Процесс фосфата висмута
Висмут -фосфатный процесс использовался для извлечения плутония из облученного урана, взятого из ядерных реакторов . [1] [2] Он был разработан во время Второй мировой войны Стэнли Г. Томпсоном , химиком, работавшим в Манхэттенском проекте Беркли Калифорнийского университета в . Этот процесс использовался для производства плутония на Хэнфордской площадке . Плутоний использовался в атомной бомбе , которая применялась при атомной бомбардировке Нагасаки в августе 1945 года. В 1950-х годах этот процесс был заменен процессами REDOX и PUREX .
Предыстория [ править ]
Во время Второй мировой войны Союзный предпринял попытку Манхэттенский проект разработать первые атомные бомбы . [3] Одним из методов было создание бомбы с использованием плутония , который впервые был получен путем дейтронами бомбардировки урана на 60-дюймовом (150 см) циклотроне в радиационной лаборатории Беркли в Калифорнийского университета Беркли . Он был выделен 14 декабря 1940 года и химически идентифицирован 23 февраля 1941 года Гленном Т. Сиборгом , Эдвином Макмилланом , Джозефом В. Кеннеди и Артуром Уолем . [4] Считалось, что плутоний-239 будет расщепляться , как уран-235 , и пригоден для использования в атомной бомбе. [5]
Плутоний можно было получить путем облучения урана-238 в ядерном реакторе , хотя его еще никто не построил. [6] Это не была проблема химиков Манхэттенского проекта; их задачей было разработать крупномасштабный процесс разделения продуктов деления , некоторые из которых были опасно радиоактивными; уран, химия которого была мало известна; и плутоний, химия которого почти ничего не была известна и который поначалу был доступен только в микроскопических количествах. [7]
Были использованы четыре метода разделения. Сиборг выполнил первое успешное разделение весового количества плутония в августе 1942 года, используя процесс с участием фторида лантана . [7] Исадор Перлман и Уильям Дж. Нокс-младший изучили разделение пероксидов, поскольку большинство элементов образуют растворимые пероксиды в нейтральном или кислом растворе. Вскоре они обнаружили, что плутоний является исключением. После долгих экспериментов они обнаружили, что можно осаждать его, добавляя перекись водорода к разбавленному раствору нитрата уранила . Затем им удалось запустить процесс, но в результате образовались тонны осадка, в то время как процесс с фторидом лантана давал бы килограммы. [8]
Джон Э. Уиллард попробовал альтернативный подход, основанный на том факте, что некоторые силикаты поглощают плутоний легче, чем другие элементы; Было обнаружено, что это работает, но с низкой эффективностью. Теодор Т. Магель и Дэниел К. Кошланд-младший исследовали процессы экстракции растворителем, а Харрисон Браун и Орвилл Ф. Хилл экспериментировали с разделением с использованием реакций летучести, основанных на том, как уран может легко улетучиваться под действием фтора . [8] Они и другие химики из радиационной лаборатории Манхэттенского проекта в Калифорнийском университете, металлургической лаборатории в Чикагском университете и лаборатории Эймса в колледже штата Айова исследовали химию плутония. [9] Важнейшим открытием стало то, что плутоний имел две степени окисления: четырехвалентное (+4) и шестивалентное (+6) состояние с разными химическими свойствами. [10]
Процесс с фторидом лантана стал предпочтительным методом для использования на полуфабриках по выделению плутония Манхэттенского проекта на заводе Clinton Engineer Works и на производственных объектах на площадке в Хэнфорде, но дальнейшая работа с этим процессом выявила трудности. [11] Требовалось большое количество фтористого водорода , который разъедал оборудование, и Чарльз М. Купер из DuPont , который должен был отвечать за проектирование и строительство объектов, начал испытывать проблемы со стабилизацией плутония в его шестивалентном состоянии во фторидном растворе. Были также трудности с извлечением осадка путем фильтрации или центрифугирования . [8]
Пока инженеры-химики работали над этими проблемами, Сиборг попросил Стэнли Дж. Томпсона , коллегу из Беркли, взглянуть на возможность фосфатного процесса. Было известно, что фосфаты многих тяжелых металлов нерастворимы в растворах кислот. пробовал фосфаты тория , урана, церия , ниобия и циркония Томпсон безуспешно . Он не ожидал, что фосфат висмута ( BiPO
4 ) работал лучше, но когда он попробовал его 19 декабря 1942 года, он был удивлен, обнаружив, что он содержал 98 процентов плутония в растворе. [12] Фосфат висмута по своей кристаллической структуре был подобен фосфату плутония, и это стало известно как процесс фосфата висмута. [13] [14] Купер и Беррис Б. Каннингем смогли повторить результаты Томпсона, и процесс с фосфатом висмута был принят в качестве запасного варианта на случай, если фторид лантана не удастся заставить работать. Процессы были аналогичными, и оборудование, используемое для фторида лантана, можно было адаптировать для использования с процессом Томпсона с фосфатом висмута. [12] В мае 1943 года инженеры DuPont решили внедрить процесс фосфата висмута для использования на полузаводах в Клинтоне и на производственной площадке в Хэнфорде. [11]
Процесс [ править ]
Процесс фосфата висмута включал в себя взятие облученных урановых топливных заготовок и удаление их алюминиевой оболочки. Поскольку внутри находились высокорадиоактивные продукты деления, это пришлось делать дистанционно, за толстым бетонным барьером. [15] Это было сделано в «Каньонах» (зданиях B и T) в Хэнфорде. Слизни помещали в растворитель, заливали раствором нитрата натрия и доводили до кипения, после чего медленно добавляли гидроксид натрия . После удаления отходов и промывки слизней три порции азотной кислоты . для растворения слизней использовали [16] [17]
Вторым шагом было отделение плутония от урана и продуктов деления. нитрат висмута и фосфорную кислоту Добавляли , получая фосфат висмута, который выпадал в осадок, унося с собой плутоний. Это было очень похоже на процесс с фторидом лантана, в котором фторид лантана использовался в качестве носителя. [18] Осадок удаляли из раствора центрифугой, а жидкость сливали как отходы. Избавление от продуктов деления снизило гамма-излучение на 90 процентов. Осадок представлял собой содержащий плутоний осадок, который помещали в другой резервуар и растворяли в азотной кислоте. висмутат натрия или перманганат калия . Для окисления плутония добавляли [16] Плутоний будет переноситься фосфатом висмута в четырехвалентном состоянии, но не в шестивалентном. [18] Фосфат висмута затем будет осаждаться как побочный продукт, оставляя плутоний в растворе. [16]
Затем этот шаг был повторен на третьем этапе. Плутоний снова восстановили добавлением сульфата двухвалентного железа . Добавляли нитрат висмута и фосфорную кислоту и выпадал фосфат висмута в осадок. Его растворяли в азотной кислоте и фосфат висмута выпадал в осадок. Этот шаг привел к уменьшению гамма-излучения еще на четыре порядка, так что раствор, содержащий плутоний, теперь содержал 100 000-ю исходного гамма-излучения. Раствор плутония передавался из 221 здания в 224 здания по подземным трубам. На четвертом этапе добавляли фосфорную кислоту, фосфат висмута осаждался и удалялся; Для окисления плутония добавляли перманганат калия. [19]
На этапе «перехода» использовался процесс с фторидом лантана. Снова добавляли соли лантана и фторид водорода и фторид лантана осаждали, а шестивалентный плутоний оставляли в растворе. Это удалило лантаноиды , такие как церий, стронций и лантан , чего не смог сделать фосфат висмута. Плутоний снова восстановили щавелевой кислотой и повторили процесс с фторидом лантана. На этот раз гидроксид калия добавляли для метатезиса раствора . Жидкость удаляли центрифугой, а твердое вещество растворяли в азотной кислоте с образованием нитрата плутония. На этом этапе отправленная партия объемом 330 галлонов США (1200 л) была бы сконцентрирована до 8 галлонов США (30 л). [19]
Заключительный этап проводился в здании 231-З, где перекись водорода, сульфаты и нитрат аммония к раствору добавляли и шестивалентный плутоний осаждали в виде пероксида плутония . Его растворяли в азотной кислоте и помещали в транспортные канистры, которые кипятили на горячем воздухе для получения пасты из нитрата плутония. Каждая банка весила около 1 кг и была отправлена в лабораторию Лос-Аламоса . [19] Поставки осуществлялись в грузовике с двадцатью банками, и первая из них прибыла в Лос-Аламос 2 февраля 1945 года. [20] Плутоний использовался в конструкции бомбы «Толстяк» , испытанной при ядерных испытаниях «Тринити» 16 июля 1945 года и при бомбардировке Нагасаки 9 августа 1945 года. [21]
Вывод из эксплуатации [ править ]
В 1947 году в Хэнфорде начались эксперименты по новому REDOX-процессу с использованием метилизобутилкетона (под кодовым названием гексон) в качестве экстрагента, который был более эффективным. Строительство нового завода REDOX началось в 1949 году, а эксплуатация началась в январе 1952 года, завод B закрылся в том же году. Модернизация завода Т привела к увеличению производительности на 30 процентов, а усовершенствования были внесены на заводе Б. Были планы реактивировать завод B, но новый завод PUREX, открывшийся в январе 1956 года, был настолько эффективным, что завод T был закрыт в марте 1956 года, а от планов реактивации завода B отказались. [22] К 1960 году производительность завода PUREX превысила совокупную производительность заводов B и T и завода REDOX. [23]
Примечания [ править ]
- ^ Патент США 2799553 , Стэнли Г. Томпсон и Гленн Т. Сиборг, «Фосфатный метод разделения радиоактивных элементов».
- ^ Патент США 2785951 , Стэнли Г. Томпсон и Гленн Т. Сиборг, «Метод фосфата висмута для отделения плутония из водных растворов».
- ^ Джонс 1985 , с. VII.
- ^ Сиборг 1981 , стр. 2–4.
- ^ Джонс 1985 , стр. 28–30.
- ^ «Манхэттенский проект: плутониевый путь к бомбе, 1942–1944» . Министерство энергетики США – Управление ресурсов истории и культурного наследия . Проверено 16 апреля 2017 г.
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б «Манхэттенский проект: Сиборг и химия плутония, Met Lab, 1942–1944» . Министерство энергетики США – Управление ресурсов истории и наследия . Проверено 16 апреля 2017 г.
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б с Хьюлетт и Андерсон, 1962 , стр. 182–184.
- ^ Джонс 1985 , с. 193.
- ^ Хьюлетт и Андерсон 1962 , с. 89.
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Джонс 1985 , с. 194.
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Хьюлетт и Андерсон, 1962 , с. 185.
- ^ Гербер 1996 , с. 4-1.
- ^ Сиборг 1981 , с. 11.
- ^ Хьюлетт и Андерсон 1962 , с. 208.
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б с Гербер 1996 , с. 4-6.
- ^ Техническое руководство Hanford Engineer Works, 1944 г. , стр. 436–437.
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б «Процесс Томпсона» . www.bonestamp.com . Архивировано из оригинала 11 мая 2006 года . Проверено 17 апреля 2017 г.
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б с Гербер 1996 , с. 4-7.
- ^ Хьюлетт и Андерсон 1962 , стр. 309–310.
- ^ Хьюлетт и Андерсон 1962 , стр. 375–380, 403–404.
- ^ Гербер 1996 , с. 4-10.
- ^ Гербер 1996 , с. 4-14.
Ссылки [ править ]
- Гербер, Мишель (июнь 1996 г.). История производства плутония на площадке в Хэнфорде: история процессов и объектов (PDF) . Вашингтон, округ Колумбия: Министерство энергетики США. дои : 10.2172/664389 . OCLC 68435718 . HC-MR-0521 . Проверено 17 апреля 2017 г.
- Техническое руководство Hanford Engineer Works (отчет). Ричленд, Вашингтон: Хэнфордский инженерный завод. 1 мая 1944 г. doi : 10.2172/6892962 .
- Хьюлетт, Ричард Г .; Андерсон, Оскар Э. (1962). Новый Свет, 1939–1946 (PDF) . Юниверсити-Парк, Пенсильвания: Издательство Пенсильванского государственного университета. ISBN 0-520-07186-7 . OCLC 637004643 . Проверено 26 марта 2013 г.
- Джонс, Винсент (1985). Манхэттен: Армия и атомная бомба (PDF) . Вашингтон, округ Колумбия: Центр военной истории армии США. OCLC 10913875 . Архивировано из оригинала (PDF) 4 февраля 2017 года . Проверено 25 августа 2013 г.
- Сиборг, Гленн Т. (сентябрь 1981 г.). История плутония . Лаборатория Лоуренса Беркли, Калифорнийский университет. OCLC 4436007756 . LBL-13492, DE82 004551 . Проверено 17 апреля 2017 г.
