagen transportieren Plutonium zu den Lymphknoten. Es dauert sehr lange, bis Plutonium, das in den Körper gelangt, aus dem Körper entfernt wird – innerhalb von 50 Jahren werden nur 80 % aus dem Körper entfernt. Die Halbwertszeit aus der Leber beträgt 40 Jahre. Für Knochengewebe beträgt die Halbwertszeit von Plutonium 80–100 Jahre; tatsächlich ist die Konzentration von Element 94 in Knochen konstant.

Während des Zweiten Weltkriegs und nach dessen Ende führten Wissenschaftler des Manhattan-Projekts sowie Wissenschaftler des Dritten Reichs und anderer Forschungsorganisationen Experimente mit Plutonium an Tieren und Menschen durch. Tierstudien haben gezeigt, dass einige Milligramm Plutonium pro Kilogramm Gewebe eine tödliche Dosis darstellen. Die Anwendung von Plutonium beim Menschen bestand in der Regel darin, dass chronisch kranken Patienten 5 µg Plutonium intramuskulär injiziert wurden. Schließlich wurde festgestellt, dass die tödliche Dosis für einen Patienten ein Mikrogramm Plutonium betrug und dass Plutonium gefährlicher als Radium war und sich tendenziell in den Knochen anreicherte.

Plutonium ist bekanntlich ein Element, das in der Natur praktisch nicht vorkommt. Durch Atomtests im Zeitraum 1945-1963 gelangten jedoch etwa fünf Tonnen davon in die Atmosphäre. Die Gesamtmenge an Plutonium, die durch Atomtests vor den 1980er Jahren in die Atmosphäre gelangte, wird auf 10 Tonnen geschätzt. Einigen Schätzungen zufolge enthält der Boden in den Vereinigten Staaten durchschnittlich 2 Millicuries (28 mg) Plutonium pro km2 Niederschlag, und das Vorkommen von Plutonium im Pazifischen Ozean ist im Verhältnis zur Gesamtverteilung von Kernmaterial auf der Erde erhöht.

Das jüngste Phänomen steht im Zusammenhang mit den US-Atomtests auf den Marshallinseln auf dem pazifischen Testgelände Mitte der 1950er Jahre. Die Verweildauer von Plutonium im Oberflächengewässer des Ozeans liegt zwischen 6 und 21 Jahren. Doch auch nach dieser Zeit fällt Plutonium zusammen mit biogenen Partikeln auf den Boden, von wo aus es durch mikrobielle Zersetzung in lösliche Formen umgewandelt wird.

Die weltweite Verschmutzung mit dem vierundneunzigsten Element ist nicht nur mit Atomtests verbunden, sondern auch mit Unfällen in der Produktion und bei Geräten, die mit diesem Element interagieren. So stürzte im Januar 1968 eine B-52 der US-Luftwaffe mit vier Atomsprengköpfen in Grönland ab. Durch die Explosion wurden die Ladungen zerstört und Plutonium gelangte ins Meer.

Ein weiterer Fall einer radioaktiven Kontamination der Umwelt infolge eines Unfalls ereignete sich am 24. Januar 1978 mit der sowjetischen Raumsonde Kosmos-954. Infolge einer unkontrollierten Umlaufbahn fiel ein Satellit mit einer Atomstromquelle an Bord auf kanadisches Territorium. Durch den Unfall gelangte mehr als ein Kilogramm Plutonium-238 in die Umwelt und verteilte sich auf einer Fläche von etwa 124.000 m².

Das schrecklichste Beispiel für einen Notfallaustritt radioaktiver Stoffe in die Umwelt ist der Unfall im Kernkraftwerk Tschernobyl, der sich am 26. April 1986 ereignete. Durch die Zerstörung des vierten Kraftwerksblocks wurden auf einer Fläche von rund 2200 km² 190 Tonnen radioaktive Stoffe (einschließlich Plutoniumisotope) in die Umwelt freigesetzt.

Die Freisetzung von Plutonium in die Umwelt ist nicht nur mit vom Menschen verursachten Vorfällen verbunden. Es sind Fälle von Plutoniumaustritt bekannt, sowohl unter Labor- als auch unter Fabrikbedingungen. Es sind mehr als zwanzig versehentliche Lecks aus den 235U- und 239Pu-Laboren bekannt. Von 1953 bis 1978. Unfälle führten zu einem Verlust von 0,81 (Mayak, 15. März 1953) bis 10,1 kg (Tomsk, 13. Dezember 1978) 239Pu. Industrieunfälle führten in Los Alamos zu insgesamt zwei Todesfällen (21. August 1945 und 21. Mai 1946) aufgrund von zwei Unfällen und dem Verlust von 6,2 kg Plutonium. In der Stadt Sarow 1953 und 1963. Ungefähr 8 und 17,35 kg fielen außerhalb des Kernreaktors. Eine davon führte 1953 zur Zerstörung eines Kernreaktors.

Bei der Spaltung eines 238Pu-Kerns mit Neutronen werden 200 MeV Energie freigesetzt, was 50 Millionen Mal mehr ist als bei der berühmtesten exothermen Reaktion: C + O2 → CO2. Beim „Verbrennen“ in einem Kernreaktor erzeugt ein Gramm Plutonium 2.107 kcal – das ist die Energie, die in 4 Tonnen Kohle enthalten ist. Ein Fingerhut Plutoniumbrennstoff kann im Energieäquivalent vierzig Waggons guten Brennholzes entsprechen!

Das „natürliche Isotop“ von Plutonium (244Pu) gilt als das langlebigste Isotop aller Transuranelemente. Seine Halbwertszeit beträgt 8,26∙107 Jahre. Wissenschaftler versuchen seit langem, ein Isotop eines Transuran-Elements zu erhalten, das länger als 244Pu existieren würde – große Hoffnungen diesbezüglich wurden auf 247Cm gesetzt. Nach seiner Synthese stellte sich jedoch heraus, dass die Halbwertszeit dieses Elements nur 14 Millionen Jahre beträgt.

Geschichte

Im Jahr 1934 gab eine Gruppe von Wissenschaftlern unter der Leitung von Enrico Fermi bekannt, dass sie während wissenschaftlicher Arbeiten an der Universität Rom ein chemisches Element mit der Seriennummer 94 entdeckt hatten. Auf Fermis Drängen hin erhielt das Element den Namen Hesperium, der Wissenschaftler war davon überzeugt, dass er hatte ein neues Element entdeckt, das heute Plutonium heißt, und legte damit die Existenz von Transuran-Elementen nahe und wurde zu ihrem theoretischen Entdecker. Fermi verteidigte diese Hypothese in seiner Nobelvorlesung im Jahr 1938. Erst nach der Entdeckung der Kernspaltung durch die deutschen Wissenschaftler Otto Frisch und Fritz Strassmann sah sich Fermi gezwungen, in der 1939 in Stockholm veröffentlichten gedruckten Ausgabe eine Notiz zu machen, in der er darauf hinwies, dass „das gesamte Problem der Transurane“ neu überdacht werden müsse. Tatsache ist, dass die Arbeiten von Frisch und Strassmann zeigten, dass die von Fermi in seinen Experimenten entdeckte Aktivität genau auf die Spaltung zurückzuführen war und nicht auf die Entdeckung von Transuranelementen, wie er zuvor angenommen hatte.

Ein neues Element, das vierundneunzigste, wurde Ende 1940 entdeckt. Es geschah in Berkeley an der University of California. Durch den Beschuss von Uranoxid (U3O8) mit schweren Wasserstoffkernen (Deuteronen) entdeckte eine Gruppe amerikanischer Radiochemiker unter der Leitung von Glenn T. Seaborg einen bisher unbekannten Alphateilchen-Emitter mit einer Halbwertszeit von 90 Jahren. Es stellte sich heraus, dass es sich bei diesem Emittenten um das Isotop des Elements Nr. 94 mit der Massenzahl 238 handelte. So wurden am 14. Dezember 1940 die ersten Mikrogrammmengen Plutonium zusammen mit einer Beimischung anderer Elemente und ihrer Verbindungen gewonnen.

Bei einem Experiment im Jahr 1940 wurde festgestellt, dass bei einer Kernreaktion zunächst das kurzlebige Isotop Neptunium-238 entsteht (Halbwertszeit 2,117 Tage) und daraus Plutonium-238:

23392U (d,2n) → 23893Np → (β−) 23894Pu

Lange und mühsame chemische Experimente zur Trennung des neuen Elements von Verunreinigungen dauerten zwei Monate. Die Existenz eines neuen chemischen Elements wurde in der Nacht vom 23. auf den 24. Februar 1941 von G. T. Seaborg, E. M. Macmillan, J. W. Kennedy und A. C. Wall durch die Untersuchung seiner ersten chemischen Eigenschaften bestätigt – der Fähigkeit, mindestens zwei Oxidationsstufen zu besitzen Zustände. Etwas später als das Ende der Experimente wurde festgestellt, dass dieses Isotop nicht spaltbar und daher für weitere Untersuchungen uninteressant ist. Bald (März 1941) synthetisierten Kennedy, Seaborg, Segre und Wahl ein wichtigeres Isotop, Plutonium-239, indem sie Uran in einem Zyklotron mit hochbeschleunigten Neutronen bestrahlten. Dieses Isotop entsteht durch den Zerfall von Neptunium-239, emittiert Alphastrahlung und hat eine Halbwertszeit von 24.000 Jahren. Die erste reine Verbindung des Elements wurde 1942 gewonnen, und die ersten Gewichtsmengen metallischen Plutoniums wurden 1943 gewonnen.

Der Name des neuen Elements 94 wurde 1948 von MacMillan vorgeschlagen, der wenige Monate vor der Entdeckung von Plutonium zusammen mit F. Eibelson das erste Element erhielt, das schwerer als Uran war – Element Nr. 93, das zu Ehren Neptunium genannt wurde des Planeten Neptun - der erste jenseits von Uranus. Analog dazu beschlossen sie, das Element Nr. 94 Plutonium zu nennen, da der Planet Pluto nach Uranus der zweitgrößte ist. Seaborg wiederum schlug vor, das neue Element „Plutium“ zu nennen, stellte dann jedoch fest, dass der Name im Vergleich zu „Plutonium“ nicht sehr gut klang. Darüber hinaus schlug er andere Namen für das neue Element vor: Ultimium, Extermium, aufgrund der damaligen Fehleinschätzung, dass Plutonium das letzte chemische Element im Periodensystem werden würde. Daher erhielt das Element zu Ehren der Entdeckung des letzten Planeten im Sonnensystem den Namen „Plutonium“.

In der Natur sein

Die Halbwertszeit des langlebigsten Plutoniumisotops beträgt 75 Millionen Jahre. Die Zahl ist sehr beeindruckend, allerdings wird das Alter der Galaxis in Milliarden Jahren gemessen. Daraus folgt, dass die primären Isotope des vierundneunzigsten Elements, die während der großen Synthese der Elemente des Universums entstanden sind, bis heute keine Überlebenschance hatten. Dies bedeutet jedoch nicht, dass es auf der Erde überhaupt kein Plutonium gibt. Es wird ständig in Uranerzen gebildet. Durch das Einfangen von Neutronen aus kosmischer Strahlung und Neutronen, die durch die spontane Spaltung von 238U-Kernen entstehen, verwandeln sich einige – sehr wenige – Atome dieses Isotops in 239U-Atome. Die Kerne dieses Elements sind sehr instabil, sie emittieren Elektronen und erhöhen dadurch ihre Ladung, es kommt zur Bildung von Neptunium, dem ersten Transuranelement. 239Np ist zudem instabil, seine Kerne emittieren ebenfalls Elektronen, sodass sich in nur 56 Stunden die Hälfte von 239Np in 239Pu verwandelt.

Die Halbwertszeit dieses Isotops ist bereits sehr lang und beträgt 24.000 Jahre. Im Durchschnitt ist der Gehalt an 239Pu etwa 400.000-mal geringer als der von Radium. Daher ist es äußerst schwierig, „terrestrisches“ Plutonium nicht nur abzubauen, sondern sogar nachzuweisen. Kleine Mengen 239Pu – Teile pro Billion – und Zerfallsprodukte können in Uranerzen gefunden werden, beispielsweise im natürlichen Kernreaktor in Oklo, Gabun (Westafrika). Der sogenannte „natürliche Kernreaktor“ gilt als der einzige weltweit, in dem derzeit in der Geosphäre Aktiniden und deren Spaltprodukte entstehen. Nach modernen Schätzungen kam es in dieser Region vor mehreren Millionen Jahren zu einer selbsterhaltenden Reaktion unter Freisetzung von Wärme, die mehr als eine halbe Million Jahre anhielt.

Wir wissen also bereits, dass in Uranerzen durch den Einfang von Neutronen durch Urankerne Neptunium (239Np) entsteht, dessen β-Zerfallsprodukt natürliches Plutonium-239 ist. Dank spezieller Instrumente – Massenspektrometer – wurde im präkambrischen Bastnäsit (Cererz) das Vorhandensein von Plutonium-244 (244Pu) entdeckt, das die längste Halbwertszeit hat – etwa 80 Millionen Jahre. In der Natur kommt 244Pu überwiegend in Form von Dioxid (PuO2) vor, das in Wasser noch schlechter löslich ist als Sand (Quarz). Da sich das relativ langlebige Isotop Plutonium-240 (240Pu) in der Zerfallskette von Plutonium-244 befindet, kommt es zwar zu dessen Zerfall, dieser kommt jedoch sehr selten vor (1 Fall von 10.000). Sehr geringe Mengen an Plutonium-238 (238Pu) sind auf den sehr seltenen doppelten Beta-Zerfall des Ausgangsisotops Uran-238 zurückzuführen, der in Uranerzen gefunden wurde.

Spuren der Isotope 247Pu und 255Pu wurden im Staub gefunden, der nach Explosionen thermonuklearer Bomben gesammelt wurde.

Hypothetisch könnten minimale Mengen an Plutonium im menschlichen Körper vorhanden sein, da zahlreiche Atomtests durchgeführt wurden, die auf die eine oder andere Weise mit Plutonium in Zusammenhang standen. Plutonium reichert sich hauptsächlich im Skelett und in der Leber an und wird von dort praktisch nicht ausgeschieden. Darüber hinaus wird Element 94 von Meeresorganismen angereichert; Landpflanzen nehmen Plutonium hauptsächlich über das Wurzelsystem auf.

Es stellt sich heraus, dass künstlich synthetisiertes Plutonium immer noch in der Natur existiert. Warum wird es also nicht abgebaut, sondern künstlich gewonnen? Tatsache ist, dass die Konzentration dieses Elements zu niedrig ist. Über ein anderes radioaktives Metall – Radium – sagt man: „Ein Gramm Produktion ist ein Jahr Arbeit“, und Radium kommt in der Natur 400.000 Mal häufiger vor als Plutonium! Aus diesem Grund ist es äußerst schwierig, „terrestrisches“ Plutonium nicht nur abzubauen, sondern sogar nachzuweisen. Dies geschah erst, nachdem die physikalischen und chemischen Eigenschaften des in Kernreaktoren erzeugten Plutoniums untersucht wurden.

Anwendung

Das 239Pu-Isotop (zusammen mit U) wird als Kernbrennstoff in Leistungsreaktoren verwendet, die (hauptsächlich) mit thermischen und schnellen Neutronen betrieben werden, sowie bei der Herstellung von Kernwaffen.

Etwa ein halbes Tausend Kernkraftwerke auf der ganzen Welt erzeugen etwa 370 GW Strom (oder 15 % der gesamten Stromproduktion der Welt). Plutonium-236 wird bei der Herstellung von Atombatterien verwendet, deren Lebensdauer fünf Jahre oder mehr beträgt, sie werden in Stromgeneratoren verwendet, die das Herz stimulieren (Herzschrittmacher). 238Pu wird in kleinen Kernenergiequellen für die Weltraumforschung verwendet. So ist Plutonium-238 die Energiequelle für die Sonden New Horizons, Galileo und Cassini, den Rover Curiosity und andere Raumfahrzeuge.

Kernwaffen verwenden Plutonium-239, da dieses Isotop das einzig geeignete Nuklid für den Einsatz in einer Atombombe ist. Darüber hinaus ist die häufigere Verwendung von Plutonium-239 in Atombomben darauf zurückzuführen, dass Plutonium in der Kugel (wo sich der Bombenkern befindet) ein geringeres Volumen einnimmt und daher die Sprengkraft der Bombe gesteigert werden kann Eigentum.

Das Schema, nach dem eine nukleare Explosion mit Plutonium erfolgt, liegt in der Konstruktion der Bombe selbst, deren Kern aus einer mit 239Pu gefüllten Kugel besteht. Im Moment der Kollision mit dem Boden wird die Kugel konstruktionsbedingt und durch den diese Kugel umgebenden Sprengstoff auf eine Million Atmosphären komprimiert. Nach dem Aufprall dehnt sich der Kern in kürzester Zeit in Volumen und Dichte aus – mehrere zehn Mikrosekunden, die Anordnung springt mit thermischen Neutronen durch den kritischen Zustand und geht mit schnellen Neutronen in den überkritischen Zustand über – eine nukleare Kettenreaktion beginnt unter Beteiligung von Neutronen und Kerne des Elements. Die letzte Explosion einer Atombombe setzt Temperaturen in der Größenordnung von mehreren zehn Millionen Grad frei.

Plutoniumisotope haben ihre Verwendung bei der Synthese von Transplutoniumelementen (neben Plutonium) gefunden. Beispielsweise werden im Oak Ridge National Laboratory bei Langzeit-Neutronenbestrahlung 239Pu, 24496Cm, 24296Cm, 24997Bk, 25298Cf, 25399Es und 257100Fm erhalten. Auf die gleiche Weise wurde erstmals 1944 Americium 24195Am gewonnen. Im Jahr 2010 diente mit Calcium-48-Ionen beschossenes Plutonium-242-Oxid als Quelle für Ununquadium.

δ-stabilisierte Plutoniumlegierungen werden bei der Herstellung von Brennstäben verwendet, da sie im Vergleich zu reinem Plutonium, das beim Erhitzen Phasenübergänge durchläuft und ein sehr sprödes und unzuverlässiges Material ist, deutlich bessere metallurgische Eigenschaften aufweisen. Legierungen von Plutonium mit anderen Elementen (intermetallische Verbindungen) werden normalerweise durch direkte Wechselwirkung von Elementen in den erforderlichen Anteilen erhalten, während instabile Legierungen manchmal hauptsächlich durch Sprühabscheidung oder Abkühlung von Schmelzen erhalten werden.

Die wichtigsten industriellen Legierungselemente für Plutonium sind Gallium, Aluminium und Eisen, obwohl Plutonium mit wenigen Ausnahmen (Kalium, Natrium, Lithium, Rubidium, Magnesium, Kalzium, Strontium, Barium, Europium und Ytterbium) mit den meisten Metallen Legierungen und Zwischenprodukte bilden kann. . Refraktärmetalle: Molybdän, Niob, Chrom, Tantal und Wolfram sind in flüssigem Plutonium löslich, in festem Plutonium jedoch fast unlöslich oder kaum löslich. Indium, Silizium, Zink und Zirkonium sind in der Lage, bei schnellem Abkühlen metastabiles δ-Plutonium (δ"-Phase) zu bilden. Gallium, Aluminium, Americium, Scandium und Cer können δ-Plutonium bei Raumtemperatur stabilisieren.

Große Mengen an Holmium, Hafnium und Thallium ermöglichen die Lagerung von etwas δ-Plutonium bei Raumtemperatur. Neptunium ist das einzige Element, das α-Plutonium bei hohen Temperaturen stabilisieren kann. Titan, Hafnium und Zirkonium stabilisieren die Struktur von β-Plutonium bei Raumtemperatur, wenn es schnell abgekühlt wird. Die Anwendungen solcher Legierungen sind sehr vielfältig. Beispielsweise wird eine Plutonium-Gallium-Legierung zur Stabilisierung der δ-Phase von Plutonium verwendet, wodurch der α-δ-Phasenübergang vermieden wird. Die ternäre Plutonium-Gallium-Kobalt-Legierung (PuGaCo5) ist eine supraleitende Legierung bei 18,5 K. Es gibt eine Reihe von Legierungen (Plutonium-Zirkonium, Plutonium-Cer und Plutonium-Cer-Kobalt), die als Kernbrennstoff verwendet werden.

Produktion

Industrielles Plutonium wird auf zwei Arten hergestellt. Hierbei handelt es sich entweder um die Bestrahlung von 238U-Kernen in Kernreaktoren oder um die Trennung von Plutonium aus Uran, Transuranen und Spaltprodukten, die in abgebrannten Brennelementen enthalten sind, durch radiochemische Methoden (Mitfällung, Extraktion, Ionenaustausch usw.).

Im ersten Fall wird das praktischste Isotop 239Pu (gemischt mit einer kleinen Beimischung von 240Pu) in Kernreaktoren unter Beteiligung von Urankernen und Neutronen mittels β-Zerfall und unter Beteiligung von Neptuniumisotopen als Zwischenprodukt der Spaltung erzeugt:

23892U + 21D → 23893Np + 210n;

23893Np → 23894Pu

β-Zerfall

Dabei dringt ein Deuteron in Uran-238 ein, wodurch Neptunium-238 und zwei Neutronen entstehen. Neptunium-238 spaltet sich dann spontan und emittiert Beta-Minus-Partikel, die Plutonium-238 bilden.

Typischerweise beträgt der Gehalt an 239Pu in der Mischung 90–95 %, 240Pu beträgt 1–7 %, der Gehalt an anderen Isotopen überschreitet nicht Zehntelprozent. Isotope mit langen Halbwertszeiten – 242Pu und 244Pu – werden durch längere Bestrahlung mit 239Pu-Neutronen erhalten. Darüber hinaus beträgt die Ausbeute an 242Pu mehrere zehn Prozent, und 244Pu macht einen Bruchteil eines Prozents des 242Pu-Gehalts aus. Bei der Bestrahlung von Neptunium-237 mit Neutronen entstehen geringe Mengen isotopenreines Plutonium-238. Leichte Isotope von Plutonium mit den Massenzahlen 232–237 werden üblicherweise in einem Zyklotron durch Bestrahlung von Uranisotopen mit α-Teilchen gewonnen.

Die zweite Methode der industriellen Produktion von 239Pu nutzt das Purex-Verfahren, das auf der Extraktion mit Tributylphosphat in einem leichten Verdünnungsmittel basiert. Im ersten Zyklus werden Pu und U gemeinsam von Spaltprodukten gereinigt und anschließend abgetrennt. Im zweiten und dritten Zyklus wird das Plutonium weiter gereinigt und konzentriert. Das Schema eines solchen Prozesses basiert auf den unterschiedlichen Eigenschaften vier- und sechswertiger Verbindungen der zu trennenden Elemente.

Zunächst werden abgebrannte Brennstäbe demontiert und die Umhüllung mit verbrauchtem Plutonium und Uran auf physikalischen und chemischen Wegen entfernt. Anschließend wird der extrahierte Kernbrennstoff in Salpetersäure gelöst. Schließlich ist es im gelösten Zustand ein starkes Oxidationsmittel und Uran, Plutonium und Verunreinigungen werden oxidiert. Plutoniumatome mit der Wertigkeit Null werden in Pu+6 umgewandelt und sowohl Plutonium als auch Uran werden gelöst. Aus einer solchen Lösung wird das vierundneunzigste Element mit Schwefeldioxid in den dreiwertigen Zustand reduziert und anschließend mit Lanthanfluorid (LaF3) ausgefällt.

Allerdings enthält das Sediment neben Plutonium auch Neptunium und Seltenerdelemente, der Großteil (Uran) bleibt jedoch in Lösung. Anschließend wird das Plutonium erneut zu Pu+6 oxidiert und erneut Lanthanfluorid hinzugefügt. Nun fallen die Seltenerdelemente aus und das Plutonium bleibt in Lösung. Als nächstes wird Neptunium mit Kaliumbromat in einen vierwertigen Zustand oxidiert, da dieses Reagens keinen Einfluss auf Plutonium hat. Bei der Sekundärfällung mit demselben Lanthanfluorid geht dreiwertiges Plutonium in einen Niederschlag über und Neptunium bleibt in Lösung. Die Endprodukte solcher Operationen sind plutoniumhaltige Verbindungen – PuO2-Dioxid oder Fluoride (PuF3 oder PuF4), aus denen metallisches Plutonium gewonnen wird (durch Reduktion mit Barium-, Calcium- oder Lithiumdampf).

Reineres Plutonium kann durch elektrolytische Raffination des pyrochemisch erzeugten Metalls erreicht werden, die in Elektrolysezellen bei 700 °C mit einem Elektrolyten aus Kalium, Natrium und Plutoniumchlorid unter Verwendung einer Wolfram- oder Tantalkathode erfolgt. Das so gewonnene Plutonium hat eine Reinheit von 99,99 %.

Um große Mengen Plutonium zu produzieren, werden Brutreaktoren gebaut, sogenannte „Breeder“ (vom englischen Verb tobreed – vermehren). Diese Reaktoren erhielten ihren Namen aufgrund ihrer Fähigkeit, spaltbares Material in Mengen zu produzieren, die die Kosten für die Beschaffung dieses Materials übersteigen. Der Unterschied zwischen Reaktoren dieses Typs und anderen besteht darin, dass die Neutronen in ihnen nicht abgebremst werden (es gibt keinen Moderator, beispielsweise Graphit), damit möglichst viele von ihnen mit 238U reagieren.

Nach der Reaktion entstehen 239U-Atome, die anschließend 239Pu bilden. Der Kern eines solchen Reaktors, der PuO2 in abgereichertem Urandioxid (UO2) enthält, ist von einer Hülle aus noch stärker abgereichertem Urandioxid-238 (238UO2) umgeben, in dem 239Pu entsteht. Durch die kombinierte Verwendung von 238U und 235U können „Brüter“ 50-60-mal mehr Energie aus natürlichem Uran erzeugen als andere Reaktoren. Allerdings haben diese Reaktoren einen großen Nachteil: Die Brennstäbe müssen durch ein anderes Medium als Wasser gekühlt werden, was ihre Energie verringert. Daher wurde beschlossen, flüssiges Natrium als Kühlmittel zu verwenden.

Der Bau solcher Reaktoren in den Vereinigten Staaten von Amerika begann nach dem Ende des Zweiten Weltkriegs; die UdSSR und Großbritannien begannen erst in den 1950er Jahren mit dem Bau.

Physikalische Eigenschaften

Plutonium ist ein sehr schweres (normale Dichte 19,84 g/cm³) silbriges Metall, das im gereinigten Zustand Nickel sehr ähnlich ist, aber an der Luft oxidiert Plutonium schnell, verblasst und bildet einen schillernden Film, der zunächst hellgelb und dann dunkelviolett wird . Bei starker Oxidation bildet sich auf der Metalloberfläche ein olivgrünes Oxidpulver (PuO2).

Plutonium ist ein hochelektronegatives und reaktives Metall, um ein Vielfaches sogar stärker als Uran. Es hat sieben allotrope Modifikationen (α, β, γ, δ, δ“, ε und ζ), die sich in einem bestimmten Temperaturbereich und in einem bestimmten Druckbereich ändern. Bei Raumtemperatur liegt Plutonium in der α-Form vor – das ist Die häufigste allotrope Modifikation für Plutonium. In der Alpha-Phase ist reines Plutonium spröde und ziemlich hart – diese Struktur ist ungefähr so ​​hart wie Grauguss, es sei denn, es wird mit anderen Metallen legiert, was der Legierung zusätzlich Duktilität und Weichheit verleiht , in dieser dichtesten Form ist Plutonium das sechstdichteste Element (nur Osmium, Iridium, Platin, Rhenium und Neptunium sind schwerer, wenn es beispielsweise von 310 auf 100 °C erhitzt wird). Bei ca. 480 °C dehnt es sich nicht wie andere Metalle aus, sondern zieht sich zusammen (Delta-Phasen) Beim Schmelzen (Übergang von der Epsilon-Phase zur flüssigen Phase) zieht sich auch das Plutonium zusammen, wodurch ungeschmolzenes Plutonium entstehen kann schweben.

Plutonium hat eine Vielzahl ungewöhnlicher Eigenschaften: Es hat die niedrigste Wärmeleitfähigkeit aller Metalle – bei 300 K beträgt sie 6,7 W/(m K); Plutonium hat die niedrigste elektrische Leitfähigkeit; In seiner flüssigen Phase ist Plutonium das viskoseste Metall. Der spezifische Widerstand des vierundneunzigsten Elements ist bei Raumtemperatur für ein Metall sehr hoch, und diese Eigenschaft nimmt mit sinkender Temperatur zu, was für Metalle nicht typisch ist. Diese „Anomalie“ kann bis zu einer Temperatur von 100 K verfolgt werden – unterhalb dieser Marke nimmt der elektrische Widerstand ab. Ab 20 K beginnt der Widerstand jedoch aufgrund der Strahlungsaktivität des Metalls wieder anzusteigen.

Plutonium hat den höchsten elektrischen Widerstand aller bisher untersuchten Aktiniden, nämlich 150 μΩ·cm (bei 22 °C). Dieses Metall hat einen niedrigen Schmelzpunkt (640 °C) und einen ungewöhnlich hohen Siedepunkt (3.227 °C). Näher am Schmelzpunkt hat flüssiges Plutonium im Vergleich zu anderen Metallen eine sehr hohe Viskosität und Oberflächenspannung.

Aufgrund seiner Radioaktivität fühlt sich Plutonium warm an. Ein großes Stück Plutonium wird in einer thermischen Hülle auf eine Temperatur erhitzt, die über dem Siedepunkt von Wasser liegt! Darüber hinaus erfährt Plutonium aufgrund seiner Radioaktivität im Laufe der Zeit Veränderungen in seinem Kristallgitter – es kommt zu einer Art Ausglühen durch Selbstbestrahlung aufgrund von Temperaturerhöhungen über 100 K.

Das Vorhandensein einer großen Anzahl allotroper Modifikationen in Plutonium macht es aufgrund von Phasenübergängen zu einem schwierig zu verarbeitenden und auszurollenden Metall. Wir wissen bereits, dass das vierundneunzigste Element in der Alpha-Form ähnliche Eigenschaften wie Gusseisen hat, jedoch dazu neigt, sich zu verändern und in ein duktiles Material umzuwandeln und in höheren Temperaturbereichen eine formbare β-Form zu bilden. Plutonium in der δ-Form ist normalerweise bei Temperaturen zwischen 310 °C und 452 °C stabil, kann jedoch bei Raumtemperatur existieren, wenn es mit geringen Anteilen an Aluminium, Cer oder Gallium dotiert ist. Wenn Plutonium mit diesen Metallen legiert wird, kann es zum Schweißen verwendet werden. Im Allgemeinen weist die Delta-Form ausgeprägtere Eigenschaften eines Metalls auf – sie kommt Aluminium in Bezug auf Festigkeit und Schmiedbarkeit nahe.

Chemische Eigenschaften

Die chemischen Eigenschaften des vierundneunzigsten Elements ähneln in vielerlei Hinsicht den Eigenschaften seiner Vorgänger im Periodensystem – Uran und Neptunium. Plutonium ist ein ziemlich aktives Metall; es bildet Verbindungen mit Oxidationsstufen von +2 bis +7. In wässrigen Lösungen weist das Element die folgenden Oxidationsstufen auf: Pu (III), als Pu3+ (kommt in sauren wässrigen Lösungen vor, hat eine hellviolette Farbe); Pu (IV), als Pu4+ (Schokoladenton); Pu (V), als PuO2+ (leichte Lösung); Pu (VI), als PuO22+ (hellorange Lösung) und Pu(VII), als PuO53- (grüne Lösung).

Darüber hinaus können diese Ionen (mit Ausnahme von PuO53-) gleichzeitig in der Lösung im Gleichgewicht sein, was durch das Vorhandensein von 5f-Elektronen erklärt wird, die sich in der lokalisierten und delokalisierten Zone des Elektronenorbitals befinden. Bei pH 5-8 dominiert Pu(IV), das unter anderen Valenzen (Oxidationsstufen) am stabilsten ist. Plutoniumionen aller Oxidationsstufen neigen zur Hydrolyse und Komplexbildung. Die Fähigkeit, solche Verbindungen zu bilden, nimmt in der Pu5+-Reihe zu

Kompaktes Plutonium oxidiert langsam an der Luft und wird mit einem schillernden, öligen Oxidfilm bedeckt. Folgende Plutoniumoxide sind bekannt: PuO, Pu2O3, PuO2 und eine Phase variabler Zusammensetzung Pu2O3 - Pu4O7 (Berthollides). In Gegenwart geringer Feuchtigkeitsmengen nimmt die Oxidations- und Korrosionsrate deutlich zu. Wenn ein Metall über längere Zeit geringen Mengen feuchter Luft ausgesetzt ist, bildet sich auf seiner Oberfläche Plutoniumdioxid (PuO2). Bei Sauerstoffmangel kann sich auch dessen Dihydrid (PuH2) bilden. Überraschenderweise rostet Plutonium in einer Atmosphäre aus einem Inertgas (z. B. Argon) mit Wasserdampf viel schneller als in trockener Luft oder reinem Sauerstoff. Tatsächlich ist diese Tatsache leicht zu erklären: Durch die direkte Einwirkung von Sauerstoff bildet sich eine Oxidschicht auf der Oberfläche von Plutonium, die eine weitere Oxidation verhindert und eine lockere Mischung aus Oxid und Hydrid erzeugt. Dank dieser Beschichtung wird das Metall übrigens pyrophor, das heißt, es ist zur Selbstentzündung fähig; aus diesem Grund wird metallisches Plutonium normalerweise in einer inerten Atmosphäre aus Argon oder Stickstoff verarbeitet. Gleichzeitig ist Sauerstoff ein Schutzstoff und verhindert, dass Feuchtigkeit auf das Metall einwirkt.

Das vierundneunzigste Element reagiert mit Säuren, Sauerstoff und deren Dämpfen, jedoch nicht mit Laugen. Plutonium ist nur in sehr sauren Medien (z. B. Salzsäure HCl) gut löslich und ist auch in Chlorwasserstoff, Jodwasserstoff, Bromwasserstoff, 72 %iger Perchlorsäure, 85 %iger Orthophosphorsäure H3PO4, konzentriertem CCl3COOH, Sulfaminsäure und kochendem Wasser löslich konzentrierte Salpetersäure. Plutonium löst sich in alkalischen Lösungen kaum.

Wenn Lösungen, die vierwertiges Plutonium enthalten, Alkalien ausgesetzt werden, fällt ein Niederschlag aus Plutoniumhydroxid Pu(OH)4 xH2O mit basischen Eigenschaften aus. Wenn PuO2+-haltige Salzlösungen Alkalien ausgesetzt werden, fällt das amphotere Hydroxid PuO2OH aus. Die Antwort darauf sind Salze – Plutonite, zum Beispiel Na2Pu2O6.

Plutoniumsalze hydrolysieren bei Kontakt mit neutralen oder alkalischen Lösungen leicht und bilden unlösliches Plutoniumhydroxid. Konzentrierte Plutoniumlösungen sind aufgrund der radiolytischen Zersetzung, die zu Ausfällungen führt, instabil.

Beschreibung von Plutonium

Plutonium(Plutonium) ist ein silbriges schweres chemisches Element, ein radioaktives Metall mit der Ordnungszahl 94, das im Periodensystem mit dem Symbol Pu bezeichnet wird.

Dieses elektronegativ aktive chemische Element gehört zur Gruppe der Aktiniden mit einer Atommasse von 244,0642, und wie Neptunium, das seinen Namen zu Ehren des gleichnamigen Planeten erhielt, verdankt dieses chemische Element seit seinen Vorgängern seinen Namen dem Planeten Pluto Zu den radioaktiven Elementen im Periodensystem der chemischen Elemente von Mendelejew gehören Neptunium und Neptunium, die ebenfalls nach entfernten kosmischen Planeten in unserer Galaxie benannt wurden.

Ursprung von Plutonium

Element Plutonium wurde erstmals 1940 an der University of California von einer Gruppe von Radiologen und wissenschaftlichen Forschern G. Seaborg, E. McMillan, Kennedy und A. Walch entdeckt, als sie ein Uranziel aus einem Zyklotron mit Deuteronen – schweren Wasserstoffkernen – bombardierten.

Im Dezember desselben Jahres entdeckten Wissenschaftler Plutoniumisotop– Pu-238, dessen Halbwertszeit mehr als 90 Jahre beträgt, und es wurde festgestellt, dass unter dem Einfluss komplexer nuklearchemischer Reaktionen zunächst das Isotop Neptunium-238 entsteht, wonach das Isotop bereits gebildet wird Plutonium-238.

Anfang 1941 entdeckten Wissenschaftler Plutonium 239 mit einer Verfallszeit von 25.000 Jahren. Plutoniumisotope können unterschiedliche Neutronengehalte im Kern haben.

Eine reine Verbindung des Elements wurde erst Ende 1942 erhalten. Jedes Mal, wenn Radiologen ein neues Isotop entdeckten, maßen sie stets die Halbwertszeiten der Isotope.

Derzeit unterscheiden sich Plutoniumisotope, von denen es insgesamt 15 gibt, in der Zeitdauer Halbwertszeit. Mit diesem Element sind große Hoffnungen und Perspektiven, aber auch große Ängste der Menschheit verbunden.

Plutonium hat eine deutlich höhere Aktivität als beispielsweise Uran und ist einer der teuersten technisch wichtigen und bedeutsamen Stoffe chemischer Natur.

Beispielsweise kostet ein Gramm Plutonium ein Vielfaches mehr als ein Gramm oder andere gleichwertige Metalle.

Die Produktion und Gewinnung von Plutonium gilt als kostspielig, und die Kosten für ein Gramm Metall liegen in unserer Zeit getrost bei etwa 4.000 US-Dollar.

Wie wird Plutonium gewonnen? Plutoniumproduktion

Die Herstellung des chemischen Elements erfolgt in Kernreaktoren, in denen Uran unter dem Einfluss komplexer chemischer und technologischer Prozesse gespalten wird.

Uran und Plutonium sind die Hauptbestandteile bei der Herstellung von atomarem (nuklearem) Brennstoff.

Wenn es notwendig ist, eine große Menge eines radioaktiven Elements zu gewinnen, wird die Methode der Bestrahlung transuranischer Elemente verwendet, die aus abgebrannten Kernbrennstoffen und der Bestrahlung von Uran gewonnen werden können. Komplexe chemische Reaktionen ermöglichen die Trennung des Metalls vom Uran.

Um Isotope zu erhalten, nämlich Plutonium-238 und waffenfähiges Plutonium-239, die Zwischenprodukte des Zerfalls sind, wird die Bestrahlung von Neptunium-237 mit Neutronen eingesetzt.

Ein winziger Bruchteil von Plutonium-244, das aufgrund seiner langen Halbwertszeit das langlebigste Isotop ist, wurde in Cererz entdeckt, das wahrscheinlich aus der Entstehung unseres Planeten Erde erhalten geblieben ist. Dieses radioaktive Element kommt in der Natur nicht natürlich vor.

Grundlegende physikalische Eigenschaften und Eigenschaften von Plutonium

Plutonium ist ein ziemlich schweres radioaktives chemisches Element mit einer silbrigen Farbe, das nur leuchtet, wenn es gereinigt wird. Nuklear Masse aus metallischem Plutonium gleich 244 a. essen.

Aufgrund seiner hohen Radioaktivität fühlt sich dieses Element warm an und kann sich auf eine Temperatur erwärmen, die über die Siedetemperatur von Wasser hinausgeht.

Plutonium verdunkelt sich unter dem Einfluss von Sauerstoffatomen schnell und wird mit einem schillernden dünnen Film bedeckt, der zunächst hellgelb und dann satt oder braun ist.

Bei starker Oxidation kommt es zur Bildung von PuO2-Pulver auf der Oberfläche des Elements. Diese Art chemischer Metalle unterliegt bereits bei geringer Luftfeuchtigkeit starken Oxidationsprozessen und Korrosion.

Um Korrosion und Oxidation der Metalloberfläche zu verhindern, ist eine Trocknungsanlage erforderlich. Foto von Plutonium kann unten eingesehen werden.

Plutonium ist ein vierwertiges chemisches Metall; es löst sich gut und schnell in wasserhaltigen Substanzen und sauren Umgebungen, beispielsweise in Chlorsäure.

Metallsalze werden in neutralen Medien und alkalischen Lösungen schnell neutralisiert und bilden unlösliches Plutoniumhydroxid.

Die Temperatur, bei der Plutonium schmilzt, beträgt 641 Grad Celsius, der Siedepunkt liegt bei 3230 Grad.

Unter dem Einfluss hoher Temperaturen kommt es zu unnatürlichen Veränderungen der Dichte des Metalls. Plutonium hat in seiner Form verschiedene Phasen und weist sechs Kristallstrukturen auf.

Beim Übergang zwischen den Phasen kommt es zu erheblichen Volumenänderungen des Elements. Seine dichteste Form erreicht das Element in der sechsten Alpha-Phase (der letzten Stufe des Übergangs), während in diesem Zustand nur Neptunium und Radium schwerer als das Metall sind.

Beim Schmelzen erfährt das Element eine starke Kompression, sodass das Metall auf der Oberfläche von Wasser und anderen nicht aggressiven flüssigen Medien schwimmen kann.

Obwohl dieses radioaktive Element zur Gruppe der chemischen Metalle gehört, ist das Element ziemlich flüchtig und wenn es sich über einen kurzen Zeitraum in einem geschlossenen Raum befindet, erhöht sich seine Konzentration in der Luft um ein Vielfaches.

Zu den wichtigsten physikalischen Eigenschaften des Metalls gehören: geringe Wärmeleitfähigkeit aller vorhandenen und bekannten chemischen Elemente, geringe elektrische Leitfähigkeit im flüssigen Zustand; Plutonium ist eines der viskosesten Metalle.

Es ist zu beachten, dass alle Plutoniumverbindungen giftig und giftig sind und eine ernsthafte Strahlengefahr für den menschlichen Körper darstellen, die durch aktive Alphastrahlung entsteht. Daher müssen alle Arbeiten mit größter Sorgfalt und nur in Spezialanzügen mit Chemikalienschutz durchgeführt werden .

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Anwendungen von Plutonium

Das industrielle chemische Element wird üblicherweise in waffenfähiges und reaktortaugliches („energietaugliches“) Plutonium eingeteilt.

Daher darf für die Herstellung von Atomwaffen von allen existierenden Isotopen nur Plutonium 239 verwendet werden, das nicht mehr als 4,5 % Plutonium 240 enthalten sollte, da es einer spontanen Spaltung unterliegt, was die Herstellung militärischer Projektile erheblich erschwert .

Plutonium-238 wird für den Betrieb kleiner Radioisotopenquellen elektrischer Energie verwendet, beispielsweise als Energiequelle für die Raumfahrttechnik.

Vor einigen Jahrzehnten wurde Plutonium in der Medizin in Herzschrittmachern (Geräten zur Aufrechterhaltung des Herzrhythmus) eingesetzt.

Die erste Atombombe der Welt hatte eine Plutoniumladung. Atomplutonium(Pu 239) ist als Kernbrennstoff gefragt, um die Funktionsfähigkeit von Leistungsreaktoren sicherzustellen. Dieses Isotop dient auch als Quelle für die Herstellung von Transplutoniumelementen in Reaktoren.

Wenn wir nukleares Plutonium mit reinem Metall vergleichen, hat das Isotop höhere metallische Parameter und keine Übergangsphasen und wird daher häufig bei der Gewinnung von Brennelementen verwendet.

Oxide des Isotops Plutonium 242 sind auch als Energiequelle für weltraumtödliche Einheiten, Ausrüstung und Brennstäbe gefragt.

Waffentaugliches Plutonium ist ein Element, das in Form eines kompakten Metalls vorliegt und mindestens 93 % des Isotops Pu239 enthält.

Diese Art von radioaktivem Metall wird bei der Herstellung verschiedener Arten von Atomwaffen verwendet.

Waffenfähiges Plutonium wird in speziellen industriellen Kernreaktoren hergestellt, die durch den Einfang von Neutronen mit natürlichem oder schwach angereichertem Uran betrieben werden.