Плутоний-240

Изотоп плутония

Плутоний-240 (²⁴⁰
Пу
или Pu-240 ) — изотоп плутония, образующийся при захвате плутонием-239 нейтрона . Обнаружение его спонтанного деления привело к его открытию в 1944 году в Лос-Аламосе и имело важные последствия для Манхэттенского проекта . ^[3]

²⁴⁰ Pu подвергается спонтанному делению в качестве вторичного распада с небольшой, но значительной скоростью. Присутствие ²⁴⁰ Pu ограничивает использование плутония в ядерной бомбе , поскольку поток нейтронов от спонтанного деления преждевременно инициирует цепную реакцию , вызывая раннее высвобождение энергии, которая физически рассеивает ядро ​​до того, как будет достигнут полный взрыв . ^{[4] [5]} Он распадается путем альфа-излучения до урана-236 .

Ядерные свойства

Примерно в 62–73% случаев, когда ²³⁹ Pu захватывает нейтрон , он подвергается делению ; в остальное время он образует ²⁴⁰ Pu. Чем дольше ядерный топливный элемент остается в ядерном реакторе , тем выше становится относительный процент ²⁴⁰ Pu в топливе.

Изотоп ²⁴⁰ Pu имеет примерно такое же сечение захвата тепловых нейтронов , что и ²³⁹ Pu (289,5 ± 1,4 против.269,3 ± 2,9 барна ), ^{[6] [7]} , но лишь крошечное сечение деления тепловыми нейтронами (0,064 барна). Когда изотоп ²⁴⁰ Pu захватывает нейтрон, вероятность превращения его в плутоний-241 примерно в 4500 раз выше , чем для деления. В общем, изотопы с нечетным массовым числом с большей вероятностью поглощают нейтрон и могут легче подвергаться делению при поглощении нейтрона, чем изотопы с четным массовым числом. Таким образом, даже массовые изотопы имеют свойство накапливаться, особенно в тепловом реакторе .

Ядерное оружие

Неизбежное присутствие около ²⁴⁰ Pu в активной зоне ядерной боеголовки на основе плутония усложняет ее конструкцию, и оптимальным считается чистый ^{239 Pu. [8]} Это происходит по нескольким причинам:

• ²⁴⁰ Pu имеет высокую скорость спонтанного деления . Один-единственный случайный нейтрон, попавший в ядро, когда ядро ​​находится в сверхкритическом состоянии , заставит его взорваться почти мгновенно, даже до того, как оно будет сжато до оптимальной конфигурации. Таким образом , присутствие ²⁴⁰ Pu может случайным образом вызвать шипение с взрывной мощностью, значительно ниже потенциальной. ^{[8] [5]}
• Изотопы, помимо плутония ^-239 , выделяют значительно больше радиации, что усложняет обращение с ними рабочими. ^[8]
• Изотопы, помимо ²³⁹ Pu, производят больше остаточного тепла, что может вызвать искажения фазового изменения прецизионного ядра, если им позволить накапливаться. ^[8]

Проблема спонтанного деления широко изучалась учеными Манхэттенского проекта во время Второй мировой войны . ^[9] Он заблокировал использование плутония в ядерном оружии пушечного типа , в котором сборка делящегося материала до оптимальной конфигурации сверхкритической массы может занять до миллисекунды, и сделал необходимым разработать оружие имплозивного типа, в котором сборка происходит за несколько микросекунд. ^[10] Даже при такой конструкции перед испытанием Тринити было подсчитано , что примесь ²⁴⁰ Pu вызовет 12% вероятность того, что взрыв не достигнет максимальной мощности. ^[8]

Минимизация количества²⁴⁰
Пу
, как и в оружейном плутонии (менее 7% ²⁴⁰ Pu), достигается путем переработки топлива уже после 90 дней использования. Такие быстрые топливные циклы крайне непрактичны для гражданских энергетических реакторов и обычно осуществляются только на специальных реакторах по производству оружейного плутония. Плутоний из отработанного топлива гражданских энергетических реакторов обычно содержит менее 70% ²³⁹ Pu и около 26%.²⁴⁰
Пу
, а остальная часть состоит из других изотопов плутония, что затрудняет его использование для производства ядерного оружия. ^{[4] [8] [11] [12]} Однако в отношении проектов ядерного оружия, созданных после 1940-х годов, ведутся серьезные споры о том, в какой степени²⁴⁰
Пу
создает барьер для создания оружия; см. статью Реакторный плутоний .

Смотрите также

• Сжечь
• Изотопы плутония

Рекомендации

1. Ауди, Жорж; Берсильон, Оливье; Блашо, Жан; Вапстра, Аалдерт Хендрик (декабрь 2003 г.). «Нубейская оценка свойств ядра и распада». Ядерная физика А . 729 (1): 3–128. Бибкод : 2003NuPhA.729....3A. CiteSeerX  10.1.1.692.8504 . doi :10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001.
2. Audi, Жорж; Вапстра, Аалдерт Хендрик; Тибо, Кэтрин (декабрь 2003 г.). «Оценка атомной массы Ame2003». Ядерная физика А . 729 (1): 337–676. Бибкод : 2003NuPhA.729..337A. doi :10.1016/j.nuclphysa.2003.11.003.
3. Фарвелл, GW (1990). «Эмилио Сегре, Энрико Ферми, Пу-240 и атомная бомба». Симпозиум, посвященный 50-летию открытия трансурановых элементов .
4. Шахин, Шумер (1981). «Замечания о проблеме предварительного зажигания, вызванного плутонием-240, в ядерном устройстве». Ядерные технологии . 54 (1): 431–432. дои : 10.13182/NT81-A32795. Энергетический выход ЯВ снижается на один и два порядка при увеличении содержания 240 Pu с 5 (почти оружейного плутония) до 15 и 25% соответственно.
5. Бодански, Дэвид (2007). «Ядерные бомбы, ядерная энергия и терроризм». Ядерная энергетика: принципы, практика и перспективы . Springer Science & Business Media. ISBN 978-0-387-26931-3.
6. Мугабгаб, Сан-Франциско (2006). Атлас нейтронных резонансов: резонансные параметры и тепловые сечения Z=1-100 . Амстердам: Эльзевир. ISBN 978-0-08-046106-9.
7. «Данные об актинидах: сечения тепловых нейтронов, резонансные интегралы и факторы Уэсткотта». Ядерные данные для гарантий . Международное агентство по атомной энергии . Проверено 11 сентября 2016 г.
8. Марк, Дж. Карсон; Хиппель, Франк фон; Лайман, Эдвард (30 октября 2009 г.). «Взрывчатые свойства реакторного плутония» (PDF) . Наука и глобальная безопасность . 17 (2–3): 170–185. Бибкод : 2009S&GS...17..170M. дои : 10.1080/08929880903368690. ISSN  0892-9882. S2CID  219716695.
9. Чемберлен, О.; Фарвелл, GW; Сегре, Э. (1954). «Пу-240 и его спонтанное деление». Физический обзор . 94 (1): 156. Бибкод : 1954PhRv...94..156C. doi :10.1103/PhysRev.94.156.
10. Ходдесон, Лилиан (1993). «Открытие спонтанного деления плутония во время Второй мировой войны». Исторические исследования в области физических и биологических наук . 23 (2): 279–300. дои : 10.2307/27757700. JSTOR  27757700.
11. Шахин, Шумер; Лигу, Жак (1980). «Влияние спонтанного деления плутония-240 на энерговыделение при ядерном взрыве». Ядерные технологии . 50 (1): 88. дои : 10.13182/NT80-A17072.
12. Шахин, Шумер (1978). «Влияние Pu-240 на время жизни нейтронов в ядерной взрывчатке». Летопись атомной энергетики . 5 (2): 55–58. дои : 10.1016/0306-4549(78)90104-4.

Внешние ссылки

• Банк данных по опасным веществам NLM – радиоактивный плутоний