Плутоний-239

Плутоний-239 — это изотоп плутония с массовым числом 239, радиоактивный химический элемент, относящийся к группе актиноидов. Является одним из ключевых делящихся материалов, используемых в ядерной энергетике и при создании ядерного оружия. Период полураспада плутония-239 составляет около 24 110 лет. В природе встречается в следовых количествах, образующихся в урановых рудах под действием нейтронов космического излучения, однако промышленно значимые количества получают искусственно в ядерных реакторах.

История открытия и получения

Плутоний-239 был впервые синтезирован в 1940 году группой американских учёных под руководством Гленна Сиборга в Калифорнийском университете в Беркли. Исследователи бомбардировали мишень из урана-238 дейтронами, разогнанными в циклотроне, в результате чего образовался нептуний-238, который затем распался с образованием плутония-238. Однако практическое значение плутония-239 было осознано почти сразу: теоретические расчёты показывали, что этот изотоп, как и уран-235, способен поддерживать цепную ядерную реакцию деления.

В 1941 году было экспериментально подтверждено, что плутоний-239 делится под действием медленных нейтронов, что делало его перспективным материалом для создания ядерного оружия. В рамках Манхэттенского проекта (секретная программа США по разработке атомного оружия) были построены первые промышленные реакторы для наработки плутония-239. Первый такой реактор — «Хэнфордский» — был запущен в 1944 году в штате Вашингтон. Полученный плутоний-239 был использован при создании атомной бомбы «Толстяк», сброшенной на Нагасаки 9 августа 1945 года.

В Советском Союзе работы по получению плутония-239 начались в 1943 году под руководством Игоря Курчатова. Первый советский ядерный реактор для наработки плутония — Ф-1 — был запущен 25 декабря 1946 года в Лаборатории № 2 АН СССР (ныне — Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт»). Промышленное производство плутония-239 было организовано на комбинате № 817 (ныне — ПО «Маяк» в Озёрске, Челябинская область). Полученный плутоний-239 был использован в первой советской атомной бомбе РДС-1, испытанной 29 августа 1949 года.

Физические и химические свойства

Плутоний-239 — серебристо-белый металл, на воздухе быстро покрывающийся оксидной плёнкой. Он обладает шестью аллотропными модификациями, что делает его сложным в обработке материалом. Наиболее стабильная при комнатной температуре — альфа-фаза (моноклинная решётка). При нагревании до 115 °C происходит переход в бета-фазу, сопровождающийся значительным изменением объёма.

Основные физические характеристики плутония-239:

• Атомная масса: 239,0521634 а. е. м.
• Плотность (альфа-фаза): 19,86 г/см³
• Температура плавления: 639,5 °C
• Температура кипения: 3228 °C
• Удельная теплота плавления: 2,82 кДж/моль

Химически плутоний-239 активен: он реагирует с кислородом, водородом, галогенами, азотом и углеродом. В растворах проявляет переменную валентность (от +3 до +7), что усложняет его химическую переработку. Наиболее устойчивы соединения Pu(III) и Pu(IV).

Ядерные свойства

Плутоний-239 является делящимся изотопом: его ядро способно делиться под действием нейтронов любых энергий, но особенно эффективно — под действием тепловых (медленных) нейтронов. Сечение деления для тепловых нейтронов составляет около 748 барн. При делении одного ядра плутония-239 выделяется примерно 200 МэВ энергии, а также образуется в среднем 2,88 нейтрона. Это значение превышает аналогичный показатель для урана-235 (около 2,43), что делает плутоний-239 более эффективным материалом для ядерных зарядов.

Критическая масса плутония-239 в металлической форме с отражателем нейтронов составляет около 10 кг (для сферы). В растворах или при наличии замедлителя критическая масса может быть существенно меньше. Период полураспада плутония-239 — 24 110 лет, тип распада — альфа-распад с образованием урана-235. Удельная активность — 2,27×10⁹ Бк/г.

Получение

Промышленное получение плутония-239 осуществляется в ядерных реакторах на тепловых нейтронах. Основной процесс — захват нейтрона ядром урана-238 с последующим бета-распадом:

¹²³⁸U + n → ¹²³⁹U → (β⁻, 23,5 мин) → ¹²³⁹Np → (β⁻, 2,36 сут) → ¹²³⁹Pu

Образовавшийся плутоний-239 накапливается в отработавшем ядерном топливе (ОЯТ). Его извлечение производится на радиохимических заводах методом плутоний-уранового разделения (PUREX-процесс). Технология включает растворение ОЯТ в азотной кислоте, экстракцию плутония и урана трибутилфосфатом в органическом растворителе, последующую очистку и концентрирование.

Выход плутония-239 зависит от типа реактора, выгорания топлива и режима работы. В типичном водо-водяном энергетическом реакторе (ВВЭР) за кампанию нарабатывается около 200–300 кг плутония-239 на 1 ГВт установленной мощности. В реакторах на быстрых нейтронах (например, БН-600, БН-800) возможно получение плутония-239 с более высоким выходом и лучшим изотопным составом.

Применение

Ядерное оружие

Плутоний-239 является основным делящимся материалом для большинства современных ядерных боезарядов. Его преимущества перед ураном-235: меньшая критическая масса, более высокий выход нейтронов при делении, возможность создания компактных и мощных зарядов. В ядерных боеголовках используется оружейный плутоний, содержащий не менее 93 % изотопа ²³⁹Pu. Производство и обращение с оружейным плутонием регулируются международными договорами, в частности Договором о нераспространении ядерного оружия (ДНЯО).

Ядерная энергетика

Плутоний-239 используется в качестве компонента смешанного уран-плутониевого топлива (МОКС-топливо). Такое топливо применяется в реакторах на тепловых нейтронах (например, ВВЭР-1000) и в реакторах на быстрых нейтронах (БН-600, БН-800). Использование плутония-239 позволяет вовлечь в энергетический цикл значительные запасы накопленного плутония из ОЯТ и снизить объём радиоактивных отходов.

Научные исследования

Плутоний-239 используется в качестве источника альфа-частиц в радиоизотопных термоэлектрических генераторах (РИТЭГ) для космических аппаратов и удалённых автоматических станций. Также он применяется в нейтронных источниках и в экспериментах по физике деления ядер.

Биологическая опасность и радиационная безопасность

Плутоний-239 является высокотоксичным радионуклидом. Основную опасность представляет альфа-излучение, которое при внешнем облучении задерживается слоем воздуха или кожей, но при попадании внутрь организма (ингаляционно, с пищей или через раны) вызывает тяжёлые поражения внутренних органов. Плутоний-239 обладает высокой химической токсичностью и способностью накапливаться в костной ткани и печени.

Предельно допустимая концентрация плутония-239 в воздухе рабочих помещений составляет 2,4×10⁻⁶ Бк/м³. При работе с плутонием-239 используются герметичные боксы, дистанционные манипуляторы и системы вентиляции с фильтрацией. Все операции проводятся в строгом соответствии с нормами радиационной безопасности.

Правовой статус и нераспространение

Обращение с плутонием-239 регулируется национальными и международными нормами. В России производство, хранение и использование плутония-239 контролируются Государственной корпорацией по атомной энергии «Росатом» и Федеральной службой по экологическому, технологическому и атомному надзору (Ростехнадзор). Перемещение плутония-239 через границы подлежит обязательному лицензированию.

Значительные запасы оружейного плутония-239 накоплены в России и США. В рамках договорённостей о сокращении стратегических наступательных вооружений (СНВ) и программы «Мегатонны в мегаватты» часть оружейного плутония перерабатывается в МОКС-топливо для гражданских реакторов.

Источники

• Г. Сиборг, Дж. Кац. Химия актиноидных элементов. — М.: Мир, 1965.
• А. П. Бабенко, В. И. Болдырев. Плутоний: свойства, получение, применение. — М.: Энергоатомиздат, 1988.
• И. И. Гуревич, Л. В. Тарасов. Физика деления атомных ядер. — М.: Наука, 1980.
• Материалы Международного агентства по атомной энергии (МАГАТЭ). «Plutonium Management in the Nuclear Fuel Cycle». — Вена, 2009.
• Доклад Министерства энергетики США. «Plutonium-239: Production, Properties, and Uses». — Вашингтон, 2015.
• Федеральные нормы и правила в области использования атомной энергии (НП-001-15, НП-002-15). — М.: Ростехнадзор, 2015.