Plutonium-239 - Plutonium-239

Plutonium-239,  239 Pu
Plutonium ring.jpg
99,96% čistý kruh plutonia
Všeobecné
Symbol 239 Pu
Jména plutonium-239, Pu-239
Protony 94
Neutrony 145
Nuklidová data
Poločas rozpadu 24 110 let
Mateřské izotopy 243 Cm  ( α )
239 Am  ( EC )
239 Np  ( β - )
Produkty rozpadu 235 U
Hmotnost izotopu 239,0521634 u
Roztočit + 1 / 2
Režimy rozpadu
Režim rozpadu Energie rozpadu ( MeV )
Alfa rozpad 5,156
Izotopy plutonia
Kompletní tabulka nuklidů

Plutonium-239 ( 239 Pu, Pu-239) je izotop z plutonia . Plutonium-239 je primární štěpný izotop používaný k výrobě jaderných zbraní , ačkoli k tomuto účelu se používá také uran-235 . Plutonium-239 je také jedním ze tří hlavních izotopů, které jsou použitelné jako palivo v jaderných reaktorech s tepelným spektrem , spolu s uranem-235 a uranem-233 . Plutonium-239 má poločas rozpadu 24 110 let.

Jaderné vlastnosti

Jaderné vlastnosti plutonia-239, stejně jako schopnost produkovat velké množství z téměř čistého 239 Pu levněji než vysoce obohaceného zbraní-klasifikovat uranu-235, vedl k jeho použití v jaderných zbraní a jaderných elektrárnách . Fissioning atomu uranu-235 v reaktoru jaderné elektrárny vytváří dvě až tři neutrony a tyto neutrony mohou být absorbovány uran-238 pro výrobu plutonia-239 a jiné izotopy . Plutonium-239 může také absorbovat neutrony a štěpení spolu s uranem-235 v reaktoru.

Ze všech běžných jaderných paliv má 239 Pu nejmenší kritické množství . Sférická netlačená kritická hmota je asi 11 kg (24,2 lb), průměr 10,2 cm (4 "). Použitím vhodných spouštěčů, neutronových reflektorů, geometrie imploze a tamperů může být kritická hmotnost menší než polovina. Tato optimalizace obvykle vyžaduje velká organizace pro jaderný rozvoj podporovaná suverénním národem .

Štěpení jednoho atomu 239 Pu generuje 207,1 MeV = 3,318 × 10 −11 J, tj. 19,98 TJ / mol = 83,61 TJ / kg, nebo přibližně 23 222 915 kilowatthodin / kg.

zdroj záření (tepelné štěpení 239 Pu) průměrná uvolněná energie [MeV]
Kinetická energie štěpných fragmentů 175,8
Kinetická energie pohotových neutronů     5.9
Energie přenášená rychlými paprsky y     7.8
Celková okamžitá energie 189,5
Energie β− částic     5.3
Energie antineutrin     7.1
Energie opožděných y-paprsků     5.2
Celkem z rozpadajících se štěpných produktů   17.6
Energie uvolněná radiačním zachycením rychlých neutronů   11.5
Celkové teplo uvolněné v reaktoru s tepelným spektrem (anti-neutrina nepřispívají) 211,5

Výroba

Plutonium je vyrobeno z uranu 238 . 239 Pu se normálně vytváří v jaderných reaktorech transmutací jednotlivých atomů jednoho z izotopů uranu přítomných v palivových tyčích. Občas, když atom 238 U je vystavena neutronového záření , jeho jádro bude zachytit neutron , změnou na 239 U . To se děje snadněji s nižší kinetickou energií (protože aktivace štěpení 238 U je 6,6 MeV). 239 U pak rychle prochází dvěma beta - rozpady - emisi s elektron a anti-neutrino ( ), takže proton - první beta - rozpadu transformaci 239 U do neptunia-239 , a druhá beta - rozpad transformaci 239 Np do 239 Pu:

Štěpná aktivita je relativně vzácná, takže i po významné expozici je 239 Pu stále smíchán s velkým množstvím 238 U (a možná dalšími izotopy uranu), kyslíkem, dalšími složkami původního materiálu a štěpnými produkty . Pouze v případě, že bylo palivo v reaktoru vystaveno několik dní, lze 239 Pu chemicky oddělit od zbytku materiálu, čímž se získá vysoce čistý kov 239 Pu.

239 Pu má vyšší pravděpodobnost štěpení než 235 U a větší počet neutronů vyprodukovaných na jednu štěpnou událost, takže má menší kritické množství . Čistý 239 Pu má také přiměřeně nízkou rychlost emise neutronů v důsledku spontánního štěpení (10 štěpení / s-kg), takže je možné sestavit hmotu, která je vysoce nadkritická, než začne detonační řetězová reakce .

V praxi však bude plutonium chované v reaktoru vždy obsahovat určité množství 240 Pu kvůli tendenci 239 Pu absorbovat během výroby další neutron. 240 Pu má vysokou míru spontánních štěpných událostí (415 000 štěpení / s-kg), což z něj činí nežádoucí kontaminující látku. Výsledkem je, že plutonium obsahující významnou část 240 Pu není vhodné pro použití v jaderných zbraních; vydává neutronové záření, což ztěžuje manipulaci, a jeho přítomnost může vést k „ šumění “, při kterém dojde k malé explozi, která zničí zbraň, ale nezpůsobí štěpení významné části paliva. (U moderních jaderných zbraní využívajících neutronové generátory pro iniciaci a podporu fúze k dodávání dalších neutronů však šumění není problém.) Kvůli tomuto omezení musí být zbraně založené na plutoniu spíše implozního typu než zbraňového typu. Navíc nelze chemicky rozlišit 239 Pu a 240 Pu, takže k jejich oddělení by bylo nutné nákladné a obtížné oddělení izotopů . Plutonium na úrovni zbraní je definováno jako obsahující ne více než 7% 240 Pu; toho je dosaženo pouze vystavením 238 U zdrojům neutronů na krátkou dobu, aby se minimalizovalo produkované 240 Pu.

Plutonium je klasifikováno podle procenta kontaminující látky plutonium-240, které obsahuje:

  • Supergrade 2–3%
  • Zbraně stupně 3–7%
  • Druh paliva 7–18%
  • Stupeň reaktoru 18% nebo více

Jaderný reaktor, který se používá k výrobě plutonia pro zbraně, má proto obecně prostředky k vystavení 238 U neutronovému záření a k častému nahrazování ozářeného 238 U novým 238 U. Reaktor běžící na neobohacený nebo mírně obohacený uran obsahuje velké množství 238 U. Většina komerčních návrhů jaderných energetických reaktorů však vyžaduje, aby byl celý reaktor odstaven, často na několik týdnů, aby bylo možné vyměnit palivové články. Produkují proto plutonium ve směsi izotopů, která není vhodná pro konstrukci zbraní. Takový reaktor by mohl mít strojní zařízení, které by umožňovalo umístit 238 U slimáků blízko jádra a často je měnit, nebo by to mohlo být často odstaveno, takže šíření je problém; z tohoto důvodu Mezinárodní agentura pro atomovou energii často kontroluje licencované reaktory. Několik komerčních návrhů energetických reaktorů, jako je reaktor bolshoy moshchnosti kanalniy ( RBMK ) a tlakový těžkovodní reaktor ( PHWR ), umožňují doplňování paliva bez odstávek a mohou představovat riziko šíření. (Ve skutečnosti, RBMK byl postaven Sovětským svazem během studené války, takže i přes jejich zdánlivě mírový účel, je pravděpodobné, že na výrobu plutonia byla kritériem designu). Naproti tomu, kanadská CANDU těžkou vodou moderovaný přírodní uran jako palivo reaktor lze také doplňovat za provozu , ale obvykle spotřebuje většinu 239 pu, které produkuje in situ; je tedy nejen ze své podstaty méně proliferativní než většina reaktorů, ale může být dokonce provozován jako „spalovna aktinidů“. Americký IFR (Integral Fast Reactor) lze provozovat také v „spalovacím režimu“, který má určité výhody v tom, že nehromadí izotop plutonia 242 nebo aktinidy s dlouhou životností , které nelze snadno spálit, kromě rychlého reaktoru. IFR palivo má také vysoký podíl spálitelných izotopů, zatímco v CANDU je k ředění paliva zapotřebí inertní materiál; to znamená, že IFR může spálit větší část svého paliva, než bude muset přepracovat. Většina plutonia se vyrábí ve výzkumných reaktorech nebo reaktorech na výrobu plutonia, které se nazývají šlechtitelské reaktory, protože produkují více plutonia než spotřebovávají palivo; v zásadě takové reaktory extrémně efektivně využívají přírodní uran. V praxi je jejich konstrukce a provoz dostatečně obtížný, aby se obecně používaly pouze k výrobě plutonia. Šlechtitelské reaktory jsou obecně (ale ne vždy) rychlé reaktory , protože rychlé neutrony jsou o něco účinnější při výrobě plutonia.

Plutonium-239 se v jaderných zbraních používá častěji než uran-235, protože je snazší získat jej v množství kritického množství . Plutonium-239 i uran-235 se získávají z přírodního uranu , který se primárně skládá z uranu-238, ale obsahuje stopy dalších izotopů uranu, jako je uran-235 . Proces obohacování uranu , tj. Zvyšování poměru 235 U k 238 U ke zbrojní třídě , je obecně zdlouhavější a nákladnější proces než výroba plutonia 239 z 238 U a následné přepracování .

Supergradní plutonium

„Supergradní“ štěpné palivo, které má menší radioaktivitu, se používá v primární fázi jaderných zbraní amerického námořnictva místo konvenčního plutonia používaného ve verzích letectva. „Supergrade“ je průmyslová řeč pro slitinu plutonia nesoucí výjimečně vysoký podíl 239 Pu (> 95%), takže zůstává velmi nízké množství 240 Pu, což je izotop s vysokým spontánním štěpením (viz výše). Takové plutonium se vyrábí z palivových tyčí , které byly ozářeny velmi krátkou dobu, měřeno v MW-den / ton vyhoření . Takové nízké doby ozařování omezují množství dalšího záchytu neutronů, a proto se v tyči hromadí alternativní izotopové produkty, jako je 240 Pu, a také je tedy podstatně nákladnější na výrobu, což vyžaduje mnohem více ozářených tyčinek a jejich zpracování pro dané množství plutonia .

Plutonium-240 je kromě toho, že je po štěpení neutronovým emitorem, také emitorem gama , a je tedy zodpovědný za velkou část záření ze skladovaných jaderných zbraní. Ať už jsou na hlídce nebo v přístavu, členové posádky ponorky běžně žijí a pracují ve velmi těsné blízkosti jaderných zbraní uložených v torpédových místnostech a raketometech , na rozdíl od raket letectva, kde jsou expozice relativně krátké. Potřeba snížit radiační zátěž ospravedlňuje dodatečné náklady na prvotřídní supergradní slitinu používanou u mnoha námořních jaderných zbraní. Supergradní plutonium se používá v hlavicích W80 .

V jaderných reaktorech

V jakémkoli provozovaném jaderném reaktoru obsahujícím 238 U se v jaderném palivu hromadí část plutonia 239. Na rozdíl od reaktorů používaných k výrobě plutonia se zbraněmi komerční jaderné energetické reaktory obvykle pracují při vysokém spálení, které umožňuje hromadění významného množství plutonia v ozářeném palivu reaktoru. Plutonium-239 bude přítomno jak v aktivní zóně reaktoru, tak ve vyhořelém jaderném palivu, které bylo z reaktoru odstraněno na konci životnosti palivové kazety (obvykle několik let). Vyhořelé jaderné palivo běžně obsahuje asi 0,8% plutonia 239.

Plutonium-239 přítomné v palivu reaktoru může absorbovat neutrony a štěpení stejně jako uran-235. Jelikož se plutonium-239 neustále vytváří v aktivní zóně reaktoru během provozu, může dojít k použití plutonia-239 jako jaderného paliva v elektrárnách bez přepracování vyhořelého paliva ; plutonium-239 je štěpeno ve stejných palivových tyčích, ve kterých se vyrábí. Štěpení plutonia 239 poskytuje více než třetinu celkové energie vyrobené v typické komerční jaderné elektrárně. Palivo reaktoru by se během své životnosti akumulovalo mnohem více než 0,8% plutonia 239, pokud by určité plutonium 239 nebylo neustále „vypalováno“ štěpením.

Malé procento plutonia 239 lze záměrně přidat do čerstvého jaderného paliva. Takové palivo se nazývá palivo MOX (směsný oxid) , protože obsahuje směs oxidu uraničitého (UO 2 ) a oxidu plutoničitého (PuO 2 ). Přidání plutonia 239 snižuje potřebu obohacení uranu v palivu.

Nebezpečí

Plutonium-239 emituje částice alfa, aby se z nich stal uran-235 . Jako zářič alfa není plutonium-239 nijak zvlášť nebezpečný jako externí zdroj záření, ale pokud je požit nebo vdechnut jako prach, je velmi nebezpečný a karcinogenní . Odhaduje se, že libra (454 gramů) plutonia inhalovaného jako prach z oxidu plutonia může způsobit rakovinu dvěma milionům lidí. Požité plutonium je však mnohem méně nebezpečné, protože pouze malá část je absorbována v gastrointestinálním traktu. Je nepravděpodobné, že by 800 mg způsobilo velké zdravotní riziko, pokud jde o záření. Jako těžký kov je plutonium také toxické. Viz také # Plutonium # Preventivní opatření .

Plutonium třídy zbraní (s více než 90% 239 Pu) se používá k výrobě jaderných zbraní a má pro tento účel mnoho výhod oproti ostatním štěpným materiálům. Nižší proporce 239 Pu by znesnadnily nebo znemožnily spolehlivý design zbraně; je to způsobeno spontánním štěpením (a tedy produkcí neutronů) nežádoucích 240 Pu.

Viz také

Reference

externí odkazy


Zapalovač:
plutonium-238
Plutonium-239 je
izotop z plutonia
Těžší:
plutonium-240
Produkt rozkladu :
curium-243 ( α )
americium-239 ( EC )
neptunium-239 ( β- )
Řetěz rozpadu
plutonia-239
Rozkládá se na:
uran-235 (α)