პლუტონიუმი

პლუტონიუმი (ქიმიური სიმბოლო — Pu) — ელემენტთა პერიოდული სისტემის მეშვიდე პერიოდის, ჯგუფგარეშე (ძველი კლასიფიკაციით მესამე ჯგუფის თანაური ქვეჯგუფის, IIIბ) ხელოვნურად მიღებული რადიოაქტიური ქიმიური ელემენტი. განეკუთვნება აქტინოიდების ოჯახს. მისი ატომური ნომერია — 94. tდნ — 639.4 °C, tდუღ — 3228 °C, სიმკვრივე — 19.85 გ/სმ3. ბზინვარე თეთრი ლითონი. 1940-1941 წლებში აღმოაჩინეს ამერიკელმა მეცნიერებმა გ. სიბორგმა, ე. მაკილანმა, ჯ. კენედიმ და ა. ვალმა. ცნობილია პლუტონიუმის იზოტოპები მასური რიცხვებით 232-246. მათ შორის მნიშვნელოვანია ^{239}Pu (T1/2= წ), რომელსაც იყენებენ ატომურ რეაქტორებში, ბირთვული და თერმობირთვული ბომბების დასამზადებლად. ცნობილია პლუტონიუმის ჟანგეულები PuO, Pu2O3, PuO2 და ცვლადი შედგენილობის ფაზა Pu2O3—Pu4O7; ჰალოგენიდები PuF4, PuF6 და PuCl4. ^{238}Pu იყენებენ ატომური ელექტრული ბატარეების დასამზადებლად და სხვა.
ელემენტს ახასიათებს სხვა ელემენტებისაგან განსხვავებული სტრუქტურული და ფიზიკო-ქიმიური თვისებები. პლუტონიუმს გააჩნია შვიდი ალოტროპიული მოდიფიკაცია გარკვეულ ტემპერატურასა და წნევების დიაპაზონში: α, β, γ, δ, δ', ε და ζ. შეუძლია მიიღოს ჟანგვის ხარისხები +2-დან +7-მდე, ძირითადად მიიჩნევა +4, +5, +6. სიმკვრივე ვარირებს 19,8-დან (α-Pu) 15,9 გრ/სმ³-მდე (δ-Pu).
პლუტონიუმს სტაბილური იზოტოპები არ გააჩნია. ბუნებაში არის კვალის რაოდენობით. ყველა ტრანსურანულ ელემენტებს შორის ყველაზე ხანგრძლივად მცხოვრები იზოტოპებია 244Pu, 239Pu და 238Pu. ბუნებაში უპირატესად არის პლუტონიუმ (IV) ოქსიდის (PuO2) დიოქსიდის სახით, რომელიც წყალში უფრო ნაკლებად ხსნადია ვიდრე ქვიშა (კვარცი). ელემენტის ბუნებაში არსებობა იმდენად მცირეა, რომ მისი მოპოვება არამიზანშეწონილია, შეფარდება .
პლუტონიუმის მისაღებად გამოიყენება როგორც გამდიდრებული ურანი ისე ბუნებრივი ურანი. მსოფლიოში სხვადასხვა ფორმით არსებული პლუტონიუმის მთლიანი რაოდენობა, ფასდება 2003 წ. - 1239 ტ. 2010 წელს ეს ციფრი გაიზარდა ~2000 ტ-მდე.
ფართოდ გამოიყენება ბირთვული იარაღის წარმოებაში (ე. წ. „იარაღის პლუტონიუმი“), ბირთვულ საწვავად სამოქალაქო და კვლევითი დანიშნულების ატომურ რეაქტორებში და როგორც ენერგიის წყარო კოსმოსური აპარატებისათვის.
იყო შეტყობინება მსოფლიოში ბოლო იარაღის პლუტონიუმის მისაღები ბირთვული რეაქტორის დახურვის შესახებ АДЭ-2, რომელიც ამეშავებდა 46 წელს და გაჩერებულ იქნა 2010 წ. აპრილში რუსეთში, თუმცა ერთი თვის შემდეგ იაპონიაში გაშვებულ იქნა რეაქტორი „მონძიუ“. კონფლიქტისა და შუღლის გამო კორეის რესპუბლიკასა და კორეის სახალხო დემოკრატიულ რესპუბიკას შორის, ბოლომ მიმართა ორ მიწისქვეშა ბირთვულ გამოცდას 2006 წ-ის ოქტომბერში და 2009 წწ მაისში. საკუთარი ბირთვული პროგრამის ფარგლებში რომელიც ეფუძნებოდა პლუტონიუმს.
მეორე ნეპტუნიუმის შემდეგ (შეცდომით იქნა „მიღებული“ 1934 წელს ე. ფერმის ჯგუფის მიერ; პირველი იზოტოპი 239Np სინთეზირებულ და იდენტიფიცირებულ იქნა 1940 წლის მაისში ე. მიკმილანის და ფ. აბელსონის მიერ) ხელოვნური ელემენტი იყო პლუტონიუმი, მიღებული მიკროგრამული რაოდენობით 1940 წ-ის ბოლოს იზოტოპ 238Pu-ის სახით. პირველი ხელოვნური ქიმიური ელემენტი, რომლის საწარმოო მასშტაბით წარმოება იქნა დაწყებული (სსრკ 1946 წ ჩელიაბინსკ-40 შექმნილი იქნა რამდენიმე საწარმო იარაღის ურანის და პლუტონიუმის საწარმოებლად). პირველ ბირთვულ ბომბში მსოფლიოში, რომელიც შეიქმნა და გამოიცადა 1945 წელს აშშ-ში, გამოიყენებოდა პლუტონიუმის მუხტი. ასეთივე ტიპის იყო სსრკ-ში გამოცდილი პირველი ბომბა 1949 წელს. შესაბამისად აშშ, ხოლო შემდეგ სსრკ იყვნენ პირველი ქვეყნები რომლებმაც აითვისეს მისი მიღება.
ცხრილში მოყვანილია α-პლუტონიუმის ძირითადი თვისებები. ეს ალოტროპიული მოდიფიკაცია პლუტონიუმისათვის წარმოადგენს ძირითადს ოთახის ტემპერატურაზე და ნორმალური წნევისას.
CAS ნომერი:
7440-07-5 არასპეციფიკური შემადგენლობის პლუტონიუმისათვის,
13981-16-3 238Pu-თვის,
15117-48-3 239Pu-თვის,
14119-33-6 240Pu-თვის.
ისტორია
აღმოჩენა
ენრიკო ფერმიმ თავის თანამშრომლებთან ერთად რომის უნივერსიტეტში 1934 წელს განაცხადა, რომ მათ აღმოაჩინეს ქიმიური ელემენტი რიგითი ნომერით 94. ფერმიმ ამ ელემენტს უწოდა გასპერიუმი, მიაჩნდა რომ აღმოაჩინა ელემენტი, რომელსაც ახლა უწოდებენ პლუტონიუმს, ასე რომ ტრანსურანული ელემენტების არსებობის ვარაუდით ის გახდა თეორიულად მათ პირველაღმომჩენად. ის ამ პოზიციაზე იყო თავისი ნობელის ლექციისას 1938 წელს, თუმცა ოტო რობერტ ფრიშის და ფრიც შტრასმანის მიერ ბირთვის დაშლის აღმოჩენის შემდეგ, იძულებული იყო 1939 წელს სტოკჰოლმში გამოცემულ ნაშრომში ეღიარებინა ტრანსურანული ელემენტების პრობლემების გადახედვის აუცილებლობაზე. გერმანელი მეცნიერების ნაშრომმა აჩვენა, რომ ფერმის მიერ აღმოჩენილი აქტიურობა თავის ექსპერიმენტებში, გამოწვეული იყო სწორედ დაშლით, და არა ტრანსურანული ელემენტების აღმოჩენით, როგორც ის ვარაუდობდა.
კალიფორნიის უნივერსიტეტის თანამშრომლების გლენ თეოდორ სიბორგის მეთაურობით პლუტონიუმის აღმოჩენა მოახდინეს 60-დიუმიანი ციკლოტრონის დახმარებით. ურანის(VI) ოქსიდის-დიურანის(V) (ტრიურანის ოქტაოქსიდი-238) (238U3O8) პირველი დაბომბვა მოხდა დეიტრონებით 1940 წლის 14 დეკემბერს, რომლებიც დისპერგირებული იყო ციკლოტრონში 14—22 მევ-მდე და გადიოდა ალუმინის 0,002 დიუმის სისქის კილიტაში. მიღებული და 2,3 დღით დაყოვნებული და სუფთა გამოყოფილი პლუტონიუმის ფრაქციის ნიმუშების შედარებისას, მეცნიერებმა აღმოაჩინეს მნიშვნელოვანი სხვაობა მათ ალფა-აქტიურობაში და ივარაუდეს, რომ მისი ზრდა 2 დღიღამის შემდეგ განპირობებულია ახალი ელემენტის გავლენით, რომელიც წარმოადგენს შვილობილს ნეპტუნიუმის მიმართ. შემდგომი ფიზიკო-ქიმიური კვლევები გრძელდებოდა 2 თვე. 1941 წლის 23-დან 24 თებერვლის ღამეს ჩატარებულ იქნა გადამწყვეტი ცდა სავარაუდო ელემენტის ჟანგვაზე პეროქსიდდისულფატ-იონების და ვერცხლის იონების (როგორც კატალიზატორების) დახმარებით, რომელმაც აჩვენა, რომ ნეპტუნიუმ-238 ორი დღის შემდეგ განიცდის ბეტა-მინუს-დაშლას და წარმოქმნის ქიმიურ ელემენტს ნომერ 94 შემდეგი რეაქციით:
ურან-23892U (d,2n) → ნეპტუნიუმ-23893Np → (β−) პლუტონიუმ-23894Pu
ასე რომ ახალი ქიმიური ელემენტის არსებობა დამტკიცებულ იქნა ექსპერიმენტალურად გლენ თეოდორ სიბორგის, ედვინ მატისონ მაკმილანის, უილიამ ჯოზეფ კენედის და არტურ ვალის მიერ მისი პირველი ქიმიური თვისებების შესწავლისას — ჟანგვის ორი ხარისხის შესაძლებელი არსებობის შესახებ.
მოგვიანებით იქნა დადგენილი, რომ ეს იზოტოპი წარმოადგენდა განუყოფელს (ზღვრულს), აქედან გამომდინარე, შემდგომი სამხედრო მიზნების კვლევისათვის უინტერესოს, რადგანაც ზღვრულ ბირთვებს არ შეუძლიათ იყვნენ ჯაჭვური რეაქციების საფუძველი. ამის გაგების შემდეგ ამერიკელმა ბირთვულ-ფიზიკოსებმა თავიანთი ძალები მიმართეს დაშლადი იზოტოპ-239 მიღებისაკენ (რომელიც გამოთვლებით უნდა ყოფილიყო მძლავრი ატომური ენერგიის წყარო, ვიდრე ურან-235). 1941 წლის მარტში ურანის 1,2 კგ სუფთა მარილი, რომელიც ჩაფლული იყო ცვილის (პარაფინის) ბლოკში, ციკლოტრონში განიცადა ნეიტრონებით დაბომბვა. ორი დღეღამის განმავლობაში მიმდინარეობდა ურანის ბირთვების დაბომბვა, რის შედეგადაც მიღებულ იქნა მიახლოებით 0,5 მკგ პლუტონიუმ-239. ახალი ელემენტის გაჩენას, როგორც იყო ნაწინასწარმეტყველი თეორიით, თან ახლდა ალფა-ნაწილაკების ნაკადი.
1941 წ. 28 მარტს ჩატარებულმა ექსპერიმენტმა აჩვენა, რომ 239Pu შეუძლია დაშლა ნელი ნეიტრონების ზემოქმედებით, რომლის ბირთვული ეფექტური განიკვეთი, საკმაოდ მნიშვნელოვნად აღემატება 235U-ის განიკვეთს, ამასთან ნეიტრონები რომლების მიიღებიან დაშლის შედეგად, ვარგისი არიან შემდეგი ბირთვული დაშლის აქტისათვის, ანუ არის მოსალოდნელი ჯაჭვური რექციის განხორციელება. ამ მომენტიდან დაწყებულ იქნა ცდები პლუტონიუმის ბირთვული ბომბის შექმნაზე და ამ საქმისათვის დაიწყეს ბირთვული რეაქტორების მშენებლობა. ელემენტის პირველი სუფთა ნაერთი მიღებულ იქნა 1942 წელს, ხოლო პირველი ლითონური პლუტონიუმის საკმაო რაოდენობა — 1943 წელს.
1941 წლის მარტში ჟურნალ Physical Review უნდა გამოქვეყნებულიყო ელემენტის მიღების მეთოდის და შესწავლის აღწერა, მაგრამ ამ დოკუმენტის გამოქვეყნება შეჩერებული იქნა, იმის შემდეგ როდესაც ნათელი გახდა რომ მისგან შესაძლებელი იყო ბირთვული ბომბის დამზადება. მისი პუბლიკაცია მოხდა მხოლოდ მეორე მსოფლიო ომის შემდეგ.
მესამე რეიხის ატომის მკვლევარებიც მუშაობდნენ ამ საკითხზე. მანფრედ ფონ არდენის ლაბორატორიაში შემუშავებული იქნა 94-ე ელემენტის მიღების მეთოდები. 1941 წლის აგვისტოში ფიზიკოსმა ფრიც ჰოუტერმანსმა დაამთავრა თავისი საიდუმლო ანგარიში „ჯაჭვური ბირთვული რეაქციების შესახებ“. მან მიანიშნა თეორიული შესაძლებლობა ურანის „ქვაბში“ ახალი ასაფეთქებელი ნივთიერების შექმნის შესახებ.
სახელწოდების წარმომავლობა
1930 წელს აღმოჩენილი იქნა ახალი პლანეტა, რომლის არსებობის შესახებ ადრე აცხადებდა პერსილვალ ლოველი — ასტრონომი, მათემატიკოსი და მარსის შესახებ ფანტასტიკური ნარკვევების ავტორი. ურანზე და პლუტონზე მრავალწლოვანი დაკვირვების საფუძველზე ის მივიდა დასკვნამდე, რომ ნეპტუნის შემდეგ მზის სისტემაში უნდა იყოს კიდევ ერთი, მეეცხრე პლანეტა, რომელიც მზიდან ორმოცჯერ უფრო შორსაა, ვიდრე დედამიწა. ახალი პლანეტის ორბიტის ელემენტები მათ მიერ იყო გამოთვლილი1915 წელს. პლუტონი აღმოჩენილი იქნა ფოტოგრაფიულ სურათებზე, რომლებიც მიღებული იქნა 1930 წლის 21, 23 და 29 იანვარს. ასტრონომ კლაიდ უილიამ ტომბოს მიერ ლოუელის ობსერვატორიაში ფლაგსტაფში (აშშ). პლანეტა აღმოჩენილი იქნა 1930 წლის 18 თებერვალს. პლანეტას სახელი მისცა 11 წლის სკოლის მოსწავლემ ოქსფორდიდან ვენეცია ბერნიმ. ბერძნულ მითოლოგიაში აიდი (რომაულ მითოლოგიაში პლუტონი) წარმოადგენს გარდაცვლილთა სამეფოს ღმერთს.
ტერმინის პლუტონის პირველი ბეჭდური მოხსენიების თარიღია 1942 წლის 21 მარტი. 94-ე ელემენტის სახელწოდებად პლუტონიუმი არტურ ვალეს და გლენ სიბორგის მიერ იყო წამოყენებული. 1948 წელს ედვინ მაკმილანმა 93-ე ელემენტს უწოდა ნეპტუნი, რადგანაც პლანეტა ნეპტუნი - პირველი პლანეტაა ურანის შემდგ. ამის ანალოგიით პლანეტა ურანის მეორე პლანეტას უწოდეს პლუტონიუმი. პლუტონიუმის აღმოჩენა მოხდა პლანეტა პლუტონის აღმოჩენიდან 10 წლის შემდეგ (მიახლოებით ამდენივე დრო დასჭირდა პლანეტა და 92-ე ელემენტის აღმოჩენას). 2006 წლის 24 აგვისტოდან საერთაშორისო ასტრონომიური კავშირის გადაწყვეტილებით პლუტონი უკვე არ წარმოადგენს მზის სისტემის პლანეტას.
პირველად სიბორგმა წამოაყენა წინადადება ელემენტისათვის ეწოდებინათ „პლუტიუმი“, თუმცა მოგვიანებით გადაწყვიტა, რომ სახელწოდება „პლუტონიუმი“ ჟღერს უკეთესად. მის აღსანიშნავად ხუმრობით მოიყვანა ორი ასო „Pu“ — ინტერვიუს დროს მან განაცხადა, რომ: „ჩემთვის ნათელი იყო, რომ ამ ელემენტის აღსანიშნავად ყველაზე უფრო მისაღები იყო ორი ასო Pl, თუმცა ხუმრობით შევთავაზე ელემენტის აღნიშვნა Pu, ეს ისე, როდესაც ბავშვები ყვირიან, როდესაც რამეს ცუდი სუნი აქვს“. სიბორგი თვლიდა რომ კომიტეტი აირჩევდა Pl აღნიშვნას, თუმცა პლუტონის აღსანიშნავად კომიტეტმა მიიღო Pu
ასევე სიბორგმა შესთავაზა სხვა ვარიანტებიც ელემენტის სახელწოდებაზე, მაგალითად ულტიმიუმი (ბოლო), ექსტრემიუმი (უკიდურესი), ეს იმის გამო რომ იმ დროისათვის გავრცელებული იყო მოსაზრება, რომ პლუტონიუმი იქნებოდა ბოლო ელემენტი პერიოდულ ცხრილში. თუმცა ელემენტს უწოდეს „პლუტონიუმი“ მზის სისტემის ბოლო პლანეტის პატივსაცემად.
პირველი კვლევები
პირველი კვლევების შემდეგ პლუტონიუმის ქიმიას მიიჩნევდნენ ურანის მსგავს ქიმიად. შემდგომი კვლევები გაგრძელებულ იქნა საიდუმლო ჩიკაგოს უნივერსიტეტის მეტალურგიულ ლაბორატორიაში. კანინგემისა და ვერნერის მიერ 1942 წ. 18 აგვისტოს 90 კგ ურანილნიტრატისაგან, ციკლოტრონში მისი ნეიტრონებით დასხივებით მიღებულ იქნა პლუტონიუმის სუფთა ნაერთის პირველი მიკროგრამი. ერთი თვის შემდეგ 1942 წ. 10 სექტემბერს, ამ პერიოდში მეცნიერები ზრდიდნენ ნაერთების რაოდენობას და — მოხდა აწონვა. ეს ისტორიული ნიმუში იწონიდა 2,77 მკგრ და შეადგენდა პლუტონიუმის დიოქსიდს; ახლა ეს ნიმუში ინახება ბერკლიში ლოურენსის დარბაზში. 1942 წლის ბოლოსათვის დაგროვილი იყო უკვე 500 მკგრ ელემენტის მარილი. აშშ-ში ელემენტის უფრო ღრმა კვლევისათვის რამდენიმე ჯგუფი შეიქმნა:
მეცნიერების ჯგუფი რომლებსაც უნდა მიეღოთ სუფთა პლუტონიუმი ქიმიური მეთოდებით (ლოს-ალამოსის ეროვნული ლაბორატორია: J. W. Kennedy, C. S. Smith, A. C. Wahl, C. S. Garner, I. B. Johns),
ჯგუფი, რომელიც სწავლობდა პლუტონიუმის ქმედებას ხსნარებში, ჟანგვის ხარისხებს, იონიზაციის პოტენციალს რეაქციის კინეტიკას (კალიფორნიის უნივერსიტეტი ბერკლიში: W. M. Latimer, E. D. Eastman, R. E. Connik, J. W. Gofman და სხვა),
ჯგუფი რომელიც შეისწავლიდა პლუტონოიმის იონების კომპლექსური ნაერთების ქიმიას (აიოვის შტატის უნივერსიტეტი: F. H. Spedding, W. H. Sullivan, A. F. Voigt, A. S. Newton) და სხვა ჯგუფები.
კვლევების შედეგად დადგინდა, რომ პლუტონიუმს შეიძლება ჰქონდეს 3-დან 6-მდე ჟანგვის ხარისხი, და დაბალი დაჟანგვის ხარისხის ნაერთები უფრო სტაბილურია ნეპტუნიუმთან ედარებით. მეშინ იქნა დადგენილი მისი ქიმიური თვისებების მსგავსება ნეპტუნიუმთან. 1942 წელს ცნობილი გახდა სტენ ტომსონის აღმოჩენა (შედიოდა გლენ სიბორგის ჯგუფში), რომელმაც აჩვენა, რომ ოთხვალენტიანი პლუტონიუმი დიდი რაოდენობით მიიღება მჟავა გარემოში, ხსნარში ბისმუტის (III) ფოსფატის (BiPO4) თანხლებით ყოფნისას. შემდგომში ამან გამოიწვია პლუტონიუმის ექსტრაქციის ბისმუტ-ფოსფატის მეთოდის ცალკე კვლევა და გამოყენება. 1943 წ. ნოემბერში პლუტონიუმ(III) ფტორიდის (PuF3) გარკვეულ რაოდენობაზე მიმართეს დაშლას ელემენტის წმინდა ნიმუშის მისაღებად. შედეგად მიღებული იქნა ნიმუშები, რომლის ნახვაც შეიძლებოდა შეუიარაღებელი თვალით.
სსრკ-ში 239Pu-ის მიღების პირველი ცდები დაიწყო 1943—1944 წწ. აკადემიკოს იგორ კურჩატოვის და ვიტალი ხლოპინის ხელმძღვანელობით. სსრკ-ში მოკლე პერიოდში ფართო კვლევები ჩატარდა პლუტონიუმის თვისებების შესასწავლად. 1945 წელს ევროპში პირველ ციკლოტრონში, რომელიც შეიქმნა 1937 წელს ხლოპინის რადიუმის ინსტიტუტში, მიღებულ იქნა პლუტონიუმის პირველი საბჭოთა ნიმუში, ურანის ბირთვების ნეიტრონებით დასხივებით. ქ. ოზერსკში (ჩელიაბინსკის ოლქი) 1945 წ. დაიწყო პლუტონიუმის მისაღებად პირველი სამრეწველო ბირთვული რეაქტორის მშენებლობა.
მანჰეტენის პროექტი
მანჰეტენის პროექტი იწყებს სათავეს აინშტაინის წერილით რუზველტის მიმართ. წერილში პრეზიდენტის ყურადღებას ამახვილებდა იმაზე, რომ ნაცისტური გერმანია მუშაობდა პროექტზე პროექტ „ურანზე“, რომლის შედეგად შეიძლება მალე შეექმნათ ატომური ბომბი. 199 წლის აგვისტოში ლეო სილარდმა (წერილის ინიციატორი) სთხოვა თავის მეგობარს ალბერტ ეინშტეინსმოეწერა ხელი წერილისათვის. ფრანკლინ რუზველტის დადებითი პასუხის შემდეგ აშშ-ში შეიქმნა მანჰეტენის პროექტი.
მეორე მსოფლიო ომის დროს პროექტის მიზანი იყო ბირთვული ბომბის შექმნა. ატომური პროგრამის პროექტი, რომლისგანაც წარმოიქმნა მანჰეტენის პროექტი, მოწონებულ და დამტკიცებული იქნა აშშ-ის პრეზიდენტის ბრძანებით 1941 წლის 9 ოქტომბერს. მანჰეტენის პროექტმა თავისი მოღვაწეობა დაიწყო 1942 წ. 12 აგვისტოს. მისი სამი ძირითადი მიზანი იყო:
პლუტონიუმის წარმოება ჰენფორდის კომპლექსის ტერიტორიაზე
ურანის გამდიდრება ქ. ოუკ-რიჯიში, შტატი ტენესი
ბირთვული იარაღის კვლევები და ატომური ბომბის აღნაგობა სტრუქტურა ლოს ალამოსის ლაბორატორიის ტერიტორიაზე
პირველი ბირთვული რეაქტორი რომელიც იძლეოდა ელემენტის დიდი რაოდენობით მიღების საშუალებას ციკლოტრონთან შედარებით, იყო ჩიკაგოს დასტა-1 რეაქტორი. ის ექსპუატაციაში შევიდა 1942 წლის 2 დეკემბერს, ენრიკო ფერმის და ლეო სილარდის უშუალო მონაწილეობით (ბოლოს ეკუთვნის წინადადება გრაფიტის გამოყენების შესახებ როგორც ნეიტრონების შემნელებლებისა); ამ დღეს წარმოებული იყო პირველი თვითმართი ბირთვული ჯაჭვური რეაქცია. პლუტონიუმ-239-ის წარმოებისათვის გამოიყენებოდა ურან-238 და ურან-235. რეაქტორი იყო დამონტაჟებული ჩიკაგოს უნივერსიტეტის Stagg Field სტადიონის ტრიბუნების ქვეშ. ის შედგებოდა 6 ტონა ლითონური ყრანისაგან, 34 ტონა ურანის ოქსიდისაგან და 400 ტონა გრაფიტის «შავი აგურისაგან». ერთადერთი, რასაც შეეძლო ჯაჭვური რეაქციის შეჩერება, იყო კადმიუმის ღეროები, რომლებიც კარგად იტაცებდნენ სითბურ ნეიტრონებს და, როგორც შედეგი, შეუძლიათ შესაძლებელი შემთხვევების აღკვეთა. რადიაციული დაცვისა და გაცივების არ ქონის გამომისი ჩვეულებრივი სიმძლავრე იყო მხოლოდ 0,5…200 ვტ.
მეორე რეაქტორი, რომლის მეშვეობითაც შეიძლებოდა პლუტონიუმ-239-ის მიღება, იყო გრაფიტის რეაქტორი X-10. ის ექსპლუატაციაში შევიდა 1943 წლის 4 ნოემბერს, (მშენებლობა გრძელდებოდა 11 თვე) ქალაქ ოუკ-რიჯში, ახლა მდებარეობს ოუკ-რიჯის ნაციონალური ლაბორატორიის ტერიტორიაზე. ეს რეაქტორი იყო მეორე რეაქტორი მსოფლიოში ჩიკაგოს რეაქტორის შემდეგ და პირველი რეაქტორი, რომელიც იყო შექმნილი მანჰეტენის პროექტის პროექტით. რეაქტორი იყო პირველი ნაბიჯი უფრო მძლავრი ბირთვული რეაქტორების შექმნის საქმეში (ჰენფორდის ტერიტორიაზე, ვაშინგტონში), ანუ ის იყო ექსპერიმენტალური რეაქტორი. მისი მუშაობა დასრულდა 1963 წ; მნახველებისათვის გაიხსნა 1980-იან წლებში და წარმოადგენს ერთ-ერთ უძველეს რეაქტორს მსოფლიოში.
1944 წლის ხუთ აპრილს ემილიო ჯინო სეგრემ მიიღო პლუტონიუმის პირველი ნიმუში, რომელიც რეაქტორ X-10-ში იქნა წარმოებული. 10 დღის განმავლობაში აღმოაჩინა, რომ რეაქტორში პლუტონიუმ-240-ის კონცენტრაცია ძალიან დიდია, ვიდრე ციკლოტრონებში. ეს იზოტოპი ფლობს ძლიერი სპონტანური დაშლის თვისებას, რის შედეგადაც მაღლდება ნეიტრონული დასხივების საერთო ფონი. ამის საფუძველზე დაასკვნეს, რომ განსაკუთრებულად სუფთა პლუტონიუმის გამოყენებამ, კერძოდ ხუდოის ბომბაში, შეიძლება გამოიწვიოს ადრეული დეტონაცია.
პირველ სამრეწველო რეაქტორს რომლითაც მიიღებოდა 239Pu წრმოადგენდა რეაქტორ B, რომელიც აშშ-ში იყო. მშენებლობა დაიწყო 1943nbsp;წ. ივნისში და ექსოლუატაციაში შევიდა 1944 წ. ოქტომბერში, რეაქტორის სიმძლავრე შეადგინა 250 მეგავატი (ეს როდესაც X-10-ს სულ ჰქონდა 1000 კვტ). ამ რეაქტორში თბომატარებლად პირველად იყო წყალი გამოყენებული. რეაქტორი B (რეაქტორ D-სთან და რეაქტორ F-თან ერთად) შესაძლებლი გახადა პლუტონიუმ-239-ის მიღება, რომელიც პირველად იყო გამოყენებული ტრინიტის ცდებში. ბირთვული მასალები რომლებიც მიღებულ იქნა ამ რეაქტორში, გამოყენებულ იქნა ბომბების დასამზადებლად რომლებიც ნაგასაკში იქნა ჩამოგდებული 1945 წლის 9 აგვისტოს. ეს რეაქტორი დახურული იქნა 1968 წლის თებერვალში და მდებარეობდა ვაშინგტონის შტატის უკაცრიელ ადგილას, ქ. რიჩლანდის მახლობლად.
მანჰეტენის პროექტის ფარგლებში ჰენფორდის კომპლექსში (შეიქმნა 1943 წ. პლუტონიუმის წარმოებისათვის და დახურული იქნა 1988 წელს წარმოების დასრულებასთან ერთად) შექმნილი იქნა ბევრი რაიონი (ადგილი, რაიონი, ოლქი) სადაც ხდებოდა ბირთვული მასალების მიღება, შენახვა, გადამუშავება და გამოყენება. ამ სამარხებში მდებარეობს მიახლოებით 205 კგ პლუტონიუმის იზოტოპი (239Pu—241Pu). ამ კომპლექსის დახურვის შემდეგ (200 წლისათვის) უტილიზირებული იქნა 20 ტ-ზე მეტი პლუტონიუმი.
2004 წ. ჰენფორდის კომპლექსის ტერიტორიაზე გათხრების შედეგად აღმოჩენილი ქნა სამარხები. მათ შორის ნაპოვნი იყო იარაღის პლუტონიუმი, რომელიც მინის ჭურჭელში იყო. იარაღის პლუტონიუმის ეს ნიმუში აღმოჩნდა ყველაზე ხანგრძლივად მცხოვრები იზოტოპები და გამოიკვლიენ წყნარი ოკეანის ნაციონალურ ლაბორატორიაში. შედეგებმა აჩვენა, რომ ეს ნიმუში შექმნილი იქნა გრაფიტულ რეაქტორში X-10 1944 წელს.
პროექტის ერთ ერთი მონაწილე (ალან ნან მეი) იყო ურანისა და პლუტონიუმის ბომბების აღნაგობის პრინციპების ნახაზების და ასევე ურან-235 და პლუტონიუმ-239-ის ნიმუშების საიდუმლო გადაცემის მონაწილე.
ტრინიტი და „მსუქანი“
პირველი ბირთვული გამოცდა სახელწოდებით ტრინიტი, განხორციელდა 1945 წლის 16 ივლის ქალაქ ალამოგორდოსთან, ნიუ-მექსიკოსთან ახლოს, პლუტონიუმი გამოიყენებოდა როგორც ბირთვული მუხტი ასაფეთქებელ მოწყობილობაში გამოიყენებოდა ჩვეულებრივი ლინზები, რომლებსაც ჰქონდათ ფეხბურთის ბურთის ფორმა, რომლის შიგნით პირობითათ, იყო პლუტონიუმის მუხტი, რომელიც იძლეოდა აფეთქების სიმძლავრის მატების საშუალებას. ბირთვული მუხტი ყველა მხრიდან იკუმშებოდა კრიტიკულ მასამდე, და რაც უფრო თანაბრად იკუმშებოდა, მით უფრო მძლავრი იყო ბირთვული აფეთქება. ეს მოწყობილობა შექმნილი იყო ახალი ტიპის ბირთვული ბომბის "მსუქანის" ("Fat Man") გამოცდისათვის რომელიც პლუტონიუმის საფუძველზე იყო. ტრინიტის გამოცდის ბომბის მთლიანი წონა იყო 6 ტ, თუმცა ბომბის ბირთვში იყო მხოლოდ 6,2 კგ პლუტონიუმი, ხოლო ქალაქზე აფეთქების სავარაუდო სიმაღლე შეადგენდა 225—500 მ. ამ ბომბში გამოყენებული პლუტონიუმის მიახლოებით 20 % შეადგინა 20000 ტ ტროტილის ეკვივალენტი.
ბომბა მსუქანი ჩამოგდებული იყო ნაგასაკზე 1945 წლის 9 აგვისტოს. აფეთქების შედეგად მომენტალურად გარდაიცვალა 70 ათასი. ადამიანი და დაიჭრა კიდევ 100 ათასი. მას ქომნდა მსგავსი მექანიზმი: პლუტონიუმისაგან გაკეთებული ბირთვი მოთავსებული იყო სფერისებრ ალუმინის გარსში, რომელიც გარშემორტყმული იყო ქიმიური ასაფეთქებელით. გარსის დეტონაციისას პლუტონიუმის ბირთვი იკუმშებოდა ყოველი მხრიდან და მისი სიმკვრივე ხდებოდა კრიტიკული, რის შენდეგ იწყებოდა ჯაჭვური ბირთვული რეაქცია. ბომბ ჩვილში (პაწია), რომელიც ხიროსიმაზე იქნა ჩამოგდებული სამი დღით ადრე, გამოიყენებოდა ურან-235, და არა პლუტონიუმი. იაპონიამ 15 აგვისტოს მოაწერა ხელი კაპიტულაციას. ამის ქმედების შემდეგ პრესაში გამოქვეყნდა ახალი ქიმიური რადიოაქტიური ელემენტის პლუტონიუმის გამოყენების შესახებ.
ცივი ომი
პლუტონიუმის დიდი რაოდენობა წარმოებულ იქნა ცივი ომის დროს სსრკ-ში და აშშ-ში. აშშ-ის რეაქტორებმა, რომლებიც მდებარეობენ სავანა რივერის ბირთვულ სამარხში (Savannah River Site) (ჩრდილოეთ კაროლინა) და ჰენფორდში, ცივი ომის დროს აწარმოეს 103 ტ პლუტონიუმი, ამ დროისათვის სსრკ-მა კი 170 ტ იარაღის პლუტონიუმი აწარმოა. დღეს მიახლოებით 20 ტ პლუტონიუმია ბირთვულ ენერგეტიკაში, რომელსაც აწარმოებენ, როგორც ბირთვული რეაქციის თანდაყოლილ თანაურ პროდუქტს. 1000 ტ საცავში არსებულ პლუტონიუმზე მოდის 200 ტ პლუონიუმი, რომლებსაც იღებენ ბირთვულ რეაქტორებში. 2007 წელს სტოკჰოლმის მშვიდობის პრობლემების კვლევის ინსტიტუტმა მსოფლიოში პლუტონიუმის რაოდენობა შეაფასა 500 ტონად, რომელიც მიხლოებით თანაბრადაა განაწილებული, როგორც იარაღის, ისე ენერგეტიკაში.
ცივი ომის დამთავრების შემდეგ, ყველა ბირთვული მარაგი პრობლემა გახდა. მაგალითად აშშ-ში ბირთვული იარაღიდან ამოღებული პლუტონიუმი გადაადუღეს 2 ტონიან ბლოკებად, რომელშიც ელემენტი იყო ინერტული პლუტონიუმის დიოქსიდის (IV) სახით. ეს ბლოკები შემინულია ბოროსილიკატის მინით, რომელშიც ცირკონიუმის და გადოლინიუმის მინარევებია (გოდოლინიუმისა და ცირკონიუმის ნაერთები ჟანგბადთან (Gd2Zr2O7)) ეს გაკეთებული იქნა იმისათვის, რომ პლუტონიუმი დაიჭიროს 30 მლნ წელი. შემდგომ, ეს ბლოკები დაფარული იქნა უჟანგავი ფოლადით და ისინი ჩამარხეს 4 კმ-ის სიღრმეში.
სამედიცინო ექსპერიმენტები
მეორე მსოფლიოს ომის დროს და მის შემდეგ, მეცნიერები ატარებდნენ ცდებს ცხოველებზე და ადამიანებზე, როდესაც მათ შეჰყავდათ პლუტონიუმის დოზები ვენაში. „სტანდარტული“ დოზა შეადგენდა 5 მკგ პლუტონიუმს, 1945 წლიდან ეს ციფრი შემცირდა 1 მკგ-მდე, იმის გამო, რომ პლუტონიუმს აქვს მიდრეკილება ძვლებში დაგროვებისაკენ და რის გამოც ის უფრო საშიშია, ვიდრე რადიუმი.
პლუტონიუმის თვრამეტი გამოცდა ადამიანებზე ჩატარებული იყო წინასწარი თანხმობის გარეშე იმისათვის, რომ გარკვეულიყო სად და როგორ გროვდება პლუტონიუმი ადამიანის ორგანიზმში და არჩეულიყო მასთან ურთიერთობის უსაფრთხოების სტანდარტები. პირველი ადგილები, სადაც ჩატარდა ექსპერიმენტები მანჰეტენის პროექტის ფარგლებში იყვნენ: ჰენფორდი, ბერკლი, ლოს-ალამოსი, ჩიკაგო, ოუკ-რიჯი, როჩესტერი.
თვისებები
ფიზიკური თვისებები
პლუტონიუმს, როგორც ლითონების უმეტესობას, აქვს კაშკაშა ვერცხლისფერი, და ჰგავს ნიკელს და რკინას, ჰაერზე ის იჟანგება და იცვლის ფერს თავიდან ის ხდება ბრინჯაოს ფერი, შემდგომ კი ლურჯი გამოწრთობილი ლითონის ფერის ხდება და საბოლოოდ იღებს მკრთალ შავ ან მომწვანო ფერს ზედაპირზე ფხვიერი ჟანგის წარმოქმნის გამო. ასევე არის შეტყობინება, რომ არის მოყვითალო ოქსიდის ფენაც. ოთახის ტემპერატურაზე პლუტონიუმი არის α-ფორმაში — ეს ყველაზე გავრცელებული ალოტროპიული მოდიფიკაციაა პლუტონიუმისათვის. ეს სტრუქტურა მიახლოებით ისეთივე ხისტია, როგორც რუხი თუჯი, თუკი ის არ არის ლეგირებული სხვა ლითონებით, რომლებიც შენადნობს მიანიჭებენ პლასტიურობას და სირბილეს. უმრავლესი ლითონებისაგან განსხვავებით პლუტონიუმი ცუდი თბოგამტარი და ელექტროგამტარია.
პლუტონიუმს აქვს ანომალურად დაბალი, ვიდრე ლითონისათვის დამახასიათებელი დნობის ტემპერატურა (მიახლოებით 640 °C) და უჩვეულოდ მაღალი დუღილის ტემპერატურა (3235 °C) პლუტონიუმის დუღილის ტემპერატურა 5-ჯერ მეტია, ვიდრე დნობის ტემპერატურა. შედარებისათვის: ვოლფრამისათვის ეს მაჩვენებელი შეადგენს 1,6 (დნობის ტემპ. 3422 °C და დუღილის ტემპ. 5555 °C). ტყვია წარმოადგენს უფრო მჩატე ლითონს, ვიდრე პლუტონიუმი, მიახლოებით 2-ჯერ (სხვაობა სიმკვრივეში შეადგენს 19,86 − 11,34 ≈ 8,52 გ/სმ³).
როგორც ყველა დანარჩენი ლითონისათვის, პლუტონიუმის კოროზია იზრდება ტენიანობის ზრდასთან ერთად. ზოგიერთი კვლევა ამტკიცებს, რომ ტენიანი არგონი შეიძლება უფრო მაკოროზირებელი ელემენტი იყოს, ვიდრე ჟანგბადი; ეს დაკავშირებულია იმასთან, რომ არგონი არ რეაგირებს პლუტონიუმთან და როგორც შედეგი, პლუტონიუმი იწყებს დაბზარვას. ეს ეფექტი დაკავშირებულია იმასთან, რომ ჟანგბადი რეაგირებს პლუტონიუმთან არეული ოქსიდების წარმოქმნით მის ზედაპირზე. არგონი არ რეაგირებს პლუტონიუმთან და ამასთან ხელს უშლის პლუტონიუმის ქიმიურ რეაქციებს, შედეგად მისი ზედაპირი არაფრით არ იფარება და ამიტომაც განიცდის კოროზიას თვითგახურების გამო.
ალფა-დაშლა, რომელსაც თანსდევს ჰელიუმის ბირთვების გამოშვება, წარმოადგენს ყველაზე გავრცელებულ პლუტონიუმის იზოტოპების რადიოაქტიური დაშლის სახეს. ბირთვების დაშლის და ალფა-ნაწილაკების გამოშვების გამო წარმოიქმნება სითბო, რის გამოც პლუტონიუმი თბილია შეხებისას.
როგორც ცნობილია, ელექტრო წინაღობა ახასიათებს მასალის უნარს გაატაროს ელექტრული დენი. პლუტონიუმის კუთრი წინაღობა ოთახის ტემპერატურაზე ძალიან მაღალია ლითონისათვის და ეს თავისებურება თანდათან მატულობს ტემპერატურის დაწევასთან ერთად, რაც ლითონებისათვის არაა დამახასიათებელი. ეს ტენდენცია გრძელდება 100 K-მდე; ამ ნიშნულის ქვევით ელექტრო წინაღობა იწყებს შემცირებას. ნიშნულის შემცირებისას 20 K-მდე, წინაღობა იწყებს მატებას ლითონის რადიაციული აქტივობის გამო, ამავე დროს ეს თვისება დამოკიდებული იქნება ლითონის იზოტოპურ შემადგენლობაზე.
პლუტონიუმს ყველა გამოკვლეულ აქტინოიდებს შორის აქვს ყველაზე მაღალი კუთრი ელექტრო წინაღობა (ამ მომენტისათვის), რომელიც შეადგენს 150 მკომ·სმ (22 °C ტემპერატურისას). მისი სიმაგრე შეადგენს 261 კგ/მმ³ (α-Pu-თვის).
იმის გამო, რომ პლუტონიუმი რადიოქტიურია, დროის განმავლობაში განიცდის ცვლილებებს თავის კრისტალურ მესერში. პლუტონიუმი განიცდის თავისებურ მოწვას, თვითდასხივებისა და 100 კელვინამდე გაცხელების გამო.
სხვა დანარჩები ლითონებისაგან განსხვავებით, პლუტონიუმის სიმკვრივე იზრდება გახურებასთან ერთად დნობის ტემპერატურის 2,5 %-მდე, იმ დროს, როდესაც ჩვეულებრივ ლითონებში ტემპერატურის ზრდასთან ერთად მცირდება სიმკვრივე. დნობის წერტილთან ახლოს, თხევად პლუტონიუმს აქვს ძალიან მაღალი ზედაპირული დაძაბულობის მაჩვენებელი და ყველაზე მაღალი სიბლანტე სხვა ლითონებს შორის.
ალოტროპიული მოდიფიკაციები
პლუტონიუმს აქვს შვიდი ალოტროპიული მოდიფიკაცია. ექვსი მათ შორის არსებობენ ჩვეულებრივი წნევის პირობებში, ხოლო მეშვიდე მაღალი ტემპერატურისა და წნევის გარკვეული დაპაზონში არსებობს. ეს ალოტროპები, რომლებიც განირჩევიან თავიანთი კრისტალური სტრუქტურით და სიმკვრივის მაჩვენებლებით, აქვთ შიდა ენერგიის მსგავსი მნიშვნელობა. ეს თვისება პლუტონიუმს ხდის ძალიან მგრძნობიარეს ტემპერატურისა და წნევის რყევებისა და ცვლილებების მიმართ და მიჰყავს სტრუქტურის ნახტომისებური ცვლილებისაკენ. პლტონიუმის ყველა ალოტროპიული მოდიფიკაციის სიმკვრივის მაჩვენებელი მერყეობს 15,9 გ/სმ³-დან 19,86 გ/სმ³-მდე. პლუტონიუმის მრავალი ალოტროპიული მოდიფიკაციის არსებობის გამო მას ხდის დამუშავებისათვის რთულ ლითონად, რადგანაც ის განიცდის ფაზურ გადასვლებს. პლუტონიუმის ასეთი სხვადასხვა ალოტროპული მოდიფიკაციის არსებობის არსი ბოლომდე არცაა ცნობილი.
პირველი სამი კრისტალური მოდიფიკაცია — α-, β- და γ-Pu — ფლობს რთულ კრისტალურ სტრუქტურას ოთხი კარგად გამოკვეთილი ვალენტური ხასიათის ბმით კავშირით. დანარჩენი — δ-, δ’- და ε-Pu — უფრო მაღალტემპერატურული მოდიფიკაციებია რომლებიც ხასიათდებიან შედარებით მარტივი სტრუქტურით.
ალფა-ფორმა არსებობს ოთახის ტემპერატურის პირობებში არალეგირებული და დაუმუშავებელი პლუტონიუმის სახით. მას გააჩნია თუჯის მსგავსი თვისებები, თუმცა აქვს თვისება გახდეს პლასტიკური მასალა და წარმოქმნას ჭედადი β-ფორმა უფრო მაღალი ტემპერატურის ინტერვალებში. პლუტონიუმის ალფა-ფორმა აქვს დაბალსიმეტრიული მონოსოლური სტრუქტურა (ფაზების კრისტალური სტრუქტურა, რომლებიც არსებობენ ოთახის ტემპერატურის პირობებში, წარმოადგენენ დაბალსიმეტრიულს, რაც უფრო დამახასიათებელია მინერალებისათვის, ვიდრე ლითონებისათვის), აქედან ხდება ნათელი, რომ ის არის მტკიცე და დენის ცუდად გამტარი მოდიფიკაცია. მოცემულ ფორმაში პლუტონიუმი ძალზედ მყიფეა, თუმცა აქვს ყველაზე მაღალი სიმკვრივე ყველა ალოტროპიულ მოდიფიკაციასთან შედარებით. პლუტონიუმის ფაზები ხასიათდებიან მექანიკური თვისებების მკვეთრი ცვლილებებით — ძალიან მყიფედან პლასტიკურ ლითონამდე.
δ-ფორმის პლუტონიუმი ჩვეულებრივ არსებობს ტემპერატურის შემდეგ მნიშვნელობებისას: 310 °C-დან 452 °C-მდე, თუმცა სტაბილური შეიძლება იყოს ოთახის ტემპერატურის პირობებშიც, თუ კი ის მცირე პროცენტული შემცველობით ლეგირებულია გალიუმით, ალუმინით ან ცერიუმით. თუ კი ის არის შენადნობი ამ ლითონებთან, მაშინ ის შეიძლება გამოყენებულ იქნას შედუღებისას. დელტა-ფორმას აქვს უფრო ლითონისათვის გამოკვეთილი მახასიათებლები, ხოლო სიმტკიცით და ჭედადობით ალუმინის მსგავსია. ბოლო ეპსილონ-ფაზა აჩვენებს ატომური თვითდიფუზიის ანომალურად მაღალ მაჩვენებელს.
პლუტონიუმი მოცულობაში მცირდება, როდესაც გადადის δ და δ’-ფაზებში, რაც აიხსნება სითბური გაფართოების კოეფიციენტის უარყოფითი მაჩვენებლით.
ნაერთები და ქიმიური თვისებები
აქტინოიდებს აქვთ ერთმანეთის მსგავსი ქიმიური თვისებები. დაჟანგვის ყველაზე დაბალი ხარისხი აქვთ პირველ ორ აქტინოიდს და აქტინიუმს (მნიშვნელობები გაბნეულია 3-დან 5-მდე), შემდგომ ეს მნიშვნელობები იზრდებიან და აღწევენ პიკს პლუტონიუმზე და ნეპტუნიუმზე, შემდგომ ამერციუმის მერე, ეს რიცხვი ისევ მცირდება. მოცემული თვისება შეიძლება აიხსნას ელემენტების ბირთვებში ელექტრონების რთული ქცევით. 1944 წელს გლენ სიბორგმა წამოაყენა ჰიპოთეზა აქტინოიდური შეკუმშვის შესახებ, რომელიც გულისხმობს აქტინოიდების თანდათანობითი იონური რადიუსის შემცირებას (ასევე დამახასიათებელია ლანთანოიდებისათვის). ამ თეორიის წამოყენებამდე პირველ აქტინოიდებს (თორიუმი, პროტაქტინიუმი და ურანი) მიაკუთვნებდნენ 4, 5, და 6 ჯგუფის ელემენტებს შესაბამისად.
პლუტონიუმი წარმოადგენს ქიმიურად აქტიურ ლითონს. 1967 წელს საბჭოთა მეცნიერებმა დაადგინეს, რომ ნეპტუნიუმისა და პლუტონიუმის უმაღლესუ დაჟანგვის ხარისხი არა 6 არამედ 7-ია. ამისათვის მეცნიერებმა ის დაჟანგეს ოზონით PuO22+ ტუტე გარემოში. წყლის ხსნარებში პლუტონიუმი ავლენს დაჟანგვის ოთხ ხარისხს და ერთს ძალიან იშვიათად:
PuIII, Pu3+ (ღია-იისფერი),
PuIV, Pu4+ (შოკოლადისფერი),
PuV, PuO2+ (ღია),
PuVI, როგორც PuO22+ (ღია-ნარინჯისფერი),
PuVII, როგორც PuO53− (მწვანე) — ასევე არის შვიდვალენტიანი იონებიც.
პლუტონიუმის წყალხსნარების ფერები დამოკიდებულია დაჟანგვის ხარისხზე და მჟავების მარილებზე. მათში პლუტონიუმი შეიძლება იყოს ერთდროულად რამდენიმე დაჟანგვის ხარისხით, რაც აიხსნება მისი რედოქს-პოტენციალების (ჟანგვა-აღდგენის პოტენციალი) სიახლოვით, რაც თავის მხრივ აიხსნება 5f-ელექტრონების არსებობით, რომლებიც მდებარეობენ ელექტრო ორბიტია ლოკალიზებურ და დელოკალიზებურ ზონებში. pH 5—8-სას დომინირებს ოთხვალენტიანი პლუტონიუმი, რომელიც უფრო მდგრადია სხვა დანარჩენ ვალენტობებს შორის.
ლითონური პლუტონიუმი მიიღება შემდეგი რეაქციისას: მისი პლუტონიუმის ტეტრაფტორიდის რეაქციით ბარიუმთან, კალციუმთან ან ლითიუმთან 1200 °C ტემპერატურისას:
ის რეაგირებს მჟავეებთან, ჟანგბადთან და მათ ორთქლებთან, მაგრამ რეაგირებს ტუტეებთან (რომელთა ხსნარებში შესამჩნევად არ იხსნება, როგორც სხვა ოქტინოიდებიც). სწრაფად იხსნება ქლორწყალბადში, იოდწყალბადში, ბრომწყალბადში, 72 %-იან ქლორ მჟავაში, 85 %-იან ორთოფოსფორმჟავაში, კონცენტრირებულ ქლორძმარმჟავაში (CCl3COOH), სულფამინის მჟავაში და მდუღარე კონცენტრირებულ აზოტმჟავაში. პლუტონიუმი ინერტულია კონცენტრირებული გოგირდმჟავას და ძმარმჟავას მიმართ; მათ ხსნარებში ნელა იხსნება, ანუ რეაგირებს შესაბამისი მარილების წარმოქმნით. 135 °C ტემპერატურისას ლითონი თვითაალდება ჟანგბადთან ურთიერთქმედების გამო, ხოლო თუ მას მოვათავსებთ ტეტრაქლორმეთანის ატმოსფეროში, მაშინ ის ფეთქდება.
ტენიან ჟანგბადში ლითონი სწრაფად იჟანგება, და წარმოქმნის ოქსიდებს და ჰიდრიდებს. ლითონური პლუტონიუმი რეაგირებს აირების უმეტესობასთან მაღალ ტემპერატურებზე. თუ ლითონი დიდი დროის განმავლობაში განიცდის ტენიანი ჰაერის მცირე რაოდენობის ხანგრძლივ ზემოქმედებას, მაშინ მის ზედაპირზე წარმოიქმნება პლუტონიუმის დიოქსიდი. ამას გარდა, შეიძლება წარმოიქმნას მისი დიჰიდრიდი, მაგრამ მხოლოდ ჟანგბადის უკმარისობის პირობებში. პლუტონიუმის იონები ყველა დაჟანგვის ხარისხისას მიდრეკილია ჰიდროლიზის და კომპლექსური ნაერთები წარმოქმნისადმი.
ოთახის ტემპერატურაზე პლუტონიუმის ახალ ჩამონაჭერ ზედაპირს აქვს ვერცხლისფერი, რომელიც შემდგომ ფერმკრთალდება. იმის გამო რომ ლითონის ზედაპირი ხდება პასივირებული ის ხდება პიროფორნული, ანუ თვითაალებადობისადმი მიდრეკილი, ამიტომაც ლითონური პლუტონიუმი როგორც წესი მუშავდება ინერტული არგონის ან აზოტის ატმოსფეროში. ლითონი უნდა ინახებოდეს ვაკუუმში ან ინერტული აირების ატმოსფეროში, რათა თავიდან იქნას აცილებული ჟანგბადთან რეაქცია.
პლუტონიუმი შექცევითობით რეაგირებს სუფთა წყალბადთან, პლუტონიუმის ჰიდრიდის წარმოქმნით 25—50 °C ტემპერატურაზე. ასევე, ის ადვილად ურთიერთქმედებს ჟანგბადთან პლუტონიუმის მონოქსიდის და პლუტონიუმის დიოქსიდის წარმოქმნით, და ასევე ცვალებადი შემადგენლობის ოქსიდის (ბერტოლიდები) წარმოქმნით. ოქსიდები პლუტონიუმს აფართოებენ 40 %-ით თავდაპირველი მოცულობასთან შედარებით. ლითონური პლუტონიუმი ენერგიულად მოქმედებს ჰალოგენწყალბადებთან და ჰალოგენებთან, ნაერთებში სადაც ის ავლენს +3 დაჟანგვის ხარისხს, თუმცა ცნობილია ჰალოგენიდები PuF4 და PuCl4 შემადგენლობით. ნახშირბადთან წარმოქმნის პლუტონიუმის კარბიდს (PuC), აზოტთან — პლუტონიუმის ნიტრიდს (900 °C-ისას), სილიციუმთან — სილიციდს (PuSi2). პლუტონიუმის კარბიდის, ნიტრიდს, დიოქსიდს აქვს 2000 °C დნობის ტემპერატურა და ამიტომაც გამოიყენება როგორც ბირთვული საწვავი.
პლუტონიუმი უნდა ინახებოდეს ისე რომ დაცული იყოს და უძლებდეს მის ძლიერ ჟანგვა-აღდგენით თვისებებს. ძნელადდნობადი ლითონები, როგორებიცაა ტანტალი და ვოლფრამი, უფრო სტაბილურ ოქსიდებთან, ბორიდებთან, კარბიდებთან, ნიტრიდებთან და სილიციდებთან ერთად შეუძლიათ გაუძლონ პლუტონიუმის თვისებებს.
ოთხვალენთიანი ცერიუმი გამოიყენება როგორც პლუტონიუმის (IV) ქიმიური სიმულატორი.
ელექტრონული სტრუქტურა: 5f-ელექტრონები
პლუტონიუმი წარმოადგენს ელემენტს, რომელშიც 5f-ელექტრონები მდებარეობენ ლოკალიზებული და დელოკალიზებური ელექტრონების საზღვარზე, ამიტომაც ითვლება ერთ-ერთ ყველაზე უფრო კომპლექსურ და რთულ ელემენტად შესწავლისათვის.
პლუტონიუმის ანომალიური ქცევა განპირობებულია მისი ელექტრონული სტრუქტურით. ენერგეტიკული სხვაობა 6d და 5f-ელექტრონებს შორის ძალიან მცირეა. 5f-გარსის ზომები საკმარისია, იმისათვის, რათა ერთმანეთს შორის მოხდეს ატომური მესერის ფორმირება; ეს ხდება ლოკალიზებურ და ერთმანეთთან შეერთებული ელექტრონების უშუალო საზღვართან. ელექტრონული დონეების სიახლოვე იწვევს დაბალენერგეტიკული ელექტრონული კონფიგურაციის ფორმირებას, ენერგიის მიახლოებით ერთნაირი დონით. ეს იწვევს 5fn7s2 და 5fn−17s26d1 ელექტრონული გარსების ფორმირებას, რაც იწვევს მისი ქიმიური თვისებების სირთულეს. 5f-ელექტრონები მონაწილეობენ კოვალენტური ბმების და კომპლექსური ნაერთების ფორმირებაში.
ბუნებაში
ბუნებრივი პლუტონიუმი
ბუნებაში ნაპოვნია ძალიან მცირე რაოდენობის პლუტონიუმის, ყოველ შემთხვევაში ორი იზოტოპი მაინც (239Pu და 244Pu).
ურანის საბადოებში ნეიტრონების მიტაცების შედეგად მაგალითად, კოსმოსური გამოსხივების ნეიტრონების, ურან-238-ის სპონტანური დაშლის და მჩატე ბირთვების (α,n)-რეაქციებიდან.</ref> ურან-238-ის ბირთვებით წარმოიქმნება ურან-239, რომელიც განიცდის ბეტა-დაშლას და გადადის ნეპტუნიუმი-239. შემდგომი β-დაშლის შედეგად წარმოიქმნება ბუნებრივი პლუტონიუმი-239. ხდება შემდეგი ბირთვული რეაქცია:
ამ რეაქციითვე პლუტონიუმ-239 სინთეზირდება სამრეწველო მაშტაბებისასსაც (იხ. იზოტოპები და სინთეზი). თუმცა ბუნებაში პლუტონიუმი წარმოიქმნება ისეთი მიკროსკოპული რაოდენობით (ყველაზე დიდი შეფარდება 239Pu/238U შეადგენს 15), რომ ურანის მადნებიდან პლუტონიუმის მიღებაზე საუბარიც კი არ მიდის. საშუალოდ 239Pu-ის შემცველობა მიახლოებით 400 ათას-ჯერ ნაკლებია, ვიდრე რადიუმისა. ასევე, პლუტონიუმ-239-ის მცირე რაოდენობა - მეტრილიონედი წილი - ნაპოვნი იქნა ურანის მადნებში ბუნებრივ ბირთვულ რეაქტორებში, გაბონში.
მასურ-სპექტრომეტრიის მეშვეობით დოკემბრიის ბასტნეზიდის გაზომვისას დადგენილ იქნა ასევე პლუტონიუმის სხვა იზოტოპის - პლუტონიუმ-244-ის არსებობა ბუნებაში. მას პლუტონიუმის იზოტოპებს შორის გააჩნია ყველაზე მეტი ნახევარდაშლის პერიოდი — მიახლოებით 80 მლნ წელი, მაგრამ ამისდა მიუხედავად, მისი შემცველობა, უფრო მცირეა ვიდრე პლუტონიუმ-239-ისა, რადგანაც ის არ წარმოიქმნება დედამიწის ქერქის ბუნებრივ რეაქციებში, და მხოლოდ ის იშლება. ეს იზოტოპი პრიმორდიალურია ანუ მოაღწია ჩვენ დრომდე, მზის სისტემის წარმოქმნის დროიდან (4,567 მლრდ. წლის წინ). გასული 57 ნახევარდაშლის პერიოდის შემდეგ დარჩა მხოლოდ მცირე ნაწილი პირველად არსებული 244Pu-ის ატომების რაოდენობისა, მიახლოებით 6,5.
რადგანაც პლუტონიუმის შედარებით, ხანგრძლივად მცხოვრები იზოტოპი პლუტონიუმ-240 არის პრიმორდიალური პლუტონიუმ-244-ის დაშლის ჯაჭვში, ამიტომაც ისიც არსებობს ბუნებაში, ჩნდება 244Pu-ის ალფა-დაშლის და შემდგომი ორი მოკლეარსებობის შუალედური ბირთვების ბეტა-დაშლის შემდეგ. თუმცა, О240Pu-ის ცხოვრების დრო 4 რიგით ნაკლებია, ვიდრე მშობელი ბირთვის სიცოცხლის დრო, ამიტომ მისი ბუნებრივი შემცველობა ასევე მიახლოებით 104-ჯერ ნაკლებია, ვიდრე პლუტონიუმ-244-ისა.
ურანის მადნებში უნდა იყოს პლუტონიუმ-238-ის ძალიან მცირე რაოდენობაც როგორც ძალიან იშვიათი ორმაგი ბეტა-დაშლის შედეგი.
ასე რომ, დედამიწის ქერქში არსებობს პლუტონიუმის ბუნებრივი 4 იზოტოპი: 238Pu, 239Pu, 240Pu და 244Pu, რომელთა შორის პირველი სამი - რადიოგენურია, ხოლო მეოთხე — პრიმორდიალური. თუმცა, ექხპერიმენტალურად ბუნებაში შეიმჩნევა მხოლოდ 239Pu და 244Pu. პირველად ბუნებრივი პლუტონიუმი გამოყოფილ იქნა 1948 წ. ურანის მადნიდან გ. ტ. სიბორგისა და მ. პერლმანის მიერ.
ტექნოგენური პლუტონიუმი
პლუტონიუმის მინიმალური რაოდენობა ჰიპოტეტურად შეიძლება იყოს ადამიანის ორგანიზმში, თუ გავითვალისწინებთ, რომ ჩატარებული იყო მიახლოებით 550 ბირთვული გამოცდა, ასე თუ ისე დაკავშირებული პლუტონიუმთან. წყალქვეშა და ჰაერის ბირთვული გამოცდა შეწყვეტილი იქნა 1963 წლის შეთანხმების შედეგად რომელსაც ხელი მოაწერა სსრკ, აშშ დიდი ბრიტანეთისა და სხვა ქვეყნების მიერ. ზოგიერთმა ქვეყანამ მაინც გააგრძელა ბირთვული გომოცდები.
ამიტომაც, პლუტონიუმ-239 სინთეზირებული იყო სპეციალურად ბირთვული გამოცდებისათვის, დღეისათვის ის წარმოადგენს ყველაზე გავრცელებულ და ხშირად გამოყენებად სინთეზირებულ ნუკლიდს პლუტონიუმის იზოტოპებს შორის.
იზოტოპები
პლუტონიუმის იზოტოპების აღმოჩენა დაიწყო 1940 წელს, როდესაც მიღებულ იქნა პლუტონიუმ-238. დღეისათვის ის ითვლება ერთ-ერთ ყველაზე მნიშვნელოვან ნუკლიდად. ერთი წლის შემდგომ აღმოჩენილ იქნა უმნიშვნელოვანესი ნუკლიდი — პლუტონიუმ-239, რომელიც შემდგომ გამოიყენეს ბირთვულ და კოსმოსურ მრეწველობაში. ქიმიური ელემენტი წარმოადგენს აქტინოიდს, ერთ-ერთი მისი იზოტოპი შედის სამ ძირითად დაშლად იზოტოპებს შორის. როგორც ყველა აქტინოიდი, პლუტონიუმის ყველა იზოტოპი რადიოაქტიურია.
პლუტონიუმის ნუკლიდების ყველაზე მნიშვნელოვანი თვისებები ჩამოთვლილია ცხრილში:
შენიშვნები
რესურსები ინტერნეტში
სქოლიო