Friday, August 26, 2011

Plutooniumi tootmine


Plutooniumi ja teiste uraanist veidi massiivsemate osakeste loomine ei vaja kiirendeid ja suure energiaga kokkupõrkeid. Piisab uraani jätmisest radioaktiivsesse keskkonda kus esineb energiliste neutronite vabanemist. Seetõttu tekib plutooniumit suures koguses tuumareaktorites ning kiire tekke tõttu on seda pärast väljapuhastamist kasutatud tuumareaktorites ja tuumarelvades (sealhulgas Nagasaki pommis).
Looduses on plutoonium haruldane moodustades paar triljondikku kontsentreeritud uraanist kuid seda leidub rohkem tuumareaktorites.

\mathrm\hbox{n}+{{}^2{}^{38}_{92}U}\rightarrow\mathrm{{}^2{}^{39}_{92}U}\rightarrow\mathrm{{}^2{}^{39}_{93}Np}+    e^- + \bar{\nu}_e

\mathrm{{}^2{}^{39}_{93}Np}\rightarrow\mathrm{{}^2{}^{39}_{94}Pu}+    e^- + \bar{\nu}_e


Plutoonium-239 on tavalisemate radioaktiivsete kütuste hulgas kõige väiksema kriitilise massiga ehk kõige väiksema miinimummassiga milles saab tekkida ennast alal hoidev ahelreaktsioon. Kerakujulisel plutooniumi tükil on see umbes 11 kg.
Plutooniumi tekib aja jooksul uraani sisaldavates reaktorites ja tuumarelvades ning kiiremini radioaktiivsemates keskkondades. Reaktorites tekkinud plutooniumit kasutatakse tavaliselt ära samas kütusevardas, kus see tekkis, tekitades oma lagunemisega umbes kolmandiku tuumaelektrijaamade energiast.

X-10 reaktor (1943) oli esimene suurem plutooniumi allikas, millest saadi uurimiseks piisavalt plutooniumit. See oli teine loodud tuumareaktor omades erinevalt esimesest jahutust.
Keskel oli neutroneid pidurdav 7 meetri laiune grafiidist siseala ning uraanivarrastega ristisuunas oleva seina kaudu sai lisada reaktsiooni aeglustavaid vardaid. Õhkjahutus ulatus kõigi varraste ümber. Ümber oli kaitsev üle meetri paksune betoonsein. Uraanitükid olid väikesed ja silindrikujulised ning neid lisati jätkuvalt. Iga kindla aja tagant vahetati neid sellega, et lükati uusi juurde ja vanemad lükkusid teisel pool asuva seina kaudu välja kus need kukkusid vee all olevasse kogumisnõusse millest neid koguti pärast mitmenädalast esialgset lagunemist.
Pärast sõja lõppu hakati seda kasutama teiste elementide radioaktiivsete isotoopide loomiseks, mida kasutati meditsiinis või bioloogilistes uuringutes.

Samal aastal ehitati B reaktor, mis paistab samalaadsena kuid erinevalt x-10'st ei leia selle kohta eriti illustratsioone. Pildil oli ehitus pooleli. Kokku ehitati sellesse piirkonda kolm reaktorit (B, D ja F) üksteisest 10 km kaugusele, mis kõik tegelesid tuumarelvade jaoks kütuse loomisega. Jahutuseks kasutati selles vett ja see oli esimene reaktor, kus toodeti piisavalt plutooniumi esimesteks tuumarelvadeks. Reaktori võimsuseks oli ette nähtud 250 megavatti. Ümber pandi radioaktiivse kiirguse pidurdamiseks ja soojuse hajutamiseks 20-25 cm teraskaitse. Jahutusvett kulus 280 000 liitrit minutis. Neutroneid pidurdavaid vardaid sai selles ülalt vertikaalselt uraanivarraste vahele liigutada ja tagavara pidurina sai varraste vahele booroksiidi sisaldavat vett lasta. Mõned aastad hiljem lisati kaitsemehhanismina võimalus vertikaalsete kaitsevarraste asemel kukutada nendesse väikeseid niklit ja boori sisaldavaid teraskuule.
Sellest saadud plutooniumist ehitati kõige esimene tuumarelv (pildil 0,016 sekundit pärast plahvatust) ja hiljem ka Nagasakile kukutatud pomm.


Plutooniumi tekkel neeldub mitteradioaktiivse uraan-238 sisse neutron, mis tekitab keskmiselt 23 minutit säiliva radioaktiivse uraan-239. Seejärel beeta lagunemisel laguneb üleliigne neutron prootoniks ja väljub suure energiaga elektron. Tekib radioaktiivne neptuunium milles paari päevaga kordub neutroni lagunemine prootoniks ja tekib stabiilsem plutoonium.
Kiired paljundusreaktorid (fast breeder) on sellised reaktorid, mis suudavad kokkuvõttes luua rohkem radioaktiivset materjali kui ära kulus nagu näiteks plutooniumi tootmisel.
Tänapäevased paljundusreaktorid võivad parema efektiivsuse korral luua alles 10 aastaga piisavalt kütust, et kulutada teist sama palju kütust. Näiteks kui sellise ajaga reaktor toodab 10 aastat soojust, siis 10 aasta pärast koguneb piisavalt kütust, et sellega omakorda 10 aastat sama palju soojusenergiat toota.
Kiired paljundusreaktorid kasutavad jahutamiseks vee asemel vedelmetalle olles vastavalt nimetatud LMFBR (liquid metal fast breeder reactor). Tavaliselt kasutatakse naatriumit või liitiumit.
Vedelmetalli eelisteks on veega võrreldes kõrgem keemistemperatuur ja parem soojuse eemaldus. Vee puhul kasutatakse tavaliselt kõrget rõhku, et keemist ära hoida ning kuigi vedelmetallid on keemiliselt väga aktiivsed ei ole nendega vee auruga sarnast ohtu kõrgest rõhust. Naatrium sulab 98 C kraadi juures ja keeb 892 C juures.
LMFBR puhul on radioaktiivne U-235 ümbritsetud mitteradioaktiivse U-238'ga mis omastab neutronid. Neutroni pidurdajaid ei kasutata, sest kiiremad neutronid on paremad muutjad ning vesi on naatriumist tugevam neutroni pidurdaja.

No comments:

Post a Comment

Post a Comment