Плутоний: различия между версиями

Плутоний, как и большинство металлов, имеет яркий серебристый цвет, похожий на [[никель]] или [[железо]]<ref name="дриц"/>, но на [[воздух]]е [[Оксиды|окисляется]], меняя свой цвет сначала на [[Бронза|бронзовый]], затем на синий цвет закалённого металла и после превращается в тусклый чёрный или зелёный цвета из-за образования рыхлого окисного покрытия<ref name="вик2">{{книга|заглавие=Плутоний|оригинал=Plutonium Handbook. A Guide to the Technology|ответственный=Перев. с англ. Под ред. В. Б. Шевченко и В. К. Маркова|издание=Справочник|место=М.|издательство=Атомиздат|год=1971|том=1|страницы=12|страниц=428|тираж=2260}}</ref>. Также есть сообщения об образовании жёлтого и оливкового цвета оксидной плёнки<ref name="WISER">{{cite web|url=http://webwiser.nlm.nih.gov/getSubstanceData.do;jsessionid=89B673C34252C77B4C276F2B2D0E4260?substanceID=419&displaySubstanceName=Plutonium,%20Radioactive&UNNAID=&STCCID=&selectedDataMenuItemID=44|title=Plutonium, Radioactive|author=NIH contributors|publisher=U.S. National Library of Medicine, National Institutes of Health|description=Wireless Information System for Emergency Responders (WISER)|lang=en|accessdate=2010-09-04|location=Bethesda (MD)|archiveurl=http://www.webcitation.org/618bQEh1E|archivedate=2011-08-23}}</ref><ref>{{статья|автор=ARQ staff|заглавие=Nitric acid processing|ссылка=http://arq.lanl.gov/source/orgs/nmt/nmtdo/AQarchive/3rdQuarter08/page3.shtml|язык=en|издание=Actinide Research Quarterly|издательство=Los Alamos National Laboratory|год=2008|место=Los Alamos (NM)}} Проверено 4 сентября 2010.</ref>. При комнатной температуре плутоний находится в α-форме — это наиболее распространённая для плутония [[аллотропная модификация]]. Данная структура примерно такая же жёсткая, как [[серый чугун]], если она не [[Легирование (металлургия)|легирована]] другими металлами, которые придадут сплаву пластичность и мягкость. В отличие от большинства металлов, он не является хорошим [[Теплопроводность|проводником тепла]] и [[Электропроводность|электричества]]<ref name="WISER"/>.

 

!colspan="1"|Некоторые физические свойства плутония<ref name="дриц"/>

|-

{|

|

|+{{nobr|Атомные радиусы различных модификаций плутония при 298&nbsp;K}} {{nobr|и при температурах их существования}}

|Фаза||α||β||γ||δ||δ’||ε

|}

||

|+{{nobr|[[Ядерное эффективное сечение|Эффективное поперечное сечение захвата тепловых нейтронов]]}} {{nobr|для некоторых изотопов плутония}}

|Изотоп||²³⁸Pu||²³⁹Pu||²⁴⁰Pu||²⁴¹Pu||²⁴²Pu

|-

|

|+{{nobr|Удельное электрическое сопротивление различных фаз плутония}} {{nobr|и их температурный коэффициент электрического сопротивления}}

|Фаза||T, K||ρ, мкОм·м||α·10⁻³, K⁻¹

|}

|

|+{{nobr|Абсолютный коэффициент термоэлектродвижущей силы плутония ''e''}} {{nobr|в зависимости от температуры и модификации}}

|Фаза||T, K||среднее значение<br>''e'', мкВ/K

Как известно, [[Удельное электрическое сопротивление|электрическое сопротивление]] характеризует способность материала проводить [[электрический ток]]. Удельное сопротивление плутония при комнатной температуре очень велико для металла, и эта особенность будет усиливаться с понижением температуры, что для металлов не свойственно<ref name="Miner1968">{{книга|автор=William N. Miner.|заглавие=The Encyclopedia of the Chemical Elements|ответственный=Под ред. Clifford A. Hampel; соавт. Schonfeld, Fred W|место=New York|издательство=Reinhold Book Corporation|год=1968}}</ref>. Эта тенденция продолжается вплоть до 100 [[Кельвин|K]]<ref name="рфяцдва">{{книга|автор=Пер. с англ. языка под ред. Б. А. Надыкто и Л. Ф. Тимофеевой.|заглавие=Плутоний|место=Саров|издательство=РФЯЦ-ВНИИЭФ|год=2003|том=2|серия=Фундаментальные проблемы|страниц=203|тираж=500|isbn=5-9515-00-24-9}}</ref>; ниже этой отметки электрическое сопротивление будет уменьшаться<ref name="Miner1968"/>. С понижением отметки до 20 K сопротивление начинает возрастать из-за радиационной активности металла, причём данное свойство будет зависеть от изотопного состава металла<ref name="Miner1968"/>.

 

 

Благодаря тому, что плутоний радиоактивен, он со временем претерпевает изменения в своей кристаллической решётке<ref name="HeckerPlutonium">{{статья|автор=Siegfried S. Hecker|заглавие=Plutonium and its alloys: from atoms to microstructure|ссылка=http://www.fas.org/sgp/othergov/doe/lanl/pubs/00818035.pdf|издание=26-е изд|издательство=Los Alamos Science|год=2000|страницы=290—335}}</ref>. Плутоний претерпевает некое подобие [[отжиг]]а также благодаря самооблучению из-за повышения температуры выше 100 K.

 

 

=== Аллотропические модификации ===

{{незавершённый раздел}}

Плутоний имеет семь [[Аллотропия|аллотропных модификаций]]. Шесть из них (см. рисунок выше) существуют при обычном давлении, а седьмая — только при высокой температуре и определенном диапазоне давления<ref name="Baker1983">{{статья|автор=Richard D. Baker|заглавие=Plutonium: A Wartime Nightmare but a Metallurgist's Dream|ссылка=http://library.lanl.gov/cgi-bin/getfile?07-16.pdf|автор издания=Соавт.: Hecker, Siegfried S.; Harbur, Delbert R.|издательство=Los Alamos National Laboratory|год=1983|страницы=148, 150—151|издание=Los Alamos Science}}</ref>. Эти аллотропы, которые различаются по своим [[Кристаллическая структура|структурным характеристикам]] и показателями плотности, имеют очень похожие значения [[Внутренняя энергия|внутренней энергии]]. Это свойство делает плутоний очень чувствительным к колебаниям температуры и давления, и приводит к [[Фазовые переходы|скачкообразному изменению]] своей структуры<ref name = "HeckerPlutonium" />. Показатель плотности всех аллотропных модификаций плутония варьируется от 15,9 г/см³ до 19,86 г/см³<ref name="CRC2006">{{книга|автор=CRC contributors.|заглавие=Handbook of Chemistry and Physics|ответственный=Ред.: David R. Lide|издание=87-е изд|место=Boca Raton|издательство=CRC Press, Taylor & Francis Group|год=2006|isbn=0849304873}}</ref><ref group="~">Амплитуда колебаний показателей плотности плутония составляет 4 г/см³ (точнее: 3,94 г/см³).</ref>. Наличие многих аллотропных модификаций у плутония делает его трудным металлом в обработке и выкатывании<ref name="дриц"/>, так как он претерпевает фазовые переходы. Причины существования столь разных аллотропных модификаций у плутония не совсем ясны.

!colspan="12"|Свойства [[Кристаллическая решётка|кристаллических решеток]] плутония<ref name="Дж. Кац, Г. Сиборг и др."/><ref>{{книга|автор=Wick, O. J. (ed.)|заглавие=Plutonium handbook, A Guide to the Technology|ответственный=Am. Nucl. Soc|издание=Reprint|место=New York|издательство=Gordon & Breach|год=1980}}</ref><ref>{{книга|автор=Oetting, F. L., Rand, M. H., Ackerman, R. J.|заглавие=The Chemical Thermodynamics of Actinide Elements and their Compounds|издание=Ч. 1|место=Vienna|издательство=IAEA|год=1976|страницы=24}}</ref>

|-bgcolor="lightblue"

| ''a'' || ''b'' || ''c'' || ''β''

|-

|-

| 6,183||4,882||10,963||101,79°

|-

|-

|9,284||10,463||7,859||93,13°

|-

|-

|3,159||5,768||10,162||—

|-

|-

|4,6371||—||—||—

|-

|-

|3,34||—||4,44||—

|-

|-

|3,634||—||—||—

Альфа-форма существует при комнатной температуре в виде нелегированного и необработанного плутония. Она имеет схожие свойства с [[чугун]]ом, однако имеет свойство превращаться в пластичный материал и образовывать ковкую β-форму при более высоких интервалах температуры<ref name="Miner1968"/>. Альфа-форма плутония имеет низкосимметричную [[Моноклинная сингония|моноклинную структуру]] (кристаллическая структура фаз, которые существуют при комнатных температурах, является низкосимметричной, что более характерно для [[минерал]]ов, чем для [[металл]]ов), отсюда становится ясным, что она является прочной и плохо проводящей электрический ток модификацией<ref name="Baker1983"/>. В данной форме плутоний очень хрупок, однако имеет самую высокую плотность из всех аллотропных модификаций<ref name="поп. мех. плутоний"/>. Фазы плутония характеризуются резким изменением механических свойств — от совершенно хрупкого до пластичного металла<ref name="рфяцдва"/>.

 

 

Плутоний начинает уменьшаться в объёме, когда переходит в δ и δ’-фазы, что объясняется отрицательным коэффициентом [[Тепловое расширение|термического расширения]]<ref name="рфяцдва"/>.

Цвета водных растворов плутония зависят от степени окисления и солей кислот<ref>{{книга|автор=George, Matlack.|заглавие=A Plutonium Primer: An Introduction to Plutonium Chemistry and its Radioactivity|издательство=Los Alamos National Laboratory|год=2002}}</ref>. В них плутоний может находиться сразу в нескольких степенях окисления, что объясняется близостью его [[Окислительно-восстановительный потенциал|редокс-потенциалов]]<ref name="рита">{{книга|автор=Rita Cornelis, Joe Caruso, Helen Crews, Klaus Heumann.|заглавие=Handbook of elemental speciation II: species in the environment, food, medicine & occupational health|ссылка=http://books.google.com/books?id=1PmjurlE6KkC|издание=Перепечатанное и иллюстрированное|издательство=John Wiley and Sons|год=2005|страниц=768|isbn=0470855983, 9780470855980}}</ref>, что, в свою очередь, объясняется наличием 5''f''-[[электрон]]ов, которые расположены на локализованной и делокализованной зоне электронной орбитали<ref name="physicsworld.com"/>. При [[Водородный показатель|pH]] 5—8 доминирует четырёх[[Валентность|валентный]] плутоний<ref name="рита"/>, который наиболее устойчив среди остальных валентностей (степеней окисления)<ref name="фэ"/>.

 

: <math>\mathrm{PuF_4 + 2Ca\xrightarrow{1200^\circ C} Pu + 2CaF_2}</math>

!colspan="2"|Реакционная способность плутония в растворах<ref name="Дж. Кац, Г. Сиборг и др."/>

|-bgcolor="lightblue"

|[[Трифторуксусная кислота]] || Медленно растворяется в концентрированной кислоте; часто образуется остаток нерастворившегося оксида<ref>{{статья|автор=Cleveland, J. M.|заглавие=J. Inorg. Nucl. Chem.|язык=en|год=1964|страницы=461—467|номер=26}}</ref>

|-

|}

Во влажном кислороде металл быстро окисляется, образуя [[оксиды]] и [[гидриды]]. Металлический плутоний реагирует с большинством газов при повышенных температурах<ref name="WISER"/>. Если металл достаточно долго подвергается воздействию малых количеств влажного воздуха, то на его поверхности образуется [[диоксид плутония]]. Кроме того, может образоваться и его [[Дигидрид плутония|дигидрид]], но только при недостатке кислорода<ref name="Miner1968"/>. [[Ион]]ы плутония во всех степенях окисления склонны к [[гидролиз]]у и [[Комплексные соединения|комплексообразованию]]<ref name="БСЭ.Яндекс"/>. Способность образовывать комплексные соединения увеличивается в ряду {{nobr|Pu⁵⁺ < Pu⁶⁺ < Pu³⁺ < Pu⁴⁺ <ref name="ильин"/>}}.

При комнатной температуре свежий срез плутония имеет серебристый цвет, который затем тускнеет до серого<ref name="Heiserman1992" />. Благодаря тому, что поверхность металла становится пассивированной, он становится [[Пирофорность|пирофорным]], то есть способным к самовозгоранию, поэтому металлический плутоний, как правило, обрабатывается в инертной атмосфере аргона или [[азот]]а. Расплавленный металл должен храниться в [[вакуум]]е, либо в атмосфере [[Инертный газ|инертного газа]], чтобы избежать реакции с кислородом<ref name="Miner1968"/>.

 

 

[[Тигель|Тигли]], используемые для хранения плутония, должны выдерживать его сильные [[Окислительно-восстановительные реакции|окислительно-восстановительные]] свойства. [[Тугоплавкие металлы]], такие, как [[Тантал (элемент)|тантал]] и [[вольфрам]], наряду с более стабильными оксидами, [[Бориды|боридами]], [[Карбиды|карбидами]], [[Нитриды|нитридами]] и [[Силициды|силицидами]], также могут выдержать свойства плутония. Плавка в [[Дуговая сталеплавильная печь|электродуговой печи]] может быть использована для получения малых количеств металла без применения тиглей<ref name="Miner1968" />.

 

Наиболее важные ядерные свойства нуклидов плутония перечислены в таблице:

! colspan="5" | '''Ядерные свойства изотопов плутония'''<ref name="Дж. Кац, Г. Сиборг и др."/><ref>{{cite web|url=http://yoyo.cc.monash.edu.au/cgi-bin/cgiwrap/simcam/nuclide?nuc=Pu|title=94-plutonium|date=2002|publisher=Korea Atomic Energy Research Institute|lang=en|accessdate=2010-12-28|archiveurl=http://www.webcitation.org/618bYx6hv|archivedate=2011-08-23}}</ref><ref>{{статья|заглавие=The Nubase evaluation of nuclear and decay properties|автор=G. Audi, O. Bersillon, J. Blachot, A. H. Wapstra|год=2003|издание=Журнал Nuclear Physics|тип=статья|выпуск=128|ссылка=http://amdc.in2p3.fr/nubase/Nubase2003.pdf|страницы=3—128|lang=en|accessdate=2010-12-28}}</ref><ref name="таблица МАГАТЭ"/>

|- bgcolor="lightblue"

=== Самовоспламенение ===

В [[Дисперсность|мелкодисперсном]] состоянии плутоний, как и все [[актиниды]], пребывает в состоянии [[Пирофорность|пирофорности]]<ref name="Эрншо"/>. Во влажной среде плутоний на его поверхности образует гидриды переменного состава; реагируя с кислородом, плутоний воспламеняется даже при комнатной температуре. В результате окисления плутоний расширяется на 70 % и может повредить содержащий его контейнер<ref name = "NucSafety">

 

== Методы отделения ==

Как известно, атомная энергия применяется для преобразования в [[Электроэнергия|электроэнергию]] за счет нагревания [[Вода|воды]], которая, испаряясь и образуя перегретый пар, вращает лопатки [[Турбина|турбин]] [[электрогенератор]]ов. Преимуществом данной технологии является отсутствие каких-либо [[Парниковый газ|парниковых газов]], которые оказывают пагубное воздействие на окружающую среду. По состоянию за 2009 год 438 атомных станций по всему миру генерировали примерно 371,9 ГВт электроэнергии (или 13,8 % от общего объёма производства электроэнергии)<ref>{{статья|автор=МАГАТЭ|заглавие=Energy, Electricity and Nuclear Power Estimates for the Period up to 2050|ссылка=http://www-pub.iaea.org/MTCD/publications/PDF/IAEA-RDS-1-30_web.pdf|язык=en|издание=30-е издание|тип=отчёт, pdf|место=Австрия|год=2010|страницы=14, 18|issn=1011-2642|isbn=978-92-0-108010-3}}</ref>. Однако минусом ядерной промышленности являются [[ядерные отходы]], которых в год отрабатывается приблизительно 12000 т<ref group="~">Однако эта цифра сильно разнится. Из этого количества плутоний можно получить в сотни раз меньших количествах.</ref>. Данное количество отработанного материала представляет собой довольно сложную задачу перед сотрудниками АЭС<ref name="nature.п.">{{статья|автор=Ed Gerstner|заглавие=Nuclear energy: The hybrid returns|ссылка=http://www.nature.com/news/2009/090701/pdf/460025a.pdf|язык=en|издание=Журнал Nature|тип=[http://www.nature.com/news/2009/090701/full/460025a.html статья]|doi=10.1038/460025a|год=1 июля 2009|выпуск=460}}</ref>. К 1982 году было подсчитано, что аккумулировано ~300 т плутония<ref name="ълос"/>.

[[Файл:Radioisotope thermoelectric generator plutonium pellet.jpg|thumb|220px|right|Таблетка диоксида плутония-238, нагревшаяся до красного каления под действием собственного тепловыделения<ref group="~">Остальные изотопы имеют чрезвычайно малые показатели тепловыделения по сравнению с ²³⁸Pu, и потому не применяются в качестве источника энергии. См. таблицу в разделе [[Плутоний#Свойства некоторых изотопов|свойства некоторых изотопов]].</ref>.]]

: <math>\mathrm{Pu(NO_3)_4\xrightarrow{>1200^\circ C} PuO_2+4NO_2\uparrow +O_2\uparrow}</math>.

 

[[Плутоний-236]] и плутоний-238 применяется для изготовления атомных электрических батареек, срок службы которых достигает 5 и более лет. Их применяют в генераторах тока, стимулирующих работу сердца ([[кардиостимулятор]])<ref name="дриц">{{книга|автор=Дриц М. Е. и др.|заглавие=Свойства элементов|ссылка=http://books.google.com/books?id=2FxdHQAACAAJ|издание=Справочник|место={{М}}|издательство=Металлургия|год=1985|страниц=672|тираж=6500}}</ref><ref>{{статья|автор=Venkateswara Sarma Mallela, V Ilankumaran, N.Srinivasa Rao|заглавие=Trends in Cardiac Pacemaker Batteries|ссылка=http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC1502062/|язык=en|издание=Indian Pacing Electrophysiol J|тип=статья|год=1 октября 2004|выпуск=4|номер=4}}</ref>. По состоянию на 2003 г. в США было 50—100 человек, имеющих плутониевый кардиостимулятор<ref>{{cite web|url=http://www.orau.org/ptp/collection/Miscellaneous/pacemaker.htm|title=Plutonium Powered Pacemaker (1974)|date=23 марта 2009|publisher=Oak Ridge Associated Universities|lang=en|accessdate=2011-01-15|archiveurl=http://www.webcitation.org/618eBwoSo|archivedate=2011-08-23}}</ref>. Применение плутония-238 может распространиться на костюмы водолазов и космонавтов<ref name="А. М. Голуб"/><ref>{{cite web|url=http://oai.dtic.mil/oai/oai?verb=getRecord&metadataPrefix=html&identifier=AD0708680|title=SEALAB III – Diver's Isotopic Swimsuit-Heater System|author=Bayles, John J.; Taylor, Douglas|date=1970|publisher=Department of Defense|lang=en|accessdate=2011-01-15|archiveurl=http://www.webcitation.org/618eDULQb|archivedate=2011-08-23}}</ref>. [[Бериллий]] вместе с вышеуказанным изотопом применяется как источник нейтронного излучения<ref name="Emsley2001"/>.

В [[Союз Советских Социалистических Республик|СССР]] было произведено несколько [[РИТЭГ]]ов [[«Топаз» (ядерный реактор)|Топаз]], которые были предназначены для генерации [[Электричество|электричества]] для [[Космический аппарат|космических аппаратов]]. Эти аппараты были предназначены работать с плутонием-238, который является α-излучателем. После развала Советского Союза [[Соединённые Штаты Америки|США]] было закуплено несколько таких аппаратов для изучения их устройства и дальнейшего применения в своих долговременных [[Космонавтика|космических программах]]<ref name="бридеры"/>.

[[Файл:New Horizons RTG in PHSF.jpg|thumb|220px|left|РИТЭГ зонда Новые Горизонты.]]

 

[[Плутоний-238]] в 2006 г. при запуске [[Автоматическая межпланетная станция|зонда]] [[Новые горизонты|New Horizons]] к [[Плутон (карликовая планета)|Плутону]] нашёл своё применение в качестве источника питания для зонда<ref>{{статья|автор=Константин Лантратов|заглавие=Плутон стал ближе|ссылка=http://www.kommersant.ru/doc.aspx?docsid=642558|язык=ru|издание=Газета Коммерсантъ|тип=статья|издательство=Коммерсантъ|год=2006|выпуск=3341|номер=10}}</ref>. Радиоизотопный генератор содержал 11 кг высокочистого диоксида ²³⁸Pu, производившего в среднем 220 Вт электроэнергии на протяжении всего пути (240 Вт в начале пути и 200 Вт к концу)<ref>{{статья|автор=Александр Сергеев|заглавие=Зонд к Плутону: безупречный старт большого путешествия|ссылка=http://elementy.ru/news/430065|язык=ru|издательство=Элементы.Ру|год=2006}}</ref><ref>{{cite web|url=http://www.gzt.ru/topnews/science/-kosmicheskaya-era--chelovek-okazalsya-ne-nuzhen-/301203.html|title=Космическая эра — человек оказался не нужен|last=Тимошенко|first=Алексей|date=2010-09-16|publisher=[[gzt.ru]]|lang=ru|accessdate=2010-10-22|deadlink=project-closed|archiveurl=http://web.archive.org/20100419160326/www.gzt.ru/topnews/science/-kosmicheskaya-era--chelovek-okazalsya-ne-nuzhen-/301203.html|archivedate=2010-04-19}}</ref>. Высказывались опасения о неудачном запуске зонда (шанс неудачи составлял 1:350), однако он всё-таки состоялся. После запуска зонд развил скорость 36000 {{comm|[[Миля|миль]]/ч|американских миль в час}} благодаря силам гравитации [[Земля|Земли]]. В 2007 году благодаря [[Гравитационный манёвр|гравитационному манёвру]] вокруг [[Юпитер]]а его скорость повысилась ещё на 9 тыс. миль (суммарно примерно 72420 км/ч или 20,1 км/с), что позволит ему приблизиться на минимальное расстояние к [[Плутон (карликовая планета)|Плутону]] 14 июля 2015 года, а затем продолжить своё наблюдение за [[Пояс Койпера|поясом Койпера]]<ref>{{cite web|url=http://www.cbsnews.com/stories/2006/01/19/tech/main1219891.shtml|title=Space Probe Heads To Pluto - Finally|author=Melissa McNamara|date=19 января 2006|publisher=CBS News.com|lang=en|accessdate=2010-11-07|archiveurl=http://www.webcitation.org/615UM9u96|archivedate=2011-08-21}}</ref><ref>{{cite web|url=http://www.rian.ru/science/20100728/259247729.html|title=Зонд New Horizons "оглянулся" на Юпитер|date=28 июля 2010|publisher=РИА Новости|lang=ru|accessdate=2010-12-04|archiveurl=http://www.webcitation.org/618cBx2KO|archivedate=2011-08-23}}</ref><ref>{{cite news|url=http://www.popmech.ru/science/49161-posle-sblizheniya-s-plutonom-zond-new-horizons-poletit-v-poyas-koypera/|title=После сближения с Плутоном зонд New Horizons полетит в Пояс Койпера|date=16 октября 2014|publisher=Популярная Механика|lang=ru|accessdate=2015-05-15}}</ref>.