Plutonij je srebrno-bijeli metal, koji potamni u dodiru sa zrakom, stvarajući tanki sloj oksida. Taj kemijski element ima šest alotropskih modifikacija i četiri oksidacijska stanja. Reagira s ugljikom, halogenim elementima, dušikom i silicijem. Kada je izložen vlažnom zraku, stvara okside i hidride, koji povećavaju obujam uzorka i do 70%. Plutonij se taloži u tijelu u koštanoj srži i ostalim organima, gdje je vrlo opasan zbog emitiranja alfa-čestica.
mini|desno|200px|Prsten oružnog razreda (99,96% čistog električno pročišćenog) plutonija, dostatan za jednu jezgru bombe. Prsten teži 5,3 kg, a promjera je 11 cm (i prstenasta oblika) radi sigurnosti od kritične mase Ime je dobio po patuljastom planetu Plutonu. Umjetni izotop plutonij-239 mora se spremati u nekompaktnim, odvojenim komadima manjim od 300 g jer bi inače moglo doći do kritičnosti, uz oslobađanje opasnih količina ionizirajućeg zračenja i topline.
Plutonij se koristi i kao nuklearno gorivo za nuklearne elektrane te ima visoku radioaktivnost. Plutonij se može koristiti i kao nuklearni eksploziv; 1 kilogram plutonija stvara eksploziju ekvivalentnu 20 000 tona TNT-a. Plutonij se koristio u Apollo letovima kao izvor energije za seizmičke naprave i drugu opremu koja je ostavljena na Mjesecu. Komad plutonija je topao na dodir zbog energije oslobođene alfa-raspadom.
Najvažniji izotop je plutonij-239 koji ima dugo vrijeme poluraspada od 24 110 godina i veliku primjenu za izradu nuklearnih bojnih glava, ali i za industrijsku, mirnodopsku upotrebu atomske energije u nuklearnim elektranama. Plutonij nastaje kao proizvod raspada uranija u brzim oplodnim reaktorima, u kojima se koristi neobogaćeni uranij-238. Radom reaktora neprekidno se stvara energetski visokoefikasan plutonij, koji pojačava i održava neprekinuti tijek kontrolirane nuklearne lančane reakcije. "Nuklearni gorivni ciklus"
Plutonij-238 se koristi u minijaturnim nuklearnim reaktorima za napajanje svemirskih letjelica. Plutonij-240 ima visok stupanj spontane nuklearne fisije, povećavajući protok neutrona. Prisustvo plutonija-240 smanjuje učinak nuklearnog oružja i nuklearnog goriva, pa zato njegovog postotak određuje čistoću nekog nuklearnog goriva.
Veće količine (oko 20 tona godišnje) proizvode se u brzim oplodnim reaktorima, reakcijama u kojima spori (termalni) neutroni bombardiraju jezgre uranija-238 i uzrokuju njihov raspad.
Prvi put je proizveden u Berkeleyju 1940. pod vodstvom Glenna Seaborga, E.M. McMillana, J.W. Kennedyja i A.C. Wahla, bombardiranjem mete uranija deuteronom ubrzanim u ciklotronu. Proizvodnja plutonija je bio jedan od glavnih zadataka projekta Manhattan za vrijeme Drugog svjetskog rata, Druga atomska bomba, koja je pala na Nagasaki ("Debeljko"), imala je jezgru od elementarnog plutonija-239 legiranog s galijem.
Svojstva plutonija
Fizikalna svojstva Plutonij je težak, srebrno-bijeli metal, sličnog izgleda kao nikal, ali brzo potamni u dodiru sa zrakom, stvarajući tanki sivkasti sloj oksida. Na sobnoj temperaturi ima oblik α-plutonij, što je i njegova najčešća faza. Ona je po tvrdoći i krtosti slična sivom lijevu, a samo s legirnim dodacima postaje mekša i žilavija. Za razliku od drugih metala, plutonij nije dobar provodnik topline i električne struje. Ima nisko talište (640 °C), ali zato ima izuzetno visoko vrelište (3327 °C).
Podložan je djelovanju pare, kisika i kiselina, ali ne i lužina. Elementarni plutonij čuva se u vakuumu ili u inertnoj atmosferi da se spriječe kemijske reakcije sa zrakom. "Plutonij, Pu", Periodni sustav elemenata, 2011. mini|desno|250px|Plutonij ima 6 alotropskih modifikacija kod normalnog tlaka: alpha (α), beta (β), gamma (γ), delta (δ), delta prime (δ'), & epsilon (ε) mini|desno|250px|Nuklearna lančana reakcija uranij-plutonij i torij-uranij Veći komad plutonija ili njegovog spoja je topao na dodir zbog energije oslobođene alfa-raspadom. Pet kilograma plutonija-239 sadrži oko 12,5 × 1024 atoma. Ima vrijeme poluraspada 24 100 godina, što znači da se svake sekunde raspadne 11,5 × 1012 atoma plutonija-239, oslobađajuci alfa-čestice s energijom 5,157 MeV, što je količina snage od 9,68 W.
Električni otpor plutonija na sobnim temperaturama je vrlo visok, što je neobično za metale. On se čak povećava na nižim temperaturama, sve do 100 K, gdje se naglo smanjuje, sve do 20 K gdje opet raste. Za razliku od drugih metala, plutoniju se povećava gustoća nakon što se otopi, i to za oko 2,5%. Blizu tališta on ima isto vrlo visoku viskoznost i površinsku napetost s obzirom na druge metale. NIH contributors, publisher = U.S. National Library of Medicine, National Institutes of Health, "Plutonium, Radioactive", 2008."Nitric acid processing" journal = Actinide Research Quarterly, ARQ staff, 2008., publisher = Los Alamos National Laboratory, 2010.
Alotropija Plutonij ima 6 alotropskih modifikacija kod standardnog tlaka i sedmu (zeta, ζ) na višim temperaturama i samo u uskom području. Te alotropske modifikacije koje imaju različitu strukturu, imaju vrlo sličnu unutarnju energiju, ali se gustoća znatno mijenja i kristalna rešetka. Zato je plutonij vrlo osjetljiv na promjene temperature, tlaka i na različite kemijske reakcije, kada mu se obujam može znatno promijeniti. Gustoća se na primjer mijenja od 16,00 g/cm3 do 19.86 g/cm3. "Plutonium: A Wartime Nightmare but a Metallurgist's Dream" Baker Richard D., Hecker, Siegfried S.; Harbur, Delbert R., journal = Los Alamos Science, 1983., publisher = Los Alamos National Laboratory, 2009.
Na sobnoj temperaturi ima oblik α-plutonij, što je i njegova najčešća faza. δ -plutonij postoji na temperaturama od 310 °C do 452 °C, ali može biti i na sobnim temperaturama, ako se plutoniju doda malo galija, aluminija ili cerija, što mu omogućuje i da bude zavaren. δ -plutonij ima više metalni karakter, što ga čini po svojstvima sličnim aluminiju. Kod nuklearnih bombi, eksplozivni udarni val sabija kristalnu rešetku plutonija, što mijenja δ –plutonij u α-plutonij, pomažući da lakše dostigne superkritičnost.
Nuklearna fisija Do nuklearne eksplozije dolazi kada se stvori tzv. kritična masa, tj. kada broj nastalih neutrona postane veći od broja apsorbiranih i izazove nuklearnu lančanu reakciju. Najvažniji je izotop plutonij-239, koji nastaje u nuklearnom reaktoru djelovanjem neutrona na uranij-238; njegovo vrijeme poluraspada iznosi 24 360 godina. Plutonij tvori slične spojeve kao i uranij. Upotrebljava se kao nuklearno gorivo i kao eksploziv u atomskim bombama. "Plutonium is also a superconductor", publisher=PhysicsWeb.org, Dumé Belle, 2002. "Fissile Material", work = Radiation Glossary, publisher = United States Environmental Protection Agency, 2008.,EPA contributors
Plutonij-240 ima visok stupanj spontane nuklearne fisije, povećavajući protok neutrona. Prisustvo plutonija-240 smanjuje učinak nuklearnog oružja i nuklearnog goriva, pa zato njegovog postotak određuje čistoću nekog nuklearnog goriva. Plutonij za nuklearno oružje mora imati manje od 7% plutonija-240. Plutonij za nuklearne reaktore ima plutonija-240 od 7% do 19%. Plutonij s čistoćom manjom od 4% plutonija-240 koristi ratna mornarica SAD-a za nuklearno oružje. Plutonij-238 nije fisibilan, ali može stvoriti nuklearnu lančanu reakciju s brzim neutronima, stvarajuci alfa-čestice.
Izotopi Poznato je dvadeset radioaktivnih izotopa plutonija s masenim brojevima od 228 do 247, među kojima je najstabilniji izotop plutonij-244 s vremenom poluraspada od 80,8 milijuna godina i plutonij-239 s vremenom poluraspada od 24 110 godina. Svi ostali izotopi plutonija imaju vrijeme poluraspada manje od 7000 godina. Zapaženo je da se izotopi plutonij-236, Pu-237, Pu-238, Pu-239, Pu-240, Pu-242 i Pu-244 raspadaju spontanom nuklearnom fisijom i emitiraju alfa-čestice, stvarajući izotope uranija i neptunija. Izotopi plutonija koji imaju atomsku masu veću od 244 uglavnom stvaraju beta-čestice, stvarajući americij. Plutonij-241 je polazni izotop u neptunijevom nizu radioaktivnog raspada. NNDC contributors, Alejandro A. Sonzogni, "Chart of Nuclides", publisher = National Nuclear Data Center, Brookhaven National Laboratory, 2008.
Plutonij-238 i Pu-239 su najviše umjetno korišteni izotopi. Pu-239 se dobiva umjetnim putem iz uranija-238 i bombardiranjem sporim neutronima, a nastaju beta-čestice i neptunij kao međuizotop.
Neutroni koji nastaju nuklearnom fisijom uranija-235 budu uhvaćeni od jezgre atoma uranija-238, stvarajući tako uranij-239 i beta raspadom pretvara neutron u proton stvarajući neptunij-239 (vrijeme poluraspada 2,36 dana), pa nakon sljedećeg beta raspada nastaje plutonij-239.
Plutonij-238 nastaje bombardiranjem uranija-238 s deuterijem (D – jezgra teškog vodika):
U tom postupku, deuterij bombardira uranij-238, stvarajući dva neutrona i neptunij-238, koji spontanom nuklearnom fisijom se raspada na plutonij-238, stvarajući beta-čestice.
Toplina nuklearne fisije Kod nuklearne fisije plutonijevih izotopa nastaje toplina nuklearne fisije. Različiti izotopi stvaraju drukčiji iznos toplinske snage po masi, a obično se izražava s W/kg ili mW/g. Svi izotopi stvaraju i slabo gama zračenje.
+ Toplina nuklearne fisije plutonijevih izotopa "Can Reactor Grade Plutonium Produce Nuclear Fission Weapons?", 2001., publisher=Council for Nuclear Fuel Cycle Institute for Energy Economics, Japan Izotop Vrsta raspada Vrijeme poluraspada (godine) Toplinska snaga nuklearne fisije (W/kg) Neutroni koji nastaju spontanom fisijom (1/(g·s)) Bilješke Pu-238 alfa-raspad u U-234 87,74 560 2600 Vrlo visoka toplina nuklearne fisije. Čak i male količine uzrokuju znatno samozagrijavanje. Koristi se za radioizotopne termoelektrične generaotre. Pu-239 alfa-raspad u U-235 24110 1,9 0,022 Najkorisniji radioizotop plutonija. Koristi se kao dodatak u MOX gorivima. Pu-240 alfa-raspad u U-236, samoodržavajuća fisija 6560 6,8 910 Zbog visoke spontane fisije sprječava korištenje u vojne svrhe, pa je njegov udjel upravo nečistoća u plutoniju koji se koristi u vojne svrhe. Pu-241 beta-raspad u Am-241 14,4 4,2 0,049 Raspada se u americij-241; stvara opasnost od radijacije na starijim uzorcima. Pu-242alfa-raspad u U-238 376000 0,1 1700 mini|desno|250px|Različita oksidacijska stanja plutonija u otopini mini|desno|250px|CANDU nuklearno gorivo mini|desno|250px|Atomska bomba s implozijom Americij-241 nastaje nuklearnom fisijom plutonija-241, a ima vrijeme poluraspada 430 godina i 1,2 samoodržavajućih fisija po gramu i u sekundi, te toplinu nuklearne fisije 114 W/kg. Taj izotop stvara vrlo prodorne gama zrake, tako da dodatno ugrožava osoblje i strukturu.
Kemijski spojevi Plutonij u vodenoj otopini može imati oksidacijske brojeve +3, +4, +5 i +6, a spojevi u kojima je +3 i +4 su najstabilniji. Elektrolitičkom oksidacijom može se dobiti i nestabilno stanje +7. U kiselim otopinama mogu postojati razni plutonijevi ioni: ljubičasto-plavi PU3+, žuto-smeđi do zeleni Pu4+, ružičasti do narančasti PuO+ i PUO2+. Pri određenoj pH vrijednosti otopine hidroliziraju; tako npr. ioni Pu3+ hidroliziraju pri pH=7, a ioni PUO+2 pri pH=9.
Metalni plutonij proizvodi se reakcijom PuF3, bilo s litijem, kalcijem ili barijem pri 1200 °C.
Važniji spojevi plutonija: Plutonijevi(III)-halogenidi (PuF3, PuCl3, PuBr3, PuI3) i plutonijevi(IV)-halogenidi (PuF4, PuCl4) dobivaju se hidrohalogenacijom plutonijevog(IV)-oksida ili plutonijevog(III)-oksalata pri temperaturi od 700 °C, jedino se PuI3 dobiva reakcijom metalnog plutonija s jodovodikom pri 40 °C. Plutonijev(II)-oksid (PuO) nastaje oksidacijom na površini metala izloženoj djelovanju atmosfere, a može se dobiti i izlaganjem plutonijevog oksiklorida parama barija pri temperaturi od 1250 °C. Plutonijev(IV)-oksid (PUO2) ima žuto-zelene do smeđe kristale. Gotovo svi spojevi plutonija prelaze u PUO2 izgaranjem u zraku pri 1000 °C.
Legure