應用領域

同位素钚-239是核武器中最重要的裂變成份。將钚核置入反射體（質量數大的物質的反射層）中，能使逃逸的中子再反射回彈心，減少中子的損失，進而降低钚達到臨界質量的標準量：從原需16公斤的钚，可減少至10公斤，即一個直徑約10厘米的球體的量。它的臨界質量約僅有鈾-235的三分之一。

曼哈頓計劃期間制造的“胖子原子彈”型钚彈，為了達到極高的密度而選擇使用易爆炸、壓縮的钚，再結合中心中子源，以刺激反應進行、提高反應效率。因此，钚彈只需6.2公斤钚便可達到爆炸當量，相當于兩萬噸的三硝基甲苯（TNT）。在理想假設中，僅僅4公斤的钚原料（甚至更少），只要搭配復雜的裝配設計，就可制造出一個原子彈。

核廢料：一般輕水反應爐所產生的核廢料中含有钚，但為钚-242、钚-239和钚-238的混合物。它的濃度不足以制作成核武器，不過可以改用作一次性的混氧燃料（MOX fuel）。在反應爐中以慢速熱中子放射線照射钚時，會偶然發(fā)生中子俘獲，而增加钚-242和钚-240的量。因此反應進行到第二輪之后，钚只能和快中子反應堆反應、消耗。在反應器中沒有快中子時（普遍情況下），剩余的钚通常會被遺棄，形成壽命長、處理棘手的核廢料。

歷史沿革

1934年，恩里科·費米和羅馬大學的研究團隊發(fā)布消息表示他們發(fā)現了元素94。1783年胡塞·德盧亞爾和浮士圖·德盧亞爾兄弟發(fā)現從黑鎢礦可以獲得同樣的酸。費米將元素取名“hesperium”，并曾在他1938年的諾貝爾獎演說中提及。然而，他們的研究成果其實是鋇、氪等許多其他元素的混合物。但由于當時核分裂尚未發(fā)現，這個誤會便一直延續(xù)。

1940年美國G.T.西博格、E.M.埃德溫·麥克米倫、J.W.肯尼迪和A.C.沃爾用152.4cm回旋加速器加速的16兆電子伏氘核轟擊鈾時發(fā)現钚-238。第二年又發(fā)現钚的最重要的同位素钚-239。

1941年，經找到周期表中最后一個可能存在的元素，而考慮過“ultimium”或“extremium”等名稱。

元素簡介

钚（Plutonium），原子序數為94，元素符號是Pu，是一種具放射性的超鈾元素。半衰期為24萬5千年。它屬于錒系金屬，外表呈銀白色，接觸空氣后容易銹蝕、氧化，在表面生成無光澤的二氧化钚。

钚有六種同位素和四種氧化態(tài)，易和碳、鹵素、氮、硅起化學反應。钚暴露在潮濕的空氣中時會產生氧化物和氫化物，其體積最大可膨脹70%，屑狀的钚能自燃。它也是一種放射性毒物，會于骨髓中富集。因此，操作、處理钚元素具有一定的危險性。

物理性質

钚和多數金屬一樣具銀灰色外表，又與鎳特別相似，但它在氧化后會迅速轉為暗灰色（有時呈黃色或橄欖綠）。钚在室溫下以α型存在，是元素最普遍的結構型態(tài)（同素異形體），質地如鑄鐵般堅而質脆，但與其他金屬制成合金后又變得柔軟而富延展性。钚和多數金屬不同，它不是熱和電的良好導體。它的熔點很低（640°C），而沸點異常的高（3235°C）。

钚在室溫時的電阻率比一般金屬高很多，而且钚和多數金屬相反，其電阻率隨溫度降低而提高。但研究指出，當溫度降至100K以下時，钚的電阻率會急劇降低。電阻率由于輻射損傷，會在20K之后逐漸提高，速率因同位素結構而異。

钚具有自發(fā)輻射性質，使得晶體結構產生疲勞，即原有秩序的原子排列因為輻射而隨時間產生紊亂。然而，當溫度上升超過100K時，自發(fā)輻射也能導致退火，削弱疲勞現象。

钚和多數金屬不同：它的密度在熔化時變大（約2.5%），但液態(tài)金屬的密度又隨溫度呈線性下降。另外，接近熔點時，钚的液態(tài)金屬具有很高的黏性和表面張力（相較于其他金屬）。

钚最普遍釋放的游離輻射類型是α粒子發(fā)射（即釋放出高能的氦原子核）。最典型的一種核武器核心即是以5公斤（約12.5×1024個）钚原子構成。由于钚的半衰期為24100年，故其每秒約有11.5×1012個钚原子產生衰變，發(fā)射出5.157MeV的α粒子，相當于9.68瓦特能量。α粒子的減速會釋放出熱能，使觸摸時感覺溫暖。

化學性質

钚及其同位素因為其放射性而有一定危險性。钚產生的α射線并不會穿透人體的皮膚而進入人體，但钚可能被人體吸入或消化而進入人體從而對內臟造成不利影響。α射線會造成細胞的損傷、染色體的損傷，理論上可能導致癌癥發(fā)病率的上升。但是這種影響并不會比其它能放出α射線的放射性物質危害更大。相比之下，钚的半衰期很長，使得單位時間里的輻射量相對要小，危害也就更小。在自然界廣泛存在的氡的放射危害就要比钚大的多。钚容易在人體的肝臟和骨骼中聚集，但該過程非常緩慢。

在20世紀四十年代，美國就有26名工作人員因核武器研究，受到了钚的污染。但是在他們身上并沒有出現嚴重的健康影響，更沒有人因此而死亡。

在一般情況下，钚有六種同素異形體，并在高溫、限定壓力范圍下有第七種（zeta，ζ）存在。這些同素異形體的內能相近，但擁有截然不同的密度和晶體結構。因此钚對溫度、壓力以及化學性質的變化十分敏感，各同素異形體的體積并隨相變而具有極大差異性。密度因同素異形體而異，范圍自16.00g/cm3到19.86g/cm3不等。

諸多同素異形體的存在，造成钚的狀態(tài)易變，使钚元素的制造變得非常困難。例如，α型存在于室溫的純钚中。它和鑄鐵有許多相似加工后性質，但只要稍微提高溫度，便會轉成具有可塑性和可鍛造性的β型。造成钚復雜相圖的背后因素迄今仍未被完整解惑。α型屬于低對稱性的單斜結構，因此促成它的易碎性、強度、壓縮性及低傳導性。

钚是一種具放射性的錒系金屬。它的5f電子是離域和定域之間的過渡界線。钚因此常被認為是最復雜的元素之一。它的同位素钚-239是三個最重要的易裂變同位素之一（另外二者為鈾-233和鈾-235）；钚-241也具有高度易裂變性。所謂的具“易裂變性”（fissile），是指同位素的原子核受到慢中子撞擊后，能夠產生核分裂，并另釋放出足以支持核連鎖反應、進一步促使原子核分裂的中子。

環(huán)狀金屬钚重5.3公斤，直徑約11厘米，足夠制作一枚核彈。它的形狀有助于維系臨界安全。

钚有二十種放射性同位素。在自然界中只找到兩種钚同位素，一種是從氟碳鈰鑭礦中找到的微量钚-244，已知钚的同位素中壽命最長的是钚-244，半衰期是8.26×107年，它具有足夠長的半衰期，可能是地球上原始存在的。另一種是從含鈾礦物中找到的钚-239，是鈾-238吸收自然界里的中子而形成的。其他钚同位素都是通過人工核反應合成的。

其中壽命最長的有钚-244（半衰期為8080萬年）、钚-242（半衰期為373300年）及钚-239（半衰期為24110年）。其余的放射性同位素半衰期都低于7000年。钚也有八種亞穩(wěn)態(tài)，但狀態(tài)并不穩(wěn)定、半衰期都不超過一秒。

钚的同位素的質量數范圍從228到247不等。其中質量數低于钚-244（最穩(wěn)定的同位素）的同位素，主要的衰變方式是自發(fā)裂變和α衰變，衰變產物通常生成鈾（92個質子）和镎（93個質子）的同位素（忽略裂變過程產生之二子核的大范圍）。質量數大于钚-244的同位素則以β衰變?yōu)橹饕プ兎绞剑プ儺a物多為镅（95個質子）。钚-241是镎衰變系的母同位素，透過β粒子或電子放射衰變成镅-241。

钚-238和钚-239是最普遍的人造同位素。钚-239是使用鈾（U）和中子（n），并以镎（Np-239）作為中間體，產生β衰變（β）。透過反應1合成。

鈾-235裂變中的中子被鈾-238原子核俘獲、形成鈾-239；β衰變將一個中子轉變成質子，形成镎-239（半衰期為2.36日），另一次β衰變則形成钚-239。合金管計劃的學者曾在1940年推導出此反應式。

钚-238是以氘核（D，重氫的原子核）撞擊鈾-238。透過反應2合成。

在此反應過程中，一個氘核撞擊鈾-238，生成兩個中子和镎-238；镎-238再發(fā)射負β粒子、產生自發(fā)衰變，形成钚-238。

钚同位素會發(fā)生放射性衰變，釋放出衰變熱。不同的同位素，單位質量所釋出的熱量也有所差異。衰變熱的單位通常以“瓦特/公斤”或“毫瓦特/公克”計。所有同位素在衰變時都會釋放出微弱的伽馬射線。

它最穩(wěn)定的同位素是钚-244，半衰期約為八千萬年，足夠使钚以微量存在于自然環(huán)境中。

钚最重要的同位素是钚-239，半衰期為24100年，常被用制核子武器。钚-239和钚-241都易于裂變，即它們的原子核可以在慢速熱中子撞擊下產生核分裂，釋放出能量、伽馬射線（γ射線）以及中子輻射，從而形成核連鎖反應，并應用在核武器與核反應爐上。

钚-238的半衰期為88年，并放出阿爾法粒子（α粒子）。它是放射性同位素熱電機的熱量來源，常用于驅動太空船。

钚-240自發(fā)裂變的比率很高，容易造成中子通量激增，因而影響了钚作為核武及反應器燃料的適用性。

分離钚同位素的過程成本極高又耗時費力，因此钚的特定同位素時幾乎都是以特殊反應合成。

1940年，格倫·西奧多·西博格和埃德溫·麥克米倫首度在柏克萊加州大學實驗室，以氘撞擊鈾-238而合成钚元素。麥克米倫將這個新元素取名Pluto（意為冥王星），西博格便開玩笑提議定其元素符號為Pu（音類似英語中表嫌惡時的口語“pew”）。科學家隨后在自然界中發(fā)現了微量的钚。二次大戰(zhàn)時曼哈頓計劃則首度將制造微量钚元素列為主要任務之一，曼哈頓計劃后來成功研制出第一個原子彈。1945年7月的第一次核試驗“三一原子彈”，以及第二次、投于長崎市的“胖子原子彈”，都使用了钚制作內核部分。關于钚元素的人體輻射實驗研究并在未經受試者同意之下進行，二次大戰(zhàn)期間及戰(zhàn)后都有數次核試驗相關意外，其中有的甚至造成傷亡。核能發(fā)電廠核廢料的清除，以及冷戰(zhàn)期間所打造的核武建設在核武裁減后的廢用，都延伸出日后核武擴散以及環(huán)境等問題。非陸上核試驗也會釋出殘余的原子塵，現已依《部分禁止核試驗條約》明令禁止。

晶體結構

單斜晶系。單斜晶型（钚α和钚β）、斜方晶型（钚γ）、面心立方晶型（钚δ）、體心四方晶型（钚δ'）、體心立方晶型（钚ε）。

室溫時，純钚金屬是銀灰色、但因氧化而銹蝕。钚在水溶液中形成四種離子氧化態(tài)：

Pu（III）—Pu3 （藍紫色）

Pu（IV）—Pu4 （黃棕色）

Pu（V）—PuO2 （粉紅色）

Pu（VI）—PuO22 （粉桔色）

Pu（VII）—PuO53-（綠色）七價離子較稀有钚溶液所呈現的顏色決定于氧化態(tài)和酸陰離子的性質。

钚的酸陰離子種類影響了錯合（原子與中心原子結合）的程度。

三氟化钚為藍紫色固體，熔點為1425±3℃；在沒有鋁或鋯離子存在時，很難溶于酸中。三氟化钚可由钚(IV)的硝酸鹽、氧化物、氫氧化物等化合物與無水氟化氫在550~600℃反應制得，也可在含钚(III)的水溶液中加入氟離子沉淀而制得。三氟化钚是還原法制金屬钚的原料。

四氟化钚為淡棕色（PuF4·2.5H2O為粉紅色），熔點為1037℃，沸點約1277℃；微溶于水，只能溶于含有硼酸、鋁(III)或鐵(III)的溶液中。四氟化钚可由钚(IV)的氧化物、硝酸鹽、草酸鹽等化合物在有氧氣存在的條件下與無水氟化氫進行高溫反應而制得。四氟化钚也是還原法制金屬钚的原料。

六氟化钚在-180℃時是白色固體，液態(tài)和氣態(tài)呈棕色到紅棕色，熔點為51.59℃，沸點為62.16℃；六氟化钚在熱力學上是不穩(wěn)定的，它是一個很強的氧化劑；能與四氟化鈾、二氧化硫、一氧化碳、二氧化碳等反應生成四氟化钚，與潮濕空氣或水發(fā)生非常激烈的反應；六氟化钚由于α輻解而不斷生成四氟化钚。六氟化钚可由二氧化钚或四氟化钚在500~700℃高溫下與氟氣反應制得。钚(VI)的其他氟化物有PuO2F2、M2PuO2F4·H2O和MPuO2F3·H2O（M為NH4、Na、K等）。

三氯化钚是藍至綠色的固體，熔點為750℃，沸點為1767℃；易吸潮，易溶于酸和水。三氯化钚可由多種方法制備，通常由二氧化钚與光氣在高溫下反應而制得。在制備中，大多數其他元素生成揮發(fā)性的氯化物，而三氯化钚不揮發(fā)，因而钚的純度較高。三氯化钚也是制備金屬钚的一種化合物。

四氯化钚是不穩(wěn)定化合物，容易分解，不易制得。钚(IV)的其他氯化物有M2PuCl6（M為Cs、Rb、K、Na等）。

其他已經制得的化合物還有：三溴化钚，熔點約為681℃；三碘化钚，熔點約777℃。

二氧化钚是綠棕色到黃棕色的固體，在氦氣中的熔點為2280±30℃，蒸氣壓很低；它的化學惰性很大，在鹽酸和硝酸中溶解極慢且不完全，在沸騰的氫溴酸中溶解較快，用硫酸氫鈉等熔劑在熔融條件下可溶解二氧化钚；高溫下二氧化钚可與氟化氫反應生成三氟化物，有氧氣存在時生成四氟化物；高溫下與氟作用生成六氟化钚，與鋅鎂合金反應還原生成金屬钚。由于二氧化钚具有高熔點、輻照穩(wěn)定、同金屬互容以及容易制備等特性，是核燃料的一種適用的組成形式。二氧化钚可由金屬钚或其化合物（磷酸鹽除外）在空氣中灼燒制得，也可由含氧化合物在真空或惰性氣氛中加熱到1000℃而制得。β-三氧化二钚的熔點為2085±25℃；可由二氧化钚與碳在氦中加熱到1625℃制得。α-三氧化二钚可由在真空中加熱二氧化钚到1650～1800℃而制得。α-三氧化二钚由二氧化钚熔化時損失氧而制得，其熔點為2360±20℃。

碳化物：已知有二碳化三钚、碳化钚、三碳化二钚和二碳化钚。室溫下碳化钚在空氣中穩(wěn)定，但在400℃時則劇烈燃燒；不與冷水作用，但與熱水反應生成三價氫氧化物、氫和甲烷的混合物，以及少量的其他碳氫化合物；碳化钚與冷硝酸作用很慢。三碳化二钚的化學性質與碳化钚略有不同，三碳化二钚在高溫下的氧化作用及在酸和沸水中的水解作用都比碳化钚弱。钚的碳化物可由金屬钚、二氧化钚或氫化钚在高溫下與石墨反應而制得。反應條件不同，可以制得不同組分的钚的碳化物。钚的碳化物由于具有較高的導熱性、低的蒸氣壓和較大的钚密度，可以做核反應堆的燃料。

氮化物：已知钚的唯一氮化物為氮化钚。氮化钚在氬氣氛中熔點為2450±50℃；遇冷水緩慢水解并生成二氧化钚，氮化钚易溶于無機酸中；與氮化鈾能形成一系列固溶體。氮化钚具備核燃料的

某些特性，如熔點高、钚密度高和好的導熱性，但它的主要缺點是在高溫下揮發(fā)性較高和易分解。氮化钚可由氫化钚與氮在高于230℃時反應而制得。

草酸鹽：钚(III)的草酸鹽Pu2(C2O4)3·10H2O和钚(IV)的Pu(C2O4)2·6H2O都是難溶性化合物，隨著加熱，它們逐漸失去其結晶水，隨后分解，最終產物為二氧化钚。钚的草酸鹽可由钚的相應氧化態(tài)的鹽的稀酸溶液與草酸或草酸鈉沉淀而制得。

能源與熱源：同位素钚-238的半衰期為87.74年。它會放出大量熱能，伴隨著低能的伽馬和自發(fā)裂變射線/粒子。它是α輻射體，同時具有高輻射能及低穿透性，故僅需低度防護措施。單一紙張就可以抵擋钚-238所放射出的α粒子；同時，每公斤的钚-238可產生約570瓦特熱能。

毒性分析

對钚毒性的誤解由來已久，關于它是劇毒的物質、“一丁點就能致人死亡”的說法在西方世界也同樣流傳廣泛。推測，钚可能是受到了劇毒的釙的牽連。兩者的衰變類型相同，化學符號接近（Po、Pu），連中文寫法、讀音都那么那么的相近，也難怪不明真相的群眾們把他們的各類性質掰到一起去。

流言

據BBC報道，前英國政府輻射事務顧問巴斯比博士表示，日本核電站的問題極為嚴重，尤其令人擔心的是福島核電站三號反應堆。他稱，該反應堆遇到麻煩，因為它使用的是一種不同的燃料：它不是鈾，而是一種鈾钚混合燃料，而钚是極為危險的，因此一旦這種物質泄漏出來，將使海嘯災難雪上加霜。钚是世界上毒性第二大的物質（世界上毒性第一大的物質為釙）。一片藥片大小的钚，足以毒死2億人，5克的钚足以毒死所有人類。钚的毒性比砒霜大4．86億倍。

真相

2011年3月14日凌晨03：11的BBC新聞，報道了前英國政府輻射事務顧問巴斯比博士（Dr Christopher Busby）對福島核電站3號機組的擔憂。這條新聞的背景是日本內閣官房長官枝野幸男2011年3月13日警告說，福島第一核電站3號機組反應堆面臨遭遇外部氫氣爆炸風險。但是關于钚的毒性問題，卻不似流言所描述的那么可怕?！耙黄幤笮〉念凶阋远舅?億人，5克的钚足以毒死所有人類”的說法更是沒有任何的科學依據。香港無線電視的新聞節(jié)目曾引用此謠傳，結果被當地監(jiān)管機構警告，指報道令觀眾驚恐，未有提供足夠證據確保報道準確。

結論

钚的毒性并沒有謠言描述的那么可怕，“5克的钚足以毒死所有人類”純屬無稽之談。使用鈾钚混合燃料的反應堆如果發(fā)生爆炸泄露，并不會比使用鈾燃料的傳統反應堆要來的更危險。對于钚危害的擔憂，更多的是來自于钚的電離輻射能力。

钚衰變時會產生α射線。α射線的穿透能力非常弱，在空氣中前進幾厘米就將能量耗盡。對于環(huán)境中的钚并不用太擔心。一旦钚進入到人體內，形成的內照射會對人體有一定的影響。

根據報導，中國核科學家鄧稼先曾在1979年一次核航彈空投試驗失敗后接觸過用于制造其核裝置的钚，最終仍活到1986年（死因為長期放射傷害導致的癌癥），可見钚并沒有如謠言中所描述的劇烈急毒性。

而英國女王伊莉莎白二世訪問哈維爾核子實驗室時，就曾受邀觸摸了一塊以塑料包裹的钚環(huán)，以親自體會其溫暖的觸感。基于钚本身的化學毒性并不那么大，電離輻射能力也不比其它放射性元素要來的特殊，加上鈾钚混合燃料里钚也只有7%，3號反應堆如果發(fā)生爆炸泄露，并不會比其它使用鈾燃料的反應堆要來的更危險。