25 августа 2012 года, примерно в 11 миллиардах миль (18 миллиардов километров) от Солнца, зонд НАСА «Вояджер-1» покинул гелиосферу, смело отправившись туда, где раньше не было ни одного объекта. Пересек эту границу, «Вояджер-1» вышел за пределы Солнечной системы и впервые в истории вышел в межзвездное пространство.
Посмотрите на нижний ряд (традиционной) периодической таблицы, и вы найдете элемент, который сделал возможным это космическое приключение:плутоний.
Интересно
Гленн Сиборг стал первым человеком, в честь которого был назван новооткрытый элемент при его жизни, когда в 1990-х годах был назван сиборгий - элемент 106 в периодической таблице.
Что такое плутоний?
Плутоний, впервые обнаруженный в 1940-х годах, использовался как в созидательных, так и в разрушительных целях. Покойный физик Джон Гоффман однажды назвал плутоний «элементом владыки ада». Лингвист мог бы согласиться.
Но сначала немного подробнее об этом элементе. Каждый атом плутония содержит 94 протона. Напротив, в каждом атоме урана всего 92 протона, а в каждом атоме нептуния - 93 протона.
Поскольку эти два элемента были названы в честь древних богов - и планет - Урана и Нептуна, плутоний получил такое же обращение.
" Плутоний был обнаружен Гленном Сиборгом и его коллегами в лаборатории Беркли (Калифорния) в конце 1940 года", - пишет Питер С. Бернс, химик из Университета Нотр-Дам, в электронном письме.
Десятью годами ранее астрономы наблюдали возле Нептуна новую карликовую планету. В честь римского бога подземного мира его назвали «Плутоном». И плутоний получил свое название от этого небесного тела.
Первоначально Сиборг и компания могли производить плутоний с помощью циклотронного ускорителя частиц в Беркли. С помощью этого устройства частицы, называемые «дейтронами», обстреливали образец урана. В ходе эксперимента было получено небольшое количество нептуния, который затем в процессе распада превратился в плутоний.
Первый взвешиваемый образец плутония был создан в Чикагском университете 20 августа 1942 года. К тому моменту некоторые стороны признали военный потенциал этого элемента.
Атомы плутония всегда имеют 94 протона. Но количество нейтронов может варьироваться, и химики называют эти вариации «изотопами». У урана тоже есть изотопы. Один из них, названный ураном-235 (U-235), вскоре был идентифицирован как потенциальный источник топлива для атомных бомб. Вскоре после его открытия о плутонии заговорили как об еще одном способе питания ядерного оружия. Атомный век вот-вот должен был начаться.
Сегодня для всех практических целей существует два вида плутония: реакторный и оружейный. Плутоний был ключевым компонентом «Толстяка», ядерной бомбы, уничтожившей Нагасаки, Япония, в 1945 году, убившей десятки тысяч людей и фактически положившей конец Второй мировой войне.
Плутоний и оружие
Плутоний, используемый в военных целях, извлекается из уранового топлива, которое подвергалось облучению в течение двух-трех месяцев в реакторе по производству плутония. Для изготовления бомбы требуется около 22 фунтов (10 кг) почти чистого изотопа плутония-239 (Pu-239). По данным Всемирной ядерной ассоциации, для этого типа бомбы требуется 30 мегаватт-лет работы ядерного реактора с постоянной заменой топлива и переработкой «горячего» топлива. Поэтому «оружейный» плутоний производится в специальных реакторах, повышающих концентрацию высших изотопов плутония.
Первый взрыв атомной бомбы на Земле произошел 16 июля 1945 года. Это было в Нью-Мексико, и оно было достаточно сильным, чтобы ощущаться на расстоянии 100 миль (160 километров). Это было частью сверхсекретного «Ядерного испытания Тринити» Манхэттенского проекта на полигоне бомбометания Аламогордо. Рассматриваемое устройство имело плутониевое ядро; для эксперимента не применялось ядерное оружие на основе урана.
Впоследствии США сбросили ядерную бомбу U-235 на японский город Хиросима 6 августа 1945 года. Три дня спустя США сбросили на Нагасаки вторую бомбу по прозвищу «Толстяк». Так же, как оружие, испытанное в Нью-Мексико тем летом, бомба Нагасаки основывалась на плутонии.
«[Это] никогда не будет достоверно известно, сколько людей погибло в результате атомной атаки на Нагасаки», - сообщается на официальном сайте Министерства энергетики США. По их наилучшей оценке, «первоначально погибло 40 000 человек, еще 60 000 получили ранения». В ближайшие месяцы и годы общее число смертей могло возрасти до 140 000 и более. Каждый август в Парке мира Нагасаки проводится ежегодная церемония, посвященная их памяти.
Самая большая проблема сегодня с запасами плутония оружейного качества - что с ним делать. По оценкам, в настоящее время в США имеется 96,6 тонны (87,7 метрических тонны) плутония, и существует проблема с его хранением. Большая часть его в настоящее время хранится в здании на Саванна-Ривер-Сайт в Южной Каролине.
Плутоний и энергия
Сегодня более трети энергии, вырабатываемой на атомных электростанциях, приходится на плутоний. Однако в Соединенных Штатах нет объектов, использующих плутоний в качестве источника энергии.
Наиболее распространенным изотопом плутония, образующимся в ядерном реакторе, является Pu-239, который создается путем захвата нейтронов из обедненного урана (U-238). При делении Pu-239 может иметь столько же энергии, сколько и обогащенный уран (U-235), который также используется в ядерном оружии.
Исторически другой изотоп плутония, Pu-238, использовался для питания батарей в некоторых коммерческих кардиостимуляторах. Эти медицинские устройства вышли из моды, когда на рынке появились альтернативы с литиевым питанием.
Но на последнем рубеже плутоний остается ценным товаром.
Плутоний и глубокий космос
«Наиболее значимое, но менее известное использование плутония - для производства электроэнергии во время освоения космоса», - говорит Бернс. «Плутоний-238 выделяет много тепла при радиоактивном распаде, и это тепло можно использовать в термоэлектрическом генераторе для производства электричества».
Pu-238 обладает многими качествами, которые делают этот изотоп очень привлекательным для инженеров, работающих в космических агентствах. Во-первых, вам не нужно много тепла, чтобы вырабатывать много тепла, которое затем можно преобразовать в электричество.
Тогда есть период полураспада, метрика, которая говорит вам, сколько времени потребуется половине атомов в данном радиоактивном изотопе, чтобы распасться и превратиться во что-то другое. С респектабельным периодом полураспада в 88 лет Pu-238 может обеспечивать работу марсоходов и космических зондов десятилетиями подряд.
Вдали от солнца, в местах, где лучи звезды слабые и тусклые, спутники на солнечной энергии не будут работать так хорошо. Между тем, марсоходам, которые зависят от солнечного света (например, ныне несуществующему марсоходу Opportunity), приходится бороться с пылью от проходящих штормов, которая может задушить их панели и препятствовать работе батареи.
По этим причинам Pu-238 отлично подходит как для исследования Марса, так и для исследования дальнего космоса. На сегодняшний день Pu-238 используется не менее чем на 30 американских космических аппаратах. У марсохода Perseverance, приземлившегося на Красной планете в феврале 2021 года, есть генератор, работающий на Pu-238. То же самое можно сказать и о далеких космических кораблях, таких как «Вояджер-1» и «Вояджер-2», которые путешествуют по Солнечной системе (и за ее пределами) с 1977 года.
Плутоний и токсичность
Плутоний радиоактивен, хотя вы, скорее всего, никогда не подвергнетесь его воздействию. Роберт М. Хейзен из Научного института Карнеги говорит, что «естественных источников» плутония не существует. «Это должно быть сделано с помощью реакторов-размножителей, поэтому весь плутоний, используемый на Земле, создан человеком», - объясняет он по электронной почте.
Он может попасть в окружающую среду через промышленное предприятие или из контейнера, однако уровни плутония в воздухе, воде, почве и продуктах питания чрезвычайно низки. Однако, если вы подверглись воздействию, это, вероятно, произошло бы через вдыхание радиоактивных аэрозолей или контакт с кожей. И многие факторы будут определять, нанесет ли вам вред облучение, в том числе насколько, как долго и как вы вступили в контакт с плутонием.
Когда вы его вдыхаете, некоторое количество плутония попадает в ваши легкие и перемещается в ваши кости и печень. Если вы проглотите его с пищей, следовые количества также могут распространиться на ваши кости и печень. Если вы прикоснетесь к плутонию, очень малое количество плутония попадет в ваше тело, но оно может обжечь кожу, которая соприкасалась с ним. Таким образом, хотя плутоний и является радиоактивным элементом, он далеко не «самое токсичное вещество, известное человеку», как однажды заявил активист Ральф Нейдер.
Часто задаваемые вопросы
Почему плутоний ценен?
Плутоний ценен, потому что это радиоактивный металл с очень высокой температурой плавления, который используется в ядерных реакторах и ядерном оружии.