Plutonium-239 - Plutonium-239

Plutonium-239,  239 Pu
Plutoniumring.jpg
Ein 99,96% reiner Plutoniumring
Allgemeines
Symbol 239 Pu
Namen Plutonium-239, Pu-239
Protonen 94
Neutronen 145
Nukliddaten
Halbes Leben 24.110 Jahre
Elternisotope 243 Cm  ( α )
239 Am  ( EC )
239 Np  ( β )
Zerfallsprodukte 235 U
Isotopenmasse 239.0521634 u
Rotieren + 12
Decay-Modi
Decay-Modus Zerfallsenergie ( MeV )
Alphazerfall 5.156
Isotope von Plutonium
Vollständige Tabelle der Nuklide

Plutonium-239 ( 239 Pu, Pu-239) ist ein Isotop von Plutonium . Plutonium-239 ist das primäre spaltbare Isotop, das für die Herstellung von Atomwaffen verwendet wird , obwohl auch Uran-235 für diesen Zweck verwendet wird. Plutonium-239 ist neben Uran-235 und Uran-233 auch eines der drei Hauptisotope, die nachweislich als Brennstoff in Kernreaktoren mit thermischem Spektrum verwendbar sind . Plutonium-239 hat eine Halbwertszeit von 24.110 Jahren.

Nukleare Eigenschaften

Die nuklearen Eigenschaften von Plutonium-239 sowie die Möglichkeit, große Mengen von nahezu reinem 239 Pu kostengünstiger als hochangereichertes waffenfähiges Uran-235 herzustellen , führten zu seiner Verwendung in Atomwaffen und Kernkraftwerken . Bei der Spaltung eines Uran-235-Atoms im Reaktor eines Kernkraftwerks entstehen zwei bis drei Neutronen, und diese Neutronen können von Uran-238 absorbiert werden, um Plutonium-239 und andere Isotope zu erzeugen . Plutonium-239 kann zusammen mit dem Uran-235 in einem Reaktor auch Neutronen absorbieren und spalten.

Von allen gängigen Kernbrennstoffen hat 239 Pu die kleinste kritische Masse . Eine kugelförmige, ungedämpfte kritische Masse beträgt etwa 11 kg (24,2 lbs), 10,2 cm (4") im Durchmesser. Bei Verwendung geeigneter Trigger, Neutronenreflektoren, Implosionsgeometrie und Manipulationen kann die kritische Masse weniger als die Hälfte davon betragen. Diese Optimierung erfordert normalerweise eine große nukleare Entwicklungsorganisation, die von einer souveränen Nation unterstützt wird .

Die Spaltung eines Atoms von 239 Pu erzeugt 207,1 MeV = 3,318 × 10 −11 J, dh 19,98 TJ/ mol = 83,61 TJ/kg oder etwa 23.222.915 Kilowattstunden/kg.

Strahlungsquelle (thermische Spaltung von 239 Pu) mittlere freigesetzte Energie [MeV]
Kinetische Energie von Spaltfragmenten 175,8
Kinetische Energie prompter Neutronen     5.9
Energie, die von prompten γ-Strahlen getragen wird     7.8
Gesamte Momentanenergie 189,5
Energie von β− Teilchen     5.3
Energie von Antineutrinos     7.1
Energie verzögerter γ-Strahlen     5.2
Summe aus zerfallenden Spaltprodukten   17,6
Energie, die durch Strahlungseinfang von prompten Neutronen freigesetzt wird   11,5
Gesamtwärme, die in einem thermischen Spektrumreaktor freigesetzt wird (Anti-Neutrinos tragen nicht bei) 211,5

Produktion

Plutonium wird aus Uran-238 hergestellt . 239 Pu wird normalerweise in Kernreaktoren durch Transmutation einzelner Atome eines der in den Brennstäben vorhandenen Uranisotope erzeugt. Gelegentlich, wenn ein Atom von 238 U ausgesetzt ist , Neutronenstrahlung , wird sein Kern eine erfassen Neutronen , es auf sich ändernde 239 U . Dies geschieht leichter bei geringerer kinetischer Energie (da die 238 U-Spaltungsaktivierung 6,6 MeV beträgt). Das 239 U durchläuft dann schnell zwei β -Zerfälle – eine Emission eines Elektrons und eines Anti-Neutrinos ( ), wobei ein Proton zurückbleibt – der erste β -Zerfall wandelt das 239 U in Neptunium-239 um und der zweite β -Zerfall verwandelt das 239 Np in 239 Pu:

Spaltaktivität ist relativ selten, so dass das 239 Pu auch nach erheblicher Exposition noch mit viel 238 U (und möglicherweise anderen Isotopen des Urans), Sauerstoff, anderen Komponenten des ursprünglichen Materials und Spaltprodukten vermischt ist . Nur wenn der Brennstoff einige Tage im Reaktor exponiert wurde, kann das 239 Pu chemisch vom Rest des Materials getrennt werden, um hochreines 239 Pu-Metall zu erhalten.

239 Pu hat eine höhere Spaltungswahrscheinlichkeit als 235 U und eine größere Anzahl von Neutronen, die pro Spaltungsereignis erzeugt werden, hat also eine kleinere kritische Masse . Reines 239 Pu haben auch eine einigermaßen niedrige Rate der Neutronenemission aufgrund der spontanen Spaltung (10 fission / s-kg), so dass es möglich , eine Masse aufzubauen , die stark überkritischen ist , bevor eine Detonation Kettenreaktion beginnt.

In der Praxis enthält reaktorgezüchtetes Plutonium jedoch aufgrund der Tendenz von 239 Pu, während der Produktion ein zusätzliches Neutron zu absorbieren, immer eine bestimmte Menge von 240 Pu . 240 Pu hat eine hohe Rate an spontanen Spaltungsereignissen (415.000 Spaltungen/s-kg), was es zu einem unerwünschten Kontaminanten macht. Daher ist Plutonium, das einen signifikanten Anteil von 240 Pu enthält, für den Einsatz in Kernwaffen nicht gut geeignet; es emittiert Neutronenstrahlung, was die Handhabung erschwert, und sein Vorhandensein kann zu einem " Zischen " führen, bei dem eine kleine Explosion auftritt, die die Waffe zerstört, aber keinen wesentlichen Teil des Brennstoffs spaltet . (Bei modernen Nuklearwaffen, die Neutronengeneratoren zur Initiierung und Fusionsverstärkung verwenden , um zusätzliche Neutronen zu liefern, ist das Zischen jedoch kein Problem.) Aufgrund dieser Einschränkung müssen Waffen auf Plutoniumbasis vom Implosionstyp und nicht vom Kanonentyp sein. Außerdem können 239 Pu und 240 Pu chemisch nicht unterschieden werden, so dass eine teure und schwierige Isotopentrennung erforderlich wäre, um sie zu trennen. Plutonium in Waffenqualität ist definiert als ein Gehalt von nicht mehr als 7% 240 Pu; dies wird erreicht, indem 238 U nur für kurze Zeiträume Neutronenquellen ausgesetzt werden , um die produzierten 240 Pu zu minimieren .

Plutonium wird nach dem Prozentsatz des darin enthaltenen Schadstoffs Plutonium-240 klassifiziert:

  • Supergrade 2-3%
  • Waffengrad 3–7%
  • Kraftstoffqualität 7–18%
  • Reaktorqualität 18% oder mehr

Ein Kernreaktor, der zur Herstellung von Plutonium für Waffen verwendet wird, hat daher in der Regel die Möglichkeit, 238 U der Neutronenstrahlung auszusetzen und das bestrahlte 238 U häufig durch neues 238 U zu ersetzen . Ein Reaktor, der mit unangereichertem oder mäßig angereichertem Uran betrieben wird, enthält sehr viel 238 U. Allerdings erfordern die meisten kommerziellen Kernreaktorkonzepte, dass der gesamte Reaktor oft wochenlang abgeschaltet wird, um die Brennelemente auszutauschen. Sie produzieren daher Plutonium in einem Isotopengemisch, das für den Waffenbau nicht gut geeignet ist. Ein solcher Reaktor könnte eine Maschinerie haben, die es ermöglicht, 238 U-Schnecken in der Nähe des Kerns zu platzieren und häufig zu wechseln, oder er könnte häufig abgeschaltet werden, so dass die Proliferation ein Problem darstellt; Aus diesem Grund inspiziert die Internationale Atomenergiebehörde häufig lizenzierte Reaktoren. Einige kommerzielle Bauformen von Leistungsreaktoren, wie der Reaktor Bolshoy Moshchnosti Kanalniy ( RBMK ) und der Druckwasserreaktor ( PHWR ) erlauben eine Betankung ohne Abschaltungen und können ein Proliferationsrisiko darstellen. (Tatsächlich wurde die RBMK von der Sowjetunion während des Kalten Krieges gebaut, so dass trotz ihres angeblich friedlichen Zwecks wahrscheinlich die Plutoniumproduktion ein Konstruktionskriterium war.) Im Gegensatz dazu wurde die kanadische CANDU mit schwerwassermoderiertem Natururan befeuert der Reaktor kann auch während des Betriebs betankt werden , verbraucht jedoch normalerweise den größten Teil der 239 Pu, die er vor Ort produziert ; daher ist er nicht nur von Natur aus weniger proliferativ als die meisten Reaktoren, sondern kann sogar als "Aktinidenverbrennungsanlage" betrieben werden. Der amerikanische IFR (Integral Fast Reactor) kann auch in einem "Verbrennungsmodus" betrieben werden, was einige Vorteile hat , indem er das Plutonium-242- Isotop oder die langlebigen Aktiniden nicht ansammelt , die nur in einem schnellen Reaktor leicht verbrannt werden können. Auch IFR-Kraftstoff hat einen hohen Anteil an brennbaren Isotopen, während bei CANDU ein inertes Material benötigt wird, um den Kraftstoff zu verdünnen; Dies bedeutet, dass der IFR einen höheren Anteil seines Brennstoffs verbrennen kann, bevor er wiederaufbereitet werden muss. Das meiste Plutonium wird in Forschungsreaktoren oder Plutoniumproduktionsreaktoren produziert, die als Brutreaktoren bezeichnet werden, weil sie mehr Plutonium produzieren, als sie Brennstoff verbrauchen; Grundsätzlich nutzen solche Reaktoren Natururan äußerst effizient. In der Praxis ist ihr Aufbau und Betrieb so schwierig, dass sie in der Regel nur zur Herstellung von Plutonium verwendet werden. Brutreaktoren sind im Allgemeinen (aber nicht immer) schnelle Reaktoren , da schnelle Neutronen bei der Plutoniumproduktion etwas effizienter sind.

Plutonium-239 wird häufiger in Kernwaffen eingesetzt als Uran-235, da es leichter in einer Menge kritischer Masse erhältlich ist . Sowohl Plutonium-239 als auch Uran-235 werden aus natürlichem Uran gewonnen , das hauptsächlich aus Uran-238 besteht, aber Spuren anderer Uranisotope wie Uran-235 enthält . Die Anreicherung von Uran , dh die Erhöhung des Verhältnisses von 235 U auf 238 U zum Waffengrad , ist in der Regel ein langwieriger und kostspieliger als die Herstellung von Plutonium-239 aus 238 U und die anschließende Wiederaufbereitung .

Supergrade Plutonium

Der "supergrade" Kernbrennstoff, der weniger Radioaktivität hat, wird in der Primärstufe von Nuklearwaffen der US-Marine anstelle des konventionellen Plutoniums verwendet, das in den Versionen der Air Force verwendet wird. „Supergrade“ ist Industrie parlance für Plutonium - Legierung einen außergewöhnlich hohen Anteil an Lager 239 Pu (> 95%), eine sehr geringe Menge des Verlassens 240 Pu, das eine hohe ist spontane Spaltung Isotop (siehe oben). Dieses Plutonium wird aus Brennstäben hergestellt , die sehr kurz bestrahlt wurden, gemessen in MW-Tag/Tonne Abbrand . Solche kurzen Bestrahlungszeiten begrenzen die Menge an zusätzlichem Neutroneneinfang und damit den Aufbau alternativer Isotopenprodukte wie 240 Pu im Stab und sind folglich auch erheblich teurer in der Herstellung, da für eine gegebene Menge an Plutonium viel mehr Stäbe bestrahlt und verarbeitet werden müssen .

Plutonium-240 ist nicht nur nach der Spaltung ein Neutronenemitter, sondern auch ein Gammastrahler und damit für einen großen Teil der Strahlung von gelagerten Atomwaffen verantwortlich. Ob auf Patrouille oder im Hafen, die Besatzungsmitglieder von U-Booten leben und arbeiten routinemäßig in unmittelbarer Nähe von Nuklearwaffen, die in Torpedoräumen und Raketenrohren gelagert werden, im Gegensatz zu Luftwaffenraketen, bei denen die Exposition relativ kurz ist. Die Notwendigkeit, die Strahlenbelastung zu reduzieren, rechtfertigt die zusätzlichen Kosten der hochwertigen Superlegierung, die bei vielen Marinenuklearwaffen verwendet wird. Supergrade Plutonium wird in W80- Sprengköpfen verwendet.

In Kernkraftwerken

In jedem in Betrieb befindlichen Kernreaktor, der 238 U enthält, sammelt sich etwas Plutonium-239 im Kernbrennstoff an. Im Gegensatz zu Reaktoren, die zur Herstellung von waffenfähigem Plutonium verwendet werden, arbeiten kommerzielle Kernkraftwerke typischerweise mit einem hohen Abbrand , der es ermöglicht, dass sich eine beträchtliche Menge an Plutonium im bestrahlten Reaktorbrennstoff ansammelt. Plutonium-239 wird sowohl im Reaktorkern während des Betriebs als auch in abgebranntem Kernbrennstoff vorhanden sein , der am Ende der Lebensdauer des Brennelements (typischerweise mehrere Jahre) aus dem Reaktor entfernt wurde. Abgebrannter Kernbrennstoff enthält üblicherweise etwa 0,8% Plutonium-239.

Das im Reaktorbrennstoff vorhandene Plutonium-239 kann Neutronen absorbieren und spalten, genau wie Uran-235. Da im Reaktorkern während des Betriebs ständig Plutonium-239 entsteht, kann der Einsatz von Plutonium-239 als Kernbrennstoff in Kraftwerken ohne Wiederaufarbeitung abgebrannter Brennelemente erfolgen ; das Plutonium-239 wird in denselben Brennstäben gespalten, in denen es produziert wird. Die Spaltung von Plutonium-239 liefert mehr als ein Drittel der Gesamtenergie, die in einem typischen kommerziellen Kernkraftwerk produziert wird. Reaktorbrennstoff würde während seiner Lebensdauer viel mehr als 0,8% Plutonium-239 ansammeln, wenn nicht ständig etwas Plutonium-239 durch Spaltung "abgebrannt" würde.

Ein kleiner Prozentsatz von Plutonium-239 kann absichtlich frischem Kernbrennstoff zugesetzt werden. Ein solcher Brennstoff wird als MOX- Brennstoff (Mixed Oxide) bezeichnet , da er eine Mischung aus Urandioxid (UO 2 ) und Plutoniumdioxid (PuO 2 ) enthält. Die Zugabe von Plutonium-239 verringert die Notwendigkeit, das Uran im Brennstoff anzureichern .

Gefahren

Plutonium-239 emittiert Alphateilchen und wird zu Uran-235 . Als Alphastrahler ist Plutonium-239 als externe Strahlungsquelle nicht besonders gefährlich, aber wenn es als Staub aufgenommen oder eingeatmet wird, ist es sehr gefährlich und krebserregend . Es wurde geschätzt, dass ein Pfund (454 Gramm) Plutonium, das als Plutoniumoxidstaub eingeatmet wird, bei zwei Millionen Menschen Krebs verursachen könnte. Eingenommenes Plutonium ist jedoch bei weitem weniger gefährlich, da nur ein winziger Bruchteil im Magen-Darm-Trakt resorbiert wird. 800 mg dürften im Hinblick auf die Strahlenbelastung kein großes Gesundheitsrisiko darstellen. Als Schwermetall ist Plutonium auch giftig. Siehe auch Plutonium#Vorsichtsmaßnahmen .

Plutonium in Waffenqualität (mit mehr als 90% 239 Pu) wird zur Herstellung von Atomwaffen verwendet und hat für diesen Zweck viele Vorteile gegenüber anderem spaltbarem Material. Geringere Anteile von 239 Pu würden ein zuverlässiges Waffendesign schwierig oder unmöglich machen; dies ist auf die spontane Spaltung (und damit Neutronenproduktion) des unerwünschten 240 Pu zurückzuführen.

Siehe auch

Verweise

Externe Links


Feuerzeug:
Plutonium-238
Plutonium-239 ist ein
Isotop von Plutonium
Schwerer:
Plutonium-240
Zerfallsprodukt von:
Curium-243 ( α )
Americium-239 ( EC )
Neptunium-239 ( β- )
Zerfallskette
von Plutonium-239
Zerfällt zu:
Uran-235 (α)