Plutonium

Wikipedia
Loikkaa: valikkoon, hakuun
NeptuniumPlutoniumAmerikium
Sm

Pu

-  
 
 
Pu-TableImage.png
Yleistä
Nimi Plutonium
Tunnus Pu
Järjestysluku 94
Luokka Aktinoidi
Lohko f-lohko
Ryhmä
Jakso 7
Tiheys 19,816[1]×103 kg/m3
Väri hopeanharmaa
Löytövuosi, löytäjä 1940, Glenn Seaborgin johtama tutkimusryhmä
Atomiominaisuudet
Atomipaino 244 amu
Atomisäde, mitattu (laskennallinen) 175[2] pm
Orbitaalirakenne [Rn] 5f6 7s2
Elektroneja elektronikuorilla 2, 8, 18, 32, 24, 8, 2
Hapetusluvut +VI, +V, +IV, +III[3]
Kiderakenne tilakeskeinen kuutio[2]
Fysikaaliset ominaisuudet
Olomuoto kiinteä
Sulamispiste 912,5[2] K (639,4 °C)
Kiehumispiste 3503[2] K (3228 °C)
Höyrystymislämpö 325[1] kJ/mol
Sulamislämpö 2,84[2] kJ/mol
Äänen nopeus 2260[1] m/s 293,15 K:ssa
Muuta
Elektronegatiivisuus 1.28[1] (Paulingin asteikko)
Ominaislämpökapasiteetti luotettavaa dataa ei saatavissa kJ/kg K
Lämmönjohtavuus 6,3[2] W/(m×K)
Tiedot normaalilämpötilassa ja -paineessa

Plutonium (lat. plutonium) on raskas, aktinoideihin kuuluva radioaktiivinen ja metallinen alkuaine. Sen kemiallinen merkki on Pu, järjestysluku 94 ja CAS-numero 7440-07-5. Plutoniumin sulamispiste on 639,4 °C ja tiheys 19816 kg/m³. Plutonium on myrkyllinen raskasmetalli. Se kuuluu transuraaneihin, ja luonnossa sitä on vain mitättömiä määriä, sitä on kuitenkin 1940-luvulta lähtien valmistettu keino­tekoisesti ydinreaktioiden avulla. Plutoniumilla ei ole yhtään stabiilia isotooppia, ja pisin puoliintumisaika on isotoopilla 244Pu, jonka puoliintumisaika on yli 80 miljoonaa vuotta. Plutoniumilla on seitsemän eri allotrooppista muotoa.

Plutoniumin tunnetuin käyttökohde ovat ydinaseet, joista esimerkki on toisen maailmansodan aikana Nagasakiin pudotettu Fat Man. Ydinasekäyttöön soveltuu vain fissiili 239Pu-isotooppi, jonka isotooppinen puhtaus tai/eli väkevöintiaste pitää olla yli 90%. Plutoniumia voidaan käyttää myös ydinpolttoaineena, jolloin fissioituva ja ketjureaktioon soveltuva nuklidi on myös 239Pu.

Plutoniumia voidaan käyttää energianlähteenä myös ydinparistoissa, joita käytetään avaruusluotaimissa, tällöin käytettävä isotooppi on erittäin aktiivinen alfa-säteiliä 238Pu. Ydinparistona käytettäessä energianlähde on hajoamisen seurauksena, lähtevien alfa-hiukkasten liike-energia tai sen kyky tehdä työtä. Tällöin 238Pu ei ole ydinpolttoaine sanan perinteisessä merkityksessä, sillä kyseessä on alfa-hajoaminen, eikä tyypillinen fissio, jossa massavaje muuttuu energiaksi. 238Pu-isotooppia ei synny lainkaan tavanomaisissa U-235 polttoaineenaan käyttävissä ydinreaktoreissa. 238Pu-isotooppia valmistetaan deuteroni-pommitukseksi kutsutulla menetelmällä.[4]

Ominaisuudet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Fysikaaliset ominaisuudet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Metallinen plutoniumrengas.

Plutonium on melko poikkeuksellinen alkuaine. Plutoniumilla on seitsemän eri allotrooppista muotoa, joista kuusi esiintyy normaalissa paineessa, mutta eri lämpötiloissa, ja seitsemäs korkeissa paineissa. Allotrooppisten muotojen energiatasot ovat melko samanlaiset, mutta niiden tiheydet poikkeavat suurimmillaan jopa 25 %. Tiheyksien poikkeamat tekevät plutoniumin herkäksi lämpötilan, paineen sekä kemiallisen ympäristön muutoksille. Gallium stabiloi plutoniumin delta-allotropiaan. Puhtaana metallina plutonium on hopeinen, mutta tummenee keltaisemmaksi ja haurastuu hapettuessaan. Plutoniumin alfasäteily tekee sen kuumaksi koskettaa, ja suurella kappaleella plutoniumia voidaan kiehauttaa vettä, jos kappale sisältää riittävästi 238Pu tai muuta nopeasti hajoavaa isotooppia.[3][5]

Plutoniumin sulamispiste on matala, noin 640 °C, ja kiehumispiste noin 3 230 °C. Plutoniumin jähmettyessä sen tilavuus kasvaa, mikä on harvinaista. Plutonium reagoi ilman kanssa, jolloin syntyy plutoniumdioksidia, jonka sulamispiste on noin 2 400 °C. Plutonium on paramagneettinen ja voi toimia johtimena. Plutoniumin metallisäde on uraania ja neptuniumia lukuun ottamatta muihin aktinoideihin verrattuna pieni, minkä takia sen metallisidoksissa on vähemmän elektroneja. Plutoniumin viskositeetti ja pintajännitys ovat hyvin korkeita.[6][3][1][7][5]

Kemialliset ominaisuudet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Plutoniumin eri hapetusasteita ja niiden värejä.

Plutonium kuuluu sekä aktinoideihin että transuraaneihin. Plutonium on erittäin reaktiivista, ja se on elektropositiivista. Plutoniumilla on useita hapetusasteita: +III, +IV, +V, +VI sekä +VII. Näistä yleisimpiä ovat +IV sekä +III ja +VII voidaan saavuttaa vain erittäin hapettavissa olosuhteissa. Plutonium reagoi ilman hapen kanssa hapettuen plutoniumoksidiksi tai plutoniumdioksidiksi. Plutonium liukenee runsaasti väkevään suolahappoon, vetyjodidiin ja perkloorihappoon muodostaen Pu3+-ionin. Rikkihappoon se ei sen sijaan liukene, vaan passivoituu. Plutonium reagoi monien epämetallien kanssa, erityisesti kuumennettaessa, mutta ei reagoi emästen kanssa. Plutonium voi syttyä itsestään kuumassa lämpötilassa.[3][8][6][9][7][5]

Plutoniumin elektronikonfiguraatio on 5f6 7s2. Tämän energia on hyvin lähellä 5f5 7s2 6d1 konfiguraation energiaa. Kumpikin konfiguraatio on mahdollinen, ja ne vaihtelevat plutoniumatomien välillä. Tämä johtaa plutoniumin kemiallisten ominaisuuksien monimutkaisuuteen, sillä ulkoelektronien sijoittuminen vaikuttaa plutoniumatomien välisiin sidoksiin, plutoniumin komplekseihin sekä plutoniumin sidoksiin muihin alkuaineisiin.[5]

Plutoniumin yhdisteitä[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Plutonium esiintyy vesiliuoksissa erilaisina ioneina hapetusluvuilla +III–+VII: PuO22+ (vaaleanpunainen, oranssi), PuO2+ (vaaleanpunainen) sekä PuO52– (tummanpunainen). Näistä PuO52– muodostuu vain erittäin hapettavissa olosuhteissa, ja PuO2+ disproportioituu eli hajoaa muodostaen Pu4+- (keltainen, ruskea) ja PuO22+-ioneja (ruskehtava tai oranssi). Erilaisten muotojen suuri määrä johtuu vain pienistä energiatilaeroista eri hapetusasteiden kesken. Happamissa olosuhteissa alhaisemman hapetusluvun omaavat muodot ovat stabiileja, ja korkeammat hapetusluvut puolestaan esiintyvät tyypillisesti emäksisissä oloissa. Korkeimmalla hapetusasteellaan +VII plutonium esiintyy litiumin ja hapen kanssa muodostamassaan yhdisteessä, Li5[PuO6], joka on stabiili. Ilman hapen kanssa se yhtyy joko plutoniumoksidiksi (PuO) tai plutoniumdioksidiksi (PuO2). Plutonium muodostaa yhdisteitä myös halogeenien kanssa (PuF3, PuF4, PuF6, PuCl3, PuI3, PuBr3). Se reagoi myös hiilen (PuC), typen (PuN) sekä piin kanssa (PuSi2). Plutonium voi olla myös mukana oksohalideissa muodostaen muun muassa plutoniumoksokloridin (PuOCl), plutoniumoksobromidin (PuOBr) ja plutoniumoksojodidin (PuOI). Plutonium muodostaa myös hydridin PuH2, joka ei ole stabiili.[3][9][10][11]

Plutoniumdioksidi muodostaa erilaisia komplekseja karbonaatin (CO32–), hydroksidin (OH), nitriitin (NO2) ja nitraatin (NO3) kanssa.[3] Komplekseille on tyypillistä, että niissä on ligandina kova Lewis-happo. Plutoniumista tunnetaan myös monia komplekseja orgaanisten yhdisteiden, kuten EDTA:n, kanssa.[9][10]

Plutonium muodostaa myös organometalliyhdisteitä. Näistä esimerkkeinä ovat muun muassa Pu(C5H)3 ja Pu(C8H8)2.[12]

2PuCl3 + 3Be(C5H)2 → 2Pu(C5H)3 + 3BeCl2
PuCl4 + 2K2C8H8 → [Pu(C8H8)2] + 4KCl

Haitallisuus ja suojautuminen[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Plutonium on raskasmetalli ja radioaktiivinen ja siten haitallinen elimistön sisälle joutuessaan. Käytännössä plutoniumia esiintyy kuitenkin niin pieniä määriä, että merkityksellisen annoksen saaminen on äärimmäisen harvinaista. Ydintekniikan historia tuntee eräitä tapauksia tapaturmaisesta plutoniumin nielemisestä tai hengittämisestä, lähinnä plutoniumin käsittelystä laboratoriossa, mutta yhdessäkään tapauksessa elimistöön joutunut annos ei ole lähestynyt hengenvaarallista. Näin ollen pohdinta plutoniumin vaarallisuudesta myrkkynä perustuu lähinnä plutoniumin biokemian teoreettiselle tarkastelulle ja eläinkokeille.[13]

Myrkyllisyyttä mitataan yleensä ns. LD50-annoksella. Tällä tarkoitetaan annosta, joka riittää tappamaan 50% koe-eläimistä. Plutoniumin myrkyllisyys on samankaltaista kuin muillakin raskasmetalleilla. Rotilla tehdyissä kokeissa saatiin suonensisäisesti annostellun plutoniumin myrkyllisyydeksi LD50 = 1,4mgPu/kg, eli suurin piirtein sama kuin esimerkiksi nikotiinilla. Voimakkaasti myrkyllisistä aineista kuten dioksiineista se jää selvästi jälkeen.[14]

Kehon ulkoisesti plutonium ei ole vaarallista. Plutoniumin tuottama säteily on alfasäteilyä, joka pysähtyy ihon uloimpaan, kuolleista ihosoluista koostuvaan kerrokseen, eikä vaikuta kehon biologisiin prosesseihin. Plutoniumia käsiteltäessä täytyy käyttää käsineitä ja hengityssuojainta sen varmistamiseksi ettei sitä vahingossa päädy nieluun tai nenään.[13]

Yhdysvaltojen lääketieteellisen fysiikan seuran kanta on, että plutoniumin vaarallisuutta yleisesti ottaen liioitellaan ottaen huomioon että kukaan ei ole koskaan kuollut plutoniummyrkytykseen ja että lievätkin myrkytystapaukset ovat äärimmäisen harvinaisia. Plutoniumin käsittely tapahtuu lähes yksinomaan laboratoriossa tai suljetussa ydinpolttoainekierrossa, joten väestön altistuminen sille on äärimmäisen epätodennäköistä ainakin verrattuna huomattavasti radioaktiivisempiin (kuten luonnossa esiintyvä radon) ja myrkyllisempiin (kuten savukaasuissa esiintyvät dioksiinit) aineisiin.[15]

Historia[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Plutoniumin löytäjänä pidetty Glenn Seaborg sai vuonna 1951 Nobelin kemianpalkinnon transuraanien tutkimisesta.

Vuonna 1940 kaksi toisistaan riippumatonta ryhmää (Edwin McMillanin ja Philip H. Abelsonin ryhmä sekä Egon Bretscherin ja Norman Featherin ryhmä) ennustivat neptuniumin ja plutoniumin löytymisen. Joulukuussa 1940 Glenn Seaborgin johtama tutkimusryhmä pommitti uraanin isotooppia 238 deuteriumin ioneilla syklotronissa. Tästä syntyi neptuniumin isotooppia 238. He huomasivat, että syntynyt ydin hajosi β--hajoamisen kautta, jolloin syntyi uusi alkuaine, plutonium. Maaliskuussa 1941 tutkijat löysivät plutoniumin isotoopin 239, joka hajosi spontaanin fission kautta. Löytö pidettiin koko toisen maailmansodan ajan salassa. Syyskuussa 1942 plutoniumia eristettiin ja mitattiin ensimmäisen kerran. Manhattan-projektin aikana rakennetuissa Oak Ridgen kansallisessa laboratoriossa ja Hanford Sitessa valmistettiin plutoniumia. Vuonna 1945 yhdysvaltalaisilla oli useita kiloja radioaktiivista plutoniumia, joista he rakensivat kolme ydinpommia. 16. heinäkuuta 1945 räjäytettiin New Mexicossa ensimmäinen ydinpommi. Toisen maailmansodan aikana, 9. elokuuta Yhdysvallat pudotti Nagasakiin Fat Man ydinpommin, jonka polttoaineena oli plutoniumia.[16][3][8]

Toisen maailmansodan aikana ja sen jälkeen Manhattan-projektiin osallistuneet tutkijat selvittivät Yhdysvalloissa, miten plutonium vaikuttaa ihmisiin ja muihin eläimiin. Potilaisiin pistettiin ainetta tavallisesti 5 mikrogrammaa. Kokeissa käytetyt potilaat olivat joko kuolemansairaita tai heillä oli alle kymmenen vuotta elinaikaa kroonisen sairauden takia. Heitä tutkittiin, jotta voitiin parantaa mittausvälineitä, joita käytettiin ydinaseita valmistavien ihmisten tutkimiseen. Myöhemmin testejä on kritisoitu voimakkaasti eettisten sääntöjen ja Hippokrateen valan rikkomisesta.[3]

Toisen maailmansodan jälkeen sekä Yhdysvallat että Neuvostoliitto valmistivat suuria määriä plutoniumia. Arvioiden mukaan vuoteen 1982 mennessä oli valmistettu 300 tonnia plutoniumia. Kylmän sodan jälkeen plutoniumin loppusijoittamisesta keskusteltiin paljon. Vuonna 2002 Yhdysvaltain energiaministeriö otti vastaan 34 tonnia plutoniumia puolustusministeriöltä. Vuonna 2003 energiaministeriö rikasti polttoaineuraania plutoniumoksidilla, jolloin muodostui MOX-polttoainetta, jota voidaan käyttää ydinvoimaloiden polttoaineena. [3][5]

Plutonium on saanut nimensä Pluto-nimisen kääpiöplaneetan mukaan, sillä sitä jaksollisessa järjestelmässä edeltävät alkuaineet uraani (Uranus) ja neptunium (Neptunus) on nimetty planeettojen mukaan. Plutoa pidettiin tuohon aikaan vielä planeettana, mutta se menetti asemansa vuonna 2006, sillä sen havaittiin olevan vain yksi Kuiperin vyöhykkeen kappaleista. Myös ensimmäisinä löydettyjä asteroideja oli aluksi pidetty planeettoina ja alkuaineet cerium ja palladium on nimetty kääpiöplaneetta Cereksen (ensinnä löydetty asteroidi) ja toisena löydetyn Pallaksen mukaan.[17][18][19]

Seaborg halusi plutoniumin lyhenteeksi Pu eikä Pl, koska Pu lausutaan englanniksi pee-you (viittaa virtsaamiseen) tai pee-yoo (viittaa pieruun). Seaborgin ryhmän jäsenet olisivat toivoneet alkuaineen nimeksi joko ultinium tai extremium, koska he uskoivat löytäneensä jaksollisen järjestelmän viimeisen alkuaineen.[16][3][20]

Esiintyminen ja tuottaminen[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Alempana näkyy Uraanin isotoopin 238 hajoamissarja, jonka tuotteena syntyy plutoniumia.

Lähes kaikki tunnettu plutonium on tuotettu keinotekoisesti. Vain plutoniumin isotooppia 244 on pieniä määriä luonnossa, sillä sen puoliintumisaika on 80 miljoonaa vuotta, eikä se ole siis ehtinyt hajota kokonaan. Oklosta, Kaakkois-Gabonista on löydetty poikkeuksellisen paljon plutoniumia. Plutoniumia on tuotettu tähän mennessä noin 1 300 tonnia, josta suurin osa on ydinjätteenä. Tästä kolmannes on tuotettu tavallisissa ydinvoimaloissa. Nykyään vuosittain plutoniumia käytetään 8–10 tonnia polttoaineena. 100 grammaa puhdasta plutoniumia maksaa noin 2 800 euroa.[3][2][21]

Lähes kaikki plutonium tuotetaan keinotekoisesti, mutta uraanimalmissa voi olla erittäin pieniä pitoisuuksia plutoniumia. Plutoniumia syntyy, kun uraani-238 hajoaa elektronisieppauksen kautta ensin neptunium-239:ksi. Siitä muodostuu sitten plutoniumia (239Pu), jonka puoliintumisaika on yli 24 tuhatta vuotta. Samalla keinolla valmistetaan myös plutoniumia ydinreaktoreissa.[3][8][22]

Toinen vaihtoehto on pommittaa 238U:ta neutroneilla, jolloin saadaan 239Pu:ta. Osa ydinvoimaloissa käytetystä uraanista (235U) sieppaa neutronin, jolloin syntyy virittynyttä 236U:ta. Osa tästä isotoopista hajoaa spontaanissa fissiossa, mutta osa lähettää ylimääräisen energiansa gammasäteilynä synnyttäen stabiilimpaa 236U:ta. Tämä ydin voi siepata neutronin, jolloin syntyy 237U, joka hajoaa nopeasti (puoliintumisaika 7 vuorokautta) 237Np:ksi. Se voidaan rikastaa helposti, sillä uraani hajoaa nopeasti. 237Np reagoi neutronien kanssa muodostaen 238Np:tä. Se hajoaa lopulta 238Pu:ksi, jonka puoliintumisaika on 2 vuorokautta. Puhdasta plutoniumia voidaan valmistaa plutoniumtrifluoridista pelkistämällä sitä metallisen kalsiumin tai muiden maa-alkalimetallien avulla.[3][8][22]

2PuF3 + 3Ca → 2Pu + 3CaF2

Käyttö[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Plutonium-238 polttoainesauva. Plutonium ei vaadi ulkoista energia- tai neutronilähdettä tuottaakseen energiaa.

Plutoniumia on käytetty sydämentahdistimien voimanlähteenä ydinparistona, mutta nykyään plutonium on tahdistimissa korvattu muun muassa litiumparistoilla. Vuonna 2003 käytössä oli vielä 50–100 plutoniumilla toimivaa sydämentahdistinta.[16][3]

Plutoniumia voidaan käyttää myös energialähteenä. 238Pu, 240Pu ja 242Pu soveltuvat muun muassa avaruustutkimuksessa energialähteeksi eli radioisotooppiparistoiksi. Plutoniumia käytetään silloin, kun Auringosta ei saada tarpeeksi energiaa. Muun muassa Cassini-Huygens, New Horizons ja Voyager avaruusluotaimet ovat käyttäneet plutoniumia polttoaineenaan.[3]

Plutoniumin seoksia voidaan käyttää suprajohteena. Kun plutoniumia sekoitetaan koboltin ja galliumin (PuCoGa5) kanssa, seos muuttuu suprajohtavaksi 18,5 Kelvinin lämpötilassa. Lämpötila on kohtuullisen korkea, mikä on herättänyt toiveita plutoniumin käytöstä korkean lämpötilan suprajohteissa.[23][24]

Ydinpolttoaineena[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Tavallisessa 235U-ydinpolttoaineenaan käytettävässä reaktorissa syntyy 3 vuoden altistusajassa n. 1% Plutoniumia polttoaineesta. [4]Plutoniumia syntyy kun 235U-polttoaineessa oleva 238U (jonka osuus on kuitenkin 95-97% kaikesta polttoaineessa olevasta uraanista) absorboi neutronin. Polttoaineesta tällöin 239Pu osuus on n. 0,54% Pu 240Pu n. 0.23% ja 241Pu n- 0,14%. Muitakin isotooppeja voi muodostua, mutta osuus on pieni. Syntynyt Plutonium on muiden hajoamistuotteiden seassa, käytetyssä polttoaineessa. Jos näin syntynyt plutonium kuitenkin erotetaan kemiallisesti käytetystä polttoaineesta, voidaan sitä käyttää "uudestaan" tavallisen 235U-polttoaineen seassa siten, että 239Pu-isotoopin ja 235U-isotoopin yhteinen osuus muista Plutoniumin ja Uraanin isotoopeista on noin 3-5%. Näin tehtäessä voidaan ikään kuin hävittää muuten pitkään radioaktiivisena ongelmajätteenä säilyvä Plutonium, sekä aseteollisuuteen soveltuva 239Pu-isotooppi. Sekoitettua polttoainetta kutsutaan nimellä MOX-Fuel (Mixed Oxide Fuel), sillä sekä Plutonium, että Uraani ovat polttoainesauvassa hapetetussa tilassa Pu- ja U-dioksidina. Hapen massan osuus Uraanidioksidisauvassa on 16/254 eli n. 6%. MOX:ia voidaan käyttää tavallisessa kevytvesireaktorissa (ns. tavallinen 235U-ydinpolttoaineenaan käyttävä reaktori) ilman erityistä reaktorin modifiointia. Mutta käyttö edellyttää yleensä reaktorin uudelleenlisensointia MOX-polttoaineen käyttöön. MOX:ia käytettäessä noin 1/3 energiasta tulee Plutoniumista. MOX-polttoaineen käyttö ei vaadi "hyötöreaktoria".

Käytetyn polttoaineen uudelleenkäsittely on ongelmallista. Sen avulla voidaan tosiaan utilisoida, eli käyttää uudestaan hyväksi syntynyt plutonium, sekä erottaa suurin osa ydinreaktioon osallistumattomasta 238U-sta, jota on kuitenkin polttoaineen kaikesta uraanista n. 95-97%, ja käyttää sekin uudelleen. Toisaalta kemiallisesti erotettu puhdas Plutonium voi päätyä myös muualle kuin uudelleen ydinpolttoaineeseen. Kemiallisesti erotetusta Plutoniumista noin puolet on 239Pu-isotooppia, eli 239Pu väkevöintiaste on noin 54%. Tästä Plutoniumista on helppo väkevöidä 239Pu-osuus yli 90%-iin, vastaavalla menetelmällä kuin 235U, jolloin kyseessä on ydinasemateriaali.

Tavallisissa, eli ns. hitaissa kevytvesireaktoreissa, puhdasta Plutoniumdioksidi-polttoainetta eli n. 3-5% väkevöityä 239Pu-ydinpolttoainetta, ei voida tehokkaasti käyttää, sillä hitaat eli termiset neutronit, jotka soveltuvat hyvin 235U fissioon, eivät sovellu vastaavasti hyvin 239Pu fissioon, koska niiden Vaikutusala (σ) on liian pieni. Puhdasta Plutoniumdioksidi-polttoainetta voidaan kuitenkin käyttää erilaisessa ns. nopeassa reaktorissa, jossa fissioon vaadittavien neutronien liike-energia on suurempi. Tälläisessä ns. "nopeassa" reaktorissa jäähdyttimenä käytetään veden sijasta nestemäistä natriumia (LMFBR -reaktori) tai heliumia (GCFBR -reaktori), jolloin neutronit liikkuvat nopeammin. Kilogramma seostamatonta 239Pu-polttoainetta (3-5% väkevöinnillä) tuottaa kolmessa vuodessa n. 10 miljoonaa kilowattituntia energiaa(?).

MOX-polttoainetta voidaan käyttää eurooppalaisissa ydinvoimaloissa 30 % kokonaispolttoainemäärästä, mutta Yhdysvalloissa on kolme voimalaa, jossa voi käyttää pelkästään MOXia. Myös plutoniumin yhdisteitä karbidin, bromidin, silikaatin ja nitriitin kanssa on tutkittu mahdollisina polttoaineina. Polttoaineina voidaan käyttää myös joitakin metalliseoksia kuten plutoniumin, ceriumin ja koboltin; alumiinin ja plutoniumin sekä plutoniumin ja zirkoniumin seosta, kuitenkin niin että fissiilin 239Pu isotoopin osuus polttoaineesta on n. 3-5% .[3][25][11][26][27][28]

Ydinaseena[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Ydinpommi Fat Manin räjähtävänä ainesosana käytettiin plutoniumia. Pommi pudotettiin Nagasakin kaupunkiin toisen maailmansodan aikana.

239Pu on paljon kysytympi ydinasemateriaali kuin 235U, sillä sen kriittinen massa on huomattavasti pienempi kuin 235U. Yli 90% väkevöintiasteella 239Pu kriittinen massa on noin 11kg, (jos tämä muutetaan palloksi, halkaisijaksi tulisi n. 10 cm) kun vastaavasti 235U noin 52kg. 239Pu kriittistä massaa ydinaseessa voidaan entisestään hieman pudottaa teknisillä ratkaisulla kuten mm. muodolla, tiivistyksellä, neutronilähteillä ja -heijastimilla. Näin rakennetun, teknologisesti kehittyneen, pienen, taktisen ydinaseen jopa räjähdysvoimakkuutta pystytään säätelemään tarpeen mukaan (variable yeald detonation). 235U-sta rakennetun ydinaseen teho verrattuna massaan on pienempi, eikä alle 52kg kokoista asetta pystytä teoriassa toteuttamaan, jolloin sen soveltuvuus "taktisena" aseena huononee.

Joissakin ydinaseissa 235U soveltuu premmin kuin 239Pu. 235U puoliintumisaika 703Milj. vuotta on huomattavasti suurempi kuin 239Pu n. 24 000 vuotta. 239Pu verrattaen lyhyt puoliintumisaika, merkitsee sitä, että ydinaseella on vain rajallinen käyttöikä, ellei asetta huolleta. Lisäksi 239Pu suurempi radioaktiivisuus voi haitata aseen elektroniikkaa. 239Pu on paras asemateriaali pieneen ydinaseeseen, kun koolla ei ole niin väliä (esim. ICBM) käytetään usein Uraania - (puhdas fissio) tai uraania ja tritiumia fissio-fuusio. Puhtaassa fissiossa käyttökä on pisin, ja asetta ei ydinasemateriaalin osalta tarvitsee huoltaa. Fissio-fuusio-pommit sekä 239Pu aseet vaatii huoltoa, sillä tritium ja 239Pu hajoaa melko nopeasti.

USA: Nagasakiin pudotetussa Fat Man pommissa oli 6,2 kg plutoniumia, sillä se oli puristettu kasaan. Plutoniumin (1 kg) räjähdysvoima vastaa 20 kilotonnia TNT:tä. Jos kaikki plutonium halutaan räjäyttää, tarvitaan myös ulkoinen neutronien lähde, joten alkeellisten ydinaseiden tuhovoima jää alle teoreettisen arvon. Esimerkiksi Fat Manin (6,2 kg plutoniumia) tuhovoima oli 21 kt. Ydinkäyttöä varten plutonium stabiloidaan galliumin avulla, jolloin plutonium on delta-allotropisessa muodossa.[3]

Plutoniumin ei fissiilejä isotooppeja voidaan myös käyttää likaisissa pommeissa tai myrkkynä. Muutamissa tapauksissa ydinase on levittänyt ympäristöön plutoniumia, mikä vaatii puhdistusta. Muun muassa Nagasakissa ympäristöön levisi 5 kg plutoniumia, koska fissioreaktio ei edennyt loppuun asti.[3] Plutonium aiheuttaa vastaavat ympäristön saastumisongelmat ja terveysvaarat kuin Köyhdytetty uraani. Isotoopeista riippuen saastumisvaara kestää yleensä plutoniumilla kuitenkin vähemmän aikaa kuin uraanilla, mutta radiaktiivisuus voi olla suurempi.

Isotoopit[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Plutoniumin kaikki isotoopit ovat radioaktiivisia. Plutoniumin pitkäikäisin isotooppi on 244Pu, jonka puoliintumisaika on yli 80 miljoonaa vuotta. Toinen pitkäikäinen isotooppi on 242Pu, jonka puoliintumisaika on yli 370 tuhatta vuotta. Suurin kiinnostus on kuitenkin 239Pu-isotooppiin, joka hajoaa osittain spontaanin fission kautta, ja puoliintumisaika on noin 24 tuhatta vuotta.[3][29]

Isotooppi Puoliintumisaika Hajoamistyyppi
228Pu 4 ms α
229Pu 2 min α
230Pu 1,67 min α
231Pu 8,667 min α, β+
232Pu 34,1 min EC, α
233Pu 20,9 min EC, β+, α (0,12 %)
234Pu 8,8 h EC, α (6 %)
234mPu 3 ns
235Pu 25,3 min EC, β+, α (< 0,003 %)
235mPu 25 ns
236Pu 2,858 a α, SF
236m1Pu 37 ps
236m2Pu 34 ns
237Pu 45,2 d EC, α (0,0042 %)
237m1Pu 0,18 s IT
237m2Pu 85 ns
237m3Pu 1,1 μs
 
Isotooppi Puoliintumisaika Hajoamistyyppi
238Pu 87,7 a α, SF
238m1Pu 0,6 ns
238m2Pu 6,0 ns
239Pu 24 110 a α, SF
240Pu 6 563 α, SF
241Pu 14,35 a β, α (0,0025), SF
241m1Pu 21 ns
241m2Pu 32 ns
242Pu 3,733 * 105 a α, SF
243Pu 4,956 h β
243mPu 45 ns
244Pu 8,08 * 107 a α, SF
245Pu 10,5 h β
245mPu 90 ns
246Pu 10,84 d β
247Pu 2,27 d β

Lähde:[29][30]

 

EC = Elektronisieppaus
SF = Spontaani fissio
α = Alfahajoaminen
β+ = Beeta-plus-hajoaminen
β = Beeta-miinus-hajoaminen
IT = Isomeerinen transitio
m = Välitila tai virittynyt atomi

Lähteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Commons
Wikimedia Commonsissa on kuvia tai muita tiedostoja aiheesta Plutonium.
  • Theodore Gray: Kiehtovat alkuaineet. Jyväskylä: WSOYpro Oy, 2009. ISBN 978-951-0-36582-3.
  • N. N. Greenwood & A. Earnshaw: Chemistry of the Elements. 2. painos. Oxford: Elsevier Ltd, 1997. ISBN 978-0-7506-3365-9. (englanniksi)

Viitteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  1. a b c d e Technical data for Plutonium periodictable.com. Viitattu 15.7.2011. (englanniksi)
  2. a b c d e f g Plutonium Element Facts chemicool.com. Viitattu 15.7.2011. (englanniksi)
  3. a b c d e f g h i j k l m n o p q r s Plutonium 3rd1000.com. Viitattu 14.7.2011. (englanniksi)
  4. a b http://4.bp.blogspot.com/_VyTCyizqrHs/TCWrO7OFt4I/AAAAAAAAIFI/Ll76hclkzGw/s1600/nuclearfuelchanges.jpg
  5. a b c d e Siegfried S. Hecker: Plutonium and Its Alloys Federations of American Scientists. Viitattu 24.7.2011. (englanniksi)
  6. a b Plutonium chemistryexplained.com. Viitattu 15.7.2011. (englanniksi)
  7. a b Greenwood & Earnshaw s. 1264
  8. a b c d Plutonium infoplease.com. Viitattu 15.7.2011. (englanniksi)
  9. a b c David L. Clark, Sigfried S. Hecker, Gordon D. Jarvinen, Mary P. Neu  :Plutonium and Plutonium Compounds, Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, John Wiley & Sons, New York, 2001 Teoksen verkkoversio Viitattu 15.07.2011
  10. a b Lothar Koch: , Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, John Wiley & Sons, New York, 2002 verkkoversio Viitattu 15.07.2011
  11. a b Greenwood & Earnshaw s. 1267
  12. Greenwood & Earnshaw s. 1278–1279
  13. a b Voelz, G.: Plutonium and Health, How great is the risk? Los Alamos Science, 26/2000.
  14. Newell Stannard, J.: Radioactivity and Health. Battelle Press, 1988.
  15. Richard J. Burk Jr.: What About "Deadly Plutonium"? Health Physics Society. Viitattu 19.7.2011. (englanniksi)
  16. a b c Marko Hamilo: Ydinpommin materiaali käy avaruusluotainten voimanlähteeksi 4. lokakuuta 2005. Helsingin Sanomat. Viitattu 14.7.2011.
  17. W. P. Griffith: Part I: Rhodium and Palladium - Events Surrounding Their Discoveries platinummetalsreview.com. Viitattu 23.8.2011. (englanniksi)
  18. Cerium 3rd1000.com. Viitattu 23.8.2011. (englanniksi)
  19. Hubble Images of Asteroids Help Astronomers Prepare for Spacecraft Visit (englanniksi)
  20. Tuomas Kangasniemi: Ydinpommin keksijöiden pissavitsi: maailman jokaisen koulun seinällä alkaen 1945 Tekniikka&Talous. Viitattu 15.7.2011.
  21. Greenwood & Earnshaw s. 1255
  22. a b Plutonium Production the Institute of Physics. Viitattu 25.7.2011. (englanniksi)
  23. Plutonium is also a superconductor 20. marraskuuta 2002. the Institute of Physics. Viitattu 25.7.2011. (englanniksi)
  24. N. J. Curro: Unconventional superconductivity in PuCoGa5 Kevät 2006. lanl.gov. Viitattu 25.7.2011. (englanniksi)
  25. Greenwood & Earnshaw s. 1258–1259
  26. D.K. Jha: Nuclear Energy, s. 73. Discovery Publishing House, 2004. ISBN 9788171418848. Teoksen verkkoversio (viitattu 25.7.2011). (englanniksi)
  27. Bailey, W. J., Bloomster, C. H., Katayama, Y. B., Ross, W. T.: Fabrication of alumnium-plutonium alloy fuel elements by coextrusion, s. 2. U.S. Atomic Energy Commission, 1959. Teoksen verkkoversio (viitattu 25.7.2011). (englanniksi)
  28. Franklin D. McCuaig: Pu-Zr alloy for high-temperature foil-type fuel 22. marraskuuta 1977. United States Patent. Viitattu 25.7.2011. (englanniksi)
  29. a b Isotopes of Plutonium ie.lbl.gov. Viitattu 19.7.2011. (englanniksi)
  30. Plutonium Isotope Data periodictable.com. Viitattu 19.7.2011. (englanniksi)