Plutonij je kemijski element koji u periodnom sustavu elemenata nosi simbol Pu, atomski (redni) broj mu je 94, a atomska masa mu iznosi 244. Plutonij je srebrno-bijeli metal, koji potamni u dodiru sa zrakom, stvarajući tanki sloj oksida. Taj kemijski element ima šest alotropskih modifikacija i četiri oksidacijska stanja. Reagira s ugljikom, halogenim elementima, dušikom i silicijem. Kada je izložen vlažnom zraku, stvara okside i hidride, koji povećavaju obujam uzorka i do 70%. Plutonij se taloži u tijelu u koštanoj srži i ostalim organima, gdje je vrlo opasan zbog emitiranja alfa-čestica.

Ime je dobio po patuljastom planetu Plutonu. Umjetni izotop plutonij-239 mora se spremati u odvojenim komadima manjim od 300 g jer bi inače moglo doći do spontane fisije, uz oslobađanje opasnih količina zračenja i topline. Plutonij se koristi i kao nuklearno gorivo za nuklearne elektrane te ima visoku radioaktivnost. Plutonij se može koristiti i kao nuklearni eksploziv; 1 kilogram plutonija stvara eksploziju ekvivalentnu 20 000 tona TNT-a. Plutonij se koristio u Apollo letovima kao izvor energije za seizmičke naprave i drugu opremu koja je ostavljena na Mjesecu. Komad plutonija je topao na dodir zbog energije oslobođene alfa-raspadom.

Najvažniji izotop je plutonij-239 koji ima dugo vrijeme poluraspada od 24 110 godina i veliku primjenu za izradu nuklearnih bojnih glava, ali i za industrijsku, mirnodopsku upotrebu atomske energije u nuklearnim elektranama. Samo jedan kilogram plutonija potpunom pretvorbom daje oko 22000 MW energije. Plutonij nastaje kao proizvod raspada uranija u brzim oplodnim reaktorima, u kojima se koristi neobogaćeni uranij-238. Radom reaktora neprekidno se stvara energetski visokoefikasan plutonij, koji pojačava i održava neprekinuti tijek kontrolirane nuklearne lančane reakcije. ^[2]

Plutonij-238 se koristi u minijaturnim nuklearnim reaktorima za napajanje svemirskih letjelica. Plutonij-240 ima visok stupanj spontane nuklearne fisije, povečavajući protok neutrona. Prisustvo plutonija-240 smanjuje učinak nuklearnog oružja i nuklearnog goriva, pa zato njegovog postotak određuje čistoću nekog nuklearnog goriva. Male se količine plutonija nalaze u tragovima u uranijevim smolincu i karnotitu. Veće količine (oko 20 tona godišnje) proizvode se u brzim oplodnim reaktorima, reakcijama u kojima spori (termalni) neutroni bombardiraju jezgre uranija-238 i uzrokuju njihov raspad.

Prvi puta su ga proizveli u Berkeleyju 1940. Glenn Seaborg, E.M. McMillan, J.W. Kennedy i A.C. Wahl, bombardiranjem mete uranija deuterijem ubrzanim u ciklotronu. Proizvodnja plutonija je bio jedan od glavnih zadataka projekta Manhattan, za vrijeme Drugog svjetskog rata, što je poslužilo da druga atomska bomba, koja je pala na Nagasaki ("Debeljko"), ima jezgru od plutonija-239.

Svojstva plutonija

Fizikalna svojstva

Plutonij je težak, srebrno-bijeli metal, sličnog izgleda kao nikal, ali brzo potamni u dodiru sa zrakom, stvarajući tanki sivkasti sloj oksida. Na sobnoj temperaturi ima oblik α-plutonij, što je i njegova najčešća faza. Ona je po tvrdoći i krtosti slična sivom lijevu, a samo s legirnim dodacima postaje mekša i žilavija. Za razliku od drugih metala, plutonij nije dobar provodnik topline i električne struje. Ima nisko talište (640 °C), ali zato ima izuzetno visoko vrelište (3327 °C).

Komad plutonija je topao na dodir zbog energije oslobođene alfa-raspadom. Pet kilograma plutonija-239 sadrži oko 12,5 × 10²⁴ atoma. Ima vrijeme poluraspada 24 100 godina, što znači da se svake sekunde raspadne 11,5 × 10¹² atoma plutonija-239, oslobađajuci alfa-čestice s energijom 5,157 MeV, što je količina snage od 9,68 W.

Električni otpor plutonija na sobnim temperaturama je vrlo visok, što je neobično za metale. On se čak povećava na nižim temperaturama, sve do 100 K, gdje se naglo smanjuje, sve do 20 K gdje opet raste. Za razliku od drugih metala, plutoniju se povećava gustoća nakon što se otopi, i to za oko 2,5%. Blizu tališta on ima isto vrlo visoku viskoznost i površinsku napetost s obzirom na druge metale. ^{[3] [4]}

Alotropija

Plutonij ima 6 alotropskih modifikacija kod standardnog tlaka i sedmu (zeta, ζ) na višim temperaturama i samo u uskom području. Te alotropske modifikacije koje imaju različitu strukturu, imaju vrlo sličnu unutarnju energiju, ali se gustoća znatno mijenja i kristalna rešetka. Zato je plutonij vrlo osjetljiv na promjene temperature, tlaka i na različite kemijske reakcije, kada mu se obujam može znatno promijeniti. Gustoća se na primjer mijenja od 16,00 g/cm³ do 19.86 g/cm³. ^[5]

Na sobnoj temperaturi ima oblik α-plutonij, što je i njegova najčešća faza. δ -plutonij postoji na temperaturama od 310 °C do 452 °C, ali može biti i na sobnim temperaturama, ako se plutoniju doda malo galija, aluminija ili cerija, što mu omogućuje i da bude zavaren. δ -plutonij ima više metalni karakter, što ga čini po svojstvima sličnim aluminiju. Kod nuklearnih bombi, eksplozivni udarni val sabija atomsku jezgru plutonija, što mijenja δ –plutonij u α-plutonij, pomažući da lakše dostigne superkritičnost.

Nuklearna fisija

Do nuklearne eksplozije dolazi kada se stvori tzv. kritična masa, tj. kada broj nastalih neutrona postane veći od broja apsorbiranih i izazove nuklearnu lančanu reakciju. Najvažniji je izotop plutonij-239, koji nastaje u nuklearnom reaktoru djelovanjem neutrona na uranij-238; njegovo vrijeme poluraspada iznosi 24 360 godina. Plutonij tvori slične spojeve kao i uranij. Upotrebljava se kao nuklearno gorivo i kao eksploziv u atomskim bombama. ^{[6] [7]}

Plutonij-240 ima visok stupanj spontane nuklearne fisije, povečavajući protok neutrona. Prisustvo plutonija-240 smanjuje učinak nuklearnog oružja i nuklearnog goriva, pa zato njegovog postotak određuje čistoću nekog nuklearnog goriva. Plutonij za nuklearno oružje mora imati manje od 7% plutonija-240. Plutonij za nuklearne reaktore ima plutonija-240 od 7% do 19%. Plutonij s čistoćom manjom od 4% plutonija-240 koristi ratna mornarica SAD-a za nuklearno oružje. Plutonij-238 ne spada u nuklearno gorivo, ali može stvoriti nuklearnu lančanu reakciju s brzim neutronima, stvarajuci alfa-čestice.

Izotopi

Poznato je dvadeset radioaktivnih izotopa plutonija s masenim brojevima od 228 do 247, među kojima je najstabilniji izotop plutonij-244 s vremenom poluraspada od 80,8 milijuna godina i plutonij-239 s vremenom poluraspada od 24 110 godina. Svi ostali izotopi plutonija imaju vrijeme poluraspada manje od 7000 godina. Zapaženo je da se izotopi plutonij-236, Pu-237, Pu-238, Pu-239, Pu-240, Pu-242 i Pu-244 raspadaju spontanom nuklearnom fisijom i emitiraju alfa-čestice, stvarajući izotope uranija i neptunija. Izotopi plutonija koji imaju atomsku masu veću od 244 uglavnom stvaraju beta-čestice, stvarajući americij. Plutonij-241 je polazni izotop u neptunijevom nizu radioaktivnog raspada. ^[8]

Plutonij-238 i Pu-239 su najviše umjetno korišteni izotopi. Pu-239 se dobiva umjetnim putem iz uranija-238 i bombardiranjem sporim neutronima, a nastaju beta-čestice i neptunij kao međuizotop.

${\displaystyle \mathrm {^{238}_{\ 92}U\ +\ _{0}^{1}n\ \longrightarrow \ _{\ 92}^{239}U\ {\xrightarrow[{23,5\ minuta}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 93}^{239}Np\ {\xrightarrow[{2,3565\ dana}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 94}^{239}Pu} }$

Neutroni koji nastaju nuklearnom fisijom uranija-235 budu uhvaćeni od jezgre atoma uranija-238, stvarajući tako uranij-239 i beta raspadom pretvara neutron u proton stvarajući neptunij-239 (vrijeme poluraspada 2,36 dana), pa nakon slijedećeg beta raspada nastaje plutonij-239.

Plutonij-238 nastaje bombardiranjem uranija-238 s deuterijem (D – jezgra teškog vodika):

${\displaystyle \mathrm {^{238}_{\ 92}U\ +\ _{1}^{2}D\ \longrightarrow \ _{\ 93}^{238}Np\ +\ 2\ _{0}^{1}n\quad ;\quad _{\ 93}^{238}Np\ {\xrightarrow[{2,117\ dana}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 94}^{238}Pu} }$

U tom postupku, deuterij bombardira uranij-238, stvarajući dva neutrona i neptunij-238, koji spontanom nuklearnom fisijom se raspada na plutonij-238, stvarajući beta-čestice.

Toplina nuklearne fisije

Kod nuklearne fisije plutonijevih izotopa nastaje toplina nuklearne fisije. Različiti izotopi stvaraju drukčiju količinu topline po masi, a obično se izražava s W/kg ili mW/g. Svi izotopi stvaraju i slabo gama zračenje.

Americij-241 nastaje nuklearnom fisijom plutonija-241, a ima vrijeme poluraspada 430 godina i 1,2 samoodržavajućih fisija po gramu i u sekundi, te toplinu nuklearne fisije 114 W/kg. Taj izotop stvara vrlo prodorne gama zrake, tako da dodatno ugrožava osoblje i strukturu.

Kemijski spojevi

Plutonij u vodenoj otopini može imati oksidacijske brojeve +3, +4, +5 i +6, a spojevi u kojima je +3 i +4 su najstabilniji. Elektrolitičkom oksidacijom može se dobiti i nestabilno stanje +7. U kiselim otopinama mogu postojati razni plutonijevi ioni: ljubičasto-plavi PU³⁺, žuto-smeđi do zeleni Pu⁴⁺, ružičasti do narančasti PuO⁺ i PUO₂⁺. Pri određenoj pH vrijednosti otopine hidroliziraju; tako npr. ioni Pu³⁺ hidroliziraju pri pH=7, a ioni PUO+² pri pH=9.

Metalni plutonij proizvodi se reakcijom PuF₃, bilo sa litijem, kalcijem ili barijem pri 1200 °C. Podložan je djelovanju pare, kisika i kiselina, ali ne i lužina. Elementarni plutonij čuva se u vakuumu ili u inertnoj atmosferi da se spriječe kemijske reakcije s zrakom. ^[10]

Važniji spojevi plutonija:

• Plutonijevi(III)-halogenidi (PuF₃, PuCl₃, PuBr₃, PuI₃) i plutonijevi(IV)-halogenidi (PuF₄, PuCl₄) dobivaju se hidrohalogenacijom plutonijevog(IV)-oksida ili plutonijevog(III)-oksalata pri temperaturi od 700°C, jedino se PuI₃ dobiva reakcijom metalnog plutonija s jodovodikom pri 40°C.
• Plutonijev(II)-oksid (PuO) nastaje oksidacijom na površini metala izloženoj djelovanju atmosfere, a može se dobiti i izlaganjem plutonijevog oksiklorida parama barija pri temperaturi od 1250°C.
• Plutonijev(IV)-oksid (PUO₂) ima žuto-zelene do smeđe kristale. Gotovo svi spojevi plutonija prelaze u PUO₂ izgaranjem u zraku pri 1000°C.

Legure

Plutonij može stvarati legure s većinom drugihmetala. Jedina iznimka su litij, natrij, kalij, rubidij, cezij (alkalijski metali), magnezij, kalcij, stroncij, barij (zemnoalkalijski metali), europij i iterbij (kovine rijetkih zemalja). Krom, molibden, niobij, tantal i volfram su topivi u tekućem plutoniju, ali su netopivi u krutom plutoniju. Galij, aluminij, americij, skandij i cerij mogu stabilizirati δ-plutonij na sobnoj temperaturi. Silicij, indij, cink i cirkonij omogućuju stvaranje metastabilnog δ-plutonija, ako se legura brzo hladi. Velike količine hafnija, holmija i talija isto omogućuju zadržavanje dijela δ-plutonija na sobnoj temperaturi. Neptunij je jedini kemijski element koji može stabilizirati α-plutonij na višim temperaturama. ^[11]

Legure plutonija se mogu dobiti dodavanjem metala u otopljeni plutonij. Ako je otopljeni metal dovoljno reduktivan, plutonij se može dodati u obliku oksida ili halida. δ faza legura plutonij-galij i plutonij-aluminij se dobiva dodavanjem plutonij(III) fluorida u otopljeni galij ili aluminij, što ima za prednost izbjegavanje direktnog rada s visoko reaktivnim metalom plutonija. Neke od legura plutonija su:

• Legura plutonij-galij se koristi za stabiliziranje δ-plutonija, da bi se izbjegli problemi s α-plutonijem. Koristi se za nuklearno oružje s implozijom.
• Legura plutonij-aluminij može biti zamjena za leguru plutonij-galij. Problem je što ta legura kod nuklearnog oružja reagira s alfa-česticama. Legura plutonij-aluminij se može koristiti i kao dio nuklearnog goriva.
• Legura plutonij-galij-kobalt (PuCoGa₅) je neuobičajeni supravodič, koji pokazuje svojstvo supravodljivosti ispod 18,5 K.
• Legura plutonij-cirkonij se može koristiti kao nuklearno gorivo
• Legura plutonij-cerij i legura plutonij-cerij-kobalt se može koristiti kao nuklearno gorivo
• Legura plutonij-uranij s oko 15-30% plutonija (molarno) se može koristiti kao nuklearno gorivo za brzi oplodni reaktor. Ta legura spada u piroforne metale i visoko je osjetljiva na koroziju zraka, tako da treba dodavati i druge metale u leguru. Dodavanjem aluminija, ugljika ili bakra se ne smanjuje osjetljivost legure značajno, dok cirkonij i željezo imaju bolja antikorozivna svojstva, ali slabi nakon nekoliko mjeseci.
• Dodavanjem titanija i/ili cirkonija se znatno smanjuje talište.
• Legure plutonij-uranij-titanij i legura plutonij-uranij-cirkonij ispitivali su se za korištenje kao nuklearno gorivo. Dodavanje trećeg elementa u leguru povećava otpornost na koroziju, smanjuje zapaljivost, povećava čvrstoću, rastezljivost i toplinsko istezanje. Legura plutonij-uranij-molibden ima najbolju otpornost na koroziju, stvarajući zaštitni oksidni film na površini, ali su titanij i cirkonij poželjniji iz fizikalnih razloga.
• Legura torij-uranij-plutonij se bila ispitivala kao gorivo za brzi oplodni reaktor.

Nalazišta

Tragovi dva izotopa plutonija (Pu-239 i Pu-244) mogu se naći u prirodi. Tragovi Pu-239 mogu se pronaći u nekim rudama uranija, kao što je u rudniku Oklo na zapadu Afrike, u državi Gabon. U većim količinama plutonij nastaje kao proizvod raspada uranija u brzim oplodnim reaktorima, u kojima se koristi neobogaćeni uranij-238. Radom reaktora neprekidno se stvara energetski visokoefikasan plutonij, koji pojačava i održava neprekinuti tijek kontrolirane lančane reakcije. ^[12]

Male beznačajne količine plutonija se mogu pronaći i u ljudskom tijelu, najviše zbog utjecaja nuklearnih testova i manje zbog nuklearnih nesreća.

Povijest

Otkriće

Plutonij-238 su prvi proizveli u Berkeleyju 1940. Glenn Seaborg, E.M. McMillan, J.W. Kennedy i A.C. Wahl, bombardiranjem atoma uranija deuterijem ubrzanim u ciklotronu. Iz plutonija-238 nakon dva dana je nuklearnom fisijom nastao neptunij-238, što je bio i dokaz postojanja plutonija. Otkriće nije odmah objavljeno, kada se saznalo da plutonij može ostvariti nuklearnu fisiju, korisnu za stvaranje atomske bombe. Otkriće je objavljeno nakon Drugog svjetskog rata. 1942. je izdvojen i plutonij-239. 1943. je iz plutonijevog trifluorida dobiven prvi uzorak metala plutonija. ref> "The plutonium story" Glenn T. Seaborg, publisher=Lawrence Berkeley Laboratory, University of California, [14]</ref>

Projekt Manhattan

Projekt Manhattan bio je tajni projekt američke vlade tijekom Drugog svjetskog rata s ciljem izrade atomske bombe. Projekt je započet 1941. godine nakon što se strahovalo da bi ju i tadašnja nacistička Njemačka mogla izraditi. U američkom gradiću Los Alamos okupljeni su ponajbolji fizičari i inženjeri i pod vodstvom američkog fizičara Roberta Oppenheimera izradili su i uspješno testirali prvu atomsku bombu 16. srpnja 1945. godine. To je bio jedan od najvećih tajnih projekata uopće, ali unatoč tome ostao je tajan sve dok nije bombardirana Hirošima. Odnio je 400 000 japanskih života i ostavio trajne posljedice radijacije. Prva atomska bomba testirana je pod tajnim imenom Trojstvo (engl. Trinity). Izrađene su 3 atomske bombe: Trojstvo, Debeljko i Dječak.

Prva atomska bomba Trojstvo je testirana 16. srpnja 1945., blizu mjesta Alamogordo (Novi Meksiko), koristeći plutonij kao nuklearno gorivo. Cijela atomska bomba je bila teška 4 tone, iako je u jezgri bilo samo 6,2 kg plutonija. Energija koju je oslobodila atomska bomba Trojstvo je bila jednaka kao energija eksplozije 20 000 tona TNT.

Jednaku konstrukciju je imala atomska bomba Debeljko (engl. Fat Man), koja je bačena na Nagasaki 9. kolovoza 1945., ubivši 70 000 ljudi i ranivši oko 100 000 ljudi. Treća atomska bomba Dječak (engl. Little Boy) je bila drukčije konstrukcije, gorivo je bio uranij-235, a bačena je na Hirošimu tri dana prije.

Hladni rat

Ogromne količine plutonija su proizvedene u Sovjetskom Savezu i SAD. Samo nuklearni reaktor Hanford je proizveo 103 tone, dok je Sovjetski Savez proizveo oko 170 tona. Danas se proizvede svake godine oko 20 tona za potrebe nuklearnih elektrana. Danas se smatra da ima oko 500 tona plutonija na zalihama, i to pola za nuklearno oružje i pola za nuklearne elektrane. ^[13]

Medicinski pokusi

Za vrijeme i nakon Drugog svjetskog rata, znanstvenici s projekta Manhattan i ostali, su proučavali utjecaj plutonija na životinje i ljude. Proučavanje na životinjama je pokazalo da je samo nekoliko miligrama plutonija smrtonosna doza. Pokusi su vršeni i na ljudima (18 pokusa) i pokazalo se da je plutonij, koji se nataloži u kostima opasniji od radija. ^[14]

Primjena

Nuklearno oružje

Plutonij-239 je glavni sastojak nuklearnog oružja, zbog mogućnosti stvaranja nuklearne fisije i dostupnosti. Kritična masa za atomsku bombu je oko 10 kg, a to je oko trećine potrebne kritične mase za uranij-235.

Nuklearno gorivo

Zbog promjene kristalne strukture na dosta niskim temperaturama metalni plutonij ne upotrebljava se kao nuklearno gorivo, već njegove legure ili oksidi. Obično se upotrebljava sinterirana smjesa uranijeva i plutonijeva dioksida. Posebnu teškoću predstavlja opasnost da se tijekom izrade gorivih elemenata ne stvori kritična masa već s malom količinom plutonija. Zbog emisije jakog alfa-zračenja, u plutoniju se stalno stvara toplinska energija.

Nuklearne baterije

Nuklearne baterije su baterije u kojim se zbiva cijepanje jezgre elementa uranija-235 ili plutonija-239. U nuklearnoj je bateriji nuklearna lančana reakcija cijepanja kontrolirana, tj. može se usporiti ili ubrzati. Uređaji za pretvorbu prirodnog radioaktivnog raspadanja direktno u električnu energiju nisu ništa novo. Tehnologija stvaranja nuklearne baterije započela je još 1913., kada je Henry Moseley prvi puta demonstrirao tzv. Beta ćeliju. Bilo je to u vrijeme kada je sve više rasla potražnja za dugoročnim spremištima energije, posebice u svrhe svemirskih istraživanja 1950-tih i 1960-tih godina. Tijekom godina, razvili su se brojni tipovi i različiti principi rada nuklearnih baterija. Iako su većinom ti principi već odavno poznati, tek u novije vrijeme su se razvile tehnološke mogućnosti za izradu same baterije.

Opasnost od plutonija

Plutonij se uobičajeno nikad ne nalazi izvan laboratorija ili nuklearne industrije. Glavna opasnost of plutonija je radiotoksičnost. Sam po sebi, izvan tijela, nije previše opasan jer je glavnina zraka koje isijava alfa-zračenje koje zaustavlja tanki list papira, stoga je dovoljna predostrožnost prilikom rukovanja njegovim elementarnim oblikom korištenje inertne atmosfere i gumenih rukavica. Ulaskom u tijelo, mali dio koji se ne izbaci sustavom za izlučivanje akumulira se u koštanoj srži gdje intenzivnim alfa-zračenjem dovodi do radiolize vode u stanicama, te posljedične štete njihovom genetskom materijalu što u krajnjem slučaju dovodi do raka.

Elementarni plutonij je podložan neprekidnoj oksidaciji, tijekom koje povećava svoj obujam i do 70%, čime može razbiti spremnik u kojem se nalazi. U razdijeljenom stanju je samozapaljiv na zraku.

Nedovršeni članak Plutonij koji govori o kemijskom elementu treba dopuniti. Dopunite ga prema pravilima Wikipedije.