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  • 钚,原子序数94,是人工放射性元素,元素名仿照铀、镎以冥王星命名。钚是继镎后第二个发现的超铀元素,对钚毒性的说法由来已久,关于它是剧毒的物质、“一丁点就能致人死亡”的说法在西方世界也同样流传广泛。推测,钚可能是受到了剧毒的钋的牵连。两者的衰变类型相同,化学符号接近(Po、Pu),连中文写法、读音都那么那么的相近,也难怪不明真相的群众们把他们的各类性质掰到一起去。

    编辑摘要

    基本信息 编辑信息模块

    中文名称: 外文名: Plutonium
    符号: Pu 序号: 94
    元素分区: 金属元素 原子质量: 239
    发现人: 西博格

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    简介/钚 编辑

    钚

    钚,原子序数94,是人工放射性元素,元素名仿照铀、镎以冥王星命名。钚是继镎后第二个发现的超铀元素,1940年末,美国科学家西博格、麦克米伦等在美国用60英寸回旋加速器加速的16兆电子伏特氘核轰击铀时发现钚238,次年又发现了最重要的同位素钚239。日本东京电力公司2011年3月28日晚宣布,福岛第一核电站厂区采集的土壤样本首次检测出放射性元素钚。

    元素原子量:[244]
    元素类型:金属 
    发现人:西博格(G.T.Seaporg)、麦克米伦(E.M.McMillan)、沃尔(A.C.Wanl)和肯尼迪(J.Kcn    

    1111
    发现年代: 1940年末和1941年初,由美国西博格(G.T.Seaporg)、麦克米伦(E.M.McMillan)、沃尔(A.C.Wanl)和肯尼迪(J.Kcnncdy)在回旋加速器实验中发现的。
    元素来源:自然界中仅铀矿中含有痕量。可用钡蒸气还原三氟化钚而制得。
    元素用途:可作为核燃料和核武器的裂变剂。
    元素辅助资料:紧接在镎后面的第二个超铀元素是94号元素,于是科学家们就用太阳系中紧挨着海王星外面的冥王星(pluto)来命名它为plutonium,元素符号是Pu。

    发现过程/钚 编辑

    11
    在1940年末至1941年初,美国化学家西博格领导的小组(麦克米伦、沃尔和肯尼迪等)发现钚的同位素钚238。已知钚的同位素中寿命最长的是钚244,半衰期是8.2×107年。金属钚是银白色的,与氧气、水蒸气和酸作用,但不与碱反应。它和铀一样用于核燃料和核武器。现在已经可以获得成吨的钚。1945年,西博格比较了镎和钚,认为它们与铀的性质相似,同时又与稀土元素中钐相似,在1945年发表了他编排的元素周期表,建立了与镧系元素相同的锕系元素,把它们一起放置在元素周期表的下方,成为今天形式的元素周期表,并留下94号元素以后一系列的空位留待发现。

    钚为银白色金属,熔点640°C,沸点3234°C;从室温到熔点之间有6种同素异形体,这是冶金学上很独特的现象。钚在空气中的氧化速度于湿度有关,湿度高则氧化快,且有自燃的危险;钚易溶于酸中,不过浓酸可能会引起钝化。它也是一种放射性毒物,会于骨髓中富集。因此,操作、处理钚元素具有一定的危险性。钚239是易裂变核素,是重要的核燃料;钚238可用于制作同位素电池,广泛应用于宇宙飞船、人造卫星、极地气象站等的能源。钚属于极毒元素。

    理化性质/钚 编辑

    钚和多数金属一样具银灰色外表,又与镍特别相似,但它在氧化后会迅速转为暗灰色(有时呈黄色或橄榄绿)。钚在室温下以α型存在,是元素最普遍的结构型态(同素异形体),质地如铸铁般坚而易脆,但与其他金属制成合金后又变得柔软而富延展性。钚和多数金属不同,它不是热和电的良好导体。它的熔点很低(640 °C),而沸点异常的高(3327 °C)。

    钚最普遍释放的游离辐射类型是α粒子发射(即释放出高能的氦原子核)。最典型的一种核子武器核心即是以5公斤(约12.5×10^24个)钚原子构成。由于钚的半衰期为24100年,故其每秒约有11.5×10^12个钚原子产生衰变,发射出5.157 MeV的α粒子,相当于9.68瓦特能量。α粒子的减速会释放出热能,使触摸时感觉温暖。 

    钚在室温时的电阻率比一般金属高很多,而且钚和多数金属相反,其电阻率随温度降低而提高。但近期研究指出,当温度降至100K以下时,钚的电阻率会急遽降低。电阻率由于辐射损伤,会在20K之后逐渐提高,速率因同位素结构而异。 

    钚具有自发辐射性质,使得晶体结构产生疲劳,即原有秩序的原子排列因为辐射而随时间产生紊乱。然而,当温度上升超过100K时,自发辐射也能导致退火,削弱疲劳现象。  

    钚和多数金属不同:它的密度在熔化时变大(约2.5%),但液态金属的密度又随温度呈线性下降。另外,接近熔点时,钚的液态金属具有很高的黏性和表面张力(相较于其他金属)。 

    钚化合物三氟化钚为蓝紫色固体,熔点为1425±3℃;在没有铝或锆离子存在时,很难溶于酸中。三氟化钚可由钚(IV)的硝酸盐、氧化物、氢氧化物等化合物与无水氟化氢在550~600℃反应制得,也可在含钚(III)的水溶液中加入氟离子沉淀而制得。三氟化钚是还原法制金属钚的原料。

    四氟化钚为淡棕色(PuF4·2.5H2O为粉红色),熔点为1037℃,沸点约1277℃;微溶于水,只能溶于含有硼酸、铝(III)或铁(III)的溶液中。四氟化钚可由钚(IV)的氧化物、硝酸盐、草酸盐等化合物在有氧气存在的条件下与无水氟化氢进行高温反应而制得。四氟化钚也是还原法制金属钚的原料。

    六氟化钚在-180℃时是白色固体,液态和气态呈棕色到红棕色,熔点为51.59℃,沸点为62.16℃;六氟化钚在热力学上是不稳定的,它是一个很强的氧化剂;能与四氟化铀、二氧化硫、一氧化碳、二氧化碳等反应生成四氟化钚,与潮湿空气或水发生非常激烈的反应;六氟化钚由于α辐解而不断生成四氟化钚。六氟化钚可由二氧化钚或四氟化钚在500~700℃高温下与氟气反应制得。钚(VI)的其他氟化物有PuO2F2、M2PuO2F4·H2O和MPuO2F3·H2O(M为NH4、Na、K等)。

    三氯化钚是蓝至绿色的固体,熔点为750℃,沸点为1767℃;易吸潮,易溶于酸和水。三氯化钚可由多种方法制备,通常由二氧化钚与光气在高温下反应而制得。在制备中,大多数其他元素生成挥发性的氯化物,而三氯化钚不挥发,因而钚的纯度较高。三氯化钚也是制备金属钚的一种化合物。

    四氯化钚是不稳定化合物,容易分解,不易制得。钚(IV)的其他氯化物有 M2PuCl6(M为Cs、Rb、K、Na等)。
    其他已经制得的化合物还有:三溴化钚,熔点约为681℃;三碘化钚,熔点约777℃。氧化物二氧化钚是绿棕色到黄棕色的固体,在氦气中的熔点为2280±30℃,蒸气压很低;它的化学惰性很大,在盐酸和硝酸中溶解极慢且不完全,在沸腾的氢溴酸中溶解较快,用硫酸氢钠等熔剂在熔融条件下可溶解二氧化钚;高温下二氧化钚可与氟化氢反应生成三氟化物,有氧气存在时生成四氟化物;高温下与氟作用生成六氟化钚,与锌镁合金反应还原生成金属钚。由于二氧化钚具有高熔点、辐照稳定、同金属互容以及容易制备等特性,是核燃料的一种适用的组成形式。二氧化钚可由金属钚或其化合物(磷酸盐除外)在空气中灼烧制得,也可由含氧化合物在真空或惰性气氛中加热到1000℃而制得。β-三氧化二钚的熔点为2085±25℃;可由二氧化钚与碳在氦中加热到1625℃制得。α-三氧化二钚可由在真空中加热二氧化钚到1650~1800℃ 而制得。α-三氧化二钚由二氧化钚熔化时损失氧而制得,其熔点为2360±20℃。

    碳化物已知有二碳化三钚、碳化钚、三碳化二钚和二碳化钚。室温下碳化钚在空气中稳定,但在400℃时则剧烈燃烧;不与冷水作用,但与热水反应生成三价氢氧化物、氢和甲烷的混合物,以及少量的其他碳氢化合物;碳化钚与冷硝酸作用很慢。三碳化二钚的化学性质与碳化钚略有不同,三碳化二钚在高温下的氧化作用及在酸和沸水中的水解作用都比碳化钚弱。钚的碳化物可由金属钚、二氧化钚或氢化钚在高温下与石墨反应而制得。反应条件不同,可以制得不同组分的钚的碳化物。钚的碳化物由于具有较高的导热性、低的蒸气压和较大的钚密度,可以做核反应堆的燃料。

    氮化物已知钚的唯一氮化物为氮化钚。氮化钚在氩气氛中熔点为2450±50℃;遇冷水缓慢水解并生成二氧化钚,氮化钚易溶于无机酸中;与氮化铀能形成一系列固溶体。氮化钚具备核燃料的钚化合物的结晶体某些特性,如熔点高、钚密度高和好的导热性,但它的主要缺点是在高温下挥发性较高和易分解。氮化钚可由氢化钚与氮在高于 230℃时反应而制得。
    草酸盐钚(III)的草酸盐Pu2(C2O4)3·10H2O和钚(IV)的Pu(C2O4)2·6H2O都是难溶性化合物,随着加热,它们逐渐失去其结晶水,随后分解,最终产物为二氧化钚。钚的草酸盐可由钚的相应氧化态的盐的稀酸溶液与草酸或草酸钠沉淀而制得。

     

    同位素/钚 编辑

    钚是天然存在于自然界中的质量最重的元素。它最稳定的同位素是钚-244,半衰期约为八千万年,足够使钚以微量存在于自然环境中。  

    钚最重要的同位素是钚-239,半衰期为2.41万年,常被用制核子武器。钚-239和钚-241都易于裂变,即它们的原子核可以在慢速热中子撞击下产生核分裂,释放出能量、伽马射线以及中子辐射,从而形成核连锁反应,并应用在核武器与核反应炉上。   

    钚-238的半衰期为88年,并放出α粒子。它是放射性同位素热电机的热量来源,常用于驱动太空船。   

    钚-240自发裂变的比率很高,容易造成中子通量激增,因而影响了钚作为核武及反应器燃料的适用性。

    在一般情况下,钚有六种同素异形体,并在高温、限定压力范围下有第七 
    钚因周围压力变化而有六种同素异形体
    种(zeta, ζ)存在。[8]这些同素异形体的内能相近,但拥有截然不同的密度和晶体结构。因此钚对温度、压力以及化学性质的变化十分敏感,各同素异形体的体积并随相变而具有极大差异性。密度因同素异形体而异,范围自16.00 g/cm^3到19.86 g/cm^3不等。
    诸多同素异形体的存在,造成钚的状态易变,使钚元素的制造变得非常困难。例如,α型存在于室温的纯钚中。它和铸铁有许多相似加工后性质,但只要稍微提高温度,便会转成具有可塑性和可锻造性的β型。造成钚复杂相图的背后因素迄今仍未被完整解惑。α型属于低对称性的单斜结构,因此促成它的易碎性、强度、压缩性及低传导性。

     钚有二十种放射性同位素。在自然界中只找到两种钚同位素,一种是从氟碳铈镧矿中找到的微量钚-244,已知钚的同位素中寿命最长的是钚-244,半衰期是8.26×10^7年,它具有足够长的半衰期,可能是地球上原始存在的。另一种是从含铀矿物中找到的钚-239,是铀238吸收自然界里的中子而形成的。其他钚同位素都是通过人工核反应合成的。

    同位素
    丰度
    半衰期
    衰变模式
    衰变能量MeV
    衰变产物
    Pu-238
    人造
    87.74年
    自发分裂
    204.66
    -
    α衰变
    5.5
    U-234
    Pu-239
    微量
    24100年
    自发分裂
    207.06
    -
    α衰变
    5.157
    U-235
    Pu-240
    人造
    6500年
    自发分裂
    205.66
    -
    α衰变
    5.256
    U-236
    Pu-241
    人造
    14年
    自发分裂
    210.83
    -
    β衰变
    0.02078
    Am-241
    Pu-242
    人造
    373000年
    自发分裂
    209.47
    Kr-92,Ba-141,2个中子
    α衰变
    4.984
    U-238
    Pu-244
    微量
    8.08×10^7年
    α衰变
    4.666
    U-240
    钚同位素的衰变热:
    同位素
    衰变方式
    半衰期年
    衰变热W/kg
    自发裂变中子1/(g·s)
    钚-238
    α衰变成为铀-234
    87.74
    560
    2600
    钚-239
    α衰变成为铀-235
    24100
    1.9
    0.022
    钚-240
    α衰变成为铀-236
    6560
    6.8
    910
    钚-241
    β衰变成为镅-241
    14.4
    4.2
    0.049
    钚-242
    α衰变成为铀-238
    376000
    0.1
    1700


    应用领域/钚 编辑

    同位素钚-239是核武器中最重要的裂变成份。将钚核置入反射体(质量1945年投于日本长崎市的原子弹内含一个钚核1945年投于日本长崎市的原子弹内含一个钚核数大的物质的反射层)中,能使逃逸的中子再反射回弹心,减少中子的损失,进而降低钚达到临界质量的标准量:从原需16公斤的钚,可减少至10公斤,即一个直径约10厘米的球体的量。它的临界质量约仅有铀-235的三分之一。
    曼哈顿计划期间制造的“胖子原子弹”型钚弹,为了达到极高的密度而选择使用易爆炸、压缩的钚,再结合中心中子源,以刺激反应进行、提高反应效率。因此,钚弹只需6.2公斤钚便可达到爆炸当量,相当于两万吨的三硝基甲苯(TNT)。在理想假设中,仅仅4公斤的钚原料(甚至更少),只要搭配复杂的装配设计,就可制造出一个原子弹。
    核废料:一般轻水反应炉所产生的核废料中含有钚,但为钚-242、钚-239和钚-238的混合物。它的浓度不足以制作成核武器,不过可以改用作一次性的混氧燃料(MOX fuel)。在反应炉中以慢速热中子放射线照射钚时,会偶然发生中子俘获,而增加钚-242和钚-240的量。因此反应进行到第二轮之后,钚只能和快中子反应堆反应、消耗。在反应器中没有快中子时(普遍情况下),剩余的钚通常会被遗弃,形成寿命长、处理棘手的核废料

    毒性分析/钚 编辑

    毒性流言

    钚极其同位素因为其放射性而有一定危险性。钚产生的α射线并不会穿透人体的皮肤而进入人体,但钚可能被人体吸入或消化而进入人体从而对内脏造成不利影响。α射线会造成细胞的损伤、染色体的损伤,理论上可能导致癌症发病率的上升。但是这种影响并不会比其它能放出α射线的放射性物质危害更大。相比之下,钚的半衰期很长,使得单位时间里的辐射量相对要小,危害也就更小。在自然界广泛存在的氡的放射危害就要比钚大的多。钚容易在人体的肝脏和骨骼中聚集,但该过程非常缓慢。

    钚是世界上最毒的物质。一片阿斯匹林大小的钚,足以毒死2亿人,5克的钚足以毒死人类。钚的毒性比砒霜大4.86亿倍,它的威力胜过核武器。 在20世纪四十年代,美国就有26名工作人员因核武器研究,受到了钚的污染。但是在他们身上并没有出现严重的健康影响,更没有人因此而死亡。

    毒性真相

    对钚毒性的误解由来已久,关于它是剧毒的物质、“一丁点就能致人死亡”的说法在西方世界也同样流传广泛。推测,钚可能是受到了剧毒的钋的牵连。两者的衰变类型相同,化学符号接近(Po、Pu),连中文写法、读音都那么那么的相近,也难怪不明真相的群众们把他们的各类性质掰到一起去。

    如果非要来说明钚的化学毒性,人们相对熟悉的砒霜、氰化物的毒性都比钚要大得多。单次过量摄入钚而引发的死亡案例,至今都未出现。

    对于钚危害的担忧,更多的是来自于钚的电离辐射能力。钚衰变时会产生α射线。α射线的穿透能力非常弱,在空气中前进几厘米就将能量耗尽。对于环境中的钚并不用太担心。一旦钚进入到人体内,形成的内照射会对人体有一定的影响。α射线会造成细胞的损伤、染色体的损伤,理论上可能导致癌症发病率的上升。但是这种影响并不会比其它能放出α射线的放射性物质危害更大。相比之下,钚的半衰期很长,使得单位时间里的辐射量相对要小,危害也就更小。在自然界广泛存在的氡的放射危害就要比钚大的多。

    事实上,在上世纪四十年代,美国就有26名工作人员因核武器研究,受到了钚的污染。但是在他们身上并没有出现严重的健康影响,更没有人因此而死亡。到上世纪九十年代,一批志愿者甚至接受了注射或是吸入钚的实验,也没有发现有任何明显的伤害。这与之前大家对钚毒性的过高估计大大不同。

    而英国女王伊莉莎白二世访问哈维尔核子实验室时,就曾受邀触摸了一块以塑料包裹的钚环,以亲自体会其温暖的触感。附赠八卦一则,钚舔起来⋯还真的像金属⋯⋯ 基于钚本身的化学毒性并不那么大,电离辐射能力也不比其它放射性元素要来的特殊,加上铀钚混合燃料里钚也只有7%,3号反应堆如果发生爆炸泄露,并不会比其它使用铀燃料的反应堆要来的更危险。

    谣言破解。

    钚的毒性并没有谣言描述的那么可怕,“5克的钚足以毒死所有人类”纯属无稽之谈。使用铀钚混合燃料的反应堆如果发生爆炸泄露,并不会比使用铀燃料的传统反应堆要来的更危险。对于钚危害的担忧,更多的是来自于钚的电离辐射能力。钚衰变时会产生α射线。α射线的穿透能力非常弱,在空气中前进几厘米就将能量耗尽。对于环境中的钚并不用太担心。一旦钚进入到人体内,形成的内照射会对人体有一定的影响。
    而英国女王伊莉莎白二世访问哈维尔核子实验室时,就曾受邀触摸了一块以塑料包裹的钚环,以亲自体会其温暖的触感。基于钚本身的化学毒性并不那么大,电离辐射能力也不比其它放射性元素要来的特殊,加上铀钚混合燃料里钚也只有7%,3号反应堆如果发生爆炸泄露,并不会比其它使用铀燃料的反应堆要来的更危险。

    铀钚混合燃料/钚 编辑

    铀钚混合燃料,也就是MOX燃料,全称为混合氧化物燃料。传统的反应 堆是以铀235为燃料,通过用中子轰击铀235原子核,发生裂变反应的同时会产生大量的热。但事实上,自然界铀储量的99.3% 都是无法用于核电站发电的铀 238,铀235仅为0.7%,难以满足世界日益增长的核能需求。MOX燃料就是一种为了 通过核反应来利用铀238而设计的特种核燃料。

    MOX燃料是由7%的钚239氧化物和93%的铀238氧化物混合制成的。设计的巧妙之处在于,将核废料里的 钚以及自然储备更多的铀238给利用了起来。当铀238吸收一个中子之后,会经过一些核反应转变为钚239,而钚239也能发 生核裂变反应,能够用于核电站发电。使用了MOX燃料的核电站,在发电的过程中一部分238会发生这个反应,就可以在消耗钚239的 同时,使部分铀238转化为钚239。在最后剩下的核燃料里面,还会有一定量的钚239,可以提取出来,重新制作成核燃料。如果 控制合理,这种燃料对铀238的利用率将非常高。另一个优点就是为传统的铀燃料反应堆中铀238转化成的钚239找到了 新出路,也算是帮助解决了核废料处理的一个难题。[1]

    重要事件/钚 编辑

    福岛事故

    日本福岛一号核电站2011年3月28日传来新险情:救援人员在电站外边土壤中发现了微量剧毒的钚(原子弹材料)。原子能安全保安院发言人西山英彦说,测出钚元素意味着核反应堆安全壳出现破裂,“形势令人不安”。 
    福岛第一核电站在“3·11”特大地震和海啸发生后,一直处于“各种泄漏险情”不断发生的状态。因其中一座反应堆使用铀和钚的混合物做燃料,因此外界一直担心,这两种辐射超强的元素可能会泄漏到周边环境中,给当地人乃至全球食物链造成重大污染。日本福岛一号核电站拥有的六座核反应堆有个共同特点,那是其用过的燃料棒中都含有可用来制造核武器的原料钚。同核燃料铀相比,钚的毒性更大。据悉,此次检测出的是钚的3种同位素钚-238、钚-239和钚-240,土壤样本采集于一周前。钚在高温下生成,且非常重,不会轻易飞散,因此土壤中检测出钚很可能与福岛第一核电站1号至4号机组连续发生的氢气爆炸和火灾有关。[2]

    日本政府最新一份提交给国际原子能机构的报告显示,截至2012年底,日本的钚保有量共计达到44.2吨。日本在国外的反应堆约有35吨钚,存在英国和法国,在国内有9.3吨。日本储存有如此大量的钚本身就是一个极大的隐患,更大的隐患是日本的后处理厂已经具备正式运行能力。一旦正式运行,每年将可以处理8吨钚,可造1000枚原子弹。

    日本实际持有45吨钚

    由于在无核武国家中掌握最多数量钚,因此日本一直接受国际社会严格监管。日本媒体指出,虽然日本政府表示并非故意少报,但确实未对可转用于制造武器的钚进行如实汇报。日本此前对外宣称的钚持有总量约为44吨,但实际上则有约45吨。
    日本原子能委员会前副主席、长崎大学教授铃木达治郎表示,日本确实忽视此事,应努力改进对报告做出弥补。

    日本囤积

    日本通过各种途径大量存储核材料,其中包括武器级丰度的放射性物质钚和铀。日本存储的这些核材料里,有300多公斤武器级钚是美国在冷战期间交给日本的。日本原先强烈反对归还这批钚,理由是需要这批钚用于快中子反应堆研究。美国在过去几年里多次提出要求,日本最终答应归还,美国计划于2014年3月在荷兰参加核安全峰会期间与日本敲定归还协议。日本还囤积了超过1.2吨高浓缩铀(包括215公斤攻击武器级高浓铀)以及约44吨分离钚。

    漏报事件

    2014年年初,可以生产80枚核弹头的640千克钚在日本向国际原子能机构提供的报告中被蒸发。尽管日本政府给出并非故意漏报的说辞,但日本国内和国际社会的质疑与担忧并未减弱。
    日本保有大量敏感核材料一事就引发世人的担心,这些敏感核材料甚至包括能够直接用于制造核武器的武器级钚和武器级铀日本长期以来一直从核废料中提取钚,加上上面提到的640千克钚,日本目前拥有45吨可用于生产核武器的钚,共可生产约5500枚核弹头。
    日本已成为世界上唯一可以进行乏燃料后处理的无核武国家,拥有世界第一大后处理工厂。日本以和平利用核能的名号,大力开展核聚变、快中子增殖反应堆等尖端核技术研究,制作核聚变实验装置和核聚变反应堆,同时以民用核电需要为名,不遗余力大量收购、储存、提炼核原料。近来,日本加快了浓缩铀制造“本土化”步伐,新建了离心法铀浓缩工厂和激光铀浓缩工厂,其铀原料的分离处理能力可达年产1500吨。

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    [1]^引用日期:2011-03-30
    [2]^引用日期:2011-03-30

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