pluton-239 - Plutonium-239

pluton-239,  239 pu
Pierścień plutonu.jpg
Pierścień plutonu o czystości 99,96%
Generał
Symbol 239 Pu
Nazwy pluton-239, Pu-239
Protony 94
Neutrony 145
Dane nuklidów
Pół życia 24 110 lat
Izotopy macierzyste 243 Cm  ( α )
239 Am  ( EC )
239 Np  ( β )
Produkty rozpadu 235 jednostek
Masa izotopowa 239.0521634 u
Obracać + 12
Tryby zaniku
Tryb zaniku Energia rozpadu ( MeV )
Rozpad alfa 5,156
Izotopy plutonu
Pełna tabela nuklidów

Pluton-239 ( 239 Pu Pu-239) jest izotop z plutonu . Pluton-239 jest podstawowym izotopem rozszczepialnym używanym do produkcji broni jądrowej , chociaż uran-235 jest również używany do tego celu. Pluton-239 jest również jednym z trzech głównych izotopów, które można wykorzystać jako paliwo w reaktorach jądrowych o widmie termicznym , obok uranu-235 i uranu-233 . Pluton-239 ma okres półtrwania 24 110 lat.

Właściwości jądrowe

Właściwości atomowe plutonu-239, a także zdolność do wytwarzania dużych ilości czystej prawie 239 Pu taniej niż wysoko wzbogaconego broń klasy uranu-235, doprowadziły do jego wykorzystania w broni jądrowej i elektrowni jądrowych . W wyniku rozszczepienia atomu uranu-235 w reaktorze elektrowni jądrowej powstają dwa do trzech neutronów, które mogą być wchłonięte przez uran-238 w celu wytworzenia plutonu-239 i innych izotopów . Pluton-239 może również absorbować neutrony i rozszczepienie wraz z uranem-235 w reaktorze.

Ze wszystkich powszechnie stosowanych paliw jądrowych 239 Pu ma najmniejszą masę krytyczną . Kulista masa krytyczna bez tłumienia wynosi około 11 kg (24,2 funta), średnica 10,2 cm (4 cale). Przy użyciu odpowiednich wyzwalaczy, reflektorów neutronowych, geometrii implozji i ubijaków masa krytyczna może być mniejsza niż połowa tej wartości. Ta optymalizacja zwykle wymaga duża organizacja rozwoju nuklearnego wspierana przez suwerenny naród .

Rozszczepienie jednego atomu 239 Pu generuje 207,1 MeV = 3,318 × 10-11 J, tj. 19,98 TJ/ mol = 83,61 TJ/kg, czyli około 23 222 915 kilowatogodzin/kg.

źródło promieniowania (rozszczepienie cieplne 239 Pu) średnia uwolniona energia [MeV]
Energia kinetyczna fragmentów rozszczepienia 175,8
Energia kinetyczna szybkich neutronów     5,9
Energia niesiona przez szybkie promienie γ     7,8
Całkowita energia chwilowa 189,5
Energia cząstek β−     5,3
Energia antyneutrin     7,1
Energia opóźnionych promieni γ     5.2
Razem z rozkładających się produktów rozszczepienia   17,6
Energia uwalniana przez wychwytywanie radiacyjne szybkich neutronów   11,5
Całkowite ciepło uwalniane w reaktorze o widmie termicznym (antyneutrina nie przyczyniają się) 211,5

Produkcja

Z uranu-238 wytwarza się pluton . 239 Pu zwykle powstaje w reaktorach jądrowych poprzez transmutację pojedynczych atomów jednego z izotopów uranu obecnych w prętach paliwowych. Czasami, gdy atom 238 U zostanie wystawiony na promieniowanie neutronowe , jego jądro przechwyci neutron , zmieniając go na 239 U . Dzieje się to łatwiej przy niższej energii kinetycznej (ponieważ aktywacja rozszczepienia 238 U wynosi 6,6 MeV). 239 u, a następnie szybko ulega dwie beta - rozpady - emisję w elektrony i antyneutrino ( ), pozostawiając proton - pierwszy beta - rozpadu przekształcania 239 U do neptun-239 , a drugi beta - rozpad przekształcając 239 Np na 239 Pu:

Aktywność rozszczepienia jest stosunkowo rzadka, więc nawet po znacznej ekspozycji, 239 Pu jest nadal zmieszany z dużą ilością 238 U (i prawdopodobnie innymi izotopami uranu), tlenem, innymi składnikami oryginalnego materiału i produktami rozszczepienia . Tylko w przypadku gdy paliwo jest narażony na kilka dni w reaktorze, CAN 239 Pu być chemicznie oddzielony od reszty materiału w celu wytworzenia wysokiej czystości 239 Pu metalu.

239 Pu ma większe prawdopodobieństwo rozszczepienia niż 235 U i większą liczbę neutronów wytwarzanych na zdarzenie rozszczepienia, więc ma mniejszą masę krytyczną . Pure 239 Pu ma również dość niski wskaźnik emisji neutronów z powodu spontanicznego rozszczepienia (10 rozszczepienia/s-kg), co umożliwia złożenie masy, która jest wysoce nadkrytyczna, zanim rozpocznie się łańcuchowa reakcja detonacji .

W praktyce jednak pluton wyhodowany w reaktorze będzie niezmiennie zawierać pewną ilość 240 Pu ze względu na tendencję 239 Pu do absorbowania dodatkowego neutronu podczas produkcji. 240 Pu ma wysoki wskaźnik spontanicznych zdarzeń rozszczepienia (415 000 rozszczepień/s-kg), co czyni go niepożądanym zanieczyszczeniem. W rezultacie pluton zawierający znaczną frakcję 240 Pu nie nadaje się do użycia w broni jądrowej; emituje promieniowanie neutronowe, co utrudnia obsługę, a jego obecność może doprowadzić do „ supienia ”, w którym następuje niewielka eksplozja, niszcząca broń, ale nie powodująca rozszczepienia znacznej części paliwa. (Jednak w nowoczesnej broni jądrowej wykorzystującej generatory neutronów do inicjacji i pobudzania syntezy jądrowej w celu dostarczenia dodatkowych neutronów, musowanie nie stanowi problemu.) To z powodu tego ograniczenia broń oparta na plutonie musi być typu implozyjnego, a nie pistoletowego. Co więcej, 239 Pu i 240 Pu nie mogą być chemicznie rozróżnione, więc do ich rozdzielenia konieczne byłoby kosztowne i trudne oddzielenie izotopów . Pluton przeznaczony do broni jest zdefiniowany jako zawierający nie więcej niż 7% 240 Pu; osiąga się to poprzez wystawienie 238 U na źródła neutronów przez krótki czas, aby zminimalizować wyprodukowane 240 Pu.

Pluton jest klasyfikowany według procentu zanieczyszczenia plutonu-240, które zawiera:

  • Superstopnia 2-3%
  • Klasy broni 3-7%
  • Klasa paliwa 7-18%
  • Klasa reaktora 18% lub więcej

Reaktor jądrowy, który jest używany do produkcji plutonu do broni, ma zatem na ogół środki do wystawienia 238 U na promieniowanie neutronowe i do częstego zastępowania napromieniowanego 238 U nowym 238 U. Reaktor pracujący na niewzbogaconym lub umiarkowanie wzbogaconym uranie zawiera dużą ilość 238 U. Jednak większość komercyjnych projektów reaktorów jądrowych wymaga wyłączenia całego reaktora, często na tygodnie, w celu wymiany elementów paliwowych. Dlatego produkują pluton w mieszaninie izotopów, która nie jest odpowiednia do budowy broni. Taki reaktor mógłby mieć dodaną maszynerię, która pozwoliłaby na umieszczenie pocisków 238 U w pobliżu rdzenia i częstą ich wymianę, lub mógłby być często wyłączany, więc proliferacja jest problemem; z tego powodu Międzynarodowa Agencja Energii Atomowej często kontroluje licencjonowane reaktory. Kilka komercyjnych reaktorów energetycznych, takich jak reaktor bolshoy moshchnosti kanalniy ( RBMK ) i reaktor ciśnieniowy na wodę ciężką ( PHWR ), umożliwia tankowanie bez przestojów i może stwarzać ryzyko rozprzestrzeniania się. (W rzeczywistości, RBMK został zbudowany przez Związek Radziecki w czasie zimnej wojny, więc mimo pozornie spokojnej celu, to jest prawdopodobne, że produkcja plutonu było kryterium projektu). Natomiast kanadyjski CANDU ciężką wodą moderowany naturalny uran fueled reaktor można również zatankować podczas pracy , ale zwykle zużywa większość 239 Pu, które wytwarza in situ; w związku z tym jest nie tylko z natury mniej proliferacyjny niż większość reaktorów, ale może nawet działać jako „spalarnia aktynowców”. Amerykański IFR (Integral Fast Reactor) może być również eksploatowany w „trybie spalania” , co ma pewne zalety polegające na tym, że nie gromadzi izotopu plutonu-242 ani długożyciowych aktynowców , które nie mogą być łatwo spalone poza reaktorem prędkim. Również paliwo IFR ma wysoki udział izotopów palnych, podczas gdy w CANDU do rozcieńczenia paliwa potrzebny jest materiał obojętny; oznacza to, że IFR może spalić większą część swojego paliwa przed koniecznością ponownego przetworzenia. Większość plutonu jest produkowana w reaktorach badawczych lub reaktorach do produkcji plutonu, zwanych reaktorami rozrodczymi, ponieważ wytwarzają one więcej plutonu niż zużywają paliwo; w zasadzie takie reaktory bardzo efektywnie wykorzystują naturalny uran. W praktyce ich budowa i eksploatacja jest na tyle trudna, że ​​na ogół wykorzystuje się je tylko do produkcji plutonu. Reaktory rozrodcze są generalnie (ale nie zawsze) reaktorami prędkimi , ponieważ neutrony prędkie są nieco bardziej wydajne w produkcji plutonu.

Pluton-239 jest częściej używany w broni jądrowej niż uran-235, ponieważ łatwiej go pozyskać w ilości masy krytycznej . Zarówno pluton-239, jak i uran-235 są otrzymywane z naturalnego uranu , który składa się głównie z uranu-238, ale zawiera śladowe ilości innych izotopów uranu, takich jak uran-235 . Proces wzbogacania uranu , czyli zwiększenie stosunku 235 U do 238 U do gatunku broni , jest na ogół procesem bardziej długotrwałym i kosztownym niż produkcja plutonu-239 z 238 U i późniejsze przetwarzanie .

pluton supergatunkowy

„Nadrzędne” paliwo rozszczepienia, które ma mniejszą radioaktywność, jest używane w pierwotnej fazie broni jądrowej US Navy zamiast konwencjonalnego plutonu używanego w wersjach Sił Powietrznych. „Supergrade” to język przemysłowy dla stopu plutonu zawierającego wyjątkowo wysoki udział 239 Pu (>95%), pozostawiając bardzo małą ilość 240 Pu, która jest izotopem o wysokim samorzutnym rozszczepieniu (patrz wyżej). Taki pluton jest wytwarzany z prętów paliwowych , które zostały napromieniowane w bardzo krótkim czasie, mierzonym w MW-dzień/tonę wypalenia . Tak niskie czasy napromieniania ograniczają ilość dodatkowego wychwytywania neutronów, a tym samym gromadzenie się alternatywnych produktów izotopowych, takich jak 240 Pu w pręcie, a także w konsekwencji są znacznie droższe w produkcji, wymagając znacznie więcej napromieniowanych i przetworzonych pręcików dla danej ilości plutonu .

Pluton-240, oprócz tego, że jest emiterem neutronów po rozszczepieniu, jest emiterem gamma , a więc odpowiada za dużą część promieniowania z przechowywanej broni jądrowej. Niezależnie od tego, czy są na patrolu, czy w porcie, członkowie załogi łodzi podwodnej rutynowo mieszkają i pracują w bardzo bliskim sąsiedztwie broni jądrowej przechowywanej w pomieszczeniach torpedowych i wyrzutniach rakiet, w przeciwieństwie do pocisków Sił Powietrznych, których ekspozycja jest stosunkowo krótka. Konieczność zmniejszenia narażenia na promieniowanie uzasadnia dodatkowe koszty najwyższej jakości stopu supergatunkowego stosowanego w wielu morskich broniach jądrowych. Supergrade pluton jest używany w głowicach W80 .

W reaktorach jądrowych

W każdym działającym reaktorze jądrowym zawierającym 238 U część plutonu-239 będzie akumulować się w paliwie jądrowym. W przeciwieństwie do reaktorów wykorzystywanych do produkcji plutonu przeznaczonego do broni, komercyjne reaktory jądrowe zazwyczaj działają przy wysokim wypaleniu, które pozwala na gromadzenie się znacznej ilości plutonu w napromieniowanym paliwie reaktora. Pluton-239 będzie obecny zarówno w rdzeniu reaktora podczas pracy, jak iw wypalonym paliwie jądrowym, które zostało usunięte z reaktora pod koniec okresu eksploatacji zespołu paliwowego (zazwyczaj kilka lat). Zużyte paliwo jądrowe zwykle zawiera około 0,8% plutonu-239.

Pluton-239 obecny w paliwie reaktora może pochłaniać neutrony i rozszczepiać, podobnie jak uran-235. Ponieważ pluton-239 jest stale wytwarzany w rdzeniu reaktora podczas pracy, wykorzystanie plutonu-239 jako paliwa jądrowego w elektrowniach może nastąpić bez ponownego przetwarzania zużytego paliwa ; pluton-239 jest rozszczepiany w tych samych prętach paliwowych, w których jest produkowany. Rozszczepienie plutonu-239 dostarcza ponad jedną trzecią całkowitej energii wytwarzanej w typowej komercyjnej elektrowni jądrowej. Paliwo reaktorowe zgromadziłoby znacznie więcej niż 0,8% plutonu-239 podczas swojego okresu eksploatacji, gdyby część plutonu-239 nie była stale „spalana” przez rozszczepienie.

Niewielki procent plutonu-239 można celowo dodać do świeżego paliwa jądrowego. Takie paliwo nazywa się paliwem MOX (mieszane tlenki) , ponieważ zawiera mieszaninę dwutlenku uranu (UO 2 ) i dwutlenku plutonu (PuO 2 ). Dodatek plutonu-239 zmniejsza potrzebę wzbogacania uranu w paliwie.

Zagrożenia

Pluton-239 emituje cząstki alfa, zamieniając się w uran-235 . Jako emiter alfa, pluton-239 nie jest szczególnie niebezpieczny jako zewnętrzne źródło promieniowania, ale jeśli zostanie połknięty lub wdychany w postaci pyłu, jest bardzo niebezpieczny i rakotwórczy . Szacuje się, że funt (454 gramy) plutonu wdychany w postaci pyłu z tlenku plutonu może wywołać raka u dwóch milionów ludzi. Jednak spożyty pluton jest znacznie mniej niebezpieczny, ponieważ tylko niewielka jego część jest wchłaniana w przewodzie pokarmowym. Jest mało prawdopodobne, aby 800 mg spowodowało poważne zagrożenie dla zdrowia, jeśli chodzi o promieniowanie. Jako metal ciężki pluton jest również toksyczny. Zobacz także pluton#Środki ostrożności .

Pluton przeznaczony do broni (z ponad 90% 239 Pu) jest używany do produkcji broni jądrowej i ma wiele zalet w porównaniu z innymi materiałami rozszczepialnymi do tego celu. Niższe proporcje 239 Pu utrudniłyby lub uniemożliwiłyby niezawodne zaprojektowanie broni; jest to spowodowane spontanicznym rozszczepieniem (a tym samym produkcją neutronów) niepożądanego 240 Pu.

Zobacz też

Bibliografia

Linki zewnętrzne


Zapalniczka:
pluton-238
Pluton-239 to
izotop z plutonu
Cięższy:
pluton-240
Produkt rozpadu :
kiur-243 ( α )
ameryk-239 ( EC )
neptun-239 ( β- )
Łańcuch rozpadu
plutonu-239
Rozpada się do:
uranu-235 (α)