인산 비스무트법

Bismuth phosphate process
핸포드 U공장은 핸포드 사이트에 건설된 세 번째 플루토늄 가공 협곡이었다.B공장과 T공장은 충분한 플루토늄을 처리할 수 있어 훈련시설이 됐다.

비스무트-인산염 과정은 원자로에서 [1][2]추출된 조사 우라늄에서 플루토늄을 추출하는 데 사용되었다.그것은 스탠리 G에 의해 2차 세계대전 중에 개발되었다. 버클리 캘리포니아 대학의 맨해튼 프로젝트에서 일하는 화학자 톰슨.이 과정은 핸포드 사이트에서 플루토늄을 생산하기 위해 사용되었다.플루토늄은 1945년 8월 나가사키 원폭 투하에 사용된 원자폭탄에 사용되었다.이 프로세스는 1950년대에 REDOX 및 PUREX 프로세스로 대체되었습니다.

배경

제2차 세계대전 동안, 연합군 맨하탄 프로젝트는 최초의 원자 [3]폭탄을 개발하려고 시도했다.한 가지 방법은 플루토늄을 이용한 폭탄을 만드는 것인데, 이것은 버클리 캘리포니아 대학의 버클리 방사선 연구소의 60인치 (150cm) 사이클로트론에서 우라늄의 중수소 폭격으로 처음 만들어졌다.1940년 12월 14일 분리되었고 1941년 2월 23일 글렌 T에 의해 화학적으로 식별되었다. 시보그, 에드윈 맥밀런, 조셉 W. 케네디, 아서 월.[4]플루토늄-239는 우라늄-235처럼 핵분열성이 있어 원자폭탄에 [5]사용하기에 적합하다고 여겨졌다.

플루토늄은 원자로에서 우라늄-238의 조사를 통해 생산될 수 있었지만, 아직 아무도 그것을 [6]건설하지 않았다.이것은 맨하탄 프로젝트의 화학자들의 문제가 아니었다; 그들의 문제는 핵분열 생성물을 분리하기 위한 대규모 과정을 개발하는 것이었다; 그 중 일부는 위험한 방사능이었다; 화학 작용은 거의 알려지지 않았고 처음에는 현미경에서만 사용 가능한 플루토늄.c [7]수량

네 가지 분리 방법이 추구되었다.시보그는 1942년 8월 플루오르화 [7]랜턴과 관련된 공정을 사용하여 측정 가능한 플루토늄의 양을 처음으로 성공적으로 분리했다.Isadore Perlman과 William J. Knox, Jr.는 대부분의 원소가 중성 용액 또는 산 용액에서 용해성 과산화물을 형성하기 때문에 과산화물 분리를 조사했습니다.그들은 플루토늄이 예외라는 것을 곧 알아냈다.많은 실험 후에, 그들은 희석된 질산우라닐 용액에 과산화수소를 첨가함으로써 그것을 침전시킬 수 있다는 것을 발견했다.그리고 나서 그들은 그 과정을 작동시킬 수 있었지만, 그것은 수 톤의 침전물을 만들어 냈고, 그곳에서 불화 랜턴 공정은 [8]킬로그램의 양을 생산할 수 있었다.

존 E. 윌러드는 일부 규산염이 다른 원소보다 플루토늄을 더 쉽게 흡수한다는 사실을 근거로 다른 접근법을 시도했다. 이는 효과가 있지만 효율은 낮은 것으로 밝혀졌다.테오도르 T.마젤과 다니엘 K.코쉬랜드 주니어는 용제 추출 과정을 연구했고 해리슨 브라운과 오빌 F.힐은 우라늄이 [8]불소에 의해 쉽게 휘발될 수 있는 방법을 바탕으로 휘발성 반응을 이용한 분리를 실험했다.이들과 다른 화학자들은 캘리포니아 대학의 맨해튼 프로젝트의 방사선 연구소, 시카고 대학의 야금 연구소와 아이오와 주립 대학의 에임스 연구소에서 플루토늄 [9]화학을 탐구했다.중요한 발견은 플루토늄이 4가(+4) 상태와 6가(+6) 상태의 두 가지 산화 상태를 가지고 있다는 것이다.서로 다른 화학적 [10]성질을 가지고 있습니다.

플루오르화 랜턴 공정은 클린턴 엔지니어 워크스의 맨해튼 프로젝트 플루토늄 분리 반공장과 핸포드 사이트의 생산 시설에서 선호되는 방법이 되었지만,[11] 이 공정의 추가 작업은 어려움을 드러냈다.많은 양의 플루오르화수소가 필요했고, 이는 장비와 찰스 M.시설의 설계와 건설을 담당하게 될 듀폰의 쿠퍼는 플루토늄을 플루토늄 용액의 6가 상태로 안정시키는 데 문제가 생기기 시작했다.여과나 [8]원심분리를 통한 침전물 회수에도 어려움이 있었다.

화학 기술자들이 이러한 문제들을 해결하는 동안, Seaborg는 Stanley G에게 물었다. 버클리 대학 동료인 톰슨은 인산염 과정의 가능성을 살펴보았습니다.많은 중금속의 인산염은 산성 용액에 용해되지 않는 것으로 알려져 있었다.톰슨은 토륨, 우라늄, 세륨, 니오브, 지르코늄의 인산염을 시도했지만 성공하지 못했다.그는 인산 비스무트(BiPO
4)가 더 잘 작동하리라고는 기대하지 않았지만 1942년 12월 19일 비스무트(BiPO)를 시험했을 때 용액 [12]속에 있는 플루토늄의 98%를 함유하고 있다는 것을 알고 놀랐다.인산 비스무트는 결정구조가 인산 플루토늄과 비슷했고 이것이 인산 비스무트 [13][14]과정으로 알려지게 되었다.쿠퍼와 버리스 B.커닝햄은 톰슨의 결과를 복제할 수 있었고 플루오르화 랜턴이 작동하지 않을 경우에 대비해 인산 비스무트 공정을 폴백으로 채택했다.과정은 비슷했고 불화 란타넘에 사용되는 장비는 톰슨의 인산 비스무트 [12]공정과 함께 사용할 수 있었다.1943년 5월 DuPont 엔지니어들은 Clinton의 반공장과 Hanford 생산 [11]현장에서 사용하기 위해 인산 비스무트 공정을 채택하기로 결정했다.

과정

T공장은 최초의 플루토늄 분리공장이다.그것은 원양 정기선과 닮아 "퀸 메리"라는 별명을 얻었다.

인산 비스무트 공정은 조사된 우라늄 연료 슬래그를 제거하고 알루미늄 피복을 제거하는 것을 포함했다.내부에는 고방사능 핵분열 생성물이 있었기 때문에, 이것은 두꺼운 콘크리트 [15]장벽 뒤에서 원격으로 이루어져야 했다.이는 핸포드의 협곡(B 및 T 건물)에서 이루어졌다.민달팽이들은 용해기에 버려지고, 질산나트륨 용액으로 덮인 후 끓어오르고, 이어서 천천히 수산화나트륨을 첨가했다.노폐물을 제거하고 민달팽이를 씻은 후,[16][17] 민달팽이를 녹이기 위해 질산의 세 부분을 사용했다.

두 번째 단계는 우라늄과 핵분열 생성물로부터 플루토늄을 분리하는 것이었다.질산 비스무트와 인산인산이 첨가되어 플루토늄을 운반하면서 침전된 인산 비스무트가 생성되었다.이것은 불화 랜턴이 [18]운반체로 사용되는 플루오르화 랜턴 공정과 매우 유사했습니다.침전물은 원심분리기로 용액에서 제거되었고 액체는 폐기물로 배출되었다.핵분열 생성물을 제거하는 것은 감마선을 90퍼센트까지 감소시켰다.침전물은 플루토늄이 함유된 케이크로 다른 탱크에 넣어 질산에 녹았다.플루토늄을 [16]산화시키기 위해 비스무트산나트륨 또는 과망간산칼륨을 첨가했다.플루토늄은 4가 인산 비스무트에 의해 운반되지만 6가 상태에서는 [18]운반되지 않는다.그리고 나서 인산 비스무트는 by product로서 침전되어 플루토늄을 [16]용액에 남겨둔다.

그리고 이 단계를 세 번째 단계에서 반복했습니다.플루토늄은 황산철 암모늄을 첨가함으로써 다시 감소되었다.질산 비스무트와 인산인산을 첨가하여 인산 비스무트를 침전시켰다.그것은 질산에 용해되었고 인산 비스무트가 침전되었다.이 단계는 감마선을 4배 더 감소시키는 결과를 낳았고, 따라서 플루토늄을 함유한 용액은 원래 감마선의 10만분의 1을 가지게 되었다.플루토늄 용액은 지하 파이프를 통해 224개 건물에서 221개 건물로 옮겨졌다.네 번째 단계에서는 인산염이 첨가되고 인산염 비스무트가 침전 및 제거되었으며 [19]플루토늄을 산화시키기 위해 과망간산칼륨이 첨가되었다.

크로스오버 단계에서는 플루오르화 랜턴 공정을 사용했습니다.다시 랜턴염과 플루오르화수소를 첨가해 플루오르화 랜턴을 침전시킨 반면 6가 플루토늄은 용액에 남았다.이것은 인산 비스무트가 제거할 수 없었던 세륨, 스트론튬, 랜턴과 같은 랜타니드를 제거했다.플루토늄은 다시 옥살산에 의해 환원되었고 플루오르화 랜턴 과정이 반복되었다.이번에는 수산화칼륨이 용액의 메타세이즈에 첨가되었다.원심분리기로 액체를 제거하고 고체를 질산에 녹여 질산 플루토늄을 형성했다.이 시점에서 송신된 330 US 갤런(1,200 l)의 배지는 8 US 갤런(30 l)[19]에 집중됩니다.

마지막 단계는 과산화수소, 황산염, 질산암모늄을 용액에 첨가하고 6가 플루토늄을 과산화플루토늄으로 침전시킨 231-Z 건물에서 수행되었다.이것은 질산에 용해되어 수송용 캔에 넣어졌고, 캔은 뜨거운 공기로 끓여 질산 플루토늄 페이스트를 만들었다.각 캔의 무게는 약 1kg이며 로스앨러모스 [19]연구소로 보내졌다.20개의 캔을 실은 트럭에 실려 1945년 2월 [20]2일 로스앨러모스에 처음으로 도착했다.플루토늄은 1945년 7월 16일 트리니티 핵실험과 1945년 [21]8월 9일 나가사키 폭격에서 실험된 팻맨 폭탄 설계에 사용되었다.

폐로

1947년 핸포드에서 보다 효율적인 새로운 REDOX 프로세스에 대한 실험이 시작되었습니다.1949년에 새로운 REDOX 공장의 건설이 시작되어 1952년 1월에 가동이 개시되었고, 그 해에 B 공장은 문을 닫았다.T공장의 개선으로 생산성이 30% 향상되었으며 B공장의 개선도 이루어졌습니다.B공장을 재가동할 계획도 있었지만 1956년 1월에 문을 연 새로운 PUREX공장은 매우 효율적이어서 T공장은 1956년 3월에 문을 닫았고 B공장을 재가동할 계획은 [22]포기되었다.1960년까지 PUREX 공장의 생산량은 B 및 T 공장과 REDOX [23]공장의 총 생산량을 능가했다.

메모들

  1. ^ 미국 특허 2799553, 스탠리 G.톰슨과 글렌 T.Seaborg, "방사능 원소 분리를 위한 인산염 방법"
  2. ^ 미국 특허 2785951, 스탠리 G.톰슨과 글렌 T.Seaborg, "플루토늄을 수용액에서 분리하기 위한 비스무트 인산염 방법"
  3. ^ 존스 1985, 페이지 7
  4. ^ Seaborg 1981, 페이지 2-4.
  5. ^ 존스 1985, 페이지 28-30
  6. ^ "Manhattan Project: The Plutonium Path to the Bomb, 1942–1944". United States Department of Energy – Office of History and Heritage Resources. Retrieved 16 April 2017.
  7. ^ a b "Manhattan Project: Seaborg and Plutonium Chemistry, Met Lab, 1942–1944". United States Department of Energy – Office of History and Heritage Resources. Retrieved 16 April 2017.
  8. ^ a b c Hewlett & Anderson 1962, 182-184페이지.
  9. ^ 존스 1985, 193페이지
  10. ^ 휴렛 앤 앤더슨 1962, 페이지 89
  11. ^ a b 존스 1985, 194페이지
  12. ^ a b 휴렛 앤 앤더슨 1962, 페이지 185
  13. ^ 거버 1996, 페이지 4-1
  14. ^ Seaborg 1981, 페이지 11
  15. ^ Hewlett & Anderson 1962, 페이지 208.
  16. ^ a b c 거버 1996, 페이지 4-6
  17. ^ Hanford Engineer Works 기술 매뉴얼 1944, 페이지 436–437.
  18. ^ a b "Thompson's Process". bonestamp.com. Archived from the original on 11 May 2006. Retrieved 17 April 2017.
  19. ^ a b c 거버 1996, 페이지 4-7
  20. ^ Hewlett & Anderson 1962, 페이지 309 – 310.
  21. ^ 휴렛 앤 앤더슨 1962, 375–380페이지, 403–404.
  22. ^ 거버 1996, 페이지 4-10
  23. ^ 거버 1996, 페이지 4-14

레퍼런스