Questo metallo è chiamato prezioso, ma non per la sua bellezza, bensì per la sua insostituibilità. Nella tavola periodica di Mendeleev, questo elemento occupa la cella numero 94. È con esso che gli scienziati ripongono le loro più grandi speranze, ed è il plutonio che chiamano il metallo più pericoloso per l'umanità.
Plutonio: descrizione
In apparenza è un metallo bianco-argenteo. È radioattivo e può essere rappresentato sotto forma di 15 isotopi con emivite diverse, ad esempio:
- Pu-238 – circa 90 anni
- Pu-239 – circa 24 mila anni
- Pu-240 – 6580 anni
- Pu-241 – 14 anni
- Pu-242 – 370 mila anni
- Pu-244 – circa 80 milioni di anni
Questo metallo non può essere estratto dal minerale, poiché è un prodotto della trasformazione radioattiva dell'uranio.
Come si ottiene il plutonio?
La produzione del plutonio richiede la fissione dell’uranio, che può essere effettuata solo in atmosfera reattori nucleari. Se parliamo della presenza dell'elemento Pu in la crosta terrestre, quindi per 4 milioni di tonnellate di minerale di uranio ci sarà solo 1 grammo di plutonio puro. E questo grammo è formato dalla cattura naturale dei neutroni da parte dei nuclei di uranio. Pertanto, per ottenere questo combustibile nucleare (di solito l'isotopo 239-Pu) in una quantità di diversi chilogrammi, è necessario un complesso processo tecnologico in un reattore nucleare.
Proprietà del plutonio
Il plutonio metallico radioattivo ha le seguenti proprietà fisiche:
- densità 19,8 g/cm3
- punto di fusione – 641°C
- punto di ebollizione – 3232°C
- conduttività termica (a 300 K) – 6,74 W/(m K)
Il plutonio è radioattivo, motivo per cui è caldo al tatto. Inoltre, questo metallo è caratterizzato dalla più bassa conduttività termica ed elettrica. Il plutonio liquido è il più viscoso di tutti i metalli esistenti.
Il minimo cambiamento nella temperatura del plutonio porta a un cambiamento istantaneo nella densità della sostanza. In generale, la massa del plutonio cambia costantemente, poiché i nuclei di questo metallo sono in uno stato di costante fissione in nuclei e neutroni più piccoli. La massa critica del plutonio è il nome dato alla massa minima di una sostanza fissile alla quale rimane possibile la fissione (una reazione nucleare a catena). Ad esempio, la massa critica del plutonio ad uso militare è di 11 kg (per confronto, la massa critica dell’uranio altamente arricchito è di 52 kg).
Uranio e plutonio sono i principali combustibili nucleari. Per ottenere plutonio in grandi quantità vengono utilizzate due tecnologie:
- irradiazione dell'uranio
- irradiazione di elementi transuranici ottenuti dal combustibile esaurito
Entrambi i metodi rappresentano la separazione del plutonio e dell'uranio come risultato del flusso reazione chimica.
| Plutonio | |
|---|---|
| Numero atomico | 94 |
| Aspetto sostanza semplice | |
| Proprietà dell'atomo | |
| Massa atomica (massa molare) |
244.0642a. em (/mol) |
| Raggio atomico | 151:00 |
| Energia ionizzata (primo elettrone) |
491,9(5,10) kJ/mol (eV) |
| Configurazione elettronica | 5f 6 7s 2 |
| Proprietà chimiche | |
| Raggio covalente | n/d pm |
| Raggio ionico | (+4e) 93 (+3e) 108 p.m |
| Elettronegatività (secondo Pauling) |
1,28 |
| Potenziale dell'elettrodo | Pu←Pu4+ -1,25V Pu←Pu 3+ -2,0 V Pu←Pu 2+ -1,2 V |
| Stati di ossidazione | 6, 5, 4, 3 |
| Proprietà termodinamiche di una sostanza semplice | |
| Densità | 19,84/cm³ |
| Capacità termica molare | 32,77 J/(mol) |
| Conduttività termica | (6.7) W/( ·) |
| Temperatura di fusione | 914 |
| Calore di fusione | 2,8 kJ/mol |
| Temperatura di ebollizione | 3505 |
| Calore di vaporizzazione | 343,5 kJ/mol |
| Volume molare | 12,12 cm³/mol |
| Reticolo cristallino di una sostanza semplice | |
| Struttura reticolare | monoclino |
| Parametri del reticolo | a=6,183 b=4,822 c=10,963 β=101,8 |
| rapporto c/a | — |
| Temperatura di Debye | 162 |
Plutonio- un elemento chimico radioattivo del gruppo degli attinidi, ampiamente utilizzato nella produzione armi nucleari(il cosiddetto “plutonio per armi”), e anche (sperimentalmente) come combustibile nucleare per reattori nucleari per scopi civili e di ricerca. Il primo elemento artificiale ottenuto in quantità disponibili per la pesatura (1942).
La tabella a destra mostra le principali proprietà dell'α-Pu, la principale modificazione allotropica del plutonio a temperatura ambiente e pressione normale.
Storia del plutonio
L'isotopo del plutonio 238 Pu fu prodotto artificialmente per la prima volta il 23 febbraio 1941 da un gruppo di scienziati americani guidati da Glenn Seaborg irradiando nuclei uranio deutoni. È interessante notare che solo dopo la produzione artificiale il plutonio è stato scoperto in natura: in quantità trascurabili, 239 Pu si trova solitamente nei minerali di uranio come prodotto della trasformazione radioattiva dell'uranio.
Trovare il plutonio in natura
Nei minerali di uranio, a seguito della cattura di neutroni (ad esempio, neutroni provenienti dalla radiazione cosmica) da parte dei nuclei di uranio, nettunio(239 Np), il cui prodotto di decadimento β è il plutonio-239 naturale. Tuttavia, il plutonio si forma in quantità così microscopiche (0,4-15 parti di Pu per 10-12 parti di U) che la sua estrazione dai minerali di uranio è fuori questione.
origine del nome plutonio
Nel 1930, il mondo astronomico fu entusiasmato da una meravigliosa notizia: fu scoperto un nuovo pianeta, della cui esistenza aveva parlato a lungo Percival Lovell, astronomo, matematico e autore di fantastici saggi sulla vita su Marte. Basato su molti anni di osservazioni del movimento Urano E Nettuno Lovell giunse alla conclusione che oltre Nettuno nel sistema solare dovrebbe esserci un altro, il nono pianeta, quaranta volte più lontano dal Sole della Terra.
Questo pianeta, gli elementi orbitali di cui Lovell calcolò nel 1915, fu scoperto nelle fotografie scattate il 21, 23 e 29 gennaio 1930 dall'astronomo K. Tombaugh all'Osservatorio di Flagstaff ( Stati Uniti d'America) . Il pianeta è stato nominato Plutone. Il 94esimo elemento, ottenuto artificialmente alla fine del 1940 dai nuclei, prende il nome da questo pianeta, situato nel sistema solare oltre Nettuno. atomi uranio un gruppo di scienziati americani guidati da G. Seaborg.
Proprietà fisiche plutonio
Esistono 15 isotopi del plutonio: B le maggiori quantità si ottengono isotopi con numero di massa da 238 a 242:
238 Pu -> (emivita 86 anni, decadimento alfa) -> 234 U,
Questo isotopo viene utilizzato quasi esclusivamente negli RTG per scopi spaziali, ad esempio su tutti i veicoli che hanno volato oltre l'orbita di Marte.
239 Pu -> (emivita 24.360 anni, decadimento alfa) -> 235 U,
Questo isotopo è più adatto per la costruzione di armi nucleari e reattori nucleari a neutroni veloci.
240 Pu -> (emivita 6580 anni, decadimento alfa) -> 236 U, 241 Pu -> (emivita 14,0 anni, decadimento beta) -> 241 Am, 242 Pu -> (emivita 370.000 anni, decadimento alfa -decadimento) -> 238 U
Questi tre isotopi non hanno un serio significato industriale, ma si ottengono come sottoprodotti quando l'energia viene prodotta nei reattori nucleari utilizzando l'uranio, attraverso la cattura sequenziale di diversi neutroni da parte dei nuclei di uranio-238. L'isotopo 242 è molto simile nelle proprietà nucleari all'uranio-238. L'americio-241, prodotto dal decadimento dell'isotopo 241, veniva utilizzato nei rilevatori di fumo.
Il plutonio è interessante perché subisce sei transizioni di fase dalla temperatura di solidificazione alla temperatura ambiente, più di qualsiasi altro elemento chimico. Con quest'ultimo, la densità aumenta bruscamente dell'11%, di conseguenza i getti di plutonio si rompono. La fase alfa è stabile a temperatura ambiente, le cui caratteristiche sono riportate in tabella. Per l'applicazione, è più conveniente la fase delta, che ha una densità inferiore e un reticolo cubico centrato sul corpo. Il plutonio nella fase delta è molto duttile, mentre la fase alfa è fragile. Per stabilizzare il plutonio nella fase delta si utilizza il drogaggio con metalli trivalenti (nelle prime cariche nucleari veniva utilizzato il gallio).
Applicazioni del plutonio
Il primo ordigno nucleare a base di plutonio fu fatto esplodere il 16 luglio 1945 nel sito di test di Alamogordo (nome in codice del test Trinity).
Ruolo biologico del plutonio
Il plutonio è altamente tossico; La concentrazione massima consentita per 239 Pu nelle acque libere e nell'aria degli ambienti di lavoro è rispettivamente 81,4 e 3,3 * 10 −5 Bq/l. La maggior parte degli isotopi del plutonio hanno un'elevata densità di ionizzazione e un breve percorso delle particelle, quindi la sua tossicità non è dovuta tanto alle sue proprietà chimiche (il plutonio probabilmente non è più tossico a questo riguardo di altri metalli pesanti), ma piuttosto all'effetto ionizzante sui tessuti corporei circostanti. Il plutonio appartiene ad un gruppo di elementi con radiotossicità particolarmente elevata. Nel corpo, il plutonio produce grandi cambiamenti irreversibili nello scheletro, nel fegato, nella milza, nei reni e provoca il cancro. Il contenuto massimo consentito di plutonio nel corpo non deve superare i decimi di microgrammo.
Opere legate al tema plutonio
- Il plutonio è stato utilizzato per la macchina De Lorean DMC-12 nel film Ritorno al futuro come combustibile per un accumulatore di flusso per viaggiare nel futuro o nel passato.
— La carica della bomba atomica fatta esplodere dai terroristi a Denver, negli Stati Uniti, in “All the Fears of the World” di Tom Clancy era fatta di plutonio.
— Kenzaburo Oe “Appunti di un Pinch Runner”
— Nel 2006, la Beacon Pictures ha distribuito il film Plutonium-239 ( "Pu-239")
Radionuclidi che formano dosi. Parte 5
Data di: 03/08/2011
Soggetto: Salute
Vengono fornite le principali caratteristiche dei radionuclidi che formano dosi. L'enfasi principale è sulla presentazione dei potenziali pericoli dei radionuclidi. Ai fini della sicurezza, vengono considerati gli effetti radiotossici e radiobiologici dei radioisotopi sul corpo e sull'ambiente. Quanto sopra rende possibile essere più consapevoli del rischio di radiazioni dei radionuclidi che formano dosi.
11. Cesio-137
Cesio ( lat. cesio- Cs, elemento chimico del gruppo I della tavola periodica di Mendeleev, numero atomico 55, massa atomica 132,9054. Nome dal latino cesio- blu (aperto da linee spettrali blu brillante). Metallo bianco-argenteo del gruppo alcalino; fusibile, morbido come la cera; la densità è di 1,904 g/cm 3 e ha una specifica. peso 1,88 (a 15ºС), punto di fusione - 28,4ºС. Si accende nell'aria e reagisce in modo esplosivo con l'acqua. Il minerale principale è l'inquinamento.
Sono conosciuti 34 isotopi del cesio con numero di massa 114-148, di cui solo uno (133 Cs) è stabile, il resto è radioattivo. L'abbondanza isotopica del cesio-133 in natura è di circa il 100%. 133 Cs appartiene a oligoelementi. Si trova in piccole quantità in quasi tutti gli oggetti ambientali. Il contenuto di nuclidi Clarke (medio) nella crosta terrestre è 3,7∙10 -4%, nel suolo - 5∙10 -5%. Il cesio è un microelemento costante degli organismi vegetali e animali: nella fitomassa vivente è contenuto in una quantità del 6∙10 -6%, nel corpo umano - circa 4 g Con una distribuzione uniforme di cesio-137 nel corpo umano con un'attività specifica di 1 Bq/kg, il rateo di dose assorbita secondo vari autori varia da 2,14 a 3,16 µGy/anno.
Questo metallo alcalino bianco-argenteo si trova in natura come isotopo stabile Cs-133. Si tratta di un elemento raro con un contenuto medio nella crosta terrestre del 3,7∙10 -4%. Cesio ordinario e naturale e suoi composti non radioattivo. Solo l’isotopo 137 Cs prodotto artificialmente è radioattivo. L'isotopo radioattivo a lunga vita del cesio 137 Cs è formato dalla fissione dei nuclei 235 U e 239 Pu con una resa di circa il 7%. Durante il decadimento radioattivo, 137 Cs emette elettroni con un'energia massima di 1173 keV e si trasforma nel nuclide γ di breve durata 137m Ba (Tabella 18). Ha l'attività chimica più alta tra i metalli alcalini; può essere conservato solo in ampolle sottovuoto sigillate.
Tabella 18
Principali caratteristiche del cesio-137
| Isotopo | Vista principale radiazione | Emivita, T 1/2 | Valore HC acqua , Bq/DM 3 | Variazioni naturali dell'AO nelle acque (min-max), Bq/dm 3 |
137 c | β(Eβmax = 1173 keV); | 11.0 (NRB-99) | n∙10 -3 - n∙10 -2 |
Il cesio metallico viene utilizzato nelle fotocellule e nei fotomoltiplicatori nella produzione di fotocatodi e come getter nei tubi fluorescenti. Il vapore di cesio è il fluido di lavoro nei generatori MHD e nei laser a gas. I composti del cesio sono utilizzati nell'ottica e nei dispositivi per la visione notturna.
I prodotti delle reazioni di fissione nucleare contengono quantità significative di radionuclidi di cesio decomposti, tra cui il 137 Cs è il più pericoloso. Anche gli impianti radiochimici possono essere fonte di inquinamento. Il cesio-137 viene rilasciato nell'ambiente principalmente a seguito di test nucleari e incidenti nelle centrali nucleari. All’inizio del 1981, l’attività totale del 137 Cs rilasciato nell’ambiente raggiunse i 960 PBq. La densità dell'inquinamento negli emisferi settentrionale e meridionale e in media sul globo era rispettivamente di 3,42; 0,86 e 3,14 kBq/m2, e nel territorio ex URSS in media - 3,4 kBq/m2.
Durante l'incidente negli Urali meridionali nel 1957, si verificò un'esplosione termica di un impianto di stoccaggio di rifiuti radioattivi e radionuclidi con un'attività totale di 74 PBq, inclusi 0,2 PBq di 137 Cs, entrarono nell'atmosfera. Durante un incendio presso il Windscale RCP in Gran Bretagna nel 1957, furono rilasciati 12 PBq di radionuclidi, di cui 46 TBq di 137 Cs. Scarico tecnologico nel fiume dei rifiuti radioattivi dell'impresa Mayak negli Urali meridionali. La corrente nel 1950 era di 102 PBq, di cui 137 Cs 12,4 PBq. Rimozione da parte del vento dei radionuclidi dalla pianura alluvionale del lago. Karachay negli Urali meridionali nel 1967 ammontava a 30 TBq. 137 C rappresentavano 0,4 TBq.
Il vero disastro fu l’incidente della centrale nucleare di Chernobyl (ChNPP) nel 1986: dal reattore distrutto furono rilasciati 1850 PBq di radionuclidi, di cui 270 PBq di cesio radioattivo. La diffusione dei radionuclidi ha raggiunto proporzioni planetarie. In Ucraina, Bielorussia e nella regione centrale Federazione Russa più della metà della quantità totale di radionuclidi depositati nella CSI è diminuita. Sono noti casi di contaminazione ambientale a seguito dello stoccaggio incauto di fonti di cesio radioattivo per scopi medici e tecnologici.
Il cesio-137 viene utilizzato nel rilevamento di difetti gamma, nella tecnologia di misurazione, per la sterilizzazione con radiazioni di prodotti alimentari, forniture mediche e farmaci, nella radioterapia per la cura dei tumori maligni. Il cesio-137 viene utilizzato anche nella produzione di sorgenti di corrente radioisotopica, dove viene utilizzato sotto forma di cloruro di cesio (densità 3,9 g/cm 3 , rilascio di energia di circa 1,27 W/cm 3 ).
Il cesio-137 viene utilizzato nei sensori di livello limite per solidi sfusi in contenitori opachi. Il cesio-137 presenta alcuni vantaggi rispetto al cobalto-60 radioattivo: un'emivita più lunga e radiazioni gamma meno aggressive. A questo proposito, i dispositivi basati sul 137 Cs sono più durevoli e la radioprotezione è meno ingombrante. Tuttavia, questi vantaggi diventano reali solo in assenza di impurità di 137 Cs con un tempo di dimezzamento più breve e radiazioni gamma più severe.
Ampio utilizzo ricevuto come fonte di radiazione γ. In medicina, le fonti di cesio, insieme alle fonti di radio, vengono utilizzate nei dispositivi gamma terapeutici e nei dispositivi per la terapia gamma interstiziale e della cavità. Dal 1967, il fenomeno della transizione tra due livelli iperfini dello stato fondamentale dell'atomo di cesio-137 è stato utilizzato per definire una delle unità di tempo fondamentali: i secondi.
Il radiocesio 137 Cs è un radionuclide prodotto esclusivamente dall'uomo; la sua presenza nell'ambiente studiato è associata ai test sulle armi nucleari o all'uso di tecnologie nucleari. 137 Cs è un radioisotopo del cesio che emette β-γ, uno dei principali componenti della contaminazione radioattiva tecnogenica della biosfera. Formato a seguito di reazioni di fissione nucleare. Contenuto in ricadute radioattive, scarichi e rifiuti provenienti da impianti radiochimici. L'OA 137 Cs nell'acqua potabile è limitato a livelli di 11 Bq/dm 3 o 8 Bq/dm 3.
Una caratteristica geochimica del 137 Cs è la sua capacità di essere trattenuto molto saldamente dagli assorbenti naturali. Di conseguenza, entrando nell’OPS, la sua attività diminuisce rapidamente man mano che si allontana dalla fonte di inquinamento. Le acque naturali si depurano in tempi relativamente brevi grazie all'assorbimento del 137 Cs da parte delle sospensioni e dei sedimenti del fondo.
Il cesio può accumularsi in quantità significative nelle piante agricole, e in particolare nei semi. Proviene più intensamente dall'ambiente acquatico e si muove attraverso la pianta ad alta velocità. L'introduzione di fertilizzanti di potassio e calcinazione nel terreno riduce significativamente l'assorbimento di cesio da parte delle piante e, tanto più fortemente, maggiore è la percentuale di potassio.
Il coefficiente di accumulo è particolarmente elevato nelle alghe d'acqua dolce e nelle piante terrestri artiche (soprattutto licheni) e nel mondo animale - nelle renne attraverso il muschio di renna di cui si nutrono. Il cesio-137 penetra negli organismi viventi principalmente attraverso gli organi respiratori e digestivi. Questo nuclide proviene principalmente dal cibo in una quantità di 10 mcg/giorno. Viene escreto dall'organismo principalmente attraverso l'urina (in media 9 mcg/giorno). Il cesio è un microcomponente chimico permanente del corpo di piante e animali. Il principale serbatoio di cesio nel corpo dei mammiferi sono i muscoli, il cuore e il fegato. Circa l'80% del cesio che entra nel corpo si accumula nei muscoli, l'8% nello scheletro e il restante 12% è distribuito uniformemente negli altri tessuti.
Il cesio-137 viene escreto principalmente attraverso i reni e l'intestino. L'emivita biologica del cesio-137 accumulato per gli esseri umani è generalmente considerata di 70 giorni (secondo la Commissione internazionale per la protezione radiologica). Durante l'escrezione, quantità significative di cesio vengono riassorbite nel sangue nell'intestino inferiore. Un rimedio efficace Per ridurre l'assorbimento del cesio nell'intestino, come assorbente viene utilizzato il ferrocianuro, che lega il nuclide in una forma indigeribile. Inoltre, per accelerare l'eliminazione del nuclide, vengono stimolati i naturali processi escretori e vengono utilizzati diversi agenti complessanti.
È prevedibile lo sviluppo di lesioni da radiazioni negli esseri umani quando si assorbe una dose di circa 2 Gy o più. Dosi di 148, 170 e 740 MBq corrispondono a gradi di danno lievi, moderati e gravi, ma si osserva una reazione alle radiazioni anche con unità di MBq.
Il 137 Cs appartiene al gruppo delle sostanze radioattive distribuite uniformemente negli organi e nei tessuti, per questo motivo è classificato come nuclide di media pericolosità in termini di radiotossicità; Ha una buona capacità di entrare nell'organismo insieme al potassio attraverso la catena alimentare.
La principale fonte di cesio che entra nel corpo umano sono i prodotti alimentari di origine animale contaminati dal nuclide. Il contenuto di cesio radioattivo in un litro di latte vaccino raggiunge lo 0,8-1,1% dell'assunzione giornaliera di nuclide, capra e pecora - 10-20%. Tuttavia, si accumula principalmente nel tessuto muscolare degli animali: 1 kg di carne di mucca, pecora, maiale e pollo contiene rispettivamente il 4,8, il 20 e il 26% dell'apporto giornaliero di cesio. Nelle proteine uova di gallina cade meno - 1,8-2,1%. Il cesio si accumula in quantità ancora maggiori nei tessuti muscolari degli idrobionti: l'attività di 1 kg di pesci d'acqua dolce può superare di oltre 1000 volte l'attività di 1 litro d'acqua (nei pesci marini è inferiore).
La principale fonte di cesio per la popolazione russa sono i latticini e i prodotti a base di carne (dopo l'incidente di Chernobyl - latticini e prodotti a base di carne in Europa e negli Stati Uniti, il cesio proviene principalmente da latticini e prodotti a base di carne e meno da cereali e verdure); L'irradiazione interna costante creata in questo modo provoca danni significativamente maggiori rispetto all'irradiazione esterna con questo isotopo.
I metodi pubblicati per misurare l'attività del 137 Cs mediante la sua emissione β comportano la preparazione del campione radiochimico e l'isolamento del cesio con un elevato grado di purezza per eliminare l'influenza interferente di altri emettitori β. I metodi moderni per determinare il 137 Cs si basano, di regola, sulla registrazione della radiazione gamma con un'energia di 661,6 keV. Si dividono in strumentali, il cui limite inferiore di determinazione (LDL) è 1-10 Bq/kg (o Bq/dm3), e metodi con preliminare arricchimento chimico (LDL fino a 10 -2 Bq/kg). Per concentrare 137 Cs da soluzioni diluite, viene spesso utilizzata la sua coprecipitazione con ferrocianuri di nichel, rame, zinco, ferro, cobalto, calcio, magnesio o collettori assorbenti basati su di essi.
12. Plutonio
Plutonio (plutonio) Pu è un elemento chimico radioattivo prodotto dall'uomo Gruppo III Tavola periodica degli elementi di Mendeleev, numero atomico 94, transura nuovo elemento, si riferisce agli attinidi. Il primo nuclide 238 Pu fu scoperto nel 1940 da G. Th Seaborg, E. M. McMillan, J. E. Kennedy e A. C. Val ( A.Ch.Wahl). Nella primavera del 1941, Seaborg e i suoi collaboratori scoprirono e isolarono per la prima volta un quarto di microgrammo di 239 Pu dopo il decadimento di 239 Np, formato dall'irradiazione di 238 U con nuclei pesanti di idrogeno (deuteroni). Dopo l'uranio e il nettunio, il nuovo elemento prese il nome in onore del pianeta Plutone scoperto nel 1930. Dal 24 agosto 2006, per decisione dell'Unione Astronomica Internazionale, Plutone non è più un pianeta sistema solare. IN mitologia greca Plutone (aka Ade) - dio regno dei morti.
Il plutonio Pu è il metallo pesante più pericoloso. Ha 15 isotopi radioattivi con numero di massa da 232 a 246, principalmente emettitori α. Sulla Terra ci sono solo tracce di questo elemento e solo nei minerali di uranio. I valori T½ di tutti gli isotopi del plutonio sono molto inferiori all'età della Terra, e quindi tutto il plutonio primario (che esisteva sul nostro pianeta durante la sua formazione) è completamente decaduto. Tuttavia, piccole quantità di 239 Pu vengono costantemente prodotte dal decadimento beta di 239 Np, che a sua volta deriva dalla reazione nucleare dell'uranio con neutroni (ad esempio, neutroni dei raggi cosmici).
Pertanto, tracce di plutonio sono state trovate nei minerali di uranio in quantità così microscopiche (0,4-15 parti di Pu per 10 12 parti di U) che la sua estrazione dai minerali di uranio è fuori questione. Circa 5000 kg di esso sono stati rilasciati nell'atmosfera a seguito di test nucleari. Secondo alcune stime, il suolo degli Stati Uniti contiene una media di 2 milliCurie (28 mg) di plutonio per km 2 di pioggia radioattiva. È un prodotto tipico della creazione umana; viene prodotto nei reattori nucleari a partire dall'uranio-238, che viene successivamente convertito in uranio-239, nettunio-239 e plutonio-239.
Gli isotopi pari del plutonio-238, -240, -242 non sono materiali fissili, ma possono fissione sotto l'influenza di neutroni ad alta energia (sono fissili). Non sono in grado di mantenere una reazione a catena (ad eccezione del plutonio-240). Si ottennero gli isotopi 232 Pu - 246 Pu; Tra i prodotti delle esplosioni di bombe termonucleari sono stati trovati anche 247 Pu e 255 Pu. Il più stabile è l'inaccessibile 244 Pu (decadimento α e fissione spontanea, T1/2= 8,2·10 7 anni, massa atomica 244,0642). Quando è libero, è un fragile metallo bianco-argenteo. Tracce degli isotopi 247 Pu e 255 Pu sono state trovate nella polvere raccolta dopo le esplosioni di bombe termonucleari.
Enormi sforzi e risorse furono dedicati alla ricerca nucleare e alla creazione dell'industria nucleare negli Stati Uniti, come più tardi in URSS. In breve tempo, nucleare e fisico Proprietà chimiche plutonio (Tabella 19). Il primo ordigno nucleare a base di plutonio fu fatto esplodere il 16 luglio 1945 nel sito di test di Alamogordo (nome in codice del test Trinity). In URSS, i primi esperimenti per ottenere 239 Pu iniziarono nel 1943-1944. sotto la guida degli accademici I.V. Kurcatov e V.G. Khlopina. Per la prima volta in URSS, il plutonio fu isolato dall'uranio irradiato da neutroni. Nel 1945 e nel 1949 iniziò a funzionare in URSS il primo impianto di separazione radiochimica.
Tabella 19
Proprietà nucleari dei più importanti isotopi del plutonio
| Proprietà nucleari | Plutonio-238 | Plutonio-239 | Plutonio-240 | Plutonio-241 | Plutonio-242 |
Emivita, anni | |||||
Attività, Ci/g | |||||
Tipo di decadimento radioattivo | decadimento alfa | decadimento alfa | decadimento alfa | decadimento beta | decadimento alfa |
Energia di decadimento radioattivo, MeV |
Nota. Tutti gli isotopi del plutonio sono deboli emettitori gamma. Il plutonio-241 si trasforma in americio-241 (un potente emettitore gamma)
Hanno solo due isotopi di plutonio uso pratico per scopi industriali e militari. Il plutonio-238, prodotto nei reattori nucleari dal nettunio-237, viene utilizzato per produrre generatori termoelettrici compatti. Sei milioni di elettronvolt vengono rilasciati dal decadimento di un nucleo atomico di plutonio-238. In una reazione chimica, la stessa energia viene rilasciata quando diversi milioni di atomi vengono ossidati. Una fonte elettrica contenente un chilogrammo di plutonio-238 sviluppa una potenza termica di 560 MW. La potenza massima di una sorgente di corrente chimica della stessa massa è 5 W.
Esistono molti emettitori con caratteristiche energetiche simili, ma una caratteristica del plutonio-238 rende questo isotopo indispensabile. Il decadimento alfa è solitamente accompagnato da forti radiazioni gamma, che penetrano attraverso grandi strati di materia. 238 Pu costituisce un'eccezione. L'energia dei raggi gamma che accompagnano il decadimento dei suoi nuclei è bassa, non è difficile proteggersi da essa: la radiazione viene assorbita da un contenitore a pareti sottili. Anche la probabilità di fissione spontanea dei nuclei di questo isotopo è bassa. Pertanto, ha trovato applicazione non solo nelle fonti attuali, ma anche in medicina. Le batterie contenenti plutonio-238 servono come fonte di energia in speciali stimolatori cardiaci, la cui durata raggiunge i 5 anni o più.
La lega plutonio-berillio funziona come sorgente di neutroni da laboratorio. L'isotopo Pu-238 si trova in numerosi generatori di energia termoelettrica nucleare a bordo di veicoli di ricerca spaziale. Grazie alla sua lunga durata e all'elevata potenza termica, questo isotopo viene utilizzato quasi esclusivamente negli RTG per scopi spaziali, ad esempio su tutti i veicoli che hanno volato oltre l'orbita di Marte.
Di tutti gli isotopi, il più interessante è Pu-239, la sua emivita è di 24110 anni. Come materiale fissile, il 239 Pu è ampiamente utilizzato come combustibile nucleare nei reattori nucleari (l'energia rilasciata durante la fissione di 1 G 239 Pu, equivalente al calore rilasciato dalla combustione di 4000 kg di carbone), nella produzione di armi nucleari (il cosiddetto “plutonio per armi”) e nelle bombe atomiche e termonucleari, nonché per i reattori nucleari a neutroni veloci e reattori nucleari per scopi civili e di ricerca. Come fonte di radiazione α, il plutonio, insieme al 210 Po, ha trovato ampia applicazione nell'industria, in particolare nei dispositivi per l'eliminazione delle cariche elettrostatiche. Questo isotopo viene utilizzato anche nella strumentazione e nelle apparecchiature di controllo.
Il plutonio ha molte proprietà specifiche. Ha la più bassa conduttività termica tra tutti i metalli, la più bassa conduttività elettrica, ad eccezione del manganese. Nella sua fase liquida è il metallo più viscoso. Punto di fusione -641°C; punto di ebollizione -3232°C; densità - 19,84 (in fase alfa). È un elemento estremamente elettronegativo e chimicamente reattivo, molto più dell'uranio. Sbiadisce rapidamente per formare una pellicola iridescente (come una pellicola oleosa iridescente), inizialmente giallo chiaro, che alla fine diventa viola scuro. Se l'ossidazione è piuttosto intensa, sulla sua superficie appare una polvere di ossido verde oliva (PuO 2). Il plutonio si ossida facilmente e si corrode rapidamente anche in presenza di una leggera umidità.
Quando la temperatura cambia, il plutonio subisce i cambiamenti di densità più gravi e innaturali. Il plutonio ha sei diverse fasi (strutture cristalline) in forma solida, più di qualsiasi altro elemento.
I composti del plutonio con ossigeno, carbonio e fluoro vengono utilizzati nell'industria nucleare (direttamente o come materiali intermedi). Il plutonio metallico non si dissolve acido nitrico, ma il biossido di plutonio si dissolve nell'acido nitrico concentrato caldo. Tuttavia, in una miscela solida con biossido di uranio (ad esempio, nel combustibile esaurito dei reattori nucleari), la solubilità del biossido di plutonio nell'acido nitrico aumenta perché il biossido di uranio si dissolve in esso. Questa caratteristica viene utilizzata nel ritrattamento del combustibile nucleare (Tabella 20).
Tabella 20
Composti del plutonio e loro applicazioni
| Composti del plutonio | Applicazione |
Biossido di plutonio PuO2 | Miscelato con biossido di uranio (UO 2) viene utilizzato come combustibile per i reattori nucleari |
Carburo di plutonio (PuC) | Può potenzialmente essere utilizzato come combustibile per reattori autofertilizzanti |
Trifluoruro di plutonio (PuF 3) | Sono composti intermedi nella produzione del plutonio metallico |
| Nitrati di plutonio - Pu(NO 3) 4 e Pu(NO 3) 3 | Non usato. Stanno ritrattando prodotti (quando si estrae il plutonio dal combustibile nucleare esaurito) |
I composti più importanti del plutonio: PuF 6 (un liquido bassobollente; termicamente molto meno stabile dell'UF 6), l'ossido solido PuO 2, il carburo PuC e il nitruro PuN, che in miscela con i corrispondenti composti dell'uranio possono essere utilizzati come combustibile nucleare.
I dispositivi a radioisotopi più utilizzati sono gli allarmi antincendio a ionizzazione o gli indicatori di fumo a radioisotopi. Quando lavorato meccanicamente, il plutonio forma facilmente aerosol.
In natura, si forma durante il decadimento β dell'Np-239, che a sua volta avviene durante la reazione nucleare dell'uranio-238 con neutroni (ad esempio neutroni provenienti dalla radiazione cosmica). Anche la produzione industriale del Pu-239 si basa su questa reazione e avviene nei reattori nucleari. Il plutonio-239 è il primo a formarsi reattore nucleare Quando l'uranio-238 viene irradiato, più tempo impiega il processo, più appaiono gli isotopi più pesanti del plutonio. Il plutonio-239 deve essere separato chimicamente dai prodotti di fissione e dall'uranio rimanente nel combustibile esaurito. Questo processo è chiamato rielaborazione. Poiché tutti gli isotopi hanno lo stesso numero di protoni e un diverso numero di neutroni, le loro proprietà chimiche (le proprietà chimiche dipendono dal numero di protoni nel nucleo) sono identiche, quindi è molto difficile separare gli isotopi utilizzando metodi chimici.
La successiva separazione del Pu-239 dall'uranio, dal nettunio e dai prodotti di fissione altamente radioattivi viene effettuata negli impianti radiochimici utilizzando metodi radiochimici (co-precipitazione, estrazione, scambi ionici, ecc.). Il plutonio metallico viene solitamente ottenuto riducendo PuF 3, PuF 4 o PuO 2 con vapori di bario, calcio o litio.
Quindi la sua capacità di fissione sotto l'influenza dei neutroni viene utilizzata nei reattori atomici e la sua capacità di subire una reazione di fissione a catena autosufficiente in presenza di una massa critica (7 kg) viene utilizzata nelle bombe atomiche e termonucleari, dove è il componente principale. La massa critica della sua modifica α è di 5,6 kg (una palla con un diametro di 4,1 cm). 238 Pu viene utilizzato nelle batterie elettriche “nucleari” che hanno una lunga durata. Gli isotopi del plutonio servono come materie prime per la sintesi degli elementi transplutonici (Am, ecc.).
Irradiando il Pu-239 con neutroni è possibile ottenere una miscela di isotopi, da cui l'isotopo Pu-241, come il Pu-239, è fissile e potrebbe essere utilizzato per produrre energia. Tuttavia, il suo tempo di dimezzamento è di 14,4 anni, il che non ne consente la conservazione a lungo, inoltre, decadendo, forma Am-241 non fissile (α-, γ-radioattivo) con un tempo di dimezzamento di; 432,8 anni. Si scopre che circa ogni 14 anni la quantità di Am-241 nell'ambiente raddoppia. È difficile rilevarlo, come altri elementi transuranici, con apparecchiature γ-spettrometriche convenzionali e sono necessari metodi di rilevamento molto specifici e costosi. L'isotopo Pu-242 è molto simile nelle proprietà nucleari all'uranio-238, ottenuto dal decadimento dell'isotopo Pu-241, utilizzato nei rilevatori di fumo;
L'americio-241, così come altri elementi transuranici (nettunio, californio e altri), è un radionuclide pericoloso per l'ambiente, essendo prevalentemente un elemento che emette α che provoca irradiazione interna del corpo.
Sulla Terra c’è più che sufficiente plutonio accumulato. La sua produzione non è assolutamente necessaria sia per la difesa che per l'energia. Tuttavia, dei 13 reattori esistenti nell'URSS che producevano plutonio per armi, 3 continuano a funzionare: due dei quali nella città di Seversk. L’ultimo reattore di questo tipo negli Stati Uniti fu spento nel 1988.
La qualità del plutonio è determinata dalla percentuale di isotopi in esso contenuti (eccetto il plutonio-239) (Tabella 21).
Nel settembre 1998, i prezzi del plutonio fissati dalla divisione isotopi dell'Oak Ridge National Laboratory (ORNL) erano i seguenti: 8,25 dollari/mg per il plutonio-238 (purezza del 97%); 4,65 dollari/mg per il plutonio-239 (>99,99%); 5,45 dollari/mg per il plutonio-240 (>95%); 14,70 dollari/mg per il plutonio-241 (>93%) e 19,75 dollari/mg per il plutonio-242.
Tabella 21Qualità del plutonio
Questa classificazione del plutonio in base alla qualità, sviluppata dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, è piuttosto arbitraria. Ad esempio, una bomba nucleare può essere realizzata anche con plutonio per combustibile e reattore, che sono meno adatti a scopi militari rispetto al plutonio per armi. Il plutonio di qualsiasi qualità può essere utilizzato per creare armi radiologiche (quando le sostanze radioattive vengono disperse senza provocare un'esplosione nucleare).
Solo 60 anni fa le piante verdi e gli animali non contenevano plutonio; oggi ne vengono disperse nell'atmosfera fino a 10 tonnellate; Circa 650 tonnellate sono state prodotte dall'energia nucleare e oltre 300 tonnellate dalla produzione militare. Una parte significativa di tutta la produzione di plutonio si trova in Russia.
Una volta nella biosfera, il plutonio migra superficie terrestre, essendo incluso nei cicli biochimici. Il plutonio viene concentrato dagli organismi marini: il suo coefficiente di accumulo (cioè il rapporto tra le concentrazioni nel corpo e in ambiente esterno) per le alghe è 1000-9000, per il plancton (misto) - circa 2300, per i molluschi - fino a 380, per stella marina- circa 1000, per muscoli, ossa, fegato e stomaco dei pesci - rispettivamente 5.570, 200 e 1060. Le piante terrestri assorbono il plutonio principalmente attraverso il sistema radicale e lo accumulano fino allo 0,01% della loro massa. Dagli anni '70 Nel XX secolo aumenta la quota del plutonio nella contaminazione radioattiva della biosfera (l'irradiazione degli invertebrati marini dovuta al plutonio diventa maggiore di quella dovuta al 90 Sr e al 137 Cs). La concentrazione massima consentita per 239 Pu nelle acque libere e nell'aria degli ambienti di lavoro è rispettivamente di 81,4 e 3,3ּ 10 -5 Bq/l.
Il comportamento del plutonio nell'aria determina le condizioni per il suo stoccaggio e la sua manipolazione sicura durante la produzione (Tabella 22). L'ossidazione del plutonio rappresenta un rischio per la salute umana perché il biossido di plutonio, essendo un composto stabile, viene facilmente inalato nei polmoni. La sua attività specifica è 200mila volte superiore a quella dell'uranio, inoltre la liberazione del corpo dal plutonio che vi è entrato praticamente non avviene durante l'intera vita di una persona;
L'emivita biologica del plutonio è di 80-100 anni quando si trova nel tessuto osseo, la sua concentrazione è quasi costante. L'emivita del fegato è di 40 anni. Gli additivi chelati possono accelerare l'eliminazione del plutonio.
Cambiamenti nelle proprietà del plutonio nell'aria
| Forma e condizioni ambientali | Reazione del plutonio |
Lingotti di metallo | Relativamente inerte |
Polvere metallica | Reagisce rapidamente alla forma |
Polvere fine: | Si accende in modo casuale: |
A temperature e umidità elevate | Reagisce alla forma |
Il plutonio è chiamato “veleno nucleare”; il suo contenuto ammissibile nel corpo umano è stimato in nanogrammi. La Commissione internazionale per la protezione radiologica (ICRP) ha fissato il limite di assorbimento annuale a 280 nanogrammi. Ciò significa che per l'esposizione professionale la concentrazione di plutonio nell'aria non dovrebbe superare i 7 picoCurie/m 3 . La concentrazione massima consentita di Pu-239 (per il personale professionale) è di 40 nanoCurie (0,56 microgrammi) e 16 nanoCurie (0,23 microgrammi) per il tessuto polmonare.
L'ingestione di 500 mg di plutonio come materiale finemente suddiviso o disciolto può provocare la morte per esposizione acuta al sistema digestivo entro giorni o settimane. L'inalazione di 100 mg di plutonio sotto forma di particelle di dimensioni ottimali per la ritenzione nei polmoni di 1-3 micron porta alla morte per edema polmonare in 1-10 giorni. L'inalazione di una dose da 20 mg porta alla morte per fibrosi in circa un mese. Per dosi molto inferiori a questi valori si manifesta un effetto cancerogeno cronico.
Nel corso della vita, il rischio di un adulto di sviluppare il cancro ai polmoni dipende dalla quantità di plutonio introdotta nel corpo. L'ingestione di 1 microgrammo di plutonio comporta un rischio dell'1% di sviluppare il cancro (il rischio normale di cancro è del 20%). Di conseguenza, 10 microgrammi aumentano il rischio di cancro dal 20% al 30%. L'esposizione a 100 microgrammi o più garantisce lo sviluppo del cancro ai polmoni (di solito entro pochi decenni), sebbene le prove di danno polmonare possano richiedere diversi mesi per comparire. Se penetra nel sistema circolatorio, molto probabilmente inizierà a concentrarsi nei tessuti contenenti ferro: midollo osseo, fegato, milza. Se 1,4 microgrammi vengono immessi nelle ossa di un adulto, il sistema immunitario risultante si deteriorerà e il cancro potrebbe svilupparsi nel giro di pochi anni.
Il fatto è che Pu-239 è un emettitore α e ciascuna delle sue particelle α nel tessuto biologico forma 150mila coppie di ioni lungo il suo breve percorso, danneggiando le cellule e producendo varie trasformazioni chimiche. 239 Pu appartiene a sostanze con distribuzione mista, poiché si accumula non solo nello scheletro osseo, ma anche nel fegato. Viene trattenuto molto bene nelle ossa e praticamente non viene rimosso dal corpo a causa della lentezza dei processi metabolici nel tessuto osseo. Per questo motivo questo nuclide appartiene alla categoria dei più tossici.
Mentre si trova nel corpo, il plutonio diventa una fonte costante di radiazioni α per l'uomo, causando tumori alle ossa, cancro al fegato e leucemia, disturbi ematopoietici, osteosarcoma, cancro ai polmoni, essendo quindi uno degli agenti cancerogeni più pericolosi (Tabella 23).
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Affermano che il plutonio è “la sostanza più tossica sulla terra” ed è così pericoloso che “anche un granello di esso può uccidere”. Confermiamo che il plutonio è tossico e quindi solo specialisti altamente qualificati dovrebbero lavorarci. Le proprietà tossiche del plutonio appaiono come conseguenza della radioattività alfa. In termini di grado di rischio di radiazioni, il plutonio appartiene al gruppo A (radionuclidi con un'attività minimamente significativa di 10 3 Bq), che comprende radionuclidi come 229 Th, 232 U, 231 Ra, U naturale, Th naturale. Le particelle alfa rappresentano un pericolo serio solo se la loro fonte è all'interno del corpo (cioè il plutonio deve essere ingerito). Sebbene il plutonio emetta anche raggi gamma e neutroni che possono entrare nel corpo dall’esterno, i livelli sono troppo bassi per causare gravi danni.
Non è possibile fare un confronto diretto tra il plutonio e le sostanze tossiche, poiché l’effetto dell’inalazione di plutonio aumenterebbe la probabilità di cancro entro pochi anni, mentre la maggior parte delle altre tossine causerebbero la morte immediata. I confronti più chiari tra le tossine, come quelli tra grammi e grammi, mostrano che la ricina, alcuni veleni di serpente e il cianuro di potassio sono significativamente più tossici del plutonio. Vale anche la pena considerare che anche tutte le sostanze detergenti e lavanti presenti in qualsiasi cucina sono tossiche se le assorbiamo all'interno. Anche alcuni dei prodotti ottenuti dai raccolti di cereali sono tossici.
Informazioni aggiuntive:
Plutonio-239 ha un tempo di dimezzamento di 24.100 anni. Cioè, è radioattivo per molto tempo. Emette radioattività sotto forma di particelle alfa, che penetrano debolmente e non possono, ad esempio, penetrare nella pelle umana. Le radiazioni emesse dagli isotopi a vita lunga sono meno pericolose delle radiazioni emesse dagli isotopi a vita breve. Un radioisotopo a lunga emivita come l’uranio-238 (emivita 4,5 miliardi di anni) emette radiazioni a una velocità bassa su scale temporali geologiche. Un radioisotopo con un tempo di dimezzamento breve, come il radon-222 (emivita di 3,82 giorni), emette radiazioni molto più velocemente, ma in un periodo di tempo più breve.
Plutonio per armi. Documenti recentemente declassificati (WASH-1037, "Introduzione alle armi nucleari", giugno 1972) indicano che la designazione del plutonio come "grado per armi" è puramente una questione economica. Da un lato, il costo del plutonio diminuisce all’aumentare della quota di Pu-240. D’altro canto il Pu-240 aumenta la massa critica.
Se consideriamo il rischio per la salute umana derivante dall'esposizione al plutonio, va notato che anche ingerirlo non rappresenta un grande pericolo, perché il plutonio, passando attraverso il tratto gastrointestinale, viene scarsamente assorbito ed eliminato dall'organismo prima che possa causare danni . Il plutonio non è difficile da immagazzinare e può essere facilmente isolato dall'ambiente a causa del debole potere di penetrazione delle radiazioni che emette. Tuttavia, ci sono evidenti rischi per la salute derivanti dall’inalazione di plutonio. Sebbene sia molto difficile creare una dispersione aerea di un metallo pesante come il plutonio, alcuni composti chimici, compreso l’ossido di plutonio insolubile con dimensioni delle particelle inferiori a 10 micron, rappresentano un potenziale pericolo.
La maggior parte Questa sostanza, quando inalata, viene immediatamente trasportata dal flusso mucoso dal sistema bronchiale al tratto gastrointestinale, come qualsiasi sostanza costituita da piccole particelle. Tuttavia, una parte del plutonio verrà comunque catturata dal corpo ed entrerà immediatamente prima nel sangue o nel sistema linfatico e successivamente in altre parti del corpo, in particolare nel fegato e nelle ossa. È qui che la radiazione alfa del plutonio assorbito può infine causare il cancro. Tuttavia, il pericolo rappresentato dal plutonio è simile a quello di qualsiasi altro radionuclide che emette radiazioni alfa quando inalato. Il tempo di dimezzamento biologico del plutonio è di 80-100 anni quando è presente nel tessuto osseo, vale a dire la sua concentrazione è quasi costante. L'emivita del fegato è di 40 anni. Gli additivi chelati possono accelerare la rimozione del plutonio. Il plutonio è potenzialmente meno pericoloso degli isotopi a vita breve, che sono quindi più radioattivi. Ad esempio, i prodotti figli del decadimento del gas radon, che (seppur in basse concentrazioni) è molto diffuso nell'ambiente.
L’umanità è sempre stata alla ricerca di nuove fonti di energia che possano risolvere molti problemi. Tuttavia, non sono sempre sicuri. Quindi, in particolare, quelli ampiamente utilizzati oggi, sebbene siano in grado di generare quantità semplicemente colossali di energia elettrica di cui tutti hanno bisogno, comportano ancora un pericolo mortale. Ma, oltre agli scopi pacifici, alcuni paesi del nostro pianeta hanno imparato ad usarlo per scopi militari, soprattutto per creare testate nucleari. Questo articolo discuterà le basi di tali armi distruttive, il cui nome è plutonio per armi.
Brevi informazioni
Questa forma compatta del metallo contiene un minimo del 93,5% dell'isotopo 239Pu. Il plutonio per uso militare è stato chiamato così da poter essere distinto dalla sua “controparte del reattore”. In linea di principio, il plutonio si forma sempre assolutamente in qualsiasi reattore nucleare, che, a sua volta, funziona con uranio debolmente arricchito o naturale, contenente, per la maggior parte, l'isotopo 238U.
Applicazione nell'industria militare
Il plutonio 239Pu per uso militare è la base delle armi nucleari. Allo stesso tempo, l’uso di isotopi con numeri di massa 240 e 242 è irrilevante, poiché creano un fondo neutronico molto elevato, che alla fine complica la creazione e la progettazione di munizioni nucleari altamente efficaci. Inoltre, gli isotopi di plutonio 240Pu e 241Pu hanno un tempo di dimezzamento significativamente più breve rispetto al 239Pu, quindi le parti di plutonio diventano molto calde. È a questo proposito che gli ingegneri sono costretti ad aggiungere ulteriori elementi per rimuovere il calore in eccesso nelle armi nucleari. A proposito, il 239Pu nella sua forma pura è più caldo del corpo umano. È anche impossibile non tenere conto del fatto che i prodotti del processo di decadimento degli isotopi pesanti subiscono cambiamenti dannosi reticolo cristallino metallo, e questo cambia in modo del tutto naturale la configurazione delle parti di plutonio, che, alla fine, può causare il completo guasto di un ordigno esplosivo nucleare.
In generale, tutte le difficoltà di cui sopra possono essere superate. E in pratica, gli ordigni esplosivi basati sul plutonio “reattore” sono già stati testati più di una volta. Ma bisogna capire che nelle armi nucleari la loro compattezza, il basso peso morto, la durata e l'affidabilità non sono affatto le meno importanti. A questo proposito, usano esclusivamente plutonio per armi.
Caratteristiche progettuali dei reattori di produzione
Quasi tutto il plutonio in Russia è stato prodotto in reattori dotati di moderatore di grafite. Ciascuno dei reattori è costruito attorno a blocchi di grafite assemblati cilindricamente.
Una volta assemblati, i blocchi di grafite presentano tra loro speciali fessure per garantire la circolazione continua del liquido refrigerante, che utilizza azoto. La struttura assemblata dispone inoltre di canali posizionati verticalmente creati per il passaggio dell'acqua di raffreddamento e del carburante attraverso di essi. Il complesso stesso è rigidamente supportato da una struttura provvista di aperture poste sotto i canali utilizzati per lo scarico del combustibile già irraggiato. Inoltre, ciascuno dei canali è situato in un tubo a pareti sottili realizzato in una lega di alluminio leggera ed estremamente resistente. La maggior parte dei canali descritti hanno 70 barre di combustibile. L'acqua di raffreddamento scorre direttamente attorno alle barre di combustibile, rimuovendo da esse il calore in eccesso.
Aumentare la potenza dei reattori di produzione
Inizialmente, il primo reattore Mayak funzionava con una potenza termica di 100 MW. Tuttavia, il principale leader del programma sovietico di armi nucleari propose che il reattore funzionasse con una potenza di 170-190 MW in inverno e di 140-150 MW in estate. Questo approccio ha permesso al reattore di produrre quasi 140 grammi di prezioso plutonio al giorno.
Nel 1952 furono condotti lavori di ricerca a tutti gli effetti per aumentare la capacità produttiva dei reattori operativi utilizzando i seguenti metodi:
- Aumentando il flusso di acqua utilizzata per il raffreddamento e che scorre attraverso i nuclei di una centrale nucleare.
- Aumentando la resistenza al fenomeno della corrosione che avviene in prossimità del rivestimento del canale.
- Ridurre il tasso di ossidazione della grafite.
- Aumento della temperatura all'interno delle celle a combustibile.
Di conseguenza, la portata dell'acqua circolante è aumentata notevolmente dopo l'aumento dello spazio tra il carburante e le pareti del canale. Siamo anche riusciti a eliminare la corrosione. Per questo, sono state selezionate le leghe di alluminio più adatte e si è iniziato ad aggiungere attivamente bicromato di sodio, che alla fine ha aumentato la morbidezza dell'acqua di raffreddamento (il pH è diventato circa 6,0-6,2). L'ossidazione della grafite ha cessato di essere un problema urgente dopo che è stato utilizzato l'azoto per raffreddarla (prima si utilizzava solo aria).
Alla fine degli anni '50, le innovazioni furono pienamente realizzate nella pratica, riducendo l'inutile inflazione di uranio causata dalle radiazioni, riducendo significativamente l'indurimento termico delle barre di uranio, migliorando la resistenza del rivestimento e aumentando il controllo della qualità della produzione.
Produzione a Mayak
"Chelyabinsk-65" è uno di quegli impianti molto segreti in cui è avvenuta la creazione di plutonio per armi. L'impresa aveva diversi reattori e daremo uno sguardo più da vicino a ciascuno di essi.
Reattore A
L'installazione è stata progettata e realizzata sotto la guida del leggendario N. A. Dollezhal. Funzionava con una potenza di 100 MW. Il reattore aveva 1149 canali di controllo e di carburante disposti verticalmente in un blocco di grafite. Il peso totale della struttura era di circa 1050 tonnellate. Quasi tutti i canali (tranne 25) erano carichi di uranio, la cui massa totale era di 120-130 tonnellate. 17 canali sono stati utilizzati per le barre di controllo e 8 per gli esperimenti. Il massimo rilascio di calore di progetto della cella a combustibile era di 3,45 kW. Inizialmente il reattore produceva circa 100 grammi di plutonio al giorno. Il primo plutonio metallico fu prodotto il 16 aprile 1949.
Svantaggi tecnologici
Quasi immediatamente furono identificati problemi piuttosto seri, che consistevano nella corrosione dei rivestimenti in alluminio e nel rivestimento delle celle a combustibile. Anche le barre di uranio si gonfiarono e si danneggiarono, provocando la fuoriuscita di acqua di raffreddamento direttamente nel nocciolo del reattore. Dopo ogni perdita il reattore doveva essere fermato fino a 10 ore per asciugare la grafite con l'aria. Nel gennaio 1949 i rivestimenti dei canali furono sostituiti. Successivamente l'installazione fu lanciata il 26 marzo 1949.
Il plutonio per uso militare, la cui produzione nel reattore A fu accompagnata da ogni sorta di difficoltà, fu prodotto nel periodo 1950-1954 con una potenza unitaria media di 180 MW. Il successivo funzionamento del reattore cominciò ad essere accompagnato da un uso più intensivo, che naturalmente portò a spegnimenti più frequenti (fino a 165 volte al mese). Di conseguenza, il reattore fu spento nell'ottobre 1963 e riprese a funzionare solo nella primavera del 1964. Ha completato completamente la sua campagna nel 1987 e durante l'intero periodo di molti anni di attività ha prodotto 4,6 tonnellate di plutonio.
Reattori AB
Fu deciso di costruire tre reattori AB presso l'impresa Chelyabinsk-65 nell'autunno del 1948. La loro capacità di produzione era di 200-250 grammi di plutonio al giorno. Il capo progettista del progetto era A. Savin. Ciascun reattore era costituito da 1996 canali, 65 dei quali erano canali di controllo. Le installazioni hanno utilizzato un'innovazione tecnica: ogni canale era dotato di uno speciale rilevatore di perdite di refrigerante. Questa mossa ha permesso di cambiare i rivestimenti senza interrompere il funzionamento del reattore stesso.
Il primo anno di funzionamento dei reattori ha dimostrato che producevano circa 260 grammi di plutonio al giorno. Tuttavia, già dal secondo anno di attività, la capacità fu gradualmente aumentata e già nel 1963 la sua cifra era di 600 MW. Dopo la seconda revisione, il problema con i rivestimenti fu completamente risolto e la potenza era già di 1200 MW con una produzione annua di plutonio di 270 chilogrammi. Questi indicatori sono rimasti fino alla completa chiusura dei reattori.
Reattore AI-IR
L'impresa di Chelyabinsk utilizzò questa installazione dal 22 dicembre 1951 al 25 maggio 1987. Oltre all'uranio, il reattore ha prodotto anche cobalto-60 e polonio-210. Inizialmente, l'impianto produceva trizio, ma in seguito iniziò a produrre plutonio.
Inoltre, l’impianto per la lavorazione del plutonio ad uso militare aveva in funzione reattori funzionanti ad acqua pesante e un unico reattore ad acqua leggera (il suo nome era “Ruslan”).
Gigante siberiano
"Tomsk-7" era il nome dell'impianto, che ospitava cinque reattori per la creazione di plutonio. Ciascuna delle unità utilizzava la grafite per rallentare i neutroni e acqua naturale per garantire un raffreddamento adeguato.
Il reattore I-1 funzionava con un sistema di raffreddamento in cui l'acqua passava una volta. Tuttavia, i restanti quattro impianti erano dotati di circuiti primari chiusi dotati di scambiatori di calore. Questo design ha permesso di generare ulteriormente vapore, che a sua volta ha contribuito alla produzione di elettricità e al riscaldamento di vari spazi abitativi.
Tomsk-7 aveva anche un reattore chiamato EI-2, che, a sua volta, aveva un duplice scopo: produceva plutonio e, grazie al vapore generato, generava 100 MW di elettricità, oltre a 200 MW di energia termica.
Informazioni importanti
Secondo gli scienziati, il tempo di dimezzamento del plutonio per uso militare è di circa 24.360 anni. Numero enorme! A questo proposito, la domanda diventa particolarmente acuta: "Come gestire adeguatamente gli scarti di produzione?" di questo elemento? L'opzione migliore è considerata la costruzione di imprese speciali per la successiva lavorazione del plutonio per armi. Ciò è spiegato dal fatto che in questo caso l'elemento non potrà più essere utilizzato per scopi militari e sarà sotto il controllo umano. Questo è esattamente il modo in cui viene smaltito il plutonio ad uso militare in Russia, ma gli Stati Uniti d’America hanno preso una strada diversa, violando così i loro obblighi internazionali.
Pertanto, il governo americano propone di distruggere il materiale altamente arricchito non con mezzi industriali, ma diluendo il plutonio e immagazzinandolo in contenitori speciali a una profondità di 500 metri. Inutile dire che in questo caso il materiale potrà essere facilmente rimosso dal terreno in qualsiasi momento e riutilizzato per scopi militari. Secondo il presidente russo Vladimir Putin, inizialmente i paesi hanno concordato di distruggere il plutonio non con questo metodo, ma di smaltirlo presso impianti industriali.
Il costo del plutonio per uso militare merita un’attenzione particolare. Secondo gli esperti, decine di tonnellate di questo elemento potrebbero costare diversi miliardi di dollari. E alcuni esperti hanno addirittura stimato che 500 tonnellate di plutonio ad uso militare equivalgano a 8 trilioni di dollari. La cifra è davvero impressionante. Per rendere più chiaro l’ammontare di questi soldi, diciamo che negli ultimi dieci anni del 20° secolo, il PIL medio annuo della Russia è stato di 400 miliardi di dollari. Cioè, in effetti, il prezzo reale del plutonio per uso militare era pari a venti PIL annuali della Federazione Russa.