Плутоний-239 ( 239 Pu или Pu -239 ) — изотоп плутония . Плутоний-239 является основным делящимся изотопом, используемым для производства ядерного оружия , хотя для этой цели также используется уран-235 . Плутоний-239 также является одним из трех основных изотопов, которые можно использовать 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 плутония-239, а также возможность производить большие количества почти чистого 239 Pu дешевле, чем высокообогащенный оружейный уран-235, привели к его использованию в ядерном оружии и на атомных электростанциях . При делении атома урана-235 в реакторе атомной электростанции образуется два-три нейтрона, и эти нейтроны могут быть поглощены ураном-238 с образованием плутония-239 и других изотопов . Плутоний-239 также может поглощать нейтроны и расщепляться вместе с ураном-235 в реакторе.
Из всех распространенных видов ядерного топлива 239 Pu имеет наименьшую критическую массу . Сферическая неусиленная критическая масса составляет около 11 кг (24,2 фунта), [2] 10,2 см (4 дюйма) в диаметре. При использовании соответствующих триггеров, отражателей нейтронов, геометрии имплозии и тамперов критическая масса может быть меньше половины этой массы.
При делении одного атома 239 Pu образуется 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.
Плутоний производится из урана-238 . 239 Pu обычно создается в ядерных реакторах путем трансмутации отдельных атомов одного из изотопов урана, присутствующего в топливных стержнях. Иногда, когда атом 238 U подвергается нейтронному излучению , его ядро захватывает нейтрон , превращая его в 239 U. Это происходит легче при более низкой кинетической энергии (поскольку активация деления 238 U составляет 6,6 МэВ). Затем 239 U быстро претерпевает два β − распада — испускание электрона и антинейтрино ( ), оставляя протон — первый β − распад превращает 239 U в нептуний-239 , а второй β − распад превращает 239 Np в 239 Pu:
Активность деления относительно редка, поэтому даже после значительного воздействия 239 Pu все еще смешивается с большим количеством 238 U (и, возможно, других изотопов урана), кислорода, других компонентов исходного материала и продуктов деления . Только если топливо находилось в реакторе в течение нескольких дней, 239 Pu можно химически отделить от остального материала с получением металлического 239 Pu высокой чистоты.
239 Pu имеет более высокую вероятность деления, чем 235 U, и большее количество нейтронов, образующихся за один акт деления, поэтому он имеет меньшую критическую массу . Чистый 239 Pu также имеет достаточно низкую скорость эмиссии нейтронов вследствие спонтанного деления (10 делений/с·кг), что позволяет собрать массу, которая имеет высокую сверхкритическую силу, прежде чем начнется цепная реакция детонации .
Однако на практике плутоний, полученный в реакторе, всегда будет содержать определенное количество 240 Pu из-за склонности 239 Pu поглощать дополнительный нейтрон во время производства. 240 Pu имеет высокую частоту спонтанного деления (415 000 делений/с-кг), что делает его нежелательным загрязнителем. В результате плутоний, содержащий значительную долю 240 Pu, малопригоден для использования в ядерном оружии; он испускает нейтронное излучение, что затрудняет обращение, а его присутствие может привести к « шипению », при котором происходит небольшой взрыв, разрушающий оружие, но не вызывающий деления значительной части топлива. Именно из-за этого ограничения оружие на основе плутония должно быть имплозивного, а не пушечного типа. Более того, 239 Pu и 240 Pu невозможно различить химически, поэтому для их разделения потребуется дорогостоящее и сложное разделение изотопов . Оружейный плутоний определяется как содержащий не более 7% 240 Pu; это достигается за счет воздействия на 238 U источников нейтронов только в течение коротких периодов времени, чтобы свести к минимуму образование 240 Pu.
Плутоний классифицируется в зависимости от содержания в нем загрязняющего плутония-240:
Поэтому ядерный реактор, используемый для производства оружейного плутония, обычно имеет средства для воздействия нейтронного излучения на 238 U и для частой замены облученного 238 U на новый 238 U. Реактор, работающий на необогащенном или умеренно обогащенном уране, содержит большое количество 238 U. Однако большинство проектов коммерческих ядерных энергетических реакторов требуют остановки всего реактора, часто на несколько недель, для замены топливных элементов. Поэтому они производят плутоний в смеси изотопов, которая не очень подходит для создания оружия. К такому реактору можно было бы добавить оборудование, которое позволило бы размещать снаряды из 238 U рядом с активной зоной и часто заменять его, или его можно было бы часто отключать, поэтому распространение вызывает беспокойство; по этой причине Международное агентство по атомной энергии часто инспектирует лицензированные реакторы. Некоторые конструкции коммерческих энергетических реакторов, такие как реактор большой мощности канальный ( РБМК ) и тяжеловодный реактор под давлением ( PHWR ), допускают перегрузку топлива без остановок и могут представлять риск распространения. (На самом деле, РБМК был построен Советским Союзом во время холодной войны, поэтому, несмотря на их якобы мирное назначение, вполне вероятно, что производство плутония было критерием проектирования.) Напротив, канадский CANDU, работающий на тяжеловодном замедлителе и природном уране , Реактор также можно дозаправлять во время работы , но обычно он потребляет большую часть плутония -239 , который производит на месте; таким образом, он не только по своей сути менее пролиферативен , чем большинство реакторов, но и может даже работать как « актинидный мусоросжигатель ». [4] Американский IFR (Интегральный быстрый реактор) также может работать в « режиме сжигания », имея некоторые преимущества в отсутствии накопления изотопа плутония-242 или долгоживущих актинидов , которые невозможно легко сжечь, кроме как в быстром реакторе. . Кроме того, топливо IFR имеет высокую долю горючих изотопов, тогда как в CANDU для разбавления топлива необходим инертный материал; это означает, что IFR может сжечь более высокую долю топлива, прежде чем 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 настолько сложны, что обычно их используют только для производства плутония. Реакторы-размножители обычно (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, поскольку 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. повышение соотношения 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 .
«Суперсортное» ядерное топливо, имеющее меньшую радиоактивность, используется на первой стадии ядерного оружия ВМС США вместо обычного плутония, используемого в версиях ВВС. «Суперкласс» - это промышленный термин для обозначения плутониевого сплава, содержащего исключительно высокую долю 239 Pu (>95%), оставляющую очень небольшое количество 240 Pu, который является изотопом с высоким содержанием спонтанного деления (см. Выше). Такой плутоний производится из топливных стержней , которые подвергались облучению в течение очень короткого времени, измеряемого в МВт-сутках/тонну выгорания . Такое малое время облучения ограничивает количество дополнительного захвата нейтронов и, следовательно, накопление продуктов альтернативных изотопов, таких как 240 Pu, в стержне, а также, как следствие, его производство значительно дороже, поскольку для данного количества плутония требуется гораздо больше стержней, облученных и обработанных. .
Плутоний-240, помимо того, что он является излучателем нейтронов после деления, является излучателем гамма- излучения и, следовательно, отвечает за большую часть излучения хранящегося ядерного оружия. Будь то патрулирование или порт, члены экипажа подводной лодки обычно живут и работают в непосредственной близости от ядерного оружия, хранящегося в торпедных отсеках и ракетных аппаратах, в отличие от ракет ВВС , воздействие которых относительно кратковременно. Необходимость снизить радиационное воздействие оправдывает дополнительные затраты на сплав премиум-класса, используемый во многих морских ядерных вооружениях. Суперклассный плутоний используется в боеголовках W80 .
В любом действующем 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 эксплуатации, так и в отработавшем ядерном топливе , вывезенном из реактора по окончании срока службы ТВС (обычно несколько лет). Отработанное ядерное топливо обычно содержит около 0,8% плутония-239.
Плутоний-239, присутствующий в реакторном топливе, может поглощать нейтроны и расщепляться так же, как это может делать уран-235. Поскольку плутоний-239 постоянно образуется в активной зоне реактора в процессе работы, использование плутония-239 в качестве ядерного топлива на электростанциях может происходить без переработки отработавшего топлива ; плутоний-239 расщепляется в тех же топливных стержнях, в которых он производится. Деление плутония-239 обеспечивает более трети всей энергии, производимой на типичной коммерческой атомной электростанции. [6] Реакторное топливо накапливало бы гораздо более 0,8% плутония-239 в течение срока службы, если бы некоторое количество плутония-239 не «сгорало» постоянно в результате деления.
Небольшой процент плутония-239 можно намеренно добавлять в свежее ядерное топливо. Такое топливо называется МОХ-топливом (смешанное оксидное) , так как оно содержит смесь диоксида урана (UO 2 ) и диоксида плутония (PuO 2 ). Добавление плутония-239 снижает необходимость обогащения урана в топливе.
Плутоний-239 испускает альфа-частицы и превращается в уран-235 . Как альфа-излучатель плутоний-239 не особенно опасен в качестве внешнего источника радиации, но при проглатывании или вдыхании в виде пыли он очень опасен и канцерогенен . Подсчитано, что фунт (454 грамма) плутония, вдыхаемый в виде пыли оксида плутония, может вызвать рак у двух миллионов человек. [7] Однако проглатываемый плутоний гораздо менее опасен, поскольку лишь незначительная его 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 Плутоний#Меры предосторожности .
Плутоний оружейного качества (с содержанием 239 Pu более 90% ) используется для изготовления ядерного оружия и имеет для этой цели множество преимуществ перед другими расщепляющимися материалами. Более низкие содержания 239 Pu сделали бы затруднительным или невозможным создание надежной конструкции оружия; это происходит из-за спонтанного деления (и, следовательно, образования нейтронов) нежелательного 240 Pu.
![{\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}Пу}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/15bb66867a3b931a990a4b1de2b7a1f3692701e0)