Плутоний-239

Плутоний-239, Pu

Кольцо плутония с чистотой 99,96%
Общие
Символ	Pu
Названия	плутоний-239, Pu-239
Протоны	94
Нейтроны	145
Данные о нуклидах
Период полураспада	24,110 лет
Исходные изотопы	Cm (α ). Am (EC ). Np (β )
Продукты распада	U
Масса изотопа	239.0521634 u
Спин	+ ⁄ 2
Режимы распада
Режим распада	Энергия распада (МэВ )
Альфа-распад	5.156
Изотопы плутония. Полная таблица нуклидов

Плутоний-239 (Pu, Pu-239) - это изотоп из плутоний. Плутоний-239 является основным делящимся изотопом, используемым для производства ядерного оружия, хотя ура Также использовался ниий-235. Плутоний-239 также является одним из трех основных изотопов, пригодных для использования в качестве топлива в тепловом спектре ядерных реакторов, наряду с ураном-235 и ураном-233. Плутоний-239 имеет период полураспада 24,110 лет.

• 1 Ядерные свойства
• 2 Производство
  • 2.1 Сверхчистый плутоний
• 3 В ядерных энергетических реакторах
• 4 Опасности
• 5 См. Также
• 6 Ссылки
• 7 Внешние ссылки

Ядерные свойства плутония-239, а также способность производить большие количества почти чистого Более дешевый Pu, чем высокообогащенный оружейный уран-235, привел к его использованию в ядерном оружии и атомных электростанциях. деление атома урана-235 в реакторе атомной электростанции дает от двух до трех нейтронов, и эти нейтроны могут быть поглощены ураном-238 с образованием плутония-239. и другие изотопы. Плутоний-239 может также поглощать нейтроны и деление вместе с ураном-235 в реакторе.

Из всех обычных видов ядерного топлива Pu имеет наименьшую критическую массу. Критическая масса сферической формы без демпфирования составляет около 11 кг (24,2 фунта), диаметр 10,2 см (4 дюйма). Используя соответствующие триггеры, отражатели нейтронов, геометрию имплозии и тамперы, эту критическую массу можно уменьшить более чем в два раза. Эта оптимизация обычно требует крупная организация по развитию ядерной энергетики, поддерживаемая суверенной нацией.

При делении одного атома Pu генерируется 207,1 МэВ = 3,318 × 10 Дж, т.е. 19,98 ТДж / моль = 83,61 ТДж / кг, или около 23 222 915 киловатт-часов / кг.

Плутоний изготовлен из урана-238. Pu обычно создается в ядерных реакторах путем трансмутации отдельных атомов одного из изотопов урана, присутствующего в топливных стержнях. Иногда, когда атом U подвергается воздействию нейтронного излучения, его ядро ​​захватывает нейтрон, превращая его в U. Это происходит легче при более низкой кинетической энергии (поскольку активация деления U составляет 6,6 МэВ). Затем U быстро претерпевает два β-распада - испускание электрона и антинейтрино ($\nu \; ¯\; e\; \{\backslash \; displaystyle\; \{\backslash \; bar\; \{\backslash \; nu\}\}\; \_\; \{e\}\}$), оставляя протон - первый β-распад превращает U в нептуний-239, а второй β-распад превращает Np в Pu :

$U\; 92\; 238\; +\; n\; 0\; 1\; ⟶\; U\; 92239\; \to \; 23,5\; мин\; \beta \; -\; Np\; 93239\; \to \; 2,356\; d\; \beta \; -\; Pu\; 94\; 239\; \{\backslash \; displaystyle\; \{\backslash \; ce\; \{\{\}\; ^\; \{238\}\; \_\; \{92\}\; U\; +\; \{\}\; ^\; \{1\}\; \_\; \{0\}\; n\; ->\{\}\; ^\; \{239\}\; \_\; \{92\}\; U\; ->[\backslash \; beta\; ^\; -]\; [23.5\; \backslash \; \{\backslash \; ce\; \{min\}\}]\; \{\}\; ^\; \{239\}\; \_\; \{93\}\; Np\; ->[\backslash \; beta\; ^\; -]\; [2.356\; \backslash \; \{\backslash \; ce\; \{d\}\}]\; \{\}\; ^\; \{239\}\; \_\; \{94\}\; Pu\}\}\}$

Активность деления относительно редка, поэтому даже после значительного воздействия Pu все еще смешивается с большим количеством U (и, возможно, других изотопов урана), кислородом и другими соединениями. компоненты исходного материала и продукты деления. Только если топливо выдерживалось в реакторе в течение нескольких дней, Pu можно химически отделить от остального материала с получением металлического Pu высокой чистоты.

Pu имеет более высокую вероятность деления, чем U, и большее количество нейтронов, образующихся в результате деления, поэтому он имеет меньшую критическую массу. Чистый плутоний также имеет достаточно низкую скорость испускания нейтронов из-за спонтанного деления (10 делений / с-кг), что позволяет собрать массу, которая является сверхкритической, перед детонационной цепной реакцией начинается.

На практике, однако, плутоний, полученный в реакторе, всегда будет содержать определенное количество Pu из-за тенденции Pu поглощать дополнительный нейтрон во время производства. Pu имеет высокую скорость спонтанного деления (415 000 делений / с-кг), что делает его нежелательным загрязняющим веществом. В результате плутоний, содержащий значительную долю плутония, не подходит для использования в ядерном оружии; он испускает нейтронное излучение, что затрудняет обращение с ним, и его присутствие может привести к «шипу », при котором происходит небольшой взрыв, разрушающий оружие, но не вызывающий расщепления значительной части топлива. (Однако в современном ядерном оружии, использующем генераторы нейтронов для инициирования и усиление термоядерного синтеза для подачи дополнительных нейтронов, шипение не является проблемой.) Именно из-за этого ограничения оружие на основе плутония должно быть имплозионным, а не пистолетного типа. Кроме того, Pu и Pu нельзя различить химически, поэтому для их разделения потребуется дорогостоящее и сложное разделение изотопов. оружейный плутоний определяется как содержащий не более 7% плутония; это достигается путем воздействия нейтронных источников на U только в течение коротких периодов времени, чтобы минимизировать образование Pu.

Плутоний классифицируется в соответствии с процентным содержанием загрязняющего плутония-240, который он содержит:

• Высшего качества 2–3%
• Оружейный класс 3–7%
• Топливо степень 7–18%
• Класс реактора 18% или более

Ядерный реактор, который используется для производства плутония для оружия, поэтому обычно имеет средства для воздействия нейтронного излучения на U и для частая замена облученного урана новым ураном. Реактор, работающий на необогащенном или умеренно обогащенном уране, содержит большое количество урана. Однако большинство коммерческих ядерных энергетических реакторов требуют остановки всего реактора, часто на несколько недель, чтобы заменить твэлы. Поэтому они производят плутоний в виде смеси изотопов, которая не подходит для создания оружия. К такому реактору можно было бы добавить оборудование, которое позволяло бы размещать U-образные пробки рядом с активной зоной и часто менять, или он мог бы часто останавливаться, поэтому распространение является проблемой; по этой причине Международное агентство по атомной энергии часто инспектирует лицензированные реакторы. Некоторые проекты промышленных энергетических реакторов, такие как реактор большой мощности канал (РБМК ) и реактор с тяжелой водой под давлением (PHWR ), допускают перегрузку топлива без остановок, и они могут вызвать распространение риск. (Фактически, РБМК был построен Советским Союзом во время холодной войны, поэтому, несмотря на их якобы мирную цель, вполне вероятно, что критерием проектирования было производство плутония.) Напротив, канадская CANDU реактор с тяжеловодным замедлителем , работающий на природном уране, также можно заправлять топливом во время работы, но он обычно потребляет большую часть плутония, которое производит на месте; таким образом, он не только по своей природе менее распространен, чем большинство реакторов, но может даже использоваться как «установка для сжигания актинидов». 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 легко сгореть, за исключением быстрого реактора. Кроме того, топливо IFR содержит высокую долю горючих изотопов, в то время как в CANDU требуется инертный материал для разбавления топлива; это означает, что IFR может сжигать большую часть своего топлива до того, как потребуется переработка. Большая часть плутония производится в исследовательских реакторах или в реакторах для производства плутония, называемых реакторами-размножителями, поскольку 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 используются только для производства плутония. Реакторы-размножители обычно (но не всегда) быстрые реакторы, 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. увеличения отношения U к U до оружейного качества, обычно является более длительным и дорогостоящим процессом, чем производство плутония-239 из U и последующие переработка.

сверхсортный плутоний

«сверхсоставное» топливо деления, которое имеет меньшую радиоактивность, используется на начальной стадии ядерного оружия ВМС США вместо обычного плутоний, используемый в версиях ВВС. «Суперграда» - это промышленный язык для плутониевого сплава, содержащего исключительно высокую долю плутония (>95%), при котором остается очень низкое количество плутония, что является высоким спонтанным делением изотоп (см. выше). Такой плутоний производится из топливных стержней, которые были облучены в течение очень короткого времени, как измерено в МВт-сут / тонна выгорание. Такое малое время облучения ограничивает количество дополнительного захвата нейтронов и, следовательно, накопление альтернативных изотопных продуктов, таких как Pu, в стержне, а также, как следствие, значительно дороже в производстве, требуя облучения и обработки гораздо большего количества стержней для заданное количество плутония.

Плутоний-240, помимо того, что он является излучателем нейтронов после деления, является излучателем гамма и, таким образом, отвечает за большую часть излучения от хранимого ядерного оружия. Находясь в патруле или в порту, 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, где облучение относительно невелико. кратко. Необходимость снижения радиационного облучения оправдывает дополнительные расходы на премиальный сплав высшего качества, используемый во многих морских ядерных вооружениях. В боеголовках W80 используется сверхсоставной плутоний.

В любом работающем ядерном реакторе, содержащем U, некоторое количество плутония-239 будет накапливаться в ядерном топливе. В отличие от реакторов, используемых для производства оружейного плутония, коммерческие ядерные энергетические реакторы обычно работают с высоким выгоранием , что позволяет значительному количеству плутония накапливаться в облученном топливе реактора. Плутоний-239 будет присутствовать как в активной зоне реактора во время эксплуатации, так и в отработавшем ядерном топливе, которое было удалено из реактора по истечении срока службы тепловыделяющей сборки (обычно несколько лет). Отработанное ядерное топливо обычно содержит около 0,8% плутония-239.

Плутоний-239, присутствующий в топливе реактора, может поглощать нейтроны и делиться так же, как уран-235. Поскольку плутоний-239 постоянно создается в активной зоне реактора во время эксплуатации, 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 одной трети всей энергии, производимой на типичной коммерческой атомной электростанции. В реакторном топливе накопилось бы намного больше, чем 0,8% плутония-239 за время своего срока службы, если бы некоторое количество плутония-239 не «сгорало» постоянно в результате деления.

Небольшой процент плутония-239 может быть намеренно добавлен в свежее ядерное топливо. Такое топливо называется МОКС-топливом (смешанным оксидом), поскольку оно содержит смесь оксида урана (UO 2) и диоксида плутония (PuO 2). 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 излучения, но если он проглатывается или вдыхается в виде пыли, он очень опасен и канцероген. Было подсчитано, что фунт (454 грамма) плутония, вдыхаемый в виде пыли оксида плутония, может вызвать рак у двух миллионов человек. Однако попавший внутрь плутоний гораздо менее опасен, так как лишь малая его часть всасывается в желудочно-кишечном тракте. 800 мг вряд ли вызовут серьезный риск для здоровья в том, что касается радиации. Как тяжелый металл, плутоний также токсичен. См. Также Плутоний # Меры предосторожности.

Плутоний оружейного качества (с содержанием плутония более 90%) используется для создания ядерного оружия и для этой цели имеет много преимуществ перед другими делящимися материалами. Более низкие пропорции Pu сделали бы создание надежного оружия трудным или невозможным; это происходит из-за спонтанного деления (и, следовательно, образования нейтронов) нежелательного плутония.

• Дизайн Теллера-Улама

• Банк данных по опасным веществам NLM - плутоний, радиоактивный
• Таблица нуклидов с данными по плутонию в Кайе и Laby Online
• Период полураспада плутония-239

.