Was ist eine numerische Funktionsdefinition? Präsentation für eine Algebra-Lektion (Klasse 10) zum Thema: Numerische Funktionen. Definition und Zuordnungsmethoden. Motivation der kognitiven Aktivität der Schüler
Er ist wirklich wertvoll.
Hintergrund und Geschichte
Am Anfang waren Protonen – galaktischer Wasserstoff. Infolge seiner Komprimierung und anschließender Kernreaktionen Es entstanden die unglaublichsten „Barren“ aus Nukleonen. Unter diesen „Barren“ befanden sich offenbar solche mit 94 Protonen. Schätzungen der Theoretiker gehen davon aus, dass etwa 100 Nukleonenformationen, darunter 94 Protonen und 107 bis 206 Neutronen, so stabil sind, dass sie als Kerne der Isotope des Elements Nr. 94 betrachtet werden können.
Aber alle diese Isotope – hypothetische und reale – sind nicht so stabil, dass sie seit der Entstehung der Elemente des Sonnensystems bis heute überleben könnten. Die Halbwertszeit des langlebigsten Isotops des Elements Nr. 94 beträgt 75 Millionen Jahre. Das Alter der Galaxis wird in Milliarden Jahren gemessen. Folglich hatte das „ursprüngliche“ Plutonium bis heute keine Überlebenschance. Wenn es während der großen Synthese der Elemente des Universums entstanden ist, dann sind seine alten Atome längst „ausgestorben“, genau wie Dinosaurier und Mammuts ausgestorben sind.
Im 20. Jahrhundert neue Ära, AD, dieses Element wurde neu erstellt. Von den 100 möglichen Plutoniumisotopen wurden 25 synthetisiert. Die nuklearen Eigenschaften von 15 von ihnen wurden untersucht. Vier gefunden praktischer Nutzen. Und es wurde erst vor kurzem eröffnet. Im Dezember 1940 entdeckte eine Gruppe amerikanischer Radiochemiker um Glenn T. Seaborg bei der Bestrahlung von Uran mit schweren Wasserstoffkernen einen bisher unbekannten Alphateilchen-Emitter mit einer Halbwertszeit von 90 Jahren. Es stellte sich heraus, dass es sich bei diesem Emitter um das Isotop des Elements Nr. 94 mit der Massenzahl 238 handelte. Im selben Jahr, aber einige Monate zuvor, entdeckte E.M. McMillan und F. Abelson erhielten das erste Element, das schwerer als Uran ist – Element Nr. 93. Dieses Element wurde Neptunium genannt und das 94. wurde Plutonium genannt. Der Historiker wird sicherlich sagen, dass diese Namen aus der römischen Mythologie stammen, aber im Wesentlichen ist der Ursprung dieser Namen eher nicht mythologisch, sondern astronomisch.
Die Elemente Nr. 92 und 93 sind nach den entfernten Planeten des Sonnensystems benannt – Uranus und Neptun, aber auch Neptun in Sonnensystem– nicht der letzte, noch weiter liegt die Umlaufbahn von Pluto, einem Planeten, über den noch fast nichts bekannt ist... Wir sehen eine ähnliche Struktur auf der „linken Flanke“ des Periodensystems: Uran – Neptunium – Plutonium, aber die Menschheit weiß es viel mehr über Plutonium als über Pluto. Übrigens entdeckten Astronomen Pluto nur zehn Jahre vor der Synthese von Plutonium – fast im gleichen Zeitraum trennten die Entdeckungen des Planeten Uranus und des Elements Uran.
Rätsel für Kryptographen
Das erste Isotop des Elements Nr. 94, Plutonium-238, hat heutzutage praktische Anwendung gefunden. Aber in den frühen 40ern dachten sie noch nicht einmal darüber nach. Es ist nur möglich, Plutonium-238 in praktisch interessanten Mengen zu erhalten, wenn man sich auf die leistungsstarke Atomindustrie verlässt. Damals steckte es noch in den Kinderschuhen. Aber es war bereits klar, dass die in den Kernen enthaltene Energie freigesetzt worden war radioaktive Elemente, können Sie eine Waffe von beispielloser Kraft erhalten. Es erschien das Manhattan-Projekt, das außer einem gemeinsamen Namen nichts gemeinsam hatte berühmte Gegend New York. Dies war die allgemeine Bezeichnung für alle Arbeiten im Zusammenhang mit der Entwicklung der ersten Atombomben in den Vereinigten Staaten. Es war kein Wissenschaftler, sondern ein Militär, General Groves, der zum Leiter des Manhattan-Projekts ernannt wurde und seine hochgebildeten Schützlinge „liebevoll“ als „zerbrochene Töpfe“ bezeichnete.
Die Leiter des „Projekts“ waren nicht an Plutonium-238 interessiert. Seine Kerne, wie in der Tat die Kerne aller Isotope von Plutonium mit sogar Massenzahlen sind durch niederenergetische Neutronen* nicht spaltbar und könnten daher nicht als nuklearer Sprengstoff dienen. Dennoch erschienen die ersten nicht ganz klaren Berichte über die Elemente Nr. 93 und 94 erst im Frühjahr 1942 in gedruckter Form.
* Als niederenergetische Neutronen bezeichnen wir Neutronen, deren Energie 10 keV nicht überschreitet. Neutronen mit einer Energie in Bruchteilen eines Elektronvolts werden als thermisch bezeichnet, und die langsamsten Neutronen mit einer Energie von weniger als 0,005 eV werden als kalt bezeichnet. Beträgt die Neutronenenergie mehr als 100 keV, gilt ein solches Neutron als schnell.
Wie können wir das erklären? Die Physiker verstanden: Die Synthese von Plutoniumisotopen mit ungeraden Massenzahlen war eine Frage der Zeit, und zwar nicht allzu langer Zeit. Es wurde erwartet, dass seltsame Isotope wie Uran-235 eine nukleare Kettenreaktion unterstützen können. Einige Leute sahen in ihnen potenzielle Atomsprengstoffe, die noch nicht eingetroffen seien. Und Plutonium hat diese Hoffnungen leider gerechtfertigt.
In der damaligen Verschlüsselung wurde das Element Nr. 94 nichts anderes genannt als ... Kupfer. Und als der Bedarf an Kupfer selbst entstand (als Strukturmaterial für einige Teile), tauchte in den Codes neben „Kupfer“ auch „echtes Kupfer“ auf.
„Der Baum der Erkenntnis von Gut und Böse“
Im Jahr 1941 wurde das wichtigste Isotop von Plutonium entdeckt – ein Isotop mit der Massenzahl 239. Und fast sofort wurde die Vorhersage der Theoretiker bestätigt: Die Kerne von Plutonium-239 wurden durch thermische Neutronen gespalten. Darüber hinaus wurden bei ihrer Spaltung nicht weniger Neutronen erzeugt als bei der Spaltung von Uran-235. Sofort wurden Möglichkeiten zur Gewinnung dieses Isotops aufgezeigt große Mengen...
Jahre sind vergangen. Nun ist es für niemanden ein Geheimnis, dass die in den Arsenalen gelagerten Atombomben mit Plutonium-239 gefüllt sind und dass diese Bomben ausreichen, um allen Leben auf der Erde irreparablen Schaden zuzufügen.
Es besteht die weitverbreitete Überzeugung, dass die Menschheit es mit der Entdeckung der nuklearen Kettenreaktion (deren unvermeidliche Folge die Entwicklung einer Atombombe war) eindeutig eilig hatte. Man kann anders denken oder so tun, als würde man anders denken – es ist angenehmer, ein Optimist zu sein. Aber auch Optimisten stehen zwangsläufig vor der Frage nach der Verantwortung der Wissenschaftler. Wir erinnern uns an den triumphalen Junitag 1954, den Tag, an dem der erste Kernkraftwerk in Obninsk. Aber wir können den Augustmorgen des Jahres 1945 nicht vergessen – „der Morgen von Hiroshima“, „Albert Einsteins schwarzer Tag“ … Wir erinnern uns an den ersten Nachkriegsjahre und ungezügelte atomare Erpressung - die Grundlage der amerikanischen Politik jener Jahre. Aber hat die Menschheit in den folgenden Jahren nicht viele Probleme erlebt? Darüber hinaus wurden diese Ängste durch das Bewusstsein, dass es zu einem erneuten Ausbruch kommen würde, um ein Vielfaches verstärkt Weltkrieg, Atomwaffen werden abgefeuert.
Hier können Sie versuchen zu beweisen, dass die Entdeckung von Plutonium der Menschheit keine Angst einflößte, sondern im Gegenteil nur nützlich war.
Nehmen wir an, es ist passiert, dass Plutonium aus irgendeinem Grund oder, wie man früher sagte, durch den Willen Gottes für Wissenschaftler unzugänglich war. Wären dann unsere Ängste und Sorgen geringer? Nichts ist passiert. Atombomben würden aus Uran-235 hergestellt (und zwar in nicht geringerer Menge als aus Plutonium), und diese Bomben würden noch größere Teile des Budgets „verschlingen“ als bisher.
Doch ohne Plutonium gäbe es keine Aussicht auf eine friedliche Nutzung Kernenergie V im großen Maßstab. Für ein „friedliches Atom“ gäbe es einfach nicht genug Uran-235. Das Übel, das der Menschheit durch die Entdeckung der Kernenergie zugefügt wurde, würde durch die Errungenschaften des „guten Atoms“ nicht einmal teilweise ausgeglichen werden.
Wie man misst, womit man vergleicht
Wenn ein Plutonium-239-Kern durch Neutronen in zwei Fragmente mit etwa gleicher Masse gespalten wird, werden etwa 200 MeV Energie frei. Das ist 50 Millionen Mal mehr Energie, die im berühmtesten der Welt freigesetzt wird exotherme Reaktion C + O 2 = CO 2. Beim „Verbrennen“ in einem Kernreaktor ergibt ein Gramm Plutonium 2·10 7 kcal. Um nicht mit Traditionen zu brechen (und in populären Artikeln wird die Energie von Kernbrennstoffen normalerweise in nicht systemischen Einheiten gemessen – Tonnen Kohle, Benzin, Trinitrotoluol usw.), stellen wir außerdem fest: Dies ist die Energie, die in 4 Tonnen enthalten ist von Kohle. Und ein gewöhnlicher Fingerhut enthält eine Menge Plutonium, die energetisch vierzig Wagenladungen gutem Birkenbrennholz entspricht.
Die gleiche Energie wird bei der Spaltung von Uran-235-Kernen durch Neutronen freigesetzt. Aber der Großteil des natürlichen Urans (99,3 %!) ist das Isotop 238 U, das nur durch die Umwandlung von Uran in Plutonium genutzt werden kann ...
Energie der Steine
Lassen Sie uns bewerten energetische Ressourcen in natürlichen Uranreserven enthalten.
Uran ist ein Spurenelement und kommt fast überall vor. Wer zum Beispiel Karelien besucht hat, wird sich wahrscheinlich an Granitfelsen und Küstenklippen erinnern. Doch nur wenige wissen, dass eine Tonne Granit bis zu 25 g Uran enthält. Granite machen fast 20 % des Gewichts der Erdkruste aus. Wenn wir nur Uran-235 zählen, dann enthält eine Tonne Granit 3,5·10 5 kcal Energie. Es ist viel, aber...
Die Verarbeitung von Granit und die Gewinnung von Uran erfordern einen noch größeren Energieaufwand – etwa 10 6 ...10 7 kcal/t. Wenn nun nicht nur Uran-235, sondern auch Uran-238 als Energieträger genutzt werden könnte, dann käme Granit zumindest als potenzieller Energierohstoff in Frage. Dann würde die aus einer Tonne Stein gewonnene Energie bereits 8·10 7 bis 5·10 8 kcal betragen. Das entspricht 16...100 Tonnen Kohle. Und in diesem Fall könnte Granit den Menschen fast eine Million Mal mehr Energie liefern als alle chemischen Brennstoffreserven auf der Erde.
Aber Uran-238-Kerne werden nicht durch Neutronen gespalten. Dieses Isotop ist für die Kernenergie nutzlos. Genauer gesagt wäre es nutzlos, wenn es nicht in Plutonium-239 umgewandelt werden könnte. Und was besonders wichtig ist: Für diese nukleare Transformation muss praktisch keine Energie aufgewendet werden – im Gegenteil, es wird dabei Energie erzeugt!
Versuchen wir herauszufinden, wie das passiert, aber zunächst ein paar Worte zum natürlichen Plutonium.
400.000 Mal weniger als Radium
Es wurde bereits gesagt, dass Plutoniumisotope seit der Synthese von Elementen bei der Entstehung unseres Planeten nicht mehr erhalten geblieben sind. Dies bedeutet jedoch nicht, dass es auf der Erde kein Plutonium gibt.
Es entsteht immer in Uranerze. Neutronen einfangen kosmische Strahlung und Neutronen, die durch die spontane Spaltung von Uran-238-Kernen entstehen, verwandeln sich einige – sehr wenige – Atome dieses Isotops in Atome von Uran-239. Diese Kerne sind sehr instabil; sie geben Elektronen ab und erhöhen dadurch ihre Ladung. Es entsteht Neptunium, das erste Transuranelement. Neptunium-239 ist außerdem äußerst instabil und seine Kerne emittieren Elektronen. In nur 56 Stunden verwandelt sich die Hälfte des Neptunium-239 in Plutonium-239, dessen Halbwertszeit bereits recht lang ist – 24.000 Jahre.
Warum wird Plutonium nicht aus Uranerzen gewonnen? Niedrige, zu niedrige Konzentration. „Ein Gramm Produktion ist ein Jahr Arbeit“ – hier geht es um Radium, und die Erze enthalten 400.000 Mal weniger Plutonium als Radium. Daher ist es äußerst schwierig, „terrestrisches“ Plutonium nicht nur abzubauen, sondern sogar nachzuweisen. Dies geschah erst, nachdem die physikalischen und chemischen Eigenschaften des erhaltenen Plutoniums ermittelt worden waren Kernreaktoren.
Wenn 2,70 >> 2,23
Sammeln Sie Plutonium an Kernreaktoren. In starken Neutronenströmen läuft die gleiche Reaktion ab wie in Uranerzen, aber die Geschwindigkeit der Bildung und Anreicherung von Plutonium im Reaktor ist viel höher – eine Milliarde Mal. Für die Reaktion der Umwandlung von Ballasturan-238 in Plutonium-239 in Energiequalität werden optimale (innerhalb akzeptabler) Bedingungen geschaffen.
Wenn der Reaktor mit thermischen Neutronen betrieben wird (denken Sie daran, dass ihre Geschwindigkeit etwa 2000 m pro Sekunde beträgt und ihre Energie einen Bruchteil eines Elektronenvolts beträgt), wird aus einer natürlichen Mischung von Uranisotopen eine etwas geringere Plutoniummenge gewonnen die Menge an „ausgebranntem“ Uran-235. Ein wenig, aber weniger, plus die unvermeidlichen Verluste von Plutonium bei seiner chemischen Trennung vom bestrahlten Uran. Darüber hinaus wird die nukleare Kettenreaktion aufrechterhalten natürliche Mischung Uranisotope nur bis ein kleiner Bruchteil von Uran-235 verbraucht ist. Daher die logische Schlussfolgerung: Ein „thermischer“ Reaktor mit natürlichem Uran – dem Haupttyp der derzeit betriebenen Reaktoren – kann die erweiterte Reproduktion von Kernbrennstoffen nicht gewährleisten. Aber was ist dann erfolgsversprechend? Um diese Frage zu beantworten, vergleichen wir den Verlauf der nuklearen Kettenreaktion in Uran-235 und Plutonium-239 und führen ein weiteres physikalisches Konzept in unsere Diskussionen ein.
Das wichtigste Merkmal jedes Kernbrennstoffs ist die durchschnittliche Anzahl der emittierten Neutronen, nachdem der Kern ein Neutron eingefangen hat. Physiker nennen es die Eta-Zahl und bezeichnen griechischer Briefη. In „thermischen“ Reaktoren auf Uran ist folgendes Muster zu beobachten: Jedes Neutron erzeugt durchschnittlich 2,08 Neutronen (η = 2,08). Plutonium, das in einem solchen Reaktor unter dem Einfluss thermischer Neutronen platziert wird, ergibt η = 2,03. Es gibt aber auch Reaktoren, die mit schnellen Neutronen arbeiten. Es ist sinnlos, ein natürliches Gemisch von Uranisotopen in einen solchen Reaktor zu laden: Es findet keine Kettenreaktion statt. Wenn der „Rohstoff“ jedoch mit Uran-235 angereichert wird, kann er in einem „schnellen“ Reaktor entwickelt werden. In diesem Fall beträgt η bereits 2,23. Und wenn Plutonium schnellem Neutronenfeuer ausgesetzt wird, ergibt sich ein η von 2,70. Wir werden „ein zusätzliches halbes Neutron“ zur Verfügung haben. Und das ist überhaupt nicht wenig.
Mal sehen, wofür die resultierenden Neutronen aufgewendet werden. In jedem Reaktor wird ein Neutron benötigt, um eine nukleare Kettenreaktion aufrechtzuerhalten. 0,1 Neutronen werden von den Baumaterialien der Anlage absorbiert. Der „Überschuss“ wird zur Anreicherung von Plutonium-239 genutzt. In einem Fall beträgt der „Überschuss“ 1,13, im anderen Fall 1,60. Nach dem „Verbrennen“ eines Kilogramms Plutonium in einem „schnellen“ Reaktor wird enorme Energie freigesetzt und 1,6 kg Plutonium angesammelt. Und Uran in einem „schnellen“ Reaktor wird die gleiche Energie und 1,1 kg neuen Kernbrennstoff liefern. In beiden Fällen ist eine erweiterte Reproduktion erkennbar. Aber wir dürfen die Wirtschaft nicht vergessen.
Aus verschiedenen technischen Gründen dauert der Reproduktionszyklus von Plutonium mehrere Jahre. Sagen wir fünf Jahre. Das bedeutet, dass sich die Plutoniummenge pro Jahr bei η = 2,23 nur um 2 % erhöht, bei η = 2,7 um 12 %! Kernbrennstoff ist Kapital, und jedes Kapital sollte beispielsweise 5 % pro Jahr abwerfen. Im ersten Fall gibt es große Verluste und im zweiten Fall große Gewinne. Dieses primitive Beispiel veranschaulicht das „Gewicht“ jedes Zehntels der Zahl η in der Kernenergie.
Summe vieler Technologien
Wenn sich durch Kernreaktionen Uran ansammelt erforderliche Menge Um Plutonium herzustellen, muss es nicht nur vom Uran selbst, sondern auch von den Spaltfragmenten – sowohl Uran als auch Plutonium – getrennt werden, die in einer nuklearen Kettenreaktion verbrannt werden. Darüber hinaus enthält die Uran-Plutonium-Masse auch einen gewissen Anteil an Neptunium. Am schwierigsten zu trennen sind Plutonium von Neptunium und Seltenerdelemente (Lanthaniden). Plutonium als chemisches Element hatte in gewissem Maße Pech. Aus der Sicht eines Chemikers Hauptelement Atomkraft- nur einer von vierzehn Aktiniden. Wie die Elemente der Seltenen Erden sind alle Elemente der Aktiniumreihe in ihren chemischen Eigenschaften und ihrer äußeren Struktur einander sehr ähnlich elektronische Muscheln Atome aller Elemente von Actinium bis 103 sind gleich. Noch unangenehmer ist, dass die chemischen Eigenschaften der Aktiniden denen der Seltenerdelemente ähneln und sich unter den Spaltfragmenten von Uran und Plutonium mehr als genug Lanthaniden befinden. Aber dann kann das 94. Element in fünf lokalisiert werden Valenzzustände, und das „süßt die Pille“ – es hilft, das Plutonium sowohl vom Uran als auch von den Spaltfragmenten zu trennen.
Die Wertigkeit von Plutonium variiert zwischen drei und sieben. Chemisch gesehen ist vierwertiges Plutonium die stabilste (und daher am häufigsten vorkommende und am besten untersuchte) Verbindung.
Die Trennung von Aktiniden mit ähnlichen chemischen Eigenschaften – Uran, Neptunium und Plutonium – kann auf den unterschiedlichen Eigenschaften ihrer vier- und sechswertigen Verbindungen basieren.
Es ist nicht erforderlich, alle Stufen der chemischen Trennung von Plutonium und Uran im Detail zu beschreiben. Normalerweise beginnt ihre Trennung mit der Auflösung von Uranbarren in Salpetersäure, wonach die in der Lösung enthaltenen Uran-, Neptunium-, Plutonium- und Fragmentierungselemente „getrennt“ werden, wobei zu diesem Zweck traditionelle radiochemische Methoden verwendet werden – Copräzipitation mit Trägern, Extraktion, Ionenaustausch und andere. Die plutoniumhaltigen Endprodukte dieser mehrstufigen Technologie sind das Dioxid PuO 2 oder die Fluoride PuF 3 oder PuF 4. Sie werden mit Barium-, Calcium- oder Lithiumdampf zu Metall reduziert. Das bei diesen Verfahren gewonnene Plutonium eignet sich jedoch nicht für die Rolle eines Strukturmaterials – daraus können keine Brennelemente von Kernreaktoren, also keine Ladung, hergestellt werden Atombombe Lass dich nicht auslaugen. Warum? Der Schmelzpunkt von Plutonium ist mit nur 640 °C durchaus erreichbar.
Unabhängig davon, unter welchen „ultraschonenden“ Bedingungen Teile aus reinem Plutonium gegossen werden, entstehen beim Erstarren immer Risse in den Gussstücken. Bei 640 °C bildet das erstarrende Plutonium ein kubisches Kristallgitter. Mit sinkender Temperatur nimmt die Dichte des Metalls allmählich zu. Doch dann erreichte die Temperatur 480 °C, und plötzlich sank die Dichte des Plutoniums stark ab. Die Gründe für diese Anomalie wurden recht schnell entdeckt: Bei dieser Temperatur werden Plutoniumatome im Kristallgitter neu angeordnet. Es wird tetragonal und sehr „locker“. Solches Plutonium kann in seiner eigenen Schmelze schwimmen, wie Eis auf Wasser.
Die Temperatur sinkt weiter, mittlerweile sind es 451°C, und die Atome bildeten wieder ein kubisches Gitter, allerdings in größerem Abstand voneinander als im ersten Fall. Bei weiterer Abkühlung wird das Gitter zunächst orthorhombisch, dann monoklin. Insgesamt bildet Plutonium sechs verschiedene Kristallformen! Zwei von ihnen zeichnen sich durch eine bemerkenswerte Eigenschaft aus – einen negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten: Mit steigender Temperatur dehnt sich das Metall nicht aus, sondern zieht sich zusammen.
Wenn die Temperatur 122 °C erreicht und die Plutoniumatome zum sechsten Mal ihre Reihen neu anordnen, ändert sich die Dichte besonders dramatisch – von 17,77 auf 19,82 g/cm 3 . Mehr als 10%! Dementsprechend nimmt das Volumen des Barrens ab. Konnte das Metall den Belastungen, die an anderen Übergängen entstanden sind, noch standhalten, dann ist in diesem Moment die Zerstörung vorprogrammiert.
Wie kann man dann Teile aus diesem erstaunlichen Metall herstellen? Metallurgen legieren Plutonium (fügen Sie kleine Mengen hinzu). notwendige Elemente) und erhalten Sie Gussteile ohne einen einzigen Riss. Sie werden zur Herstellung von Plutoniumladungen für Atombomben verwendet. Das Gewicht der Ladung (es wird hauptsächlich durch die kritische Masse des Isotops bestimmt) beträgt 5...6 kg. Es passt problemlos in einen Würfel mit einer Kantengröße von 10 cm.
Schwere Isotope
Plutonium-239 enthält in geringen Mengen auch höhere Isotope dieses Elements – mit den Massenzahlen 240 und 241. Das 240-Pu-Isotop ist praktisch nutzlos – es ist Ballast im Plutonium. Aus 241 wird Americium gewonnen – Element Nr. 95. In ihrer reinen Form, ohne Beimischung anderer Isotope, können Dlutonium-240 und Plutonium-241 durch elektromagnetische Trennung von in einem Reaktor angesammeltem Plutonium gewonnen werden. Zuvor wird Plutonium zusätzlich streng mit Neutronenflüssen bestrahlt bestimmte Eigenschaften. Das alles ist natürlich sehr kompliziert, zumal Plutonium nicht nur radioaktiv, sondern auch sehr giftig ist. Der Umgang damit erfordert äußerste Vorsicht.
Eines der interessantesten Isotope von Plutonium, 242 Pu, kann durch lange Bestrahlung von 239 Pu in Neutronenflüssen gewonnen werden. 242 Pu fängt sehr selten Neutronen ein und „verbrennt“ daher im Reaktor langsamer als andere Isotope; es bleibt auch dann bestehen, wenn sich die verbleibenden Plutoniumisotope fast vollständig in Fragmente oder in Plutonium-242 verwandelt haben.
Plutonium-242 ist als „Rohstoff“ für die relativ schnelle Anreicherung höherer Transurane in Kernreaktoren wichtig. Wenn Plutonium-239 in einem herkömmlichen Reaktor bestrahlt wird, dauert es etwa 20 Jahre, bis sich aus Gramm Plutonium Mikrogrammmengen von beispielsweise California-251 bilden.
Es ist möglich, die Akkumulationszeit höherer Isotope zu verkürzen, indem die Intensität des Neutronenflusses im Reaktor erhöht wird. Das ist es, was sie tun, aber dann kann man nicht bestrahlen große Menge Plutonium-239. Schließlich wird dieses Isotop durch Neutronen geteilt, und zwar in starke Strömungen Es wird zu viel Energie freigesetzt. Zusätzliche Schwierigkeiten ergeben sich bei der Kühlung von Behälter und Reaktor. Um diese Schwierigkeiten zu vermeiden, müsste die Menge des bestrahlten Plutoniums reduziert werden. Infolgedessen würde der Ertrag an Kalifornien wieder dürftig werden. Teufelskreis!
Plutonium-242 ist durch thermische Neutronen nicht spaltbar, es kann in großen Mengen in intensiven Neutronenflüssen bestrahlt werden... Daher werden in Reaktoren alle Elemente von Kalifornien bis Einsteinium aus diesem Isotop „hergestellt“ und in Gewichtsmengen angesammelt.
Nicht das schwerste, aber das langlebigste
Jedes Mal, wenn es Wissenschaftlern gelang, ein neues Plutoniumisotop zu gewinnen, wurde die Halbwertszeit seiner Kerne gemessen. Die Halbwertszeiten von Isotopen schwerer radioaktiver Kerne mit gerader Massenzahl ändern sich regelmäßig. (Dies gilt nicht für ungerade Isotope.)
Reis. 8.
Schauen Sie sich die Grafik an, die die Abhängigkeit der Halbwertszeit gerader Plutoniumisotope von der Massenzahl zeigt. Mit zunehmender Masse erhöht sich auch die „Lebensdauer“ des Isotops. Der Höhepunkt dieser Grafik war vor einigen Jahren Plutonium-242. Und wie wird diese Kurve dann verlaufen – bei einer weiteren Erhöhung der Massenzahl? genau 1 , was auf den Punkt gebracht einer Lebensdauer von 30 Millionen Jahren entspricht 2 , die seit 300 Millionen Jahren antwortet? Die Antwort auf diese Frage war für die Geowissenschaften sehr wichtig. Im ersten Fall, wenn die Erde vor 5 Milliarden Jahren vollständig aus 244 Pu bestünde, wäre heute nur noch ein Atom Plutonium-244 in der gesamten Erdmasse übrig. Wenn die zweite Annahme zutrifft, könnte sich Plutonium-244 in der Erde in Konzentrationen befinden, die bereits nachgewiesen werden konnten. Wenn wir das Glück hätten, dieses Isotop auf der Erde zu finden, würde die Wissenschaft die wertvollsten Informationen über die Prozesse erhalten, die während der Entstehung unseres Planeten abliefen.
Vor einigen Jahren standen Wissenschaftler vor der Frage: Lohnt es sich, schweres Plutonium auf der Erde zu finden? Um diese Frage zu beantworten, musste zunächst die Halbwertszeit von Plutonium-244 bestimmt werden. Theoretiker konnten diesen Wert nicht mit der erforderlichen Genauigkeit berechnen. Alle Hoffnung galt nur dem Experiment.
Plutonium-244 sammelte sich in einem Kernreaktor. Element Nr. 95, Americium (Isotop 243 Am), wurde bestrahlt. Nachdem ein Neutron eingefangen wurde, verwandelte sich dieses Isotop in Americium-244; Americium-244 verwandelte sich in einem von zehntausend Fällen in Plutonium-244.
Das Präparat Plutonium-244 wurde aus einer Mischung von Americium und Curium isoliert. Die Probe wog nur wenige Millionstel Gramm. Aber sie reichten aus, um die Halbwertszeit dieses interessanten Isotops zu bestimmen. Es stellte sich heraus, dass sie 75 Millionen Jahren entsprach. Später klärten andere Forscher die Halbwertszeit von Plutonium-244, allerdings nicht viel – 82,8 Millionen Jahre. Im Jahr 1971 wurden Spuren dieses Isotops im Seltenerdmineral Bastnäsit gefunden.
Wissenschaftler haben viele Versuche unternommen, ein Isotop des Transuranelements zu finden, das länger als 244 Pu lebt. Doch alle Versuche blieben vergeblich. Früher wurden Hoffnungen auf Curium-247 gesetzt, doch nachdem sich dieses Isotop im Reaktor angereichert hatte, stellte sich heraus, dass seine Halbwertszeit nur 14 Millionen Jahre beträgt. Der Rekord von Plutonium-244 konnte nicht gebrochen werden – es ist das langlebigste aller Isotope der Transurane.
Noch schwerere Plutoniumisotope unterliegen dem Betazerfall und ihre Lebensdauer liegt zwischen einigen Tagen und einigen Zehntelsekunden. Wir wissen mit Sicherheit, dass alle Isotope von Plutonium bei thermonuklearen Explosionen entstehen, bis zu 257 Pu. Ihre Lebensdauer beträgt jedoch Zehntelsekunden, und viele kurzlebige Plutoniumisotope wurden noch nicht untersucht.
Möglichkeiten des ersten Isotops
Und schließlich – über Plutonium-238 – das allererste „künstliche“ Isotop von Plutonium, ein Isotop, das zunächst wenig vielversprechend schien. Es ist tatsächlich ein sehr interessantes Isotop. Es unterliegt dem Alpha-Zerfall, d.h. Seine Kerne emittieren spontan Alphateilchen – Heliumkerne. Von Plutonium-238-Kernen erzeugte Alphateilchen tragen mehr Energie; Diese Energie wird in Materie zerstreut und in Wärme umgewandelt. Wie groß ist diese Energie? Beim Zerfall eines solchen werden sechs Millionen Elektronenvolt frei Atomkern Plutonium-238. IN chemische Reaktion Die gleiche Energie wird bei der Oxidation von mehreren Millionen Atomen freigesetzt. Eine Stromquelle, die ein Kilogramm Plutonium-238 enthält, entwickelt eine thermische Leistung von 560 Watt. Die maximale Leistung einer chemischen Stromquelle gleicher Masse beträgt 5 Watt.
Es gibt viele Emittenten mit ähnlichen Energieeigenschaften, aber eine Eigenschaft von Plutonium-238 macht dieses Isotop unverzichtbar. Der Alpha-Zerfall wird normalerweise von starker Gammastrahlung begleitet, die große Materieschichten durchdringt. 238 Pu ist eine Ausnahme. Die Energie der Gammastrahlen, die den Zerfall seiner Kerne begleiten, ist gering und es ist nicht schwer, sich dagegen zu schützen: Die Strahlung wird von einem dünnwandigen Behälter absorbiert. Die Wahrscheinlichkeit einer spontanen Kernspaltung dieses Isotops ist ebenfalls gering. Daher hat es nicht nur in aktuellen Quellen, sondern auch in der Medizin Anwendung gefunden. Plutonium-238-haltige Batterien dienen als Energiequelle in speziellen Herzstimulatoren.
Aber 238 Pu ist nicht das leichteste bekannte Isotop des Elements Nr. 94; es wurden Isotope von Plutonium mit Massenzahlen von 232 bis 237 erhalten. Die Halbwertszeit der meisten leichtes Isotop– 36 Minuten.
Plutonium – großes Thema. Hier wird das Wichtigste erzählt. Immerhin ist es bereits geworden Standardphrase dass die Chemie von Plutonium viel besser untersucht wurde als die Chemie so „alter“ Elemente wie Eisen. Über die nuklearen Eigenschaften von Plutonium wurden ganze Bücher geschrieben. Die Plutoniummetallurgie ist ein weiterer erstaunlicher Bereich menschliches Wissen... Deshalb brauchen Sie nicht zu glauben, dass Sie nach der Lektüre dieser Geschichte Plutonium – das wichtigste Metall des 20. Jahrhunderts – wirklich kennengelernt haben.
Eltern von Jungen sollten auf Verschiedenes vorbereitet sein Notfallsituationen Bei Ihren Kindern kann es nicht schaden, überhaupt zu wissen, was zu tun ist, wenn Ihr Sohn Plutonium findet.
Wie sieht Plutonium aus?
Zuerst müssen Sie sich vorstellen, wie das aussehen wird, was Ihr Sohn vorfinden wird. Das ist sehr sehr Schwermetall Silberfarbenes Pulver, das beim Auftragen strahlend glänzt. Aufgrund seiner elektronegativen Eigenschaften bleibt der Glanz jedoch nicht lange erhalten: Zuerst verblasst es, dann wird es mit einem hellgelben Film bedeckt, der sich allmählich in ein dunkles Lila verwandelt.
Überlegen Sie, was sonst noch so aussehen könnte wie das silbrig-weiße Pulver, denn in der Nähe einer Schaukel oder Rutsche findet man kein Plutonium. Und selbst wenn er eine Baustelle erklimmt, würde der Junge lieber Besitzer eines Stücks Draht oder eines Nagels werden als einer Handvoll Plutonium.
Wenn ein Kind dennoch das Ihrer Meinung nach beschriebene Schwermetall mit nach Hause bringt, müssen Sie dringend die Polizei oder die örtliche Abteilung des Ministeriums für Notsituationen rufen, da der Stoff radioaktiv und gefährlich ist und schnell entfernt und versteckt werden muss weg.
Auf einen „Fund“ müssen Sie sofort reagieren. Das ist nicht der Richtige Lebenssituation, in dem Sie einen Freund anrufen und es herausfinden können. Schließlich sind Gurken, auch saure, höchstens durch akuten Durchfall gefährlich. Und wenn Sie schlau genug sind, sie nach dem Aufblasen des Deckels nicht zu essen, dann sind sie im Allgemeinen kein Hindernis für Ihre Gesundheit.
Die Wirkung von Plutonium auf den menschlichen Körper
Plutonium (Pu) ist nicht so harmlos wie saure Gurken. Es ist ein Schwermetall und muss daher chemisch behandelt werden giftige Substanz. Diese Eigenschaft ist jedoch kaum beschrieben, da die Hauptgefahr in der Radiotoxizität liegt. Seine Toxizität ist auf Alpha-Radioaktivität zurückzuführen.
Ein Alphateilchen ist nur dann gefährlich für den Körper, wenn seine Quelle im menschlichen Körper liegt. Einfach ausgedrückt: Damit eine radioaktive Wirkung eintritt, muss dieses Metall aufgenommen werden. Äußerlich wirkt sich Pu mit Neutronen und Gammastrahlen auf den Menschen aus, verursacht jedoch aufgrund ihres geringen Gehalts keine großen Schäden.
Alphateilchen in menschlicher Körper schädigen nur die Gewebe, mit denen sie in direktem Kontakt stehen. Bei hohes Level Belichtung entwickelt sich akute Vergiftung und die toxische Wirkung tritt sofort ein. Niedriges Niveau Strahlung schädigt den Körper nach und nach und führt zu einer Anfälligkeit für Krebs.
Pu wird im Verdauungstrakt schlecht absorbiert. Auch wenn man das Metall in Form eines löslichen Salzes zu sich nimmt, neigt es nicht dazu, absorbiert zu werden, sondern vermischt sich mit dem Darminhalt. Über verunreinigtes Wasser gelangt nicht viel Plutonium in den Körper; es fällt aus wässrigen Lösungen aus und bildet unlösliche Verbindungen.
Um innerhalb weniger Tage oder einer Woche an einer akuten Exposition zu sterben, müssen Sie 500 mg Pu zu sich nehmen. Gleichzeitig sollte es gut gehackt sein. Der Tod durch ein Lungenödem innerhalb von bis zu 10 Tagen droht Personen, die 100 mg Plutonium in die Lunge einatmen. Geringere Pu-Dosen im Körper schaffen einen fruchtbaren Boden für die Entstehung und das Fortschreiten von Krebs.
Brauchen die Leute
Das 239Pu-Isotop wird in Form von Kernbrennstoff verwendet Leistungsreaktoren, die mit schnellen und thermischen Neutronen arbeiten. Auch das Isotop 239Pu ist in der Produktion unverzichtbar Atomwaffen.
Überall verstreute Kernkraftwerke zum Globus, produzieren etwa 15 % des weltweit produzierten Stroms.
Atombatterien mit Pu-236 haben eine Lebensdauer von bis zu 5 Jahren. Ärzte verwenden diese Batterien in Herzschrittmachern, die eingenäht sind Brust krank machen und das Herz zusammenziehen lassen.
Pu-238 ist eine wesentliche Energiequelle für Raumfahrzeuge, mit denen Menschen den Weltraum erkunden.
Faszinierende Fakten
Neugierigen Jungen können einprägsame Fakten über Plutonium erzählt werden, die sie im wirklichen Leben wahrscheinlich nicht finden werden.
Meeresorganismen akkumulieren dieses Element stark; die Akkumulationskapazität nimmt in der Reihe gemischtes Plankton – Algen – Fischmagen – Seestern – Fischgräten ab.
Pu-244 ist ein langlebiges Isotop der Transurane. Seine Halbwertszeit beträgt 82,8 Millionen Jahre!
Wenn man der Legierung Plutonium hinzufügt, erhält man ein Gussstück ohne einen einzigen Riss. Diese Eigenschaft wird von Metallurgen aktiv genutzt.
Atombombenladungen werden aus Plutonium hergestellt. Das Metall ist so schwer, dass kleiner Ball aus Plutonium, das in einem 10*10 cm großen Würfel versteckt werden kann, wiegt 5-6 Kilogramm.
Alle Eltern wünschen sich, dass ihr Sohn kein Plutonium findet und es nicht mit nach Hause bringt, sondern friedlich mit harmloseren Spielzeugen spielt.
Video: Plutonium-239 aus RID-1
Dieses Metall wird als kostbar bezeichnet, aber nicht wegen seiner Schönheit, sondern wegen seiner Unersetzlichkeit. Im Periodensystem von Mendelejew nimmt dieses Element die Zelle Nr. 94 ein. Auf dieses Element setzen Wissenschaftler ihre größten Hoffnungen, und Plutonium wird am häufigsten genannt gefährliches Metall für die Menschheit.
Plutonium: Beschreibung
Vom Aussehen her handelt es sich um ein silberweißes Metall. Es ist radioaktiv und kann in Form von 15 Isotopen mit unterschiedlichen Halbwertszeiten dargestellt werden, zum Beispiel:
- Pu-238 – etwa 90 Jahre
- Pu-239 – etwa 24.000 Jahre
- Pu-240 – 6580 Jahre
- Pu-241 – 14 Jahre
- Pu-242 – 370.000 Jahre
- Pu-244 – etwa 80 Millionen Jahre
Dieses Metall kann nicht aus Erzen gewonnen werden, da es ein Produkt der radioaktiven Umwandlung von Uran ist.
Wie wird Plutonium gewonnen?
Die Herstellung von Plutonium erfordert die Spaltung von Uran, was nur in Kernreaktoren möglich ist. Wenn wir über das Vorhandensein des Elements Pu in sprechen Erdkruste, dann gibt es für 4 Millionen Tonnen Uranerz nur 1 Gramm reines Plutonium. Und dieses Gramm entsteht durch den natürlichen Einfang von Neutronen durch Urankerne. Um diesen Kernbrennstoff (normalerweise das Isotop 239-Pu) in einer Menge von mehreren Kilogramm zu erhalten, ist es daher notwendig, einen komplexen technologischen Prozess in einem Kernreaktor durchzuführen.
Eigenschaften von Plutonium
Das radioaktive Metall Plutonium hat folgende physikalische Eigenschaften:
- Dichte 19,8 g/cm3
- Schmelzpunkt – 641°C
- Siedepunkt – 3232°C
- Wärmeleitfähigkeit (bei 300 K) – 6,74 W/(m·K)
Plutonium ist radioaktiv und fühlt sich deshalb warm an. Darüber hinaus zeichnet sich dieses Metall durch die niedrigste thermische und elektrische Leitfähigkeit aus. Flüssiges Plutonium ist das viskoseste aller existierenden Metalle.
Die geringste Temperaturänderung von Plutonium führt zu einer sofortigen Änderung der Dichte der Substanz. Im Allgemeinen ändert sich die Masse von Plutonium ständig, da sich die Kerne dieses Metalls in einem Zustand ständiger Spaltung in kleinere Kerne und Neutronen befinden. Als kritische Masse von Plutonium bezeichnet man die Mindestmasse eines spaltbaren Stoffes, bei der eine Spaltung (eine nukleare Kettenreaktion) noch möglich ist. Beispielsweise beträgt die kritische Masse von waffenfähigem Plutonium 11 kg (zum Vergleich: Die kritische Masse von hochangereichertem Uran beträgt 52 kg).
Uran und Plutonium sind die wichtigsten Kernbrennstoffe. Um Plutonium in großen Mengen zu gewinnen, werden zwei Technologien eingesetzt:
- Uranbestrahlung
- Bestrahlung von Transuranelementen, die aus abgebrannten Brennelementen gewonnen werden
Bei beiden Methoden erfolgt die Trennung von Plutonium und Uran durch eine chemische Reaktion.
Geschichte
1940 von Glenn Seaborg, Edwin McMillan, Kennedy und Arthur Wahl 1940 in Berkeley (USA) beim Beschuss eines Uranziels mit in einem Zyklotron beschleunigten Deuteronen entdeckt.
Herkunft des Namens
Plutonium wurde aufgrund der vorherigen Entdeckung nach dem Planeten Pluto benannt Chemisches Element wurde Neptunium genannt.
Quittung
Plutonium wird in Kernreaktoren hergestellt.
Das Isotop 238 U, das den Großteil des natürlichen Urans ausmacht, ist für die Spaltung wenig geeignet. Bei Kernreaktoren ist Uran leicht angereichert, der Anteil von 235 U im Kernbrennstoff bleibt jedoch gering (ca. 5 %). Der Hauptbestandteil von Brennstäben ist 238 U. Während des Betriebs eines Kernreaktors fängt ein Teil der 238 U-Kerne Neutronen ein und wandelt sich in 239 Pu um, das später isoliert werden kann.
Es ist ziemlich schwierig, Plutonium unter den Produkten von Kernreaktionen zu isolieren, da Plutonium (wie Uran, Thorium, Neptunium) zu den Aktiniden gehört, die sich in ihren chemischen Eigenschaften sehr ähneln. Die Aufgabe wird dadurch erschwert, dass unter den Zerfallsprodukten Elemente der Seltenen Erden enthalten sind, deren chemische Eigenschaften ebenfalls denen von Plutonium ähneln. Es kommen traditionelle radiochemische Methoden zum Einsatz – Fällung, Extraktion, Ionenaustausch usw. Das Endprodukt dieser mehrstufigen Technologie sind Plutoniumoxide PuO 2 oder Fluoride (PuF 3, PuF 4).
Plutonium wird mit der Methode der Metallothermie (Reduktion) abgebaut aktive Metalle aus Oxiden und Salzen im Vakuum):
PuF 4 +2 Ba = 2BaF 2 + Pu
Isotope
Von Plutonium sind mehr als ein Dutzend Isotope bekannt, alle sind radioaktiv.
Das wichtigste Isotop 239 Pu, fähig zur Kernspaltung und nuklearen Kettenreaktionen. Es ist das einzige Isotop, das für den Einsatz in Atomwaffen geeignet ist. Es hat bessere Neutronenabsorptions- und -streuungseigenschaften als Uran-235, die Anzahl der Neutronen pro Spaltung (etwa 3 gegenüber 2,3) und dementsprechend eine niedrigere kritische Masse. Seine Halbwertszeit beträgt etwa 24.000 Jahre. Andere Plutoniumisotope werden hauptsächlich unter dem Gesichtspunkt ihrer Schädlichkeit für den primären (Waffen-)Einsatz betrachtet.
Isotop 238 Pu hat eine starke Alpha-Radioaktivität und infolgedessen eine erhebliche Wärmeentwicklung (567 W/kg). Dies führt zu Unannehmlichkeiten für den Einsatz in Atomwaffen, findet aber Anwendung in Atombatterien. Fast alle Raumfahrzeug, die über die Umlaufbahn des Mars hinausflogen, verfügen über Radioisotopenreaktoren mit 238 Pu. Im Reaktorplutonium ist der Anteil dieses Isotops sehr gering.
Isotop 240 Pu ist die Hauptverunreinigung von waffenfähigem Plutonium. Es weist eine hohe spontane Zerfallsrate auf und erzeugt einen hohen Neutronenhintergrund, der die Detonation von Kernladungen erheblich erschwert. Es wird angenommen, dass sein Anteil an Waffen 7 % nicht überschreiten sollte.
241 Pu hat einen niedrigen Neutronenhintergrund und eine mäßige thermische Emission. Sein Anteil beträgt etwas weniger als 1 % und hat keinen Einfluss auf die Eigenschaften von waffenfähigem Plutonium. Aufgrund seiner Halbwertszeit wandelt sich 1914 jedoch in Americium-241 um, das viel Wärme erzeugt, was zu Problemen mit der Überhitzung der Ladungen führen kann.
242 Pu hat einen sehr kleinen Wirkungsquerschnitt für die Neutroneneinfangreaktion und reichert sich in Kernreaktoren an, allerdings in sehr geringen Mengen (weniger als 0,1 %). Die Eigenschaften von waffenfähigem Plutonium werden dadurch nicht beeinträchtigt. Es wird hauptsächlich für weitere Kernreaktionen bei der Synthese von Transplutoniumelementen verwendet: Thermische Neutronen verursachen keine Kernspaltung, sodass beliebige Mengen dieses Isotops mit starken Neutronenflüssen bestrahlt werden können.
Andere Plutoniumisotope sind äußerst selten und haben keinen Einfluss auf die Herstellung von Atomwaffen. Schwere Isotope werden in sehr geringen Mengen gebildet, haben eine kurze Lebensdauer (weniger als ein paar Tage oder Stunden) und werden durch Beta-Zerfall in die entsprechenden Isotope von Americium umgewandelt. Unter ihnen sticht heraus 244 Pu– seine Halbwertszeit beträgt etwa 82 Millionen Jahre. Es ist das isotopenreichste aller Transurane.
Anwendung
Ende 1995 wurden weltweit rund 1.270 Tonnen Plutonium produziert, davon 257 Tonnen für militärische Zwecke, für die nur das Isotop 239 Pu geeignet ist. Es ist möglich, 239 Pu als Brennstoff in Kernreaktoren zu verwenden, es ist jedoch in Bezug auf Uran unterlegen Ökonomische Indikatoren. Die Kosten für die Wiederaufbereitung von Kernbrennstoff zur Gewinnung von Plutonium sind viel höher als die Kosten für niedrig angereichertes (~5 % 235 U) Uran. Nur Japan verfügt über ein Programm zur energetischen Nutzung von Plutonium.
Allotrope Modifikationen
In fester Form hat Plutonium sieben allotrope Modifikationen(Allerdings werden die Phasen? und?1 manchmal kombiniert und als eine Phase betrachtet). Bei Raumtemperatur liegt Plutonium als kristalline Struktur vor ?-Phase. Atome sind verbunden kovalente Bindung(anstelle von Metall), also physikalische Eigenschaften näher an Mineralien als an Metallen. Es handelt sich um ein hartes, sprödes Material, das in bestimmte Richtungen bricht. Es hat geringe Wärmeleitfähigkeit Von allen Metallen ist die elektrische Leitfähigkeit gering, mit Ausnahme von Mangan. Die ?-Phase kann mit herkömmlichen Metalltechnologien nicht verarbeitet werden.
Bei Temperaturänderungen im Plutonium kommt es zu einer Umstrukturierung der Struktur und es kommt zu extremen Veränderungen starke Veränderungen. Manche Übergänge zwischen den Phasen gehen mit einfach markanten Lautstärkeänderungen einher. In zwei dieser Phasen (? und?1) hat Plutonium einzigartiges Anwesen– negativer Temperaturausdehnungskoeffizient, d.h. es zieht sich mit steigender Temperatur zusammen.
In der Gamma- und Delta-Phase kommt Plutonium vor normale Eigenschaften Metalle, insbesondere Formbarkeit. In der Delta-Phase weist Plutonium jedoch Instabilität auf. Unter leichtem Druck versucht es, sich in einer dichten (25 %) Alpha-Phase niederzulassen. Diese Eigenschaft wird in Implosionsvorrichtungen von Atomwaffen genutzt.
In reinem Plutonium bei Drücken über 1 Kilobar existiert die Delta-Phase überhaupt nicht. Bei Drücken über 30 Kilobar existieren nur Alpha- und Betaphasen.
Plutoniummetallurgie
Plutonium kann bei Normaldruck und in der Delta-Phase stabilisiert werden Zimmertemperatur durch Legierungsbildung mit dreiwertigen Metallen wie Gallium, Aluminium, Cer, Indium in einer Konzentration von mehreren Molprozent. In dieser Form wird Plutonium in Atomwaffen eingesetzt.
Bewaffnetes Plutonium
Zur Herstellung von Atomwaffen ist es notwendig, eine Reinheit des gewünschten Isotops (235 U oder 239 Pu) von mehr als 90 % zu erreichen. Die Herstellung von Ladungen aus Uran erfordert viele Anreicherungsschritte (da der Anteil von 235 U im natürlichen Uran weniger als 1 % beträgt), während der Anteil von 239 Pu im Reaktorplutonium normalerweise zwischen 50 und 80 % (also fast 100-mal mehr) liegt. Und in einigen Reaktorbetriebsarten ist es möglich, Plutonium mit mehr als 90 % 239 Pu zu gewinnen – dieses Plutonium erfordert keine Anreicherung und kann direkt für die Herstellung von Atomwaffen verwendet werden.
Biologische Rolle
Plutonium ist einer der giftigsten bekannten Stoffe. Die Toxizität von Plutonium ist nicht so sehr darauf zurückzuführen chemische Eigenschaften(obwohl Plutonium vielleicht genauso giftig ist wie jedes Schwermetall), wie hoch ist seine Alpha-Radioaktivität? Alpha-Partikel werden selbst von dünnen Material- oder Stoffschichten zurückgehalten. Sagen wir, ein paar Millimeter Haut werden ihren Fluss vollständig absorbieren und schützen innere Organe. Aber Alpha-Partikel schädigen das Gewebe, mit dem sie in Kontakt kommen, äußerst. Daher stellt Plutonium eine ernsthafte Gefahr dar, wenn es in den Körper gelangt. Es wird im Magen-Darm-Trakt sehr schlecht resorbiert, auch wenn es dort in löslicher Form ankommt. Die Einnahme eines halben Gramms Plutonium kann jedoch aufgrund einer akuten Belastung des Verdauungstrakts innerhalb von Wochen zum Tod führen.
Das Einatmen eines Zehntelgramms Plutoniumstaub führt innerhalb von zehn Tagen zum Tod durch Lungenödem. Das Einatmen einer Dosis von 20 mg führt innerhalb eines Monats zum Tod durch Fibrose. Kleinere Dosen verursachen eine krebserzeugende Wirkung. Die Einnahme von 1 µg Plutonium erhöht die Wahrscheinlichkeit, an Lungenkrebs zu erkranken, um 1 %. Daher sind 100 Mikrogramm Plutonium im Körper nahezu eine Garantie für die Entstehung von Krebs (innerhalb von zehn Jahren, obwohl Gewebeschäden früher auftreten können).
IN biologische Systeme Plutonium liegt normalerweise in der Oxidationsstufe +4 vor und weist Ähnlichkeiten mit Eisen auf. Sobald es im Blut ist, wird es sich höchstwahrscheinlich in eisenhaltigen Geweben konzentrieren: Knochenmark, Leber, Milz. Wenn sich auch nur 1-2 Mikrogramm Plutonium im Knochenmark festsetzen, wird die Immunität deutlich beeinträchtigt. Der Zeitraum der Entfernung von Plutonium aus Knochengewebe beträgt 80-100 Jahre, d.h. er wird praktisch sein ganzes Leben lang dort bleiben.
Die Internationale Strahlenschutzkommission hat die maximale jährliche Plutoniumaufnahme auf 280 Nanogramm festgelegt.
Plutonium-239 ist ein hochgiftiger Alphastrahler mit einer Energie von etwa 5 MeV. Ungefähr 4 % der Zerfälle von Plutoniumkernen gehen mit der Emission weicher Atomkerne einher Röntgenstrahlung mit mittlerer Energie
17 keV und 0,01 % Zerfälle – die Bildung von Gammaquanten mit einer Energie von 37 keV, die zur Bestimmung von Plutonium im Körper durch äußere Strahlung verwendet werden. Plutonium ist eine der Hauptquellen der Kernenergie. Es wird in der biomedizinischen Forschung häufig zur Untersuchung der Strahlenpathologie einer Reihe von Organen und Systemen eingesetzt.
Die Halbwertszeit von Pu239 beträgt 8,9 · 10 6 Tage, die Halbwertszeit der Ausscheidung aus dem Körper beträgt 6,4 · 10 4 Tage (ca. 200 Jahre), d. h. die Freisetzung von Plutonium in den Körper erfolgt nicht während des gesamten Lebens eines Menschen. Die spezifische Aktivität des Isotops ist sehr hoch, weshalb und auch wegen seiner hohen Toxizität der maximale Gehalt im Körper mit 0,04 Mikrocurie angenommen wird.
Der Beschreibung der Toxikologie von Pu239 sind zahlreiche in- und ausländische Fachpublikationen gewidmet. Guter Platz diskutierte die Toxikologie von Pu239 auf einem Symposium zum Thema langfristige Folgen Auswirkungen von Radionukliden in den USA im Jahr 1967 (10. I. Moskalev, 1968). Eine Analyse der wichtigsten Veröffentlichungen zeigt, dass selbst die löslichsten Plutoniumverbindungen in Bruchteilen eines Prozents aus dem Magen-Darm-Trakt aufgenommen werden. Davon lagert sich 1/3 bis 1/2 in den Knochen ab. Den zweiten Platz hinsichtlich des Anteils des eingebauten Isotops (ca. 1/4) belegt die Leber. Beide Organe gelten als kritisch für verschiedene in der Praxis verwendete lösliche Verbindungen. Anschließend überwiegt die Anreicherung von Plutonium im Knochen (bis zu 70 % der Gesamtmenge).
Die inhalative Aufnahme von Pu239-Verbindungen, die eine geringe Löslichkeit aufweisen, führt dazu, dass ein erheblicher Anteil des Isotops in der Lunge abgelagert wird [von 20 bis 85 %, nach Norwood (1963), West und Bair (1964), Bair et al. (1963, 1964)]. Es wird angenommen, dass 1/10 Totale Masse Partikel werden mit T1/2 = 20 Tagen aus den oberen Atemwegen ausgeatmet und etwa 3/4 in der Lunge abgelagert. Von dieser Menge verbleibt künftig etwa 1/10 in der Lunge, die restlichen Partikel werden phagozytiert, reichern sich teilweise in den Lymphknoten der Lunge an oder gelangen in diese Magen-Darmtrakt, dann in den Blutkreislauf und weiter in die Leber und die Knochen. Es wird angenommen (Norwood, 1963, 1964), dass das 100-fache des maximal zulässigen Wertes für Berufseinstieg(4 Mikrocuries) verursacht keine unmittelbaren Schadenssymptome, schließt jedoch die Entwicklung langfristiger Nebenwirkungen nicht aus. Das klinische Bild der Läsion, basierend auf der Extrapolation experimenteller Daten (V. K. Lemberg, 1964; 3. M. Bukhtoyarova, 1962; E. R. Lyubchansky, N. A. Koshurnikova, 1968 usw.), kann aus Anzeichen einer Schädigung der Lymph- und Knochenmarkhämatopoese bestehen , Veränderungen der Knochenstrukturen; Leber- und Nierenfunktionsstörungen sind bei Einnahme löslicher Verbindungen weniger wahrscheinlich. Beim Einatmen, insbesondere schwerlöslicher Plutoniumverbindungen, kommt es vor allem in der Lunge zu Veränderungen, die parallel mit einer Dosisabnahme von einer frühen unspezifischen Lungenentzündung bis hin zu einer Art Pneumosklerose oder Lungentumoren (in) schwanken langfristig). Schwerlösliche Verbindungen werden fest in der Lunge fixiert und praktisch nicht ausgeschieden (E.R. Lyubchansky, 1965).
Der Eintrag von Pu239 durch geschädigte Haut (direkt ins Blut) ist gefährlich. In diesem Fall verteilt sich das Isotop sehr schnell über den Blutkreislauf im Körper und kann nach 15 Minuten – 1 Stunde im Urin und im Kot nachgewiesen werden. Die anschließende Umverteilung erfolgt in der für Pu239 üblichen Weise mit seiner Anreicherung in Knochen und Leber; Die Freisetzung des Isotops in Urin und Kot erfolgt langsam – in Tausendstelprozent relativ zu dem, was sich im Körper befindet.
Typische Fälle des Eindringens von Plutonium in die Wunde werden von Norwood (1962, 1964), Foreman (1964) und Lafuma (1963) beschrieben.
Dynamik der Wundreinigung und -reduktion allgemeiner Inhalt Plutonium im Körper nach der Exzision und Dekontamination mit DTPA (Pentacin) und das Aussehen der Wunde nach der Exzision sind in Abb. 67-69.
Reis. 67. Dynamik des Plutoniumgehalts in der Wunde eines Patienten zu verschiedenen Zeiten und unter dem Einfluss einer doppelten Exzision (nach Norwood, 1962).
Die Pfeile zeigen die Wirkung der ersten (1) und zweiten (2) Wundexzision an. 
Reis. 68. Ansicht des Fingers des Patienten (nach Norwood, 1962).
a - direkt; b - langfristig nach Entfernung einer mit Plutonium kontaminierten Wunde. 
Reis. 69. Dynamik der Plutoniumausscheidung im Urin (gestrichelte Linie). Sein Gehalt im Blut (durchgezogene Linie) des Patienten zu verschiedenen Zeitpunkten nach Aufnahme und Entfernung der Wunde (nach Norwood, 1962). Die Ordinate zeigt die Plutoniummenge im Urin (linke Achse) und im zirkulierenden Blut (rechte Achse). Die Zahlen zeigen die Wirkung der ersten (1) und zweiten (2) Wundexzision.
Wie aus toxikologischen Experimenten hervorgeht, haben sich der Verabreichungsweg und die Löslichkeit von Plutoniumverbindungen geändert maßgeblichen Einflussüber seine Verteilung im Körper und die Art der klinischen Manifestationen (Stover, Rosental, Lindenbaum, Mays usw.; zitiert von Yu. I. Moskalev, 1968).
IN reale Bedingungen durch Einatmen, Verbindungen von Plutonium und unterschiedliche Grade Löslichkeit. Dies erschwert die Analyse von Dosisbelastungen und möglichen klinische Manifestationen. Durch Extrapolation experimenteller Daten (Bair et al., 1963; E. R. Lyubchansky, 1965; L. A. Buldakov, E. R. Lyubchansky, Yu. I. Moskalev und A. P. Nifatov, 1969) können wir das Auftreten verschiedener Verhältnisse annehmen, die zu einer Schadensschwellendosis führen auf einzelne kritische Organe und damit die Möglichkeit des Auftretens entsprechender klinischer Symptome.
Für unlösliche Verbindungen ist praktisch die Lunge das einzige kritische Organ. Wenn sie Dosen erreichen, die für die Entwicklung relativ früher und schwerwiegender Veränderungen ausreichen, treten charakteristische Anzeichen einer Strahlenpneumosklerose auf – Fibrose der Alveolarsepten (Bair et al., 1963). Die Dosen an anderen, selbst den strahlenempfindlichsten Organen sind gering, mit Ausnahme der regionalen Lymphknoten der Lunge. Dies erklärt die Abwesenheit spürbare Veränderungen in anderen Organen und Systemen, mit Ausnahme mäßiger Lymphopenie (Bair, 1960, 1966).
Wenn hochlösliche Verbindungen eindringen, wird das „begrenzende“ Organ Knochen mit darin eingeschlossenem Knochenmark. Diese Position behält auch für eine Mischung von Verbindungen unterschiedlicher Löslichkeit ihre Bedeutung. Allerdings häuft sich in solchen Fällen die hämatopoeseschädigende Dosis über einen längeren Zeitraum an klinische Symptome Störungen der Hämatopoese während dieser Zeiträume können mit Anzeichen einer Funktionsstörung der Leber und später des Atmungssystems einhergehen.
Unter anderen biologischen Wirkungen, die laut experimentellen Daten zu erwarten sind, wenn Plutonium in den Körper gelangt, ist die Möglichkeit einer relativ stärkeren Bestrahlung von Lymphgewebe, Gefäßen wachsender Knochenbereiche und Auswirkungen auf das Hypophysen-Nebennieren-System (Lee, Dachum, Bertley; zitiert von Yu. I. Moskalev, 1968). Alle Autoren (Rosenthal, Lindenbaum; V.K. Lemberg, Z.M. Bukhtoyarova, A.P. Nifatov, N.A. Koshurnikova, N.P. Kudasheva, 1966) betonen die Bedeutung der Mikrogeometrie der Verteilung verschiedener Plutoniumverbindungen für das Ergebnis biologische Wirkung. Die meisten experimentellen und klinischen Beobachtungen betreffen das Isotop Pu239; nur wenige Informationen beziehen sich auf Pu238. Gleichzeitig ist unter realen Bedingungen (Herstellung von Platten aus Alphaquellen) auch ein Kontakt mit diesem Isotop möglich. Verfügbare Literatur zu menschlichen Schäden durch Plutonium deckt hauptsächlich radiometrische Aspekte ab und es ist daher unmöglich, ein typisches klinisches Beispiel zu nennen.
Ich meine bekannte Originalität Verletzungen durch eingebaute Isotope und das Fehlen eines solchen Abschnitts in den Haupthandbüchern halten wir es für angebracht, einige bereitzustellen allgemeine Grundsätze Durchführung diagnostischer und therapeutischer Maßnahmen, die bei ihrem Eintritt in den Körper angezeigt sind. In diesem Fall empfiehlt es sich, die durchgeführten Tätigkeiten direkt am Unfallort und im Krankenhaus hervorzuheben.
