Плутоний-239

Изотоп плутония

Плутоний-239 (²³⁹
Пу
или Pu-239 ) — изотоп плутония . Плутоний-239 — основной делящийся изотоп, используемый для производства ядерного оружия , хотя уран-235 также используется для этой цели. Плутоний-239 также является одним из трех основных изотопов, продемонстрировавших пригодность к использованию в качестве топлива в ядерных реакторах теплового спектра , наряду с ураном-235 и ураном-233 . Период полураспада плутония-239 составляет 24 110 лет. ^[1]

Ядерные свойства

Ядерные свойства плутония-239, а также способность производить большие количества почти чистого ²³⁹ Pu дешевле, чем высокообогащенный оружейный уран-235, привели к его использованию в ядерном оружии и атомных электростанциях. Деление атома урана-235 в реакторе атомной электростанции производит два-три нейтрона, и эти нейтроны могут быть поглощены ураном-238 для производства плутония-239 и других изотопов. Плутоний-239 также может поглощать нейтроны и делиться вместе с ураном-235 в реакторе.

Из всех распространенных видов ядерного топлива ²³⁹ Pu имеет наименьшую критическую массу . Сферическая неуплотненная критическая масса составляет около 11 кг (24,2 фунта), ^[2] 10,2 см (4") в диаметре. При использовании соответствующих триггеров, отражателей нейтронов, геометрии имплозии и тамперов критическая масса может быть меньше половины этой.

При делении одного атома ²³⁹ Pu выделяется 207,1 МэВ = 3,318 × 10−11 ^Дж , т.е. 19,98 ТДж/ моль = 83,61 ТДж/кг ^[3] или около 23 гигаватт-часов/кг.

Производство

Плутоний производится из урана-238 . ²³⁹ Pu обычно создается в ядерных реакторах путем трансмутации отдельных атомов одного из изотопов урана, присутствующих в топливных стержнях. Иногда, когда атом ²³⁸ U подвергается воздействию нейтронного излучения , его ядро ​​захватывает нейтрон , изменяя его на ²³⁹ U. Чаще всего это происходит при более низкой кинетической энергии (так как активация деления ^{238 U составляет 6,6 МэВ). Затем 239} U быстро претерпевает два β ^−- распада — испускание электрона и антинейтрино ( ), оставляя протон в ядре — первый β ^−- распад превращает ²³⁹ U в нептуний-239 , а второй β ^−- распад превращает ²³⁹ Np в ²³⁹ Pu: ${\displaystyle {\bar {\nu }}_{e}}$

${\displaystyle {\ce {{}^{238}_{92}U + {}^{1}_{0}n -> {}^{239}_{92}U ->[\beta^-][23.5\ {\ce {min}}] {}^{239}_{93}Np ->[\beta^-][2.356\ {\ce {d}}] {}^{239}_{94}Pu}}}$

Активность деления относительно редка, поэтому даже после значительного воздействия ²³⁹ Pu все еще смешан с большим количеством ²³⁸ U (и, возможно, других изотопов урана), кислорода, других компонентов исходного материала и продуктов деления . Только если топливо подвергалось воздействию в течение нескольких дней в реакторе, ²³⁹ Pu можно химически отделить от остального материала, чтобы получить металл ^{239 Pu высокой чистоты.}

²³⁹ Pu имеет более высокую вероятность деления, чем ²³⁵ U, и большее количество нейтронов, производимых за акт деления, поэтому он имеет меньшую критическую массу. Чистый ²³⁹ Pu также имеет достаточно низкую скорость испускания нейтронов из-за спонтанного деления (10 делений/с·кг), что делает возможным сборку массы, которая является высоко сверхкритической, до начала цепной реакции детонации .

Однако на практике выращенный в реакторе плутоний неизменно будет содержать определенное количество ²⁴⁰ Pu из-за тенденции ²³⁹ Pu поглощать дополнительный нейтрон во время производства. ²⁴⁰ Pu имеет высокую скорость спонтанного деления (415 000 делений/с-кг), что делает его нежелательным загрязнителем. В результате плутоний, содержащий значительную долю ²⁴⁰ Pu, не очень подходит для использования в ядерном оружии; он испускает нейтронное излучение, что затрудняет обращение, и его присутствие может привести к « шипению », при котором происходит небольшой взрыв, разрушающий оружие, но не вызывающий деления значительной доли топлива. Именно из-за этого ограничения оружие на основе плутония должно быть имплозивного типа, а не пушечного. Более того, ²³⁹ Pu и ²⁴⁰ Pu невозможно химически различить, поэтому для их разделения потребуется дорогостоящее и сложное разделение изотопов . Оружейный плутоний определяется как содержащий не более 7% ²⁴⁰ Pu; это достигается путем воздействия на ²³⁸ U нейтронных источников только в течение коротких периодов времени, чтобы свести к минимуму образование ²⁴⁰ Pu.

Плутоний классифицируется в зависимости от процентного содержания в нем загрязняющего вещества плутония-240:

• Суперкласс 2–3%
• Оружие 3–7% класса
• Марка топлива 7–18%
• Реакторная чистота 18% и более

Ядерный реактор, который используется для производства плутония для оружия, как правило, имеет средства для воздействия нейтронного излучения на ^{238 U и для частой замены облученного 238} U новым ²³⁸ U. Реактор, работающий на необогащенном или умеренно обогащенном уране, содержит большое количество ²³⁸ U. Однако большинство коммерческих конструкций ядерных энергетических реакторов требуют остановки всего реактора, часто на недели, для замены топливных элементов. Поэтому они производят плутоний в смеси изотопов, которая не очень подходит для создания оружия. Такой реактор может иметь дополнительное оборудование, которое позволит размещать сердечники ²³⁸ U вблизи активной зоны и часто их менять, или его можно будет часто останавливать, поэтому распространение является проблемой; по этой причине Международное агентство по атомной энергии часто инспектирует лицензированные реакторы. Несколько коммерческих энергетических реакторов, таких как реактор большой мощности канальный ( РБМК ) и реактор с тяжелой водой под давлением ( PHWR ), допускают перегрузку без остановок, и они могут представлять риск распространения. Напротив, канадский реактор CANDU с тяжелым водным замедлителем и природным урановым топливом также может перегружаться во время работы, но он обычно потребляет большую часть ²³⁹ Pu, который он производит на месте; таким образом, он не только по своей природе менее пролиферативен, чем большинство реакторов, но и может даже работать как « сжигатель актинидов ». ^[4] Американский IFR (интегральный быстрый реактор) также может работать в режиме сжигания, имея некоторые преимущества в том, что не накапливает изотоп плутоний-242 или долгоживущие актиниды , которые не могут быть легко сожжены, кроме как в быстром реакторе. Также топливо IFR имеет высокую долю сжигаемых изотопов, в то время как в CANDU для разбавления топлива необходим инертный материал; это означает, что IFR может сжигать большую часть своего топлива до того, как потребуется переработка. Большая часть плутония производится в исследовательских реакторах или реакторах по производству плутония, называемых реакторами-размножителями, потому что они производят больше плутония, чем потребляют топлива; в принципе, такие реакторы чрезвычайно эффективно используют природный уран. На практике их конструкция и эксплуатация достаточно сложны, поэтому они, как правило, используются только для производства плутония. Реакторы-размножители, как правило (но не всегда), являются быстрыми реакторами , поскольку быстрые нейтроны несколько более эффективны при производстве плутония.

Плутоний-239 чаще используется в ядерном оружии, чем уран-235, так как его легче получить в количестве критической массы. И плутоний-239, и уран-235 получают из природного урана , который в основном состоит из урана-238, но содержит следы других изотопов урана, таких как уран-235. Процесс обогащения урана , т. е. увеличение отношения ²³⁵ U к ²³⁸ U до оружейного качества, как правило, является более длительным и дорогостоящим процессом, чем производство плутония-239 из ²³⁸ U и последующая переработка.

Сверхчистый плутоний

«Сверхклассное» топливо деления, обладающее меньшей радиоактивностью, используется на первичной стадии ядерного оружия ВМС США вместо обычного плутония, используемого в версиях ВВС. «Сверхклассное» — это промышленный жаргон для плутониевого сплава, содержащего исключительно высокую долю ²³⁹ Pu (>95%), оставляя очень низкое количество ²⁴⁰ Pu, который является высокоспонтанным изотопом деления (см. выше). Такой плутоний производится из топливных стержней, которые были облучены в течение очень короткого времени, измеряемого в МВт-днях/тонну выгорания . Такое низкое время облучения ограничивает количество дополнительного захвата нейтронов и, следовательно, накопление альтернативных изотопных продуктов, таких как ²⁴⁰ Pu в стержне, и, как следствие, его производство значительно дороже, поскольку для данного количества плутония требуется гораздо больше стержней, облученных и обработанных.

Плутоний-240, помимо того, что является излучателем нейтронов после деления, является гамма- излучателем и поэтому отвечает за большую часть радиации от хранящегося ядерного оружия. Будь то патрулирование или нахождение в порту, члены экипажа подводной лодки обычно живут и работают в непосредственной близости от ядерного оружия, хранящегося в торпедных отсеках и ракетных шахтах, в отличие от ракет ВВС, где облучение относительно кратковременно. Необходимость снижения воздействия радиации оправдывает дополнительные затраты на высококачественный сплав supergrade, используемый во многих морских ядерных вооружениях. Supergrade плутоний используется в боеголовках W80 .

В ядерных энергетических реакторах

В любом работающем ядерном реакторе, содержащем ²³⁸ U, некоторое количество плутония-239 будет накапливаться в ядерном топливе. ^[5] В отличие от реакторов, используемых для производства оружейного плутония, коммерческие ядерные энергетические реакторы обычно работают при высоком выгорании, что позволяет значительному количеству плутония накапливаться в облученном реакторном топливе. Плутоний-239 будет присутствовать как в активной зоне реактора во время работы, так и в отработанном ядерном топливе , которое было извлечено из реактора по окончании срока службы топливной сборки (обычно несколько лет). Отработанное ядерное топливо обычно содержит около 0,8% плутония-239.

Плутоний-239, присутствующий в топливе реактора, может поглощать нейтроны и деление так же, как и уран-235. Поскольку плутоний-239 постоянно образуется в активной зоне реактора во время работы, использование плутония-239 в качестве ядерного топлива на электростанциях может происходить без переработки отработанного топлива; плутоний-239 делится в тех же топливных стержнях, в которых он производится. Деление плутония-239 обеспечивает более одной трети всей энергии, вырабатываемой на типичной коммерческой атомной электростанции. ^[6] Реакторное топливо накопило бы гораздо больше, чем 0,8% плутония-239 за время своего срока службы, если бы некоторое количество плутония-239 не «сжигалось» постоянно делением.

Небольшой процент плутония-239 может быть намеренно добавлен в свежее ядерное топливо. Такое топливо называется МОКС-топливом (смешанное оксидное) , поскольку оно содержит смесь диоксида урана (UO2 ₎ и диоксида плутония (PuO2 ₎ . Добавление плутония-239 снижает необходимость обогащения урана в топливе.

Опасности

Плутоний-239 испускает альфа-частицы , превращаясь в уран-235. Как альфа-излучатель, плутоний-239 не особенно опасен как внешний источник радиации, но если его проглотить или вдохнуть в виде пыли, он очень опасен и канцерогенен . Было подсчитано, что фунт (454 грамма) плутония, вдыхаемого в виде пыли оксида плутония, может вызвать рак у двух миллионов человек. ^[7] Однако проглоченный плутоний гораздо менее опасен, поскольку только крошечная часть всасывается в желудочно-кишечном тракте; ^{[8] [9]} 800 мг вряд ли вызовут серьезный риск для здоровья с точки зрения радиации. ^[7] Как тяжелый металл , плутоний также химически токсичен. См. также Plutonium#Prewareties .

Оружейный плутоний (с содержанием ²³⁹ Pu более 90%) используется для создания ядерного оружия и имеет много преимуществ по сравнению с другими расщепляющимися материалами для этой цели. Более низкие пропорции ²³⁹ Pu сделают надежную конструкцию оружия сложной или невозможной; это происходит из-за спонтанного деления (и, следовательно, образования нейтронов) нежелательного ²⁴⁰ Pu.

Смотрите также

• Дизайн Теллера-Улама

Ссылки

1. "Физические, ядерные и химические свойства плутония". Институт исследований энергетики и окружающей среды . Получено 20 ноября 2015 г.
2. FAS Nuclear Weapons Design FAQ Архивировано 26 декабря 2008 г. на Wayback Machine , дата обращения 2010-9-2
3. "Таблица физических и химических констант, раздел 4.7.1: деление ядер". Kaye & Laby Online. Архивировано из оригинала 2010-03-05 . Получено 2009-02-01 .
4. Уитлок, Джереми Дж. (14 апреля 2000 г.). «Эволюция топливных циклов CANDU и их потенциальный вклад в мир во всем мире».
5. Хала, Иржи; Навратил, Джеймс Д. (2003). Радиоактивность, ионизирующая радиация и ядерная энергия. Брно: Конвой. п. 102. ИСБН 80-7302-053-X.
6. "Информационный документ 15: Плутоний". Всемирная ядерная ассоциация. Архивировано из оригинала 30 марта 2010 года . Получено 15 июля 2020 года .
7. Cohen, Bernard L. (1990). "Глава 13, Плутоний и бомбы" . Ядерный энергетический вариант . Plenum Press. ISBN 978-0-306-43567-6.
8. Коэн, Бернард Л. (1990). "Глава 11, ОПАСНОСТИ ВЫСОКОАКТИВНЫХ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ — ВЕЛИКИЙ МИФ" . Ядерный энергетический вариант . Plenum Press. ISBN 978-0-306-43567-6.
9. Эмсли, Джон (2001). «Плутоний». Строительные блоки природы: путеводитель по элементам от A до Z. Оксфорд (Великобритания): Oxford University Press. стр. 324–329. ISBN 0-19-850340-7.

Внешние ссылки

• Банк данных опасных веществ NLM – Плутоний, радиоактивный
• Таблица нуклидов с данными по 239Pu на сайте Kaye and Laby Online
• Период полураспада плутония-239 Архивировано 15 августа 2011 г. на Wayback Machine