Плутоний-239

Плутоний-239, ²³⁹Мог
	Кольцо плутония чистотой 99,96%.
Общий
Символ	239 Мог
Имена	плутоний-239, 239Pu, Pu-239
Протоны ( С )	94
Нейтроны ( Н )	145
Данные о нуклидах
Период полураспада ( т 1/2 )	24 110 лет
масса изотопа	239.0521634 Да
Вращаться	+ 1 ⁄ 2
Родительские изотопы	243 См ( а ) ; 239 Am ( ЕС ) ; 239 Np ( β − )
Продукты распада	235 В
Режимы затухания
Режим затухания	Энергия распада ( МэВ )
Альфа-распад	5.156
	Изотопы плутония ; Полная таблица нуклидов

Плутоний-239 ( ²³⁹Pu или -239 ) — изотоп плутония Pu . Плутоний-239 является основным делящимся изотопом, используемым для производства ядерного оружия , хотя уран-235 для этой цели также используется . Плутоний-239 также является одним из трех основных изотопов, которые можно использовать в качестве топлива в ядерных реакторах теплового спектра , наряду с ураном-235 и ураном-233 . плутония-239 Период полураспада составляет 24 110 лет. ^{[ 1 ]}

Ядерные свойства

Ядерные свойства плутония-239, а также способность производить большие количества практически чистого ²³⁹Более дешевая цена Pu, чем высокообогащенный оружейный уран-235, привела к его использованию в ядерном оружии и на атомных электростанциях. При делении атома урана-235 в реакторе атомной электростанции образуется два-три нейтрона, и эти нейтроны могут быть поглощены ураном-238 с образованием плутония-239 и других изотопов. Плутоний-239 также может поглощать нейтроны и расщепляться вместе с ураном-235 в реакторе.

Из всех распространенных видов ядерного топлива ²³⁹Pu имеет наименьшую критическую массу . Сферическая критическая масса без уплотнений составляет около 11 кг (24,2 фунта). ^{[ 2 ]} Диаметр 10,2 см (4 дюйма). При использовании соответствующих триггеров, отражателей нейтронов, геометрии имплозии и тамперов критическая масса может быть меньше половины этого значения.

Деление одного атома ²³⁹Pu генерирует 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.

источник излучения (тепловое деление ²³⁹Мог)	средняя высвободившаяся энергия [МэВ] ^{[ 3 ]}
Кинетическая энергия осколков деления	175.8
Кинетическая энергия мгновенных нейтронов	5.9
Энергия, переносимая мгновенными γ-лучами	7.8
Полная мгновенная энергия	189.5
Энергия β− частиц	5.3
Энергия антинейтрино	7.1
Энергия запаздывающих γ-лучей	5.2
Всего от распада продуктов деления	17.6
Энергия, выделяющаяся при радиационном захвате мгновенных нейтронов	11.5
Общее количество тепла, выделяющегося в реакторе теплового спектра (антинейтрино не вносят вклада)	211.5

Производство

Плутоний производится из урана-238 . ²³⁹Pu обычно создается в ядерных реакторах путем трансмутации отдельных атомов одного из изотопов урана, присутствующего в топливных стержнях. Иногда, когда атом ²³⁸U подвергается воздействию нейтронного излучения , его ядро захватывает нейтрон , превращая его в ²³⁹У. Это происходит чаще при более низкой кинетической энергии (поскольку ²³⁸Активация деления U составляет 6,6 МэВ). ²³⁹Затем U быстро претерпевает два β ⁻ распад — испускание электрона и антинейтрино ( ${\bar {\nu }}_{e}$ ), оставив в ядре протон — первый β ⁻ распад, трансформирующий ²³⁹U в нептуний-239 , а второй β ⁻ распад, трансформирующий ²³⁹Нп в ²³⁹Мог:

{\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}Pu}}

Активность деления относительно редка, поэтому даже после значительного облучения ²³⁹Пу все еще смешан с большим количеством ²³⁸U (и, возможно, другие изотопы урана), кислород, другие компоненты исходного материала и продукты деления . Только если топливо находилось в реакторе в течение нескольких дней, ²³⁹Pu должен быть химически отделен от остального материала для получения высокой чистоты. ²³⁹Пу металл.

²³⁹Pu имеет более высокую вероятность деления, чем ²³⁵U и большее количество нейтронов, образующихся за один акт деления, поэтому он имеет меньшую критическую массу. Чистый ²³⁹Pu также имеет достаточно низкую скорость эмиссии нейтронов из-за спонтанного деления (10 делений/с·кг), что позволяет собрать массу, которая имеет очень высокий сверхкритический уровень, прежде чем начнется цепная реакция детонации .

Однако на практике плутоний, полученный в реакторе, всегда будет содержать определенное количество ²⁴⁰Pu из-за тенденции ²³⁹Pu для поглощения дополнительного нейтрона во время производства. ²⁴⁰Pu имеет высокую частоту спонтанного деления (415 000 делений/с-кг), что делает его нежелательным загрязнителем. В результате плутоний, содержащий значительную долю ²⁴⁰Пу не очень пригоден для использования в ядерном оружии; он испускает нейтронное излучение, что затрудняет обращение, а его присутствие может привести к « шипению », при котором происходит небольшой взрыв, разрушающий оружие, но не вызывающий деления значительной части топлива. Именно из-за этого ограничения оружие на основе плутония должно быть имплозивного, а не пушечного типа. Более того, ²³⁹Пу и ²⁴⁰Pu невозможно отличить химически, поэтому дорогостоящее и сложное разделение изотопов для их разделения потребуется . Плутоний оружейного качества определяется как содержащий не более 7%. ²⁴⁰Пу; это достигается только за счет раскрытия ²³⁸U к источникам нейтронов на короткие периоды времени, чтобы минимизировать ²⁴⁰Пу произведено.

Плутоний классифицируется в зависимости от содержания в нем загрязняющего плутония-240:

Суперкласс 2–3%
Оружие ранга 3–7%
Марка топлива 7–18%
Реакторная марка 18% и более

Поэтому ядерный реактор, который используется для производства оружейного плутония, обычно имеет средства для облучения. ²³⁸U к нейтронному излучению и для частой замены облученных ²³⁸Ты с новым ²³⁸U. Реактор, работающий на необогащенном или умеренно обогащенном уране, содержит большое количество ²³⁸U. Однако большинство проектов коммерческих ядерных энергетических реакторов требуют остановки всего реактора, часто на несколько недель, для замены топливных элементов. Поэтому они производят плутоний в смеси изотопов, которая не очень подходит для создания оружия. К такому реактору можно было бы добавить оборудование, которое позволило бы ²³⁸U-снаряды должны быть размещены рядом с активной зоной и часто заменяться, или их можно часто отключать, поэтому распространение вызывает беспокойство; по этой причине Международное агентство по атомной энергии часто инспектирует лицензированные реакторы. Некоторые конструкции коммерческих энергетических реакторов, такие как реактор большой мощности канальный ( РБМК ) и тяжеловодный реактор под давлением ( PHWR ), допускают перегрузку топлива без остановок и могут представлять риск распространения. Напротив, канадский CANDU , работающий на природном урановом топливе, также может дозаправляться во время работы, но обычно он потребляет большую часть топлива. тяжеловодный реактор ²³⁹Pu он производит на месте; таким образом, он не только по своей сути менее пролиферативен, чем большинство реакторов, но и может даже работать как « актинидный мусоросжигатель ». ^{[ 4 ]} Американский IFR (Интегральный быстрый реактор) также может работать в режиме сжигания, имея некоторые преимущества, заключающиеся в отсутствии накопления изотопа плутония-242 или долгоживущих актинидов , которые невозможно легко сжечь, кроме как в быстром реакторе. Кроме того, топливо IFR имеет высокую долю горючих изотопов, тогда как в CANDU для разбавления топлива необходим инертный материал; это означает, что IFR может сжечь более высокую долю топлива, прежде чем потребуется переработка. Большая часть плутония производится в исследовательских реакторах или реакторах по производству 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 их используют только для производства плутония. Реакторы-размножители обычно (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, 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 коэффициента ²³⁵Ты, чтобы ²³⁸Превращение в оружейный сорт, как правило, является более длительным и дорогостоящим процессом, чем производство плутония-239 из ²³⁸U и последующую переработку.

Суперсортный плутоний

«Суперклассное» ядерное топливо, имеющее меньшую радиоактивность, используется на первой ступени ядерного оружия ВМС США вместо обычного плутония, используемого в версиях ВВС. «Суперкласс» — это промышленный жаргон для обозначения плутониевого сплава, содержащего исключительно высокую долю ²³⁹Pu (>95%), оставляя очень небольшое количество ²⁴⁰Pu — изотоп с высоким уровнем спонтанного деления (см. выше). Такой плутоний производится из топливных стержней, которые подвергались облучению в течение очень короткого времени, измеряемого в МВт-сутках/тонну выгорания . Такое малое время облучения ограничивает количество дополнительного захвата нейтронов и, следовательно, накопление альтернативных изотопных продуктов, таких как ²⁴⁰Pu в стержне, и, как следствие, его производство значительно дороже, поскольку для получения данного количества плутония требуется гораздо больше облученных и переработанных стержней.

Плутоний-240, помимо того, что он является излучателем нейтронов после деления, является излучателем гамма- излучения и, следовательно, отвечает за большую часть излучения хранящегося ядерного оружия. Будь то патрулирование или порт, 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, воздействие которых относительно кратковременно. Необходимость снизить радиационное воздействие оправдывает дополнительные затраты на сплав премиум-класса, используемый во многих морских ядерных вооружениях. Суперклассный плутоний используется в боеголовках W80 .

В ядерных энергетических реакторах

В любом действующем ядерном реакторе, содержащем ²³⁸Ну, 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 эксплуатации, так и в отработавшем ядерном топливе , вывезенном из реактора по окончании срока службы ТВС (обычно несколько лет). Отработанное ядерное топливо обычно содержит около 0,8% плутония-239.

Плутоний-239, присутствующий в реакторном топливе, может поглощать нейтроны и расщепляться так же, как это может делать уран-235. Поскольку плутоний-239 постоянно образуется в активной зоне реактора в процессе 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 трети всей энергии, производимой на типичной коммерческой атомной электростанции. ^{[ 6 ]} Реакторное топливо накапливало бы гораздо более 0,8% плутония-239 в течение срока службы, если бы некоторое количество плутония-239 не «сгорало» постоянно в результате деления.

Небольшой процент плутония-239 можно намеренно добавлять в свежее ядерное топливо. Такое топливо называется МОХ-топливом (смешанное оксидное) , так как оно содержит смесь диоксида урана (UO ₂ ) и диоксида плутония (PuO ₂ ). Добавление плутония-239 снижает необходимость обогащения урана в топливе.

Опасности

Плутоний-239 испускает альфа-частицы и превращается в уран-235. Как альфа-излучатель плутоний-239 не особенно опасен в качестве внешнего источника радиации, но при проглатывании или вдыхании в виде пыли он очень опасен и канцерогенен . Подсчитано, что фунт (454 грамма) плутония, вдыхаемый в виде пыли оксида плутония, может вызвать рак у двух миллионов человек. ^{[ 7 ]} Однако проглатываемый плутоний гораздо менее опасен, поскольку лишь незначительная его 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 Плутоний#Меры предосторожности .

Плутоний оружейного качества (с содержанием более 90%) ²³⁹Pu) используется для изготовления ядерного оружия и имеет для этой цели множество преимуществ перед другими расщепляющимися материалами. Более низкие доли ²³⁹Пу сделал бы затруднительным или невозможным создание надежного оружия; это происходит из-за спонтанного деления (и, следовательно, образования нейтронов) нежелательного вещества. ²⁴⁰Мог.

См. также

Дизайн Теллера-Улама

Ссылки

^ «Физические, ядерные и химические свойства плутония» . Институт энергетических и экологических исследований . Проверено 20 ноября 2015 г.
↑ Часто задаваемые вопросы ФАС по проектированию ядерного оружия. Архивировано 26 декабря 2008 г., на Wayback Machine , по состоянию на 2 сентября 2010 г.
^ Перейти обратно: ^а ^б «Таблица физических и химических констант, раздел 4.7.1: Деление ядра» . Кэй и Лаби Онлайн. Архивировано из оригинала 5 марта 2010 г. Проверено 1 февраля 2009 г.
^ Уитлок, Джереми Дж. (14 апреля 2000 г.). «Эволюция топливных циклов CANDU и их потенциальный вклад в мир во всем мире» .
^ Хала, Иржи; Навратил, Джеймс Д. (2003). Радиоактивность, ионизирующая радиация и ядерная энергия . Брно: Конвой. п. 102. ИСБН 80-7302-053-Х .
^ «Информационный документ 15: Плутоний» . Всемирная ядерная ассоциация. Архивировано из оригинала 30 марта 2010 года . Проверено 15 июля 2020 г.
^ Перейти обратно: ^а ^б Коэн, Бернард Л. (1990). «Глава 13. Плутоний и бомбы» . Вариант ядерной энергетики . Пленум Пресс. ISBN 978-0-306-43567-6 .
^ Коэн, Бернард Л. (1990). «Глава 11. ОПАСНОСТЬ ВЫСОКОАКТИВНЫХ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ — ВЕЛИКИЙ МИФ» . Вариант ядерной энергетики . Пленум Пресс. ISBN 978-0-306-43567-6 .
^ Эмсли, Джон (2001). «Плутоний» . Строительные блоки природы: Путеводитель по элементам от А до Я. Оксфорд (Великобритания): Издательство Оксфордского университета. стр. 324–329. ISBN 0-19-850340-7 .

Внешние ссылки

Зажигалка: плутоний-238	Плутоний-239 – это изотоп плутония	Тяжелее: плутоний-240
Продукт распада : суд-243 ( α ) америций-239 ( EC ) нептуний-239 ( β ⁻)	Цепь распада плутония-239	Разлагается до: уран-235 (α)

[1] «Физические, ядерные и химические свойства плутония» . Институт энергетических и экологических исследований . Проверено 20 ноября 2015 г.

[2] Часто задаваемые вопросы ФАС по проектированию ядерного оружия. Архивировано 26 декабря 2008 г., на Wayback Machine , по состоянию на 2 сентября 2010 г.

[kayelaby-3] Перейти обратно: ^а ^б «Таблица физических и химических констант, раздел 4.7.1: Деление ядра» . Кэй и Лаби Онлайн. Архивировано из оригинала 5 марта 2010 г. Проверено 1 февраля 2009 г.

[4] Уитлок, Джереми Дж. (14 апреля 2000 г.). «Эволюция топливных циклов CANDU и их потенциальный вклад в мир во всем мире» .

[5] Хала, Иржи; Навратил, Джеймс Д. (2003). Радиоактивность, ионизирующая радиация и ядерная энергия . Брно: Конвой. п. 102. ИСБН 80-7302-053-Х .

[6] «Информационный документ 15: Плутоний» . Всемирная ядерная ассоциация. Архивировано из оригинала 30 марта 2010 года . Проверено 15 июля 2020 г.

[tno_chapter13-7] Перейти обратно: ^а ^б Коэн, Бернард Л. (1990). «Глава 13. Плутоний и бомбы» . Вариант ядерной энергетики . Пленум Пресс. ISBN 978-0-306-43567-6 .

[8] Коэн, Бернард Л. (1990). «Глава 11. ОПАСНОСТЬ ВЫСОКОАКТИВНЫХ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ — ВЕЛИКИЙ МИФ» . Вариант ядерной энергетики . Пленум Пресс. ISBN 978-0-306-43567-6 .

[Emsley2001-9] Эмсли, Джон (2001). «Плутоний» . Строительные блоки природы: Путеводитель по элементам от А до Я. Оксфорд (Великобритания): Издательство Оксфордского университета. стр. 324–329. ISBN 0-19-850340-7 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]