Plutonium

Plutonium, chemická značka Pu (lat. Plutonium), je šestý člen z řady aktinoidů, druhý transuran, silně radioaktivní, velmi toxický kovový prvek, připravovaný uměle v jaderných reaktorech především pro výrobu atomových bomb. Je využitelné rovněž jako palivo pro jaderné reaktory a jako zdroj energie pro radioizotopový termoelektrický generátor.

Základní fyzikálně-chemické vlastnosti

Zabarvení roztoků solí plutonia v různých mocenstvích

Plutonium je radioaktivní kovový prvek stříbřitě bílé barvy, která se působením vzdušného kyslíku mění na šedavou.

Ve sloučeninách se vyskytuje v mocenství od Pu⁺³ po Pu⁺⁷, přičemž stálejší jsou sloučeniny s nižší valencí. Soli plutonia vykazují v roztoku rozdílné zabarvení podle mocenství plutoniového iontu. Nejběžnější oxidační číslo plutonia je +IV a v tomto oxidační stupni vytváří plutonium amfoterní oxid plutoničitý PuO₂. To znamená, že tento oxid se v roztocích kyselin rozpouští za vzniku plutoničitých solí a v zásadách za vzniku komplexního aniontu a vytváří plutoničitany. Plutoničité soli nejsou v roztocích úplně stabilní a částečně nebo úplně hydrolyzují, to je možno potlačit snížením pH (přidáním kyseliny) do roztoku.

Čistý kov lze připravit redukcí fluoridu plutonia kovovým lithiem nebo baryem při teplotě kolem 1200 °C.

PuF₆ + 6 Li → Pu + 6 LiF

PuF₆ + 3 Ba → Pu + 3 BaF₂

Historie objevu

Plutonium bylo poprvé připraveno roku 1940 dvěma vědeckými týmy bombardováním ²³⁸U neutrony. V jaderné laboratoři v Berkeley na kalifornské univerzitě ho připravili Edwin M. McMillan a Philip Abelson a v britské Cambridgi ohlásili jeho přípravu Norman Feather a Egon Bretscher.

Příprava a izolace čistého kovu se uskutečnila 23. února 1941 v Berkeley bombardováním uranu jádry deuteria v cyklotronu. Jako autoři tohoto experimentu jsou označováni Glenn T. Seaborg, Edwin McMillan, J. W. Kennedy a A. C. Wahl. Vzhledem k probíhající druhé světové válce byly výsledky tohoto bádání udržovány v tajnosti, zvláště proto, že jedna ze dvou atomových bomb svržených USA na Japonsko byla vyrobena právě z plutonia.

Výskyt a izotopy

Plutonium patří mezi uměle připravené prvky a v přírodě je možné se setkat jen se skutečně ultrastopovými množstvími v uranových rudách, kde mohou jednotlivé atomy vzniknout z ²³⁸U po záchytu neutronu a následných dvou rozpadech β.

Mezi 20 známými izotopy plutonia existuje několik, které vykazují dostatečně velký poločas rozpadu, aby je bylo možno prakticky využít. Nejdelší poločas (asi 80 milionů let) má ²⁴⁴Pu, nejdůležitější izotop ²³⁹Pu se rozpadá s poločasem 24 110 let, ²⁴⁰Pu 6561 let, ²⁴¹Pu 14,325 roků, ²⁴²Pu 375 000 let a ²³⁸Pu má poločas rozpadu 87,7 let; existuje však celá řada dalších izotopů:

Izotop	poločas rozpadu	druh rozpadu	produkt rozpadu
228Pu	1,1 s	α	224U
229Pu	67 s	α (50 %)/ ε (50 %)	225U/ 229Np
230Pu	102 s	α	226U
231Pu	8,6 min	ε (99,80 %)/ α (0,20 %)	231Np/ 227U
232Pu	33,8 min	ε (90 %)/ α (10 %)	232Np/ 228U
233Pu	20,9 min	ε (99,88 %)/ α (0,12 %)	233Np/ 229U
234Pu	8,8 h	ε (94 %)/ α (6 %)	234Np/ 230U
235Pu	25,3 min	ε (100,00 %)/ α (2,8·10-3 %)	235Np/ 231U
236Pu	2,858 r	α	232U
237Pu	45,64 d	ε (100,00 %)/ α (4,2·10-3 %)	237Np/ 233U
238Pu	87,7 r	α	234U
239Pu	24 110 r	α	235U
240	6 561 r	α	236U
241Pu	14,325 r	β- (100,00 %)/ α (2,5·10-3 %)	241Am/ 237U
242Pu	375 000 r	α	238U
243Pu	4,956 h	β-	243Am
244Pu	8·107 r	α	240U
245Pu	10,5 h	β-	245Am
246Pu	10,84 d	β-	246Am
247Pu	2,27 d	β-	247Am

Výroba a využití

Jaderné zbraně

Výbuch plutoniové jaderné bomby svržené na Nagasaki

Plutonium je od 40. let 20. století nejvíce vyráběným umělým prvkem a to především proto, že izotop ²³⁹Pu je vhodný pro výrobu atomové bomby. Stejně jako v případě ²³⁵U dochází při nahromadění větších kvant čistého izotopu k nastartování řetězové štěpné reakce, kdy po rozpadu jednoho atomového jádra vznikají obvykle tři neutrony, které působí rozpady dalších okolních jader a rozpad se nekontrolovaně rozrůstá. Kritické množství čistého kovového plutonia ²³⁹Pu je přibližně 16 kg, s použitím neutronového odrážeče lze toto množství snížit až na 10 kg. Plutoniová jaderná puma má sílu výbuchu přibližně 20 kilotun TNT na každý kilogram použitého plutonia.

Princip výroby ²³⁹Pu spočívá v reakci ²³⁸U s neutronem za vzniku ²³⁹U v jaderném reaktoru. Jádro ²³⁹U je značně nestabilní a rozpadem β rychle vzniká izotop neptunia ²³⁹Np, jež se opět rychle dalším β-rozpadem mění na ²³⁹Pu. Tento izotop plutonia se chová jako α zářič a relativně snadno se dále zpracovává.

 238
92 U +  1
0 n →  239
92 U →  239
93 Np +  0
-1 e →  239
94 Pu +  0
-1 e

Při výrobě izotopu ²³⁸Pu se uran ²³⁸U bombarduje jádry deuteria:

 238
92 U +  2
1 D →  238
93 Np + 2  1
0 n →  238
94 Pu +  0
-1 e

V případě, že jádro ²³⁹Pu zachytí další neutron, dojde k jeho přeměně na ²⁴⁰Pu. Tento izotop je z hlediska další manipulace a zpracování rizikový protože je β–zářičem a zároveň není vhodný pro výrobu atomové zbraně. Protože izotopy ²³⁹Pu a ²⁴⁰Pu lze jen velmi obtížně oddělovat, je při výrobě ²³⁹Pu z ²³⁸U v jaderném reaktoru nutno pečlivě volit dobu setrvání ²³⁸U v reaktoru. Při dlouhodobém ozařování sice roste množství ²³⁹Pu, ale současně narůstá i podíl nechtěného izotopu ²⁴⁰Pu. Na druhé straně je ekonomicky značně nákladné oddělovat izotopy plutonia od zbytku jaderného paliva z reaktoru a je proto otázkou komplikovaných výpočtů určit, v jakém stádiu výroby má být reakce přerušena a materiál chemicky přepracován na čisté plutonium. Další důležitou proměnnou veličinou je zde pochopitelně i procentuální vsázka ²³⁸U do jaderné reakce.

Další využití

• Podobně jako v případě uranu může být řetězová reakce, v níž po záchytu neutronu dojde k rozpadu atomového jádra prvku za uvolnění dalších neutronů a kinetické energie štěpných produktů, využita i pro výrobu energie v upravených jaderných reaktorech. V současné době pracuje na světě několik jaderných reaktorů na bázi směsi ²³⁹Pu a ²⁴⁰Pu, obecně jsou však tyto reaktory pokládány za méně bezpečné než klasické uranové vzhledem k vysoké toxicitě plutonia a jeho sloučenin.
• Izotop ²³⁸Pu s poločasem rozpadu 88 let slouží často jako energetický zdroj především v kosmických sondách. V tzv. radioizotopovém termoelektrickém generátoru se mění tepelná energie uvolněná samovolným jaderným rozpadem na elektrickou pomocí termočlánků. Pro tyto účely jsou vhodné izotopy s poločasem rozpadu v řádu desítek let, protože uvolněná energie je dostatečně velká, aby mohla být prakticky využita a zároveň zaručuje použitelnost zdroje po dobu minimálně 50 let. Produkovaný výkon generátoru dosahuje stovek wattů, což postačuje pro udržení provozu základních elektrických přístrojů vesmírné sondy. Plutoniové generátory zásobují energií např. sondy Galileo nebo Cassini a udržují v provozu vědecké přístroje, zanechané na Měsíci kosmonauty v rámci projektu Apollo.
• Spíše jako zajímavost může sloužit informace, že výše uvedené generátory elektrické energie v některých případech slouží jako energetický zdroj pro pacemakery, medicínské přístroje sloužící ke zklidnění srdečního rytmu u osob s rizikem infarktu. V současné době jsou pro tyto účely používány především lithiové baterie s dlouhou životností a indukčním dobíjením, ale před jejich vynálezem byl energetický zdroj fungující na principu jaderného rozpadu ²³⁸Pu přijatelnou alternativou.

Zdravotní rizika

Plutonium je jako těžký kov toxické chemicky, v praxi lze však u něho těžko rozlišit škodlivé účinky způsobené radiací od škodlivých účinků chemických; je často pokládáno za jednu z nejtoxičtějších anorganických látek. Podle některých údajů můžou být už mikrogramová množství tohoto prvku smrtelně jedovatá pro člověka, pokud se dostanou do krevního oběhu. Jiné zdroje však tvrzení o extrémní toxicitě kovového plutonia považují za tendenčně nadhodnocené a používané především skalními odpůrci využití jaderné energetiky. J. Marhold cituje z prací, kde je uvedena LD₅₀ u psa i. v. 0,3 mg/kg, u myši i. p. 1750 mg/kg. Evidentně tedy nejde o látku akutně extrémně toxickou. Za hlavní nebezpečí se považuje depozice v kostech.

Radiačně nebezpečný je především izotop ²⁴⁰Pu, který jako β-zářič má daleko negativnější dopad na lidské zdraví než zbylé izotopy plutonia, zářiče α. Je pochopitelné, že mimořádné nebezpečí by hrozilo při nastartování řetězové štěpné reakce, kdy se plutonium stává zdrojem silného neutronového toku. K tomu však může dojít pouze při neopatrné manipulaci s většími objemy čistého plutonia; v počátcích výzkumu plutonia v laboratořích v Berkeley skutečně několikrát došlo k vysoké expozici pracovníků neutrony, konkrétně nehody při experimentech s kritickým množstvím, 21. srpna 1945 nehoda Harryho K. Daghliana Jr. (1921–1945) a 21. května 1946 nehoda Louise P. Slotina (1910–1946). Při těchto nehodách došlo k vysokému ozáření menšího počtu osob, H. K. Daghlian zemřel 26 dní po nehodě, L. P. Slotin po 9 dnech.

Související články

• Radioizotopový termoelektrický generátor
• Uran

Literatura

• Cotton F. A., Wilkinson J.: Anorganická chemie, souborné zpracování pro pokročilé, ACADEMIA, Praha 1973
• Holzbecher Z.: Analytická chemie, SNTL, Praha 1974
• Dr. Heinrich Remy, Anorganická chemie 1. díl, 1. vydání 1961
• N. N. Greenwood, A. Earnshaw, Chemie prvků II. 1. díl, 1. vydání 1993 ISBN 80-85427-38-9
• VOHLÍDAL, Jiří; ŠTULÍK, Karel; JULÁK, Alois. Chemické a analytické tabulky. 1. vyd. Praha: Grada Publishing, 1999. ISBN 80-7169-855-5. 

Externí odkazy

Obrázky, zvuky či videa k tématu plutonium na Wikimedia Commons

• Co je smíšené oxidové palivo (MOX) a kde se používá?, Česká nukleární společnost, Zpravodaj 2/2000
• (anglicky) IARC MONOGRAPHS ON THE EVALUATION OF CARCINOGENIC RISKS TO HUMANS, VOLUME 78 IONIZING RADIATION, PART 2: SOME INTERNALLY DEPOSITED RADIONUCLIDES IARC 2001,
• (česky) Novinky.cz - Izrael vyvinul plutonium, které nelze použít na atomovou bombu