Нептуний и Плутоний
Общие сведения
Нептуний является химическим элементом с атомным номером девяносто три, относящимся к семейству актиноидов. Он представляет собой первый искусственно полученный трансурановый элемент. Достоверное открытие нептуния состоялось в тысяча девятьсот сороковом году благодаря работам Эдвина Макмиллана и Филипа Абельсона, которые облучали ядра урана нейтронами в циклотроне Калифорнийского университета в Беркли. Название элементу было дано в честь планеты Нептун, поскольку он следует за ураном в периодической системе. До этого момента в научном сообществе появлялись ошибочные сообщения об открытии девяносто третьего элемента, которому предлагали названия аусоний, богемий и секваний. Плутоний представляет собой химический элемент с атомным номером девяносто четыре, также принадлежащий к группе актиноидов. Эксперименты по его синтезу интенсивно велись в США в рамках ядерной программы. Окончательно плутоний был открыт в ночь с двадцать третьего на двадцать четвертое февраля тысяча девятьсот сорок первого года исследователями Калифорнийского университета, а официальная публикация состоялась в марте того же года. Элемент получил название в честь карликовой планеты Плутон. Ранее для девяносто четвертого элемента предлагались названия плутий, ультимий и экстремий, так как ошибочно предполагалось, что он станет последним химическим элементом в таблице. В Советском Союзе исследования плутония параллельно велись группой Игоря Курчатова и Виталия Хлопина, и первый советский образец был получен в тысяча девятьсот сорок третьем или тысяча девятьсот сорок четвертом году.
Свойства и характеристики
Нептуний в виде простого вещества представляет собой ковкий, мягкий, тяжелый и плотный металл с серебристым блеском. Он имеет три полиморфные модификации и не обладает стабильными изотопами. Наиболее долгоживущим является изотоп нептуний-двести тридцать семь. По химическим свойствам это типичный актиноид. На воздухе металл покрывается оксидной пленкой, а при высоких температурах окисляется до диоксида. В мелкодисперсном состоянии нептуний способен к самовозгоранию. Элемент растворяется в соляной кислоте и образует оксиды, гидриды, галогениды. Степень окисления варьируется от плюс трех до плюс семи, при этом ионы склонны к гидролизу, диспропорционированию и комплексообразованию. Водные растворы солей нептуния обладают разнообразной окраской, включая фиолетово-голубой, желто-зеленый, голубовато-зеленый и розово-зеленый цвета. Плутоний является тяжелым, хрупким, радиоактивным металлом яркого серебристого цвета, внешне напоминающим железо. Элемент обладает семью аллотропными модификациями. На воздухе металл окисляется, меняя цвет на бронзовый, синий, а затем покрывается черным или зеленым слоем оксидов. Плутоний характеризуется аномальными физическими свойствами: его плотность увеличивается при нагревании до температуры плавления, а удельное электрическое сопротивление максимально при комнатной температуре и продолжает расти при охлаждении. Температура плавления плутония низка для актиноидов, тогда как температура кипения высока. Химически плутоний активен, его высшая степень окисления достигает плюс семи. Он вступает в реакцию с кислородом, реагирует с галогеноводородными, хлорной и ортофосфорной кислотами, но устойчив к воздействию щелочей, а также концентрированных азотной, серной и уксусной кислот. В среде чистого водорода уже при комнатной температуре образуется гидрид плутония. Распад ядер плутония сопровождается испусканием альфа-частиц и значительным выделением тепла, из-за чего металл теплый на ощупь. Плутоний обладает высокой радиотоксичностью и химической токсичностью. Попадая в кровь, плутоний связывается с транспортным белком трансферрином вместо железа, вызывая гипоксию и угнетение иммунной системы. Элемент преимущественно накапливается в костной ткани, период его полувыведения составляет около ста лет, что приводит к тяжелым лучевым поражениям, фиброзу и онкологическим заболеваниям.
Нахождение в природе
Нептуний присутствует в природе в следовых количествах. Незначительные объемы этого элемента образуются в урановых рудах в результате реакций захвата нейтронов. Основная часть современного глобального запаса нептуния, который оценивается примерно в две с половиной тонны, имеет техногенное происхождение. Этот объем образовался вследствие атмосферных испытаний ядерного оружия, проводившихся до тысяча девятьсот шестьдесят третьего года. Природные источники нептуния не имеют практического значения. Плутоний также обнаруживается в природе в микроскопических количествах в урановых рудах, где он синтезируется при захвате нейтронов ядрами урана-двести тридцать восемь с последующим бета-распадом. Идентифицировано четыре природных изотопа плутония, три из которых имеют радиогенное происхождение, а один является нуклидом межзвездного происхождения. В результате проведения сотен ядерных испытаний значительные объемы синтезированного плутония были рассеяны в окружающей среде, что привело к его присутствию в биосфере.
Получение
В настоящее время нептуний извлекается как побочный продукт в процессе переработки отработанного ядерного топлива. Основная ядерная реакция протекает в реакторах на уране-двести тридцать пять. Часть ядер урана захватывает нейтроны без деления, трансформируясь в уран-двести тридцать шесть, а затем в радиоактивный уран-двести тридцать семь, который в результате бета-распада превращается в нептуний-двести тридцать семь. С каждой тонны топлива выделяется приблизительно половина килограмма нептуния. Металлический нептуний получают путем восстановления фторида нептуния парами бария при температуре тысяча шестьсот кельвинов. Плутоний синтезируется в промышленных масштабах в специализированных ядерных реакторах путем облучения изотопа уран-двести тридцать восемь нейтронами. В результате захвата нейтрона образуется уран-двести тридцать девять, который через промежуточную стадию нептуния-двести тридцать девять распадается до плутония-двести тридцать девять. После облучения плутоний выделяют химическими методами, отделяя его от урана и продуктов деления. Исторически массовое производство плутония было организовано в США на Хэнфордском комплексе, а также в СССР на предприятии в городе Озерск. Стоимость производства одного грамма плутония в начале двадцать первого века оценивалась примерно в четыре тысячи долларов США.
Применение
Изотоп нептуний-двести тридцать семь находит применение главным образом как сырье для получения изотопа плутоний-двести тридцать восемь. Плутоний имеет более широкую сферу использования. По изотопному составу он классифицируется на оружейный, топливный, реакторный и сверхчистый. Основным направлением использования оружейного плутония является создание ядерных зарядов. Критическая масса чистого металлического плутония составляет около одиннадцати килограммов. В атомной энергетике плутоний применяется в качестве компонента ядерного топлива для реакторов на быстрых нейтронах. Поскольку чистый плутоний подвержен сильной коррозии и пирофорен, его используют в виде легированных сплавов с ураном, цирконием, титаном, молибденом, алюминием или галлием. Изотоп плутоний-двести тридцать восемь активно применяется в качестве компактного источника автономной энергии. На его основе функционируют радиоизотопные термоэлектрические генераторы, обеспечивающие энергией космические аппараты для дальних исследовательских миссий, а также оборудование луноходов. Ранее небольшие установки на плутонии применялись в кардиостимуляторах и противопожарных датчиках. В целях предотвращения химических реакций при хранении плутоний помещают в оболочки из тантала или вольфрама.