البلوتونيوم خواص العنصر واستخداماته

من بين العناصر الموجودة في الجدول الدوري، يُعد البلوتونيوم من بين العناصر الأكثر تعقيدًا من الناحية التاريخية والعلمية. ويشتهر البلوتونيوم بنشاطه الإشعاعي الشديد وكيميائياته المتنوعة ودوره المحوري في التكنولوجيا النووية، ولا يزال البلوتونيوم موضوعًا للأبحاث العالمية وتطوير الطاقة والتحكم فيها. ويُعد البلوتونيوم، الذي اشتهر بارتباطه بالأسلحة النووية، مادة بالغة الأهمية أيضاً في توليد الكهرباء وفي تشغيل المركبات الفضائية لبعثات الفضاء السحيق. يتطلب فهم هذا العنصر البحث في أصله وبنيته وسلوكه وتطبيقاته في العديد من جوانب العلوم والهندسة.

مقدمة عن العنصر

البلوتونيوم هو عضو في سلسلة الأكتينيدات ولا يوجد في الطبيعة بأي كميات ذات مغزى. تم تصنيعه لأول مرة في أوائل الأربعينيات من القرن العشرين خلال جهود الأبحاث النووية الأمريكية، حيث كان العلماء يبحثون عن مواد انشطارية جديدة غير اليورانيوم. وأصبح البلوتونيوم، الذي يتميز بتكوين إلكتروني كثيف وحالات أكسدة متعددة، جزءاً لا يتجزأ من الفيزياء النووية بسرعة كبيرة. وضمنت قدرته على الحفاظ على تفاعل نيوتروني متسلسل سريع - وهي خاصية فريدة بين العديد من العناصر الأخرى - مكانته المركزية في تطوير المفاعلات النووية والأسلحة الذرية المبكرة. واليوم، لا يزال البلوتونيوم حجر الزاوية في العلوم النووية، مع التحكم في إنتاجه واستخدامه بإحكام بسبب اعتبارات السلامة والبيئة والاعتبارات الجيوسياسية.

التاريخ والتسمية

يرتبط اكتشاف البلوتونيوم ارتباطاً وثيقاً بالإيقاع العلمي للحرب العالمية الثانية. في عام 1940، أنتجت مجموعة من الباحثين بقيادة جلين ت. سيبورغ وإدوين ماكميلان وجوزيف كينيدي وآرثر وال، الذين كانوا يعملون في جامعة كاليفورنيا في بيركلي، البلوتونيوم لأول مرة عن طريق قصف اليورانيوم 238 بالديوترونات في سيكلوترون. وأظهرت التجارب الإضافية أن أحد النظائر المتكونة، وهو البلوتونيوم-239، يمكن أن يخضع لانشطار نووي مستمر.

سُمي العنصر باسم بلوتو، الذي كان يعتبر كوكباً في ذلك الوقت. واتبع ذلك اصطلاحاً فلكياً في التسمية: اليورانيوم لأورانوس، والنبتونيوم لنبتون، والبلوتونيوم لبلوتو. وقد تندَّر العلماء فيما بعد بأنه تم اختيار الرمز "Pu" بسبب سمعة العنصر غير السارة، لكن اصطلاح التسمية كان متسقًا مع جيرانه في الجدول الدوري.

وبضربة واحدة، لن يغير اكتشاف البلوتونيوم العلوم النووية فحسب، بل سيغير أيضًا السياسة العالمية وأبحاث الطاقة والأطر الأمنية الدولية لعقود قادمة.

وصف الخواص الكيميائية

من الناحية الكيميائية، البلوتونيوم معقد للغاية: فهو يحتوي على ست حالات أكسدة شائعة (+3 و+4 و+5 و+6 و+7) ممثلة بألوان مختلفة في محاليله. هذا النطاق الواسع يفسر التنوع الكبير في تفاعليته وتنوع الأكاسيد والهاليدات والمركبات التنسيقية.

في الهواء، يتأكسد فلز البلوتونيوم بسهولة في الهواء ليشكل طبقة سطحية من أكسيد البلوتونيوم يمكن أن تتقشر، وهو اعتبار مهم في كل من التخزين والسلامة. وفي الماء، يمكن أن يتفاعل المعدن لإنتاج غاز الهيدروجين ومزيج من الأكاسيد والهيدروكسيدات، مما يجعل سلوكه وثيق الصلة بعلم التآكل وإدارة النفايات النووية على المدى الطويل.

ونظراً لأن العديد من مركبات البلوتونيوم هي بواعث قوية للإشعاع، تتم دراسة كيمياء هذه المركبات في ظروف مختبرية عالية التخصص باستخدام أنظمة المناولة عن بُعد وصناديق القفازات والدروع الواقية الثقيلة.

الخواص الفيزيائية

إن الخصائص الفيزيائية للبلوتونيوم غير عادية مثل كيمياءه:

من المعروف أن البنية البلورية للبلوتونيوم غير مستقرة وتتنوع بين عدد من المتآصلات في درجات حرارة مختلفة. وتتغير الكثافة والخصائص الميكانيكية بشكل كبير بين المتآصلات، مما يجعل الدراسة المعدنية للبلوتونيوم صعبة وضرورية في آن واحد، خاصةً في التطبيقات الهندسية النووية.

يُرجى مراجعة Stanford Advanced Materials (SAM) لمزيد من التفاصيل.

البلوتونيوم مقابل اليورانيوم

على الرغم من ذكر البلوتونيوم واليورانيوم في كثير من الأحيان في نفس الوقت، إلا أنهما يختلفان اختلافًا جوهريًا في

المصدر

- يوجد اليورانيوم بشكل طبيعي ويتم استخراجه من خامات مثل اليورانينيت.

ويمكن ملاحظة أن معظم البلوتونيوم صناعي المنشأ، وينتج عن امتصاص النيوترونات بواسطة اليورانيوم 238 في مفاعل نووي.

السلوك النووي

- يمكن للنظير الذي يحدث بشكل طبيعي، اليورانيوم-235، أن يخضع للانشطار ولكنه نادر الحدوث.

- أما البلوتونيوم-239 فهو أسهل وأسرع إنتاجاً بكميات كبيرة وأكثر قابلية للانشطار، مما يساهم في استخدامه في المفاعلات والأسلحة على حد سواء.

التطبيقات

- اليورانيوم هو الوقود الأساسي في معظم المفاعلات التجارية.

- ويُستخدم البلوتونيوم في وقود موكس وتصميمات المفاعلات المتقدمة والتطبيقات العسكرية المتخصصة.

السلامة والسمية

البلوتونيوم أكثر خطراً من الناحية الإشعاعية والكيميائية من اليورانيوم، وبالتالي يجب أن تكون ضوابط التعامل معه والمراقبة الدولية أكثر صرامة إلى حد كبير.

الاستخدامات الشائعة

يخدم البلوتونيوم العديد من الأغراض في مجالات مختلفة:

الدفاع

يعتمد الهدف الأساسي للأسلحة النووية على البلوتونيوم-239 لأنه قادر على الانشطار بسرعة في الأشكال الهندسية المدمجة.

الطاقة

يُستخدم البلوتونيوم المستخدم في المفاعلات في وقود موكس لتوليد الكهرباء لإطالة عمر الوقود النووي المستنفد.

استكشاف الفضاء

تعمل مفاعلات الطاقة النووية المستهلكة بالبلوتونيوم-238 وقد استُخدمت في بعثات مثل فوياجر وكاسيني ومركبات المريخ.

البحث العلمي

تساعد مركبات البلوتونيوم الباحثين في دراسة الاضمحلال الإشعاعي وسلوك الأكتينيدات والمواد المتقدمة في ظل الظروف القاسية.

طرق التحضير

يُنتج البلوتونيوم بشكل أساسي عن طريق تشعيع اليورانيوم-238 في مفاعل نووي. ويضمحل اليورانيوم-239، الذي يتكون عن طريق التقاط النيوترونات، إلى النبتونيوم-239 ومن ثم إلى البلوتونيوم-239. والفصل الكيميائي للبلوتونيوم من الوقود المستهلك عن طريق الاستخلاص بالمذيبات أو تقنيات التبادل الأيوني عملية معقدة. وتنفذ هذه الإجراءات في ظل ظروف أمان شديدة التحكم بسبب المخاطر الإشعاعية للمادة.

الأسئلة المتداولة

لماذا يعتبر البلوتونيوم خطيراً للغاية؟

إنه مادة مشعة للغاية وسامة كيميائياً، مما يتطلب تدابير سلامة صارمة.

ما هي النظائر الأكثر أهمية من الناحية الصناعية؟

البلوتونيوم-239 للمفاعلات والأسلحة، والبلوتونيوم-238 لمصادر الطاقة في المركبات الفضائية.

كيف يتم فصل البلوتونيوم عن الوقود النووي؟

باستخدام تقنيات الفصل الكيميائي متعدد المراحل، بما في ذلك الاستخلاص بالمذيبات والمعدات التي يتم التعامل معها عن بُعد.

هل يمكن استخدام البلوتونيوم لأغراض سلمية؟

نعم، إنه يلعب دوراً هاماً في تقنيات الطاقة النووية واستكشاف الفضاء.

ما الذي يجعل التعامل مع البلوتونيوم آمناً؟

اللوائح الدولية، وأنظمة الاحتواء المتخصصة، والتدريب الصارم على السلامة الإشعاعية