Plutonium-239

Plutonium-239
Generelt
Navn, Symbol	Plutonium-239, 239Pu
Neutroner	145
Protoner	94
Nuclid Data
Naturlig forekomst	N/A
halveringstid	24.110 år
Henfalder til	235U
Atomvægt	238.0495599 Dalton
alfafald	N/A

Plutonium-239 (²³⁹Pu) er en plutonium-isotop, og én af de tre fissile isotoper, der anvendes til produktion af kernevåben og til energiproduktion i kernereaktorer. De to andre isotoper er ²³⁵U og ²³³U. ²³⁹Pu har en halveringstid på omkring 24.110 år. ²³⁹Pu ’s fysiske egenskaber, sammenholdt med det faktum, at det er relativt nemt at producere næsten rent ²³⁹Pu i store mængder, har ført til at ²³⁹Pu i dag er det mest anvendte fissile materiale til produktion af kernevåben, og den næstmest anvendte isotop inden for kernekraft, kun overgået af ²³⁵U.

Fremstilling

Plutonium produceres som et biprodukt af den fission, der foregår i en almindelig kernereaktor: Når ²³⁵U spaltes, afgiver isotopen to eller tre neutroner. Plutonium opstår når ²³⁸U absorberer en af disse neutroner, hvorved ²³⁸U bliver til ²³⁹U, der betahenfalder til ²³⁹Np, som igen betahenfalder til ²³⁹Pu. Omdannelsen af ²³⁸U til ²³⁹Pu producerer op imod en tredjedel af den energi, der bliver produceret i moderne reaktorer.

Omdannelsen af ²³⁸U til ²³⁹Pu sker dog forholdsvis sjældent, så selv efter længere tids eksponering for frie neutroner, vil ²³⁹Pu stadig være blandet med ²³⁸U og i mindre grad andre uran-isotoper. Derudover vil ²³⁹Pu være blandet med ilt samt restprodukter fra fissionen af ²³⁵U, så som jod, cæsium, strontium, xenon og barium. ²³⁹Pu-isotopen kan dog separeres kemisk.

²³⁹Pu har en større sandsynlighed for at fissionere end ²³⁵U, og skaber flere frie neutroner i fissionsprocessen, hvorfor ²³⁹Pu har en lavere kritisk masse. Samtidig har ²³⁹Pu med 10 spontane fissioner s/kg en forholdsvis lav grad af spontan neutronemission. Disse egenskaber gør isotopen ganske velegnet til brug i kernevåben. I praksis vil reaktorfremstillet plutonium dog indeholde en vis bestanddel af ²⁴⁰Pu-isotopen, der er anderledes ustabil. Under fissionsprocessen vil nogle ²³⁹Pu-atomer uundgåeligt optage en ekstra neutron, og derved blive omdannet til ²⁴⁰Pu. I modsætning til ²³⁹Pu’s 10 fissioner kg/s, har ²⁴⁰Pu en grad af spontane fissioner på 415.000 fissioner kg/s. En for høj grad af spontan neutronemission gør materialet uegnet til brug i kernevåben, da det bliver for ustabilt.

I praksis er det kun muligt at bruge plutonium i kernevåben, der er bygget efter implosions-designet, hvor en ikke-kritisk masse ved hjælp af konventionelt sprængstof komprimeres til en kritisk masse. Hvis man i stedet anvender uran, vil man kunne producere en atombombe efter det noget mere simple, men næsten ikke anvendte, kanon-princip, hvor to ikke-kritiske masser skydes ind i hinanden, hvorved en superkritisk masse opnås (se Little Boy). Denne metode er ikke praktisk mulig med plutonium, da andelen af ²⁴⁰Pu-isotoper altid vil være for høj i reaktor-fremstillet plutonium, og det vil være alt for dyrt at separere de to isotoper fra hinanden. ²⁴⁰Pu’s høje grad af spontan fission, vil resultere i, at kernevåbnet detonerer inden de to kerner er helt forenet, hvorved kun en brøkdel af energien udnyttes. Alligevel er plutonium det klart mest udbredte fissile materiale til bug for produktion af kernevåben, da det er langt nemmere at fremstille og har en lavere kritisk masse.

For at plutoniummet kan anvendes i kernevåben, må indholdet af ²⁴⁰Pu ikke overstige 7%. Et så lavt indhold af ²⁴⁰Pu opnås ved kun at udsætte ²³⁸U for neutronstråling i kortere tid. Man inddeler plutonium i fire klasser, alt efter hvor rent det er, dvs. hvor lavt indhold af ²⁴⁰Pu-isotopen det indeholder: ”Super grade” 2-3%, ”Military grade” <7%, ”fuel grade” 7-18% og reactor grade >18%.

For at opnå så lavt et indhold af ²⁴⁰ som muligt, er det nødvendigt at skifte reaktorbrændstoffet tit. Problemet er, at de fleste moderne kernereaktorer skal lukkes helt ned, ofte i flere uger, hver gang brændstoffet skal skiftes. Dette faktum er en af grundene til, at almindelige energiproducerende reaktorer ikke egner sig til produktion af plutonium. Det meste plutonium produceres i stedet i såkaldte formeringsreaktorer, der som regel ikke producerer mere energi, end de selv bruger i processen.

Infoboks uden skabelon Denne artikel har en infoboks dannet af en tabel eller tilsvarende.