Процесс висмут-фосфата использовался для извлечения плутония из облученного урана, взятого из ядерных реакторов . [1] [2] Он был разработан во время Второй мировой войны Стэнли Г. Томпсоном , химиком, работавшим над Манхэттенским проектом в Калифорнийском университете в Беркли . Этот процесс использовался для производства плутония на объекте в Хэнфорде . Плутоний использовался в атомной бомбе , которая была использована при атомной бомбардировке Нагасаки в августе 1945 года. В 1950-х годах этот процесс был заменен процессами REDOX и PUREX .
Во время Второй мировой войны плутоний использовался как в первой взорванной атомной бомбе (около Аламогордо, Нью-Мексико), так и в атомной бомбе, сброшенной на Нагасаки в Японии. Плутоний был выделен и химически идентифицирован только в 1941 году, поэтому о нем было мало что известно, но считалось, что плутоний-239 , как и уран-235 , подойдет для использования в атомной бомбе. [3]
Плутоний можно было получить, облучая уран-238 в ядерном реакторе , [4] но разработка и строительство реактора были задачей физиков Манхэттенского проекта . Задачей химиков было разработать процесс отделения плутония от других продуктов деления, полученных в реакторе, сделать это в промышленных масштабах в то время, когда плутоний можно было производить только в микроскопических количествах, [5] и сделать это, работая с опасными радиоактивными химикатами, такими как уран , химия которого была мало известна, и плутоний , химия которого почти ничего не была известна.
Химики исследовали различные методы отделения плутония от других продуктов, выходящих из реактора:
Пока инженеры-химики работали над этими проблемами, Сиборг попросил Стэнли Г. Томпсона , своего коллегу из Беркли, рассмотреть возможность фосфатного процесса , поскольку было известно, что фосфаты многих тяжелых металлов нерастворимы в кислотных растворах.
Томпсон пробовал фосфаты тория , урана, церия , ниобия и циркония , но безуспешно. Он не ожидал, что фосфат висмута ( BiPO
4) работать лучше, но когда он попробовал это 18 декабря 1942 года, он был удивлен, обнаружив, что он содержал 98 процентов плутония в растворе. [9] Кристаллическая структура фосфата висмута похожа на структуру фосфата плутония, и это стало известно как процесс фосфата висмута. [10] [11]
Купер и Беррис Б. Каннингем смогли повторить результаты Томпсона, и процесс фосфата висмута был первоначально принят в качестве запасного варианта на случай, если процесс фторида лантана не удастся заставить работать. Процессы были похожи, и оборудование, используемое для фторида лантана, можно было адаптировать для использования с процессом фосфата висмута Томпсона. [9] В мае 1943 года инженеры DuPont решили принять процесс фосфата висмута для использования на полуфабрикатах в Клинтоне и на производственном участке в Хэнфорде. [7]
Когда Браун, Хилл и другие химики исследовали химию плутония, [12] они сделали важнейшее открытие: плутоний имеет две степени окисления: четырехвалентную (+4) и шестивалентную (+6), которые обладают различными химическими свойствами, которые можно использовать. [13] (Эта работа была выполнена в Радиационной лаборатории Манхэттенского проекта в Калифорнийском университете, Металлургической лаборатории в Чикагском университете и Лаборатории Эймса в Колледже штата Айова .)
Процесс фосфата висмута включал в себя взятие облученных топливных стержней уранового топлива и удаление их алюминиевой оболочки. Поскольку внутри находились высокорадиоактивные продукты деления, это приходилось делать дистанционно за толстым бетонным барьером. [14] Это было сделано в «Каньонах» (здания B и T) в Хэнфорде. Стержни сбрасывали в растворитель, покрывали раствором нитрата натрия и доводили до кипения, а затем медленно добавляли гидроксид натрия . После удаления отходов и промывки стержней для растворения стержней использовали три порции азотной кислоты . [15] [16]
Вторым шагом было отделение плутония от урана и продуктов деления. Добавлялись нитрат висмута и фосфорная кислота , в результате чего получался фосфат висмута, который осаждался, унося с собой плутоний. Это было очень похоже на процесс с фторидом лантана, в котором фторид лантана использовался в качестве носителя. [17] Осадок удалялся из раствора с помощью центрифуги, а жидкость сбрасывалась как отходы. Избавление от продуктов деления снижало гамма-излучение на 90 процентов. Осадок представлял собой содержащую плутоний лепешку, которую помещали в другой бак и растворяли в азотной кислоте. Для окисления плутония добавляли висмутат натрия или перманганат калия . [15] Плутоний переносился фосфатом висмута в четырехвалентном состоянии, но не в шестивалентном. [17] Фосфат висмута затем осаждается как побочный продукт, оставляя плутоний в растворе. [15]
Этот шаг затем был повторен на третьем шаге. Плутоний был снова восстановлен путем добавления сульфата аммония железа . Были добавлены нитрат висмута и фосфорная кислота, и фосфат висмута осадился. Он был растворен в азотной кислоте, и фосфат висмута осадился. Этот шаг привел к снижению гамма-излучения еще на четыре порядка, так что раствор, содержащий плутоний, теперь имел 100 000-ю часть исходного гамма-излучения. Раствор плутония был перемещен из 221 здания в 224 здания по подземным трубам. На четвертом шаге была добавлена фосфорная кислота, и фосфат висмута осадился и был удален; был добавлен перманганат калия для окисления плутония. [18]
На этапе «кроссовера» использовался процесс фторида лантана. Соли лантана и фтористый водород добавлялись снова, и фторид лантана осаждался, в то время как шестивалентный плутоний оставался в растворе. Это удаляло лантаноиды, такие как церий, стронций и лантан , которые фосфат висмута удалить не мог. Плутоний снова восстанавливался щавелевой кислотой , и процесс фторида лантана повторялся. На этот раз добавлялся гидроксид калия для метатезиса раствора. Жидкость удалялась с помощью центрифуги, а твердое вещество растворялось в азотной кислоте с образованием нитрата плутония. На этом этапе отправленная партия объемом 330 галлонов США (1200 л) должна была быть сконцентрирована до 8 галлонов США (30 л). [18]
Последний этап был выполнен в здании 231-Z, где к раствору добавлялись перекись водорода, сульфаты и нитрат аммония , а шестивалентный плутоний осаждался в виде перекиси плутония . Его растворяли в азотной кислоте и помещали в транспортные банки, которые кипятили на горячем воздухе для получения пасты нитрата плутония. Каждая банка весила около 1 кг и была отправлена в лабораторию Лос-Аламоса . [18] Грузы отправлялись на грузовике, перевозившем двадцать банок, и первая прибыла в Лос-Аламос 2 февраля 1945 года. [19] Плутоний использовался в конструкции бомбы «Толстяк» , испытанной в ядерном испытании «Тринити» 16 июля 1945 года и при бомбардировке Нагасаки 9 августа 1945 года. [20]
В 1947 году в Ханфорде начались эксперименты по новому REDOX-процессу с использованием метилизобутилкетона (кодовое название гексон) в качестве экстрагента, который был более эффективным. Строительство нового завода REDOX началось в 1949 году, а эксплуатация началась в январе 1952 года, завод B был закрыт в том же году. Улучшения на заводе T привели к 30-процентному увеличению производительности, и были внесены улучшения на завод B. Были планы по возобновлению работы завода B, но новый завод PUREX, который открылся в январе 1956 года, был настолько эффективен, что завод T был закрыт в марте 1956 года, а планы по возобновлению работы завода B были заброшены. [21] К 1960 году производительность завода PUREX превзошла совокупную производительность заводов B и T, а также завода REDOX. [22]
