http___en.wikipedia.org_wiki_Plutonium-239_2.xml
1.1 2.1 2.2 3.1 4.1 5.1 6.1 7.1 8.1 9.1 9.2 9.3 9.4 10.1 11.1 11.2 11.3 11.4 11.5 11.6 11.7 12.1 13.1 13.2 14.1 15.1 16.1 17.1 17.2 18.1 19.1 19.2 19.3 20.1 20.2 20.3 20.4 21.1 22.1 23.1 23.2 23.3 24.1 24.2 24.3
Изотопно обогатяване Изотопното обогатяване е процесът на концентриране на различни изотопи на даден химически елемент чрез отделянето на други изотопи от същия химичен елемент. Пример за такъв процес е обогатяването на естествения уран в обогатен уран, който е и един от най-важните процеси в производството на гориво за ядрените електрически централи. Съдържание Техники на обогатяване[редактиране | edit source] Съществуват три типа техники за изотопно обогатяване: - Тези, които са базирани директно на атомното тегло на изотопа. - Тези, базирани на малките разлики в скоростта на химичните реакции,причинени от разлика в атомното тегло - Тези, базирани на свойства ,които не са пряко свързани с атомното тегло ,като например ядрените резонанси. Третият тип на обогатяване е все още експериментален; практически всички техники на обогатяване зависят по някакъв начин от атомното тегло. Поради това е по-лесно да се обогатят изотопи с по-голяма разлика в масата. Например деутерий има два пъти по-голяма маса от обикновения водород и е по-лесно да се извлече в чиста форма ,отколкото да се обогати уран-235 от по-често срещания уран-238. На другата крайност ,обогатяването на делящ се плутоний -239 от общата примес на плутоний -240,докато е желателно да позволи създаването на пистолетен тип ядрени оръжия от плутоний, е прието да бъде непрактично. Обогатяващи каскади[редактиране | edit source] Всички големи схеми за обогатяване на изотопи използват редица от сходни етапи, които произвеждат успешно висока концентрация от желаните изотопи. Всеки етап обогатява продукта от предишната стъпка допълнително, преди да бъде изпратен на следващия етап. Подобно, остатъците от рудата от всеки етап се връщат в предишния етап за допълнителна обработка. Това създава система на последователно обогатяване, която се нарича каскада. Съществуват два важни фактора ,които влияят на върху изпълнението на каскадата. Първият е коефициента на обогатяване ( квадратен корен на съотношението на масите на двата изотопа), който е число по-голямо от 1. Вторият е броят на етапите, които са нужни за получаване на желана чистота. Търговски материали[редактиране | edit source] До този момент има мащабно търговско обогатяване на изотопи на само три елемента. Във всеки случай, по-редкият от двата най-често срещани изотопа на елемент е бил обогатен за да се използва в ядрените технологии: - Уранови изотопи са били обогатени за да се приготви обогатен уран, които да се използва в ядрен реактор и ядрени оръжия. - Водородни изотопи са били обогатени, за да се приготви тежка вода, която да се използва като модератор в ядрени реактори. - Литий-6 е бил концентриран за използване в термоядрени оръжия. Някои изотопно чисти елементи са използвани в по-малки количества за специализирани приложения, особено в полупроводниковата индустрия, където пречистен сицилий е използван за да се подобри кристална структура и топлопроводимост. Изотопното обогатяване е важен процес както за мирните, така и за военните ядрени технологии, и поради това възможностите, които една нация има за изотопно обогатяване, е от изключителен интерес за разузнавателните служби. Алтернативи[редактиране | edit source] Единствената алтернатива на изотопното обогатяване е да се произвежда нужния изотоп в чиста форма. Това може да бъде направено чрез облъчване на подходяща мишена, но са нужни внимание и други фактори, които да гарантират ,че само нужният изотоп на елемента ,които предствавлява интерес е произведен. Изотопите на други елементи не представляват голям проблем, тъй като те могат да бъдат премахнати по химичен път.Това е особено важно в приготвянето на висококачествен плутоний-239, които да се използва за оръжия. Не е практично да се обогати Pu-239 от Pu-240 или Pu-241. Делящ се Pu-239 е произведен след снемане на неутрон от ураний-238, но последващо снемане на неутрон ще произведе Pu-240, който е по-малко се делящ и по-лошо, той е доста силен неутронен излъчвател и Pu-241, който се разпада в Am-241, силен алфа-излъчвател, който има самонагряващи и радиотоксични проблеми. Поради това използваните уранови мишени за производството на военен плутоний трябва да бъдат облъчени само за кратко време, за да се минимизира производството на нежелани изотопи. Обратно, смесването на плутоний с Pu-240 фо прави по-малко подходящ за ядрени оръжия. Практически методи на обогатяване[редактиране | edit source] Дифузия[редактиране | edit source] Често правена с газове, но също и с течности, методът на дифузия се базира на факта, че в термично равновесие, два изотопа с еднакви енергии ще имат различни средни скоростти. По-леките атоми ( или молекулите ,в които тези атоми се съдържат) ще се движат по-бързо и е по-вероятно да се дифундират през мембрана. Разликата в скоростите е пропорционална на квадратен корен от съотношението на масата, така че сумата на разделяне е малка и са нужни много каскадни етапи, за да се постигне висока чистота.Този метод е скъп ,поради количеството работа, което се изисква да се прокара газ през мембрана и многото етапи, които са нужни. Първото масово обогатяване на изотопи на уран е постигнато от САЩ в големи инсталации за обогатяване чрез газова дифузия в лабораториите на Оук Ридж, които се създават като част от проекта "Манхатън". Те използват уран хексафлуорид газ като процесна течност. Никел на прах и галванизирани дифузионни бариери за първи път се използват, благодарение на пионерите Едуард Адлер и Едуард Норис.
1.1 2.1 2.2 2.3 2.4 3.1 4.1 5.1 5.2 5.3 6.1 6.2 6.3 6.4 7.1 8.1 9.1 9.2 9.3 9.4 9.5 9.6 10.1 10.2 11.1 11.2 12.1 12.2 12.3 12.4 12.5 12.6 12.7 12.8 12.9 13.1 14.1 15.1 16.1 17.1 18.1 18.2 18.3 18.4 18.5 18.6 18.7 18.8 18.9 18.10 18.11 18.12 19.1 20.1 20.2 20.3 20.4 21.1 21.2 21.3 22.1 23.1 23.2 23.3 24.1 24.2 24.3 24.4 25.1 25.2 25.3 26.1 27.1 27.2 27.3 27.4 27.5 28.1 28.2 29.1 30.1 31.1 32.1 33.1 33.2 34.1 34.2 35.1 35.2 35.3 36.1 36.2 36.3 36.4 36.5 37.1 38.1 39.1 40.1
Plutonium-239 Plutonium-239 is an isotope of plutonium. Plutonium-239 is the primary fissile isotope used for the production of nuclear weapons, although uranium-235 has also been used. Plutonium-239 is also one of the three main isotopes demonstrated usable as fuel in nuclear reactors, along with uranium-235 and uranium-233. Plutonium-239 has a half-life of 24,110 years.[1] Contents Nuclear properties[edit] The nuclear properties of plutonium-239, as well as the ability to produce large amounts of nearly pure Pu-239 more cheaply than highly enriched weapons-grade uranium-235, led to its use in nuclear weapons and nuclear power stations. The fissioning of an atom of uranium-235 in the reactor of a nuclear power plant produces two to three neutrons, and these neutrons can be absorbed by uranium-238 to produce plutonium-239 and other isotopes. Plutonium-239 can also absorb neutrons and fission along with the uranium-235 in a reactor. Of all the common nuclear fuels, Pu-239 has the smallest critical mass. A spherical untampered critical mass is about 11 kg (24.2 lbs),[2] 10.2 cm (4") in diameter. Using appropriate triggers, neutron reflectors, implosion geometry and tampers, this critical mass can be reduced by more than twofold. This optimization usually requires a large nuclear development organization supported by a sovereign nation. The fission of one atom of Pu-239 generates 207.1 MeV = 3.318 × 10−11 J, i.e. 19.98 TJ/mol = 83.61 TJ/kg.[3] Manufacturing[edit] Plutonium is made from U-238. Pu-239 is normally created in nuclear reactors by transmutation of individual atoms of one of the isotopes of uranium present in the fuel rods. Occasionally, when an atom of U-238 is exposed to neutron radiation, its nucleus will capture a neutron, changing it to U-239. This happens more easily with lower kinetic energy (as U-238 fission activation is 6.6MeV). The U-239 then rapidly undergoes two beta decays, becoming Pu-239. After the 238U absorbs a neutron to become 239U, it then emits an electron and an anti-neutrino () by B− decay to become neptunium-239 (239Np) and then emits another electron and anti-neutrino by a second B− decay to become 239Pu: Fission activity is relatively rare, so even after significant exposure, the Pu-239 is still mixed with a great deal of U-238 (and possibly other isotopes of uranium), oxygen, other components of the original material, and fission products. Only if the fuel has been exposed for a few days in the reactor, can the Pu-239 be chemically separated from the rest of the material to yield high-purity Pu-239 metal. Pu-239 has a higher probability for fission than U-235 and a larger number of neutrons produced per fission event, so it has a smaller critical mass. Pure Pu-239 also has a reasonably low rate of neutron emission due to spontaneous fission (10 fission/s-kg), making it feasible to assemble a mass that is highly supercritical before a detonation chain reaction begins. In practice, however, reactor-bred plutonium will invariably contain a certain amount of Pu-240 due to the tendency of Pu-239 to absorb an additional neutron during production. Pu-240 has a high rate of spontaneous fission events (415,000 fission/s-kg), making it an undesirable contaminant. As a result, plutonium containing a significant fraction of Pu-240 is not well-suited to use in nuclear weapons; it emits neutron radiation, making handling more difficult, and its presence can lead to a "fizzle" in which a small explosion occurs, destroying the weapon but not causing fission of a significant fraction of the fuel. (However, in modern nuclear weapons using neutron generators for initiation and fusion boosting to supply extra neutrons, fizzling is not an issue.) It is because of this limitation that plutonium-based weapons must be implosion-type, rather than gun-type. (The US has constructed a single experimental bomb using only reactor-grade plutonium.) Moreover, Pu-239 and Pu-240 cannot be chemically distinguished, so expensive and difficult isotope separation would be necessary to separate them. Weapons-grade plutonium is defined as containing no more than 7% Pu-240; this is achieved by only exposing U-238 to neutron sources for short periods of time to minimize the Pu-240 produced. Pu-240 exposed to alpha particles will incite a nuclear fission.[citation needed] Plutonium is classified according to the percentage of the contaminant plutonium-240 that it contains: - Supergrade 2–3% - Weapons grade less than 7% - Fuel grade 7–18% - Reactor grade 18% or more A nuclear reactor that is used to produce plutonium for weapons therefore generally has a means for exposing U-238 to neutron radiation and for frequently replacing the irradiated U-238 with new U-238. A reactor running on unenriched or moderately enriched uranium contains a great deal of U-238. However, most commercial nuclear power reactor designs require the entire reactor to shut down, often for weeks, in order to change the fuel elements. They therefore produce plutonium in a mix of isotopes that is not well-suited to weapon construction. Such a reactor could have machinery added that would permit U-238 slugs to be placed near the core and changed frequently, or it could be shut down frequently, so proliferation is a concern; for this reason, the International Atomic Energy Agency inspects licensed reactors often. A few commercial power reactor designs, such as the reaktor bolshoy moshchnosti kanalniy (RBMK) and pressurized heavy water reactor (PHWR), do permit refueling without shutdowns, and they may pose a proliferation risk. (In fact, the RBMK was built by the Soviet Union during the Cold War, so despite their ostensibly peaceful purpose, it is likely that plutonium production was a design criterion.) By contrast, the Canadian CANDU heavy-water moderated natural-uranium fueled reactor can also be refueled while operating, but it normally consumes most of the Pu-239 it produces in situ; thus, it is not only inherently less proliferative than most reactors, but can even be operated as an "actinide incinerator."[4] The American IFR (Integral Fast Reactor) can also be operated in an "incineration mode," having some advantages in not building up the Pu-242 isotope or the long-lived actinides, either of which cannot be easily burned except in a fast reactor. Also IFR fuel has a high proportion of burnable isotopes, while in CANDU an inert material is needed to dilute the fuel; this means the IFR can burn a higher fraction of its fuel before needing reprocessing. Most plutonium is produced in research reactors or plutonium production reactors called breeder reactors because they produce more plutonium than they consume fuel; in principle, such reactors make extremely efficient use of natural uranium. In practice, their construction and operation is sufficiently difficult that they are generally only used to produce plutonium. Breeder reactors are generally (but not always) fast reactors, since fast neutrons are somewhat more efficient at plutonium production. Supergrade plutonium[edit] The "supergrade" fission fuel, which has less radioactivity, is used in the primary stage of US Navy nuclear weapons in place of the conventional plutonium used in the Air Force's versions. "Supergrade" is industry parlance for plutonium alloy bearing an exceptionally high fraction of Pu-239 (>95%), leaving a very low amount of Pu-240 which is a high spontaneous fission isotope (see above). Such plutonium is produced from fuel rods that have been irradiated a very short time as measured in MW-day/ton burnup. Such low irradiation times limit the amount of additional neutron capture and therefore buildup of alternate isotope products such as Pu-240 in the rod, and also by consequence is considerably more expensive to produce, needing far more rods irradiated and processed for a given amount of plutonium. Plutonium-240, in addition to being a neutron emitter after fission, is a gamma emitter in that process as well, and so is responsible for a large fraction of the radiation from stored nuclear weapons. Submarine crew members routinely operate in close proximity to stored weapons in torpedo rooms, unlike Air Force missiles where exposures are relatively brief—hence justifying the additional costs of the premium supergrade alloy used on many naval nuclear torpedo weapons. Supergrade plutonium is used in W80 warheads. In nuclear power reactors[edit] In any operating nuclear reactor containing U-238, some plutonium-239 will accumulate in the nuclear fuel.[5] Unlike reactors used to produce weapons-grade plutonium, commercial nuclear power reactors typically operate at a high burnup that allows a significant amount of plutonium to build up in irradiated reactor fuel. Plutonium-239 will be present both in the reactor core during operation and in spent nuclear fuel that has been removed from the reactor at the end of the fuel assembly’s service life (typically several years). Spent nuclear fuel commonly contains about 0.8% plutonium-239. Plutonium-239 present in reactor fuel can absorb neutrons and fission just as uranium-235 can. Since plutonium-239 is constantly being created in the reactor core during operation, the use of plutonium-239 as nuclear fuel in power plants can occur without reprocessing of spent fuel; the plutonium-239 is fissioned in the same fuel rods in which it is produced. Fissioning of plutonium-239 provides about one-third of the total energy produced in a typical commercial nuclear power plant. Reactor fuel would accumulate much more than 0.8% plutonium-239 during its service life if some plutonium-239 were not constantly being “burned off” by fissioning. A small percentage of plutonium-239 can be deliberately added to fresh nuclear fuel. Such fuel is called MOX (mixed oxide) fuel, as it contains a mixture of uranium oxide (UO2) and plutonium oxide (PuO2). The addition of plutonium-239 reduces or eliminates the need to enrich the uranium in the fuel. Hazards[edit] Plutonium-239 emits alpha particles to become the fairly harmless uranium-235. As an alpha emitter, plutonium-239 is not particularly dangerous as an external radiation source, but if it is ingested or breathed in as dust it is very dangerous and carcinogenic. It has been estimated that a pound (454 grams) of plutonium inhaled as plutonium oxide dust could give cancer to two million people.[6] Therefore as little as a milligram would be quite likely to cause cancer in a person. As a heavy metal, plutonium is also toxic. See also Plutonium#Precautions. Plutonium-239 can be used to make nuclear weapons, and the danger of it falling into the wrong hands has been one of the arguments against breeder reactors. Its storage, as fuel or as nuclear waste, must be very secure. See also[edit] References[edit] - ^ http://ieer.org/resource/nuclear-power/plutonium-factsheet/ - ^ FAS Nuclear Wepons Design FAQ, Accessed 2010-9-2 - ^ a b "Table of Physical and Chemical Constants, Sec 4.7.1: Nuclear Fission". Kaye & Laby Online. - ^ Jeremy J. Whitlock. "The Evolution of CANDU Fuel Cycles and their Potential Contribution to World Peace". - ^ Hala, Jiri; James D. Navratil (2003). Radioactivity, Ionizing Radiation, and Nuclear Energy. Brno: Konvoj. - ^ Bernard L. Cohen (1990). "Chapter 13, Plutonium and bombs". The Nuclear Energy Option. Plenum Press. Archived from the original on July 21, 2013. External links[edit] - NLM Hazardous Substances Databank – Plutonium, Radioactive - Table of nuclides with Pu-239 data at Kaye and Laby Online - Half-life of Plutinium-239[dead link]