Войти
 Гранула оксида плутония-238, светящаяся из его саморазогрева | |
| Общее | |
|---|---|
| Символ | Pu |
| Названия | плутоний-238, Pu-238 |
| Протоны | 94 |
| Нейтроны | 144 |
| Данные о нуклидах | |
| Период полураспада | 87,7 лет |
| Исходные изотопы | Cm (α ). Np (β ). Am (β ) |
| Продукты распада | U |
| Масса изотопа | 238.049553 u |
| Спин | 0 |
| Режимы распада | |
| Режим распада | Энергия распада (МэВ ) |
| Альфа-распад | 5,593 |
| Изотопы плутония. Полная таблица нуклидов | |
Плутоний-238 (Pu) - радиоактивный изотоп плутония с периодом полураспада 87,7 года.
Плутоний-238 - очень мощный альфа-излучатель ; поскольку альфа-частицы легко блокируются, это делает изотоп плутония-238, пригодный для использования в радиоизотопных термоэлектрических генераторах (РТГ) и радиоизотопных нагревательных блоках. Плотность плутония-238 при комнатной температуре Температура около 19,8 г / куб. Материал будет генерировать около 0,57 Вт / грамм плутония.
Плутоний-238 был первым изотопом плутония, который был обнаружен. Он был синтезирован Гленном Сиборгом и сотрудниками в декабре 1940 года путем бомбардировки урана-238 дейтронами, в результате чего был получен нептуний-238. Реакция включает β-распад протона на нейтрон и уход другого нейтрона.
. 92U. +. 1H. →. 93Np. + 2. n. +. e. +. ν. e
Затем изотоп нептуния подвергается β-распаду до плутония-238 с периодом полураспада 2,12 дня:
. 93Np. →. 94Pu. +. e. +. ν. e
плутоний-238 естественным образом распадается до урана-234, а затем далее вдоль рядов радия - свинец-206. Исторически большая часть плутония-238 производилась Саванна-Ривер в их оружейных реакторах путем облучения нейтронами нептуния-237 (период полураспада 2,144 Ma ).
. 93Np. +. n. →. 93Np.
Нептуний-237 является побочным продуктом производства плутоний-239 материал оружейного качества, и когда объект был закрыт в 1988 году, Pu был смешан с примерно 16% Pu.
Эрнест О. Лоуренс <35 60-дюймовый циклотрон в Калифорнийском университете Радиационная лаборатория Лоуренса, Беркли, в августе 1939 года, самый мощный ускоритель в мире на то время. Гленн. Т. Сиборг и Эдвин М. Макмиллан (справа) использовали его для обнаружения плутония, нептуния и многих других трансурановых элементов и изотопов, за которые они получили 1951 Нобелевская премия по химии. Плутоний был впервые синтезирован в 1940 году и выделен в 1941 году химиками из Калифорнийского университета в Беркли. Манхэттенский проект начался вскоре после открытия. Остальные ранние исследования (до 1944 г.), проведенные с использованием небольших образцов, изготовленных с использованием больших циклотронов в Беркли Rad Lab и Вашингтонском университете в Сент-Луисе.
Большая часть трудности, возникшие во время Манхэттенского проекта, касались производства и испытаний ядерного топлива. И уран, и плутоний в конечном итоге были определены как делящиеся, но в каждом случае они должны были быть очищены, чтобы выбрать изотопы, подходящие для атомной бомбы. В то время как Вторая мировая война идет полным ходом, у исследовательских групп было мало времени. Хотя образцы плутония были доступны в небольших количествах и ими занимались исследователи, никто не знал, какие последствия для здоровья это может иметь. Микрограммы плутония были получены на циклотронах в 1942 и 1943 годах. Осенью 1943 года Роберт Оппенгеймер сказал, что «существует только двадцатая часть миллиграмма». По его просьбе Rad Lab в Беркли к концу октября 1943 года предоставила 1,2 мг плутония, большая часть которого была отправлена в Лос-Аламос для теоретических работ.
Второй реактор в мире, Графитовый реактор X-10 на секретном участке в Ок-Ридж будет полностью готов к работе в 1944 году. В ноябре 1943 года, вскоре после своего первого пуска, он смог произвести ошеломляющую работу. 500 мг. Однако этот плутоний был смешан с тоннами уранового топлива и предназначался для близлежащей экспериментальной установки химической обработки для разделения изотопов (обогащения). Количество в граммах плутония не будет доступно до весны 1944 года.
Промышленное производство плутония началось только в марте 1945 года, когда реактор B на Хэнфордской площадке Началась операция. Однако в 1944 году произошли несчастные случаи, связанные с обращением с плутонием, что вызвало тревогу у руководства Манхэттенского проекта, поскольку загрязнение внутри и за пределами лабораторий становилось проблемой. В августе 1944 года химика по имени Дон Мастик обрызгали лицо жидким хлоридом плутония, в результате чего он случайно проглотил немного. Взятые исследователями плутония мазки из носа показали, что плутоний вдыхается. Ведущий химик Манхэттенского проекта Гленн Сиборг, открывший многие трансурановые элементы, включая плутоний, призвал разработать программу безопасности для плутония исследование. В записке Роберту Стоуну из чикагской лаборатории Met Lab Сиборг написал, что «программа по отслеживанию хода плутония в организме должна быть запущена как можно скорее... [с] высшим приоритетом. " Этот меморандум датирован 5 января 1944 года, до многих событий 1944 года, связанных с заражением в здании D, где работал Мастик. Позже Сиборг утверждал, что он вовсе не намеревался подразумевать эксперименты на людях в этой записке, и он узнал о его использовании на людях намного позже из-за разделения секретной информации.
с обогащенным бомбой плутоний-239, предназначенный для критических исследований и для производства атомного оружия, было трудно получить для любого другого использования. Неудивительно, что в экспериментах на людях использовался высокорадиоактивный плутоний-238, непригодный для использования в качестве топлива для атомного оружия. И плутоний-238, и плутоний-239 были использованы в экспериментах на людях. Однако Pu-238 гораздо опаснее из-за его короткого периода полураспада. Также было обнаружено, что он выводится из организма в почти незначительных количествах, а это означает, что практически весь проглоченный плутоний остается в организме. Это будет иметь разрушительные последствия из-за нехватки Pu-239 для медицинских экспериментов.
С 10 апреля 1945 года по 18 июля 1947 года восемнадцати людям вводили плутоний в рамках Манхэттенского проекта. Вводимые дозы варьировались от 0,095 до 5,9 микрокюри (мкКи).
Альберту Стивенсу в экспериментах, обозначенных как CAL-1, в 1945 году вводили 3,5 мкКюри Pu и 0,046 мкКи Pu, давая ему начальную нагрузку на организм 3,546 мкКи (131 кБк ) без его информированного согласия. Тот факт, что у него был высокорадиоактивный Pu-238 (произведенный на 60-дюймовом циклотроне в лаборатории Крокера путем бомбардировки дейтронами природного урана), во многом способствовал его длительной дозе.. Если бы весь плутоний, переданный Стивенсу, был долгоживущим Pu-239, который использовался в аналогичных экспериментах того времени, доза за всю жизнь Стивенса была бы значительно меньше. Короткий период полураспада 87,7 лет Pu-238 означает, что большое количество его разложилось за время пребывания внутри его тела, особенно по сравнению с периодом полураспада Pu-239 в 24 100 лет.
Поскольку Стивенс прожил около 20 лет после экспериментальной дозы плутония, прежде чем умер от болезни сердца, он пережил самую высокую из известных накопленных доз радиации среди любого человека. Современные расчеты его поглощенной дозы на протяжении жизни дают невероятное количество 64 Зв (6400 бэр).
Первым применением было его использование в компонент оружия, сделанный в Курган для Агентства дизайна оружия Ливерморской лаборатории Лоуренса (LLL). Mound был выбран для этой работы из-за его опыта в производстве инициатора Urchin, питаемого полонием-210, и его работы с несколькими тяжелыми элементами в программе Reactor Fuels. Два ученых Mound провели 1959 год в LLL в совместных разработках, в то время как в Mound было построено специальное металлургическое здание для размещения проекта. Между тем, первый образец плутония-238 прибыл в Курган в 1959 году.
Проект оружия планировался для производства около 1 кг плутония в год в течение трехлетнего периода. Однако компонент Pu не мог быть произведен в соответствии со спецификациями, несмотря на двухлетние усилия, начатые в Mound в середине 1961 года. Максимальные усилия были предприняты с 3 сменами в день, 6 дней в неделю и увеличением производства Pu в Саванна-Ривер за 3-летний период примерно до 20 кг / год. Ослабление спецификаций привело к увеличению производительности около 3%, и производство наконец началось в 1964 году.
С 1 января 1957 г. Mound Laboratories Изобретатели РИТЭГов Джордан и Бирден работали над контрактом с армейским корпусом связи (R-65-8-998 11-SC-03-91) на проведение исследований радиоактивных материалов и термопар, пригодных для прямого преобразования из тепла в электрическую энергию с использованием полония-210 в качестве источника тепла.
В 1961 году капитан Р. Т. Карпентер выбрал Pu в качестве топлива для первого RTG (радиоизотопного термоэлектрического генератора), который будет запущен в космос в качестве вспомогательной энергии для навигационного спутника Transit IV Navy. К 21 января 1963 года еще не было принято решение о том, какой изотоп будет использоваться в качестве топлива для больших РИТЭГов для программ НАСА.
В начале 1964 года ученые Mound Laboratories разработали другой метод изготовления оружия. Компонент, в результате чего эффективность производства составила около 98%. Это сделало доступным избыточное производство Pu на реке Саванна для использования Space Electric Power как раз вовремя, чтобы удовлетворить потребности в SNAP-27 RTG на Луне, космическом корабле Pioneer, посадочных модулях Viking Mars, еще Transit навигационные спутники ВМФ (предшественник сегодняшнего GPS ) и два космических корабля Voyager, для которых все источники тепла Pu были изготовлены в Mound Laboratories.
Радиоизотопные нагревательные блоки использовались в космических исследованиях, начиная с радиоизотопных нагревателей Apollo (ALRH) для обогрева сейсмического эксперимента, размещенного на Луне миссией Apollo 11 и на нескольких Луну и марсоходах, на 129 LWRHU, разогревающих эксперименты на космическом корабле Галилео.
Завершено строительство завода по производству компонентов вооружения Специального металлургического здания в г. конец 1964 г. для изготовления топлива для источников тепла из плутония. В 1969 году в Исследовательском корпусе был также установлен временный завод по производству топлива для изготовления транзитного топлива. После завершения проекта создания оружейного компонента Специальное металлургическое здание, получившее прозвище «Змеиная гора» из-за трудностей, возникающих при работе с большими количествами плутония, 30 июня 1968 года прекратило работу, и операции по производству плутония были переданы новому зданию по обработке плутония специально разработан и сконструирован для работы с большими количествами Pu. Плутонию-238 присвоен самый высокий показатель относительной опасности (152) из всех 256 радионуклидов, оцененных Karl Z. Morgan et al. в 1963 году.
кардиостимулятор с питанием от радиоизотопов, разработанный Комиссией по атомной энергии, атомная батарея стимулирует пульсирующее действие неисправного сердца. Около 1967 года. Когда плутоний-238 стал доступен для невоенного использования, были предложены и испытаны многочисленные приложения, включая программу Cardiac Pacemaker, которая началась 1 июня 1966 года совместно с NUMEC. Когда было обнаружено, что источник тепла не останется нетронутым во время кремации, программа была отменена, поскольку нельзя было гарантировать 100% уверенность в том, что кремация не произойдет.
По состоянию на 2007 год в живых было девять человек. с кардиостимуляторами с ядерной энергетической установкой из 139 первоначальных получателей. Когда эти люди умирают, предполагается, что кардиостимулятор будет удален и отправлен в Лос-Аламос, где будет извлечен плутоний.
В письме в Медицинский журнал Новой Англии, где говорится о женщине, получившей Numec NU- Пять десятилетий назад он работал непрерывно, несмотря на первоначальную цену в 5000 долларов, что составляет около 23000 долларов в долларах 2007 года, а последующие затраты составили около 19000 долларов по сравнению с 55000 долларов для кардиостимулятора с батарейным питанием.
Плутоний реакторного качества из отработавшего ядерного топлива содержит различные изотопы плутония. Pu составляет лишь один или два процента, но он может быть ответственным за большую часть краткосрочного тепла распада из-за его короткого периода полураспада по сравнению с другими изотопами плутония. Плутоний реакторного качества непригоден для производства Pu для РИТЭГов, потому что потребуется сложное разделение изотопов.
Чистый плутоний-238 получают путем нейтронного облучения нептуния-237, одного из минорных актинидов, которые могут быть извлечены из отработавшее ядерное топливо во время переработки или нейтронным облучением америция в реакторе. Мишени очищаются химическим способом, включая растворение в азотной кислоте для извлечения плутония-238. Образец топлива легководного реактора весом 100 кг, облученный в течение трех лет, содержит только около 700 граммов нептуния-237, и нептуний необходимо извлекать выборочно. Значительные количества чистого плутония также могут быть произведены в ториевом топливном цикле.
. Запасы плутония в Соединенных Штатах поддерживают как НАСА (гражданский космос), так и другие приложения национальной безопасности. Министерство энергетики ведет отдельные инвентаризационные счета для двух категорий. По состоянию на март 2015 года для использования в космосе в гражданских целях было доступно в общей сложности 35 кг (77 фунтов) Pu. Из инвентаря 1 килограмм (2,2 фунта) остается в достаточно хорошем состоянии, чтобы соответствовать требованиям НАСА по доставке энергии; именно этот пул Pu будет использоваться в многоцелевом радиоизотопном термоэлектрическом генераторе (MMRTG) для миссии Mars Rover 2020 года и двух дополнительных MMRTG для условной миссии НАСА в 2024 году. После этого останется 21 килограмм (46 фунтов), из которых примерно 4 килограмма (8,8 фунта) едва соответствуют спецификации НАСА. Этот 21 килограмм (46 фунтов) может быть доведен до требований НАСА, если он будет смешан с меньшим количеством вновь произведенного плутония, имеющего более высокую плотность энергии.
Соединенные Штаты прекратили производство бестарного плутония после закрытия реакторов Саванна-Ривер в 1988 году. С 1993 года весь плутоний, используемый в американских космических кораблях, закупается у Россия. Всего было закуплено 16,5 кг (36 фунтов), но Россия больше не производит Pu, и, как сообщается, их собственные запасы истощаются.
В феврале 2013 г. небольшое количество Pu было успешно произведено компанией Oak. Ridge High Flux Isotope Reactor, и 22 декабря 2015 года они сообщили о производстве 50 граммов (1,8 унции) Pu.
В марте 2017 года Ontario Power Generation (OPG) и ее венчурное подразделение Canadian Nuclear Partners объявили о планах по производству Pu в качестве второго источника для НАСА. Стержни, содержащие нептуний-237, будут изготовлены Тихоокеанской северо-западной национальной лабораторией (PNNL) в штате Вашингтон и отправлены на Дарлингтонскую ядерную генерирующую станцию OPG в Кларингтоне., Онтарио, Канада, где они будут облучаться нейтронами внутри активной зоны реактора для получения Pu.
В январе 2019 года сообщалось, что некоторые автоматизированные аспекты его производства были реализованы в Национальной лаборатории Ок-Ридж в Теннесси, ожидается, что каждую неделю будет в три раза больше производиться плутониевых таблеток. Ожидается, что в настоящее время производительность увеличится с 80 гранул в неделю до примерно 275 гранул в неделю, при общем производстве около 400 граммов в год. Теперь цель состоит в оптимизации и масштабировании процессов, чтобы к 2025 году производить в среднем 1,5 кг (3,3 фунта) в год.
Основное применение Pu - это источник тепла в радиоизотопных термоэлектрических генераторах (РИТЭГ). РИТЭГ был изобретен в 1954 году учеными из кургана Кеном Джорданом и Джоном Бирденом, которые в 2013 году были занесены в Национальный зал славы изобретателей. Они сразу же создали рабочий прототип, используя источник тепла Po, и 1 января 1957 года вошли в Контракт с армейским корпусом связи (R-65-8-998 11-SC-03-91) на проведение исследований радиоактивных материалов и термопар, пригодных для прямого преобразования тепла в электрическую энергию с использованием полония-210 в качестве источник тепла.
Технология RTG была впервые разработана Лос-Аламосской национальной лабораторией в 1960-х и 1970-х годах для обеспечения энергией радиоизотопного термоэлектрического генератора для кардиостимуляторов. Из 250 произведенных Medtronic кардиостимуляторов с плутониевым питанием двадцать два все еще находились в эксплуатации более двадцати пяти лет спустя, что не удавалось достичь ни одному кардиостимулятору с питанием от батарей.
То же самое. Энергетическая технология RTG использовалась в космических кораблях, таких как Pioneer 10 и 11, Voyager 1 и 2, Cassini – Huygens и New Horizons, а также в других устройства, такие как Марсианская научная лаборатория, для длительного производства ядерной энергии.
.
| Зажигалка:. плутоний-237 | Плутоний-238 - это. изотоп плутония | Более тяжелый:. плутоний-239 |
| Продукт распада :. кюрия -242 (α ). америций -238 (β+ ). нептуний -238 (β- ). уран-238 (β-β- ) | Цепочка распада. плутония-238 | Распадается на:. уран-234 (α) |
