Плутоний-239 и его свойства¶

Плутоний-239 (²³⁹Pu) — радиоактивный изотоп химического элемента плутония с атомным номером 94 и массовым числом 239. Относится к актиноидам, является альфа-излучателем с периодом полураспада около 24 100 лет. Это ключевой делящийся нуклид, используемый в ядерном оружии и в качестве топлива для энергетических реакторов. В природе в заметных количествах не встречается и образуется главным образом в ядерных реакторах при захвате нейтронов ядрами урана-238.

¶Физические и ядерные свойства

Плутоний-239 — металл серебристо-белого цвета, плотность около 19,8 г/см³, температура плавления примерно 640 °C. Изотоп обладает высокой способностью к делению под действием тепловых нейтронов: сечение деления составляет около 750 барн, что делает его эффективным ядерным топливом и материалом для ядерных зарядов.

Основные характеристики:

При альфа-распаде образуется уран-235, также делящийся материал. Спонтанное деление плутония-239 происходит крайне редко, что важно для оружейного применения, где требуется низкий нейтронный фон. В то же время примесь изотопа плутоний-240 с высоким спонтанным делением ограничивает использование реакторного плутония в оружии.

¶Образование и получение

В природе плутоний-239 практически отсутствует из-за короткого по геологическим меркам периода полураспада. Его получают искусственно в ядерных реакторах. Основная реакция:

1. Ядро урана-238 захватывает нейтрон и превращается в уран-239.
2. Уран-239 испытывает бета-распад (период около 23 минут), превращаясь в нептуний-239.
3. Нептуний-239 также бета-распадается (период около 2,3 суток), образуя плутоний-239.

Таким образом, плутоний-239 накапливается в отработавшем ядерном топливе. Его выделяют химической переработкой облучённого урана — например, по PUREX-процессу, основанному на экстракции органическими растворителями. В энергетических реакторах наработка плутония сопровождается образованием смеси изотопов, которую называют реакторным плутонием.

¶Применение

¶Ядерное оружие

Плутоний-239 — основной делящийся материал для ядерных зарядов. Именно он использовался в бомбе «Толстяк», сброшенной на Нагасаки в 1945 году. Из-за высокой критической массы и необходимости точной имплозии заряд конструируют с использованием сферического плутониевого ядра и мощного взрывного обжатия. Оружейный плутоний должен содержать не менее 93 % изотопа ²³⁹Pu, чтобы минимизировать нейтронный фон от ²⁴⁰Pu.

¶Ядерная энергетика

В реакторах на тепловых нейтронах плутоний-239 может использоваться в составе смешанного оксидного топлива (MOX), содержащего оксиды плутония и урана. Такое топливо применяют во Франции, Японии, России и ряде других стран. Использование MOX позволяет вовлекать в топливный цикл оружейный и реакторный плутоний, сокращая его запасы.

¶Космические и исследовательские применения

Сам плутоний-239 как источник энергии в радиоизотопных генераторах применяется редко — для этих целей чаще используют плутоний-238 с большим тепловыделением. Однако ²³⁹Pu служит эталонным материалом в ядерной физике и метрологии, а также в нейтронных источниках.

¶Радиационная опасность

Плутоний-239 — альфа-излучатель, и его альфа-частицы не проникают через кожу. Основная опасность связана с внутренним облучением: при вдыхании или попадании в организм аэрозолей и частиц изотоп накапливается в костях и печени, вызывая тяжёлые поражения. Поэтому работы с плутонием ведутся в герметичных боксах и перчаточных камерах, с контролем радиоактивного загрязнения. Внешнее гамма-излучение самого ²³⁹Pu невелико, но продукты его распада и примеси могут создавать дополнительный фон.

¶История изучения

Плутоний был открыт в 1940 году группой американских учёных под руководством Гленна Сиборга при облучении урана. Изотоп ²³⁹Pu впервые выделили в 1941 году. В рамках Манхэттенского проекта в 1940-х годах были созданы промышленные реакторы и радиохимические заводы для наработки плутония. В СССР первые образцы плутония-239 получили в 1945–1946 годах под руководством Игоря Курчатова, что позволило создать первый советский ядерный заряд, испытанный в 1949 году на Семипалатинском полигоне.

¶Изотопный состав и различие с плутонием-240

Практическое значение имеет разделение плутония по изотопам. Плутоний-240 образуется при дополнительном захвате нейтрона ядром ²³⁹Pu и обладает высоким спонтанным делением, что затрудняет создание оружия. Поэтому различают:

• оружейный плутоний — содержание ²³⁹Pu не менее 93 %;
• реакторный плутоний — с заметной долей ²⁴⁰Pu и других изотопов;
• энергетический плутоний — для MOX-топлива.

Контроль за оборотом плутония-239 ведётся в рамках международных соглашений о нераспространении ядерного оружия и гарантий МАГАТЭ.

¶Значение

Плутоний-239 занимает центральное место в ядерной энергетике и оборонной сфере. Его свойства определили развитие ядерных технологий XX века, а вопросы обращения с ним остаются предметом международной безопасности и экологического контроля.

Источники: материалы по ядерной физике и радиохимии, данные МАГАТЭ, публикации по истории Манхэттенского проекта и советского атомного проекта.