Pluton. Cykl uranowo-plutonowy
Pluton praktycznie nie występuje w skorupie ziemskiej, produkowany jest w trakcie pracy reaktorów jądrowych. Ponad jedna trzecia energii produkowanej w większości elektrowni jądrowych pochodzi z plutonu. Pluton odzyskany w procesie recyklingu wypalonego paliwa jądrowego jest wykorzystywany do produkcji mieszanego paliwa (uranowo-plutonowego) MOX (Mixed Oxide Fuel). Pluton jest głównym paliwem w reaktorze na neutrony prędkie, a w każdym reaktorze jest on stopniowo produkowany z nierozszczepialnego U-238. W naszej biosferze znajduje się kilka ton plutonu, spuścizna testowych wybuchów jądrowych przeprowadzanych w atmosferze w latach 50. i 60. XX wieku.
W praktyce należy wziąć pod uwagę dwa różne rodzaje plutonu: do reaktorów jądrowych i do broni jądrowej. Pierwszy jest odzyskiwany jako produkt uboczny zużytego paliwa z reaktora jądrowego, po napromieniowaniu („wypalaniu”) paliwa przez około trzy lata. Drugi jest produkowany specjalnie do celów wojskowych i jest odzyskiwany z paliwa uranowego, które było napromieniane tylko przez 2-3 miesiące w specjalnym reaktorze do produkcji plutonu. Te dwa rodzaje różnią się składem izotopowym, ale oba muszą być traktowane jako potencjalne ryzyko proliferacji. Pluton, zarówno produkowany rutynowo w reaktorach jądrowych, jak i ten ze zdemontowanej broni jądrowej, jest cennym źródłem energii.
Jak pluton produkowany jest w reaktorze jądrowym? Cykl uranowo-plutonowy
Pluton powstaje w reaktorach jądrowych w wyniku cyklu reakcji jądrowych, zwanych cyklem uranowo-plutonowym, przedstawionych na powyższym rysunku:
1) U-238 pochłania neutron. Podczas tej reakcji powstaje izotop U-239 oraz zostaje wyemitowany kwant promieniowania gamma:
2) U-239 jest izotopem nietrwałym i rozpada się ze średnim czasem połowicznego rozpadu 23,5 minuty – rozpadowi temu towarzyszy emisja elektronu (rozpad beta minus):
3) Powstaje wówczas izotop neptunu Np-239. Po okresie czasu wynoszącym średnio 2,3 dnia izotop ten podlega rozpadowi beta minus i przechodzi następnie w izotop plutonu Pu-239, który jest izotopem rozszczepialnym:
4) W wyniku pochłonięcia neutronu przez Pu-239 powstaje izotop paliworodny Pu-240 i emitowany jest kwant promieniowania gamma:
5) Pu-240 pochłania neutron. W wyniku tej reakcji powstaje kolejny izotop plutonu – Pu-241, który jest także izotopem rozszczepialnym oraz emitowany jest kwant promieniowania gamma:
Najpowszechniejszym izotopem plutonu powstającym w typowym reaktorze jądrowym jest rozszczepialny Pu-239, który po rozszczepieniu daje mniej więcej taką samą energię jak rozszczepienie U-235. Znacznie ponad połowa plutonu wytworzonego w rdzeniu reaktora jest „wypalana” na bieżąco w czasie pracy reaktora i odpowiada za około jedną trzecią całkowitej mocy cieplnej reaktora lekkowodnego (LWR) i około 60% ciepła reaktora ciężkowodnego ciśnieniowego (PHWR), np. CANDU. Około jedna trzecia Pu-239 poprzez wychwyt neutronów staje się Pu-240 (i Pu-241). W reaktorze prędkim proporcja ta jest znacznie mniejsza. Wypalone paliwo z komercyjnego reaktora energetycznego LWR zawiera około 1,15% plutonu składającego się z około 53% Pu-239, 25% Pu- 240, 15% Pu-241, 5% Pu-242 i 2% Pu-238.
Zastosowanie plutonu
Po roku pracy reaktora lekkowodnego o mocy 1000 MWe powstaje około 25 ton zużytego paliwa, zawierającego do 290 kilogramów plutonu. Jeśli pluton jest wyekstrahowany ze zużytego paliwa reaktora, może być użyty jako bezpośredni zamiennik U-235 w zwykłym paliwie. W procesie recyklingu „wypalonego” paliwa jądrowego odzyskany tlenek plutonu jest mieszany ze zubożonym tlenkiem uranu w celu wytworzenia paliwa mieszanego MOX – Mix Oxide Fuel, zawierającego około 8% Pu-239 (odpowiada to wzbogaceniu uranu do 5% U-235). Pluton może być również stosowany w reaktorach prędkich powielających, w których rozszczepienie Pu-239 ma znacznie wyższy udział.
Pluton do broni jądrowej
Do wyprodukowania bomby atomowej potrzeba około 10 kilogramów prawie czystego Pu-239. Wyprodukowanie takiej ilości plutonu wymaga 30 megawato-lat pracy reaktora, z częstymi zmianami paliwa i przetwarzaniem „wypalonego” paliwa. Dlatego pluton klasy militarnej jest wytwarzany w specjalnych reaktorach poprzez wypalanie paliwa z naturalnego uranu przez trzy miesiące. Umożliwienie dłuższego przebywania paliwa w reaktorze zwiększa ilość innych izotopów plutonu, w szczególności izotopu Pu-240. Klasyfikację plutonu przedstawia poniższa tabela.
| Pu-238 | Pu-239 | Pu-240 | Pu-241 | Pu-242 | |
|---|---|---|---|---|---|
| Superwysoka czystość do zastosowań militarnych | >97% | <3% | |||
| Jakość militarna (głowice jądrowe) <7% Pu-240 | >93% | <7% | |||
| Jakość reaktorowa (paliwo do reaktorów energetycznych) >7% Pu-240 | ~2% | ~53% | ~24% | ~15% | ~6% |
W przypadku zastosowania plutonu do produkcji broni jądrowej Pu-240 jest uważany za poważne zanieczyszczenie ze względu na dużą emisję neutronów ze spontanicznego rozszczepienia. Nie da się oddzielić Pu-240 od Pu-239. Wymagania eksploatacyjne reaktorów energetycznych i reaktorów do produkcji plutonu są zupełnie inne, a co za tym idzie ich konstrukcja.
Bomba atomowa mogłaby zastać wykonana z plutonu pozyskiwanego z paliwa reaktora o niskim stopniu wypalenia (tj. gdyby paliwo było używane tylko przez krótki czas). Jednak jakiekolwiek znaczące ilości Pu-240 zawarte w paliwie mogłyby uczynić go niebezpiecznym dla wytwórców bomb. Ze względu na dużą ilość neutronów ze spontanicznego rozszczepienia Pu-240 bomba atomowa, wyprodukowana z plutonu z reaktora energetycznego, nie mogłaby działać zgodnie z przeznaczeniem – wybuchałaby za wcześnie, byłaby nieprzewidywalna.
Typowy pluton klasy reaktorowej odzyskiwany z przetwarzania zużytego paliwa reaktora energetycznego zawiera około jednej trzeciej nierozszczepialnych izotopów (głównie Pu-240). W Wielkiej Brytanii reaktory MAGNOX (o których piszemy w rozdziale →Reaktor chłodzony gazem (GCR, AGR, MAGNOX)) zostały zaprojektowane do podwójnego wykorzystania – w celu wytwarzania komercyjnie energii elektrycznej oraz do produkcji plutonu na potrzeby programu obronnego kraju. Raport opublikowany przez brytyjskie Ministerstwo Obrony mówi, że na tej podstawie działały zarówno elektrownie Calder Hall, jak i Chapelcross, które uruchomiono odpowiednio w 1956 i 1958 roku. W kwietniu 1995 r. rząd brytyjski potwierdził, że produkcja plutonu do celów obronnych została wstrzymana w latach 60. w tych dwóch elektrowniach, które są obecnie zamknięte na stałe.
Międzynarodowe ustalenia dotyczące zabezpieczeń stosowane do uranu będącego przedmiotem obrotu obejmują również powstający z niego pluton, zapewniając stałe audyty materiałów stosowanych w reaktorach.