plutonium yang diperkaya. Apa yang harus dilakukan jika putra Anda menemukan plutonium. Bagaimana plutonium diperoleh?

Logam ini disebut berharga, tetapi bukan karena keindahannya, tetapi karena sifatnya yang sangat diperlukan. Dalam sistem periodik Mendeleev, elemen ini menempati nomor sel 94. Dengan dialah para ilmuwan menaruh harapan terbesar mereka, dan plutoniumlah yang mereka sebut sebagai logam paling berbahaya bagi umat manusia.

Plutonium: deskripsi

Oleh penampilan itu adalah logam putih keperakan. Ini adalah radioaktif dan dapat direpresentasikan sebagai 15 isotop dengan waktu paruh yang berbeda, misalnya:

• Pu-238 - sekitar 90 tahun
• Pu-239 - sekitar 24 ribu tahun
• Pu-240 - 6580 tahun
• Pu-241 - 14 tahun
• Pu-242 - 370 ribu tahun
• Pu-244 - sekitar 80 juta tahun

Logam ini tidak dapat diekstraksi dari bijih, karena merupakan produk dari transformasi radioaktif uranium.

Bagaimana plutonium diperoleh?

Produksi plutonium membutuhkan fisi uranium, yang hanya dapat dilakukan di reaktor nuklir. Jika kita berbicara tentang keberadaan elemen Pu in kerak bumi, maka untuk 4 juta ton bijih uranium hanya akan ada 1 gram plutonium murni. Dan gram ini dibentuk oleh penangkapan alami neutron oleh inti uranium. Jadi, untuk mendapatkan bahan bakar nuklir ini (biasanya isotop 239-Pu) dalam jumlah beberapa kilogram, perlu dilakukan proses teknologi yang kompleks dalam reaktor nuklir.

sifat plutonium

Plutonium logam radioaktif memiliki sifat fisik sebagai berikut:

• kepadatan 19,8 g / cm 3
• titik leleh – 641°C
• titik didih – 3232°C
• konduktivitas termal (pada 300 K) – 6,74 W/(m K)

Plutonium bersifat radioaktif dan karenanya hangat saat disentuh. Pada saat yang sama, logam ini dicirikan oleh konduktivitas termal dan listrik terendah. Plutonium cair adalah yang paling kental dari semua logam yang ada.

Perubahan sekecil apa pun dalam suhu plutonium menyebabkan perubahan instan dalam kerapatan zat. Secara umum, massa plutonium terus berubah, karena inti logam ini berada dalam keadaan fisi konstan menjadi inti dan neutron yang lebih kecil. Massa kritis plutonium adalah nama massa minimum bahan fisil di mana fisi (reaksi berantai nuklir) tetap mungkin terjadi. Misalnya, massa kritis plutonium tingkat senjata adalah 11 kg (sebagai perbandingan, massa kritis uranium yang sangat diperkaya adalah 52 kg).

Uranium dan plutonium adalah bahan bakar nuklir utama. Untuk mendapatkan plutonium dalam jumlah besar, dua teknologi digunakan:

• penyinaran uranium
• iradiasi elemen transuranium yang berasal dari bahan bakar bekas

Kedua metode tersebut adalah pemisahan plutonium dan uranium sebagai hasil reaksi kimia.

Untuk mendapatkan plutonium-238 murni, digunakan iradiasi neutron dari neptunium-237. Isotop yang sama terlibat dalam pembuatan plutonium-239 tingkat senjata, khususnya, ini adalah produk peluruhan menengah. $1 juta adalah harga untuk 1 kg plutonium-238.

Banyak pembaca kami mengasosiasikan bom hidrogen dengan bom atom, hanya saja jauh lebih kuat. Faktanya, ini adalah senjata baru yang fundamental yang membutuhkan upaya intelektual besar yang tidak proporsional untuk penciptaannya dan bekerja pada prinsip-prinsip fisik yang berbeda secara fundamental.

Satu-satunya kesamaan yang dimiliki oleh bom atom dan bom hidrogen adalah keduanya melepaskan energi kolosal yang tersembunyi di dalam inti atom. Ini dapat dilakukan dengan dua cara: membagi inti berat, seperti uranium atau plutonium, menjadi yang lebih ringan (reaksi fisi) atau memaksa isotop hidrogen paling ringan untuk bergabung (reaksi fusi). Sebagai hasil dari kedua reaksi, massa bahan yang dihasilkan selalu lebih kecil dari massa atom awal. Tetapi massa tidak dapat hilang tanpa jejak - ia berubah menjadi energi menurut rumus Einstein yang terkenal E=mc 2 .

Untuk membuat bom atom, syarat yang diperlukan dan cukup adalah untuk mendapatkan bahan fisil dalam jumlah yang cukup. Pekerjaannya agak melelahkan, tetapi tidak terlalu intelektual, dan lebih dekat dengan industri pertambangan daripada sains tinggi. Sumber daya utama dalam pembuatan senjata semacam itu digunakan untuk pembangunan tambang uranium raksasa dan pabrik pengayaan. Bukti kesederhanaan perangkat ini adalah kenyataan bahwa tidak sampai satu bulan berlalu antara mendapatkan plutonium yang diperlukan untuk bom pertama dan ledakan nuklir Soviet pertama.

Mari kita ingat secara singkat prinsip pengoperasian bom semacam itu, yang diketahui dari kursus fisika sekolah. Ini didasarkan pada sifat uranium dan beberapa elemen transuranium, seperti plutonium, untuk melepaskan lebih dari satu neutron selama peluruhan. Unsur-unsur ini dapat meluruh baik secara spontan maupun di bawah pengaruh neutron lain.

Neutron yang dilepaskan dapat meninggalkan bahan radioaktif, atau mungkin bertabrakan dengan atom lain, menyebabkan reaksi fisi lain. Ketika konsentrasi tertentu dari suatu zat (massa kritis) terlampaui, jumlah neutron baru lahir yang menyebabkan fisi lebih lanjut dari inti atom mulai melebihi jumlah inti yang membusuk. Jumlah atom yang membusuk mulai bertambah seperti longsoran salju, melahirkan neutron baru, yaitu terjadi reaksi berantai. Untuk uranium-235 massa kritisnya sekitar 50 kg, untuk plutonium-239 adalah 5,6 kg. Artinya, bola plutonium dengan berat sedikit kurang dari 5,6 kg hanyalah sepotong logam hangat, dan massa yang lebih sedikit hanya ada selama beberapa nanodetik.

Sebenarnya, pengoperasian bom itu sederhana: kami mengambil dua belahan uranium atau plutonium, masing-masing sedikit lebih kecil dari massa kritis, menempatkannya pada jarak 45 cm, menutupinya dengan bahan peledak dan meledak. Uranium atau plutonium disinter menjadi sepotong massa superkritis, dan reaksi nuklir dimulai. Semuanya. Ada cara lain untuk memulai reaksi nuklir - untuk mengompresi sepotong plutonium dengan ledakan kuat: jarak antara atom akan berkurang, dan reaksi akan dimulai pada massa kritis yang lebih rendah. Semua detonator atom modern bekerja berdasarkan prinsip ini.

Masalah bom atom dimulai dari saat kita ingin meningkatkan daya ledaknya. Peningkatan sederhana dalam bahan fisil sangat diperlukan - segera setelah massanya mencapai yang kritis, ia meledak. Berbagai skema cerdik dirancang, misalnya, untuk membuat bom bukan dari dua bagian, tetapi dari banyak bagian, yang membuat bom itu mulai menyerupai jeruk yang dihancurkan, dan kemudian merakitnya menjadi satu bagian dengan satu ledakan, tetapi tetap, dengan kekuatan lebih dari 100 kiloton, masalah menjadi tidak dapat diatasi.

Tetapi bahan bakar untuk fusi termonuklir tidak memiliki massa kritis. Di sini Matahari, diisi dengan bahan bakar termonuklir, menggantung di atas kepala, reaksi termonuklir telah berlangsung di dalamnya selama satu miliar tahun, dan tidak ada yang meledak. Selain itu, selama reaksi fusi, misalnya, deuterium dan tritium (isotop hidrogen berat dan superberat), energi yang dilepaskan 4,2 kali lebih banyak daripada ketika uranium-235 dengan massa yang sama dibakar.

Pembuatan bom atom lebih bersifat eksperimental daripada teoritis. Penciptaan bom hidrogen membutuhkan munculnya disiplin fisik yang sama sekali baru: fisika plasma suhu tinggi dan tekanan supertinggi. Sebelum mulai merancang bom, perlu dipahami secara menyeluruh sifat dari fenomena yang hanya terjadi di inti bintang. Tidak ada eksperimen yang bisa membantu di sini - alat para peneliti hanyalah fisika teoretis dan matematika tingkat tinggi. Bukan kebetulan bahwa peran raksasa dalam pengembangan termo senjata nuklir tepatnya milik ahli matematika: Ulam, Tikhonov, Samarsky, dll.

super klasik

Pada akhir 1945, Edward Teller mengusulkan desain bom hidrogen pertama, yang dijuluki "super klasik". Untuk menciptakan tekanan dan suhu mengerikan yang diperlukan untuk memulai reaksi fusi, itu seharusnya menggunakan bom atom konvensional. "Super klasik" itu sendiri adalah silinder panjang yang diisi dengan deuterium. Ruang "pengapian" perantara dengan campuran deuterium-tritium juga disediakan - reaksi sintesis deuterium dan tritium dimulai pada tekanan yang lebih rendah. Dengan analogi dengan api, deuterium seharusnya memainkan peran kayu bakar, campuran deuterium dan tritium - segelas bensin, dan bom atom - korek api. Skema seperti itu disebut "pipa" - sejenis cerutu dengan pemantik atom di salah satu ujungnya. Menurut skema yang sama, fisikawan Soviet mulai mengembangkan bom hidrogen.

Namun, matematikawan Stanislav Ulam membuktikan kepada Teller dengan mistar biasa bahwa terjadinya reaksi fusi deuterium murni dalam "super" hampir tidak mungkin, dan campuran akan membutuhkan tritium dalam jumlah yang sedemikian rupa sehingga untuk produksinya diperlukan untuk secara praktis membekukan produksi plutonium tingkat senjata di Amerika Serikat.

kepulan gula

Pada pertengahan 1946, Teller mengusulkan skema lain untuk bom hidrogen - "jam alarm". Ini terdiri dari lapisan bola bergantian uranium, deuterium dan tritium. Selama ledakan nuklir dari muatan pusat plutonium, tekanan dan suhu yang diperlukan diciptakan untuk memulai reaksi termonuklir di lapisan bom lainnya. Namun, untuk "jam alarm" diperlukan inisiator atom berdaya tinggi, dan Amerika Serikat (seperti halnya Uni Soviet) mengalami masalah dengan produksi uranium dan plutonium tingkat senjata.

Pada musim gugur 1948, Andrei Sakharov datang dengan skema serupa. Di Uni Soviet, desainnya disebut "sloika". Untuk Uni Soviet, yang tidak memiliki cukup waktu untuk memproduksi uranium-235 dan plutonium-239 tingkat senjata, kepulan Sakharov adalah obat mujarab. Dan itulah kenapa.

Dalam bom atom biasa, uranium-238 alami tidak hanya tidak berguna (energi neutron selama peluruhan tidak cukup untuk memulai fisi), tetapi juga berbahaya, karena ia dengan rakus menyerap neutron sekunder, memperlambat reaksi berantai. Oleh karena itu, uranium tingkat senjata adalah 90% isotop uranium-235. Namun, neutron yang dihasilkan dari fusi termonuklir 10 kali lebih energik daripada neutron fisi, dan uranium-238 alami yang disinari dengan neutron semacam itu mulai membelah dengan sangat baik. Bom baru memungkinkan untuk menggunakan uranium-238 sebagai bahan peledak, yang sebelumnya dianggap sebagai produk limbah.

Sorotan dari "engah" Sakharov juga adalah penggunaan zat kristal cahaya putih, lithium deutride 6 LiD, alih-alih tritium yang sangat kekurangan.

Seperti disebutkan di atas, campuran deuterium dan tritium lebih mudah terbakar daripada deuterium murni. Namun, di sinilah kelebihan tritium berakhir, dan hanya kekurangan yang tersisa: dalam keadaan normal, tritium adalah gas, yang menyebabkan kesulitan dalam penyimpanan; tritium bersifat radioaktif dan, saat meluruh, berubah menjadi helium-3 yang stabil, secara aktif melahap neutron cepat yang sangat dibutuhkan, yang membatasi umur simpan bom hingga beberapa bulan.

Litium deutrida non-radioaktif, ketika disinari dengan neutron fisi lambat - konsekuensi dari ledakan sekering atom - berubah menjadi tritium. Jadi, radiasi ledakan atom primer dalam sekejap menghasilkan tritium yang cukup untuk reaksi termonuklir lebih lanjut, dan deuterium ada dalam litium deuterium sejak awal.

Itu adalah bom seperti itu, RDS-6, yang berhasil diuji pada 12 Agustus 1953 di menara situs uji Semipalatinsk. Kekuatan ledakan itu 400 kiloton, dan perselisihan belum berhenti apakah itu ledakan termonuklir nyata atau ledakan atom super-kuat. Memang, reaksi fusi termonuklir dalam kepulan Sakharov menyumbang tidak lebih dari 20% dari total daya muatan. Kontribusi utama ledakan dibuat oleh reaksi peluruhan uranium-238 yang disinari dengan neutron cepat, berkat RDS-6s yang membuka era yang disebut bom "kotor".

Faktanya adalah bahwa kontaminasi radioaktif utama hanyalah produk peluruhan (khususnya, strontium-90 dan cesium-137). Intinya, "engah" Sakharov adalah raksasa bom atom, hanya sedikit meningkatkan reaksi termonuklir. Bukan kebetulan bahwa hanya satu ledakan "sloika" yang menghasilkan 82% strontium-90 dan 75% cesium-137, yang memasuki atmosfer selama seluruh sejarah keberadaan situs uji Semipalatinsk.

bom amerika

Namun, Amerikalah yang meledakkan bom hidrogen pertama. Pada 1 November 1952, perangkat fusi Mike dengan hasil 10 megaton berhasil diuji di Elugelab Atoll di Samudra Pasifik. Menyebut perangkat Amerika seberat 74 ton sebagai bom bisa jadi sulit. "Mike" adalah perangkat besar seukuran rumah dua lantai, diisi dengan deuterium cair pada suhu mendekati nol mutlak ("sloika" Sakharov adalah produk yang sepenuhnya dapat diangkut). Namun, sorotan "Mike" bukanlah ukurannya, tetapi prinsip cerdas mengompresi bahan peledak termonuklir.

Ingatlah bahwa ide utama bom hidrogen adalah menciptakan kondisi untuk fusi (tekanan dan suhu super tinggi) melalui ledakan nuklir. Dalam skema "engah", muatan nuklir terletak di tengah, dan oleh karena itu ia tidak menekan deuterium sebanyak menyebarkannya ke luar - peningkatan jumlah bahan peledak termonuklir tidak menyebabkan peningkatan daya - itu hanya tidak punya waktu untuk meledak. Inilah yang membatasi kekuatan maksimum skema ini - "Puff" Orange Herald paling kuat di dunia, yang diledakkan oleh Inggris pada 31 Mei 1957, hanya menghasilkan 720 kiloton.

Akan ideal jika sekering atom dapat dibuat meledak di dalam, menekan bahan peledak termonuklir. Tapi bagaimana melakukannya? Edward Teller mengajukan ide cemerlang: mengompresi bahan bakar termonuklir bukan dengan energi mekanik dan fluks neutron, tetapi dengan radiasi dari sekering atom primer.

Dalam desain baru Teller, simpul atom yang memulai diberi jarak terpisah dari blok termonuklir. Ketika muatan atom ditembakkan, radiasi sinar-X melampaui gelombang kejut dan menyebar di sepanjang dinding tubuh silinder, menguapkan dan mengubah lapisan dalam polietilen dari tubuh bom menjadi plasma. Plasma, pada gilirannya, memancarkan kembali yang lebih lembut sinar X, yang diserap oleh lapisan luar silinder bagian dalam uranium-238 - "pendorong". Lapisan-lapisan tersebut mulai menguap secara eksplosif (fenomena ini disebut ablasi). Plasma uranium pijar dapat dibandingkan dengan semburan mesin roket super-kuat, yang daya dorongnya diarahkan ke dalam silinder dengan deuterium. Silinder uranium runtuh, tekanan dan suhu deuterium mencapai tingkat kritis. Tekanan yang sama menekan tabung plutonium pusat menjadi massa kritis, dan meledak. Ledakan sekering plutonium menekan deuterium dari dalam, selain itu mengompresi dan memanaskan bahan peledak termonuklir, yang meledak. Fluks neutron yang intens membelah inti uranium-238 di pendorong, menyebabkan reaksi peluruhan sekunder. Semua ini sempat terjadi sebelum saat ketika gelombang ledakan dari ledakan nuklir primer mencapai unit termonuklir. Perhitungan semua peristiwa yang terjadi dalam sepersejuta detik ini membutuhkan ketegangan pikiran para matematikawan terkuat di planet ini. Pencipta "Mike" tidak mengalami kengerian dari ledakan 10 megaton, tetapi kegembiraan yang tak terlukiskan - mereka berhasil tidak hanya memahami proses yang terjadi di dunia nyata hanya di inti bintang, tetapi juga secara eksperimental menguji teori mereka dengan mengatur bintang kecil di Bumi.

Bravo

Mengungguli Rusia dalam hal keindahan desain mereka, Amerika tidak dapat membuat perangkat mereka kompak: mereka menggunakan deuterium cair superdingin alih-alih deutrida lithium bubuk Sakharov. Di Los Alamos, mereka bereaksi terhadap kepulan Sakharov dengan tingkat kecemburuan: "alih-alih sapi besar dengan seember susu mentah, orang Rusia menggunakan paket susu bubuk." Namun, kedua belah pihak gagal menyembunyikan rahasia satu sama lain. Pada 1 Maret 1954, di dekat Bikini Atoll, Amerika menguji bom Bravo 15 megaton pada lithium deutride, dan pada 22 November 1955, bom termonuklir dua tahap Soviet pertama RDS-37 dengan kapasitas 1,7 megaton meledak di atas situs uji Semipalatinsk, menghancurkan hampir setengah dari situs uji. Sejak itu, desain bom termonuklir telah mengalami perubahan kecil (misalnya, perisai uranium muncul di antara bom awal dan muatan utama) dan telah menjadi kanonik. Dan di dunia tidak ada lagi misteri alam berskala besar seperti itu, yang dapat dipecahkan dengan eksperimen yang begitu spektakuler. Apakah itu kelahiran supernova.

Ada 15 isotop plutonium yang diketahui. Yang paling penting adalah Pu-239 dengan waktu paruh 24.360 tahun. Berat jenis plutonium adalah 19,84 pada 25 °C. Logam mulai meleleh pada suhu 641°C dan mendidih pada 3232°C. Valensinya adalah 3, 4, 5 atau 6.

Logam ini memiliki rona keperakan dan berubah menjadi kuning saat terkena oksigen. Plutonium adalah logam reaktif kimia dan mudah larut dalam asam klorida pekat, asam perklorat, dan asam hidroiodik. Selama -peluruhan, logam melepaskan energi panas.

plutonium - buka detik aktinida transuranium. Di alam, logam ini dapat ditemukan dalam jumlah kecil dalam bijih uranium.

Plutonium beracun dan harus ditangani dengan hati-hati. Isotop plutonium yang paling fisil telah digunakan sebagai senjata nuklir. Secara khusus, itu digunakan dalam bom yang dijatuhkan di kota Nagasaki di Jepang.

Ini adalah racun radioaktif yang terakumulasi di sumsum tulang. Saat bereksperimen pada manusia untuk mempelajari plutonium, ada beberapa kecelakaan, beberapa fatal. Adalah penting bahwa plutonium tidak mencapai massa kritis. Dalam larutan, plutonium membentuk massa kritis lebih cepat daripada dalam keadaan padat.

Nomor atom 94 berarti semua atom plutonium memiliki 94. Di udara, plutonium oksida terbentuk pada permukaan logam. Oksida ini bersifat piroforik, sehingga plutonium yang membara akan berkilau seperti abu.

Ada enam bentuk alotropik plutonium. Bentuk ketujuh muncul pada suhu tinggi.

Dalam larutan berair, plutonium berubah warna. Nuansa berbeda muncul di permukaan logam saat teroksidasi. Proses oksidasi tidak stabil dan warna plutonium dapat berubah secara tiba-tiba.

Tidak seperti kebanyakan zat, plutonium memadat saat meleleh. Dalam keadaan cair, elemen ini lebih kental daripada logam lainnya.

Logam ini digunakan dalam isotop radioaktif dalam generator termoelektrik yang menggerakkan pesawat ruang angkasa. Dalam pengobatan, digunakan dalam produksi stimulator elektronik untuk jantung.

Menghirup asap plutonium berbahaya bagi kesehatan. Dalam beberapa kasus, ini dapat menyebabkan kanker paru-paru. Plutonium yang dihirup memiliki rasa logam.

Integral Fast Reactor (IBR) bukan hanya jenis reaktor baru, tetapi juga siklus bahan bakar baru. Reaktor cepat integral - reaktor neutron cepat tanpa moderator. Ini hanya memiliki zona aktif dan tidak ada selimut.
IBR menggunakan bahan bakar logam paduan uranium dan plutonium.
Siklus bahan bakarnya menggunakan reduksi bahan bakar langsung di reaktor itu sendiri menggunakan pyroprocessing. Dalam pyroprocessing IBR, uranium praktis murni dikumpulkan pada katoda padat, sedangkan campuran plutonium, amerisium, neptunium, curium, uranium, dan beberapa produk fisi dikumpulkan pada katoda kadmium cair yang mengambang di garam elektrolit. dikumpulkan dalam garam elektrolit dan dalam lapisan kadmium.
Reaktor cepat integral didinginkan dengan natrium cair atau timbal. Produksi bahan bakar logam lebih sederhana dan lebih murah daripada bahan bakar keramik. Bahan bakar metalik membuat proses pyro menjadi pilihan alami. Bahan bakar logam memiliki konduktivitas termal dan kapasitas panas yang lebih baik daripada bahan bakar oksida.Bahan bakar ini merupakan paduan uranium dan plutonium.
Pemuatan awal ke dalam reaktor cepat terintegrasi harus mengandung lebih banyak isotop fisil di bawah aksi neutron termal ( > 20%) daripada di reaktor neutron termal. Ini bisa berupa uranium atau plutonium yang sangat diperkaya, senjata nuklir yang dinonaktifkan, dll. Selama operasi, reaktor mengubah bahan non-fisil (fertil) di bawah aksi neutron termal menjadi bahan fisil. Bahan fertil reaktor cepat dapat berupa depleted uranium (kebanyakan U-238), uranium alam, thorium, atau uranium yang diolah kembali dari bahan bakar reaktor air konvensional yang diiradiasi.
Bahan bakar terkandung dalam cangkang baja dengan natrium cair terjepit di antara bahan bakar dan cangkang. Ruang bebas di atas bahan bakar memungkinkan helium dan xenon radioaktif terkumpul secara bebas tanpa peningkatan tekanan yang signifikan di dalam sel bahan bakar dan memungkinkan bahan bakar mengembang tanpa merusak kelongsong reaktor.
Keuntungan timbal dibandingkan natrium adalah sifat kimianya yang kelembaman, terutama dalam hubungannya dengan air atau udara. Di sisi lain, timbal jauh lebih kental, sehingga sulit untuk dipompa. Selain itu, mengandung isotop yang diaktifkan neutron, yang praktis tidak ada dalam natrium.
Sirkuit pendingin dirancang sedemikian rupa sehingga memungkinkan perpindahan panas secara konveksi. Jadi jika terjadi kehilangan daya ke pompa atau penghentian reaktor yang tidak terduga, panas di sekitar teras akan cukup untuk mensirkulasikan pendingin.
Di IBR, isotop fisil tidak dipisahkan dari isotop plutonium, serta dari produk fisi, dan oleh karena itu penggunaan proses semacam itu untuk produksi senjata praktis tidak mungkin. Selain itu, plutonium tidak dikeluarkan dari reaktor, yang membuat penggunaan yang tidak sah menjadi tidak realistis. Setelah aktinida (uranium, plutonium, dan aktinida minor) diproses, produk limbah tetap ada - produk fisi Sm-151 dengan waktu paruh 90 liter atau berumur panjang seperti Tc-99 dengan waktu paruh 211.000 liter atau lebih.
Limbah IBR memiliki waktu paruh yang pendek atau sangat panjang, yang berarti radioaktifnya lemah. Jumlah total limbah IBR adalah 1/20 dari bahan bakar yang diproses ulang (yang biasanya dianggap limbah) dari reaktor neutron termal dengan daya yang sama. 70% produk fisi stabil atau memiliki waktu paruh sekitar satu tahun. Teknesium-99 dan yodium-129, di mana 6% dalam produk fisi memiliki waktu paruh yang sangat panjang, tetapi dapat ditransmutasikan dalam reaktor menjadi isotop dengan waktu paruh pendek (15,46 detik dan 12,36 jam) dengan penyerapan neutron dalam reaktor. Zirkonium-93 (5% dalam limbah) dapat diproses menjadi kelongsong bahan bakar di mana radioaktivitas tidak menjadi masalah. Sisa komponen limbah kurang radioaktif dari uranium alam.
IBR menggunakan siklus bahan bakar yang dua kali lipat lebih efisien dalam hal penggunaan bahan bakar dibandingkan dengan siklus tradisional di reaktor neutron lambat, mencegah penyebaran senjata nuklir, meminimalkan limbah tingkat tinggi, dan terlebih lagi, menggunakan beberapa limbah sebagai bahan bakar.
Di IBR, bahan bakar dan kelongsong dirancang sedemikian rupa sehingga ketika suhu naik dan mengembang, semakin banyak neutron meninggalkan inti, mengurangi intensitas reaksi berantai. Artinya, koefisien reaktivitas negatif bekerja. Di IBR, efek ini begitu kuat sehingga mampu menghentikan reaksi berantai tanpa campur tangan operator.

pemrosesan piro ‒ metode suhu tinggi pemrosesan elektrolitik bahan bakar nuklir bekas. Dibandingkan dengan metode hidrometalurgi(misalnya PUREX) , pyroprocessing digunakan langsung pada reaktor. Pelarut adalah garam cair (misalnya, LiCl + KCl atau LiF + CaF 2) dan logam cair (misalnya, kadmium, bismut, magnesium), dan bukan air dan senyawa organik.Dalam pyroprocessing, ekstraksi uranium, serta plutonium dan aktinida minor, terjadi secara bersamaan dan dapat segera digunakan sebagai bahan bakar. Volume limbah lebih kecil dan terutama mengandung produk fisi. piro Pemrosesan digunakan di IBR dan reaktor garam cair.

Logam plutonium digunakan dalam senjata nuklir dan berfungsi sebagai bahan bakar nuklir. Plutonium oksida digunakan sebagai sumber energi untuk teknologi luar angkasa dan digunakan dalam batang bahan bakar. Plutonium digunakan dalam baterai pesawat ruang angkasa. Inti Plutonium-239 mampu melakukan reaksi berantai nuklir ketika terkena neutron, sehingga isotop ini dapat digunakan sebagai sumber energi atom. Penggunaan plutonium-239 yang lebih sering dalam bom nuklir disebabkan oleh fakta bahwa plutonium menempati volume yang lebih kecil di bola, oleh karena itu, seseorang dapat memperoleh daya ledak bom karena sifat ini. Sebuah inti plutonium selama reaksi nuklir memancarkan rata-rata sekitar 2.895 neutron melawan 2.452 neutron untuk uranium-235. Namun, biaya produksi plutonium sekitar enam kali lebih tinggi daripada uranium-235.

Isotop plutonium telah menemukan aplikasinya dalam sintesis elemen transplutonium. Jadi, campuran oksida plutonium-242 pada tahun 2009 dan pemboman dengan ion kalsium-48 pada tahun 2010 dari isotop yang sama digunakan untuk menghasilkan ununquadium. Di Laboratorium Nasional Oak Ridge, iradiasi neutron berkepanjangan Pu digunakan untuk menghasilkan 24496Cm, 24296Cm, 24997Bk, 25298Cf dan 25399Es dan 257100Fm. Dengan pengecualian Pu, semua elemen transuranium yang tersisa diproduksi di masa lalu untuk tujuan penelitian. Berkat penangkapan neutron isotop plutonium pada tahun 1944, G. T. Seaborg dan kelompoknya memperoleh isotop amerisium pertama - 24195 Am Am). Untuk mengkonfirmasi bahwa hanya ada 14 aktinida, sintesis inti rutherfordium dilakukan pada tahun 1966 di Dubna di bawah bimbingan Akademisi G. N. Flerov:

24294Pu + 2210Ne → 260104Rf + 4n.

Paduan plutonium yang distabilkan digunakan dalam pembuatan elemen bahan bakar, karena memiliki sifat metalurgi yang lebih baik dibandingkan dengan plutonium murni, yang mengalami transisi fase saat dipanaskan.

Plutonium "ultra-murni" digunakan dalam senjata nuklir Angkatan Laut AS dan digunakan pada kapal dan kapal selam di bawah pelindung timah nuklir, yang mengurangi paparan radiasi pada kru.

Plutonium-238 dan plutonium-239 adalah isotop yang paling banyak disintesis.

• Muatan nuklir berbasis plutonium pertama diledakkan pada 16 Juli 1945 di lokasi uji Alamogordo.

Senjata nuklir

Plutonium sangat sering digunakan dalam bom nuklir. Fakta sejarah adalah pelepasan bom nuklir di Nagasaki pada tahun 1945 oleh Amerika Serikat. Bom yang dijatuhkan di kota ini mengandung 6,2 kg plutonium. Kekuatan ledakan adalah 21 kiloton. Pada akhir 1945, 60-80 ribu orang meninggal. Setelah 5 tahun, jumlah kematian total, termasuk kematian akibat kanker dan efek jangka panjang lainnya dari ledakan, dapat mencapai atau bahkan melebihi 140.000 orang.

Prinsip terjadinya ledakan nuklir yang melibatkan plutonium adalah desain bom nuklir. "Inti" bom terdiri dari bola yang diisi dengan plutonium-239, yang, pada saat tumbukan dengan bumi, dikompresi menjadi satu juta atmosfer karena desain dan berkat bahan peledak yang mengelilingi bola ini. Setelah tumbukan, nukleus mengembang dalam volume dan kepadatan dalam sepuluh mikrodetik, sementara rakitan kompresibel tergelincir melalui keadaan kritis pada neutron termal dan menjadi superkritis secara signifikan pada neutron cepat, yaitu, reaksi berantai nuklir dimulai dengan partisipasi neutron dan inti. dari elemen. Harus diperhitungkan bahwa bom itu tidak seharusnya meledak sebelum waktunya. Namun, ini praktis tidak mungkin, karena untuk memampatkan bola plutonium hanya 1 cm dalam sepuluh nanodetik, diperlukan percepatan yang puluhan triliun kali lebih besar dari percepatan jatuh bebas. Dengan ledakan terakhir bom nuklir, suhu naik hingga puluhan juta derajat. Perlu dicatat bahwa di zaman kita, 8-9 kg elemen ini sudah cukup untuk membuat muatan nuklir penuh.

Hanya satu kilogram plutonium-239 dapat menghasilkan ledakan setara dengan 20.000 ton TNT. Bahkan 50 g elemen selama pembelahan semua inti akan menghasilkan ledakan yang sama dengan ledakan 1000 ton TNT. Isotop ini adalah satu-satunya nuklida yang cocok untuk digunakan dalam senjata nuklir, karena kehadiran bahkan 1% Pu akan menghasilkan produksi sejumlah besar neutron, yang tidak akan memungkinkan penggunaan bom nuklir yang memuat meriam secara efektif. Isotop yang tersisa dianggap hanya karena efek berbahayanya.

Plutonium-240 dapat ditemukan dalam bom nuklir dalam jumlah kecil, tetapi jika kandungannya meningkat, reaksi berantai prematur akan terjadi. Isotop ini memiliki kemungkinan fisi spontan yang tinggi, yang membuatnya mustahil untuk sebagian besar kandungannya dalam bahan fisil.

Menurut saluran TV Al-Jazeera, Israel memiliki sekitar 118 hulu ledak dengan plutonium sebagai zat radioaktif. Diyakini bahwa Korea Selatan memiliki sekitar 40 kg plutonium, cukup untuk menghasilkan 6 rudal nuklir. IAEA memperkirakan pada 2007 bahwa produksi plutonium Irak cukup untuk dua hulu ledak nuklir setahun. Pada tahun 2006, Pakistan mulai membangun reaktor nuklir yang akan menghasilkan sekitar 200 kg bahan radioaktif per tahun. Dalam hal jumlah hulu ledak nuklir, angka ini akan menjadi sekitar 40-50 bom.

Beberapa perjanjian ditandatangani antara Rusia dan Amerika Serikat selama dekade pertama abad ke-21. Dengan demikian, secara khusus, pada tahun 2003 sebuah perjanjian ditandatangani untuk memproses 68 ton plutonium di PLTN Balakovo menjadi bahan bakar MOX hingga tahun 2024. Pada tahun 2007, negara-negara menandatangani rencana bagi Rusia untuk membuang 34 ton plutonium yang dibuat untuk program senjata Rusia. Pada 2010, sebuah perjanjian ditandatangani tentang pembuangan senjata nuklir, khususnya plutonium, yang jumlahnya cukup untuk menghasilkan 17.000 hulu ledak nuklir.

Pada 17 November 2010, sebuah perjanjian ditandatangani antara Amerika Serikat dan Kazakhstan untuk menutup reaktor nuklir industri BN-350 di kota Aktau, yang menghasilkan listrik dari plutonium. Reaktor ini adalah yang pertama di dunia dan di Kazakhstan pilot reaktor neutron cepat; Masa jabatannya adalah 27 tahun.

polusi nuklir

Selama periode ketika uji coba nuklir dimulai, berdasarkan plutonium, dan ketika sifat radioaktifnya baru mulai dipelajari, lebih dari 5 ton elemen dilepaskan ke atmosfer. Sejak tahun 1970-an, porsi plutonium dalam pencemaran radioaktif di atmosfer bumi mulai meningkat.

Plutonium memasuki Pacific Northwest terutama melalui uji coba nuklir. Peningkatan kandungan unsur tersebut dijelaskan oleh AS yang melakukan uji coba nuklir di Kepulauan Marshall di lokasi uji coba Pasifik pada 1950-an. Kontaminasi utama dari tes ini terjadi pada tahun 1960. Berdasarkan penilaian para ilmuwan, keberadaan plutonium di Samudra Pasifik meningkat dibandingkan dengan sebaran umum bahan nuklir di bumi. Menurut beberapa perhitungan, dosis radiasi yang berasal dari sesium-137 di atol Kepulauan Marshall adalah sekitar 95%, dan 5 sisanya adalah isotop strontium, amerisium, dan plutonium.

Plutonium diangkut di laut melalui proses fisik dan biogeokimia. Waktu tinggal plutonium di perairan permukaan laut adalah dari 6 hingga 21 tahun, yang biasanya lebih pendek daripada sesium-137. Tidak seperti isotop ini, plutonium adalah unsur yang sebagian bereaksi dengan lingkungan dan membentuk 1-10% senyawa yang tidak larut dari total massa yang dilepaskan ke lingkungan. Plutonium di laut jatuh ke dasar bersama dengan partikel biogenik, dari mana ia direduksi menjadi bentuk larut oleh dekomposisi mikroba. Isotopnya yang paling umum di lingkungan laut adalah plutonium-239 dan plutonium-240.

Pada Januari 1968, sebuah pesawat B-52 Amerika yang membawa empat senjata nuklir jatuh di atas es di dekat Thule, Greenland, sebagai akibat dari pendaratan yang gagal. Tabrakan itu menyebabkan ledakan dan fragmentasi senjata, menyebabkan plutonium jatuh ke gumpalan es yang terapung. Setelah ledakan, lapisan atas salju yang terkontaminasi dihancurkan, dan sebagai hasilnya, retakan terbentuk, di mana plutonium memasuki air. Untuk mengurangi kerusakan alam, sekitar 1,9 miliar liter salju dan es dikumpulkan, yang bisa saja terkena kontaminasi radioaktif. Selanjutnya, ternyata salah satu dari empat dakwaan tidak pernah ditemukan.

Ada kasus yang diketahui ketika pesawat ruang angkasa Soviet Kosmos-954 pada 24 Januari 1978 dengan sumber tenaga nuklir di dalamnya jatuh ke wilayah Kanada selama de-orbit yang tidak terkendali. Kejadian ini mengakibatkan terlepasnya 1 kg plutonium-238 ke lingkungan di atas lahan seluas sekitar 124.000 m².

Pelepasan plutonium ke lingkungan tidak hanya dikaitkan dengan kecelakaan buatan manusia. Kasus kebocoran plutonium diketahui baik dari kondisi laboratorium maupun pabrik. Ada sekitar 22 kebocoran yang tidak disengaja dari laboratorium uranium-235 dan plutonium-239. Selama tahun 1953-1978. kecelakaan mengakibatkan hilangnya 0,81-10,1 kg Pu. Kecelakaan di pabrik industri mengakibatkan total dua kematian di Los Alamos karena dua kecelakaan dan hilangnya 6,2 kg plutonium. Di kota Sarov pada tahun 1953 dan 1963. sekitar 8 dan 17,35 kg jatuh di luar reaktor nuklir. Salah satunya menyebabkan kehancuran reaktor nuklir pada tahun 1953.

Tingkat radioaktivitas isotop per April 1986.

Ada kasus yang diketahui dari kecelakaan di pembangkit listrik tenaga nuklir Chernobyl, yang terjadi pada 26 April 1986. Sebagai hasil dari penghancuran unit daya keempat, 190 ton zat radioaktif dilepaskan ke lingkungan di area seluas sekitar 2.200 km². Delapan dari 140 ton bahan bakar radioaktif dari reaktor berakhir di udara. Area yang terkontaminasi adalah 160.000 km². Sumber daya yang signifikan dimobilisasi untuk menghilangkan konsekuensinya, lebih dari 600 ribu orang berpartisipasi dalam likuidasi konsekuensi dari kecelakaan itu. Aktivitas total zat yang dilepaskan ke lingkungan, menurut berbagai perkiraan, hingga 14 × 10 Bq, termasuk:

• 1,8 EBq - 13153I,
• 0,085 EBq - 13755Cs,
• 0,01 EBq - 9038Sr
• 0,003 EBq - isotop plutonium,
• gas mulia menyumbang sekitar setengah dari total aktivitas.

Saat ini, sebagian besar penghuni zona terkontaminasi menerima kurang dari 1 mSv per tahun melebihi latar belakang alam.

Sumber energi dan panas

Seperti yang Anda ketahui, energi nuklir digunakan untuk mengubahnya menjadi listrik dengan memanaskan air, yang, menguap dan membentuk uap super panas, memutar bilah turbin generator listrik. Keuntungan dari teknologi ini adalah tidak adanya gas rumah kaca yang berdampak buruk bagi lingkungan. Pada 2009, 438 pembangkit listrik tenaga nuklir di seluruh dunia menghasilkan sekitar 371,9 GW listrik. Namun, minus dari industri nuklir adalah limbah nuklir, dimana sekitar 12.000 ton diproses per tahun.Jumlah bahan limbah ini merupakan tugas yang agak sulit bagi karyawan PLTN. Pada tahun 1982, diperkirakan ~300 ton plutonium telah terakumulasi.

Tablet plutonium-238 dioksida.

Bubuk kuning-coklat, terdiri dari plutonium dioksida, dapat menahan suhu hingga 1200 °C. Sintesis senyawa terjadi dengan dekomposisi plutonium tetrahidroksida atau tetranitrat dalam atmosfer oksigen:

Bubuk berwarna cokelat yang dihasilkan disinter dan dipanaskan dalam aliran hidrogen basah hingga 1500 °C. Dalam hal ini, tablet dengan kepadatan 10,5-10,7 g/cm³ terbentuk, yang dapat digunakan sebagai bahan bakar nuklir. Plutonium dioksida adalah plutonium oksida yang paling stabil dan lembam dan terurai menjadi komponen dengan pemanasan pada suhu tinggi, dan oleh karena itu digunakan dalam pemrosesan dan penyimpanan plutonium, serta penggunaannya lebih lanjut sebagai sumber listrik. Satu kilogram plutonium setara dengan sekitar 22 juta kWh energi panas.

Di Uni Soviet, beberapa RTG Topaz diproduksi, yang dirancang untuk menghasilkan listrik untuk pesawat ruang angkasa. Perangkat ini dirancang untuk bekerja dengan plutonium-238, yang merupakan -emitor. Setelah musim gugur Uni Soviet Amerika Serikat membeli beberapa perangkat semacam itu untuk mempelajari desainnya dan penggunaan lebih lanjut dalam program luar angkasa jangka panjang mereka.

RTG menyelidiki New Horizons.

Pengganti yang layak untuk plutonium-238 bisa disebut polonium-210. Disipasi panasnya adalah 140 W/g, dan hanya satu gram yang dapat memanaskan hingga 500 °C. Namun, karena ukurannya yang sangat kecil misi luar angkasa waktu paruh, penggunaan isotop ini dalam industri luar angkasa sangat terbatas.

Plutonium-238 pada tahun 2006, saat peluncuran wahana New Horizons ke Pluto, ditemukan penggunaannya sebagai sumber daya untuk wahana tersebut. Generator radioisotop mengandung 11 kg Pu dioksida dengan kemurnian tinggi, yang menghasilkan rata-rata 220 watt listrik sepanjang perjalanan. Kekhawatiran diungkapkan tentang peluncuran penyelidikan yang gagal, tetapi itu masih terjadi. Setelah diluncurkan, probe mencapai kecepatan 36.000 mil per jam berkat gaya gravitasi bumi. Pada tahun 2007, manuver gravitasi di sekitar Jupiter meningkatkan kecepatannya hingga 9.000 mil lagi, memungkinkannya untuk mendekati pendekatan terdekatnya ke Pluto pada Juli 2015 dan kemudian melanjutkan pengamatannya di sabuk Kuiper.

Probe Galileo dan Cassini juga dilengkapi dengan sumber daya berbasis plutonium. Isotop akan digunakan pada misi masa depan, misalnya, penjelajah Curiosity akan ditenagai oleh plutonium-238. Penurunannya ke permukaan Mars dijadwalkan pada Agustus 2012. Rover akan menggunakan generasi terbaru dari RTG, yang disebut Multi-Mission Radioisotop Thermoelectric Generator. Perangkat ini akan menghasilkan daya listrik 125 watt, dan setelah 14 tahun - 100 watt. Untuk pengoperasian rover, energi 2,5 kWh akan dihasilkan karena peluruhan inti. Plutonium-238 adalah sumber energi optimal, memancarkan 0,56 Wg. Penggunaan isotop ini dengan timbal telluride, yang digunakan sebagai elemen termoelektrik, membentuk sumber listrik yang sangat kompak dan berjangka panjang tanpa bagian struktur yang bergerak, yang memungkinkan untuk "menyelamatkan" ruang pesawat ruang angkasa.

RTG SNAP-27 digunakan dalam misi Apollo 14.

Beberapa kilogram PuO 2 digunakan tidak hanya di Galileo, tetapi juga di beberapa misi Apollo. Pembangkit tenaga listrik SNAP-27, yang daya termal dan listriknya masing-masing 1480 W dan 63,5 W, mengandung 3,735 kg plutonium-238 dioksida. Untuk mengurangi risiko ledakan atau kemungkinan kecelakaan lainnya, berilium digunakan sebagai elemen tahan panas, ringan, dan tahan lama. SNAP-27 adalah jenis generator terakhir yang digunakan oleh NASA untuk misi luar angkasa; jenis sebelumnya menggunakan sumber listrik lain.

Saat melakukan eksperimen seismik pasif di Bulan dalam misi Apollo 11, dua sumber panas radioisotop dengan kekuatan 15 W digunakan, yang mengandung 37,6 g plutonium dioksida dalam bentuk mikrosfer. Generator itu digunakan dalam misi Apollo 12, 14, 15, 16, 17. Ini dirancang untuk menyediakan tenaga listrik ke peralatan ilmiah yang dipasang di pesawat ruang angkasa. Selama misi Apollo 13, modul bulan menyimpang dari lintasannya, akibatnya ia terbakar di lapisan atmosfer yang padat. Di dalam SNAP-27, isotop yang disebutkan di atas digunakan, yang dikelilingi oleh bahan tahan korosi dan akan disimpan di dalamnya selama 870 tahun lagi.

Plutonium-236 dan plutonium-238 digunakan untuk membuat baterai listrik atom, yang masa pakainya mencapai 5 tahun atau lebih. Mereka digunakan dalam generator saat ini yang merangsang jantung. Pada tahun 2003, ada 50-100 orang di AS dengan alat pacu jantung plutonium. Penggunaan plutonium-238 dapat meluas ke pakaian untuk penyelam dan astronot. Berilium bersama dengan isotop di atas digunakan sebagai sumber radiasi neutron.

Pada tahun 2007, Inggris memulai pembongkaran Calder Hall, pembangkit listrik tenaga nuklir plutonium tertua, yang mulai beroperasi pada 17 Oktober 1956 dan selesai pada 29 September 2007.

Reaktor pembiakan

Representasi skema reaktor breeder neutron cepat dengan cairan pendingin logam, dengan tata letak integral dan loop peralatan.

Untuk memperoleh plutonium dalam jumlah besar, reaktor pemulia sedang dibangun, yang memungkinkan untuk menghasilkan plutonium dalam jumlah yang signifikan. Reaktor disebut "peternak" karena dengan bantuan mereka dimungkinkan untuk memperoleh bahan fisil dalam jumlah yang melebihi biaya perolehannya.

Di Amerika Serikat, pembangunan reaktor pertama jenis ini dimulai sebelum 1950. Di Uni Soviet dan Inggris Raya, pembuatannya dimulai pada awal 1950-an. Namun, reaktor pertama diciptakan untuk mempelajari karakteristik neutronik reaktor dengan spektrum neutron keras. Oleh karena itu, sampel pertama seharusnya menunjukkan bukan jumlah produksi yang besar, tetapi kemungkinan penerapan solusi teknis yang ditetapkan dalam reaktor pertama jenis ini.

Perbedaan antara reaktor booster dan reaktor nuklir konvensional adalah bahwa neutron tidak diperlambat di dalamnya, yaitu, tidak ada moderator neutron agar dapat bereaksi sebanyak mungkin dengan uranium-238. Setelah reaksi, atom uranium-239 terbentuk, yang kemudian membentuk plutonium-239. Dalam reaktor seperti itu, bagian tengah, yang mengandung plutonium dioksida dalam uranium dioksida terdeplesi, dikelilingi oleh cangkang uranium-238 dioksida yang lebih terdeplesi, di mana Pu terbentuk. Menggunakan U dan U bersama-sama, reaktor tersebut dapat menghasilkan 50-60 kali lebih banyak energi dari uranium alam, sehingga memungkinkan untuk menggunakan cadangan yang paling cocok untuk memproses bijih uranium. Rasio reproduksi dihitung sebagai rasio bahan bakar nuklir yang diproduksi untuk dihabiskan. Namun, mencapai tingkat reproduksi yang tinggi bukanlah tugas yang mudah. Elemen bahan bakar di dalamnya harus didinginkan oleh sesuatu selain air, yang mengurangi energinya. Penggunaan natrium cair sebagai elemen pendingin telah diusulkan. Dalam reaktor pemulia, uranium-235 yang diperkaya dengan massa lebih dari 15% digunakan untuk mencapai penyinaran neutron yang diperlukan dan rasio pemuliaan sekitar 1-1,2.

Saat ini, lebih menguntungkan secara ekonomi untuk memperoleh uranium dari bijih uranium yang diperkaya hingga 3% dalam uranium-235 daripada membiakkan uranium menjadi plutonium-239 menggunakan uranium-235 yang diperkaya 15%. Secara sederhana, keunggulan peternak adalah kemampuannya dalam proses operasi tidak hanya menghasilkan listrik, tetapi juga membuang uranium-238 yang tidak layak digunakan sebagai bahan bakar nuklir.