Cesko.wiki Plutonium-239
Author
Albert FloresPlutonium 239 (239Pu) je izotop plutonia s poločasem přeměny 24 110 let. Jedná se o hlavní štěpitelný nuklid používaný v jaderných zbraních, 235U se používá méně často. 239Pu je rovněž, spolu s 233U a 235U, jedním ze tří hlavních nuklidů použitelných v tepelných spektrálních jaderných reaktorech.
Jaderné vlastnosti
Jaderné vlastnosti plutonia 239, stejně jako možnost vyrábět velmi čisté 239Pu mnohem levněji, než vysoce obohacený 235U, vedly k jeho využití v jaderných zbraních a jaderných elektrárnách. Při štěpení uranu-235 tepelnými neutrony se uvolní dva nebo tři neutrony, které mohou být absorbovány uranem-238 za vzniku uranu-239, který se dvěma beta minus přeměnami změní na plutonium-239 a to se v reaktoru může štěpit společně s uranem-235.
Plutonium-239 má ze všech běžnějších jaderných paliv nejmenší kritickou hmotnost, přibližně 11 kg, což odpovídá kouli o průměru 10,2 cm. Vhodnými postupy lze toto kritické množství snížit více než dvojnásobně.
Rozštěpením jednoho jádra 239Pu se uvolní 207,1 MeV (3,318×10−11 J) energie, tedy přibližně 19,98 TJ na mol nebo 83,61 TJ na kilogram.
| zdroj záření (tepelné štěpení 239Pu) | průměrná uvolněná energie [MeV] |
|---|---|
| Kinetická energie jader vzniklých štěpením | center | 175,8 |
| Kinetická energie okamžitých neutronů | center| 5,9 |
| Energie okamžitých γ fotonů | center| 7,8 |
| Celková energie | center | 189,5 |
| Energie částic β− | center | 5,3 |
| Energie antineutrin | center | 7,1 |
| Energie opožděných γ fotonů | center | 5,2 |
| Celková energie rozpadajících se produktů štěpení | center | 17,6 |
| Energie uvolněná záchytem okamžitých neutronů | center | 11,5 |
| Celkové teplo uvolněné v tepelně-spektrálním reaktoru (mimo antineutrina) | center | 211,5 |
Výroba
Plutonium-239 se vyrábí z uranu, obvykle v jaderných reaktorech přeměnou jednotlivých atomů jednoho z izotopů uranu přítomného v palivových tyčích. Pokud je atom uranu-238 vystaven neutronovému záření, tak některá jeho jádra absorbují neutron za vzniku uranu-239. +more Tato přeměna je snazší při použití neutronů s nízkou kinetickou energií (aktivační energie štěpení jádra 238U je 6,6 MeV). Uran-239 se následně rychle dvěma beta minus přeměnami změní nejprve na neptunium-239 a následně na plutonium-239:.
p=238|b=92|a=r|s=0U + p=1|b=0|a=r|s=0n → p=239|b=92|a=r|s=0U → p=239|b=93|a=r|s=0Np → p=239|b=94|a=r|s=0Pu
Ke štěpení zde dochází jen výjimečně, a takto vyrobené plutonium stále obsahuje velké množství 238U a dalších izotopů uranu, kyslík, ostatní složky původního materiálu a štěpné produkty. Pokud je palivo vystaveno neutronům v reaktoru několik dnů, tak lze oddělit 239Pu pomocí chemických metod a získat tak velmi čisté 239Pu.
239Pu má větší pravděpodobnost štěpení než 235U a větší počet uvolněných neutronů při štěpení, a tak i menší kritickou hmotnost. Čisté plutonium-239 také méně uvolňuje neutrony kvůli spontánnímu štěpení (asi 10 štěpení za sekundu na kilogram) a díky tomu lze shromáždit výrazně nadkritické množství tohoto izotopu, aniž by došlo k výbuchu kvůli řetězové reakci.
V praxi obsahuje plutonium vyrobené v reaktoru nezanedbatelný podíl 240Pu kvůli tendenci 239Pu pohltit během procesu další neutron. U plutonia-240 je úroveň spontánního štěpení mnohem vyšší (415 000 štěpení·s−1. +morekg−1), kvůli čemuž je nežádoucí příměsí. Plutonium s velkým podílem 240Pu tak není příliš vhodné k použití v jaderných zbraních; vyzařuje neutronové záření, což ztěžuje skladování, a může vést k menšímu výbuchu, při kterém se zbraň poškodí, ale nedojde k rozštěpení většího množství paliva (u moderních jaderných zbraní využívajících k zahájení fúze tvorbu dalších neutronů, není tento jev problémem). Kvůli tomuto omezení musí být jaderné zbraně využívající plutonium implozního typu. 239Pu a 240Pu od sebe nelze chemicky odlišit, a k jejich oddělení je tedy potřeba náročná a nákladná izotopová separace.
Použití v jaderných reaktorech
V jakémkoliv fungujícím reaktoru obsahujícím uran-238 se vytváří určité množství plutonia-239. Komerční reaktory na rozdíl od reaktorů používaných k výrobě plutonia pro jaderné zbraně obvykle pracují s vyšší spotřebou, což umožňuje, aby v ozářeném palivu vzniklo významné množství plutonia. +more Plutonium-239 se vyskytuje jak v reaktorovém jádru během provozu, tak i v použitém palivu. Použité palivo obvykle obsahuje kolem 0,8 % 239Pu.
Plutonium-239 přítomné v reaktorovém palivu může absorbovat neutrony a štěpit se podobně jako uran-235. Jelikož se v reaktorovém jádru během provozu 239Pu tvoří neustále, tak může k jeho využívání jako jaderného paliva docházet, aniž by se palivo přepracováválo; plutonium-239 se štěpí v palivových tyčích, ve kterých vzniká. +more Štěpením plutonia-239 se uvolňuje kolem třetiny veškeré energie obvykle získané v jaderné elektrárně. Pokud část 239Pu není neustále „spalována“, tak může jeho obsah v palivu vzrůst výrazně nad 0,8 %.
Do nového jaderného paliva lze přidat malý podíl 239Pu. Přidání tohoto nuklidu omezuje nutnost použití obohaceného uranu.
Bezpečnost
Plutonium-239 vyzařuje částice alfa za vzniku uranu-235. Jako alfa zářič není příliš nebezpečné jako vnější zdroj ionizujícího záření, ovšem při vdechnutí nebo požití je vysoce toxické a karcinogenní. +more Požité plutonium je však mnohem méně nebezpečné a jen malá část se vstřebává v žaludku a střevech.