Free Student HQ / FSHQ / "Штаб-Квартира свободного Студента"

Физические, ядерные и химические свойства плутония

Плутоний-239 — один из двух видов делящихся материалов, применяемых при производстве ядерного оружия (другой — уран-235). Плутоний-239 не встречается в природе, но может быть получен искусственно при нейтронном облучении урана-238 в ядерном реакторе. Уран-238 содержится в значительном количестве в большинстве видов реакторного топлива. Поэтому в реакторах непрерывно производится плутоний-239, который в свою очередь расщепляется нейтронами с высвобождением энергии, тем самым обеспечивая определенную долю всей энергии, производимой реактором.

Физические свойства металлического плутония: цвет — серебристо-белый, температура плавления — 641°С, температура кипения — 3 232 °С, плотность — 16—20 г/см³.

Ядерные свойства плутония

Плутоний относится к классу трансурановых элементов (так называют элементы, массовое число которых больше 92 — массового числа урана). Все трансурановые элементы созданы искусственно. Массовое число плутония — 94. У плутония 15 изотопов с массовыми числами от 232 до 246. Поскольку все изотопы имеют одинаковое число протонов и разное — нейтронов, их химические свойства (химические свойства элементов зависят от числа протонов в ядре) тождественны, поэтому очень трудно разделить изотопы с помощью химических методов. Лишь два изотопа плутония имеют практическое применение в промышленных и военных целях. Плутоний-238, получаемый в ядерных реакторах из нептуния-237, используется для производства компактных термоэлектрических генераторов. Плутоний-239 применяют в качестве начинки для ядерных боезарядов и в ядерной энергетике.

Несмотря на то что плутоний-241 также относится к делящимся материалам, его использование в военных целях и в составе топлива для реакторов оказалось неэффективным, в основном из-за более высокой стоимости, а также вследствие более короткого периода полураспада и более высокой радиоактивности по сравнению с плутонием-239. Другие изотопы плутония (с массовыми числами от 240 от 242), также производимые в реакторах, являются сильно токсичными веществами и потому практического применения не имеют. Наиболее важны энергетический и оружейный плутоний, содержащие помимо плутония-239 разное количество изотопов плутония -240, -241, -242. Все изотопы плутония являются радиоактивными, но имеют различные периоды полураспада (табл. 1).

Плутоний-239 и плутоний-241, являясь делящимися материалами, при воздействии тепловых (с почта нулевой энергией) и быстрых нейтронов делятся на два новых ядра (с высвобождением энергии) и испускают нейтроны. Каждое деление плутония-239, происходящее при поглощении медленного нейтрона, приводит к образованию в среднем одного-двух новых нейтронов. Если по крайней мере один из этих нейтронов расщепляет другие адра плутония-239, возникает само-поддерживающаяся цепная реакция.

Четные изотопы плутоний-238, -240 и -242 не являются делящимися материалами, но могут делиться под действием нейтронов высокой энергии (являются делимыми). Они не способны поддерживать цепную реакцию (за исключением плутония-240).

Минимальное количество материала, необходимого для поддержания цепной реакции, называется критической массой. Сверх - критическая масса способна поддерживать растущую цепную реакцию, при которой количество высвобождаемой энергии увеличивается со временем. Количество материала, необходимого для достижения критической массы, зависит от геометрической конфигурации и плотности материала. Критическая масса сферической формы для металлического плутония -239 — около 10 кг. Ее можно существенно уменьшить различными способами. Для боезарядов, действие которых основано на принципе деления, критическая мас¬са плутония колеблется от 3 до 5 кг. Наименьшая теоретически возможная критическая масса плутония-239 оценивается в несколько сот граммов.

В отличие от ядерного оружия в ядерных реакторах высвобождение энергии осуществляется стабильно в течение длительного времени. Это означает, что цепная реакция должна быть контролируемой, т.е. число поглощенных нейтронов должно быть равно числу выделенных. Такое равновесие достигается, когда гарантировано, что каждое деление производит в точности еще одно деление.

Химические свойства и опасность плутония

Поведение плутония в воздушной среде определяет условия для безопасного хранения и обращения с ним в процессе выработки (табл. 2). Окисление плутония создает риск для здоровья людей, т.к. диоксид плутония, будучи устойчивым соединением, легко попадает в легкие при дыхании, где задерживается на длительное время. Менее опасно попадание его в организм с пищей, попоглощается тканями внутренних органов.

Соединения плутония и их применение

Соединения плутония с кислородом, углеродом и фтором используются в ядерной промышленности (непосредственно или в качестве промежуточных материалов). Металлический плутоний не растворяется в азотной кислоте, но диоксид плутония растворяется в горячей концентрированной азотной кислоте. Однако в твердой смеси с диоксидом урана (напр, в отработанном топливе ядерных реакторов) растворимость диоксида плутония в азотной кислоте увеличивается, поскольку диоксид урана растворяется в ней. Эта особенность используется при переработке отработанного ядерного топлива (табл. 3).

Производство и качество плутония - 239

Плутоний-239 получают в гражданских и военных ядерных реакторах из урана-238. При поглощении нейтрона плутонием-239 образуется плутоний-240. Поглощение плутонием-240 еще одного нейтрона дает плутоний-241 и т. д. Поскольку плутоний-239 первым образуется в ядерном реакторе при облучении урана-238, то чем длительнее этот процесс, тем больше возникает более тяжелых изотопов плутония.

Плутоний-239 должен быть химически отделен от продуктов деления и оставшегося в отработанном реакторном топливе урана. Этот процесс называется репроцессингом. В энергетических ядерных реакторах топливо облучается длительное время (выгорает). При производстве плутония в военных целях выгорание производят в таком режиме, чтобы получить как можно больше плутония-239, т.е. сократить до минимума образование остальных изотопов плутония. Качество плутония определяется по процентному содержанию в нем изотопов, кроме плутония-239 (табл. 4).

Эта классификация плутония по качеству, разработанная Департаментом энергетики США, достаточно произвольна. Напр., из топливного и реакторного плутония, менее пригодных для военных целей, чем оружейный, также можно сделать ядерную бомбу. Но ее мощность труднее предсказать из-за наличия нежелательных нейтронов от спонтанного деления. (Поэтому возможность некоторых стран создать ядерный арсенал, используя реакторный плутоний, не является исключительно теоретической.) Плутоний любого качества может быть применен для создания радиологического оружия (когда радиоактивные вещества распыляются без осуществления ядерного взрыва).

 

 

Сайт создан в 2012 г. © Все права на материалы сайта принадлежат его автору!
Копирование любых материалов сайта возможно только с разрешения автора и при указании ссылки на первоисточник.
Яндекс.Метрика