Zabarvení roztoků solí plutonia v různýchmocenstvích
Plutonium je radioaktivní kovový prvek stříbřitě bílé barvy, která se působením vzdušnéhokyslíku mění na šedavou. Čisté plutonium je podobně jakouran ve formě hoblin a pilin samozápalné, proto jeho zpracování vyžaduje extrémní opatrnost.
Vesloučeninách se vyskytuje v mocenství od Pu+3 po Pu+7[1], 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 amfoterníoxid plutoničitý PuO2. To znamená, že tentooxid se v roztocích kyselin rozpouští za vzniku plutoničitých solí a vzásadách za vznikukomplexního aniontu a vytváří plutoničitany. Plutoničité soli nejsou v roztocích úplně stabilní a částečně nebo úplněhydrolyzují, to je možno potlačit sníženímpH (přidánímkyseliny) do roztoku.
Čistý kov lze připravitredukcí fluoridu plutonia kovovýmlithiem nebobaryem při teplotě kolem 1200 °C.
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 velkýpoločas rozpadu, aby je bylo možno prakticky využít. Nejdelší poločas (asi 80 milionů let) má244Pu, nejdůležitější izotop239Pu se rozpadá s poločasem 24 110 let,240Pu 6561 let,241Pu 14,325 roků,242Pu 375 000 let a238Pu má poločas rozpadu 87,7 let; existuje však celá řada dalších izotopů:
Výbuch plutoniové jaderné bomby svržené na Nagasaki
Plutonium je od 40. let20. století nejvíce vyráběným umělým prvkem a to především proto, že izotop239Pu je vhodný pro výrobu atomové bomby. Stejně jako v případě235U dochází při nahromadění větších kvant čistého izotopu k nastartovánířetězovéštěpné 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 plutonia239Pu je přibližně 10,5 kg, s použitím neutronového odrážeče lze toto množství snížit až kolem 2,5 kg. Plutoniová jaderná puma má sílu výbuchu přibližně 20 kilotunTNT na každý kilogram rozštěpeného plutonia.
Princip výroby239Pu spočívá v reakci238U s neutronem za vzniku239U v jaderném reaktoru. Jádro239U je značně nestabilní a rozpadem β rychle vzniká izotopneptunia239Np, jež se opět rychle dalším β-rozpadem mění na239Pu. Tento izotop plutonia se chová jako α zářič a relativně snadno se dále zpracovává.
Při výrobě izotopu238Pu se uran238U bombarduje jádrydeuteria:
238 92U +2 1D →238 93Np + 21 0n →238 94Pu +0 −1e
V případě, že jádro239Pu zachytí další neutron, dojde k jeho přeměně na240Pu. Tento izotop je z hlediska další manipulace a zpracování rizikový protože je β–zářičem a zároveň není vhodný pro výrobu atomové zbraně. Protože izotopy239Pu a240Pu lze jen velmi obtížně oddělovat, je při výrobě239Pu z 238U v jaderném reaktoru nutno pečlivě volit dobu setrvání238U v reaktoru. Při dlouhodobém ozařování sice roste množství239Pu, ale současně narůstá i podíl nechtěného izotopu240Pu. Na druhé straně je ekonomicky značně nákladné oddělovat izotopy plutonia od zbytkujaderného 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 vsázka238U dojaderné reakce.
Podobně jako v případě uranu může býtřetězová reakce, v níž po záchytu neutronu dojde k rozpaduatomového jádra prvku za uvolnění dalších neutronů akinetické energie štěpných produktů, využita i pro výrobu energie v upravených jaderných reaktorech. V současné době pracuje na světě několik jaderných reaktorů na bázi směsi239Pu a240Pu, obecně jsou však tyto reaktory pokládány za méně bezpečné než klasické uranové vzhledem k vysokétoxicitě plutonia a jeho sloučenin.
Izotop238Pu 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 pomocítermočlánků. 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 stovekwattů, což postačuje pro udržení provozu základních elektrických přístrojů vesmírné sondy. Plutoniové generátory zásobují energií např. sondyGalileo neboCassini a udržovaly několik let v provozu vědecké přístroje, zanechané naMěsíci kosmonauty v rámci projektuApollo.238PuO2 byl použit také jako palivo pro sonduNew Horizons.
Spíše jako zajímavost může sloužit informace, že výše uvedené generátoryelektrické energie v některých případech slouží jako energetický zdroj prokardiostimulátory, medicínské přístroje sloužící ke zklidnění srdečního rytmu u osob s rizikeminfarktu. V současné době jsou pro tyto účely používány předevšímlithiové baterie s dlouhou životností a indukčním dobíjením, ale před jejich vynálezem byl energetický zdroj fungující na principu jaderného rozpadu238Pu přijatelnou alternativou.
Plutonium je jako těžký kov extrémně toxický, 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 mohou být užmikrogramová množství tohoto prvku smrtelně jedovatá pročlověka, pokud se dostanou dokrevního oběhu. Jiné zdroje však považují údaje o extrémní toxicitě plutonia za nadhodnocené. J. Marhold cituje z prací, kde je uvedena dávkaLD50 u psa i. v. 0,3 mg/kg. Toxikologie zná i mnohem prudší jedy. Za hlavní nebezpečí se považuje depozice v kostech.
Radiačně nebezpečný je především izotop241Pu, 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.
