Плутоний-239 ( 239 Pu 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 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 дюйма) 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.
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:
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 с ним, 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:
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.
«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 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.
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.
![{\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)