Plutonium-239

Plutonium 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	175,8
Kinetická energie okamžitých neutronů	5,9
Energie okamžitých γ fotonů	7,8
Celková energie	189,5
Energie částic β−	5,3
Energie antineutrin	7,1
Energie opožděných γ fotonů	5,2
Celková energie rozpadajících se produktů štěpení	17,6
Energie uvolněná záchytem okamžitých neutronů	11,5
Celkové teplo uvolněné v tepelně-spektrálním reaktoru (mimo antineutrina)	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. Tato přeměna je snažší 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:

 238
92 U +  1
0 n →  239
92 U →  239
93 Np →  239
92 Pu

Ke štěpení zde dochází jen výjimečně, a takto vyrobené plutonium stále obsahuje velké množství ²³⁸U a dalších izotopů uranu, kyslík, ostatní šložky 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 vetší 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.kg^-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 rozčtěpení 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 narozdíl od reaktorů používaných k výrobě plutonia pro jaderné zbraně obvykle pracují s vyšší spotřebou, což umožňuje, aby v ozářeném palivu vzniklo významné množství plutonia. 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. 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. Požité plutonium je však mnohem méně nebezpečné a jen malá část se vstřebává v žaludku a střevech.

Reference

V tomto článku byl použit překlad textu z článku Plutonium-239 na anglické Wikipedii.

Portály: Chemie