TÍNH CHẤT HÓA HỌC, TRẠNG THÁI TỰ NHIÊN VÀ ỨNG DỤNG CỦA PLUTONI (Pu)

I. Lịch sử về nguyên tố Plutoni

-  Plutoni được một nhóm nghiên cứu đứng đầu là Glenn T. Seaborg and Edwin McMillan tổng hợp đầu tiên năm 1940 tại Đại học California, Berkeley bằng cách bắn phá urani-238 bởi hạt nhân deuteron. McMillan đặt tên nguyên tố mới theo tên Pluto (Sao Diêm Vương), và Seaborg đề nghị kí hiệu nó là Pu. Sau đó, một lượng nhỏ plutoni ở dạng vết cũng được phát hiện trong tự nhiên. Việc tạo ra plutoni được sử dụng với lượng lớn lần đầu tiên trong phần chính của dự án Manhattan suốt chiến tranh thế giới thứ 2, để tạo ra bom nguyên tử đầu tiên.

II. Tính chất vật lí

-  Plutoni là nguyên tố nguyên thủy nặng nhất, Nó là một kim loại thuộc nhóm actini với bề ngoài màu trắng bạc và bị xỉn khi tiếp xúc với không khí, tạo thành một lớp phủ mờ khi bị ôxi hóa.

-  Plutoni có điểm nóng chảy thấp (640 °C) và có điểm sôi cao bất thường (3.327 °C). Không giống hầu hết các kim loại khác, plutoni tăng tỷ trọng khoảng 2,5% khi nó nóng chảy.

-  Phát xạ hạt anpha giải phóng hạt nhân heli năng lượng cao là cách phát xạ phổ biến của plutoni.

-  Điện trở suất của plutoni ở nhiệt độ phòng là rất cao so với mặt bằng chu của các kim loại, và giá trị này sẽ cao hơn ở nhiệt độ thấp hơn, đó là điều bất thường đối với một kim loại.

III. Tính chất hóa học

-  Plutoni là kim loại có tính khử mạnh.

1. Tác dụng với phi kim

-  Ở nhiệt độ thường, khi tiếp xúc với không khí ẩm plutoni bị phủ một màng oxit mỏng.

Pu + O₂ → PuO₂

-  Khi bị đun nóng plutoni tác dụng được với nhiều phi kim như oxi, halogen, hidro,...

Thí dụ:

2Pu + 3H₂ → 2PuH₃

2Pu + 3Cl₂ → 2PuCl₃

b. Tác dụng với axit

-  Plutoni bị thụ động hóa với các dung dịch axit đặc, nhưng tan trong axit loãng.

 Pu + 6HCl → 2PuCl₃ + 3H₂ ↑

2Pu + 3H₂SO₄ → Pu₂(SO₄)₃ + 3H₂

b. Tác dụng với nước

-  Plutoni tan chậm trong nước nóng.

2Pu + 6H₂O → 2Pu(OH)₃  + 3H₂ ↑

IV. Trạng thái tự nhiên 

-  Đồng vị bền nhất của nó là plutoni-244 có chu kỳ bán rã khoảng 80 triệu năm đủ lâu để nguyên tố này có thể được tìm thấy ở dạng vết trong tự nhiên. Nhưng plutoni là sản phẩm phụ thường xuyên có mặt khi nguyên tử urani bị tách làm đôi trong lò phản ứng hạt nhân. Một số hạt hạ nguyên tử được tăng tốc trong quá trình phân hạch biến đổi urani thành plutoni.

-  Đồng vị quan trọng nhất của plutoni là plutoni-239, với chu kỳ bán rã 24.100 năm. Plutoni-239 là đồng vị có ích nhất trong các vũ khí hạt nhân. Plutoni-239 và plutoni-241 có khả năng phân hạch, có nghĩa là các nguyên tử của nó có thể tách ra bằng cách bắn phá bởi neutron nhiệt chuyển động chậm giải phóng năng lượng, tia gamma và nhiều neutron hơn.

V. Ứng dụng 

-  Nhiên liệu hạt nhân đã sử dụng từ các lò phản ứng nước nhẹ chứa Plutoni ở dạng hỗn hợp gồm plutoni-242, 240, 239 và 238. Hỗn hợp này không được làm giàu một cách đầy đủ để dùng cho các vũ khí hạt nhân, nhưng nó có thể được sử dụng làm nhiên liệu MOX. Bắt giữ neutron ngẫu nhiên làm cho một lượng plutoni-242 và 240 tăng theo thời gian Plutoni bị chiếu xạ trong lò phản ứng bởi các neutron "nhiệt" tốc độ chậm, vì thế sau chu kỳ thứ 2, Plutoni chỉ có thể được tiêu thụ bởi các lò phản ứng neutron nhanh. Nếu các lò phản ứng neutron nhanh không có, lượng Plutoni dư thường sẽ bị loại bỏ, và trở thành một loại chất thải hạt nhân có thành tố tồn tại lâu trong môi trường. Việc mong muốn tiêu thụ loại plutoni này và các nhiêu liệu siêu urani khác và làm giảm lượng phóng xạ trong chất thải là một trong những lý do khiến người ta phát triển các lò phản ứng neutron nhanh.  

-  Công nghệ hóa học phổ biến nhất dùng để tái xử lý nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng để tách plutoni và urani có thể được sử dụng để tạo ra một ôxit hỗn hợp là "nhiên liệu MOX" cho một số lò phản ứng hạt nhân. Plutonii cấp vũ khí có thể cần được cho thêm vào hỗn hợp nhiêu liệu này. Nhiên liệu MOX được dùng trong các lò phản ứng nước nhẹ và chiếm khoảng 60 kg plutoni trên 1 tấn nhiên liệu; sau 4 năm, 3/4 lượng plutoni bị tiêu thụ (chuyển thành các nguyên tố khác). Các lò phản ứng tái sinh được thiết kế đặc biệt để tạo ra vật liệu phân hạch nhiều hơn lượng chúng tiêu thụ. 

-  Nhiên liệu MOX đã được sử dụng từ thập niên 1980 và hiện nay được sử dụng rộng khắp ở châu Âu.  Tháng 9 năm 2000, Hoa Kỳ và Nga kí kết một thỏa thuận về loại bỏ và quản lý plutoni, theo đó, mỗi bên đồng ý loại bỏ 34 tấn plutoni cấp vũ khí. Bộ Năng lượng Hoa Kỳ lên kế hoạch loại bỏ 34 tấn plutoni cấp vũ khí ở Hoa Kỳ vào cuối năm 2019 bằng cách chuyển plutoni thành nhiên liệu MOX dùng cho các lò phản ứng hạt nhân thương mại. 

-  Nhiên liệu MOX nâng cao tổng lượng đốt cháy. Một thanh nhiên liệu sau 3 năm sử dụng được tái xử lý để loại bỏ các sản phẩm thải, chúng chiếm khoảng 3% tổng khối lượng các thanh nhiên liệu. Bất kỳ đồng vị urani hay plutoni được tạo ra trong thời gian 3 năm này đều được loại bỏ và thanh nhiên liệu được đưa trở lại lò phản ứng. Khi galli chiếm 1% về khối lượng trong các hợp kim plutoni cấp vũ khí thì nó có khả năng gây cản trở việc vận hành lâu dài các lò phản ứng nước nhẹ.  

-  Plutoni được thu hồi từ các nhiên liệu lò phản ứng hạt nhân đã qua sử dụng đặt ra một mối nguy hiểm phổ biến vũ khí hạt nhân ở mức ít hơn, vì sự ô nhiễm nhiều hơn với các đồng vị không phân hạch như plutoni-240 và plutoni-242. Việc tách các đồng vị này là không khả thi. Một lò phản ứng chuyên dụng vận hành dựa trên việc đốt nhiên liệu ở mức rất thấp nhìn chung cần phải tạo ra vật liệu thích hợp cho việc sử dụng chúng có hiệu quả trong các vũ khí hạt nhân. Trong khi plutoni cấp vũ khí được định nghĩa là có chứa ít nhất 92% plutoni-239, thì Hoa Kỳ đã quản lý để làm thiết bị nổ dưới 20Kt (kilo tấn) dùng putoni được tin là chỉ chứa khoảng 85% plutoni-239, còn được gọi là plutoni 'cấp nhiên liệu'. Plutoni 'cấp lò phản ứng' được tạo ra từ chu trình đốt trong lò phản ứng nước nhẹ thông thường chứa lượng Pu-239 ít hơn 60%, với parasitic Pu-240/Pu-242 lên tới 30%, và 10-15% Pu-241 có khả năng phân hạch.

Trung tâm luyện thi, gia sư - dạy kèm tại nhà NTIC Đà Nẵng