Plutonium-239 - Plutonium-239

Plutonium-239,  ²³⁹ Pu

En 99,96% ren ring av plutonium
Generell
Symbol	239 Pu
Navn	plutonium-239, Pu-239
Protoner	94
Nøytroner	145
Nukliddata
Halvt liv	24 110 år
Foreldres isotoper	243 Cm  ( α ) 239 Am  ( EC ) 239 Np  ( β - )
Råteprodukter	235 U
Isotopmasse	239.0521634 u
Snurre rundt	+ 1 ⁄ 2
Forfallsmodus
Forfallmodus	Forfallsenergi ( MeV )
Alpha forfall	5.156
Isotoper av plutonium Komplett tabell over nuklider

Plutonium-239 ( ²³⁹ Pu, Pu-239) er en isotop av plutonium . Plutonium-239 er den primære spaltbare isotopen som brukes til produksjon av atomvåpen , selv om uran-235 også brukes til det formålet. Plutonium-239 er også en av de tre viktigste isotopene som kan brukes som drivstoff i atomreaktorer med termisk spektrum , sammen med uran-235 og uran-233 . Plutonium-239 har en halveringstid på 24,110 år.

Kjernefysiske egenskaper

Kjernefysiske egenskaper til plutonium-239, samt evnen til å produsere store mengder nesten ren ²³⁹ Pu billigere enn høyt beriket uran-235 av våpen , førte til bruk i atomvåpen og atomkraftverk . Den fisjonering av et atom uran-235 i reaktoren på et kjernekraftverk produserer to til tre nøytroner, og disse nøytroner kan bli absorbert av uran-238 for å produsere plutonium-239 og andre isotoper . Plutonium-239 kan også absorbere nøytroner og fisjon sammen med uran-235 i en reaktor.

Av alle vanlige kjernefysiske drivstoff har ²³⁹ Pu den minste kritiske massen . En sfærisk, ikke-stemplet kritisk masse er ca. 11 kg (24,2 lbs), 10,2 cm (4 ") i diameter. Ved å bruke passende utløsere, nøytronreflektorer, implosjonsgeometri og tampere, kan den kritiske massen være mindre enn halvparten av den. Denne optimaliseringen krever vanligvis en stor atomutviklingsorganisasjon støttet av en suveren nasjon .

Spaltningen av ett atom på ²³⁹ Pu genererer 207,1 MeV = 3,318 × 10 ⁻¹¹ J, dvs. 19,98 TJ / mol = 83,61 TJ / kg, eller ca. 23,222,915 kilowatt timer / kg.

Produksjon

Plutonium er laget av uran-238 . ²³⁹ Pu skapes normalt i kjernefysiske reaktorer ved transmutasjon av individuelle atomer til en av isotopene av uran som finnes i drivstoffstavene. Av og til, når et atom av ²³⁸ U er utsatt for nøytronstråling , vil dens kjerne fange opp et nøytron , å endre den til ²³⁹ U . Dette skjer lettere med lavere kinetisk energi (da ²³⁸ U-fisjonaktivering er 6,6 MeV). Den ²³⁹ U deretter hurtig gjennomgår to P ^- og nedbrytes - et utslipp av et elektron og et anti-nøytrino ( ), og etterlater et proton - den første p ^- forråtnelse å transformere ²³⁹ U til neptunium-239 , og den andre p ^- forråtnelse joner ²³⁹ Np til ²³⁹ Pu: ${\ displaystyle {\ bar {\ nu}} _ {e}}$

${\ displaystyle {\ ce {{} ^ {238} _ {92} U + {} ^ {1} _ {0} n -> {} ^ {239} _ {92} U -> [\ beta ^ - ] [23.5 \ {\ ce {min}}] {} ^ {239} _ {93} Np -> [\ beta ^ -] [2.356 \ {\ ce {d}}] {} ^ {239} _ { 94} Pu}}}$

Spaltningsaktivitet er relativt sjelden, så selv etter betydelig eksponering er ²³⁹ Pu fremdeles blandet med mye ²³⁸ U (og muligens andre isotoper av uran), oksygen, andre komponenter i det originale materialet og fisjonsprodukter . Bare hvis drivstoffet har blitt eksponert i noen dager i reaktoren, kan ²³⁹ Pu separeres kjemisk fra resten av materialet for å gi ²³⁹ Pu-metall med høy renhet .

²³⁹ Pu har større sannsynlighet for fisjon enn ²³⁵ U og et større antall nøytroner produsert per fisjon hendelse, så den har en mindre kritisk masse . Ren ²³⁹ Pu har også en rimelig lav hastighet av nøytron-utslipp på grunn av spontan fisjon (10 fisjon / s-kg), noe som gjør det mulig å sette sammen en masse som er svært overkritisk før en detonasjon kjede reaksjon begynner.

I praksis vil imidlertid reaktoravlet plutonium alltid inneholde en viss mengde på ²⁴⁰ Pu på grunn av tendensen til ²³⁹ Pu til å absorbere et ekstra nøytron under produksjonen. ²⁴⁰ Pu har en høy hastighet av spontane fissionshendelser (415 000 fisjon / s-kg), noe som gjør den til en uønsket forurensning. Som et resultat er plutonium som inneholder en betydelig brøkdel av ²⁴⁰ Pu ikke godt egnet til bruk i atomvåpen; den avgir nøytronstråling, noe som gjør håndtering vanskeligere, og dens tilstedeværelse kan føre til en " fizzle " der en liten eksplosjon oppstår, ødelegge våpenet, men ikke forårsake splittelse av en betydelig brøkdel av drivstoffet. (Men i moderne atomvåpen som bruker nøytrongeneratorer for initiering og fusjonsøkning for å levere ekstra nøytroner, er ikke fizzling et problem.) Det er på grunn av denne begrensningen at plutoniumbaserte våpen må være implosjonstype, snarere enn pistol-type. Videre kan ikke ²³⁹ Pu og ²⁴⁰ Pu skilles kjemisk, så dyr og vanskelig isotopseparasjon ville være nødvendig for å skille dem. Plutonium av våpenklasse er definert som ikke inneholder mer enn 7% ²⁴⁰ Pu; Dette oppnås ved å bare utsette ²³⁸ U for nøytronkilder i korte perioder for å minimere den produserte ²⁴⁰ Pu.

Plutonium er klassifisert i henhold til prosentandelen av forurensningen plutonium-240 som den inneholder:

• Supergrade 2–3%
• Våpen klasse 3-7%
• Drivstoffgrad 7–18%
• Reaktorklasse 18% eller mer

En kjernefysisk reaktor som brukes til å produsere plutonium for våpen har derfor generelt et middel for å utsette ²³⁸ U for nøytronstråling og for å ofte erstatte bestrålt ²³⁸ U med nye ²³⁸ U. En reaktor som kjører på uanriket eller moderat beriket uran inneholder mye ²³⁸ U. Imidlertid krever de fleste kommersielle kjernekraftreaktorutforminger at hele reaktoren må stenges, ofte i flere uker, for å endre drivstoffelementene. De produserer derfor plutonium i en blanding av isotoper som ikke egner seg godt til våpenkonstruksjon. En slik reaktor kan ha lagt til maskiner som gjør det mulig å plassere ²³⁸ U-snegler nær kjernen og bytte ofte, eller det kan lukkes ofte, så spredning er en bekymring; av denne grunn inspiserer International Atomic Energy Agency ofte lisensierte reaktorer. Noen få kommersielle kraftreaktordesigner, for eksempel reaktoren bolshoy moshchnosti kanalniy ( RBMK ) og tungtvannsreaktoren ( PHWR ), tillater drivstoff uten tankestopp, og de kan utgjøre en spredningsrisiko. (Faktisk ble RBMK bygget av Sovjetunionen under den kalde krigen, så til tross for deres tilsynelatende fredelige formål, er det sannsynlig at produksjonen av plutonium var et designkriterium.) Derimot moderat det kanadiske CANDU tungtvannsdrevet naturlig uran. reaktoren kan også fylles på drivstoff mens den er i drift , men den bruker normalt mesteparten av ²³⁹ Pu den produserer in situ; således er den ikke bare iboende mindre proliferativ enn de fleste reaktorer, men kan til og med brukes som en "aktinidforbrenning." Den amerikanske IFR (Integral Fast Reactor) kan også brukes i en "forbrenningsmodus", som har noen fordeler ved ikke å akkumulere plutonium-242- isotopen eller de langlivede aktinidene , som ikke lett kan brennes bortsett fra i en rask reaktor. IFR-drivstoff har også en høy andel brennbare isotoper, mens det i CANDU trengs et inert materiale for å fortynne drivstoffet; dette betyr at IFR kan forbrenne en høyere brøkdel av drivstoffet før det trenger ombehandling. Mesteparten av plutonium produseres i forskningsreaktorer eller plutoniumproduksjonreaktorer kalt oppdretterreaktorer fordi de produserer mer plutonium enn de bruker drivstoff; i prinsippet gjør slike reaktorer ekstremt effektiv bruk av naturlig uran. I praksis er deres konstruksjon og drift tilstrekkelig vanskelig til at de vanligvis bare brukes til å produsere plutonium. Oppdretterreaktorer er generelt (men ikke alltid) raske reaktorer , siden raske nøytroner er noe mer effektive ved plutoniumproduksjon.

Plutonium-239 brukes oftere i atomvåpen enn uran-235, da det er lettere å oppnå i en mengde kritisk masse . Både plutonium-239 og uran-235 er hentet fra Natural uranium , som hovedsakelig består av uran-238, men inneholder spor av andre isotoper av uran som uran-235 . Prosessen med å berike uran , dvs. øke forholdet mellom ²³⁵ U og ²³⁸ U til våpenkvalitet , er generelt en mer langvarig og kostbar prosess enn produksjonen av plutonium-239 fra ²³⁸ U og påfølgende opparbeiding .

Supergrad plutonium

Det "supergrade" fisjoneringsdrivstoffet, som har mindre radioaktivitet, brukes i den primære fasen av US Navy atomvåpen i stedet for det konvensjonelle plutonium som brukes i luftforsvarets versjoner. "Super" er industrien språkbruk for plutonium legering som bærer en usedvanlig høy fraksjon av ²³⁹ Pu (> 95%), og etterlater en meget lav mengde av ²⁴⁰ Pu, som er en høy spontan fisjon isotop (se ovenfor). Slike plutonium er produsert av drivstoffstenger som er bestrålt veldig kort tid målt i MW-dag / tonn utbrenthet . Slike lave bestrålingstider begrenser mengden av ekstra nøytronfangst og derfor oppbygging av alternative isotopprodukter som ²⁴⁰ Pu i stangen, og er følgelig også betydelig dyrere å produsere, og trenger langt flere stenger bestrålt og behandlet for en gitt mengde plutonium .

Plutonium-240, i tillegg til å være en nøytronemitter etter fisjon, er en gamma- emitter, og er derfor ansvarlig for en stor brøkdel av strålingen fra lagrede atomvåpen. Uansett om du er på patrulje eller i havn, bor og arbeider ubåtens besetningsmedlemmer rutinemessig i nærheten av atomvåpen lagret i torpedorom og missilrør, i motsetning til Air Force- missiler der eksponeringen er relativt kort. Behovet for å redusere strålingseksponeringen rettferdiggjør merkostnadene til den førsteklasses legeringen som brukes på mange marine atomvåpen. Supergrade plutonium brukes i W80 stridshoder.

I kjernekraftreaktorer

I en hvilken som helst kjernefysisk reaktor som inneholder ²³⁸ U vil noe plutonium-239 akkumuleres i kjernebrenselet. I motsetning til reaktorer som brukes til å produsere plutonium av våpen, opererer kommersielle kjernekraftreaktorer vanligvis ved høy utbrenthet som gjør at en betydelig mengde plutonium kan bygge seg opp i bestrålt reaktorbrensel. Plutonium-239 vil være til stede både i reaktorkjernen under drift og i brukt kjernebrensel som er fjernet fra reaktoren ved slutten av drivstoffmonteringens levetid (vanligvis flere år). Brukt kjernefysisk drivstoff inneholder vanligvis omtrent 0,8% plutonium-239.

Plutonium-239 til stede i reaktorbrensel kan absorbere nøytroner og fisjon akkurat slik uran-235 kan. Siden plutonium-239 stadig skapes i reaktorkjernen under drift, kan bruken av plutonium-239 som kjernebrensel i kraftverk forekomme uten opparbeiding av brukt drivstoff ; plutonium-239 er fisjonert i de samme drivstoffstavene som det produseres i. Spaltning av plutonium-239 gir mer enn en tredjedel av den totale energien som produseres i et typisk kommersielt atomkraftverk. Reaktorbrensel ville akkumulert mye mer enn 0,8% plutonium-239 i løpet av levetiden hvis noe plutonium-239 ikke hele tiden ble "brent av" ved fisjonering.

En liten prosentandel av plutonium-239 kan bevisst tilsettes fersk ferskvann. Slike drivstoff kalles MOX (blandet oksid) drivstoff , da det inneholder en blanding av urandioksid (UO ₂ ) og plutoniumdioksid (PuO ₂ ). Tilsetningen av plutonium-239 reduserer behovet for å berike uran i drivstoffet.

Farer

Plutonium-239 avgir alfapartikler for å bli uran-235 . Som alfa-emitter er ikke plutonium-239 spesielt farlig som en ekstern strålekilde, men hvis den inntas eller pustes inn som støv, er det veldig farlig og kreftfremkallende . Det er anslått at et pund (454 gram) plutonium inhalert som plutoniumoksidstøv kan gi kreft til to millioner mennesker. Inntatt plutonium er imidlertid langt mindre farlig, da bare en liten brøkdel absorberes i mage-tarmkanalen. 800 mg vil neppe medføre stor helserisiko når det gjelder stråling. Som tungmetall er også plutonium giftig. Se også Plutonium # Forholdsregler .

Plutonium av våpenklasse (med mer enn 90% ²³⁹ Pu) brukes til å lage atomvåpen og har mange fordeler fremfor annet spaltbart materiale til det formålet. Lavere andeler på ²³⁹ Pu ville gjøre en pålitelig våpendesign vanskelig eller umulig; dette skyldes spontan fisjon (og dermed nøytronproduksjon) av den uønskede ²⁴⁰ Pu.

Se også

• Teller-Ulam design

Referanser

Eksterne linker

• NLM Hazardous Substances Databank - Plutonium, Radioactive
• Tabell over nuklider med ²³⁹ Pu-data hos Kaye og Laby Online
• Halveringstid for Plutonium-239