Plutoni

Tính chất vật lý

Plutoni có màu trắng bạc sáng ban đầu nhìn thì rất giống niken, nhưng nó bị ôxy hóa rất nhanh trong không khí làm chuyển sang màu xám tối, mặc dù đôi khi cũng gặp màu lục xanh oliu và lục vàng. Ở nhiệt độ phòng, plutoni có dạng thu hình α (anpha). Hình dạng cấu trúc phổ biến nhất của nguyên tố này giòn và cứng giống như gang xám trừ khi nó ở dạng hợp kim với các kim loại khác làm cho nó mềm và dễ uốn/dát. Không giống với hầu hết kim loại khác, nó không dẫn nhiệt và dẫn điện tốt. Plutoni có điểm nóng chảy thấp (640 °C) và có điểm sôi cao bất thường (3,327 °C).
Phát xạ hạt alpha giải phóng hạt nhân heli năng lượng cao là cách phát xạ phổ biến của plutoni. 5 kg lõi của vũ khí hạt nhân đặc trưng chứa khoảng 12,5 × 10²⁴ nguyên tử. Với chu kỳ bán rã 24.100 năm, khoảng 11,5 × 10¹² trong số nguyên tử trên phân rã mỗi giây phát ra 5,157 MeV hạt anpha bằng với 9,68 W. Nhiệt sinh ra từ việc bắt giữ các hạt này làm chúng ta có cảm giác ấm khi chạm tay vào.
Điện trở suất của plutoni ở nhiệt độ phòng là rất cao so với mặt bằng chu của các kim loại, và giá trị này sẽ cao hơn ở nhiệt độ thấp hơn, đó là điều bất thường đối với một kim loại. Xu hướng này tiếp tục khi nhiệt độ giảm xuốn 100 K, dưới mức này điện trở suất giảm nhanh chóng đối với các nguyên chất (chưa bị ôxy hóa). Sau đó điện trở suất bắt đầu tăng theo thời gian ở khoảng 20 K do sự phá hủy bức xạ, với tốc độ được quyết định bởi thành phần đồng vị của mẫu.
Do tự chiếu xạ, một mẫu plutoni sẽ mỏi diễn ra trong hầu hết cấu trúc tinh thể của nó, tức là sự sắp xếp có thứ tự của các nguyên tử của nó bị phá vở do phóng xạ theo thời gian. Tự chiếu xạ cũng có thể dẫn đến việc tôi làm chống lại một vài hiệu ứgn mỏi khi nhiệt độ tăng trên 100 K.
Không giống hầu hết các kim loại khác, plutoni tăng tỷ trọng khoảng 2,5% khi nó nóng chảy, nhưng tỷ trọng của kim loại lỏng thì thể hiện sự suy giảm tuyến tính theo nhiệt độ. Gần điểm nóng chảy, plutoni lỏng cũng có độ nhớt và ứng suất mặt rất cao so với các kim loại khác.

Thù hình

Plutoni bình thường có 6 dạng thù hình và một dạng thứ 7 (zeta, ζ) ở nhiệt độ trong dãi áp suất giới hạn. Các dạng thù hình khác nhau về hình dạng sắp xếp của nguyên tố có điểm rất giống nhau là nội năng nhưng có tỉ trọng và cấu trúc tinh thể thay đổi đáng kể. Điều này làm cho plutoni rất nhạy cảm với những thay đổi về nhiệt độ, áp suất hoặc và điều đó làm cho thể tích thay đổi đặc trưng sau khi chuyển pha từ dạng thù hình này sang sang khác. Tỷ trọng của các thù hình khác nhau thay đổi từ 16,00 g/cm³ đến 19,86 g/cm³.
Việc tồn tại các dạng thù hình này làm cho việc gia công plutoni trở nên rất khó, vì nó thay đổi trạng thái một cách dễ dàng. Ví dụ dạng α tồn tại ở nhiệt độ phòng trong plutoni chưa được gia công. Nó có đặc điểm gia công tương tự như gang nhưng biến đổi thành dạng β có tính dẻo và dễ uốn ở nhiệt độ cao hơn một chút. Các nguyên nhân dẫn đến sự phức tạp về các pha thì chưa được hiểu một cách toàn vẹn. Dạng α có cấu trúc tinh thể đơn tà có tính đối xứng thấp, có tính giòn, bền, nén được, và dẫn suất kém.
Plutoni ở dạng δ thường hình thành ở nhiệt độ từ 310 °C đến 452 °C, nhưng nó ổn định ở nhiệt độ phòng khi ở dạng hợp kim với một lượng nhỏ galli, nhôm, hay cesi, làm tăng khả năng làm việc và làm cho có thể hàn nó được. Dạng delta có các tính chất kim loại đặc trưng hơn, và tương đối bền và dễ uốn như nhôm. Trong vũ khí phân hạch, sóng sóc nổ được dùng để nén lõi plutoni cũng gây ra sự chuyển dạng từ pha delta thông thường sang pha anpha đặc hơn, có ý nghĩa ứng dụng để đạt đến mức siêu tới hạn. Pha ε là dạng thù hình rắn ở nhiệt độ cao nhất, thể hiện tính tự khuếch tán nguyên tử cao bất thường so với các nguyên tố khác.

Phân hạch hạt nhân

Plutoni là một nguyên tố có các electron ngoài cùng thuộc lớp 5f đây là ranh giới chuyển tiếp giữa giới hạn mà các electron của nó có thể có liên kết hoặc không có liên kết với một nguyên tử riêng biệt; nó được xem là một trong số những nguyên tử phức tạp nhất. Đây là kim loại actini có tính phóng xạ, đặc biệt là đồng vị plutoni-239 là một trong 3 đồng vị phân hạch nguyên thủy (hai đồng vị còn lại là urani-233 và urani-235); 
plutoni-241 cũng có khả năng phân hạch cao.
Xét về khả năng phân hạch, một đồng vị hạt nhân nguyên tử phải có khả năng tách đôi khi bị tác động bởi neutron chuyển động chậm, và giải phóng đủ lượng neutron cần thiết để duy trì phản ứng dây chuyền.
Plutoni-239 có hệ số sinh neutron (k) lớn hơn 1, do đó nếu kim loại có đủ khối lượng và yếu tố hình học thích hợp (như khối cầu nén), nó có thể đạt đến khối lượng tới hạn. Trong quá trình phân hạch, một phần năng lượng lên kết được giải phóng ở dạng nhiệt, điện từ và động năng mal; một kg plutoni-239 có thể tạo ra một vụ nổ tương đương với 20.000 tấn thuốc nổ TNT. Do tạo ra nguồn năng lượng khổng lồ nên plutoni-239 được ứng dụng làm vũ khí hạt nhân và được dùng trong lò phản ứng.
Việc có mặt đồng vị plutoni-240 trong mẫu sẽ làm giới hạn khả năng của bom hạt nhân, vì plutoni-240 có tốc độ phân hạch tự phát tương đối cao (~440 phân hạch một giây/1 gram sinh ra hơn 1.000 neutron/giây/gram) nên sẽ làm tăng mức neutron ban đầu và làm tăng nguy cơ đạt đến trang thái siêu tới hạn cực nhanh mà chưa đạt đến trạng thái tối đa của một chuỗi phản ứng dây chuyền cần thiết. Plutoni được xác định đạt cấp vũ khí, cấp nhiên liệu hay cấp năng lượng lò phản ứng tùy thuộc vào phần trăm plutoni-240 có trong đó. Plutoni cấp vũ khí chứa ít hơn 7% plutoni-240, còn cấp nhiên liệu thì chứa từ 7% đến dưới 19%, và cấp năng lượng lò phản ứng thì chứa từ 19% plutoni-240 trở lên. Plutoni siêu cấp chứ đồng vị plutoni-240 ít hơn 4% thì được dùng trong các vũ khí đặt trên các tàu và tàu ngầm của hải quân Hoa Kỳ do nó có độ phóng xạ thấp hơn. Đồng vị plutoni-238 không thể phân hạch nhưng có thể trải qua quá trình phân hạch một cách dễ dàng bằng cách dùng neutron nhanh và nó phát ra hạt anpha.

Xuất hiện

Một lượng rất nhỏ dạng vết của ít nhất 2 đồng vị plutoni (plutoni-239 và 244) có thể được tìm thấy trong tự nhiên. Các vết của plutoni-239 chỉ chiếm khoảng vài ppt, và các sản phẩm phân rã của nó cũng được tìm thấy trong tự nhiên ở một số mỏ urani, như trong "lò phản ứng phân hạch tự nhiên" ở Oklo, Gabon. Tỷ lệ plutoni-239/urani ở urani Mỏ Cigar Lake dao động trong khoảng từ 2.4 × 10⁻¹² đến 44 × 10⁻¹². Thậm chí một lượng nhỏ hơn của plutoni-244 nguyên thủy có mặt trong tư nhiên do chúng có chu kỳ bán rã tương đối cao khoảng 80 triệu năm. Các hàm lượng vết của Pu-239 có nguồn gốc từ các kiểu sau: trong những trường hợp hiếm, U-238 trải qua phân hạch tự phát, và trong quá trình này, hạt nhân phát ra một hoặc hai neutron tự do cùng với động năng. Khi một trong các neutron này va chạm vào nguyên tử U-238 khác, nó bị thấp thụ tạo ra U-239. Với toh72i gian tồn tại khá ngắn, U-239 phân rã thành neptuni-239 (Np-239), và sau đó Np-239 phân rã thành Pu-239.
Vì đồng vị Pu-240 có thời gian tồn tại tương đối lâu có mặt trong chuỗi phân rã của plutoni-244, nó cũng có thể có mặt, mặc dù gấp 10.000 lần nhưng vẫn hiếm hơn. Cuối cùng, một lượng cực nhỏ plutoni-238 tham gia vào phân rã beta kép của urani-238 cực kì hiếm gặp, được tìm thấy trong các mẫu urnai tự nhiên.
Một lượng vết nhỏ plutoni thường được tìm thấy trong cơ thể con người từ các nguồn trong các vụ thử hạt nhân dưới nước và trong khí quyển và một lượng nhỏ từ các tai nạn hạt nhân lớn. Hầu hết các vụ thử hạt nhân dưới nước và trong khí quyển đã bị dừng theo Hiệp ước Cấm thử hạt nhân năm 1963, trong đó, các nước tham gia ký kết gồm Hoa Kỳ, Vương quốc Anh, Liên Xô, và các nước khác. Việc thử vũ khí hạt nhân trong khí quyển đã được tiếp tục ở các nước không tham gia vào Hiệp ước trên như Trung Quốc (thử bom hạt nhân trên sa mạc Gobi năm 1964, thử bom hydro năm 1967, và các thử nghiệm sau đó), và Pháp (thử trong thập niên 1980).
Plutoni-239 là đồng vị dồi dào nhất của plutoni có khả năng dùng để chế tạo vũ khí hạt nhân và trong lò phản ứng.
Cũng có giả thuyết cho rằng một lượng nhỏ plutoni được tạo ra từ việc bắn phát các quặng urani bởi tia vũ trụ.

Phát hiện

Enrico Fermi và nhóm nhà khoa học của Đại học Rome đã thông báo rằng họ phát hiện ra nguyên tố thứ 94 năm 1934. Fermi gọi nguyên tố này là hesperium và đã đề cập đến nó trong Nobel Lecture của ông năm 1938. Thực sự, mẫu đó là một hỗn hợp gồm bari, krypton, và các nguyên tố khác, nhưng điều đó đã chưa được biết đến vào thời điểm đó do sự phân hạch hạt nhân chưa được phát hiện.
Plutoni (đặc biệt là plutoni-238) đã được tạo ra đầu tiên vào ngày 14 tháng 12 năm 14, 1940, và được xác định tính chất hóa học vào ngày 23 tháng 2 năm 1941, bởi Dr. Glenn T. Seaborg, Edwin M. McMillan, J. W. Kennedy, and A. C. Wahl khi họ dùng hạt nhân deuteron bắn phá urani trong máy gia tốc 60 inch (150 cm) ở Đại học California, Berkeley. Trong thí nghiệm năm 1940, neptuni-238 đã được tạo ra một cách trực tiếp từ việc bắn phá nhưng bị phân rã phát ra tia beta 2 ngày sau đó, và tạo ra nguyên tố 94.
Một bài báo về việc phát hiện này đã được nhóm nghiên cứu gởi đến tạp chí Physical Review vào tháng 3 năm 1941. Bài báo đã được rút lại trước khi được đăng do họ phát hiện rằng một đồng vị của nguyên tố mới (plutoni-239) có thể trải qua sự phân hạch hạt nhân theo cách mà có thể dùng nó làm bom hạt nhân. Việc xuất bản đã được trì hoãn đến 1 năm sau khi kết thúc chiến tranh thế giới thứ 2 do vấn đề an ninh.
Edwin McMillan gần đây đã đặt tên cho nguyên tố siêu urani đầu tiên theo tên hành tinh Neptune và đã đề xuất rằng nguyên tố 94 tiếp theo trong dãi này cần đặt theo tên hành tinh tiếp theo là Pluto. Seaborg ban đầu dự định đặt tên nguyên tố này là "plutium", nhưng sau đó ông nghĩ rằng nó nghe không hay bằng "plutonium." Ông chọn ký hiệu "Pu" như cách nói đùa, mà không cần chú ý vào bảng tuần hoàn. Các tên thay thế cũng đã được Seaborg và những người khác xét đến như "ultimium" hay "extremium" do các niềm tin sai lâm rằng họ đã tìm thấy nguyên tố có thể cuối cùng trong bảng tuần hoàn.

Nghiên cứu thời kỳ đầu

Tính chất hóa học cơ bản của plutoni được phát hiện là giống với urani sau một vài tháng đầu nghiên cứu. Việc nghiên cứu nguyên tố này thời kỳ đầu tiên đã được tiến hành tạo phòng thí nghiệm Metallurgical bí mật thuộc Đại học Chicago. Vào ngày 18 tháng 8 năm 1942, một hàm lượng vết của nguyên tố này đã được cô lập và được đo đạc lần đầu tiên. Khoảng 50 microgram plutoni-239 cộng với urani và các sản phẩm phân hạch đã được tạo ra và chỉ có khoảng 1 microgram plutoni đã được cô lập. Công đoạn này cho phép các nhà hóa học có thể xác định khối lượng nguyên tử của nguyên tố mới.
Vào tháng 11 năm 1943, một lượng plutoni triflorua đã được khử để tạo ra mẫu plutoni kim loại đầu tiên: chỉ một vài microgram kim lại ở dạng hạt. Một lượng vừa đủ plutoni đã được tạo ra bằng phương pháp tổng hợp để có thể nhận thấy bằng mắt thường.
Các tính chất hạt nhân của plutoni-239 cũng đã được nghiên cứu sau đó; các nhà nghiên cứu phát hiện rằng khi một neutron va chạm vào nó, nó sẽ tách ra (phân hạch) bằng cách giải phóng các neutron và năng lượng. Các neutron mới này có thể tương tác với các nguyên tử plutoni-239 khác và quá trình cứ tiếp tục theo một phản ứng dây chuyền nhanh theo hàm mũ. Quá trình này có thể tạo ra một vụ nổ đủ lớn để phá hủy một thành phố nếu có đủ đồng vị được cô đọng để tạo thành một khối lượng tới hạn.

Sản xuất trong Dự án Manhattan

Trong suốt chiến tranh thế giới thứ 2, chính phủ Hoa Kỳ đã tiến hành một dự án chế tạo bom nguyên tử mang tên Dự án Manhattan (Manhattan Project). Ba vị trí sản xuất và nghiên cứu cơ bản của dự án là nhà máy sản xuất plutoni ở nơi mà ngày nay là Hanford Site, các cơ sở làm giàu urani ở Oak Ridge, Tennessee, và phòng thí nghiệm thiết kế và nghiên cứu vũ khí, ngày nay là Phòng thí nghiệm Los Alamos.
Lò phản ứng sản xuất đầu tiên tạo ra plutoni-239 là lò phản ứng than chì X-10. Nó đã được xây dựng năm 1943 ở cơ sở Oak Ridge mà sau đó trở thành Phòng thí nghiệm Oak Ridge.
Ngày 5 tháng 4 năm 1944, Emilio Segrè ở Los Alamos nhận được mẫu plutoni được tạo ra trong lò phản ứng ở Oak Ridge. Chỉ trong vòng vài chục ngày sau, ông phát hiện ra rằng plutoni từ lò phản ứng có nồng độ cao hơn đồng vị plutoni-240 được tạo ra từ máy gia tốc. Plutoni-240 có tốc độ phân hạch tự phát cao, làm tăng lượng neutron cơ bản của mẫu plutoni. Vũ khí plutoni loại súng được đặt tên theo mã là "Thin Man", phải bị hủy bỏ do số lượng các neutron sinh ra từ quá trình phân hạch tự phát tăng cao.
Toàn bộ thiết kế vũ khí plutoni ở Los Alamos đã được thay đổi nhanh chóng sau đó để tạo ra một mẫu có khả năng nổ phức tạp hơn mang tên "Fat Man". Là vũ khí nổ nên một chất rắn plutoni hình cầu đã được nén chặt với mật độ cao với các thấu kính nổ, nhưng cần thiết để dùng plutoni cho mục đích làm vũ khí.
Việc xây dựng lò phản ứng B ở Hanford, một lò phản ứng hạt nhân kích thước công nghiệp đầu tiên phục vụ việc sản xuất vật liệu, đã được hoàn thành vào tháng 3 năm 1945. Lò phản ứng B tạo ra vật liệu có khả năng phân hạch cho các vũ khí plutoni được sử dụng trong suốt chiến tranh thế giới thứ 2. B, D và F là những lò phản ứng đầu tiên được xây dựng ở Hanford, và sáu lò phản ứng sản xuất plutoni đã được xây thêm sau đó cũng tại vị trí này.
Năm 2004, một hòm an toàn được phát hiện trong khi khai quật một máng bị chôn vùi ở Hanford nuclear site. Bên trong nó có nhiều vật gồm chai thủy tinh lớn chứa xi măng màu trắng loại này sau đó được xác định là mẫu plutoni cấp vũ khí cổ nhất còn tồn tại. Phân tích đồng vị tại Phòng thí nghiệm Pacific Northwest cho thấy rằng plutoni trong chai đã được sản xuất trong lò X-10 tại Oak Ridge trong năm 1944.

Bom Trinity và Fat Man

Quả bom nguyên tử thử nghiệm đầu tiên có tên gọi là "Trinity", được tiến hành ngày 16 tháng 7 năm 1945 ở gần Alamogordo, New Mexico, sử dụng plutoni làm nguyên liệu phân hạch. Thiết kế nổ của "the Gadget" sử dụng các thấu kính nổ truyền thống để nén một hình cầu plutoni thành một khối siêu tới hạn, được bắn phá neutron một cách liên tục từ "Urchin", một nguồn neutron được làm từ poloni và berylli. Khi đi cùng nhau, chúng đảm bảo rằng một phản ứng chuỗi và vụ nổ xảy ra và vụ nổ xảy ra. Khối lượng của vũ khí nặng hơn 4 tấn, mặc dù người ta chỉ dùng 6,2 kg plutoni trong lõi. Khoảng 20% plutoni được dùng trong vũ khí Trinity đã trải qua quá trình phân hạch để tạo ra vụ nổ tương đương khoảng 20.000 tấn TNT.
Một thiết kế giống hệt được sử dụng trong quả bom "Fat Man" đã thả xuống Nagasaki, Nhật Bản, vào ngày 9 tháng 8 năm 1945, làm chết 70.000 người và làm bị thương 100,000. Quả bom "Little Boy" thả xuống Hiroshima 3 ngày trước đó đã sử dụng urani-235 chứ không phải plutoni.

Sử dụng trong chiến tranh Lạnh và trở thành chất thải

Các kho dự trữ plutoni cấp vũ khí lớn được cả Liên Xô và Hoa Kỳ xây dựng trong thời kỳ chiến tranh Lạnh. Các lò phản ứng hạt nhân của Hoa Kỳ ở Hanford và Savannah River Site miền nam Carolina đã sản xuất ra 103 tấn, và ước tính có 170 tấn đã được sản xuất ở Nga. Mỗi năm có khoảng 20 tấn nguyên tố này được sản xuất đều đều ở dạng sản phẩm phụ của ngành công nghiệp điện hạt nhân. Có khoảng 1000 tấn plutoni có thể được dự trữ với hơn 200 tấn được lấy ra từ các vũ khí hạt nhân.SIPRI đã ước tính rằng plutoni thế giới năm 2007 vào khoảng 500 tấn, phân đều trong các ứng dụng dân dụng và vũ khí.
Khi chiến tranh Lạnh kết thúc, các kho vũ khí này trở thành tâm điểm của sự phổ biến hạt nhân. Ở Hoa Kỳ, một số plutoni được lấy ra từ các vũ khí hạt nhân đã được tháo gỡ và được làm nóng chảy để tạo thành những khúc thủy tinh plutoni ôxit nặng 2 tấn. Thủy tinh này được làm thành borosilicate được trộn với cadmi và gadolini. Các khúc này được bao bọc trong thép không gỉ và được trữ các nhiều càng tốt ở độ sâu 4 km dưới lòng đất trong các lỗ khoan và sẽ được lấp bằng bê tông. Cho đến năm 2008, chỉ có cơ sở ở Hoa Kỳ đã lên kế hoạch lưu trữ plutoni theo cách này tại khu chứa chất thải hạt nhân núi Yucca, nằm cách Las Vegas, Nevada khoảng 100 dặm (160 km) về phía đông bắc.