Плутоний. Описание плутония. Свойства плутония

В ядерных энергетических реакторах

В любом действующем ядерном реакторе, содержащем 238 U, некоторое количество плутония-239 будет накапливаться в ядерном топливе. [5] 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. [6] 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.

Видео

Повышение мощности производственных реакторов

Изначально первый реактор «Маяк» функционировал с мощностью 100 тепловых МВт. Однако главный руководитель советской программы по разработке ядерного оружия Игорь Курчатов внес предложение, которое заключалось в том, чтобы реактор в зимнее время работал с мощностью 170-190 МВт, а в летний период времени – 140-150 МВт. Такой подход позволил реактору производить почти 140 граммов драгоценного плутония в сутки.

В 1952 году были проведены полноценные научно-исследовательские работы, с целью увеличения производственной мощности функционирующих реакторов такими методами:

  • Путем увеличения потока воды, используемой для охлаждения и протекающей через активные зоны ядерной установки.
  • Посредством наращивания сопротивления явлению коррозии, возникающей вблизи вкладыша каналов.
  • Уменьшением скорости окисления графита.
  • Наращиванием температуры внутри топливных элементов.

В итоге пропускная способность циркулирующей воды значительно возросла после того, как был увеличен зазор между топливом и стенками канала. От коррозии также удалось избавиться. Для этого выбрали наиболее подходящие алюминиевые сплавы и начали активно добавлять бихромат натрия, что, в конечном счете, повысило мягкость охлаждающей воды (рН стал равен порядка 6.0-6.2). Окисление графита перестало быть актуальной проблемой после того, как для его охлаждения стали применять азот (до этого использовался исключительно воздух).

На закате 1950-х нововведения были полностью реализованы на практике, что позволило уменьшить вызываемое радиацией крайне ненужное раздувание урана, значительно снизить тепловое упрочнение стержней из урана, улучшить сопротивление оболочки и повысить контроль качества производства.

Сибирский гигант

«Томск-7» – именно такое название носил завод, на котором расположились пять реакторов для создания плутония. Каждый из агрегатов применял графит с целью замедлить нейтроны и обычную воду для обеспечения надлежащего охлаждения.

Реактор И-1 работал с системой охлаждения, в которой вода проходила единожды. Однако остальные четыре установки были снабжены замкнутыми первичными контурами, оборудованными теплообменниками. Такая конструкция позволяла дополнительно вырабатывать еще и пар, который в свою очередь помогал в производстве электричества и обогрева различных жилых помещений.

«Томск-7» имел также и реактор под названием ЭИ-2, который, в свою очередь, имел двойное назначение: производил плутоний и за счет вырабатываемого пара генерировал 100 МВт электроэнергии, а также 200 МВт тепловой энергии.

Свойства плутония


Радиоактивный металл плутоний обладает следующими физическими свойствами:

  • плотность 19,8 г/см3
  • температура плавления – 641°C
  • температура кипения – 3232°C
  • теплопроводность (при 300 K) – 6,74 Вт/(м·К)

Плутоний радиоактивен, поэтому теплый на ощупь. При этом для этого металла характерна самая низкая теплопроводность и электропроводность. Жидкий плутоний является самым вязким из всех существующих металлов.

Малейшее изменение температуры плутония приводит к моментальному изменению плотности вещества. В целом же, масса плутония постоянно меняется, поскольку ядра этого металла находятся в состоянии постоянного деления на более мелкие ядра и нейтроны. Критическая масса плутония – так называют минимальную массу делимого вещества, при которой протекание деления (цепной ядерной реакции) остается возможным. К примеру, критическая масса оружейного плутония – 11 кг (для сравнения, критическая масса высокообогащенного урана – 52 кг).

Физические свойства плутония

Существует 15 изотопов плутония — В наибольших количествах получаются изотопы с массовыми числами от 238 до 242:

238Pu -> (период полураспада 86 лет, альфа-распад) -> 234U,

Этот изотоп используется почти исключительно в РИТЭГ космического назначения, например, на всех аппаратах, улетавших дальше орбиты Марса.

239Pu -> (период полураспада 24 360 лет, альфа-распад) -> 235U,

Этот изотоп наиболее подходит для конструирования ядерного оружия и ядерных реакторов на быстрых нейтронах.

240Pu -> (период полураспада 6580 лет, альфа-распад) -> 236U, 241Pu -> (период полураспада 14.0 лет, бета-распад) -> 241Am, 242Pu -> (период полураспада 370 000 лет, альфа-распад) -> 238U

Эти три изотопа серьёзного промышленного значения не имеют, но получаются, как побочные продукты, при получении энергии в ядерных реакторах на уране, путём последовательного захвата нескольких нейтронов ядрами урана-238. Изотоп 242 по ядерным свойствам наиболее похож на уран-238. Америций-241, получавшийся при распаде изотопа 241, использовался в детекторах дыма.

Плутоний интересен тем, что от температуры затвердевания до комнатной претерпевает шесть фазовых переходов, больше, чем любой другой химический элемент. При последнем плотность увеличивается скачком на 11%, в результате, отливки из плутония растрескиваются. Стабильной при комнатной температуре является альфа-фаза, характеристики которой и приведены в таблице. Для применения более удобной является дельта-фаза, имеющая меньшую плотность, и кубическую объёмно-центрированную решётку. Плутоний в дельта-фазе весьма пластичен, в то время, как альфа-фаза хрупкая. Для стабилизации плутония в дельта-фазе применяется легирование трёхвалентными металлами (в первых ядерных зарядах использовался галлий).

Опасности

Плутоний-239 испускает альфа-частицы, превращаясь в уран-235 . Как альфа-излучатель, плутоний-239 не особенно опасен как внешний источник излучения, но если он проглатывается или вдыхается в виде пыли, он очень опасен и канцероген . Было подсчитано, что фунт (454 грамма) плутония, вдыхаемый в виде пыли оксида плутония, может вызвать рак у двух миллионов человек. Однако проглоченный плутоний гораздо менее опасен, так как лишь малая его часть всасывается в желудочно-кишечном тракте. 800 мг вряд ли вызовут серьезный риск для здоровья в том, что касается радиации. Как тяжелый металл , плутоний также токсичен. См. Также Плутоний # Меры предосторожности .

Оружейный плутоний (с более чем 90% 239 Pu) используются для создания ядерного оружия и имеет много преимуществ перед другими расщепляющимися материалами для этой цели. Меньшие пропорции 239 Pu сделали бы создание надежного оружия трудным или невозможным; это происходит из-за спонтанного деления (и, следовательно, образования нейтронов) нежелательного плутония- 240 .

Теги