Thực đơn
Plutoni
Plutoni có màu trắng bạc sáng ban đầu nhìn thì rất giống niken, nhưng nó bị ôxy hóa rất nhanh trong không khí làm chuyển sang màu xám tối, mặc dù đôi khi cũng gặp màu lục xanh oliu và lục vàng.[5][6] Ở nhiệt độ phòng, plutoni có dạng thu hình α (anpha). Hình dạng cấu trúc phổ biến nhất của nguyên tố này giòn và cứng giống như gang xám trừ khi nó ở dạng hợp kim với các kim loại khác làm cho nó mềm và dễ uốn/dát. Không giống với hầu hết kim loại khác, nó không dẫn nhiệt và dẫn điện tốt. Plutoni có điểm nóng chảy thấp (640 °C) và có điểm sôi cao bất thường (3,327 °C).[5]
Phát xạ hạt alpha giải phóng hạt nhân heli năng lượng cao là cách phát xạ phổ biến của plutoni.[7] 5 kg lõi của vũ khí hạt nhân đặc trưng chứa khoảng 12,5 × 1024 nguyên tử. Với chu kỳ bán rã 24.100 năm, khoảng 11,5 × 1012 trong số nguyên tử trên phân rã mỗi giây phát ra 5,157 MeV hạt anpha bằng với 9,68 W. Nhiệt sinh ra từ việc bắt giữ các hạt này làm chúng ta có cảm giác ấm khi chạm tay vào.[8][9]
Điện trở suất của plutoni ở nhiệt độ phòng là rất cao so với mặt bằng chu của các kim loại, và giá trị này sẽ cao hơn ở nhiệt độ thấp hơn, đó là điều bất thường đối với một kim loại.[10] Xu hướng này tiếp tục khi nhiệt độ giảm xuốn 100 K, dưới mức này điện trở suất giảm nhanh chóng đối với các nguyên chất (chưa bị ôxy hóa).[10] Sau đó điện trở suất bắt đầu tăng theo thời gian ở khoảng 20 K do sự phá hủy bức xạ, với tốc độ được quyết định bởi thành phần đồng vị của mẫu.[10]
Do tự chiếu xạ, một mẫu plutoni sẽ mỏi diễn ra trong hầu hết cấu trúc tinh thể của nó, tức là sự sắp xếp có thứ tự của các nguyên tử của nó bị phá vở do phóng xạ theo thời gian.[11] Tự chiếu xạ cũng có thể dẫn đến việc tôi làm chống lại một vài hiệu ứgn mỏi khi nhiệt độ tăng trên 100 K.[12]
Không giống hầu hết các kim loại khác, plutoni tăng tỷ trọng khoảng 2,5% khi nó nóng chảy, nhưng tỷ trọng của kim loại lỏng thì thể hiện sự suy giảm tuyến tính theo nhiệt độ.[10] Gần điểm nóng chảy, plutoni lỏng cũng có độ nhớt và ứng suất mặt rất cao so với các kim loại khác.[11]
Plutoni bình thường có 6 dạng thù hình và một dạng thứ 7 (zeta, ζ) ở nhiệt độ trong dãi áp suất giới hạn.[13] Các dạng thù hình khác nhau về hình dạng sắp xếp của nguyên tố có điểm rất giống nhau là nội năng nhưng có tỉ trọng và cấu trúc tinh thể thay đổi đáng kể. Điều này làm cho plutoni rất nhạy cảm với những thay đổi về nhiệt độ, áp suất hoặc và điều đó làm cho thể tích thay đổi đặc trưng sau khi chuyển pha từ dạng thù hình này sang sang khác.[11] Tỷ trọng của các thù hình khác nhau thay đổi từ 16,00 g/cm3 đến 19,86 g/cm3.[14]
Việc tồn tại các dạng thù hình này làm cho việc gia công plutoni trở nên rất khó, vì nó thay đổi trạng thái một cách dễ dàng. Ví dụ dạng α tồn tại ở nhiệt độ phòng trong plutoni chưa được gia công. Nó có đặc điểm gia công tương tự như gang nhưng biến đổi thành dạng β có tính dẻo và dễ uốn ở nhiệt độ cao hơn một chút.[15] Các nguyên nhân dẫn đến sự phức tạp về các pha thì chưa được hiểu một cách toàn vẹn. Dạng α có cấu trúc tinh thể đơn tà có tính đối xứng thấp, có tính giòn, bền, nén được, và dẫn suất kém.[13]
Plutoni ở dạng δ thường hình thành ở nhiệt độ từ 310 °C đến 452 °C, nhưng nó ổn định ở nhiệt độ phòng khi ở dạng hợp kim với một lượng nhỏ galli, nhôm, hay cesi, làm tăng khả năng làm việc và làm cho có thể hàn nó được.[15] Dạng delta có các tính chất kim loại đặc trưng hơn, và tương đối bền và dễ uốn như nhôm.[13] Trong vũ khí phân hạch, sóng sóc nổ được dùng để nén lõi plutoni cũng gây ra sự chuyển dạng từ pha delta thông thường sang pha anpha đặc hơn, có ý nghĩa ứng dụng để đạt đến mức siêu tới hạn.[16] Pha ε là dạng thù hình rắn ở nhiệt độ cao nhất, thể hiện tính tự khuếch tán nguyên tử cao bất thường so với các nguyên tố khác.[11]
Plutoni là một nguyên tố có các electron ngoài cùng thuộc lớp 5f đây là ranh giới chuyển tiếp giữa giới hạn mà các electron của nó có thể có liên kết hoặc không có liên kết với một nguyên tử riêng biệt; nó được xem là một trong số những nguyên tử phức tạp nhất.[17] Đây là kim loại actini có tính phóng xạ, đặc biệt là đồng vị plutoni-239 là một trong 3 đồng vị phân hạch nguyên thủy[note 1][18] (hai đồng vị còn lại là urani-233 và urani-235);[19] plutoni-241 cũng có khả năng phân hạch cao.Xét về khả năng phân hạch, một đồng vị hạt nhân nguyên tử phải có khả năng tách đôi khi bị tác động bởi neutron chuyển động chậm, và giải phóng đủ lượng neutron cần thiết để duy trì phản ứng dây chuyền.
Plutoni-239 có hệ số sinh neutron (k) lớn hơn 1, do đó nếu kim loại có đủ khối lượng và yếu tố hình học thích hợp (như khối cầu nén), nó có thể đạt đến khối lượng tới hạn.[20] Trong quá trình phân hạch, một phần năng lượng lên kết được giải phóng ở dạng nhiệt, điện từ và động năng mal; một kg plutoni-239 có thể tạo ra một vụ nổ tương đương với 20.000 tấn thuốc nổ TNT.[8] Do tạo ra nguồn năng lượng khổng lồ nên plutoni-239 được ứng dụng làm vũ khí hạt nhân và được dùng trong lò phản ứng.
Việc có mặt đồng vị plutoni-240 trong mẫu sẽ làm giới hạn khả năng của bom hạt nhân, vì plutoni-240 có tốc độ phân hạch tự phát tương đối cao (~440 phân hạch một giây/1 gram sinh ra hơn 1.000 neutron/giây/gram[21]) nên sẽ làm tăng mức neutron ban đầu và làm tăng nguy cơ đạt đến trang thái siêu tới hạn cực nhanh mà chưa đạt đến trạng thái tối đa của một chuỗi phản ứng dây chuyền cần thiết.[22] Plutoni được xác định đạt cấp vũ khí, cấp nhiên liệu hay cấp năng lượng lò phản ứng tùy thuộc vào phần trăm plutoni-240 có trong đó. Plutoni cấp vũ khí chứa ít hơn 7% plutoni-240, còn cấp nhiên liệu thì chứa từ 7% đến dưới 19%, và cấp năng lượng lò phản ứng thì chứa từ 19% plutoni-240 trở lên. Plutoni siêu cấp chứ đồng vị plutoni-240 ít hơn 4% thì được dùng trong các vũ khí đặt trên các tàu và tàu ngầm của hải quân Hoa Kỳ do nó có độ phóng xạ thấp hơn.[23] Đồng vị plutoni-238 không thể phân hạch nhưng có thể trải qua quá trình phân hạch một cách dễ dàng bằng cách dùng neutron nhanh và nó phát ra hạt anpha.[8]
Có 20 đồng vị phóng xạ của plutoni đã được nhận biết. Các đồng vị sống lâu nhất là plutoni-244 có chu kỳ bán rã 80,8 triệu năm, plutoni-242 là 373.300 năm, và plutoni-239 là 24.110 năm. Tất cả các đồng vị phóng xạ còn lại có chu kỳ bán rã nhỏ hơn 7.000 năm. Nguyên tố này cũng có 8 đồng phân hạt nhân, mặc dù không có đồng phân nào ổn định và tất cả có chu kỳ bán rã nhỏ hơn 1 giây.[7]
Các đồng vị của plutoni có số khối nằm trong khoảng từ 228 đến 247. Các cơ chế phân rã ban đầu của các đồng vị có số khối thấp hơn đồng vị bền nhất plutoni-244, là phân hạch tự phát, phát ra hạt anpha và hầu hết tạo thành các đồng vị urani (92 proton) và neptuni (93 proton). Cơ chế phân rã ban đầu đối với các đồng vị có số khối cao hơn đồng vị plutoni-244 là phát ra hạt beta và hầu hết tạo thành các đồng vị americi (95 proton). Plutoni-241 là đồng vị mẹ của chuỗi phân rã neptuni phân rã tạo ra americi-241 và hạt β hoặc electron.[7][24]
Plutoni-238 và 239 là các đồng vị tổng hợp phổ biến nhất.[8] Plutoni-239 được tổng hợp thông qua phản ứng giữa urani (U) và neutron (n) thông qua giai đoạn trung gian với phân rã beta (β−) và neptuni (Np):[25]
92 238 U + 0 1 n ⟶ 92 239 U → 23.5 m i n β − 93 239 N p → 2.3565 d β − 94 239 P u {\displaystyle \mathrm {^{238}_{\ 92}U\ +\ _{0}^{1}n\ \longrightarrow \ _{\ 92}^{239}U\ {\xrightarrow[{23.5\ min}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 93}^{239}Np\ {\xrightarrow[{2.3565\ d}]{\beta ^{-}}}\ _{\ 94}^{239}Pu} }Neutron từ sự phân hạch urani-235 được bắt giữ bởi hạt nhân urani-238 để tạo ra urani-239; qua một phân rã beta sẽ biến đổi một neutron thành proton để tạo ra Np-239 (chu kỳ bán rã 2,36 ngày) và qua một phân rã beta khác để tạo ra plutoni-239.[26] Những người làm việc cho dự án Tube Alloys đã dự đoán trên lý thuyết phản ứng nào năm 1940.
Plutoni-238 được tổng hợp từ việc bắn phá urani-238 bằng các hạt nhân deuteron theo phản ứng sau:[27]
92 238 U + 1 2 D ⟶ 93 238 N p + 2 0 1 n ; 93 238 N p → 2.117 β − 94 238 P u {\displaystyle \mathrm {^{238}_{\ 92}U\ +\ _{1}^{2}D\ \longrightarrow \ _{\ 93}^{238}Np\ +\ 2\ _{0}^{1}n\quad ;\quad _{\ 93}^{238}Np\ {\xrightarrow[{2.117\ }]{\beta ^{-}}}\ _{\ 94}^{238}Pu} }Trong quá trình này, hạt nhân Deuteri đụng vào urani-238 sinh ra 2 neutron và neptuni-238, đến lượt nó neptuni-238 phân rã tự phát bằng cách phát ra các hạt beta âm để tạo thành plutoni-238.
Các đồng vị plutoni trải qua phân rã phóng xạ sinh ra nhiệt phân rã. Các đồng vị khác nhau sinh ra những lượng nhiệt khác nhau theo khối lượng của chúng. Nhiệt phân rã thường được tính theo đơn vị watt/kilogram, hay milliwatt/gram.
| Đồng vị | Cơ chế phân rã | Bán rã (năm) | Nhiệt phân rã (W/kg) | Số neutron tự phát (1/(g·s)) | Ghi chú |
|---|---|---|---|---|---|
| Pu-238 | anpha thành U-234 | 87,74 | 560 | 2600 | Nhiệt rất cao. Thậm chí một lượng nhỏ có thể đủ để tự nung nóng. Sử dụng trong các máy phát nhiệt điện đồng vị (radioisotope thermoelectric generator). |
| Pu-239 | anpha thành U-235 | 24100 | 1,9 | 0,022 | sử dụng đồng vị có thể phân hạch chính. |
| Pu-240 | anpha thành U-236, phân hạch tự phát | 6560 | 6,8 | 910 | Đồng vị Pu-239 không nguyên chất. Cấp plutoni được đánh giá theo phần trăm Pu-240. Phân hạch tự phát cao cản trở cho việc sử dụng trong các vũ khí hạt nhân. |
| Pu-241 | beta, to Am-241 | 14,4 | 4,2 | 0,049 | Phân rã tạo thành americi-241; sự tích tụ của nó thể hiện tính nguy hiểm phóng xạ cho các mẫu cũ hơn. |
| Pu-242 | anpha tạo thành U-238 | 376000 | 0,1 | 1700 |
Americi-241, sản phẩm phân rã của plutoni-241, có chu kỳ bán rã 430 năm, 1,2 phân hạch tự phát/1 gram/1 giây, và nhiệt phân rã là 114 watt/kg. Khi phân rã nó phát ra các tia gamma có khả năng đâm xuyên mạnh. Sự có mặt của nó trong plutoni, xác định theo hàm lượng ban đầu của plutoni-241, được xem là làm tăng nguy hiểm phơi nhiễm phóng xạ đối với các cấu túc xung quanh và con người.
Ở nhiệt độ phòng, plutoni nguyên chất có màu bạc nhưng sẽ chuyển sang màu xỉn khi bị ôxy hóa.[29] Plutoni có 4 trạng thái ôxy hóa phổ biến trong dung dịch gốc nước và một dạng hiềm gặp hơn gồm:[14]
Màu sắc của các dung dịch plutoni tùy thuộc vào trạng thái ôxy hóa và anion axit tự nhiên.[30] Anion axit ảnh hưởng đến cấp độ tạp phức - cách mà cách nguyên tử liên kết với một nguyên tử trung tâm của các đồng vị plutoni.
Plutoni kim loại được tạo ra từ phản ứng của plutoni tetraflorua với bari, canxi hoặc liti ở 1200 °C.[31] Nó phản ứng với các axít, ôxy, và hơi nước nhưng không phản ứng với kiềm, và dễ dàng hòa tan trong các axit clohydric, hydroiodic và perchloric.[32] Kim loại nóng chảy phải được cất giữ trong môi trường chân không hoặc khí trơ để ngăn phản ứng với không khí.[15] Ở 135 °C kim loại plutoni sẽ bốc cháy trong không khí và sẽ nổ nếu có mặt cacbon tetrachlorua.[33]
Plutonium pyrophoricity can cause it to look like a glowing ember under certain conditions.Plutoni là một kim loại hoạt động. Trong không khí ẩm hoặc argon ẩm, nó bị ôxy hóa một cách nhanh chóng tạo ra hỗn hợp các ôxit và hydrit.[5] Nếu kim loại của nó tiếp xúc đủ lâu với một lượng hơi nước nhất định thì sẽ hình thành một lớp bột PuO2 phủ lên bề mặt của nó.[5] Quá trình này cũng tạo thành plutoni hydrit nhưng với lượng nước nhiều hơn thì chỉ tạo ra PuO2.[32]
Với lớp áo này, kim có khả năng tự bốc cháy, vì thế kim loại plutoni thường được vận chuyển trong môi trường trơ và không như nitơ hay argon. Ôxy là chậm các hiệu ứng của các chất ẩm và đóng vai trò như chất thụ động.[5]
Plutoni thể hiện tốc độ phản ứng mạnh, thuận nghịch với hydro tinh khiết tạo thành plutonium hydrua.[11] Nó cũng sẵn sàng phản ứng với ôxy tạo thành PuO và PuO2 cũng như các ôxit trung gian; plutoni ôxit tăng hơn 40% thể tích so với plutoni kim loại. Nó phản ứng với các halogen tạo ra các hợp chất dạng PuX3, với X có thể là F, Cl, Br hoặc I; PuF4 cũng có mặt. Các oxyhalua sau cũng được tìm thấy: PuOCl, PuOBr và PuOI. Nó sẽ phản ứng ớ cacbon để tạo ra PuC, nitơ tạo ra PuN và silic tạo ra PuSi2.[14][33]
Nồi được dùng để chứa plutoni cần chịu được các tính chất khử mạnh của nó. Các kim loại chịu lửa như tantalum và tungsten cùng với các ôxit bền hơn như boride, carbide, nitride và silicide có thể chịu được các tính chất này. Quá trình nóng chảy trong electric arc furnace có thể được dùng để tạo ra các thỏi nhỏ kim loại mà không cần dùng nồi nấu.[15]
Cerium được dùng làm chất có tính chất hóa học giống plutoni để làm vật dụng chứa, chiết tách và các công nghệ khác.[34]
Plutoni có thể tạo một số hợp kim và các hợp chất trung giann với hầu hết các kim loại khác, ngoại trừ các kim loại kiềm như liti, natri, kali, và rubidi; và các kim loại kiềm thổ như magiê, canxi, stronti, và bari; và kim loại đất hiếm như europi và ytterbi.[32] Ngoài ra, các kim loại có thể gia công như crôm, molybden, niobi, tantali, và tungsten có thể hòa tan trong dung dịch plutoni, nhưng không hòa tan hoặc hòa tan rất ít trong plutoni rắn.[32] Galli, nhôm, americi, scandi và ceri có thể ổn định hóa đồng phân δ của plutoni ở nhiệt độ phòng. Silic, indi, kẽm và zirconi cho phép tạo thành đồng phân δ khi làm lạnh nhanh. Một lượng lớn hafni, holmi và thali cũng cho phép duy trì pha δ ở nhiệt độ phòng. Neptuni là nguyên tố duy nhất có thể ổn định pha α ở nhiệt độ cao hơn.[11]
Các hợp kim plutoni có thể được tạo ra bằng cách cho kim loại cần thiết vào plutoni nóng chảy. Nếu kim loại tạo hợp kim đủ tính khử, plutoni có thể được cho vào ở dạng ôxít hay halua. Các hợp kim gali-plutoni pha δ và nhôm-plutoni được tạo ra bằng cách thêm plutoni(III) florua vào gali hoặc nhôm nóng chảy, đây là một điểm thuận lợi nhằm tránh việc tiếp xúc trực tiếp với kim loại plutoni có tính phản ứng cao.[35]
Một lượng rất nhỏ dạng vết của ít nhất 2 đồng vị plutoni (plutoni-239 và 244) có thể được tìm thấy trong tự nhiên. Các vết của plutoni-239 chỉ chiếm khoảng vài ppt, và các sản phẩm phân rã của nó cũng được tìm thấy trong tự nhiên ở một số mỏ urani,[42] như trong "lò phản ứng phân hạch tự nhiên" ở Oklo, Gabon.[43] Tỷ lệ plutoni-239/urani ở urani Mỏ Cigar Lake dao động trong khoảng từ 2.4 × 10−12 đến 44 × 10−12.[44] Thậm chí một lượng nhỏ hơn của plutoni-244 nguyên thủy có mặt trong tự nhiên do chúng có chu kỳ bán rã tương đối cao khoảng 80 triệu năm.[45] Các hàm lượng vết của Pu-239 có nguồn gốc từ các kiểu sau: trong những trường hợp hiếm, U-238 trải qua phân hạch tự phát, và trong quá trình này, hạt nhân phát ra một hoặc hai neutron tự do cùng với động năng. Khi một trong các neutron này va chạm vào nguyên tử U-238 khác, nó bị thấp thụ tạo ra U-239. Với toh72i gian tồn tại khá ngắn, U-239 phân rã thành neptuni-239 (Np-239), và sau đó Np-239 phân rã thành Pu-239.
Vì đồng vị Pu-240 có thời gian tồn tại tương đối lâu có mặt trong chuỗi phân rã của plutoni-244, nó cũng có thể có mặt, mặc dù gấp 10.000 lần nhưng vẫn hiếm hơn. Cuối cùng, một lượng cực nhỏ plutoni-238 tham gia vào phân rã beta kép của urani-238 cực kì hiếm gặp, được tìm thấy trong các mẫu urnai tự nhiên.[46]
Một lượng vết nhỏ plutoni thường được tìm thấy trong cơ thể con người từ các nguồn trong các vụ thử hạt nhân dưới nước và trong khí quyển và một lượng nhỏ từ các tai nạn hạt nhân lớn. Hầu hết các vụ thử hạt nhân dưới nước và trong khí quyển đã bị dừng theo Hiệp ước Cấm thử hạt nhân năm 1963, trong đó, các nước tham gia ký kết gồm Hoa Kỳ, Vương quốc Anh, Liên Xô, và các nước khác. Việc thử vũ khí hạt nhân trong khí quyển đã được tiếp tục ở các nước không tham gia vào Hiệp ước trên như Trung Quốc (thử bom hạt nhân trên sa mạc Gobi năm 1964, thử bom hydro năm 1967, và các thử nghiệm sau đó),[cần dẫn nguồn] và Pháp (thử trong thập niên 1980).[cần dẫn nguồn]
Plutoni-239 là đồng vị dồi dào nhất của plutoni có khả năng dùng để chế tạo vũ khí hạt nhân và trong lò phản ứng.[33]
Cũng có giả thuyết cho rằng một lượng nhỏ plutoni được tạo ra từ việc bắn phát các quặng urani bởi tia vũ trụ.[cần dẫn nguồn]
Thực đơn
PlutoniLiên quan
Tài liệu tham khảo
WikiPedia: Plutoni