پلوتونیوم چیست و چه کاربردی دارد؟

در مطلب پیشِ رو توضیح می‌دهیم که پلوتونیوم چیست و با خواص و کاربردهای پلوتونیوم آشنا می‌شویم.

پلوتونیوم چیست؟

پلوتونیوم عنصر فلزی پرتوزا با عدد اتمی ۹۴ است که در صنایع مختلف از جمله در فناوری هسته‌ای کاربرد دارد. تمام پلوتونیم فعلی دنیا به‌روش صنعتی تولید می‌شود زیرا پلوتونیم در طبیعت عنصر تقریبا نایابی است و فقط تحت شرایط خاص زمین‌شناختی شاید ردی از آن در طبیعت یافت شود. پلوتونیوم به‌سبب پرتوزایی و آرایش الکترونی پیچیده‌اش شهرت دارد. در مطالعات دانشگاهی، پلوتونیوم به‌علت اهمیتش در فهم فرآیندهای شکافت هسته‌ای، عنصری مهم و معروف است.

کاربردهای پلوتونیوم چیست؟

پلوتونیوم هم کاربردهای غیرنظامی و هم متاسفانه کاربردهای نظامی دارد. ایزوتوپ پلوتونیوم-۲۳۹ نیز مثل اورانیوم-۲۳۵ می‌تواند واکنش زنجیره‌ای خود را حفظ کند. لذا در صنعت هسته‌ای، هم برای تولید برق و هم برای تولید سلاح هسته‌ای به‌کار می‌رود.

کاربرد غیرنظامی پلوتونیوم چیست؟

در بخش غیرنظامی، پلوتونیوم در راکتورهای هسته‌ای به‌کار می‌رود تا برق تولید کند. کاربرد بعدی پلوتونیوم در ژنراتورهای گرماالکتریکی رادیوایزوتوپی (RTG مخفف Radioisotope Thermoelectric Generator) است و برای ماهواره‌ها و ابزارهای فضایی نیروی کافی تامین می‌کند. ضمنا پلوتونیوم به‌سبب ویژگی‌های منحصر‌به‌فردش در پژوهش‌های علمی مختلف از جمله در مطالعه واپاشی پرتوزا و ساخت مواد پیشرفته اهمیت دارد.

کاربرد نظامی (تسلیحاتی) پلوتونیوم چیست؟

در حوزه نظامی، پلوتونیوم از اجزای حساس در تولید سلاح‌های هسته‌ای است زیرا واکنش‌های هسته‌ای آن سریع صورت می‌پذیرد.

روش‌های تولید: پلوتونیوم چگونه تولید می‌شود؟

پلوتونیوم در اصل طی فرآیندهایی داخل راکتورهای هسته‌ای تولید می‌شود. همانطور که اشاره کردیم، پلوتونیوم در طبیعت بسیار کمیاب است و لذا بیشتر پلوتونیوم مورد استفاده در دنیا به‌روش صنعتی تولید می‌شود. نخستین پلوتونیوم صنعتی دنیا را گلن سیبورگ، ادوین مک‌میلان، جوزف کندی و آرتور وال مشترکا ً در ۱۹۴۰ میلادی تولید کردند. آنان اصطلاحاً با بمباران دوتریونی ایزوتوپِ اورانیوم-۲۳۸ توانستند پلوتونیوم تولید کنند. (به هسته دوتریوم، دوتریون می‌گویند و دوتریوم همان اتمِ تک‌نوترونیِ هیدروژن است. برای اطلاعات بیشتر درباره ایزوتوپ‌ها بخوانید: ایزوتوپ چیست؟) بعدها در سنگ‌های معدنی اورانیوم نیز مقادیر کمی پلوتونیوم طبیعی کشف شد.

برای تولید پلوتونیوم معمولا ایزوتوپ پرتودهی‌شده‌ی اورانیوم-۲۳۸ داخل راکتور با جذب نوترون به اورانیوم-۲۳۹ و سپس در اثر واپاشی پرتوزا به نپتونیوم-۲۳۹ و نهایتا به پلوتونیوم-۲۳۹ تبدیل می‌شود. در فرآیند مذکور، شیوه‌های جداسازی شیمیایی پیشرفته لازم است تا بتوان از میله‌های سوخت پلوتونیوم پرتوافشان استخراج کند.

پلوتونیوم را می‌توان به‌شکل‌های مختلف از جمله پودر، ورق نازک، پوشش و فویل تولید کرد.

خواص پلوتونیوم و ذخایر آن در طبیعت

در ادامه، با خواص شیمیایی و فیزیکی پلوتونیوم آشنا می‌شویم.

خواص شیمیایی پلوتونیوم چیست؟

پلوتونیوم حالت‌های اکسایش گسترده‌ای دارد که معمولا از ۳+ تا ۷+ است و همین ویژگی غنی شیمیایی موجب می‌شود در واکنش‌های شیمیایی مختلف، چندکاره ظاهر شود. پلوتونیوم با اکسیژن و آب واکنش می‌دهد و چندین ترکیب اکسید تشکیل می‌دهد که در آزمایشگاه‌های علمی و دانشگاه مطالعه می‌شود. رفتار پلوتونیوم در محیط‌های شیمیایی مختلف آن را به موضوع جالبی در شیمی هسته‌ای بدل کرده است.

بعضی از خواص شیمیایی و نیز جدول ایزوتوپ‌های پلوتونیوم را مرور می‌کنیم.

سطوح انرژی:

۲, ۸, ۱۸, ۳۲, ۲۴, ۸, ۲

تعداد سطوح انرژی: ۷

خواص فیزیکی پلوتونیوم چیست؟

در جدول زیر بعضی از خواص فیزیکی پلوتونیوم را مشاهده می‌کنید:

ایزوتوپ‌های پلوتونیوم

پلوتونیوم ۱۱ ایزوتوپ دارد. نام و نیمه عمر ایزوتوپ‌های پلوتونیوم چنین است:

همه ایزوتوپ‌های پلوتونیوم ناپایدار و نتیجتاً ایزوتوپ‌ پرتوزا (رادیوایزوتوپ) هستند. با نگاهی به جدول درمی‌یابیم که پلوتونیوم-۲۴۴ با نیمه عمر ۸۰.۸ سال پایدارترین ایزوتوپ پلوتونیوم است.

آلیاژهای پلوتونیوم

پلوتونیوم را می‌توان با بعضی از فلزها ترکیب کرد و آلیاژهایی با کاربردهای خاص ساخت. بعضی از آلیاژهای پلوتونیوم چنین هستند:

• آلیاژ پلوتونیوم و تنگستن: در شبکه‌های لوله رادار، الکترودهای جرقه‌زنِ موتور هواپیما، عناصر گرمایشی، دستگاه تنش‌سنج (strain gauge) و سوئیچ‌ها به کار می‌رود.
• پلوتونیوم و کبالت: برای تولید آهنرباهای بسیار قوی به کار می‌رود که B-H آنها تقریبا دو برابر Alnico V است.

جمع‌بندی

توضیح دادیم که پلوتونیوم چیست و چه کاربردهایی دارد. پلوتونیوم عنصری فلزی با عدد اتمی ۹۴ و در طبیعت تقریبا نایاب است. همه پلوتونیوم فعلی دنیا به‌روش صنعتی تولید می‌شود. در صنعت هسته‌ای ایزوتوپ شکافت‌ناپذیر اورانیوم-۲۳۸ با جذب نوترون به اورانیوم-۲۳۹ و سپس در اثر واپاشی پرتوزا به نپتونیوم-۲۳۹ و نهایتا به پلوتونیوم-۲۳۹ تبدیل می‌شود. با استفاده از ایزوتوپ پلوتونیوم-۲۳۹ در راکتور می‌توان برق هسته‌ای تولید کرد. پلوتونیوم در حوزه‌های مختلف از جمله در بعضی از اجزا و قطعات الکترونیکی و نیز در بعضی از ظروف آزمایشگاهی نیز کاربرد دارد.