本文作者：漂泊

钚是一种非常重要的放射性元素，它是制造核武器的重要原料，也是快中子增殖堆的必备燃料，钚还可以用于制造放射性同位素热电发电机用于航空航天。

钚的基本物理性质

钚的发现

1934年，Enrico Fermi和一组罗马大学的科学家一起宣布发现了94号元素，他将这种元素命名为Hesperium，并在1938年参加诺贝尔奖颁奖典礼演讲时宣布了该发现。然而他们的成果实际是钡、氪以及一些其他元素的混合物，当时并不知晓这一点。

1938年，Otto Hahn 和 Fritz Strassmann发现了原子核裂变的现象，随后不久，Lise Meitner 和 Otto Frisch解释了其理论机制。1940年12月14日，Glenn T. Seaborg、Edwin McMillan、Joseph W. Kennedy和 Arthur Wahl利用加州大学伯克利分校的回旋加速器加速氘核轰击铀靶得到了²³⁸Np，在经过大约两天的β衰变后，转变为了²³⁸Pu。1941年2月23日，钚被确认为94号元素。同年，英国剑桥大学卡文迪许实验室的Egon Bretscher和Norman Feather也在理论上预测慢中子轰击铀的副产物中可能会含有²³⁹Pu。

考虑到第一个超铀元素镎以海王星之名命名，因此Edwin McMillan决定以海王星之后发现的行星冥王星（现在已经被确认为矮行星）来命名。Glenn T. Seaborg一开始将这个元素命名为Plutium，后来又改为Plutonium，听起来似乎更好听。他也考虑过一些其他的名字，如“ultimium”及“extremium”，因为他认为他可能发现了可能是最后一个元素的元素。 ^[1-10]

金属钚

原子弹“胖子”

除了铀之外，钚也是制造原子弹的重要材料，美军在日本长崎投下的原子弹“胖子”就是一颗钚弹。钚弹是指使用²³⁹Pu装料的原子弹，其临界质量更小，大约为13磅，这主要是因为钚在裂变时会多释放一个中子，所以链式反应扩张更快。钚弹里存在杂质²⁴⁰Pu会使钚弹过早引爆核弹，在多数能量释放前终止链式反应，因此必须采用内爆的方式。实现内爆是极端困难的。内爆必须非常精确，所用的烈性炸药必须极其均匀，而且需要在钚壳的每一边都达到精密的平衡。它们要同时而且均匀地引爆。那需要高度技巧，因为爆炸往往在个别点发生，而不是在整个壳层表面扩展。人们发展了一种专门技术将点爆炸转化为内爆，它被称为爆炸透镜。烈性炸药在某一点引爆，然后聚焦起来，均匀覆盖整个钚壳表面。

²³⁹Pu是可以通过铀反应堆生产，在反应堆内，²³⁸U吸收一个中子，不发生裂变而变成²³⁹U，²³⁹U衰变成²³⁹Np，²³⁹Np衰变成²³⁹Pu。由于钚与铀是不同的元素，因此虽然只有很少一部分铀转变成了钚，但钚与铀之间的分离，比起铀同位素间的分离来却要容易得多，因而可以比较方便地用化学方法来提纯钚。 ^[11-13]

快中子增殖

快中子反应堆是指没有中子慢化剂的核裂变反应堆。通常的核裂变反应堆，为了提升核燃料的链式裂变反应的效率，需要将裂变产生的高速中子（快中子）减速成为速度较慢的中子（热中子），通常加入较轻的原子核构成的中子慢化剂，比如轻水，重水等等，利用里面的氢原子作为高速中子碰撞减速的中子慢化剂。

快中子反应堆不使用²³⁸U，而使用²³⁹Pu作燃料，不过在堆心燃料²³⁹Pu的外围再生区里放置²³⁸U。²³⁹Pu产生裂变反应时放出来的快中子，被装在外围再生区的²³⁸U吸收，²³⁸U就会很快变成²³⁹Pu。这样，²³⁹Pu裂变，在产生能量的同时，又不断地将²³⁸U变成可用燃料²³⁹Pu，而且再生速度高于消耗速度，核燃料越烧越多，快速增殖，所以这种反应堆又称”快速增殖堆”。在快中子增殖堆内，每个²³⁹U核裂变所产生的快中子，可以使12至16个²³⁸U变成²³⁹Pu。尽管它一边在消耗核燃料²³⁹Pu，但一边又在产生核燃料²³⁹Pu，生产的比消耗的还要多，具有核燃料的增殖作用。据计算，如快中子反应堆推广应用，将使铀资源的利用率提高50-60倍，大量²³⁸U堆积浪费、污染环境问题将能得到解决。在快中子反应堆中,不能使用水来传递堆芯中的热量，因为它会减缓快中子的速度，因此常用钠和钾的合金作为快中子反应堆的热交换剂。

热中子反应堆是一种安全、干净都达到要求的经济能源，以及今后一段时间内它将是发展核电的主要堆型。然而，热中子反应堆所利用的燃料²³⁵U，在自然界存在的铀中只占0.7%，而占天然铀99.3%的另一种同位素²³⁸U却不能在热中子的作用下发生裂变，不能被热中子堆所利用。自然界中的铀储量是有限的，如果只能利用²³⁵U，再有30年同样会面临²³⁵U匮缺的危险。因此人们把取得丰富核能的长远希望，寄托在能够利用²³⁵U以外的可裂变燃料上。于是，快中子增殖反应堆便应运而生。 ^[14-15]

                           快中子增殖反应堆结构

钚的其他应用

钚在航空航天领域也扮演着重要的角色，它可以用于放射性同位素热电发电机及放射性同位素加热器，在无需直接维护的情况下正常运行发电，而且使用寿命接近人类的寿命。一千克的²³⁸Pu可以产生约570瓦的热量。包括好奇号在内的许多探测器都采用了这种放射性同位素发电机。^[16-18]

好奇号探测器的放射性同位素热电发电机中的PuO₂

实验室中的核爆

1946年5月21日。物理学家Louis Slotin正在对利用钚制造核武器进行研究，他采用的是一个由碳化钨包裹的钚核心装置。那天，Louis Slotin与七名同事对一场实验进行操作，当中要把两块铍（一种中子反射物料）制半球置于钚核心的周围，作为制造裂变反应的起始步骤。Louis Slotin一方面用左手姆指孔抓紧铍制的上半球，另一方面右手用螺丝刀维持着上下半球间的空隙，同一时间助手移走平常会用的填隙片。使用螺丝刀操作并不是实验计划的标准规定，他发生了失误，工具插到离核心位置稍远的地方，导致铍制上半球落下，瞬间，钚核心产生闪烁的蓝光和巨大的辐射。Louis Slotin的口部感觉到酸味，左手感到被烧伤的剧痛。斯洛廷本能地向上急抽左手，将铍制上半球拉起并把它掉到地上。这使他被一股达致命剂量（约2100雷姆，或21西弗）的中子及γ辐射曝晒。

Louis Slotin一离开实验楼就呕吐，这是受强度极高的离子化辐射曝晒下所产生的普遍征状。9天后，Louis Slotin因急性辐射中毒，胃肠道完全被破坏而死亡。其他研究人员立即接受了治疗，所幸无大碍。在此次事故后，研究所下令所有钚核心试验必须使用机器人手臂，而且试验人员必须与钚核心保持一定的距离。^[19]

路易斯·斯洛廷操作钚核心装置

参考文献

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• [18] Mosher, Dave (September 19, 2013). “NASA’s Plutonium Problem Could End Deep-Space Exploration”. Wired. Retrieved February 5, 2015.
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