Plutonio-239
Plutonio-239 (239Pu o Pu-239) es un isótopo del plutonio. El plutonio-239 es el principal isótopo fisible utilizado para la producción de armas nucleares, aunque el uranio-235 también se utiliza para ese fin. El plutonio-239 es también uno de los tres isótopos principales que se ha demostrado que son utilizables como combustible en reactores nucleares de espectro térmico, junto con el uranio-235 y el uranio-233. El plutonio-239 tiene una vida media de 24.110 años.
Propiedades nucleares
Las propiedades nucleares del plutonio-239, así como la capacidad de producir grandes cantidades de 239Pu casi puro a un precio más económico que el uranio-235 altamente enriquecido apto para armas, llevaron a su uso en energía nuclear. armas y centrales nucleares. La fisión de un átomo de uranio-235 en el reactor de una central nuclear produce de dos a tres neutrones, y estos neutrones pueden ser absorbidos por el uranio-238 para producir plutonio-239 y otros isótopos. El plutonio-239 también puede absorber neutrones y fisionarse junto con el uranio-235 en un reactor.
De todos los combustibles nucleares comunes, 239Pu tiene la masa crítica más pequeña. Una masa crítica esférica sin apisonar mide aproximadamente 11 kg (24,2 libras) y 10,2 cm (4") de diámetro. Usando disparadores apropiados, reflectores de neutrones, geometría de implosión y manipuladores, la masa crítica puede ser menos de la mitad.
La fisión de un átomo de 239Pu genera 207,1 MeV = 3,318 × 10−11 J, es decir, 19,98 TJ/mol = 83,61 TJ/kg, o alrededor de 23 gigavatios hora/kg.
| fuente de radiación (fisión térmica) 239Pu) | energía promedio liberada [MeV] |
|---|---|
| Energía cinética de fragmentos de fisión | 175,8 |
| Energía cinética de neutrones rápidos | 5.9 |
| Energía transportada por rápidos rayos γ | 7.8 |
| Energía instantánea total | 189.5 |
| Energía de β - partículas | 5.3 |
| Energía de los antineutrinos | 7.1 |
| Energía de rayos γ retardados | 5.2 |
| Total de productos de fisión decadente | 17.6 |
| Energía liberada por captura radiativa de neutrones rápidos | 11.5 |
| Calor total liberado en un reactor de espectro térmico (anti-neutrinos no contribuyen) | 211,5 |
Producción
El plutonio está hecho de uranio-238. 239Pu normalmente se crea en reactores nucleares por transmutación de átomos individuales de uno de los isótopos de uranio presentes en las barras de combustible. Ocasionalmente, cuando un átomo 238U está expuesta a la radiación de neutrones, su núcleo capturará un neutron, cambiándolo a 239U. Esto sucede más a menudo con menor energía cinética (como 238La activación de la fisión U es 6.6MeV). El 239U entonces rápidamente sufre dos decaimientos β - una emisión de un electrón y un anti-neutrino (), dejando un protón - la primera β− decaimiento transformando el 239U en neptunium-239, y el segundo β− decaimiento transformando el 239Np into 239Pu:
![{\displaystyle {\ce {{}^{238}_{92}U + {}^{1}_{0}n -> {}^{239}_{92}U ->[\beta^-][23.5\ {\ce {min}}] {}^{239}_{93}Np ->[\beta^-][2.356\ {\ce {d}}] {}^{239}_{94}Pu}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/15bb66867a3b931a990a4b1de2b7a1f3692701e0)
La actividad de la fisión es relativamente rara, así que incluso después de una exposición significativa, la 239Pu sigue mezclado con una gran cantidad de 238U (y posiblemente otros isótopos de uranio), oxígeno, otros componentes del material original y productos de fisión. Sólo si el combustible ha estado expuesto durante unos días en el reactor, puede 239Pu ser químicamente separado del resto del material para producir alta pureza 239Pu metal.
El239Pu tiene una mayor probabilidad de fisión que el 235U y un mayor número de neutrones producidos por evento de fisión, por lo que tiene una masa crítica menor. El 239Pu puro también tiene una tasa razonablemente baja de emisión de neutrones debido a la fisión espontánea (10 fisiones/s·kg), lo que hace factible ensamblar una masa que es altamente supercrítica antes de que comience una reacción en cadena de detonación.
En la práctica, sin embargo, el plutonio generado en reactores contendrá invariablemente una cierta cantidad de 240Pu debido a la tendencia del 239Pu a absorber un neutrón adicional durante la producción. El 240Pu tiene una alta tasa de eventos de fisión espontánea (415.000 fisiones/s-kg), lo que lo convierte en un contaminante indeseable. Como resultado, el plutonio que contiene una fracción significativa de 240Pu no es adecuado para su uso en armas nucleares; emite radiación de neutrones, lo que dificulta su manipulación, y su presencia puede provocar un "esfumado" sonido. en el que se produce una pequeña explosión que destruye el arma pero no provoca la fisión de una fracción significativa del combustible. Es por esta limitación que las armas basadas en plutonio deben ser del tipo implosión, en lugar de tipo arma. Además, el 239Pu y el 240Pu no se pueden distinguir químicamente, por lo que sería necesaria una costosa y difícil separación de isótopos para separarlos. Se define que el plutonio apto para armas no contiene más del 7 % de 240Pu; esto se logra exponiendo únicamente 238U a fuentes de neutrones durante cortos períodos de tiempo para minimizar el 240Pu producido.
El plutonio se clasifica según el porcentaje del contaminante plutonio-240 que contiene:
- Supergrado 2-3%
- Categoría de armas 3-7%
- Grado de combustible 7 a 18%
- Grado de reactor 18% o más
Por lo tanto, un reactor nuclear que se utiliza para producir plutonio para armas generalmente tiene un medio para exponer el 238U a la radiación de neutrones y para reemplazar frecuentemente el 238U irradiado con nuevo. 238U. Un reactor que funciona con uranio no enriquecido o moderadamente enriquecido contiene una gran cantidad de 238U. Sin embargo, la mayoría de los diseños de reactores nucleares comerciales requieren que todo el reactor se apague, a menudo durante semanas, para cambiar los elementos combustibles. Por tanto, producen plutonio en una mezcla de isótopos que no es adecuada para la construcción de armas. A un reactor de este tipo se le podría agregar maquinaria que permitiría colocar bloques de 238U cerca del núcleo y cambiarlos con frecuencia, o podría apagarse con frecuencia, por lo que la proliferación es una preocupación; Por esta razón, la Agencia Internacional de Energía Atómica inspecciona con frecuencia los reactores autorizados. Algunos diseños de reactores de energía comerciales, como el reaktor bolshoy moshchnosti kanalniy (RBMK) y el reactor de agua pesada a presión (PHWR), permiten el reabastecimiento de combustible sin paradas y pueden representar un riesgo de proliferación. (De hecho, el RBMK fue construido por la Unión Soviética durante la Guerra Fría, por lo que a pesar de su propósito aparentemente pacífico, es probable que la producción de plutonio fuera un criterio de diseño.) Por el contrario, el CANDU canadiense alimentado con agua pesada y uranio natural moderado. El reactor también se puede repostar mientras está en funcionamiento, pero normalmente consume la mayor parte del 239Pu que produce in situ; por lo tanto, no sólo es inherentemente menos proliferativo que la mayoría de los reactores, sino que Incluso puede funcionar como “incinerador de actínidos”. El IFR (Reactor Rápido Integral) estadounidense también puede funcionar en “modo de incineración”, lo que tiene algunas ventajas al no acumular el isótopo plutonio-242 ni los actínidos de larga vida, que no pueden quemarse fácilmente excepto en un reactor rápido. También el combustible IFR tiene una alta proporción de isótopos combustibles, mientras que en CANDU se necesita un material inerte para diluir el combustible; esto significa que el IFR puede quemar una fracción mayor de su combustible antes de necesitar reprocesamiento. La mayor parte del plutonio se produce en reactores de investigación o reactores de producción de plutonio llamados reactores reproductores porque producen más plutonio del que consumen combustible; En principio, estos reactores hacen un uso extremadamente eficiente del uranio natural. En la práctica, su construcción y funcionamiento son tan difíciles que generalmente sólo se utilizan para producir plutonio. Los reactores reproductores son generalmente (pero no siempre) reactores rápidos, ya que los neutrones rápidos son algo más eficientes en la producción de plutonio.
El plutonio-239 se utiliza con más frecuencia en armas nucleares que el uranio-235, ya que es más fácil de obtener en una cantidad de masa crítica. Tanto el plutonio-239 como el uranio-235 se obtienen del uranio natural, que se compone principalmente de uranio-238 pero contiene trazas de otros isótopos de uranio como el uranio-235. El proceso de enriquecimiento de uranio, es decir, aumentar la proporción de 235U a 238U con respecto a la calidad armamentista, es generalmente un proceso más largo y costoso que la producción de plutonio-239 a partir de 238U y posterior reprocesamiento.
Plutonio supergrado
La "supergrado" El combustible de fisión, que tiene menos radiactividad, se utiliza en la etapa primaria de las armas nucleares de la Marina de los EE. UU. en lugar del plutonio convencional utilizado en las versiones de la Fuerza Aérea. "Supergrado" es el lenguaje industrial para referirse a una aleación de plutonio que contiene una fracción excepcionalmente alta de 239Pu (>95%), dejando una cantidad muy baja de 240Pu, que es una fisión espontánea alta. isótopo (ver arriba). Ese plutonio se produce a partir de barras de combustible que han sido irradiadas durante un período de tiempo muy corto, medido en MW-día/tonelada de quemado. Estos tiempos de irradiación tan bajos limitan la cantidad de captura adicional de neutrones y, por lo tanto, la acumulación de productos isotópicos alternativos como 240Pu en la varilla y, en consecuencia, su producción es considerablemente más costosa, ya que se necesitan muchas más varillas irradiadas y procesado para una determinada cantidad de plutonio.
El plutonio-240, además de ser un emisor de neutrones después de la fisión, es un emisor gamma y, por lo tanto, es responsable de una gran fracción de la radiación de las armas nucleares almacenadas. Ya sea que estén patrullando o en el puerto, los miembros de la tripulación de los submarinos habitualmente viven y trabajan muy cerca de las armas nucleares almacenadas en salas de torpedos y tubos de misiles, a diferencia de los misiles de la Fuerza Aérea, donde las exposiciones son relativamente breves. La necesidad de reducir la exposición a la radiación justifica los costos adicionales de la aleación de primera calidad utilizada en muchas armas nucleares navales. El plutonio supergrado se utiliza en las ojivas W80.
En reactores nucleares
En cualquier reactor nuclear en funcionamiento que contenga 238U, algo de plutonio-239 se acumulará en el combustible nuclear. A diferencia de los reactores utilizados para producir plutonio apto para armas, los reactores de energía nuclear comerciales suelen funcionar con un alto quemado que permite que se acumule una cantidad significativa de plutonio en el combustible irradiado del reactor. El plutonio-239 estará presente tanto en el núcleo del reactor durante la operación como en el combustible nuclear gastado que se haya retirado del reactor al final de la vida útil del conjunto combustible (normalmente varios años). El combustible nuclear gastado suele contener aproximadamente un 0,8% de plutonio-239.
El plutonio-239 presente en el combustible del reactor puede absorber neutrones y fisionarse al igual que el uranio-235. Dado que el plutonio-239 se crea constantemente en el núcleo del reactor durante el funcionamiento, su uso como combustible nuclear en centrales eléctricas puede realizarse sin reprocesamiento del combustible gastado; el plutonio-239 se fisiona en las mismas barras de combustible en las que se produce. La fisión del plutonio-239 proporciona más de un tercio de la energía total producida en una central nuclear comercial típica. El combustible del reactor acumularía mucho más del 0,8% de plutonio-239 durante su vida útil si no se "quemara" constantemente parte del plutonio-239. por fisión.
Se puede añadir deliberadamente un pequeño porcentaje de plutonio-239 al combustible nuclear nuevo. Este combustible se denomina combustible MOX (óxidos mixtos), ya que contiene una mezcla de dióxido de uranio (UO2) y dióxido de plutonio (PuO2). La adición de plutonio-239 reduce la necesidad de enriquecer el uranio del combustible.
Peligros
El plutonio-239 emite partículas alfa para convertirse en uranio-235. Como emisor alfa, el plutonio-239 no es particularmente peligroso como fuente de radiación externa, pero si se ingiere o se respira en forma de polvo, es muy peligroso y cancerígeno. Se ha estimado que una libra (454 gramos) de plutonio inhalado como polvo de óxido de plutonio podría provocar cáncer a dos millones de personas. Sin embargo, el plutonio ingerido es mucho menos peligroso ya que sólo una pequeña fracción se absorbe en el tracto gastrointestinal; Es poco probable que 800 mg causen un riesgo importante para la salud en lo que respecta a la radiación. Como metal pesado, el plutonio también es químicamente tóxico. Véase también Plutonio#Precauciones.
El plutonio apto para armas (con más del 90 % de 239Pu) se utiliza para fabricar armas nucleares y tiene muchas ventajas sobre otros materiales fisibles para ese fin. Proporciones más bajas de 239Pu harían difícil o imposible un diseño de arma confiable; esto se debe a la fisión espontánea (y, por tanto, a la producción de neutrones) del indeseable 240Pu.