Плутоний-239

Плутоний-239, ²³⁹ Pu
Общий
Кольцо плутония чистотой 99,96%
Символ	²³⁹ Pu
Имена	плутоний-239, Pu-239
Протоны	94
Нейтронов	145
Данные о нуклидах
Период полураспада	24 110 лет
Родительские изотопы	²⁴³ Cm ( α ) ²³⁹ Am ( EC ) ²³⁹ Np ( β ^- )
Продукты распада	²³⁵ U
Изотопная масса	239.0521634 u
Вращение	+ ¹ / ₂
Режимы распада
Режим распада	Энергия распада ( МэВ )
Альфа-распад	5,156
Изотопы плутония Полная таблица нуклидов

Плутоний-239 ( ²³⁹ Pu, Pu-239) представляет собой изотоп из плутония . Плутоний-239 - это первичный делящийся изотоп, используемый для производства ядерного оружия , хотя уран-235 также использовался. Плутоний-239 также является одним из трех основных изотопов, которые , наряду с ураном-235 и ураном-233, могут использоваться в качестве топлива в ядерных реакторах с тепловым спектром . Плутоний-239 имеет период полураспада 24 110 лет. ^[1]

Ядерные свойства [ править ]

Ядерные свойства плутония-239, а также способность производить большие количества почти чистого ²³⁹ Pu дешевле, чем высокообогащенный оружейный уран-235, привели к его использованию в ядерном оружии и на атомных электростанциях . При делении атома урана-235 в реакторе атомной электростанции образуется от двух до трех нейтронов, и эти нейтроны могут быть поглощены ураном-238 с образованием плутония-239 и других изотопов . Плутоний-239 может также поглощать нейтроны и деление вместе с ураном-235 в реакторе.

Из всех обычных ядерных топлив ²³⁹ Pu имеет наименьшую критическую массу . Критическая масса сферической формы без демпфирования составляет около 11 кг (24,2 фунта), ^[2] 10,2 см (4 дюйма) в диаметре. Используя соответствующие триггеры, отражатели нейтронов, геометрию имплозии и тамперы, эту критическую массу можно уменьшить более чем в два раза. Оптимизация обычно требует наличия крупной организации по развитию ядерной энергетики, поддерживаемой суверенным государством .

При делении одного атома ²³⁹ Pu генерируется 207,1 МэВ = 3,318 × 10 ^-11 Дж, то есть 19,98 ТДж / моль = 83,61 ТДж / кг ^[3] или около 23 222 915 киловатт-часов / кг.

источник излучения (тепловое деление ²³⁹ Pu)	средняя выделяемая энергия [МэВ] ^[3]
Кинетическая энергия осколков деления	175,8
Кинетическая энергия мгновенных нейтронов	5.9
Энергия, переносимая стремительными 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 распадающихся продуктов деления	17,6
Энергия, выделяемая при радиационном захвате мгновенных нейтронов	11,5
Общее количество тепла, выделяемого в реакторе теплового спектра (антинейтрино не вносят вклад)	211,5

Производство [ править ]

Плутоний производится из урана-238 . ²³⁹ Pu обычно создается в ядерных реакторах путем трансмутации отдельных атомов одного из изотопов урана, присутствующего в топливных стержнях. Иногда, когда атом ²³⁸ U подвергается воздействию нейтронного излучения , его ядро будет захватывать нейтрон , изменяя его 239 U . Это происходит легче при более низкой кинетической энергии (поскольку активация деления ²³⁸ U составляет 6,6 МэВ). ²³⁹ U затем быстро претерпевает два бета - распадов - испускание на электрон и антинейтрино ( ${\ displaystyle {\ bar {\ nu}} _ {e}}$ ), В результате чего протона - первые бета ^- распад преобразование ²³⁹ U в нептуний-239 , а вторая бета ^- распад , преобразующий ²³⁹ Np в ²³⁹ Pu:

{\ displaystyle {\ 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} Пу}}}

Активность деления относительно редка, поэтому даже после значительного воздействия ²³⁹ Pu все еще смешан с большим количеством ²³⁸ U (и, возможно, с другими изотопами урана), кислородом, другими компонентами исходного материала и продуктами деления . Только если топливо находится в реакторе в течение нескольких дней, ²³⁹ Pu можно химически отделить от остального материала с получением металлического ²³⁹ Pu высокой чистоты .

²³⁹ Pu имеет более высокую вероятность деления, чем ²³⁵ U, и большее количество нейтронов, образующихся за один акт деления, поэтому он имеет меньшую критическую массу . Чистый ²³⁹ Pu также имеет достаточно низкую скорость испускания нейтронов из-за спонтанного деления (10 делений / с-кг), что делает возможным собрать массу, которая является в высшей степени сверхкритической, до начала цепной реакции детонации .

Однако на практике плутоний, полученный в реакторе, неизменно будет содержать определенное количество 240 Pu из-за тенденции ²³⁹ Pu поглощать дополнительный нейтрон во время производства. ²⁴⁰ Pu имеет высокую скорость спонтанного деления (415 000 делений / с-кг), что делает его нежелательным загрязнителем. В результате плутоний, содержащий значительную долю ²⁴⁰ Pu, не подходит для использования в ядерном оружии; он испускает нейтронное излучение, что затрудняет обращение с ним, и его присутствие может привести к « провалу », в котором происходит небольшой взрыв, разрушающий оружие, но не вызывающий расщепления значительной части топлива. (Однако в современном ядерном оружии используются генераторы нейтронов для инициирования ипри усилении термоядерного синтеза для снабжения дополнительными нейтронами шипение не является проблемой.) Именно из-за этого ограничения оружие на основе плутония должно быть имплозионным, а не пушечным. Кроме того, ²³⁹ Pu и ²⁴⁰ Pu нельзя различить химически, поэтому для их разделения потребовалось бы дорогостоящее и сложное разделение изотопов . Плутоний оружейного качества определяется как содержащий не более 7% ²⁴⁰ Pu; это достигается за счет воздействия нейтронных источников на ²³⁸ U только в течение коротких периодов времени, чтобы минимизировать производство ²⁴⁰ Pu.

Плутоний классифицируется по процентному содержанию загрязняющего плутония-240, который он содержит:

Высшее качество 2–3%
Оружие класса 3–7%
Марка топлива 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 ²³⁸ U и для частой замены облученного ²³⁸ U новым ²³⁸ U. Реактор, работающий на необогащенном или умеренно обогащенном уране, содержит большое количество ²³⁸ U. Однако большинство конструкций коммерческих ядерных энергетических реакторов требуют остановки всего реактора, часто на несколько недель, для замены тепловыделяющих элементов. Поэтому они производят плутоний в виде смеси изотопов, которая не подходит для создания оружия. К такому реактору можно было добавить оборудование, которое позволило бы ²³⁸U-образные пробки должны быть размещены рядом с активной зоной и часто заменяться, или ее можно часто отключать, 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 остановов, и они могут представлять опасность распространения. (Фактически, РБМК был построен Советским Союзом во время холодной войны, поэтому, несмотря на их якобы мирное предназначение, вполне вероятно, что критерием проектирования было производство плутония.) Напротив, канадский двигатель CANDU с тяжелой водой с замедлителем из природного урана работалреактор также можно дозаправлять во время работы , но он обычно потребляет большую часть ²³⁹ Pu, который он производит на месте; таким образом, он не только по своей природе менее распространен, чем большинство реакторов, но может даже работать как «установка для сжигания актинидов». ^[4] Американский IFR (интегральный быстрый реактор) также может работать в «режиме сжигания», имея некоторые преимущества в том, что не накапливает изотоп плутония-242 или долгоживущие актиниды., которые нельзя легко сжечь, кроме как в быстром реакторе. Кроме того, топливо IFR содержит высокую долю выгорающих 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 реакторах для производства плутония, называемых реакторами-размножителями, потому что 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) 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 , то есть увеличения отношения ²³⁵ U к ²³⁸ U к оружию , обычно является более длительным и дорогостоящим процессом, чем производство плутония-239 из ²³⁸ U и последующая переработка .

Плутоний высшего качества [ править ]

«Сверхсортное» топливо деления, которое имеет меньшую радиоактивность, используется в начальной стадии ядерного оружия ВМС США вместо обычного плутония, используемого в версиях ВВС. «Сверхвысокий» - это промышленный термин для плутониевого сплава, содержащего исключительно высокую долю ²³⁹ Pu (> 95%), при этом остается очень небольшое количество ²⁴⁰ Pu, который является изотопом с высоким уровнем спонтанного деления (см. Выше). Такой плутоний производится из топливных стержней , которые были облучены за очень короткое время, что измеряется в МВт-сут / тонна выгорания . Такое малое время облучения ограничивает количество дополнительного захвата нейтронов.и, следовательно, накопление альтернативных изотопных продуктов, таких как ²⁴⁰ Pu, в стержне, а также, как следствие, значительно более дорого в производстве, требуя гораздо большего количества стержней, облученных и обработанных для данного количества плутония.

Плутоний-240, помимо того, что является излучателем нейтронов после деления, является излучателем гамма-излучения и, таким образом, отвечает за большую часть излучения от хранимого ядерного оружия. Во время патрулирования или в порту члены экипажей подводных лодок обычно живут и работают в непосредственной близости от ядерного оружия, хранящегося в торпедных помещениях и ракетных аппаратах, в отличие от ракет ВВС, где воздействие на них относительно непродолжительное. Необходимость снижения радиационного облучения оправдывает дополнительные затраты на премиальный сплав высшего качества, используемый во многих морских ядерных вооружениях. В боеголовках W80 используется сверхсильный плутоний .

В ядерных энергетических реакторах [ править ]

В любом действующем ядерном реакторе, содержащем ²³⁸ U, 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 с высоким выгоранием, которое позволяет значительному количеству плутония накапливаться в облученном топливе реактора. Плутоний-239 будет присутствовать как в активной зоне реактора во время работы, так и в отработавшем ядерном топливе , которое было удалено из реактора по истечении срока службы топливной 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. ^{[6] 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 (смешанное оксидное) , поскольку оно содержит смесь оксида урана (UO ₂ ) и диоксида плутония (PuO ₂ ). Добавление плутония-239 снижает потребность в обогащении урана в топливе.

Опасности [ править ]

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 канцерогенен . Было подсчитано, что фунт (454 грамма) плутония, вдыхаемый в виде пыли оксида плутония, может вызвать рак у двух миллионов человек. ^[7] Однако проглоченный плутоний гораздо менее опасен, так как лишь малая его часть всасывается в желудочно-кишечном тракте. ^[8]^[9] 800 мг вряд ли вызовут серьезный риск для здоровья в том, что касается радиации. ^[7] Как тяжелый металл , плутоний также токсичен. Смотрите такжеПлутоний # Меры предосторожности .

Оружейный плутоний (с более чем 90% ²³⁹ Pu) используются для создания ядерного оружия и имеет много преимуществ перед другими расщепляющимися материалами для этой цели. Более низкие пропорции ²³⁹ Pu сделали бы создание надежного оружия трудным или невозможным; это происходит из-за спонтанного деления (и, следовательно, образования нейтронов) нежелательного ²⁴⁰ Pu.

См. Также [ править ]

Дизайн Теллера-Улама

Ссылки [ править ]

^ "Физические, ядерные и химические свойства плутония" . Институт энергетики и экологических исследований . Проверено 20 ноября 2015 года .
^ FAS ядерного оружия Design FAQ архивация 26 декабря 2008, в Wayback Machine , Accessed 2010-9-2
^ a b «Таблица физических и химических констант, раздел 4.7.1: Деление ядер» . Kaye & Laby Online. Архивировано из оригинала на 2010-03-05 . Проверено 1 февраля 2009 .
↑ Whitlock, 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, ионизирующие излучения и ядерная энергия . Брно: Конвой. п. 102. ISBN 80-7302-053-X.
^ "Информационный документ 15: Плутоний" . Всемирная ядерная ассоциация . Дата обращения 15 июля 2020 .
^ a b Коэн, Бернард Л. (1990). «Глава 13, Плутоний и бомбы» . Вариант с ядерной энергией . Пленум Пресс. ISBN 978-0306435676.
^ Коэн, Бернард Л. (1990). «Глава 11, ОПАСНОСТЬ ВЫСОКОРАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ - ВЕЛИКИЙ МИФ» . Вариант с ядерной энергией . Пленум Пресс. ISBN 978-0306435676.
^ Эмсли, Джон (2001). «Плутоний» . Природа Строительные блоки: A-Z Руководство по элементам . Оксфорд (Великобритания): Издательство Оксфордского университета. п. 324-329. ISBN 0-19-850340-7.

Внешние ссылки [ править ]

Банк данных опасных веществ NLM - радиоактивный плутоний
Таблица нуклидов с данными 239 Pu в Kaye и Laby Online
Период полураспада плутония-239

Зажигалка: плутоний-238	Плутоний-239 является изотопом из плутония	Тяжелее: плутоний-240
Продукт распада : кюрий-243 ( α ) америций-239 ( EC ) нептуний-239 ( β- )	Цепочка распада плутония-239	Распадается на: уран-235 (α)

[1] "Физические, ядерные и химические свойства плутония" . Институт энергетики и экологических исследований . Проверено 20 ноября 2015 года .

[2] FAS ядерного оружия Design FAQ архивация 26 декабря 2008, в Wayback Machine , Accessed 2010-9-2

[kayelaby-3] «Таблица физических и химических констант, раздел 4.7.1: Деление ядер» . Kaye & Laby Online. Архивировано из оригинала на 2010-03-05 . Проверено 1 февраля 2009 .

[4] Whitlock, 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, ионизирующие излучения и ядерная энергия . Брно: Конвой. п. 102. ISBN 80-7302-053-X.

[6] "Информационный документ 15: Плутоний" . Всемирная ядерная ассоциация . Дата обращения 15 июля 2020 .

[tno_chapter13-7] Коэн, Бернард Л. (1990). «Глава 13, Плутоний и бомбы» . Вариант с ядерной энергией . Пленум Пресс. ISBN 978-0306435676.

[8] Коэн, Бернард Л. (1990). «Глава 11, ОПАСНОСТЬ ВЫСОКОРАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ - ВЕЛИКИЙ МИФ» . Вариант с ядерной энергией . Пленум Пресс. ISBN 978-0306435676.

[Emsley2001-9] Эмсли, Джон (2001). «Плутоний» . Природа Строительные блоки: A-Z Руководство по элементам . Оксфорд (Великобритания): Издательство Оксфордского университета. п. 324-329. ISBN 0-19-850340-7.

[1]