angereichertes Plutonium. Was tun, wenn Ihr Sohn Plutonium gefunden hat? Wie wird Plutonium gewonnen?

Dieses Metall wird als kostbar bezeichnet, aber nicht wegen seiner Schönheit, sondern wegen seiner Unverzichtbarkeit. In Mendelejews Periodensystem belegt dieses Element die Zelle Nummer 94. Auf ihn setzen die Wissenschaftler ihre größten Hoffnungen, und Plutonium bezeichnen sie als das gefährlichste Metall für die Menschheit.

Plutonium: Beschreibung

Durch das Auftreten es ist ein silberweißes Metall. Es ist radioaktiv und kann als 15 Isotope mit unterschiedlichen Halbwertszeiten dargestellt werden, zum Beispiel:

• Pu-238 - etwa 90 Jahre alt
• Pu-239 - ungefähr 24.000 Jahre
• Pu-240 - 6580 Jahre
• Pu-241 - 14 Jahre
• Pu-242 - 370.000 Jahre
• Pu-244 - ungefähr 80 Millionen Jahre

Dieses Metall kann nicht aus dem Erz gewonnen werden, da es ein Produkt der radioaktiven Umwandlung von Uran ist.

Wie wird Plutonium gewonnen?

Die Produktion von Plutonium erfordert die Spaltung von Uran, was nur in Kernreaktoren erfolgen kann. Wenn wir über das Vorhandensein des Elements Pu in sprechen Erdkruste, dann gibt es für 4 Millionen Tonnen Uranerz nur 1 Gramm reines Plutonium. Und dieses Gramm entsteht durch den natürlichen Einfang von Neutronen durch Urankerne. Um diesen Kernbrennstoff (normalerweise das Isotop 239-Pu) in einer Menge von mehreren Kilogramm zu erhalten, ist es daher notwendig, einen komplexen technologischen Prozess in einem Kernreaktor durchzuführen.

Eigenschaften von Plutonium

Das radioaktive Metall Plutonium hat folgende physikalische Eigenschaften:

• Dichte 19,8 g / cm 3
• Schmelzpunkt – 641°C
• Siedepunkt – 3232°C
• Wärmeleitfähigkeit (bei 300 K) – 6,74 W/(m·K)

Plutonium ist radioaktiv und fühlt sich daher warm an. Gleichzeitig zeichnet sich dieses Metall durch die niedrigste thermische und elektrische Leitfähigkeit aus. Flüssiges Plutonium ist das zähflüssigste aller existierenden Metalle.

Die geringste Änderung der Temperatur von Plutonium führt zu einer sofortigen Änderung der Dichte der Substanz. Im Allgemeinen ändert sich die Masse von Plutonium ständig, da sich die Kerne dieses Metalls in einem Zustand ständiger Spaltung in kleinere Kerne und Neutronen befinden. Die kritische Masse von Plutonium ist die Bezeichnung für die Mindestmasse an spaltbarem Material, bei der eine Spaltung (nukleare Kettenreaktion) noch möglich ist. Beispielsweise beträgt die kritische Masse von waffenfähigem Plutonium 11 kg (zum Vergleich: Die kritische Masse von hochangereichertem Uran beträgt 52 kg).

Uran und Plutonium sind die wichtigsten Kernbrennstoffe. Um Plutonium in großen Mengen zu gewinnen, werden zwei Technologien verwendet:

• Uranbestrahlung
• Bestrahlung von Transuran-Elementen aus abgebrannten Brennelementen

Beide Methoden sind die Trennung von Plutonium und Uran als Ergebnis einer chemischen Reaktion.

Um reines Plutonium-238 zu erhalten, wird Neptunium-237 durch Neutronenbestrahlung verwendet. Das gleiche Isotop ist an der Herstellung von waffenfähigem Plutonium-239 beteiligt, insbesondere ist es ein Zwischenzerfallsprodukt. 1 Million Dollar kostet 1 kg Plutonium-238.

Viele unserer Leser assoziieren die Wasserstoffbombe mit der Atombombe, nur viel mächtiger. Tatsächlich handelt es sich um eine grundlegend neue Waffe, die zu ihrer Herstellung unverhältnismäßig große intellektuelle Anstrengungen erforderte und auf grundlegend anderen physikalischen Prinzipien arbeitet.

Das Einzige, was die Atombombe und die Wasserstoffbombe gemeinsam haben, ist, dass beide die im Atomkern verborgene kolossale Energie freisetzen. Dies kann auf zwei Arten erfolgen: schwere Kerne wie Uran oder Plutonium in leichtere spalten (Spaltreaktion) oder die leichtesten Wasserstoffisotope zur Verschmelzung zwingen (Fusionsreaktion). Als Ergebnis beider Reaktionen ist die Masse des resultierenden Materials immer kleiner als die Masse der Ausgangsatome. Aber die Masse kann nicht spurlos verschwinden – sie wird nach der berühmten Einstein-Formel E=mc 2 zu Energie.

Um eine Atombombe zu bauen, ist es eine notwendige und hinreichende Bedingung, spaltbares Material in ausreichenden Mengen zu erhalten. Die Arbeit ist eher mühselig, aber wenig intellektuell und steht dem Bergbau näher als der hohen Wissenschaft. Die Hauptressourcen bei der Herstellung solcher Waffen fließen in den Bau riesiger Uranminen und -anreicherungsanlagen. Ein Beweis für die Einfachheit des Geräts ist die Tatsache, dass zwischen der Beschaffung des für die erste Bombe erforderlichen Plutoniums und der ersten sowjetischen Atomexplosion nicht einmal ein Monat verging.

Erinnern wir uns kurz an das aus dem Physikunterricht bekannte Funktionsprinzip einer solchen Bombe. Es basiert auf der Eigenschaft von Uran und einigen Transuran-Elementen wie Plutonium, beim Zerfall mehr als ein Neutron freizusetzen. Diese Elemente können sowohl spontan als auch unter dem Einfluss anderer Neutronen zerfallen.

Das freigesetzte Neutron kann das radioaktive Material verlassen oder mit einem anderen Atom kollidieren und eine weitere Spaltungsreaktion verursachen. Wenn eine bestimmte Konzentration eines Stoffes (kritische Masse) überschritten wird, beginnt die Zahl der neugeborenen Neutronen, die eine weitere Spaltung des Atomkerns bewirken, die Zahl der zerfallenden Kerne zu übersteigen. Die Anzahl der zerfallenden Atome beginnt wie eine Lawine zu wachsen und neue Neutronen zu gebären, dh es tritt eine Kettenreaktion auf. Für Uran-235 liegt die kritische Masse bei etwa 50 kg, für Plutonium-239 bei 5,6 kg. Das heißt, eine Plutoniumkugel mit einem Gewicht von etwas weniger als 5,6 kg ist nur ein warmes Stück Metall, und etwas mehr Masse existiert nur für wenige Nanosekunden.

Eigentlich ist die Funktionsweise der Bombe einfach: Wir nehmen zwei Halbkugeln aus Uran oder Plutonium, jede etwas kleiner als die kritische Masse, platzieren sie in einem Abstand von 45 cm, bedecken sie mit Sprengstoff und explodieren. Uran oder Plutonium wird zu einem Stück überkritischer Masse gesintert, und eine Kernreaktion beginnt. Alles. Es gibt eine andere Möglichkeit, eine Kernreaktion zu starten - ein Stück Plutonium mit einer starken Explosion zu komprimieren: Der Abstand zwischen den Atomen nimmt ab und die Reaktion beginnt bei einer niedrigeren kritischen Masse. Alle modernen Atomzünder arbeiten nach diesem Prinzip.

Die Probleme der Atombombe beginnen in dem Moment, in dem wir die Explosionskraft erhöhen wollen. Eine einfache Zunahme an spaltbarem Material ist unabdingbar – sobald seine Masse eine kritische erreicht, detoniert es. Verschiedene ausgeklügelte Schemata wurden zum Beispiel entwickelt, um eine Bombe nicht aus zwei Teilen, sondern aus vielen Teilen herzustellen, wodurch die Bombe anfing, einer ausgeweideten Orange zu ähneln, und sie dann mit einer Explosion, aber immer noch mit einer Kraft, zu einem Stück zusammenzusetzen von über 100 Kilotonnen wurden die Probleme unüberwindbar.

Aber der Brennstoff für die thermonukleare Fusion hat keine kritische Masse. Hier hängt die mit thermonuklearem Brennstoff gefüllte Sonne über uns, in ihr läuft seit einer Milliarde Jahren eine thermonukleare Reaktion ab, und nichts explodiert. Darüber hinaus wird bei der Fusionsreaktion beispielsweise von Deuterium und Tritium (schweres und superschweres Wasserstoffisotop) 4,2-mal mehr Energie freigesetzt als bei der Verbrennung der gleichen Masse Uran-235.

Die Herstellung der Atombombe war eher experimentell als theoretisch. Schaffung Wasserstoffbombe erforderte die Entstehung völlig neuer physikalischer Disziplinen: die Physik des Hochtemperaturplasmas und der Superhochdrücke. Bevor man mit dem Entwurf einer Bombe begann, war es notwendig, die Natur der Phänomene, die nur im Kern von Sternen auftreten, gründlich zu verstehen. Hier halfen keine Experimente – die Werkzeuge der Forscher waren nur theoretische Physik und höhere Mathematik. Es ist kein Zufall, dass die gigantische Rolle bei der Entwicklung von thermo Atomwaffen gehört genau den Mathematikern: Ulam, Tikhonov, Samarsky usw.

klassisch super

Ende 1945 schlug Edward Teller das erste Wasserstoffbombendesign vor, das als "klassisches Super" bezeichnet wurde. Um den monströsen Druck und die Temperatur zu erzeugen, die zum Starten der Fusionsreaktion erforderlich sind, sollte eine herkömmliche Atombombe verwendet werden. Das „klassische Super“ selbst war ein langer Zylinder, der mit Deuterium gefüllt war. Außerdem wurde eine "Zünd"-Zwischenkammer mit einem Deuterium-Tritium-Gemisch vorgesehen - die Deuterium- und Tritium-Synthesereaktion beginnt bei einem niedrigeren Druck. In Analogie zu einem Feuer sollte Deuterium die Rolle von Brennholz spielen, eine Mischung aus Deuterium und Tritium - ein Glas Benzin und eine Atombombe - Streichhölzer. Ein solches Schema wurde "Pfeife" genannt - eine Art Zigarre mit einem atomaren Feuerzeug an einem Ende. Nach dem gleichen Schema begannen sowjetische Physiker mit der Entwicklung einer Wasserstoffbombe.

Der Mathematiker Stanislav Ulam bewies Teller jedoch mit einem gewöhnlichen Rechenschieber, dass das Auftreten einer Fusionsreaktion von reinem Deuterium in einem "Super" kaum möglich ist und die Mischung eine solche Menge Tritium erfordern würde, dass sie für ihre Herstellung erforderlich wäre die Produktion von waffenfähigem Plutonium in den Vereinigten Staaten praktisch einzufrieren.

Zuckerwatte

Mitte 1946 schlug Teller ein weiteres Schema für die Wasserstoffbombe vor - den "Wecker". Es bestand aus alternierenden kugelförmigen Schichten aus Uran, Deuterium und Tritium. Während einer nuklearen Explosion der zentralen Plutoniumladung wurden der notwendige Druck und die Temperatur erzeugt, um eine thermonukleare Reaktion in anderen Schichten der Bombe zu starten. Für den "Wecker" war jedoch ein leistungsstarker Atomzünder erforderlich, und die Vereinigten Staaten (wie auch die UdSSR) hatten Probleme mit der Produktion von waffenfähigem Uran und Plutonium.

Im Herbst 1948 entwickelte Andrej Sacharow ein ähnliches Schema. In der Sowjetunion wurde das Design "Sloika" genannt. Für die UdSSR, die nicht genug Zeit hatte, waffenfähiges Uran-235 und Plutonium-239 herzustellen, war der Sacharow-Puff ein Allheilmittel. Und deshalb.

In einer gewöhnlichen Atombombe ist natürliches Uran-238 nicht nur nutzlos (die Energie der Neutronen während des Zerfalls reicht nicht aus, um eine Spaltung einzuleiten), sondern auch schädlich, da es gierig sekundäre Neutronen absorbiert und die Kettenreaktion verlangsamt. Daher besteht waffenfähiges Uran zu 90 % aus Uran-235-Isotop. Die aus der thermonuklearen Fusion resultierenden Neutronen sind jedoch zehnmal energiereicher als Spaltneutronen, und natürliches Uran-238, das mit solchen Neutronen bestrahlt wird, beginnt ausgezeichnet zu spalten. Die neue Bombe ermöglichte die Verwendung von Uran-238 als Sprengstoff, das zuvor als Abfallprodukt galt.

Das Highlight des Sacharow-„Puffs“ war auch die Verwendung einer weißen, lichtkristallinen Substanz, Lithiumdeutrid 6 LiD, anstelle des akut mangelhaften Tritiums.

Wie oben erwähnt, entzündet sich eine Mischung aus Deuterium und Tritium viel leichter als reines Deuterium. Hier enden jedoch die Vorteile von Tritium, und es bleiben nur noch Nachteile: Tritium ist im Normalzustand ein Gas, das Schwierigkeiten bei der Lagerung bereitet; Tritium ist radioaktiv und verwandelt sich bei seinem Zerfall in stabiles Helium-3, das aktiv dringend benötigte schnelle Neutronen verschlingt, was die Haltbarkeit der Bombe auf wenige Monate begrenzt.

Das nicht radioaktive Lithiumdeutrid wird bei Bestrahlung mit langsamen Spaltneutronen - die Folgen einer Explosion einer Atomsicherung - zu Tritium. So produziert die Strahlung der primären Atomexplosion augenblicklich genug Tritium für eine weitere thermonukleare Reaktion, und Deuterium ist von Anfang an im Lithium-Deuterium vorhanden.

Es war eine solche Bombe, RDS-6, die am 12. August 1953 erfolgreich auf dem Turm des Testgeländes Semipalatinsk getestet wurde. Die Kraft der Explosion betrug 400 Kilotonnen, und die Streitigkeiten haben noch nicht aufgehört, ob es sich um eine echte thermonukleare Explosion oder um eine superstarke atomare Explosion handelte. Tatsächlich machte die Reaktion der thermonuklearen Fusion im Sacharow-Puff nicht mehr als 20% der gesamten Ladeleistung aus. Den Hauptbeitrag zur Explosion leistete die mit schnellen Neutronen bestrahlte Zerfallsreaktion von Uran-238, dank der die RDS-6 die Ära der sogenannten "schmutzigen" Bomben eröffneten.

Tatsache ist, dass die hauptsächliche radioaktive Kontamination nur die Zerfallsprodukte sind (insbesondere Strontium-90 und Cäsium-137). Im Wesentlichen war der „Puff“ von Sacharow ein Riese Atombombe, nur geringfügig verstärkte thermonukleare Reaktion. Es ist kein Zufall, dass nur eine Explosion der „Sloika“ 82% Strontium-90 und 75% Cäsium-137 produzierte, die während der gesamten Geschichte der Existenz des Testgeländes Semipalatinsk in die Atmosphäre gelangten.

amerikanische Bomben

Allerdings waren es die Amerikaner, die die erste Wasserstoffbombe zündeten. Am 1. November 1952 wurde die Mike-Fusionsanlage mit einer Ausbeute von 10 Megatonnen erfolgreich auf dem Elugelab-Atoll im Pazifischen Ozean getestet. Es kann schwierig sein, ein 74 Tonnen schweres amerikanisches Gerät als Bombe zu bezeichnen. "Mike" war ein sperriges Gerät von der Größe eines zweistöckigen Hauses, gefüllt mit flüssigem Deuterium bei einer Temperatur nahe dem absoluten Nullpunkt (die "Sloika" von Sacharow war ein vollständig transportables Produkt). Das Highlight von „Mike“ war jedoch nicht die Größe, sondern das ausgeklügelte Prinzip, thermonuklearen Sprengstoff zu komprimieren.

Denken Sie daran, dass die Hauptidee der Wasserstoffbombe darin besteht, durch eine nukleare Explosion Bedingungen für die Fusion (superhoher Druck und Temperatur) zu schaffen. Beim "Puff" -Schema befindet sich die Kernladung in der Mitte und komprimiert daher das Deuterium nicht so sehr, wie es nach außen gestreut wird - eine Erhöhung der Menge an thermonuklearem Sprengstoff führt nicht zu einer Leistungssteigerung - es ist einfach hat keine Zeit zu detonieren. Dies begrenzt die maximale Leistung dieses Schemas - der stärkste "Puff" Orange Herald der Welt, der am 31. Mai 1957 von den Briten in die Luft gesprengt wurde, gab nur 720 Kilotonnen ab.

Es wäre ideal, wenn die Atomsicherung im Inneren explodieren und thermonukleare Sprengstoffe zusammendrücken könnte. Aber wie macht man das? Edward Teller brachte eine brillante Idee vor: thermonuklearen Brennstoff nicht durch mechanische Energie und Neutronenfluss zu komprimieren, sondern durch Strahlung von der primären Atomsicherung.

In Tellers neuem Design war der initiierende Atomknoten von der thermonuklearen Einheit beabstandet. Die Röntgenstrahlung während des Betriebs der Atomladung überholte die Stoßwelle und breitete sich entlang der Wände des zylindrischen Körpers aus, verdampfte und verwandelte die Polyethylen-Innenauskleidung des Bombenkörpers in Plasma. Das Plasma wiederum emittierte das weichere Röntgenstrahlen, das von den äußeren Schichten des inneren Uran-238-Zylinders absorbiert wurde - "Pusher". Die Schichten begannen explosionsartig zu verdampfen (dieses Phänomen wird als Ablation bezeichnet). Glühendes Uranplasma kann mit den Jets eines superstarken Raketentriebwerks verglichen werden, dessen Schub mit Deuterium in den Zylinder geleitet wird. Der Uranzylinder kollabierte, der Druck und die Temperatur von Deuterium erreichten ein kritisches Niveau. Derselbe Druck komprimierte das zentrale Plutoniumrohr auf eine kritische Masse und detonierte. Die Explosion des Plutoniumzünders drückte von innen gegen das Deuterium und komprimierte und erhitzte zusätzlich den thermonuklearen Sprengstoff, der detonierte. Der intensive Neutronenfluss spaltet die Uran-238-Kerne im Drücker und verursacht eine sekundäre Zerfallsreaktion. All dies hatte Zeit, bevor die Druckwelle der primären nuklearen Explosion die thermonukleare Einheit erreichte. Die Berechnung all dieser in Milliardstelsekunden auftretenden Ereignisse erforderte die geistige Anstrengung der stärksten Mathematiker der Welt. Die Macher von "Mike" erlebten keinen Schrecken über die 10-Megatonnen-Explosion, sondern unbeschreibliche Freude - sie schafften es nicht nur, die Prozesse zu verstehen, die in der realen Welt nur in den Kernen von Sternen ablaufen, sondern ihre Theorien auch experimentell zu testen, indem sie ihre arrangierten kleiner Stern auf der Erde.

Bravo

Die Amerikaner übertrafen die Russen an Schönheit ihres Designs, konnten ihr Gerät jedoch nicht kompakt machen: Sie verwendeten unterkühltes flüssiges Deuterium anstelle von Sacharows pulverförmigem Lithiumdeutrid. In Los Alamos reagierten sie mit einem gewissen Neid auf den Sacharow-Puff: „Statt einer riesigen Kuh mit einem Eimer Rohmilch verwenden die Russen eine Packung Milchpulver.“ Beide Seiten versäumten es jedoch, Geheimnisse voreinander zu verbergen. Am 1. März 1954 testeten die Amerikaner in der Nähe des Bikini-Atolls die 15-Megatonnen-Bravo-Bombe auf Lithiumdeutrid, und am 22. November 1955 explodierte die erste sowjetische zweistufige thermonukleare Bombe RDS-37 mit einer Kapazität von 1,7 Megatonnen das Testgelände Semipalatinsk, wobei fast die Hälfte des Testgeländes abgerissen wurde. Seitdem hat sich das Design der thermonuklearen Bombe geringfügig geändert (z. B. erschien ein Uranschild zwischen der Zündbombe und der Hauptladung) und ist kanonisch geworden. Und auf der Welt gibt es keine so groß angelegten Naturrätsel mehr, die durch ein so spektakuläres Experiment gelöst werden könnten. Ist das die Geburt einer Supernova?

Es gibt 15 bekannte Isotope von Plutonium. Das wichtigste davon ist Pu-239 mit einer Halbwertszeit von 24.360 Jahren. Das spezifische Gewicht von Plutonium beträgt 19,84 bei 25 °C. Das Metall beginnt bei einer Temperatur von 641°C zu schmelzen und siedet bei 3232°C. Seine Wertigkeit ist 3, 4, 5 oder 6.

Das Metall hat einen silbrigen Farbton und wird gelb, wenn es Sauerstoff ausgesetzt wird. Plutonium ist ein chemisch reaktives Metall und löst sich leicht in konzentrierter Salzsäure, Perchlorsäure und Jodwasserstoffsäure. Beim -Zerfall gibt das Metall Wärmeenergie ab.

Plutonium - zweite öffnen Transuran-Actinid. In der Natur kommt dieses Metall in geringen Mengen in Uranerzen vor.

Plutonium ist giftig und muss mit Vorsicht behandelt werden. Das spaltbarste Isotop von Plutonium wurde als Atomwaffe eingesetzt. Insbesondere wurde es in einer Bombe verwendet, die auf die japanische Stadt Nagasaki abgeworfen wurde.

Es ist ein radioaktives Gift, das sich im Knochenmark anreichert. Bei Experimenten an Menschen zur Untersuchung von Plutonium kam es zu mehreren Unfällen, von denen einige tödlich waren. Es ist wichtig, dass Plutonium keine kritische Masse erreicht. In Lösung bildet Plutonium schneller eine kritische Masse als im festen Zustand.

Die Ordnungszahl 94 bedeutet, dass alle Plutoniumatome 94 haben. An der Luft bildet sich Plutoniumoxid auf der Metalloberfläche. Dieses Oxid ist pyrophor, also schimmert glimmendes Plutonium wie Asche.

Es gibt sechs allotrope Formen von Plutonium. Die siebte Form tritt bei hohen Temperaturen auf.

In wässriger Lösung ändert Plutonium seine Farbe. Während der Oxidation erscheinen verschiedene Farbtöne auf der Oberfläche des Metalls. Der Oxidationsprozess ist nicht stabil und die Farbe von Plutonium kann sich plötzlich ändern.

Anders als die meisten Substanzen verfestigt sich Plutonium, wenn es schmilzt. Im geschmolzenen Zustand ist dieses Element zähflüssiger als andere Metalle.

Das Metall wird in radioaktiven Isotopen in thermoelektrischen Generatoren verwendet, die Raumfahrzeuge antreiben. In der Medizin wird es zur Herstellung von elektronischen Stimulatoren für das Herz verwendet.

Das Einatmen von Plutoniumdämpfen ist gesundheitsschädlich. In einigen Fällen kann dies zu Lungenkrebs führen. Eingeatmetes Plutonium hat einen metallischen Geschmack.

Der Integral Fast Reactor (IBR) ist nicht nur ein neuer Reaktortyp, sondern ein neuer Brennstoffkreislauf. Integraler schneller Reaktor - ein schneller Neutronenreaktor ohne Moderator. Es hat nur eine aktive Zone und keine Decke.
IBR verwendet metallischen Kraftstoff− eine Legierung aus Uran und Plutonium.
Sein Brennstoffkreislauf nutzt die Reduktion von Brennstoff direkt im Reaktor selbst durch Pyroprozessierung. Bei der IBR-Pyroprozessierung wird praktisch reines Uran auf einer festen Kathode gesammelt, während eine Mischung aus Plutonium, Americium, Neptunium, Curium, Uran und einigen Spaltprodukten auf einer in einem Elektrolytsalz schwimmenden flüssigen Cadmiumkathode gesammelt wird in einem Elektrolytsalz und in einer Cadmiumschicht gesammelt.
Der integrierte schnelle Reaktor wird mit flüssigem Natrium oder Blei gekühlt. Die Herstellung von metallischem Brennstoff ist einfacher und billiger als keramischer Brennstoff. Der metallische Brennstoff macht den Pyro-Prozess zu einer natürlichen Wahl. Metallischer Brennstoff hat eine bessere Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität als Oxidbrennstoff.Der Brennstoff ist eine Legierung aus Uran und Plutonium.
Die anfängliche Ladung in den integrierten schnellen Reaktor sollte mehr Isotope enthalten, die unter der Einwirkung von thermischen Neutronen spaltbar sind ( > 20%) als in einem thermischen Neutronenreaktor. Dies können hochangereichertes Uran oder Plutonium, stillgelegte Atomwaffen usw. sein. Während des Betriebs wandelt der Reaktor nicht spaltbare (fruchtbare) Stoffe unter Einwirkung thermischer Neutronen in spaltbare um. Für schnelle Reaktoren geeignete Materialien können abgereichertes Uran (hauptsächlich U-238), natürliches Uran, Thorium oder aus bestrahltem konventionellem Wasserreaktorbrennstoff wiederaufbereitetes Uran sein.
Der Brennstoff ist in einer Stahlhülle enthalten, wobei flüssiges Natrium zwischen dem Brennstoff und der Hülle eingeschlossen ist. Der Freiraum über dem Brennstoff ermöglicht die freie Ansammlung von Helium und radioaktivem Xenon ohne signifikanten Druckanstieg im Brennelement und die Expansion des Brennstoffs ohne Beschädigung des Reaktormantels.
Der Vorteil von Blei gegenüber Natrium ist seine chemische Inertheit, insbesondere gegenüber Wasser oder Luft. Andererseits ist Blei viel zähflüssiger, was das Pumpen erschwert. Außerdem enthält es durch Neutronen aktivierte Isotope, die in Natrium praktisch nicht vorhanden sind.
Die Kühlkreisläufe sind so ausgelegt, dass sie eine Wärmeübertragung durch Konvektion ermöglichen. Im Falle eines Stromausfalls der Pumpen oder einer unerwarteten Abschaltung des Reaktors reicht die Wärme um den Kern herum aus, um das Kühlmittel zirkulieren zu lassen.
Im IBR werden spaltbare Isotope nicht von Plutoniumisotopen sowie von Spaltprodukten getrennt, und daher ist die Verwendung eines solchen Verfahrens zur Herstellung von Waffen praktisch unmöglich. Außerdem wird Plutonium nicht aus dem Reaktor entfernt, was eine unbefugte Verwendung unrealistisch macht. Nach der Verarbeitung der Aktinide (Uran, Plutonium und kleinere Aktinide) verbleiben Abfallprodukte - Spaltprodukte Sm-151 mit einer Halbwertszeit von 90 Litern oder langlebig als Tc-99 mit einer Halbwertszeit von 211.000 Litern oder mehr.
IBR-Abfälle haben entweder kurze Halbwertszeiten oder sehr lange, was bedeutet, dass sie schwach radioaktiv sind. Die Gesamtmenge an IBR-Abfall beträgt 1/20 des wiederaufbereiteten Brennstoffs (der üblicherweise als Abfall gilt) von thermischen Neutronenreaktoren mit der gleichen Leistung. 70 % der Spaltprodukte sind entweder stabil oder haben eine Halbwertszeit von etwa einem Jahr. Technetium-99 und Jod-129, davon 6 % in Spaltprodukten, haben sehr lange Halbwertszeiten, können aber im Reaktor durch Neutronenabsorption im Reaktor in Isotope mit kurzen Halbwertszeiten (15,46 s und 12,36 h) umgewandelt werden. Zirkonium-93 (5 % im Abfall) kann zu Brennstoffhüllen verarbeitet werden, wo Radioaktivität kein Thema ist. Die restlichen Abfallbestandteile sind weniger radioaktiv als natürliches Uran.
Das IBR verwendet einen Brennstoffkreislauf, der in Bezug auf den Brennstoffverbrauch im Vergleich zu herkömmlichen Zyklen in langsamen Neutronenreaktoren um zwei Größenordnungen effizienter ist, die Verbreitung von Atomwaffen verhindert, hochaktiven Abfall minimiert und darüber hinaus einen Teil des Abfalls als Brennstoff verwendet.
Im IBR sind Brennstoff und Hülle so ausgelegt, dass bei steigender Temperatur und Ausdehnung immer mehr Neutronen den Kern verlassen und die Intensität der Kettenreaktion verringert wird. Das heißt, ein negativer Reaktivitätskoeffizient funktioniert. Beim IBR ist dieser Effekt so stark, dass er die Kettenreaktion ohne Eingriff von Bedienern stoppen kann.

Pyroverarbeitung ‒ Hochtemperaturmethode elektrolytische Verarbeitung abgebrannter Kernbrennstoffe. Im Vergleich zum hydrometallurgischen Verfahren(zB PUREX) , erfolgt die Pyroprozessierung direkt am Reaktor. Lösungsmittel sind geschmolzene Salze (z. B. LiCl + KCl oder LiF + CaF 2 ) und geschmolzene Metalle (z. B. Cadmium, Wismut, Magnesium) und nicht Wasser und organische Verbindungen.Bei der Pyroverarbeitung erfolgt gleichzeitig die Gewinnung von Uran sowie von Plutonium und kleineren Aktiniden, die sofort als Brennstoff verwendet werden können. Das Abfallvolumen ist geringer und enthält hauptsächlich Spaltprodukte. Pyro Die Verarbeitung erfolgt in IBR- und Salzschmelzereaktoren.

Plutoniummetall wird in Atomwaffen verwendet und dient als Kernbrennstoff. Plutoniumoxide dienen als Energieträger für die Raumfahrttechnik und werden in Brennstäben verwendet. Plutonium wird in Batterien von Raumfahrzeugen verwendet. Plutonium-239-Kerne sind zu einer nuklearen Kettenreaktion in der Lage, wenn sie Neutronen ausgesetzt werden, sodass dieses Isotop als Quelle für Atomenergie verwendet werden kann. Die häufigere Verwendung von Plutonium-239 in Atombomben ist darauf zurückzuführen, dass Plutonium in der Kugel ein kleineres Volumen einnimmt, man also durch diese Eigenschaft an der Sprengkraft der Bombe gewinnen kann. Ein Plutoniumkern emittiert während einer Kernreaktion im Durchschnitt etwa 2,895 Neutronen gegenüber 2,452 Neutronen für Uran-235. Allerdings sind die Produktionskosten von Plutonium etwa sechsmal höher als die von Uran-235.

Isotope von Plutonium haben ihre Anwendung bei der Synthese von Transplutoniumelementen gefunden. So wurden Plutonium-242-Mischoxid im Jahr 2009 und Beschuss mit Calcium-48-Ionen im Jahr 2010 des gleichen Isotops zur Herstellung von Ununquadium verwendet. Am Oak Ridge National Laboratory wird eine verlängerte Neutronenbestrahlung von Pu verwendet, um 24496Cm, 24296Cm, 24997Bk, 25298Cf und 25399Es und 257100Fm zu produzieren. Mit Ausnahme von Pu wurden alle übrigen Transurane in der Vergangenheit zu Forschungszwecken hergestellt. Dank des Neutroneneinfangs von Plutoniumisotopen erhielten G. T. Seaborg und seine Gruppe 1944 das erste Americiumisotop - 24195 Am Am). Um zu bestätigen, dass es nur 14 Actiniden gab, wurde 1966 in Dubna unter der Leitung von Akademiemitglied G. N. Flerov die Synthese von Rutherfordiumkernen durchgeführt:

24294Pu + 2210Ne → 260104Rf + 4n.

δ-stabilisierte Plutoniumlegierungen werden bei der Herstellung von Brennelementen verwendet, da sie im Vergleich zu reinem Plutonium, das beim Erhitzen Phasenumwandlungen durchläuft, bessere metallurgische Eigenschaften aufweisen.

„Ultra-reines“ Plutonium wird in den Nuklearwaffen der US-Marine und auf Schiffen und U-Booten unter nuklearer Bleiabschirmung verwendet, wodurch die Strahlenbelastung der Besatzung verringert wird.

Plutonium-238 und Plutonium-239 sind die am häufigsten synthetisierten Isotope.

• Die erste auf Plutonium basierende Nuklearladung wurde am 16. Juli 1945 auf dem Testgelände von Alamogordo gezündet.

Nuklearwaffe

Plutonium wurde sehr oft in Atombomben verwendet. Eine historische Tatsache ist der Abwurf einer Atombombe auf Nagasaki im Jahr 1945 durch die Vereinigten Staaten. Die auf diese Stadt abgeworfene Bombe enthielt 6,2 kg Plutonium. Die Kraft der Explosion betrug 21 Kilotonnen. Bis Ende 1945 starben 60-80.000 Menschen. Nach 5 Jahren könnte die Gesamtzahl der Todesopfer, einschließlich der Todesfälle durch Krebs und andere Langzeitfolgen der Explosion, 140.000 Menschen erreichen oder sogar überschreiten.

Das Prinzip, nach dem eine nukleare Explosion mit Plutonium stattfand, war das Design einer Atombombe. Der „Kern“ der Bombe bestand aus einer mit Plutonium-239 gefüllten Kugel, die im Moment des Aufpralls auf der Erde konstruktionsbedingt und dank des diese Kugel umgebenden Sprengstoffs auf eine Million Atmosphären komprimiert wurde. Nach dem Aufprall expandierte der Kern in zehn Mikrosekunden in Volumen und Dichte, während die kompressible Anordnung bei thermischen Neutronen durch den kritischen Zustand rutschte und bei schnellen Neutronen deutlich überkritisch wurde, dh eine nukleare Kettenreaktion begann unter Beteiligung von Neutronen und Kernen des Elements. Es sollte berücksichtigt werden, dass die Bombe nicht vorzeitig explodieren sollte. Dies ist jedoch praktisch unmöglich, denn um eine Plutoniumkugel in zehn Nanosekunden nur um 1 cm zu komprimieren, muss der Substanz eine Beschleunigung verliehen werden, die zehn Billionen Mal größer ist als die Beschleunigung des freien Falls. Mit der letzten Explosion einer Atombombe steigt die Temperatur auf mehrere zehn Millionen Grad. Es sollte beachtet werden, dass in unserer Zeit 8-9 kg dieses Elements ausreichen, um eine vollwertige Atomladung zu erzeugen.

Nur ein Kilogramm Plutonium-239 kann eine Explosion auslösen, die 20.000 Tonnen TNT entspricht. Selbst 50 g des Elements bei der Spaltung aller Kerne erzeugen eine Explosion, die der Detonation von 1000 Tonnen TNT entspricht. Dieses Isotop ist das einzige geeignete Nuklid zur Verwendung in Atomwaffen, da das Vorhandensein von sogar 1% Pu zur Bildung einer großen Anzahl von Neutronen führt, was die effektive Verwendung eines Kanonenladungsschemas für eine Atombombe nicht zulässt. Die restlichen Isotope werden nur wegen ihrer schädlichen Wirkungen berücksichtigt.

Plutonium-240 kann in kleinen Mengen in einer Atombombe gefunden werden, aber wenn sein Gehalt erhöht wird, kommt es zu einer vorzeitigen Kettenreaktion. Dieses Isotop hat eine hohe Wahrscheinlichkeit einer spontanen Spaltung, was es unmöglich macht, dass ein großer Prozentsatz seines Gehalts an spaltbarem Material besteht.

Nach Angaben des Fernsehsenders Al-Jazeera verfügt Israel über etwa 118 Sprengköpfe mit Plutonium als radioaktiver Substanz. Es wird angenommen, dass Südkorea über etwa 40 kg Plutonium verfügt, genug, um 6 Atomraketen herzustellen. Die IAEO schätzte 2007, dass die irakische Plutoniumproduktion für zwei Atomsprengköpfe pro Jahr ausreicht. Im Jahr 2006 begann Pakistan mit dem Bau eines Kernreaktors, der etwa 200 kg radioaktives Material pro Jahr produzieren würde. Bezogen auf die Zahl der Atomsprengköpfe wären das etwa 40-50 Bomben.

Im ersten Jahrzehnt des 21. Jahrhunderts wurden mehrere Verträge zwischen Russland und den Vereinigten Staaten unterzeichnet. So wurde insbesondere im Jahr 2003 eine Vereinbarung über die Verarbeitung von 68 Tonnen Plutonium im KKW Balakovo zu MOX-Brennstoff bis 2024 unterzeichnet. Im Jahr 2007 unterzeichneten die Länder einen Plan für Russland zur Entsorgung von 34 Tonnen Plutonium, das für russische Waffenprogramme hergestellt wurde. 2010 wurde ein Abkommen über die Entsorgung von Atomwaffen, insbesondere von Plutonium, unterzeichnet, dessen Menge ausreichen würde, um 17.000 Atomsprengköpfe herzustellen.

Am 17. November 2010 wurde zwischen den Vereinigten Staaten und Kasachstan ein Abkommen zur Abschaltung des industriellen Kernreaktors BN-350 in der Stadt Aktau unterzeichnet, der Strom aus Plutonium erzeugte. Dieser Reaktor war der erste in der Welt und in Kasachstan Pilotreaktor für schnelle Neutronen; Seine Amtszeit betrug 27 Jahre.

nukleare Verschmutzung

Als Nukleartests auf der Basis von Plutonium begannen und seine radioaktiven Eigenschaften gerade erst untersucht wurden, wurden mehr als 5 Tonnen des Elements in die Atmosphäre freigesetzt. Seit den 1970er Jahren begann der Anteil von Plutonium an der radioaktiven Kontamination der Erdatmosphäre zuzunehmen.

Plutonium gelangte hauptsächlich durch Atomtests in den pazifischen Nordwesten. Der erhöhte Gehalt des Elements erklärt sich dadurch, dass die USA in den 1950er Jahren Atomtests auf den Marshallinseln im pazifischen Testgelände durchführten. Die Hauptkontamination durch diese Tests erfolgte 1960. Nach wissenschaftlicher Einschätzung ist das Vorkommen von Plutonium im Pazifischen Ozean im Vergleich zur allgemeinen Verteilung von Nuklearmaterial auf der Erde erhöht. Nach einigen Berechnungen beträgt die Strahlungsdosis, die von Cäsium-137 auf den Atollen der Marshallinseln ausgeht, ungefähr 95%, und die restlichen 5 sind Isotope von Strontium, Americium und Plutonium.

Plutonium wird im Ozean durch physikalische und biogeochemische Prozesse transportiert. Die Verweilzeit von Plutonium in den Oberflächengewässern des Ozeans beträgt 6 bis 21 Jahre, was normalerweise kürzer ist als die von Cäsium-137. Im Gegensatz zu diesem Isotop ist Plutonium ein Element, das teilweise mit der Umwelt reagiert und 1-10 % unlösliche Verbindungen aus der in die Umwelt freigesetzten Gesamtmasse bildet. Plutonium im Ozean fällt zusammen mit biogenen Partikeln auf den Grund, aus denen es durch mikrobiellen Abbau in lösliche Formen reduziert wird. Die häufigsten seiner Isotope in der Meeresumwelt sind Plutonium-239 und Plutonium-240.

Im Januar 1968 stürzte ein amerikanisches B-52-Flugzeug mit vier Atomwaffen nach einer erfolglosen Landung auf Eis in der Nähe von Thule, Grönland, ab. Die Kollision verursachte eine Explosion und Fragmentierung der Waffe, wodurch Plutonium auf die Eisscholle fiel. Nach der Explosion wurde die oberste Schicht aus kontaminiertem Schnee abgerissen, wodurch sich ein Riss bildete, durch den Plutonium ins Wasser gelangte. Um die Naturschäden zu verringern, wurden etwa 1,9 Milliarden Liter Schnee und Eis gesammelt, die einer radioaktiven Kontamination ausgesetzt gewesen sein könnten. Anschließend stellte sich heraus, dass einer der vier Anklagepunkte nie gefunden wurde.

Es gibt einen bekannten Fall, als das sowjetische Raumschiff Kosmos-954 am 24. Januar 1978 mit einer Kernenergiequelle an Bord während eines unkontrollierten Verlassens der Umlaufbahn auf kanadisches Territorium fiel. Dieser Vorfall führte zur Freisetzung von 1 kg Plutonium-238 auf einer Fläche von etwa 124.000 m² in die Umwelt.

Die Freisetzung von Plutonium in die Umwelt ist nicht nur mit von Menschen verursachten Unfällen verbunden. Fälle von Plutoniumaustritt sind sowohl aus Labor- als auch aus Fabrikbedingungen bekannt. Es gab etwa 22 unbeabsichtigte Lecks aus Uran-235- und Plutonium-239-Labors. Während 1953-1978. Unfälle führten zu einem Verlust von 0,81 bis 10,1 kg Pu. Unfälle in Industrieanlagen führten in Los Alamos zu insgesamt zwei Todesfällen durch zwei Unfälle und den Verlust von 6,2 kg Plutonium. In der Stadt Sarow 1953 und 1963. ungefähr 8 und 17,35 kg fielen außerhalb des Kernreaktors. Einer von ihnen führte 1953 zur Zerstörung eines Atomreaktors.

Isotopenradioaktivitätswerte ab April 1986.

Es gibt einen bekannten Fall des Unfalls im Kernkraftwerk Tschernobyl, der sich am 26. April 1986 ereignete. Infolge der Zerstörung des vierten Triebwerks wurden auf einer Fläche von etwa 2200 km² 190 Tonnen radioaktiver Stoffe in die Umwelt freigesetzt. Acht der 140 Tonnen radioaktiven Brennstoffs aus dem Reaktor landeten in der Luft. Die kontaminierte Fläche betrug 160.000 km². Es wurden erhebliche Ressourcen mobilisiert, um die Folgen zu beseitigen, mehr als 600.000 Menschen beteiligten sich an der Beseitigung der Folgen des Unfalls. Die Gesamtaktivität der in die Umwelt freigesetzten Stoffe betrug nach verschiedenen Schätzungen bis zu 14×10 Bq, darunter:

• 1,8 EBq - 13153I,
• 0,085 EBq - 13755Cs,
• 0,01 EBq - 9038Sr
• 0,003 EBq - Isotope von Plutonium,
• Edelgase machten etwa die Hälfte der Gesamtaktivität aus.

Derzeit erhalten die meisten Bewohner der kontaminierten Zone weniger als 1 mSv pro Jahr über dem natürlichen Hintergrund.

Energie- und Wärmequelle

Wie Sie wissen, wird Kernenergie verwendet, um sie in Strom umzuwandeln, indem Wasser erhitzt wird, das unter Verdampfung und Bildung von überhitztem Dampf die Turbinenschaufeln elektrischer Generatoren dreht. Der Vorteil dieser Technologie ist das Fehlen umweltbelastender Treibhausgase. Ab 2009 erzeugten 438 Kernkraftwerke auf der ganzen Welt ungefähr 371,9 GW Strom. Das Minus der Nuklearindustrie ist jedoch der Atommüll, von dem rund 12.000 Tonnen pro Jahr verarbeitet werden – eine ziemlich schwierige Aufgabe für die Mitarbeiter der Kernkraftwerke. Bis 1982 wurden schätzungsweise etwa 300 Tonnen Plutonium angesammelt.

Plutonium-238-Dioxid-Tablette.

Das gelbbraune Pulver aus Plutoniumdioxid hält Temperaturen bis 1200 °C stand. Die Synthese der Verbindung erfolgt durch Zersetzung von Plutoniumtetrahydroxid oder -tetranitrat in einer Sauerstoffatmosphäre:

Das resultierende schokoladenfarbene Pulver wird gesintert und in einem Strom aus feuchtem Wasserstoff auf bis zu 1500 °C erhitzt. Dabei entstehen Tabletten mit einer Dichte von 10,5-10,7 g/cm³, die als Kernbrennstoff verwendet werden können. Plutoniumdioxid ist das stabilste und inerteste Plutoniumoxid und zerfällt beim Erhitzen auf hohe Temperaturen in Bestandteile und wird daher bei der Verarbeitung und Lagerung von Plutonium sowie bei seiner weiteren Verwendung als Stromquelle verwendet. Ein Kilogramm Plutonium entspricht etwa 22 Millionen kWh thermischer Energie.

In der UdSSR wurden mehrere Topaz-RTGs hergestellt, die zur Stromerzeugung für Raumfahrzeuge ausgelegt waren. Diese Geräte wurden entwickelt, um mit Plutonium-238 zu arbeiten, das ein α-Emitter ist. Nach dem Sturz Sovietunion Die Vereinigten Staaten kauften mehrere solcher Geräte, um ihr Design und ihre weitere Verwendung in ihren langfristigen Weltraumprogrammen zu untersuchen.

RTG-Sonde New Horizons.

Ein würdiger Ersatz für Plutonium-238 könnte Polonium-210 heißen. Seine Wärmeableitung beträgt 140 W/g und schon ein Gramm kann bis zu 500 °C heiß werden. Allerdings aufgrund seiner extrem klein Weltraummissionen Halbwertszeit ist die Verwendung dieses Isotops in der Raumfahrtindustrie sehr begrenzt.

Plutonium-238 im Jahr 2006, während des Starts der Sonde New Horizons zu Pluto, fand seine Verwendung als Energiequelle für die Sonde. Der Radioisotopengenerator enthielt 11 kg hochreines Pu-Dioxid, das während der gesamten Fahrt durchschnittlich 220 Watt Strom erzeugte. Es wurden Bedenken über den erfolglosen Start der Sonde geäußert, aber er fand trotzdem statt. Nach dem Start erreichte die Sonde dank der Schwerkraft der Erde eine Geschwindigkeit von 36.000 Meilen pro Stunde. Im Jahr 2007 erhöhte ein Gravitationsmanöver um Jupiter seine Geschwindigkeit um weitere 9.000 Meilen, sodass er sich im Juli 2015 seiner engsten Annäherung an Pluto nähern und dann seine Beobachtung des Kuipergürtels fortsetzen konnte.

Die Galileo- und Cassini-Sonden waren ebenfalls mit Stromquellen auf Plutoniumbasis ausgestattet. Das Isotop wird bei zukünftigen Missionen verwendet, zum Beispiel wird der Rover Curiosity mit Plutonium-238 betrieben. Sein Abstieg zur Marsoberfläche ist für August 2012 geplant. Der Rover wird die neueste Generation von RTGs verwenden, den so genannten Multi-Mission Radioisotope Thermoelectric Generator. Dieses Gerät erzeugt 125 Watt elektrische Leistung und nach 14 Jahren 100 Watt. Für den Betrieb des Rovers werden durch den Zerfall von Atomkernen 2,5 kWh Energie produziert. Plutonium-238 ist die optimale Energiequelle und emittiert 0,56 Wg. Die Verwendung dieses Isotops mit Bleitellurid, das als thermoelektrisches Element verwendet wird, bildet eine sehr kompakte und langlebige Stromquelle ohne bewegliche Teile der Struktur, wodurch der Raum von Raumfahrzeugen "gespart" werden kann.

RTG SNAP-27, das in der Apollo 14-Mission eingesetzt wird.

Nicht nur bei Galileo, sondern auch bei einigen Apollo-Missionen wurden mehrere Kilogramm PuO 2 verwendet. Der Stromgenerator SNAP-27, dessen thermische und elektrische Leistung 1480 W bzw. 63,5 W betrug, enthielt 3,735 kg Plutonium-238-Dioxid. Um das Risiko einer Explosion oder anderer möglicher Unfälle zu verringern, wurde Beryllium als hitzebeständiges, leichtes und langlebiges Element verwendet. SNAP-27 war der letzte Generatortyp, der von der NASA für Weltraummissionen verwendet wurde. frühere Typen verwendeten andere Stromquellen.

Bei der Durchführung eines passiven seismischen Experiments auf dem Mond in der Apollo 11-Mission wurden zwei Radioisotopen-Wärmequellen mit einer Leistung von 15 W verwendet, die 37,6 g Plutoniumdioxid in Form von Mikrokugeln enthielten. Der Generator wurde bei den Missionen Apollo 12, 14, 15, 16, 17 eingesetzt und wurde entwickelt, um die auf dem Raumfahrzeug installierte wissenschaftliche Ausrüstung mit Strom zu versorgen. Während der Mission Apollo 13 kam die Mondlandefähre von ihrer Bahn ab, wodurch sie in den dichten Schichten der Atmosphäre verglühte. Im Inneren von SNAP-27 wurde das oben genannte Isotop verwendet, das von korrosionsbeständigen Materialien umgeben ist und darin für weitere 870 Jahre gelagert wird.

Plutonium-236 und Plutonium-238 werden zur Herstellung von elektrischen Atombatterien verwendet, deren Lebensdauer 5 Jahre oder mehr erreicht. Sie werden in Stromgeneratoren verwendet, die das Herz stimulieren. Ab 2003 gab es in den USA 50-100 Menschen mit einem Plutonium-Herzschrittmacher. Die Verwendung von Plutonium-238 könnte sich auf Anzüge für Taucher und Astronauten erstrecken. Beryllium wird zusammen mit dem obigen Isotop als Quelle für Neutronenstrahlung verwendet.

2007 begann Großbritannien mit dem Abriss von Calder Hall, dem ältesten Plutonium-Kernkraftwerk, das am 17. Oktober 1956 in Betrieb ging und am 29. September 2007 abgeschlossen wurde.

Brutreaktoren

Schematische Darstellung von Brutreaktoren für schnelle Neutronen mit Flüssigmetall-Kühlmittel, mit integraler und Schleifenanordnung der Ausrüstung.

Um große Mengen an Plutonium zu gewinnen, werden Brutreaktoren gebaut, die es ermöglichen, erhebliche Mengen an Plutonium zu produzieren. Reaktoren werden "Brüter" genannt, weil es mit ihrer Hilfe möglich ist, spaltbares Material in einer Menge zu gewinnen, die die Beschaffungskosten übersteigt.

In den Vereinigten Staaten begann der Bau der ersten Reaktoren dieses Typs vor 1950. In der UdSSR und in Großbritannien begann ihre Errichtung Anfang der 1950er Jahre. Die ersten Reaktoren wurden jedoch geschaffen, um die neutronischen Eigenschaften von Reaktoren mit einem harten Neutronenspektrum zu untersuchen. Die ersten Muster sollten daher nicht große Produktionsmengen, sondern die Möglichkeit zur Umsetzung technischer Lösungen demonstrieren, die in den ersten Reaktoren dieses Typs festgelegt waren.

Der Unterschied zwischen Booster-Reaktoren und herkömmlichen Kernreaktoren besteht darin, dass Neutronen in ihnen nicht abgebremst werden, dh es gibt keinen Neutronenmoderator, damit sie möglichst viel mit Uran-238 reagieren können. Nach der Reaktion werden Uran-239-Atome gebildet, die später Plutonium-239 bilden. In solchen Reaktoren ist der zentrale Teil, der Plutoniumdioxid in abgereichertem Urandioxid enthält, von einer Hülle aus noch stärker abgereichertem Uran-238-Dioxid umgeben, in dem Pu gebildet wird. Unter Verwendung von U und U zusammen können solche Reaktoren 50-60-mal mehr Energie aus natürlichem Uran erzeugen und so die Reserven der für die Verarbeitung am besten geeigneten Uranerze nutzen. Das Reproduktionsverhältnis wird als Verhältnis von produziertem zu verbrauchtem Kernbrennstoff berechnet. Das Erreichen hoher Reproduktionsraten ist jedoch keine leichte Aufgabe. Die Brennelemente in ihnen müssen mit etwas anderem als Wasser gekühlt werden, was ihre Energie verringert. Die Verwendung von flüssigem Natrium als Kühlelement wurde vorgeschlagen. In Brutreaktoren wird um mehr als 15 Massen-% angereichertes Uran-235 verwendet, um die erforderliche Neutronenbestrahlung und ein Brutverhältnis von etwa 1-1,2 zu erreichen.

Gegenwärtig ist es wirtschaftlich rentabler, Uran aus Uranerz zu gewinnen, das bis zu 3 % an Uran-235 angereichert ist, als Uran zu Plutonium-239 zu züchten, indem Uran-235 mit 15 % angereichertem Uran-235 verwendet wird. Einfach gesagt, der Vorteil der Brüter ist die Möglichkeit, im Betrieb nicht nur Strom zu produzieren, sondern auch Uran-238, das als Kernbrennstoff ungeeignet ist, zu entsorgen.