Atomska masa plutonija. Integralni brzi reaktor. "Ona neće biti veća od ananasa"

Ovaj se metal naziva plemenitim, ali ne zbog ljepote, već zbog nezamjenjivosti. U periodnom sustavu Mendeljejeva ovaj element zauzima ćeliju broj 94. U njega znanstvenici polažu najveće nade, a upravo plutonij nazivaju najopasnijim metalom za čovječanstvo.

Plutonij: opis

Po izgledu to je srebrno-bijeli metal. Radioaktivan je i može se prikazati u obliku 15 izotopa s različitim poluživotom, na primjer:

• Pu-238 – oko 90 godina
• Pu-239 – oko 24 tisuće godina
• Pu-240 – 6580 godina
• Pu-241 – 14 godina
• Pu-242 – 370 tisuća godina
• Pu-244 – oko 80 milijuna godina

Ovaj se metal ne može izdvojiti iz rude, jer je proizvod radioaktivne transformacije urana.

Kako se dobiva plutonij?

Proizvodnja plutonija zahtijeva fisiju urana, što se može učiniti samo u nuklearnim reaktorima. Ako govorimo o prisutnosti elementa Pu u zemljinoj kori, tada će za 4 milijuna tona uranove rude biti samo 1 gram čistog plutonija. A ovaj gram nastaje prirodnim hvatanjem neutrona jezgrama urana. Dakle, da bi se dobilo ovo nuklearno gorivo (obično izotop 239-Pu) u količini od nekoliko kilograma, potrebno je provesti složen tehnološki proces u nuklearnom reaktoru.

Svojstva plutonija

Radioaktivni metalni plutonij ima sljedeća fizikalna svojstva:

• gustoća 19,8 g/cm 3
• talište – 641°C
• vrelište – 3232°C
• toplinska vodljivost (pri 300 K) – 6,74 W/(m K)

Plutonij je radioaktivan, zbog čega je topao na dodir. Štoviše, ovaj metal karakterizira najniža toplinska i električna vodljivost. Tekući plutonij je najviskozniji od svih postojećih metala.

Najmanja promjena temperature plutonija dovodi do trenutačne promjene gustoće tvari. Općenito, masa plutonija se stalno mijenja, budući da su jezgre ovog metala u stanju stalne fisije na manje jezgre i neutrone. Kritična masa plutonija je naziv za minimalnu masu fisijske tvari pri kojoj fisija (lančana nuklearna reakcija) ostaje moguća. Na primjer, kritična masa plutonija za oružje je 11 kg (za usporedbu, kritična masa visoko obogaćenog urana je 52 kg).

Uran i plutonij glavna su nuklearna goriva. Za dobivanje plutonija u velikim količinama koriste se dvije tehnologije:

• zračenje uranom
• ozračivanje transuranovih elemenata dobivenih iz istrošenog goriva

Obje metode uključuju odvajanje plutonija i urana kao rezultat kemijske reakcije.

Za dobivanje čistog plutonija-238 koristi se neutronsko zračenje neptunija-237. Isti je izotop uključen u stvaranje plutonija-239 za oružje; točnije, on je međuprodukt raspada. Milijun dolara je cijena za 1 kg plutonija-238.

Plutonij je otkriven krajem 1940. godine na Sveučilištu u Kaliforniji. Sintetizirali su ga McMillan, Kennedy i Wahl bombardiranjem uranovog oksida (U 3 O 8) jezgrama deuterija (deuteroni) visoko ubrzanim u ciklotronu. Kasnije je utvrđeno da se ovom nuklearnom reakcijom prvo proizvodi kratkoživući izotop neptunij-238, a iz njega plutonij-238 s vremenom poluraspada od oko 50 godina. Godinu dana kasnije, Kennedy, Seaborg, Segre i Wahl sintetizirali su važniji izotop, plutonij-239, ozračivanjem urana visoko ubrzanim neutronima u ciklotronu. Plutonij-239 nastaje raspadom neptunija-239; emitira alfa zrake i ima poluživot od 24 000 godina. Čisti spoj plutonija prvi je put dobiven 1942. Tada je postalo poznato da postoji prirodni plutonij pronađen u rudama urana, posebno u rudama deponiranima u Kongu.

Ime elementa predloženo je 1948.: McMillan je prvi transuranski element nazvao neptunij zbog činjenice da je planet Neptun prvi iza Urana. Po analogiji, odlučili su nazvati element 94 plutonij, budući da je planet Pluton drugi nakon Urana. Pluton, otkriven 1930. godine, dobio je ime po imenu boga Plutona, vladara podzemlja u grčkoj mitologiji. Početkom 19.st. Clark je predložio da se element barij nazove plutonij, izvodeći ovo ime izravno iz imena boga Plutona, ali njegov prijedlog nije prihvaćen.

Čovječanstvo je oduvijek bilo u potrazi za novim izvorima energije koji mogu riješiti mnoge probleme. Međutim, nisu uvijek sigurni. Dakle, posebno oni koji se danas široko koriste, iako su sposobni generirati jednostavno kolosalne količine električne energije koja je svima potrebna, još uvijek nose smrtnu opasnost. No, osim u miroljubive svrhe, neke zemlje na našem planetu naučile su ga koristiti i u vojne svrhe, posebice za stvaranje nuklearnih bojevih glava. Ovaj će članak raspravljati o osnovi takvog razornog oružja, čije je ime plutonij za oružje.

Kratke informacije

Ovaj kompaktni oblik metala sadrži najmanje 93,5% izotopa 239Pu. Plutonij za oružje nazvan je tako da se može razlikovati od svog "reaktorskog pandana". U principu, plutonij se uvijek stvara u apsolutno svakom nuklearnom reaktoru, koji zauzvrat radi na nisko obogaćenom ili prirodnom uranu, koji uglavnom sadrži izotop 238U.

Primjena u vojnoj industriji

Plutonij 239Pu za oružje temelj je nuklearnog oružja. U isto vrijeme, upotreba izotopa s masenim brojevima 240 i 242 je irelevantna, budući da oni stvaraju vrlo visoku neutronsku pozadinu, što u konačnici komplicira stvaranje i dizajn visokoučinkovitog nuklearnog streljiva. Osim toga, izotopi plutonija 240Pu i 241Pu imaju značajno kraće vrijeme poluraspada u usporedbi s 239Pu, pa se dijelovi plutonija jako zagrijavaju. U tom smislu inženjeri su prisiljeni dodatno dodati elemente za uklanjanje viška topline u nuklearno oružje. Inače, 239Pu u svom čistom obliku je topliji od ljudskog tijela. Također je nemoguće ne uzeti u obzir činjenicu da produkti procesa raspada teških izotopa podvrgavaju kristalnu rešetku metala štetnim promjenama, a to sasvim prirodno mijenja konfiguraciju dijelova plutonija, što na kraju može izazvati potpuni kvar nuklearne eksplozivne naprave.

Uglavnom, sve gore navedene poteškoće mogu se prevladati. I u praksi, testovi su već više puta provedeni na temelju "reaktorskog" plutonija. Ali treba razumjeti da u nuklearnom oružju njegova kompaktnost, mala vlastita težina, trajnost i pouzdanost nipošto nisu najmanje važni. U tom smislu koriste isključivo plutonij za oružje.

Konstruktivne značajke proizvodnih reaktora

Gotovo sav plutonij u Rusiji proizveden je u reaktorima opremljenim grafitnim moderatorom. Svaki od reaktora izgrađen je oko cilindrično sklopljenih blokova grafita.

Kada su sastavljeni, grafitni blokovi imaju posebne utore između sebe kako bi se osigurala kontinuirana cirkulacija rashladne tekućine koja koristi dušik. Sastavljena struktura također ima okomito postavljene kanale stvorene za prolaz vode za hlađenje i goriva kroz njih. Sam sklop je kruto poduprt strukturom s otvorima ispod kanala koji se koriste za ispuštanje već ozračenog goriva. Štoviše, svaki od kanala nalazi se u cijevi tankih stijenki izlivenoj od lagane i izuzetno čvrste legure aluminija. Većina opisanih kanala ima 70 gorivnih šipki. Voda za hlađenje teče izravno oko gorivih šipki, uklanjajući s njih višak topline.

Povećanje snage proizvodnih reaktora

U početku je prvi Mayak reaktor radio s toplinskom snagom od 100 MW. Međutim, glavni vođa sovjetskog programa nuklearnog oružja dao je prijedlog da reaktor treba raditi na snazi ​​od 170-190 MW zimi, a 140-150 MW ljeti. Ovakav pristup omogućio je reaktoru da proizvede gotovo 140 grama dragocjenog plutonija dnevno.

Godine 1952. proveden je potpuni istraživački rad kako bi se povećao proizvodni kapacitet operativnih reaktora koristeći sljedeće metode:

• Povećanjem protoka vode koja se koristi za hlađenje i protječe kroz jezgre nuklearnog postrojenja.
• Povećanjem otpornosti na pojavu korozije koja se javlja u blizini košuljice kanala.
• Smanjenje brzine oksidacije grafita.
• Povećanje temperature unutar gorivih ćelija.

Kao rezultat toga, protok cirkulirajuće vode značajno se povećao nakon povećanja razmaka između goriva i stijenki kanala. Uspjeli smo se riješiti i korozije. Za to su odabrane najprikladnije legure aluminija i počeo se aktivno dodavati natrijev bikromat, što je u konačnici povećalo mekoću vode za hlađenje (pH je postao oko 6,0-6,2). Oksidacija grafita prestala je biti gorući problem nakon što je za hlađenje korišten dušik (ranije se koristio samo zrak).

U kasnim 1950-ima, inovacije su u potpunosti realizirane u praksi, smanjujući krajnje nepotrebno napuhavanje urana uzrokovano zračenjem, značajno smanjujući toplinsko otvrdnjavanje uranovih šipki, poboljšavajući otpornost obloge i povećavajući kontrolu kvalitete proizvodnje.

Proizvodnja u Mayaku

"Čeljabinsk-65" jedno je od onih vrlo tajnih postrojenja u kojima je stvoren plutonij za oružje. Poduzeće je imalo nekoliko reaktora, a mi ćemo pobliže pogledati svaki od njih.

Reaktor A

Instalacija je osmišljena i stvorena pod vodstvom legendarnog N. A. Dolležala. Radila je sa snagom od 100 MW. Reaktor je imao 1149 okomito postavljenih upravljačkih i gorivnih kanala u grafitnom bloku. Ukupna težina konstrukcije bila je oko 1050 tona. Gotovo svi kanali (osim 25) bili su napunjeni uranom, čija je ukupna masa bila 120-130 tona. 17 kanala korišteno je za kontrolne šipke, a 8 za pokuse. Maksimalno projektirano oslobađanje topline gorive ćelije bilo je 3,45 kW. Isprva je reaktor proizvodio oko 100 grama plutonija dnevno. Prvi metalni plutonij proizveden je 16. travnja 1949. godine.

Tehnološki nedostaci

Gotovo odmah su identificirani prilično ozbiljni problemi, koji su se sastojali od korozije aluminijskih obloga i premaza gorivih ćelija. Uranove šipke također su nabubrile i postale oštećene, uzrokujući curenje vode za hlađenje izravno u jezgru reaktora. Nakon svakog curenja, reaktor je morao biti zaustavljen do 10 sati kako bi se grafit osušio zrakom. U siječnju 1949. zamijenjene su obloge kanala. Nakon toga, postrojenje je pušteno u rad 26. ožujka 1949. godine.

Plutonij za oružje, čija je proizvodnja u reaktoru A bila praćena raznim poteškoćama, proizvodio se u razdoblju 1950.-1954. s prosječnom jediničnom snagom od 180 MW. Naknadni rad reaktora počeo je biti praćen intenzivnijim korištenjem, što je sasvim prirodno dovelo do češćih gašenja (i do 165 puta mjesečno). Kao rezultat toga, reaktor je zatvoren u listopadu 1963. i nastavio s radom tek u proljeće 1964. godine. Svoju kampanju potpuno je završio 1987. godine i tijekom cijelog dugogodišnjeg rada proizveo je 4,6 tona plutonija.

AB reaktori

Odlučeno je izgraditi tri reaktora AB u poduzeću Čeljabinsk-65 u jesen 1948. Njihov proizvodni kapacitet bio je 200-250 grama plutonija dnevno. Glavni projektant projekta bio je A. Savin. Svaki reaktor se sastojao od 1996 kanala, od kojih su 65 bili kontrolni kanali. Instalacije su koristile tehničku inovaciju - svaki kanal je bio opremljen posebnim detektorom curenja rashladne tekućine. Ovaj potez omogućio je promjenu obloga bez zaustavljanja rada samog reaktora.

Prva godina rada reaktora pokazala je da su proizvodili oko 260 grama plutonija dnevno. No, već od druge godine rada, kapacitet se postupno povećavao, te je već 1963. njegova brojka iznosila 600 MW. Nakon drugog remonta problem s oblogama je u potpunosti riješen, a snaga je već bila 1200 MW uz godišnju proizvodnju plutonija od 270 kilograma. Ti su pokazatelji ostali sve dok se reaktori nisu potpuno zatvorili.

AI-IR reaktor

Čeljabinsko poduzeće koristilo je ovu instalaciju od 22. prosinca 1951. do 25. svibnja 1987. godine. Osim urana, reaktor je proizvodio i kobalt-60 i polonij-210. U početku je postrojenje proizvodilo tricij, ali je kasnije počelo proizvoditi plutonij.

Također, tvornica za preradu plutonija za oružje imala je u pogonu reaktore na tešku vodu i jedan reaktor na laku vodu (zvao se "Ruslan").

Sibirski div

"Tomsk-7" je bio naziv elektrane u kojoj je bilo pet reaktora za proizvodnju plutonija. Svaka od jedinica koristila je grafit za usporavanje neutrona i običnu vodu kako bi osigurala pravilno hlađenje.

Reaktor I-1 radio je sa sustavom hlađenja u kojem je voda prošla jednom. Međutim, preostale četiri instalacije bile su opremljene zatvorenim primarnim krugovima opremljenim izmjenjivačima topline. Ovakav dizajn omogućio je dodatno stvaranje pare, što je pomoglo u proizvodnji električne energije i grijanju raznih stambenih prostora.

Tomsk-7 je imao i reaktor EI-2, koji je, pak, imao dvostruku namjenu: proizvodio je plutonij i zahvaljujući stvorenoj pari generirao 100 MW električne energije, te 200 MW toplinske energije.

Važna informacija

Prema znanstvenicima, vrijeme poluraspada plutonija za oružje je oko 24 360 godina. Ogroman broj! U tom smislu, pitanje postaje posebno akutno: "Kako pravilno postupati s otpadom od proizvodnje ovog elementa?" Najbolja opcija smatra se izgradnja posebnih poduzeća za naknadnu preradu plutonija za oružje. To se objašnjava činjenicom da se u ovom slučaju element više ne može koristiti u vojne svrhe i bit će pod ljudskom kontrolom. Upravo se tako u Rusiji zbrinjava plutonij za oružje, ali su Sjedinjene Američke Države krenule drugim putem, kršeći time svoje međunarodne obveze.

Stoga američka vlada predlaže uništavanje visoko obogaćenog materijala ne industrijskim sredstvima, već razrjeđivanjem plutonija i njegovim skladištenjem u posebnim spremnicima na dubini od 500 metara. Podrazumijeva se da se u ovom slučaju materijal lako može izvaditi iz tla u bilo kojem trenutku i ponovno koristiti u vojne svrhe. Prema riječima ruskog predsjednika Vladimira Putina, u početku su se zemlje dogovorile da će plutonij uništavati ne ovom metodom, već da će se odlagati u industrijskim pogonima.

Cijena plutonija za oružje zaslužuje posebnu pozornost. Prema stručnjacima, deseci tona ovog elementa mogli bi koštati nekoliko milijardi dolara. A neki su stručnjaci čak procijenili 500 tona plutonija za oružje na čak 8 trilijuna dolara. Iznos je zaista impresivan. Da bi bilo jasnije o kolikom se novcu radi, recimo da je u posljednjih deset godina 20. stoljeća prosječni godišnji BDP Rusije iznosio 400 milijardi dolara. To jest, zapravo, stvarna cijena plutonija za oružje bila je jednaka dvadesetom godišnjem BDP-u Ruske Federacije.

Plutonij (latinski Plutonium, simbol Pu) je radioaktivni kemijski element s atomskim brojem 94 i atomskom masom 244.064. Plutonij je element grupe III periodnog sustava Dmitrija Ivanoviča Mendeljejeva i pripada obitelji aktinida. Plutonij je teški (gustoća u normalnim uvjetima 19,84 g/cm³) krti radioaktivni metal srebrnastobijele boje.

Plutonij nema stabilne izotope. Od stotinu mogućih izotopa plutonija sintetizirano je dvadeset pet. Proučavana su nuklearna svojstva njih petnaest (maseni brojevi 232-246). Četiri su našla praktičnu primjenu. Najdugovječniji izotopi su 244Pu (vrijeme poluraspada 8,26-107 godina), 242Pu (vrijeme poluraspada 3,76-105 godina), 239Pu (vrijeme poluraspada 2,41-104 godine), 238Pu (vrijeme poluraspada 87,74 godina) - α- emiteri i 241Pu (vrijeme poluraspada 14 godina) – β-emiter. U prirodi se plutonij pojavljuje u neznatnim količinama u rudama urana (239Pu); nastaje iz urana pod utjecajem neutrona, čiji su izvori reakcije koje se javljaju tijekom interakcije α-čestica s lakim elementima (uključenim u rude), spontanom fisijom jezgri urana i kozmičkim zračenjem.

Devedeset četvrti element otkrila je skupina američkih znanstvenika - Glenn Seaborg, Kennedy, Edwin McMillan i Arthur Wahl 1940. godine u Berkeleyu (na Kalifornijskom sveučilištu) prilikom bombardiranja mete uranovog oksida (U3O8) visoko ubrzanim jezgrama deuterija (deuterona) iz ciklotrona od šezdeset inča. U svibnju 1940. svojstva plutonija predvidio je Lewis Turner.

U prosincu 1940. godine otkriven je izotop plutonija Pu-238 s vremenom poluraspada od ~90 godina, a godinu dana kasnije slijedi još važniji Pu-239 s vremenom poluraspada od ~24 000 godina.

Edwin MacMillan 1948. predložio je da se kemijski element nazove plutonij u čast otkrića novog planeta Plutona i po analogiji s neptunijem, koji je dobio ime po otkriću Neptuna.

Metalni plutonij (izotop 239Pu) koristi se u nuklearnom oružju i služi kao nuklearno gorivo u energetskim reaktorima koji rade na toplinske i posebno brze neutrone. Kritična masa za 239Pu kao metal je 5,6 kg. Između ostalog, izotop 239Pu je polazni materijal za proizvodnju transplutonijevih elemenata u nuklearnim reaktorima. Izotop 238Pu koristi se u malim nuklearnim izvorima energije koji se koriste u svemirskim istraživanjima, kao iu ljudskim srčanim stimulansima.

Plutonij-242 važan je kao "sirovina" za relativno brzu akumulaciju viših transuranijevih elemenata u nuklearnim reaktorima. δ-stabilizirane legure plutonija koriste se u proizvodnji gorivih ćelija, budući da imaju bolja metalurška svojstva u usporedbi s čistim plutonijem, koji prolazi kroz fazne prijelaze kada se zagrijava. Plutonijevi oksidi koriste se kao izvor energije za svemirsku tehnologiju i nalaze svoju primjenu u gorivim šipkama.

Svi spojevi plutonija su otrovni, što je posljedica α-zračenja. Alfa čestice predstavljaju ozbiljnu opasnost ako im je izvor u tijelu zaražene osobe, oštećuju okolno tkivo tijela. Gama zračenje plutonija nije opasno za tijelo. Vrijedno je uzeti u obzir da različiti izotopi plutonija imaju različitu toksičnost, na primjer, tipični reaktorski plutonij je 8-10 puta toksičniji od čistog 239Pu, budući da njime dominiraju nuklidi 240Pu, koji je snažan izvor alfa zračenja. Plutonij je najradiotoksičniji element od svih aktinoida, no smatra se da je daleko od najopasnijeg elementa, jer je radij gotovo tisuću puta opasniji od najotrovnijeg izotopa plutonija - 239Pu.

Biološka svojstva

Plutonij koncentriraju morski organizmi: koeficijent akumulacije ovog radioaktivnog metala (omjer koncentracija u tijelu i vanjskom okruženju) za alge je 1000-9000, za plankton - približno 2300, za morske zvijezde - oko 1000, za mekušce - do 380, za mišiće, kosti, jetru i želudac ribe - 5, 570, 200 i 1060, redom. Kopnene biljke apsorbiraju plutonij uglavnom kroz korijenski sustav i akumuliraju ga do 0,01% svoje mase. U ljudskom tijelu devedeset četvrti element zadržava se uglavnom u kosturu i jetri, odakle se gotovo ne izlučuje (osobito iz kostiju).

Plutonij je visoko toksičan, a njegova kemijska opasnost (kao i kod svakog drugog teškog metala) puno je slabija (s kemijskog gledišta otrovan je i poput olova.) u usporedbi s njegovom radioaktivnom toksičnošću koja je posljedica alfa zračenja. Štoviše, α-čestice imaju relativno nisku sposobnost prodiranja: za 239Pu domet α-čestica u zraku je 3,7 cm, au mekom biološkom tkivu 43 μm. Stoga alfa čestice predstavljaju ozbiljnu opasnost ako je njihov izvor u tijelu zaražene osobe. Istodobno oštećuju tkiva tijela koja okružuju element.

U isto vrijeme, γ-zrake i neutroni, koje plutonij također emitira i koji mogu prodrijeti u tijelo izvana, nisu jako opasni, jer je njihova razina preniska da bi uzrokovala štetu zdravlju. Plutonij pripada skupini elemenata s posebno visokom radiotoksičnošću. U isto vrijeme, različiti izotopi plutonija imaju različitu toksičnost, na primjer, tipični reaktorski plutonij je 8-10 puta toksičniji od čistog 239Pu, budući da u njemu dominiraju nuklidi 240Pu, koji je snažan izvor alfa zračenja.

Kada se unese vodom i hranom, plutonij je manje toksičan od tvari poput kofeina, nekih vitamina, pseudoefedrina te mnogih biljaka i gljiva. To se objašnjava činjenicom da se ovaj element slabo apsorbira u gastrointestinalnom traktu, čak i kada se isporučuje u obliku topive soli, ta ista sol je vezana sadržajem želuca i crijeva. Međutim, gutanje 0,5 grama fino usitnjenog ili otopljenog plutonija može rezultirati smrću od akutnog probavnog zračenja unutar nekoliko dana ili tjedana (za cijanid ta je vrijednost 0,1 gram).

S inhalacijske točke gledišta, plutonij je običan toksin (otprilike ekvivalentan živinim parama). Kada se udiše, plutonij je kancerogen i može izazvati rak pluća. Dakle, kada se udahne, sto miligrama plutonija u obliku čestica optimalne veličine za zadržavanje u plućima (1-3 mikrona) dovodi do smrti od plućnog edema za 1-10 dana. Doza od dvadeset miligrama dovodi do smrti od fibroze za oko mjesec dana. Manje doze dovode do kroničnog kancerogenog trovanja. Opasnost od udisanja plutonija u tijelo povećava se zbog činjenice da je plutonij sklon stvaranju aerosola.

Iako se radi o metalu, prilično je nepostojan. Kratak boravak metala u prostoriji značajno povećava njegovu koncentraciju u zraku. Plutonij koji uđe u pluća dijelom se taloži na površini pluća, dijelom prelazi u krv, a zatim u limfu i koštanu srž. Većina (oko 60%) završi u koštanom tkivu, 30% u jetri, a samo 10% se izluči prirodnim putem. Količina plutonija koja ulazi u tijelo ovisi o veličini čestica aerosola i topljivosti u krvi.

Plutonij koji na ovaj ili onaj način ulazi u ljudsko tijelo po svojstvima je sličan feri željezu, stoga, prodirući u krvožilni sustav, plutonij se počinje koncentrirati u tkivima koja sadrže željezo: koštanu srž, jetru, slezenu. Tijelo percipira plutonij kao željezo, stoga protein transferin umjesto željeza preuzima plutonij, zbog čega se zaustavlja prijenos kisika u tijelu. Mikrofagi prenose plutonij u limfne čvorove. Plutoniju koji uđe u tijelo potrebno je jako dugo vremena da se ukloni iz tijela - unutar 50 godina, samo 80% će biti uklonjeno iz tijela. Poluživot iz jetre je 40 godina. Za koštano tkivo, poluživot plutonija je 80-100 godina; zapravo, koncentracija elementa devedeset četiri u kostima je konstantna.

Tijekom Drugog svjetskog rata i nakon njegovog završetka, znanstvenici koji su radili na projektu Manhattan, kao i znanstvenici Trećeg Reicha i drugih istraživačkih organizacija, provodili su pokuse s plutonijem na životinjama i ljudima. Istraživanja na životinjama pokazala su da je nekoliko miligrama plutonija po kilogramu tkiva smrtonosna doza. Upotreba plutonija kod ljudi obično se sastojala od intramuskularnog ubrizgavanja 5 mcg plutonija kroničnim bolesnicima. Na kraju je utvrđeno da je smrtonosna doza za pacijenta bila jedan mikrogram plutonija, te da je plutonij opasniji od radija i sklon nakupljanju u kostima.

Kao što je poznato, plutonij je element praktički odsutan u prirodi. Međutim, oko pet tona ispušteno je u atmosferu kao rezultat nuklearnih pokusa u razdoblju 1945.-1963. Ukupna količina plutonija ispuštenog u atmosferu zbog nuklearnih pokusa prije 1980-ih procjenjuje se na 10 tona. Prema nekim procjenama, tlo u Sjedinjenim Državama sadrži prosječno 2 milikurija (28 mg) plutonija po km2 ispadanja, a pojava plutonija u Tihom oceanu je veća u odnosu na ukupnu distribuciju nuklearnih materijala na Zemlji.

Najnoviji fenomen povezan je s američkim nuklearnim testiranjem na Maršalovim otocima na poligonu za testiranje u Pacifiku sredinom 1950-ih. Vrijeme zadržavanja plutonija u površinskim vodama oceana kreće se od 6 do 21 godine, no i nakon tog razdoblja plutonij pada na dno zajedno s biogenim česticama, iz kojih se mikrobnom razgradnjom reducira u topljive oblike.

Globalno onečišćenje devedeset četvrtim elementom povezano je ne samo s nuklearnim testovima, već i s nesrećama u proizvodnji i opremi koja je u interakciji s ovim elementom. Tako se u siječnju 1968. američki zrakoplov B-52 s četiri nuklearne bojeve glave srušio na Grenlandu. Kao rezultat eksplozije, punjenja su uništena, a plutonij je iscurio u ocean.

Još jedan slučaj radioaktivne kontaminacije okoliša kao posljedica nesreće dogodio se sa sovjetskom svemirskom letjelicom Kosmos-954 24. siječnja 1978. godine. Kao rezultat nekontroliranog deorbite, satelit s nuklearnim izvorom energije pao je na teritorij Kanade. Kao posljedica nesreće, u okoliš je ispušteno više od kilograma plutonija-238, koji se proširio na površinu od oko 124.000 m².

Najstrašniji primjer hitnog istjecanja radioaktivnih tvari u okoliš je nesreća u nuklearnoj elektrani Černobil, koja se dogodila 26. travnja 1986. Kao posljedica uništenja četvrte energetske jedinice, 190 tona radioaktivnih tvari (uključujući izotope plutonija) ispušteno je u okoliš na površini od oko 2200 km².

Otpuštanje plutonija u okoliš nije povezano samo s incidentima koje je uzrokovao čovjek. Poznati su slučajevi istjecanja plutonija, kako iz laboratorijskih tako i iz tvorničkih uvjeta. Poznato je više od dvadeset slučajnih curenja iz laboratorija za 235U i 239Pu. Tijekom 1953.-1978. nesreće su dovele do gubitka od 0,81 (Mayak, 15. ožujka 1953.) do 10,1 kg (Tomsk, 13. prosinca 1978.) 239Pu. Industrijski incidenti rezultirali su s ukupno dva smrtna slučaja u Los Alamosu (21. kolovoza 1945. i 21. svibnja 1946.) zbog dviju nesreća i gubitka 6,2 kg plutonija. U gradu Sarovu 1953. i 1963. god. oko 8 i 17,35 kg palo je izvan nuklearnog reaktora. Jedan od njih doveo je do uništenja nuklearnog reaktora 1953. godine.

Pri fisiji jezgre 238Pu s neutronima oslobađa se energija od 200 MeV, što je 50 milijuna puta više od najpoznatije egzotermne reakcije: C + O2 → CO2. "Spaljivanjem" u nuklearnom reaktoru jedan gram plutonija proizvodi 2107 kcal - to je energija sadržana u 4 tone ugljena. Naprstak plutonijevog goriva u energetskom ekvivalentu može biti ekvivalentan četrdeset vagona dobrog drva za ogrjev!

Vjeruje se da je “prirodni izotop” plutonija (244Pu) najdugovječniji izotop od svih transuranijevih elemenata. Vrijeme poluraspada mu je 8,26∙107 godina. Znanstvenici već dugo pokušavaju dobiti izotop transuranijevog elementa koji bi postojao dulje od 244Pu - velike su se nade u tom pogledu polagale u 247Cm. Međutim, nakon njegove sinteze pokazalo se da je vrijeme poluraspada ovog elementa samo 14 milijuna godina.

Priča

Godine 1934. grupa znanstvenika pod vodstvom Enrica Fermija izjavila je da su tijekom znanstvenog rada na Sveučilištu u Rimu otkrili kemijski element s rednim brojem 94. Na Fermijevo inzistiranje element je nazvan hesperij, znanstvenik je bio uvjeren da je otkrio novi element, koji se danas naziva plutonij, sugerirajući tako postojanje transuranovih elemenata i postavši njihov teorijski otkrivač. Fermi je branio ovu hipotezu u svom Nobelovom predavanju 1938. Tek nakon što su njemački znanstvenici Otto Frisch i Fritz Strassmann otkrili nuklearnu fisiju, Fermi je bio prisiljen napraviti bilješku u tiskanoj verziji objavljenoj u Stockholmu 1939. godine ukazujući na potrebu ponovnog razmatranja "cijelog problema transuranijevih elemenata". Činjenica je da je rad Frischa i Strassmanna pokazao da je aktivnost koju je otkrio Fermi u svojim eksperimentima bila posljedica upravo fisije, a ne otkrića transuranovih elemenata, kako je on prije vjerovao.

Novi element, devedeset četvrti, otkriven je krajem 1940. godine. Dogodilo se to u Berkeleyu na Kalifornijskom sveučilištu. Bombardiranjem uranovog oksida (U3O8) teškim jezgrama vodika (deuteroni), grupa američkih radiokemičara predvođena Glennom T. Seaborgom otkrila je dosad nepoznat emiter alfa čestica s vremenom poluraspada od 90 godina. Pokazalo se da je taj emiter izotop elementa br. 94 s masenim brojem 238. Tako su 14. prosinca 1940. dobivene prve mikrogramske količine plutonija s primjesom drugih elemenata i njihovih spojeva.

Tijekom pokusa provedenog 1940. godine utvrđeno je da se tijekom nuklearne reakcije prvo proizvodi kratkoživući izotop neptunij-238 (vrijeme poluraspada 2,117 dana), a iz njega plutonij-238:

23392U (d,2n) → 23893Np → (β−) 23894Pu

Dugi i naporni kemijski eksperimenti za odvajanje novog elementa od nečistoća trajali su dva mjeseca. Postojanje novog kemijskog elementa potvrdili su u noći s 23. na 24. veljače 1941. G. T. Seaborg, E. M. Macmillan, J. W. Kennedy i A. C. Wall proučavanjem njegovih prvih kemijskih svojstava - sposobnosti da posjeduje barem dvije oksidacije Države. Nešto kasnije od završetka pokusa ustanovljeno je da je ovaj izotop nefisibilan, te stoga nezanimljiv za daljnje proučavanje. Ubrzo (ožujak 1941.), Kennedy, Seaborg, Segre i Wahl sintetizirali su važniji izotop, plutonij-239, ozračivanjem urana visoko ubrzanim neutronima u ciklotronu. Ovaj izotop nastaje raspadom neptunija-239, emitira alfa zrake i ima poluživot od 24 000 godina. Prvi čisti spoj elementa dobiven je 1942. godine, a prve težinske količine metalnog plutonija dobivene su 1943. godine.

Ime novog elementa 94 predložio je 1948. MacMillan, koji je nekoliko mjeseci prije otkrića plutonija, zajedno s F. Eibelsonom, dobio prvi element teži od urana - element br. 93, koji je u čast dobio ime neptunij. planeta Neptuna – prvog iza Urana. Analogno tome, odlučili su element br. 94 nazvati plutonij, budući da je planet Pluton drugi nakon Urana. Zauzvrat, Seaborg je predložio da se novi element nazove "plutijum", ali je tada shvatio da to ime ne zvuči baš dobro u usporedbi s "plutonijem". Osim toga, iznio je i druge nazive za novi element: ultimium, extermium, zbog tadašnje pogrešne procjene da će plutonij postati posljednji kemijski element u periodnom sustavu. Kao rezultat toga, element je nazvan "plutonij" u čast otkrića posljednjeg planeta u Sunčevom sustavu.

Biti u prirodi

Vrijeme poluraspada najdugovječnijeg izotopa plutonija je 75 milijuna godina. Brojka je vrlo impresivna, međutim, starost Galaksije mjeri se milijardama godina. Iz toga proizlazi da primarni izotopi devedeset četvrtog elementa, nastali tijekom velike sinteze elemenata svemira, nisu imali šanse preživjeti do danas. Pa ipak, to ne znači da plutonija na Zemlji uopće nema. Stalno se stvara u uranovim rudama. Hvatanjem neutrona iz kozmičkog zračenja i neutrona proizvedenih spontanom fisijom jezgri 238U, neki - vrlo mali broj - atoma ovog izotopa pretvaraju se u atome 239U. Jezgre ovog elementa su vrlo nestabilne, emitiraju elektrone i time povećavaju svoj naboj, te dolazi do stvaranja neptunija, prvog transuranijevog elementa. 239Np je također nestabilan, njegove jezgre također emitiraju elektrone, pa se u samo 56 sati polovica 239Np pretvara u 239Pu.

Vrijeme poluraspada ovog izotopa već je jako dugo i iznosi 24.000 godina. U prosjeku, sadržaj 239Pu je oko 400.000 puta manji od sadržaja radija. Stoga je iznimno teško ne samo rudariti, nego čak i otkriti "zemaljski" plutonij. Male količine 239Pu - dijelovi na trilijun - i produkti raspada mogu se pronaći u rudama urana, na primjer u prirodnom nuklearnom reaktoru u Oklu, Gabon (Zapadna Afrika). Takozvani “prirodni nuklearni reaktor” smatra se jedinim na svijetu u kojem se trenutno u geosferi stvaraju aktinodi i njihovi fisijski produkti. Prema suvremenim procjenama, na ovom se području prije nekoliko milijuna godina odvijala samoodrživa reakcija s oslobađanjem topline, koja je trajala više od pola milijuna godina.

Dakle, već znamo da u rudama urana, kao rezultat hvatanja neutrona jezgrama urana, nastaje neptunij (239Np), čiji je produkt β-raspada prirodni plutonij-239. Zahvaljujući posebnim instrumentima – spektrometrima mase – u prekambrijskom bastnaezitu (cerijeva ruda) otkrivena je prisutnost plutonija-244 (244Pu), koji ima najdulje vrijeme poluraspada – otprilike 80 milijuna godina. U prirodi se 244Pu nalazi pretežno u obliku dioksida (PuO2), koji je još slabije topiv u vodi od pijeska (kvarc). Budući da je relativno dugovječni izotop plutonija-240 (240Pu) u lancu raspada plutonija-244, do njegovog raspada dolazi, ali vrlo rijetko (1 slučaj na 10 000). Vrlo male količine plutonija-238 (238Pu) posljedica su vrlo rijetkog dvostrukog beta raspada matičnog izotopa, urana-238, koji je pronađen u rudama urana.

Tragovi izotopa 247Pu i 255Pu pronađeni su u prašini skupljenoj nakon eksplozija termonuklearnih bombi.

Minimalne količine plutonija hipotetski bi mogle biti prisutne u ljudskom tijelu, s obzirom na to da je obavljen ogroman broj nuklearnih pokusa na ovaj ili onaj način povezanih s plutonijem. Plutonij se nakuplja uglavnom u kosturu i jetri, odakle se praktički ne izlučuje. Osim toga, element devedeset četiri akumuliraju morski organizmi; Kopnene biljke apsorbiraju plutonij uglavnom kroz korijenski sustav.

Ispostavilo se da umjetno sintetizirani plutonij još uvijek postoji u prirodi, pa zašto se ne vadi, nego se dobiva umjetnim putem? Činjenica je da je koncentracija ovog elementa preniska. Za još jedan radioaktivni metal - radij kažu: "gram proizvodnje - godina rada", a radija u prirodi ima 400.000 puta više od plutonija! Iz tog je razloga iznimno teško ne samo rudariti, nego čak i otkriti "zemaljski" plutonij. To je učinjeno tek nakon što su proučena fizikalna i kemijska svojstva plutonija proizvedenog u nuklearnim reaktorima.

Primjena

Izotop 239Pu (zajedno s U) koristi se kao nuklearno gorivo u energetskim reaktorima koji rade na toplinske i brze neutrone (uglavnom), kao i u proizvodnji nuklearnog oružja.

Oko pola tisuće nuklearnih elektrana diljem svijeta proizvodi približno 370 GW električne energije (ili 15% ukupne svjetske proizvodnje električne energije). Plutonij-236 koristi se u proizvodnji atomskih električnih baterija, čiji vijek trajanja doseže pet ili više godina, koriste se u generatorima struje koji stimuliraju srce (pacemakers). 238Pu koristi se u malim nuklearnim izvorima energije koji se koriste u svemirskim istraživanjima. Tako je plutonij-238 izvor energije za sonde New Horizons, Galileo i Cassini, rover Curiosity i druge svemirske letjelice.

Nuklearno oružje koristi plutonij-239 jer je ovaj izotop jedini prikladan nuklid za upotrebu u nuklearnoj bombi. Osim toga, češća upotreba plutonija-239 u nuklearnim bombama je zbog činjenice da plutonij zauzima manji volumen u sferi (gdje se nalazi jezgra bombe), pa se eksplozivna snaga bombe može dobiti zahvaljujući tome vlasništvo.

Shema po kojoj dolazi do nuklearne eksplozije koja uključuje plutonij leži u dizajnu same bombe, čija se jezgra sastoji od kugle ispunjene 239Pu. U trenutku sudara s tlom, kugla je komprimirana na milijun atmosfera zbog dizajna i zahvaljujući eksplozivu koji ovu kuglu okružuje. Nakon udara, jezgra se u najkraćem mogućem vremenu širi volumenom i gustoćom - desecima mikrosekundi, sklop preskače kritično stanje s toplinskim neutronima i prelazi u superkritično stanje s brzim neutronima - počinje nuklearna lančana reakcija uz sudjelovanje neutroni i jezgre elementa. Konačna eksplozija nuklearne bombe oslobađa temperature reda veličine nekoliko desetaka milijuna stupnjeva.

Izotopi plutonija našli su svoju primjenu u sintezi transplutonijevih (pored plutonija) elemenata. Na primjer, u Oak Ridge National Laboratory dugotrajnim neutronskim zračenjem 239Pu dobivaju se 24496Cm, 24296Cm, 24997Bk, 25298Cf, 25399Es i 257100Fm. Na isti način prvi put je dobiven americij 24195Am 1944. godine. Godine 2010. plutonij-242 oksid bombardiran ionima kalcija-48 poslužio je kao izvor ununkvadija.

δ-Stabilizirane legure plutonija koriste se u proizvodnji gorivih šipki, jer imaju znatno bolja metalurška svojstva u odnosu na čisti plutonij, koji pri zagrijavanju prolazi kroz fazne prijelaze te je vrlo krt i nepouzdan materijal. Legure plutonija s drugim elementima (intermetalni spojevi) obično se dobivaju izravnim međudjelovanjem elemenata u traženim omjerima, dok se uglavnom koristi lučno taljenje, ponekad se nestabilne legure dobivaju taloženjem raspršivanjem ili hlađenjem talina.

Glavni industrijski legirajući elementi za plutonij su galij, aluminij i željezo, iako je plutonij sposoban tvoriti legure i intermedijere s većinom metala uz rijetke iznimke (kalij, natrij, litij, rubidij, magnezij, kalcij, stroncij, barij, europij i iterbij) . Vatrostalni metali: molibden, niobij, krom, tantal i volfram topljivi su u tekućem plutoniju, ali gotovo netopljivi ili slabo topljivi u čvrstom plutoniju. Indij, silicij, cink i cirkonij sposobni su formirati metastabilni δ-plutonij (δ"-fazu) kada se brzo ohlade. Galij, aluminij, americij, skandij i cerij mogu stabilizirati δ-plutonij na sobnoj temperaturi.

Velike količine holmija, hafnija i talija omogućuju pohranjivanje neke količine δ-plutonija na sobnoj temperaturi. Neptunij je jedini element koji može stabilizirati α-plutonij na visokim temperaturama. Titan, hafnij i cirkonij stabiliziraju strukturu β-plutonija na sobnoj temperaturi kada se brzo ohlade. Primjena takvih legura vrlo je raznolika. Na primjer, legura plutonija i galija koristi se za stabilizaciju δ faze plutonija, čime se izbjegava fazni prijelaz α-δ. Ternarna legura plutonij-galij-kobalt (PuGaCo5) je supravodljiva legura na 18,5 K. Postoji niz legura (plutonij-cirkonij, plutonij-cerij i plutonij-cerij-kobalt) koje se koriste kao nuklearno gorivo.

Proizvodnja

Industrijski plutonij proizvodi se na dva načina. To je ili ozračivanje jezgri 238U sadržanih u nuklearnim reaktorima ili odvajanje plutonija radiokemijskim metodama (koprecipitacija, ekstrakcija, ionska izmjena itd.) od urana, transuranskih elemenata i produkata fisije sadržanih u istrošenom gorivu.

U prvom slučaju, najpraktičniji izotop 239Pu (pomiješan s malom primjesom 240Pu) proizvodi se u nuklearnim reaktorima uz sudjelovanje jezgri urana i neutrona pomoću β-raspada i uz sudjelovanje izotopa neptunija kao intermedijarnog produkta fisije:

23892U + 21D → 23893Np + 210n;

23893Np → 23894Pu

β-raspad

U tom procesu deuteron ulazi u uran-238, što rezultira stvaranjem neptunija-238 i dva neutrona. Neptunij-238 zatim spontano fisira, emitirajući beta-minus čestice koje tvore plutonij-238.

Obično je sadržaj 239Pu u smjesi 90-95%, 240Pu je 1-7%, sadržaj ostalih izotopa ne prelazi desetine postotka. Izotopi s dugim poluživotom - 242Pu i 244Pu dobivaju se produljenim zračenjem neutronima 239Pu. Štoviše, prinos 242Pu je nekoliko desetaka postotaka, a 244Pu je djelić postotka sadržaja 242Pu. Male količine izotopski čistog plutonija-238 nastaju kada se neptunij-237 ozrači neutronima. Laki izotopi plutonija s masenim brojevima 232-237 obično se dobivaju u ciklotronu ozračivanjem izotopa urana α-česticama.

Druga metoda industrijske proizvodnje 239Pu koristi Purex proces, koji se temelji na ekstrakciji tributil fosfatom u laganom razrjeđivaču. U prvom ciklusu, Pu i U se zajednički pročišćavaju od produkata fisije, a zatim odvajaju. U drugom i trećem ciklusu plutonij se dalje pročišćava i koncentrira. Shema takvog procesa temelji se na razlici u svojstvima četverovalentnih i šesterovalentnih spojeva elemenata koji se odvajaju.

U početku se istrošene gorive šipke rastavljaju, a omotač koji sadrži istrošeni plutonij i uran uklanja se fizičkim i kemijskim sredstvima. Zatim se ekstrahirano nuklearno gorivo otapa u dušičnoj kiselini. Uostalom, to je jako oksidacijsko sredstvo kada se otopi, a uran, plutonij i nečistoće oksidiraju. Atomi plutonija s nultom valencijom pretvaraju se u Pu+6, a plutonij i uran se otapaju. Iz takve otopine, devedeset četvrti element se reducira u trovalentno stanje sa sumpornim dioksidom i zatim se istaloži s lantanovim fluoridom (LaF3).

Međutim, osim plutonija, sediment sadrži neptunij i elemente rijetke zemlje, ali glavnina (uran) ostaje u otopini. Zatim se plutonij ponovno oksidira do Pu+6 i ponovno se dodaje lantanov fluorid. Sada se elementi rijetke zemlje talože, a plutonij ostaje u otopini. Zatim se neptunij oksidira u četverovalentno stanje s kalijevim bromatom, budući da ovaj reagens nema učinka na plutonij, zatim tijekom sekundarnog taloženja s istim lantanovim fluoridom, trovalentni plutonij prelazi u talog, a neptunij ostaje u otopini. Krajnji proizvodi takvih operacija su spojevi koji sadrže plutonij - PuO2 dioksid ili fluoridi (PuF3 ili PuF4), iz kojih se dobiva metalni plutonij (redukcijom s parama barija, kalcija ili litija).

Čistiji plutonij može se postići elektrolitičkim pročišćavanjem pirokemijski proizvedenog metala, koje se provodi u ćelijama za elektrolizu na 700°C s elektrolitom od kalija, natrija i plutonijevog klorida uz pomoć katode od volframa ili tantala. Ovako dobiveni plutonij ima čistoću 99,99%.

Za proizvodnju velikih količina plutonija grade se reaktori za razmnožavanje, takozvani “breederi” (od engleskog glagola to breed - razmnožavati se). Ovi su reaktori dobili ime zbog svoje sposobnosti proizvodnje fisijskih materijala u količinama koje premašuju troškove dobivanja tog materijala. Razlika između ovakvih reaktora i ostalih je u tome što se neutroni u njima ne usporavaju (nema moderatora, npr. grafita) kako bi što više njih reagiralo s 238U.

Nakon reakcije nastaju atomi 239U, koji potom tvore 239Pu. Jezgra takvog reaktora, koja sadrži PuO2 u osiromašenom uran dioksidu (UO2), okružena je omotačem od još više osiromašenog uran dioksida-238 (238UO2), u kojem se stvara 239Pu. Kombinirana uporaba 238U i 235U omogućuje "uzgajivačima" proizvodnju 50-60 puta više energije iz prirodnog urana nego drugi reaktori. Međutim, ovi reaktori imaju veliki nedostatak - gorivne šipke moraju se hladiti nekim drugim medijem, a ne vodom, što smanjuje njihovu energiju. Stoga je odlučeno koristiti tekući natrij kao rashladno sredstvo.

Izgradnja takvih reaktora u Sjedinjenim Američkim Državama započela je nakon završetka Drugog svjetskog rata, a SSSR i Velika Britanija započeli su njihovu izgradnju tek 1950-ih.

Fizička svojstva

Plutonij je vrlo težak (gustoća na normalnoj razini 19,84 g/cm³) srebrnast metal, u pročišćenom stanju vrlo sličan niklu, ali na zraku plutonij brzo oksidira, blijedi, stvarajući prelijevi film, prvo svijetložut, a zatim postaje tamnoljubičast . Kada dođe do ozbiljne oksidacije, maslinastozeleni prah oksida (PuO2) pojavljuje se na površini metala.

Plutonij je vrlo elektronegativan i reaktivan metal, višestruko više čak i od urana. Ima sedam alotropskih modifikacija (α, β, γ, δ, δ", ε i ζ), koje se mijenjaju u određenom rasponu temperature i pri određenom rasponu tlaka. Na sobnoj temperaturi plutonij je u α-formi - to je najčešća alotropska modifikacija za plutonij U alfa fazi, čisti plutonij je krt i prilično tvrd - ova je struktura tvrda otprilike kao sivi lijev osim ako nije legirana s drugim metalima, što će leguri dati rastezljivost i mekoću. Osim toga, u ovom obliku najveće gustoće plutonij je šesti najgušći element (Samo su osmij, iridij, platina, renij i neptunij teži. Daljnje alotropske transformacije plutonija popraćene su naglim promjenama gustoće. Na primjer, kada se zagrije od 310 do 480 °C , ne širi se, kao drugi metali, već se skuplja (delta faze " i "delta prime") Kada se rastali (prijelaz iz epsilon faze u tekuću fazu), plutonij se također skuplja, dopuštajući neotopljenom plutoniju da pluta.

Plutonij ima veliki broj neobičnih svojstava: ima najnižu toplinsku vodljivost od svih metala - na 300 K iznosi 6,7 W/(m K); plutonij ima najmanju električnu vodljivost; U svojoj tekućoj fazi plutonij je najviskozniji metal. Otpornost devedeset četvrtog elementa na sobnoj temperaturi vrlo je visoka za metal, a ova značajka će se povećavati s padom temperature, što nije tipično za metale. Ova "anomalija" može se pratiti do temperature od 100 K - ispod ove oznake električni otpor će se smanjiti. Međutim, od 20 K otpor ponovno počinje rasti zbog aktivnosti zračenja metala.

Plutonij ima najveći električni otpor od svih (do sada) proučavanih aktinida, koji iznosi 150 μΩ cm (na 22 °C). Ovaj metal ima nisko talište (640 °C) i neobično visoko vrelište (3227 °C). Bliže talištu, tekući plutonij ima vrlo visoku viskoznost i površinsku napetost u usporedbi s drugim metalima.

Zbog svoje radioaktivnosti plutonij je topao na dodir. Veliki komad plutonija u termalnoj ljusci zagrijava se do temperature iznad vrelišta vode! Osim toga, plutonij zbog svoje radioaktivnosti tijekom vremena prolazi kroz promjene u svojoj kristalnoj rešetki - dolazi do svojevrsnog žarenja zbog samozračenja zbog povećanja temperature iznad 100 K.

Prisutnost velikog broja alotropskih modifikacija u plutoniju čini ga teškim metalom za obradu i valjanje zbog faznih prijelaza. Već znamo da je u alfa obliku devedeset četvrti element po svojstvima sličan lijevanom željezu, ali ima tendenciju da se promijeni i pretvori u duktilni materijal, te formira kovki β-oblik pri višim temperaturnim rasponima. Plutonij u δ obliku obično je stabilan na temperaturama između 310 °C i 452 °C, ali može postojati na sobnoj temperaturi ako je dopiran s niskim postocima aluminija, cerija ili galija. Kada se legira s ovim metalima, plutonij se može koristiti u zavarivanju. Općenito, delta oblik ima izraženije karakteristike metala - blizak je aluminiju po čvrstoći i mogućnosti kovanja.

Kemijska svojstva

Kemijska svojstva devedeset četvrtog elementa u mnogočemu su slična svojstvima njegovih prethodnika u periodnom sustavu - urana i neptunija. Plutonij je prilično aktivan metal, tvori spojeve s oksidacijskim stupnjem od +2 do +7. U vodenim otopinama element pokazuje sljedeća oksidacijska stanja: Pu (III), kao Pu3+ (postoji u kiselim vodenim otopinama, ima svijetloljubičastu boju); Pu (IV), kao Pu4+ (čokoladna nijansa); Pu (V), kao PuO2+ (lagana otopina); Pu (VI), kao PuO22+ (svijetlonarančasta otopina) i Pu(VII), kao PuO53- (zelena otopina).

Štoviše, ti ioni (osim PuO53-) mogu biti istovremeno u ravnoteži u otopini, što se objašnjava prisutnošću 5f elektrona, koji se nalaze u lokaliziranoj i delokaliziranoj zoni elektronske orbitale. Pri pH 5-8 dominira Pu(IV), koji je najstabilniji među ostalim valencijama (oksidacijskim stanjima). Ioni plutonija svih oksidacijskih stupnjeva skloni su hidrolizi i stvaranju kompleksa. Sposobnost stvaranja takvih spojeva povećava se u seriji Pu5+

Kompaktni plutonij polako oksidira na zraku, prekrivajući se preljevnim, uljastim filmom oksida. Poznati su sljedeći oksidi plutonija: PuO, Pu2O3, PuO2 i faza promjenjivog sastava Pu2O3 - Pu4O7 (Berthollides). U prisutnosti male količine vlage, brzina oksidacije i korozije značajno se povećava. Ako je metal dovoljno dugo izložen malim količinama vlažnog zraka, na njegovoj se površini stvara plutonijev dioksid (PuO2). Uz nedostatak kisika može nastati i njegov dihidrid (PuH2). Iznenađujuće, plutonij mnogo brže hrđa u atmosferi inertnog plina (kao što je argon) s vodenom parom nego u suhom zraku ili čistom kisiku. Zapravo, ovu je činjenicu lako objasniti - izravnim djelovanjem kisika stvara se sloj oksida na površini plutonija koji sprječava daljnju oksidaciju, a prisutnost vlage proizvodi labavu smjesu oksida i hidrida. Usput, zahvaljujući ovoj prevlaci, metal postaje piroforan, odnosno sposoban je za spontano sagorijevanje; zbog toga se metalni plutonij obično obrađuje u inertnoj atmosferi argona ili dušika. Istodobno, kisik je zaštitna tvar i sprječava utjecaj vlage na metal.

Devedeset i četvrti element reagira s kiselinama, kisikom i njihovim parama, ali ne i s alkalijama. Plutonij je visoko topljiv samo u vrlo kiselim medijima (na primjer, klorovodična kiselina HCl), a također je topiv u klorovodiku, jodovodiku, bromovodiku, 72% perklornoj kiselini, 85% ortofosfornoj kiselini H3PO4, koncentriranoj CCl3COOH, sulfaminskoj kiselini i kipućoj koncentrirana dušična kiselina. Plutonij se ne otapa značajno u otopinama lužina.

Kada se otopine koje sadrže četverovalentni plutonij izlože alkalijama, taloži se talog plutonijevog hidroksida Pu(OH)4 xH2O, koji ima bazična svojstva. Kada se otopine soli koje sadrže PuO2+ izlože lužinama, taloži se amfoterni hidroksid PuO2OH. Odgovaraju soli - plutoniti, na primjer, Na2Pu2O6.

Plutonijeve soli lako hidroliziraju u kontaktu s neutralnim ili alkalnim otopinama, stvarajući netopljivi plutonijev hidroksid. Koncentrirane otopine plutonija nestabilne su zbog radiolitičke razgradnje koja dovodi do taloženja.

Metalni plutonij koristi se u nuklearnom oružju i služi kao nuklearno gorivo. Plutonijevi oksidi koriste se kao izvor energije za svemirsku tehnologiju i nalaze svoju primjenu u gorivim šipkama. Plutonij se koristi za napajanje svemirskih letjelica. Jezgre plutonija-239 sposobne su za nuklearnu lančanu reakciju kada su izložene neutronima, pa se ovaj izotop može koristiti kao izvor atomske energije. Češća upotreba plutonija-239 u nuklearnim bombama posljedica je činjenice da plutonij zauzima manji volumen u kugli, pa je zbog tog svojstva moguće dobiti na eksplozivnoj snazi ​​bombe. Jezgra plutonija tijekom nuklearne reakcije u prosjeku emitira oko 2,895 neutrona u odnosu na 2,452 neutrona za uran-235. Međutim, trošak proizvodnje plutonija otprilike je šest puta veći od troška proizvodnje urana-235.

Izotopi plutonija našli su svoju primjenu u sintezi transplutonijevih elemenata. Tako su miješani oksid plutonija-242 2009. i bombardiranje ionima kalcija-48 2010. istog izotopa korišteni za proizvodnju ununkvadija. U Nacionalnom laboratoriju Oak Ridge, dugotrajno neutronsko zračenje Pu koristi se za proizvodnju 24496Cm, 24296Cm, 24997Bk, 25298Cf te 25399Es i 257100Fm. Uz iznimku Pu, svi preostali transuranijevi elementi proizvedeni su u prošlosti u istraživačke svrhe. Zahvaljujući neutronskom hvatanju izotopa plutonija 1944. G. T. Seaborg i njegova grupa dobili su prvi izotop americija 24195Am Am). Da bi se potvrdilo da postoji samo 14 aktinida, 1966. godine u Dubni je pod vodstvom akademika G. N. Flerova izvršena sinteza jezgri rutherfordija:

24294Pu + 2210Ne → 260104Rf + 4n.

δ-stabilizirane legure plutonija koriste se u proizvodnji gorivih ćelija, budući da imaju bolja metalurška svojstva u usporedbi s čistim plutonijem, koji prolazi kroz fazne prijelaze kada se zagrijava.

"Ultra čisti" plutonij koristi se u nuklearnom oružju američke mornarice i koristi se na brodovima i podmornicama pod olovnom nuklearnom zaštitom, što smanjuje dozno opterećenje posade.

Plutonij-238 i plutonij-239 su najčešće sintetizirani izotopi.

• Prva nuklearna naprava na bazi plutonija detonirana je 16. srpnja 1945. na poligonu Alamogordo.

Nuklearno oružje

Plutonij se vrlo često koristio u nuklearnim bombama. Povijesna je činjenica da su Sjedinjene Države 1945. bacile nuklearnu bombu na Nagasaki. Bomba bačena na ovaj grad sadržavala je 6,2 kg plutonija. Snaga eksplozije bila je 21 kilotona. Do kraja 1945. umrlo je 60-80 tisuća ljudi. Nakon 5 godina, ukupan broj smrtnih slučajeva, uključujući smrt od raka i druge dugotrajne posljedice eksplozije, mogao je dosegnuti ili čak premašiti 140.000.

Princip po kojem je došlo do nuklearne eksplozije koja uključuje plutonij bio je dizajn nuklearne bombe. “Jezgru” bombe činila je kugla napunjena plutonijem-239, koja je u trenutku udarca u tlo kompresirana na milijun atmosfera zbog dizajna i zahvaljujući eksplozivu koji okružuje ovu kuglu. Nakon udara jezgra se proširila volumenom i gustoćom nekoliko desetaka mikrosekundi, dok je stlačivi sklop preskočio kritično stanje na toplinskim neutronima i postao značajno superkritičan na brzim neutronima, odnosno započela je lančana nuklearna reakcija uz sudjelovanje neutrona i jezgre elementa. Treba uzeti u obzir da bomba nije trebala eksplodirati prije vremena. Međutim, to je praktički nemoguće, jer da bi se plutonijska kugla stisnula za samo 1 cm u deset nanosekundi, potrebno je toj tvari dati ubrzanje desetke trilijuna puta veće od ubrzanja gravitacije. Tijekom konačne eksplozije nuklearne bombe temperatura se penje na desetke milijuna stupnjeva. Treba napomenuti da je u naše vrijeme 8-9 kg ovog elementa dovoljno za stvaranje punopravnog nuklearnog naboja.

Samo jedan kilogram plutonija-239 može izazvati eksploziju koja je ekvivalentna 20.000 tona TNT-a. Čak i 50 g elementa tijekom fisije svih jezgri proizvest će eksploziju jednaku detonaciji 1000 tona TNT-a. Ovaj je izotop jedini prikladan nuklid za upotrebu u nuklearnom oružju, budući da će prisutnost najmanje 1% Pu dovesti do stvaranja velikog broja neutrona, što neće omogućiti učinkovitu uporabu sheme punjenja topa za nuklearnu bombu . Preostali izotopi razmatraju se samo zbog svojih štetnih učinaka.

Plutonij-240 može biti prisutan u nuklearnoj bombi u malim količinama, ali ako se njegov sadržaj poveća, doći će do preuranjene lančane reakcije. Ovaj izotop ima veliku vjerojatnost spontane fisije, što onemogućuje njegovo zadržavanje u velikom postotku u fisijskom materijalu.

Prema Al-Jazeeri, Izrael ima oko 118 bojevih glava koje sadrže plutonij kao radioaktivnu tvar. Vjeruje se da Južna Koreja ima oko 40 kg plutonija, dovoljno za proizvodnju 6 nuklearnih projektila. IAEA je 2007. procijenila da je plutonij proizveden u Iraku dovoljan za dvije nuklearne bojeve glave godišnje. Pakistan je 2006. započeo izgradnju nuklearnog reaktora koji će proizvoditi oko 200 kg radioaktivnog elementa godišnje. Što se tiče broja nuklearnih bojevih glava, ta brojka će biti otprilike 40-50 bombi.

Nekoliko je ugovora potpisano između Rusije i Sjedinjenih Država tijekom prvog desetljeća 21. stoljeća. Tako je, naime, 2003. godine potpisan sporazum o preradi 68 tona plutonija u NE Balakovo u MOX gorivo do 2024. godine. Godine 2007. zemlje su potpisale plan za Rusiju da se riješi 34 tone plutonija stvorenog za ruske programe naoružanja. Godine 2010. potpisan je sporazum o zbrinjavanju nuklearnog oružja, posebice plutonija, čija bi količina bila dovoljna za proizvodnju 17 tisuća nuklearnih bojevih glava.

U 2010., 17. studenog, potpisan je sporazum između Sjedinjenih Država i Kazahstana o zatvaranju industrijskog nuklearnog reaktora BN-350 u gradu Aktau, koji je proizvodio električnu energiju koristeći plutonij. Ovaj reaktor bio je prvi pilot reaktor na brzim neutronima u svijetu i Kazahstanu; Njegov radni vijek trajao je 27 godina.

Nuklearna kontaminacija

U razdoblju kada su započela nuklearna testiranja na bazi plutonija i kada su se njegova radioaktivna svojstva tek počela proučavati, u atmosferu je ispušteno preko 5 tona elementa. Od 1970-ih udio plutonija u radioaktivnom onečišćenju Zemljine atmosfere počeo je rasti.

Plutonij je stigao do sjeverozapadnog Tihog oceana uglavnom kroz nuklearna testiranja. Povećani sadržaj elementa objašnjava se američkim provođenjem nuklearnih pokusa na području Maršalovih otoka na poligonu u Tihom oceanu 1950-ih. Glavno onečišćenje iz ovih ispitivanja dogodilo se 1960. godine. Na temelju procjena znanstvenika, prisutnost plutonija u Tihom oceanu povećana je u usporedbi s općom raspodjelom nuklearnih materijala na Zemlji. Prema nekim izračunima, doza zračenja od cezija-137 na atolima Maršalovih otoka je približno 95%, a preostalih 5 su izotopi stroncija, americija i plutonija.

Plutonij se u oceanu prenosi kroz fizičke i biogeokemijske procese. Vrijeme zadržavanja plutonija u površinskim oceanskim vodama kreće se od 6 do 21 godine, što je općenito kraće od vremena zadržavanja cezija-137. Za razliku od ovog izotopa, plutonij je element koji djelomično reagira s okolinom i tvori 1-10% netopljivih spojeva od ukupne mase otpuštene u okolinu. Plutonij u oceanu pada na dno zajedno s biogenim česticama iz kojih se mikrobnom razgradnjom reducira u topljive oblike. Najčešći njegovi izotopi u morskom okolišu su plutonij-239 i plutonij-240.

U siječnju 1968. američki zrakoplov B-52 s četiri nuklearna oružja srušio se na led u blizini Thulea na Grenlandu nakon neuspješnog slijetanja. Sudar je izazvao eksploziju i fragmentaciju oružja, oslobađajući plutonij na santu leda. Nakon eksplozije srušio se gornji sloj kontaminiranog snijega te je nastala pukotina kroz koju je plutonij ušao u vodu. Kako bi se smanjile štete u prirodi, prikupljeno je oko 1,9 milijardi litara snijega i leda koji bi mogli biti radioaktivno zagađeni. Naknadno se pokazalo da jedna od četiri optužbe nikada nije pronađena.

Poznat je slučaj kada je sovjetska svemirska letjelica Cosmos-954 24. siječnja 1978., s nuklearnim izvorom energije na brodu, pala na kanadski teritorij tijekom nekontroliranog deorbite. Ovaj incident rezultirao je ispuštanjem 1 kg plutonija-238 u okoliš na površini od oko 124.000 m².

Otpuštanje plutonija u okoliš nije povezano samo s incidentima koje je uzrokovao čovjek. Poznati su slučajevi curenja plutonija iz laboratorijskih i tvorničkih postavki. Dogodila su se oko 22 slučajna curenja urana-235 i plutonija-239 iz laboratorija. Tijekom 1953.-1978. nesreće rezultirale su gubitkom od 0,81 do 10,1 kg Pu. Industrijski incidenti rezultirali su ukupno dvije smrti u Los Alamosu zbog dvije nesreće i gubitka 6,2 kg plutonija. U gradu Sarovu 1953. i 1963. god. oko 8 i 17,35 kg palo je izvan nuklearnog reaktora. Jedan od njih doveo je do uništenja nuklearnog reaktora 1953. godine.

Razine izotopske radioaktivnosti od travnja 1986.

Poznat je slučaj nesreće u nuklearnoj elektrani Černobil, koja se dogodila 26. travnja 1986. godine. Kao posljedica uništenja četvrtog agregata, u okoliš je ispušteno 190 tona radioaktivnih tvari na površini od oko 2200 km². Osam od 140 tona radioaktivnog goriva reaktora završilo je u zraku. Kontaminirano područje iznosilo je 160.000 km². Za otklanjanje posljedica mobilizirana su značajna sredstva, u otklanjanju posljedica nesreće sudjelovalo je više od 600 tisuća ljudi. Ukupna aktivnost tvari ispuštenih u okoliš iznosila je prema različitim procjenama do 14×10 Bq, uključujući:

• 1.8 EBq 13153I,
• 0,085 EBq 13755Cs,
• 0,01 EBq 9038Sr
• 0,003 EBq izotopa plutonija,
• plemeniti plinovi činili su oko polovicu ukupne aktivnosti.

Trenutno većina stanovnika kontaminirane zone prima manje od 1 mSv godišnje iznad prirodne pozadine.

Izvor energije i topline

Kao što je poznato, nuklearna energija se koristi za pretvaranje u električnu energiju zagrijavanjem vode, koja, isparavajući i stvarajući pregrijanu paru, okreće lopatice turbina električnih generatora. Prednost ove tehnologije je nepostojanje bilo kakvih stakleničkih plinova koji štetno utječu na okoliš. Od 2009. godine 438 nuklearnih elektrana diljem svijeta proizvodilo je približno 371,9 GW električne energije. No, nedostatak nuklearne industrije je nuklearni otpad, kojeg se godišnje preradi oko 12.000 tona, a ta količina otpadnog materijala predstavlja prilično težak zadatak za zaposlenike nuklearnih elektrana. Do 1982. procijenjeno je da je akumulirano oko 300 tona plutonija.

Tableta plutonij-238 dioksida.

Žuto-smeđi prah, koji se sastoji od plutonijevog dioksida, može izdržati zagrijavanje do temperatura od 1200 °C. Sinteza spoja odvija se razgradnjom plutonijevog tetrahidroksida ili tetranitrata u atmosferi kisika:

.

Dobiveni prah čokoladne boje se sinterira i zagrijava u struji vlažnog vodika do 1500 °C. Time se proizvode tablete gustoće 10,5-10,7 g/cm³, koje se mogu koristiti kao nuklearno gorivo. Plutonijev dioksid je najstabilniji i najinertniji od plutonijevih oksida te se zagrijavanjem na visoke temperature raspada na svoje komponente, pa se koristi u preradi i skladištenju plutonija, te njegovoj daljnjoj uporabi kao izvor električne energije. Jedan kilogram plutonija je ekvivalentan približno 22 milijuna kWh toplinske energije.

SSSR je proizveo nekoliko Topaz RTG-ova, koji su bili namijenjeni proizvodnji električne energije za svemirske letjelice. Ovi su uređaji dizajnirani za rad s plutonijem-238, koji je α-emiter. Nakon raspada Sovjetskog Saveza, Sjedinjene Države kupile su nekoliko ovih uređaja kako bi proučile njihov dizajn i daljnju upotrebu u svojim dugoročnim svemirskim programima.

RTG sonda New Horizons.

Polonij-210 mogao bi se nazvati potpuno dostojnom zamjenom za plutonij-238. Njegov toplinski učinak je 140 W/g, a samo jedan gram može zagrijati do 500 °C. Međutim, zbog iznimno kratkog vremena poluraspada za svemirske misije, upotreba ovog izotopa u svemirskoj industriji ozbiljno je ograničena.

Plutonij-238 se koristio kao izvor energije za sondu tijekom lansiranja sonde New Horizons na Pluton 2006. godine. Generator radioizotopa sadržavao je 11 kg Pu dioksida visoke čistoće, koji je proizveo prosječno 220 W električne energije tijekom cijelog putovanja. Bilo je zabrinutosti zbog neuspješnog lansiranja sonde, no ono se ipak dogodilo. Nakon lansiranja sonda je zahvaljujući gravitacijskim silama Zemlje postigla brzinu od 36.000 mph. Godine 2007. gravitacijski manevar oko Jupitera povećao je njegovu brzinu za dodatnih 9000 milja, što mu je omogućilo da se maksimalno približi Plutonu u srpnju 2015. i zatim nastavi svoje promatranje Kuiperovog pojasa.

Sonde Galileo i Cassini također su bile opremljene izvorima energije temeljenim na plutoniju. Izotop će se također koristiti u budućim misijama, primjerice, rover Curiosity dobivat će energiju iz plutonija-238. Njegovo spuštanje na površinu Marsa planirano je za kolovoz 2012. godine. Rover će koristiti najnoviju generaciju RTG-a, nazvanu Multi-Mission Radioisotope Thermoelectric Generator. Ovaj uređaj će proizvoditi 125 W električne energije, a nakon 14 godina 100 W. Za rad rovera proizvest će se 2,5 kWh energije iz nuklearne fisije. Plutonij-238 je optimalni izvor energije, oslobađajući 0,56 W g. Korištenjem ovog izotopa s olovnim teluridom, koji se koristi kao termoelektrični element, formira se vrlo kompaktan i dugotrajan izvor električne energije bez ikakvih pokretnih dijelova strukture, što omogućuje “štednju” prostora svemirske letjelice.

RTG SNAP-27, korišten u misiji Apollo 14.

Nekoliko kilograma PuO 2 korišteno je ne samo u Galileu, već iu nekim od misija Apollo. Generator SNAP-27, čija je toplinska i električna snaga iznosila 1480 W odnosno 63,5 W, sadržavao je 3,735 kg plutonij-238 dioksida. Kako bi se smanjio rizik od eksplozije ili drugih mogućih nesreća, korišten je berilij kao element otporan na toplinu, lagan i izdržljiv. SNAP-27 bio je posljednji tip generatora koji je NASA koristila za svemirske misije; prethodne vrste koristile su druge izvore električne energije.

Tijekom pasivnog seizmičkog eksperimenta na Mjesecu, misija Apollo 11 koristila je dva radioizotopska izvora topline od 15 W koji su sadržavali 37,6 g plutonijevog dioksida u obliku mikrosfera. Generator je korišten u misijama Apollo 12, 14, 15, 16, 17. Dizajniran je za opskrbu električnom energijom znanstvene opreme instalirane na svemirskim letjelicama. Tijekom misije Apolla 13, lunarni modul je skrenuo sa svoje putanje, zbog čega je izgorio u gustim slojevima atmosfere. Unutar SNAP-27 korišten je gore spomenuti izotop koji je okružen materijalima otpornim na koroziju i u njima će biti pohranjen još 870 godina.

Plutonij-236 i plutonij-238 koriste se za proizvodnju nuklearnih električnih baterija, čiji vijek trajanja doseže 5 godina ili više. Koriste se u generatorima struje koji stimuliraju srce. Od 2003. bilo je 50-100 ljudi u Sjedinjenim Državama s plutonijskim srčanim stimulatorom. Korištenje plutonija-238 može se proširiti na odijela ronilaca i astronauta. Berilij se zajedno s navedenim izotopom koristi kao izvor neutronskog zračenja.

Velika Britanija je 2007. započela s rušenjem najstarije nuklearne elektrane na plutonij Calder Hall, koja je s radom započela 17. listopada 1956., a završila 29. rujna 2007.

Breeder reaktori

Shematski prikaz oplodnih reaktora brzih neutrona s tekućim metalnim rashladnim sredstvom, s integralnim i petljnim rasporedom opreme.

Za proizvodnju velikih količina plutonija grade se oplemenjivački reaktori koji omogućuju proizvodnju značajnih količina plutonija. Reaktori se nazivaju "uzgajivačima" jer je uz njihovu pomoć moguće dobiti fisijski materijal u količinama koje premašuju troškove njegove proizvodnje.

U SAD-u su prvi reaktori ovog tipa počeli graditi prije 1950. U SSSR-u i Velikoj Britaniji njihova gradnja započela je početkom 1950-ih. Međutim, prvi reaktori stvoreni su za proučavanje neutronskih karakteristika reaktora s tvrdim spektrom neutrona. Dakle, prvi uzorci nisu trebali pokazati velike proizvodne količine, već mogućnost implementacije tehničkih rješenja sadržanih u prvim reaktorima ovog tipa.

Razlika između reaktora za odmrzavanje i konvencionalnih nuklearnih reaktora je u tome što se neutroni u njima ne usporavaju, odnosno ne postoji moderator neutrona kako bi što više njih reagiralo s uranom-238. Nakon reakcije nastaju atomi urana-239, koji zatim formiraju plutonij-239. U takvim reaktorima središnji dio koji sadrži plutonij dioksid u osiromašenom uran dioksidu okružen je omotačem od još više osiromašenog urana-238 dioksida, u kojem se stvara Pu. Koristeći uran i uran zajedno, takvi reaktori mogu proizvesti 50-60 puta više energije iz prirodnog urana, čime se omogućuje korištenje rezervi uranovih ruda koje su najprikladnije za preradu. Faktor razmnožavanja izračunava se omjerom proizvedenog i potrošenog nuklearnog goriva. Međutim, postizanje visokih reproduktivnih stopa nije lak zadatak. Gorivne šipke u njima moraju se hladiti nečim drugim osim vodom, što smanjuje njihovu energiju. Predložena je uporaba tekućeg natrija kao rashladnog elementa. Reaktori za razmnožavanje koriste uran-235 obogaćen na više od 15% po masi kako bi se postiglo potrebno neutronsko zračenje i faktor razmnožavanja od približno 1-1,2.

Trenutno je ekonomski isplativije dobiti uran iz uranove rude obogaćene do 3% s uranom-235 nego umnožiti uran u plutonij-239 pomoću urana-235 obogaćenog za 15%. Jednostavno rečeno, prednost uzgajivača je mogućnost, tijekom rada, ne samo za proizvodnju električne energije, već i za korištenje urana-238, koji je neprikladan kao nuklearno gorivo.