​你了解钚吗？细说放射性元素钚的由来和作用

你了解钚吗？细说放射性元素钚的由来和作用

2012年8月25日，距离太阳约180亿公里处，美国宇航局的航海者一号探测器正式离开了日光层，大胆的前往以前没有任何物体去过的地方。跨越了这个边界，航海者一号离开了太阳系进入了星际空间，这是人类历史上的第一次。而支撑这一举动的正是元素钚，它让人类的太空旅行成为可能。

航海者一号探测器用钚发电

什么是钚

Glenn Seaborg

钚是上世纪四十年代首次被发现的，1941年格伦和他的同事亚瑟瓦尔以及约瑟肯尼迪在加州大学伯克利分校的物理实验室中，从镎中发现了微量的钚，每个钚原子含有94个质子，铀原子有92个质子， 而镎介于这二者之间有93个质子，钚一共有24个同位素，他们多数都是不稳定且具有放射性的，半衰期从28纳秒到8000多万年不等，这些同位素中人类使用最多的是钚238和钚239。

三个元素是相邻的

最早被发现的钚就是通过回旋加速器利用氘核也就是重氢核轰击铀238产生镎238。镎238的半衰期约为两天，两天后它会衰变成钚238。钚有六种晶体形式，他们都有不同的化学和物理性质，但只有α异位体是唯一能够存在于正常的室温和压力下的，金属钚是银色的，在空气中氧化后变为黄色。钚最为稳定的同位素是钚244，半衰期约为8200万年。钚的发现直到1946年才得以出版公布，但早在这之前它就已经名声在外了，原因就在于它惊人的能量和毁灭性。

银色金属钚

左手创造右手毁灭，被称为地狱之王的元素

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。而很多人不知道的是，钚的名字也来源于这个天体，原因则是它惊人的破坏性和难以置信的创造性。出于实际目的，钚在人类社会中有两种用途：一个是用作反应堆燃料，另一个则是应用在武器上。钚238与钚239的差别在于钚238不可裂变 不能维持连锁反应，而钚239是可以裂变的。

裂变

一个不到五公斤的钚239就可以达到维持裂变反应临界质量，它爆炸所释放的当量相当于20000吨得TNT。而浓缩铀235想要达到这种爆炸级别至少还要比钚多花三倍以上的原材料。这使得钚239成为制造核武器的首选材料。 二战时期美国在轰炸日本之前，试爆了地球上第一次原子弹，这次爆炸发生在1945年7月16日，在美国的墨西哥州阿拉莫多靶场，这项实验是曼哈顿计划的一部分，虽然绝密但当时的爆炸强度在160公里外也能清楚的感知到，而爆炸用的关键材料就是钚核而不是浓缩铀。

美国洛斯阿拉莫斯国家实验室

这之后不到一个月，美国在日本广岛上空投下了一颗铀235（U-235）核弹，三天后又在长崎投下了第二颗绰号胖子的原子弹，而这一颗原子弹的主要原材料和美国第一次核试验的原材料相同，都是钚。这次轰炸让日本付出了140000以上的生命代价。

钚弹爆炸是什么原理

现代原子弹由三个主要部分组成：分别是主级，二次级和辐射容器。主级是一个由钚组成的小球，是炸弹的核心部分。随后这个核心被次要成分包裹，这种次要成分一般是一些化学爆炸物质，最后在这层爆炸物质外层用一层铀壳包围。

原子弹的结构

起爆时中间部分的化学爆炸物率先被触发，它会引起内爆，产生的爆炸能量可以在瞬间挤压中间的钚芯 从而导致钚芯的密度瞬间增加，这种人为迫使原子叠加在一起产生自由的中子，从而引发钚原子核在链式反应中发生裂变从而释放出巨大能量，同时这种反应还会导致最外层铀壳一同发生裂变从而释放出更多核能。这种核弹被形象地称作三位一体，最早的三位一体核弹重约一万磅，现如今科学技术发展已经能将核弹缩减到重250磅，而体积也仅有一个手提箱大小。

钚和电力

如今，核电站输出的电能中有三分之一以上来自钚，一公斤钚238（Pu-238）能产生高达2200万千瓦时的能量，这相当于中国一个普通中等城市一天所需要的全部电能。

核电站反应堆

钚和太空

钚最为重要也是鲜为人知的用途就是人类在太空探索时为其提供电能。钚238在经历放射性衰变时会放出大量热量，而这种热量可以用于热电发电机来发电。钚238具有很多特性，使得它对于航天工程师来说非常重要。半衰期是一个指标，它是用来说明既定放射性同位素中的原子衰变并转化为其他物质需要的时间，钚238的半衰期为88年，当这些探测器远离太阳，在恒星光线微弱的昏暗地方；当这些探测器必须与行星上过往的风暴所产生的灰尘作斗争时它可以为漫游车和太空探测器并连续运行数十年。因此，钚238非常适合火星和深空探索，到目前为止它已经为至少30辆美国航天器提供动力。

探测器在日光层外的位置

钚和毒性

钚具有放射性，但你可能永远也接触不到它。钚虽然存在于自然界中，但是极其微量，大储量高纯度的钚没有天然来源，它必须是通过人造才能产出，但假如人们接触或者吸入了它时，这些钚会困在人们的肺部，并会迅速转移到身体的骨骼和脏器中，并最终导致中毒死亡。钚是迄今为止人类已知毒性最大的放射性毒药之一，人们在处理钚以及它的化合物时必须在一个密闭且含有惰性氩气手套箱中进行。

放射性元素对人体的危害

能请神却不能安神 无处安放的钚 239

世界上有足够多的钚239供应，因为他是核电站发电的废物产品。 钚有一个特性让它在为人们提供源源不断的电能同时也让人产生了担忧，钚在熔融状态下会腐蚀任何储存它的容器。它具有与元素周期表上几乎所有其他元素相结合的非凡能力，因此现如今，武器级钚面临的最大问题是如何储存和处理它。在美国大部分储存在南卡罗莱纳州萨凡纳河的一座建筑遗址中，这个存储空间就像个潘多拉魔盒一样 一旦打破后果将不可预见，毕它是可以用来制造核武器的。