Plutonium-239

Rozbalit box

Obsah boxu

Plutonium-239 (značka ²³⁹Pu) je izotop plutonia, který je klíčovým štěpitelným materiálem v jaderných zbraních a významným palivem v jaderné energetice. V přírodě se vyskytuje pouze ve stopových množstvích, a proto se vyrábí uměle v jaderných reaktorech z uranu-238. Je známé pro svou vysokou radiotoxicitu a extrémně dlouhý poločas rozpadu, který činí přibližně 24 110 let.

Spolu s uranem-235 patří mezi nejdůležitější nuklidy pro vojenské i civilní jaderné technologie. Jeho schopnost podstoupit štěpnou řetězovou reakci po záchytu tepelného neutronu z něj činí vysoce efektivní zdroj jaderné energie.

📜 Historie a objev

Plutonium-239 bylo poprvé syntetizováno a identifikováno na konci roku 1940 a na začátku roku 1941 týmem vědců na Kalifornské univerzitě v Berkeley. Klíčovými postavami objevu byli Dr. Glenn T. Seaborg, Edwin McMillan, Joseph W. Kennedy a Arthur Wahl.

Tým nejprve syntetizoval neptunium-238 bombardováním uran-238 deuterony v 60palcovém cyklotronu. Neptunium-238 se následně beta-rozpadem přeměnilo na nový prvek s protonovým číslem 94 a hmotnostním číslem 238 (plutonium-238).

Krátce nato, 23. února 1941, tým chemicky identifikoval izotop 239. Vytvořili ho bombardováním uranu neutrony. Záchytem neutronu se uran-238 přeměnil na uran-239, který se rychle beta-rozpadem přeměnil na neptunium-239 (poločas rozpadu 2,4 dne) a to se následně dalším beta-rozpadem přeměnilo na plutonium-239 (poločas rozpadu 24 110 let).

${}^{\mathrm{2}\mathrm{3}\mathrm{8}}{}_{\mathrm{9}\mathrm{2}}\mathrm{U}\mathrm{+}{}_{\mathrm{0}}^{\mathrm{1}}\mathrm{n}\mathrm{⟶}{}_{\mathrm{9}\mathrm{2}}^{\mathrm{2}\mathrm{3}\mathrm{9}}\mathrm{U}\underset{23.5min}{\overset{{\beta }^{-}}{\to }}{}_{\mathrm{9}\mathrm{3}}^{\mathrm{2}\mathrm{3}\mathrm{9}}\mathrm{N}\mathrm{p}\underset{2.356d}{\overset{{\beta }^{-}}{\to }}{}_{\mathrm{9}\mathrm{4}}^{\mathrm{2}\mathrm{3}\mathrm{9}}\mathrm{P}\mathrm{u}$

Objev byl držen v tajnosti kvůli jeho vojenskému významu v rámci probíhající druhé světové války a Projektu Manhattan. První vážitelné množství (několik mikrogramů) plutonia-239 bylo izolováno v roce 1942. Tento úspěch potvrdil, že je možné vyrábět plutonium v reaktorech ve velkém a chemicky ho oddělit od uranu a štěpných produktů, což otevřelo cestu k výrobě atomových bomb plutoniového typu.

⚛️ Fyzikální a chemické vlastnosti

☢️ Radioaktivita a rozpad

Plutonium-239 je radioaktivní a primárně se rozpadá alfa rozpadem za vzniku uran-235, což je další významný štěpitelný izotop. Během tohoto procesu je emitována částice alfa (jádro helia) s energií přibližně 5,2 MeV.

${}^{\mathrm{2}\mathrm{3}\mathrm{9}}{}_{\mathrm{9}\mathrm{4}}\mathrm{P}\mathrm{u}\mathrm{⟶}{}_{\mathrm{9}\mathrm{2}}^{\mathrm{2}\mathrm{3}\mathrm{5}}\mathrm{U}\mathrm{+}{}_{\mathrm{2}}^{\mathrm{4}}\mathrm{H}\mathrm{e}$

Díky svému extrémně dlouhému poločasu rozpadu (24 110 let) je plutonium-239 perzistentním kontaminantem v případě úniku do životního prostředí. Kromě alfa rozpadu podléhá také, i když s mnohem menší pravděpodobností, spontánnímu štěpení, při kterém se jádro samovolně rozpadne na dvě menší jádra a uvolní několik neutronů.

⛓️ Štěpitelnost

Nejdůležitější vlastností plutonia-239 je jeho schopnost podstoupit štěpnou reakci po záchytu tepelného (pomalého) neutronu. Je to tedy štěpný materiál. Při rozštěpení jádra ²³⁹Pu se uvolní obrovské množství energie (přibližně 207 MeV na jedno jádro) a v průměru 2,9 nových neutronů. Tyto nově vzniklé neutrony mohou štěpit další jádra plutonia, což vede k řetězové reakci.

Pokud je množství a geometrie materiálu vhodná (tzv. kritické množství), může se řetězová reakce udržet sama, což je princip fungování jaderných reaktorů i jaderných zbraní. Kritické množství pro kouli z čistého plutonia-239 (v alfa fázi) je přibližně 10 kilogramů. S použitím neutronového odražeče lze tuto hodnotu snížit na zhruba 5 kg.

🧪 Chemické vlastnosti

Plutonium je reaktivní kov stříbřitě bílé barvy, který na vzduchu rychle oxiduje a pokrývá se matnou, obvykle tmavě šedou až olivově zelenou vrstvou oxidu. Má velmi vysokou hustotu, přibližně 19,8 g/cm³, což je téměř dvojnásobek hustoty olova. Vykazuje komplexní chemické chování s několika oxidačními stavy, nejčastěji od +3 do +6.

⚙️ Výroba

Plutonium-239 se nevyskytuje v přírodě ve významném množství, proto se musí vyrábět uměle. Jeho produkce je přímým důsledkem provozu většiny typů jaderných reaktorů, které jako palivo používají přírodní uran nebo obohacený uran.

Výrobní proces probíhá následovně: 1. Jádro uran-238, které je hlavním izotopem v jaderném palivu, ale samo o sobě není štěpitelné tepelnými neutrony, zachytí volný neutron. 2. Tímto záchytem vzniká nestabilní izotop uran-239. 3. Uran-239 se s poločasem rozpadu 23,5 minuty přeměňuje beta-rozpadem na neptunium-239. 4. Neptunium-239 je rovněž nestabilní a s poločasem rozpadu 2,36 dne se dalším beta-rozpadem přeměňuje na konečný produkt, plutonium-239.

Tento proces probíhá kontinuálně ve všech reaktorech obsahujících U-238. Po vyjmutí vyhořelého paliva z reaktoru lze plutonium-239 chemicky oddělit od zbývajícího uranu, štěpných produktů a dalších aktinoidů. Tento proces se nazývá přepracování vyhořelého jaderného paliva a nejznámější metodou je proces PUREX.

Během delšího ozařování v reaktoru může jádro ²³⁹Pu zachytit další neutron, čímž vzniká plutonium-240. Tento izotop není štěpitelný tepelnými neutrony a má vysokou míru spontánního štěpení, což komplikuje jeho použití v jaderných zbraních. Proto se pro výrobu zbraňového plutonia (s nízkým obsahem ²⁴⁰Pu) palivové tyče v reaktoru ozařují jen po relativně krátkou dobu.

💥 Využití

💣 Jaderné zbraně

Plutonium-239 je primárním štěpným materiálem pro většinu moderních jaderných zbraní. Důvodem je jeho nižší kritické množství ve srovnání s uran-235 a relativně snadnější výroba ve velkém množství v jaderných reaktorech.

Historicky bylo plutonium-239 použito v první testovací jaderné bombě Trinity a v bombě Fat Man, která byla svržena na Nagasaki 9. srpna 1945.

Kvůli přítomnosti kontaminujícího izotopu plutonium-240, který má vysokou míru spontánního štěpení, nelze pro plutoniové bomby použít jednoduchý "gun-type" (výstřelový) design (jako u bomby na Hirošimu). Předčasná iniciace řetězové reakce by vedla k selhání zbraně s nízkou účinností. Proto musí plutoniové bomby využívat složitější implozní design, kde je podkritické množství plutonia stlačeno konvenčními výbušninami do superkritického stavu.

⚡ Jaderná energetika

Plutonium-239 je také cenným palivem v jaderných reaktorech. Během provozu reaktoru se část vyrobeného ²³⁹Pu rovnou štěpí a přispívá k celkové produkci energie.

Z přepracovaného vyhořelého paliva lze plutonium extrahovat a použít k výrobě nového paliva, nejčastěji ve formě paliva MOX (Mixed Oxide). Palivo MOX je směs oxidů plutonia a uranu (obvykle ochuzeného) a lze ho použít ve většině současných lehkovodních reaktorů. Tím se zvyšuje efektivita využití uranu a snižuje se množství radioaktivního odpadu.

Plutonium je také klíčovým prvkem v konceptu rychlých množivých reaktorů, které jsou navrženy tak, aby produkovaly více štěpného materiálu (plutonia-239 z uranu-238), než samy spotřebují.

☣️ Bezpečnost a toxicita

Plutonium-239 představuje vážná zdravotní a bezpečnostní rizika.

☢️ Radiotoxicita

Jako emitor alfa je ²³⁹Pu extrémně nebezpečné, pokud se dostane do těla (inhalací, požitím nebo přes otevřenou ránu). Z vnějšku je záření alfa zastaveno i tenkou vrstvou kůže. Uvnitř těla však tyto těžké částice odevzdávají svou energii na velmi krátké vzdálenosti a způsobují vážné poškození buněk. Plutonium má tendenci se hromadit v játrech a na povrchu kostí, kde může po mnoho let ozařovat okolní tkáň a výrazně zvyšovat riziko vzniku rakoviny, zejména rakoviny kostí a jater. Inhalace i velmi malých částic oxidu plutoničitého může vést k rakovině plic.

⚠️ Kritičnost

Při manipulaci s větším množstvím plutonia-239 existuje riziko nehody kritičnosti. Pokud se neúmyslně shromáždí nadkritické množství materiálu, dojde ke spontánnímu spuštění neřízené řetězové reakce, která uvolní intenzivní záblesk neutronového a gama záření, jež může být pro osoby v okolí smrtelné. Proto musí být manipulace s plutoniem prováděna za přísných bezpečnostních opatření, která zabraňují shromáždění kritického množství.

🌍 Environmentální dopady

Díky svému extrémně dlouhému poločasu rozpadu představuje plutonium-239 dlouhodobou environmentální zátěž. Je klíčovou složkou vysoce aktivního jaderného odpadu, který musí být bezpečně izolován od biosféry na desítky až stovky tisíc let. Úniky plutonia z výrobních závodů nebo testovacích areálů vedly v minulosti k trvalé kontaminaci půdy a vody.

📖 Pro laiky

• Štěpitelný materiál: Představte si atom jako velmi křehkou kuličku. Když do ní narazí malá neviditelná částice (neutron), kulička se rozbije na kusy, uvolní obrovské množství energie a vystřelí další malé částice, které mohou rozbít další kuličky. Plutonium-239 je přesně taková "křehká kulička".
• Poločas rozpadu: Je to doba, za kterou se polovina množství radioaktivní látky přemění na něco jiného. U plutonia-239 je to přes 24 000 let. To znamená, že pokud dnes máte 1 kg plutonia, za 24 000 let z něj bude stále 0,5 kg. Zůstává tedy nebezpečné po neuvěřitelně dlouhou dobu.
• Kritické množství (kritická masa): Je to minimální množství štěpitelného materiálu, které potřebujete na jednom místě, aby se řetězová reakce "rozjela" sama od sebe. Je to jako mít dostatek polínek na ohništi, aby oheň začal hořet sám a nezhasl. Pro plutonium je to asi koule o velikosti grapefruitu.
• Alfa záření: Je to typ radiace, který je jako proud velmi malých, ale těžkých "kulek". Tyto kulky nedoletí daleko a zastaví je i list papíru nebo vaše kůže. Problém nastane, když se zdroj tohoto záření (plutonium) dostane dovnitř vašeho těla, například dýcháním. Tam pak tyto "kulky" střílí do buněk z bezprostřední blízkosti a způsobují vážné poškození.

Šablona:Aktualizováno