Плутоний-239 — Plutonium-239 — qaz.wiki

Таблица нуклидов Общие сведения Название, символ Плутоний 239, 239Pu Нейтронов 145 Протонов 94 Свойства нуклида Атомная масса 239,0521634(20)

Ядерные свойства

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 поглощаться 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), диаметр 10,2 см (4 дюйма). При использовании соответствующих триггеров, отражателей нейтронов, геометрии имплозии и тамперов критическая масса может быть меньше половины этой массы. Обычно для такой оптимизации требуется крупная организация по развитию ядерной энергетики, поддерживаемая 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, или около 23 222 915 киловатт-часов / кг.

источник излучения (тепловое деление 239 Pu) средняя выделяемая энергия [МэВ]
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 по распадающимся продуктам деления   17,6
Энергия, выделяемая при радиационном захвате мгновенных нейтронов   11,5
Общее количество тепла, выделяемого в реакторе теплового спектра (антинейтрино не вносит вклада) 211,5

Образование и распад

Плутоний-239 образуется в результате следующих распадов:

  • β−-распад нуклида [2] суток):

mathrm{^{239}_{93}Np} rightarrow mathrm{^{239}_{94}Pu} + e^- + bar{nu}_e;

  • K-захват, осуществляемый нуклидом [2] ч):

mathrm{^{239}_{95}Am} + e^- rightarrow mathrm{^{239}_{94}Pu} + bar{nu}_e;

  • α-распад нуклида [2] лет):

mathrm{^{243}_{96}Cm} rightarrow mathrm{^{239}_{94}Pu} + mathrm{^{4}_{2}He}.

Распад плутония-239 происходит по следующим направлениям:

  • α-распад в 235U (вероятность 100 %[2], энергия распада 5 244,51(21) кэВ[1]):

mathrm{^{239}_{94}Pu} rightarrow mathrm{^{235}_{92}U} + mathrm{^{4}_{2}He};

энергия испускаемых α-частиц

5 105,5 кэВ (в 11,94 % случаев);5 144,3 кэВ (в 17,11 % случаев);5 156,59 кэВ (в 70,77 % случаев)[6].

  • Спонтанное деление (вероятность 3,1(6)·10−10 %)[2];

Производство

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 электроне и анти-нейтрино ( ), в результате чего протона — первые бета распад преобразования 239 U в нептуний-239 , а вторая бета распад Преобразуя 239 Np в 239 Pu: ν ¯ е { displaystyle { bar { nu}} _ {e}} { bar { nu}} _ {e}

U 92 238 + п 0 1 ⟶ U 92 239 → 23,5   мин β — Np 93 239 → 2,356   d β — Пу 94 239 { 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}}} { 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, чтобы получить металлический 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 позволяет собрать массу, которая является в высшей степени сверхкритической, до того, как начнется цепная реакция 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 плутония- 240, 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, использующем генераторы нейтронов для инициирования и усиления термоядерного синтеза для подачи дополнительных нейтронов, 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 путем 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 промышленных 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 очень подходит для изготовления оружия. Такой реактор мог бы иметь дополнительное оборудование, которое позволяло бы размещать снаряды 238 U рядом с активной зоной и часто менять, или его можно было бы часто останавливать, так что 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 могут представлять опасность распространения. (Фактически, РБМК был построен Советским Союзом во время холодной войны, поэтому, несмотря на их якобы мирную цель, вполне вероятно, что критерием проектирования было производство плутония.) Напротив, канадский двигатель CANDU с тяжелой водой с замедлителем из природного урана работал на природном уране. реактор 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 использоваться как «установка для сжигания актинидов». Американский IFR (Интегральный быстрый реактор) также может работать в «режиме сжигания», имея некоторые преимущества в том, что он 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, 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 используются только для производства плутония. Реакторы-размножители обычно (но не всегда) являются реакторами на быстрых нейтронах , 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 .

Сверхчистый плутоний

«Сверхсоставное» топливо деления, которое имеет меньшую радиоактивность, используется в первичной 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%), оставляя очень низкое количество 240 Pu, который является изотопом с высоким уровнем спонтанного деления (см. Выше). Такой плутоний производится из топливных стержней , которые были облучены в течение очень короткого времени, 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 дороже 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, следовательно, отвечает за большую часть излучения от хранимого ядерного оружия. Находясь в патруле или в порту, члены экипажа подводной лодки обычно живут и работают в непосредственной близости от ядерного оружия, хранящегося в торпедных помещениях и ракетных аппаратах, в отличие от ракет ВВС, где воздействие относительно непродолжительное. Необходимость снижения радиационного облучения оправдывает дополнительные затраты на премиальный сверхсортный сплав, используемый во многих морских ядерных вооружениях. В боеголовках W80 используется сверхсильный плутоний .

Получение

Плутоний-239 образуется в любом ядерном реакторе, работающем на природном или малообогащённом уране, содержащем в основном изотоп 238U, при захвате им избыточных нейтронов. При этом происходят следующие ядерные реакции:

mathrmhbox{n}+{{}^2{}^{38}_{92}U}rightarrowmathrm{{}^2{}^{39}_{92}U}rightarrowmathrm{{}^2{}^{39}_{93}Np}+ e^- + bar{nu}_e

mathrm{{}^2{}^{39}_{93}Np}rightarrowmathrm{{}^2{}^{39}_{94}Pu}+ e^- + bar{nu}_e.

Для промышленного получения плутония-239 используют пьюрекс-процесс[5].

Конструктивные особенности производственных реакторов

Практически весь плутоний в России был выработан в реакторах, оборудованных графитовым замедлителем. Каждый из реакторов возведен вокруг цилиндрически собранных блоков из графита.

В собранном виде графитовые блоки имеют между собой специальные щели для обеспечения беспрерывной циркуляции охладителя, в качестве которого используется азот. В собранной конструкции имеются и вертикально расположенные каналы, созданные для прохождения по ним водяного охлаждения и топлива. Сама по себе сборка жестко опирается на структуру с отверстиями под каналами, используемыми для отгрузки уже облученного топлива. При этом каждый из каналов находится в тонкостенной трубе, отлитой из легковесного и особопрочного алюминиевого сплава. Большая часть описываемых каналов имеет 70 топливных стержней. Вода для охлаждения протекает непосредственно вокруг стержней с топливом, отводя от них излишки тепла.

томск 7

В ядерных энергетических реакторах

В любом действующем ядерном реакторе, содержащем 238 U, некоторое количество плутония-239 будет накапливаться в ядерном топливе. В отличие от реакторов, используемых для производства оружейного плутония, коммерческие ядерные энергетические реакторы обычно работают с высоким выгоранием, что 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 произведен. Деление плутония-239 обеспечивает более одной трети всей энергии, производимой на типичной коммерческой атомной электростанции. 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.

Изомеры

Известен единственный изомер 239Pum со следующими характеристиками[2]:

  • Избыток массы: 48 981,5(18) кэВ
  • Энергия возбуждения: 391,584(3) кэВ
  • Период полураспада: 193(4) нc
  • Спин и чётность ядра: 7/2−

Распад изомерного состояния осуществляется путём изомерного перехода в основное состояние.[2].

Производство на «Маяке»

«Челябинск-65» – один из тех самых секретных заводов, на котором происходило создание оружейного плутония. На предприятии было несколько реакторов, с каждым из которых мы познакомимся поближе.

Применение

Плутоний-239 используют[5]:

  • в качестве ядерного топлива в ядерных реакторах на тепловых и особенно на быстрых нейтронах;
  • при изготовлении ядерного оружия (критическая масса для голого шара из металлического 239Pu составляет примерно 10 кг, для шара в водяном отражателе примерно 5,2 кг[7]);
  • используется в качестве исходного вещества для получения трансплутониевых элементов.

См. также

  • Изотопы плутония
  • Оружейный плутоний
  • Соглашение об утилизации плутония

Смотрите также

  • Дизайн Теллера-Улама

внешняя ссылка

  • Банк данных по опасным веществам NLM — радиоактивный плутоний
  • Таблица нуклидов с данными 239 Pu в Kaye and Laby Online
  • Период полураспада плутония-239

Примечания

  1. 1 2 3 4 5 G. Audi, A.H. Wapstra, and C. Thibault (2003). «The AME2003 atomic mass evaluation (II). Tables, graphs, and references.». Nuclear Physics A 729: 337—676. DOI:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.003.
  2. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 G. Audi, O. Bersillon, J. Blachot and A. H. Wapstra (2003). «The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties». Nuclear Physics A 729: 3–128. DOI:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001.
  3. Волков В.А., Вонский Е.В., Кузнецова Г.И. Выдающиеся химики мира. — М.: Высшая Школа, 1991. — С. 407. — 656 с.
  4. Милюкова М. С., Гусев Н. И., Сентюрин И. Г., Скляренко И. С. Аналитическая химия плутония. — М.: «Наука», 1965. — С. 12. — 454 с. — (Аналитическая химия элементов). — 3 400 экз.
  5. 1 2 3 Редкол.:Кнунянц И.Л. (гл. ред.) Химическая энциклопедия: в 5 т. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1992. — Т. 3. — С. 580-582. — 639 с. — 50 000 экз. — ISBN 5—85270—039—8
  6. Свойства 239Pu на сайте МАГАТЭ (IAEA, International Atomic Energy Agency)
  7. E. D. Clayton, ANOMALIES OF NUCLEAR CRITICALITY, REVISION 6 // Pacific Northwest Laboratory, February 2010. page 79. «N. THE CRITICALITY OF 239Pu-240Pu METAL MIXTURES»: «The critical mass for 239Pu metal is given as 5.2 and 10 kg for water-reflected and bare spheres, respectively.»
Есть более полная статья
Рейтинг
( 1 оценка, среднее 5 из 5 )
Загрузка ...