放射性！钚元素简介

钚有两种：反应堆级和武器级。

2012 年8 月 25 日，在距太阳约 110 亿英里(180 亿公里)的地方，美国宇航局的航海者一号探测器离开了日光层，大胆地前往以前没有物体去过的地方。通过跨越那个边界，航海者一号超越了太阳系并进入了星际空间，这是历史性的第一次。

查看(传统)元素周期表的底行，您会发现使这次宇宙冒险成为可能的元素：钚。

什么是钚?

钚在 1940 年代首次被发现，已被用于创造性和破坏性目的。已故物理学家约翰·戈夫曼曾将钚称为“地狱之王的元素”。语言学家可能倾向于同意。

但首先要更多地了解这个元素。每个钚原子含有 94 个质子。相比之下，每个铀原子只有 92 个质子，每个镎原子有 93 个质子。

由于这两种元素都以古神和行星——天王星和海王星命名，因此钚得到了相同的处理。

“钚是由 Glenn Seaborg 和伯克利实验室 (CA) 的同事于 1940 年末发现的，”圣母大学的化学家 Peter C. Burns 在一封电子邮件中说。

十年前，天文学家在海王星附近观测到了一颗新的矮行星。为了纪念罗马的冥界之神，它被称为“冥王星”。钚的名字来源于那个天体。

最初，Seaborg 和公司能够在伯克利使用回旋加速器粒子加速器生产钚。有了这个装置，被称为“氘核”的粒子被发射到铀样品上。该实验产生了少量的镎，然后通过衰变过程变成了钚。

第一个可称重的钚样品于 1942 年 8 月 20 日在芝加哥大学创建。那时，一些团体已经认识到该元素的军事潜力。

钚原子总是带有 94 个质子。但是中子数可能会有所不同，化学家将这些变化称为“同位素”。铀也有同位素。其中一种称为铀 235 (U-235)，很快就被确定为原子弹的潜在燃料来源。在发现钚后不久，钚作为另一种为核武器提供动力的方式进入了讨论。原子时代即将开始。

今天，出于所有实际目的，有两种钚：反应堆级和武器级。钚是“胖子”背后的关键成分，这颗核弹于 1945 年摧毁了日本长崎，造成数万人死亡并有效地结束了第二次世界大战。

三位一体爆炸发生在爆炸后 16 毫秒，这是地球上的第一次核爆炸。它有一个钚核。

钚和武器

用于军事目的的钚是从在钚生产反应堆中辐照两到三个月的铀燃料中回收的。制造一颗炸弹需要大约 22 磅(10 公斤)几乎纯的钚 239 同位素(Pu-239)。根据世界核协会的说法，这种类型的炸弹需要 30 兆瓦年的核反应堆运行，不断更换燃料和对“热”燃料进行后处理。这就是为什么“武器级”钚是在特殊反应堆中制造的，这些反应堆可以增加钚的高级同位素的浓度。

地球上第一次原子弹爆炸发生在 1945 年 7 月 16 日。它发生在新墨西哥州，强度足以在 100 英里(160 公里)外感受到。它是曼哈顿计划在阿拉莫戈多轰炸靶场进行的绝密“三位一体核试验”的一部分。有问题的装置有一个钚核;实验中没有使用铀基核武器。

随后，美国于 1945 年 8 月 6 日在日本广岛市上空投下了一枚 U-235 核弹。三天后，美国在长崎投下了第二颗绰号“胖子”的原子弹。就像那年夏天在新墨西哥州测试的武器一样，长崎原子弹依赖于钚。

“[它] 永远不会知道有多少人因对长崎的原子弹袭击而死亡，”美国能源部官方网站报道。根据他们的最佳估计，“最初有 40,000 人死亡，另有 60,000 多人受伤。” 在接下来的几个月和几年里，最终的死亡总数可能会攀升至 140,000 或更多。在长崎和平公园举办的年度仪式每年八月兑现自己的记忆。

今天武器级钚库存的最大问题是如何处理它。据估计，美国目前拥有96.6 吨(87.7 公吨)钚——而且存在储存问题。其中大部分目前储存在南卡罗来纳州萨凡纳河遗址的一座建筑物中。

马尔姆斯特罗姆空军基地导弹维护小组在蒙大拿州导弹基地拆除洲际弹道导弹 (ICBM) 的上部。该部分是随机挑选的，用于八月份在加利福尼亚州范登堡空军基地的试射。

钚和电力

今天，核电站生产的能量中有三分之一以上来自钚。然而，美国没有任何依赖钚作为能源的设施。

在核反应堆中形成的最常见的钚同位素是 Pu-239，它是通过从贫铀 (U-238) 中捕获中子而产生的。裂变后，Pu-239 的能量可与浓缩铀 (U-235) 一样多，后者也用于核武器。

历史上，另一种钚同位素 Pu-238 用于为一些商业起搏器的电池供电。随着锂动力替代品进入市场，这些医疗设备已经过时了。

但在最后的前沿，钚仍然是一种有价值的商品。

钚和深空

“钚最重要、鲜为人知的用途是在太空探索期间发电，”伯恩斯说。“钚238在经历放射性衰变时会释放大量热量，这种热量可用于热电发电机来发电。”

Pu-238具有许多特性，使同位素对为航天机构工作的工程师非常有吸引力。首先，您不需要太多热量来产生大量热量，然后可以将其转化为电能。

然后是半衰期，这是一个指标，它告诉您给定放射性同位素中的一半原子衰变并转化为其他物质需要多长时间。Pu-238 的半衰期为 88 年，可以让漫游车和太空探测器连续运行数十年。

远离太阳，在恒星光线微弱昏暗的地方，太阳能卫星不会表现得那么好。与此同时，依赖阳光的火星探测器(如现已解散的机遇号探测器)必须与过往风暴产生的灰尘作斗争，这些灰尘可能会窒息它们的面板并阻碍电池功能。

由于这些原因，Pu-238 非常适合火星和深空探索。到目前为止，Pu-238 已经为至少 30 辆美国航天器提供动力。2021 年 2 月降落在这颗红色星球上的毅力漫游者有一台由 Pu-238 提供燃料的发电机。所以做遥远的航天器就像旅行者1号和旅行者2号，并已参观了太阳能系统(及以后)，自1977年以来。

这张插图显示了 NASA 的航海者 1 号和航海者 2 号探测器在日光层之外的位置，日光层是一个由太阳产生的保护性气泡，远远超过冥王星的轨道。两者都由钚提供动力。

钚和毒性

钚具有放射性，但您可能永远不会接触到它。卡内基科学研究所的 Robert M. Hazen 说钚“没有天然来源”。“它必须通过增殖反应堆制造，所以地球上使用的所有钚都是人造的，”他通过电子邮件解释道。

不过，它可以通过工厂或容器释放到环境中，但空气、水、土壤和食物中的钚含量极低。但是，如果您暴露在外，很可能是通过吸入辐射气溶胶或皮肤接触。和许多因素将决定曝光是否会伤害你，包括有多少，多久和你是如何与钚接触。

当你吸入它时，一些钚会被困在你的肺部，并会转移到你的骨骼和肝脏。如果你通过食物吞下它，微量的也会扩散到你的骨骼和肝脏。如果您接触钚，很少(如果有的话)会进入您的身体，但它会灼伤与其接触的皮肤。因此，尽管钚是一种放射性元素，但它远非活动家拉尔夫·纳德 (Ralph Nader)曾经宣称的“人类已知的毒性最强的物质” 。