Plutonium

Rozbalit box

Obsah boxu

Plutonium (chemická značka Pu) je radioaktivní transuranický chemický prvek s protonovým číslem 94. Tento stříbřitě šedý kov patří mezi aktinoidy. Na vzduchu rychle oxiduje a pokrývá se matnou vrstvou. Plutonium je známé především pro své využití v jaderných zbraních a jako palivo v jaderných reaktorech. Vykazuje komplexní a neobvyklé fyzikální a chemické vlastnosti, včetně existence šesti alotropických modifikací za normálního tlaku. Kvůli své vysoké radioaktivitě a radiotoxicitě je manipulace s plutoniem velmi nebezpečná.

⏳ Historie

Plutonium poprvé připravil a izoloval tým vědců pod vedením Glenna T. Seaborga a Edwina McMillana na Kalifornské univerzitě v Berkeley 14. prosince 1940. Vzniklo bombardováním uran-238 jádry deuteria v 60palcovém cyklotronu. Tímto procesem nejprve vznikl neptunium-238, které se následně beta rozpadem přeměnilo na prvek s protonovým číslem 94 a atomovou hmotností 238 (dnes známý jako izotop plutonium-238).

Objev byl kvůli druhé světové válce a jeho potenciálnímu vojenskému využití v rámci Projektu Manhattan držen v tajnosti až do roku 1948. Pojmenování navázalo na předchozí prvky uran (pojmenovaný po planetě Uran) a neptunium (pojmenované po planetě Neptun). Logickým nástupcem se stal Pluto, v té době považovaný za devátou planetu Sluneční soustavy.

První viditelné a vážitelné množství (asi 3 mikrogramy) plutonia bylo izolováno v srpnu 1942. Během Projektu Manhattan se rychle rozjela masová výroba, která umožnila vytvoření prvních atomových bomb. Plutoniové jádro bylo použito v bombě "Fat Man", která byla svržena na Nagasaki v srpnu 1945.

⚛️ Fyzikální a chemické vlastnosti

Plutonium je těžký, stříbřitě bílý kov, který na vzduchu rychle ztrácí lesk a mění barvu na šedou, žlutou nebo olivově zelenou v důsledku oxidace. Je to kov s vysokou hustotou, ale špatný vodič tepla a elektřiny. Má relativně nízkou teplotu tání (640 °C) a neobvykle vysokou teplotu varu (3228 °C).

Nejpozoruhodnější vlastností plutonia je jeho existence v mnoha alotropických modifikacích. Za normálního tlaku má šest stabilních alotropů (α, β, γ, δ, δ', ε), přičemž sedmý (ζ) existuje za vysokých teplot a tlaků. Tyto formy mají různé krystalové struktury a hustoty, které se liší až o 25 %. Přechody mezi fázemi jsou velmi citlivé na změny teploty, tlaku a chemického okolí, což značně komplikuje jeho obrábění a zpracování. Například forma α, stabilní při pokojové teplotě, je tvrdá a křehká jako litina, zatímco forma δ je měkká a tvárná.

Chemicky je plutonium velmi reaktivní. Rozpouští se v kyselinách a reaguje s kyslíkem, vodíkem, uhlíkem, křemíkem a halogeny. Na vlhkém vzduchu tvoří oxidy a hydridy, které mohou způsobit až 70% nárůst objemu vzorku, což vede k jeho drolení na jemný, samozápalný (pyroforický) prášek. V roztocích může plutonium existovat v několika oxidačních stavech současně (nejčastěji +3, +4, +5 a +6), které mají charakteristické barvy.

🏭 Výroba

Plutonium se v přírodě vyskytuje jen v zanedbatelném stopovém množství v uranových rudách, kde vzniká záchytem neutronů jádry uranu-238. Prakticky veškeré plutonium na Zemi je vyrobeno uměle v jaderných reaktorech.

Základní proces výroby izotopu plutonia-239 probíhá následovně:

1. Jádro uranu-238, který tvoří většinu jaderného paliva, zachytí neutron. Vznikne tak nestabilní izotop uran-239.
2. Uran-239 se s poločasem rozpadu 23,5 minuty prostřednictvím beta rozpadu přemění na neptunium-239.
3. Neptunium-239 se s poločasem rozpadu 2,36 dne dalším beta rozpadem přemění na plutonium-239.

Tento proces probíhá ve všech reaktorech používajících uranové palivo. Pro vojenské účely se palivové články v reaktoru ozařují jen krátce (několik týdnů až měsíců), aby se minimalizoval vznik nežádoucího izotopu plutonium-240. Pro energetické účely zůstává palivo v reaktoru několik let. Vyhořelé jaderné palivo se následně chemicky přepracovává (např. metodou PUREX), aby se plutonium oddělilo od zbylého uranu a štěpných produktů.

Izotop plutonium-238 se vyrábí ozařováním neptunium-237 v reaktorech.

🔬 Izotopy a jejich využití

Bylo charakterizováno přes dvacet radioizotopů plutonia. Všechny jsou nestabilní. Mezi nejvýznamnější patří:

• Plutonium-238 (²³⁸Pu): Má poločas rozpadu 87,7 let a je silným zdrojem záření alfa. Při svém rozpadu generuje značné množství tepla (cca 0,57 wattu na gram), ale téměř žádné pronikavé záření gama. Díky těmto vlastnostem je ideálním zdrojem energie pro radioizotopové termoelektrické generátory (RTG), které napájí kosmické sondy (např. Voyager, Cassini-Huygens, New Horizons, rover Curiosity) a další zařízení, která musí fungovat dlouhodobě bez údržby, jako jsou kardiostimulátory.

• Plutonium-239 (²³⁹Pu): S poločasem rozpadu 24 110 let je nejdůležitějším izotopem pro vojenské i energetické využití. Je to štěpný materiál, což znamená, že může udržet jadernou řetězovou reakci a je klíčovou složkou většiny moderních jaderných zbraní. Má velmi malou kritickou hmotnost (kolem 11 kg pro holou kouli). V energetice se používá jako palivo v některých typech reaktorů, zejména v tzv. směsném palivu MOX, které obsahuje směs oxidů plutonia a ochuzeného uranu.

• Plutonium-240 (²⁴⁰Pu): Vzniká v reaktorech záchytem neutronu jádrem ²³⁹Pu. Má poločas rozpadu 6 561 let. Vyznačuje se vysokou mírou samovolného štěpení, což znamená, že uvolňuje neutrony bez vnějšího impulsu. Jeho přítomnost v materiálu pro jaderné zbraně je nežádoucí, protože tyto neutrony mohou způsobit předčasnou, neefektivní detonaci ("fizzle"). Podle obsahu ²⁴⁰Pu se plutonium dělí na různé kvality:

   *   Zbraňové (weapon-grade): Obsahuje méně než 7 % 240Pu.
   *   Palivové (fuel-grade): Obsahuje 7–19 % 240Pu.
   *   Reaktorové (reactor-grade): Obsahuje 19 % nebo více 240Pu.

• Plutonium-241 (²⁴¹Pu): Je také štěpný, ale má relativně krátký poločas rozpadu 14,4 let. Beta rozpadem se mění na americium-241, které je silným gama zářičem a zvyšuje radioaktivitu starších vzorků plutonia.

• Plutonium-244 (²⁴⁴Pu): S poločasem rozpadu přibližně 80 milionů let je nejstabilnějším izotopem plutonia. Vyskytuje se v extrémně malých stopových množstvích v přírodě, pravděpodobně jako pozůstatek z doby formování Země.

☢️ Bezpečnost a toxicita

Manipulace s plutoniem je extrémně nebezpečná a vyžaduje přísná bezpečnostní opatření. Nebezpečí plyne ze tří hlavních oblastí:

1. Radiotoxicita: Plutonium je vysoce toxické především při vnitřní kontaminaci (vdechnutí, požití nebo proniknutí do rány). Je to alfa zářič, a přestože záření alfa je zastaveno i listem papíru nebo lidskou pokožkou, při uložení v těle může způsobit vážné poškození buněk. Hromadí se především v kostech a játrech, kde může po letech způsobit rakovinu.

1. Kritičnost: Při nahromadění dostatečného množství štěpného materiálu (jako je ²³⁹Pu) na jednom místě může dojít k samovolnému spuštění neřízené řetězové reakce, tzv. kritické nehodě. Ta je doprovázena intenzivním zábleskem neutronového a gama záření, který může být pro osoby v blízkosti smrtelný. Proto se plutonium musí skladovat a zpracovávat v malých množstvích a ve speciální geometrii, která zabraňuje dosažení kritického množství.

1. Pyroforicita: Jemně rozptýlené plutonium, zejména jeho oxidy a hydridy vznikající na vzduchu, je samozápalné. Požár plutonia je extrémně nebezpečný, protože rozptyluje radioaktivní částice do okolí.

Z těchto důvodů se s plutoniem pracuje výhradně v hermeticky uzavřených gloveboxech s řízenou atmosférou a za použití dálkových manipulátorů.

🧑‍🏫 Pro laiky: Co je plutonium?

Představte si plutonium jako velmi těžký a nestabilní druh "kamene", který se v přírodě téměř nevyskytuje a musí se složitě vyrábět v obrovských strojích zvaných jaderné reaktory.

Tento "kámen" má několik zvláštních vlastností: 1. Je radioaktivní: Neustále z něj vylétávají maličké, neviditelné částice. Samo o sobě hřeje – větší kus by dokázal uvařit vodu jen tím, že existuje. Tyto částice jsou nebezpečné, pokud se dostanou dovnitř těla, například dýcháním prachu. Proto s ním vědci pracují jen přes tlusté sklo a v rukavicích zabudovaných do stěny (tzv. glovebox). 2. Může se štěpit: Jeden z jeho druhů, plutonium-239, je jako "energetická konzerva". Když do něj narazí správná částice (neutron), rozpadne se na dva menší kusy, uvolní obrovské množství energie a vystřelí další částice, které mohou rozbít další atomy plutonia. Tomu se říká řetězová reakce. Pokud je reakce pomalá a řízená, vyrábí elektřinu v jaderné elektrárně. Pokud je velmi rychlá a neřízená, dojde k obrovskému výbuchu jako v atomové bombě. 3. Je to zdroj energie pro vesmírné sondy: Jiný druh, plutonium-238, se sice nehodí pro bomby, ale zato spolehlivě a dlouho hřeje. Vědci toto teplo používají k výrobě elektřiny pro sondy, které letí daleko od Slunce a nemohou používat solární panely. Díky plutoniu tak máme fotky z Marsu nebo od trpasličí planety Pluto.

Stručně řečeno, plutonium je člověkem vytvořená látka s obrovským energetickým potenciálem, která může sloužit jako zdroj čisté energie a pro výzkum vesmíru, ale zároveň je jednou z nejnebezpečnějších látek, jaké známe, a klíčovou složkou jaderných zbraní.

Zdroje

Royal Society of Chemistry - Plutonium World Nuclear Association - Plutonium Wikipedia - Plutonium U.S. Nuclear Regulatory Commission - What is Plutonium? CDC - Plutonium IAEA - Safe Handling of Plutonium OSTI.gov - Manhattan Project: Plutonium Production