플루토늄-239
Plutonium-239 순도 99.96% 플루토늄 고리 | |
| 일반 | |
|---|---|
| 기호. | 239푸 |
| 이름 | 플루토늄-239, Pu-239 |
| 양성자 (Z) | 94 |
| 중성자 (N) | 145 |
| 핵종 데이터 | |
| 반감기 (t1/2) | 24110년 |
| 동위원소 질량 | 239.0521634 Da |
| 스핀 | +1/2 |
| 부모 동위원소 | 243Cm(α) 239Am(EC) 239Np(β−) |
| 부패 제품 | 235U |
| 붕괴 모드 | |
| 붕괴 모드 | 붕괴 에너지(MeV) |
| 알파 붕괴 | 5.156 |
| 플루토늄 동위 원소 핵종 전체 표 | |
플루토늄-239(239Pu 또는 Pu-239)는 플루토늄의 동위원소이다.플루토늄-239는 핵무기 생산에 사용되는 1차 핵분열성 동위원소이지만 우라늄-235도 그러한 목적으로 사용된다.플루토늄-239는 또한 우라늄-235 및 우라늄-233과 함께 열 스펙트럼 원자로에서 연료로 사용할 수 있는 것으로 증명된 세 가지 주요 동위원소 중 하나이다.플루토늄-239의 반감기는 24,110년이다.[1]
핵성질
플루토늄-239의 핵 특성과 고농축 무기급 우라늄-235보다 더 저렴하게 많은 양의 Pu를 생산할 수 있는 능력으로 인해 핵무기와 원자력 발전소에 사용되게 되었다.원자력발전소의 원자로에서 우라늄-235 원자의 파열은 2~3개의 중성자를 생성하며, 이러한 중성자는 우라늄-238에 흡수되어 플루토늄-239 및 기타 동위원소를 생성할 수 있다.플루토늄-239는 또한 원자로에서 우라늄-235와 함께 중성자와 핵분열을 흡수할 수 있다.
일반적인 핵연료 중 Pu는 임계질량이 가장 작다.구형 비감지 임계 질량은 직경이 약 11kg(24.2파운드),[2] 10.2cm(4인치)이다.적절한 트리거, 중성자 반사기, 내파 형상 및 탐퍼를 사용하면 임계 질량은 그것의 절반 미만이 될 수 있다.이러한 최적화를 위해서는 보통 주권국의 지원을 받는 대규모 핵개발기구가 필요하다.
Pu 원자 1개의 핵분열은 207.1 MeV = 3.318 × 10−11 J, 즉 19.98 TJ/mol = 83.61 TJ/kg,[3] 즉 약 23기가와트 시간/kg을 생성한다.
| 방사선원(Pu의 열분열) | 평균 방출 에너지 [MeV][3] |
|---|---|
| 핵분열 파편의 운동 에너지 | 175.8 |
| 순간 중성자의 운동 에너지 | 5.9 |
| 신속한 γ선에 의해 전달되는 에너지 | 7.8 |
| 총 순간 에너지 | 189.5 |
| β 입자의 에너지 | 5.3 |
| 안티뉴트리노의 에너지 | 7.1 |
| 지연 δ선의 에너지 | 5.2 |
| 핵분열 생성물 붕괴로 인한 총계 | 17.6 |
| 즉석 중성자의 방사 포획에 의해 방출되는 에너지 | 11.5 |
| 열분광 반응기에서 방출되는 총 열(반중성미자는 기여하지 않음) | 211.5 |
생산.
플루토늄은 우라늄-238로 만들어진다.239Pu는 보통 연료봉에 존재하는 우라늄 동위원소 중 하나의 개별 원자의 변환에 의해 원자로에서 생성된다.때때로 U의 원자가 중성자 방사선에 노출될 때, 그 핵은 중성자를 포획하여 U로 변화시킨다. 이것은 낮은 운동 에너지에서 더 쉽게 일어난다(U 핵분열 활성화는 6.6MeV이다).U는 양성자를 남기는 전자 방출과 반중성미자( e{\의 두 가지− β 붕괴를 빠르게 거친다. 첫 번째− β 붕괴는 U를 넵투늄-239로 변환하고 두 번째− β 붕괴는 Np를 Pu로 변환한다.
![{\displaystyle {\ce {{}^{238}_{92}U + {}^{1}_{0}n -> {}^{239}_{92}U ->[\beta^-][23.5\ {\ce {min}}] {}^{239}_{93}Np ->[\beta^-][2.356\ {\ce {d}}] {}^{239}_{94}Pu}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/15bb66867a3b931a990a4b1de2b7a1f3692701e0)
핵분열 활동은 비교적 드물기 때문에, 상당한 노출 후에도, Pu는 여전히 많은 양의 U(그리고 아마도 우라늄의 다른 동위원소), 산소, 원래의 물질의 다른 성분, 그리고 핵분열 생성물과 혼합되어 있다.원자로에서 며칠 동안 연료가 노출되어야만 Pu를 나머지 물질과 화학적으로 분리하여 고순도 Pu 금속을 만들 수 있다.
239Pu는 U보다 핵분열 확률이 높고 핵분열 이벤트당 생성되는 중성자 수가 많아 임계 질량이 작다.순수 Pu는 또한 자발적 핵분열(10 핵분열/초·kg)에 의한 중성자 방출 속도가 상당히 낮기 때문에 폭발 연쇄 반응이 시작되기 전에 초임계 질량을 조립하는 것이 가능하다.
그러나 실제로는 Pu가 생산 중 추가 중성자를 흡수하는 경향으로 인해 원자로에서 배양된 플루토늄에는 반드시 일정량의 Pu가 함유된다.240Pu는 자발적 핵분열 발생률(415,000 핵분열/s-kg)이 높아 바람직하지 않은 오염물질이다.결과적으로, 상당한 양의 Pu를 함유하고 있는 플루토늄은 핵무기에 사용하기에 적합하지 않다. 플루토늄은 중성자 방사선을 방출하고, 취급을 더 어렵게 하며, 그 존재는 작은 폭발이 일어나 무기를 파괴하지만 연료의 중요한 부분의 핵분열을 일으키지 않는 "휘발"을 초래할 수 있다.(다만, 중성자 발생기를 개시 및 추가 중성자 공급을 위한 핵융합 부스트에 사용하는 현대 핵무기의 경우, 흐림 현상은 문제가 되지 않는다.)플루토늄 기반의 무기가 총형이 아닌 내폭형이어야 하는 것은 이러한 한계 때문이다.게다가 Pu와 Pu는 화학적으로 구별할 수 없기 때문에 이들을 분리하기 위해서는 비싸고 어려운 동위원소 분리가 필요하다.무기급 플루토늄은 7% 이하의 Pu를 함유하는 것으로 정의된다. 이는 U를 단기간 중성자 선원에 노출시켜 생성된 Pu를 최소화함으로써 달성된다.
플루토늄은 플루토늄-240에 포함된 오염물질의 비율에 따라 분류된다.
- 슈퍼 그레이드 2~3 %
- 무기 등급 3~7%
- 연료 등급 7–18%
- 원자로 등급 18% 이상
은 무기에 플루토늄을 생산하는 데 사용되는 원자로 그러므로 일반적으로 중성자 방사선에 238U 한다는 입장과 자주 새로운 238U을 조사 후 238U를 대체하는데 원자로나 적당히 농축 부유해 지지 않은 우라늄에 달리기 238U가 상당히 많이 들어 있다. 하지만, 대부분의 상업적 동력용 원자로 디자인을 한 방법이 있다.그 앙 quire타이어 원자로는 연료 원소를 바꾸기 위해 종종 몇 주 동안 작동을 멈춘다.따라서 그들은 무기 제작에 적합하지 않은 동위원소 혼합으로 플루토늄을 생산한다.그러한 원자로에는 U형 탄두를 노심 근처에 배치하고 자주 교체할 수 있는 기계들이 추가될 수도 있고, 또는 자주 폐쇄될 수도 있기 때문에 확산이 우려된다. 이러한 이유로 국제원자력기구는 허가된 원자로를 자주 검사한다.리크토르 볼쇼이 모쉬노스티 카날니(RBMK) 및 가압중수로(PHWR)와 같은 일부 상업용 동력원자로 설계에서는 정지 없이 연료를 주입할 수 있으며, 이러한 설계는 확산 위험을 초래할 수 있다.(사실 RBMK는 냉전시대 소련이 만든 것이기 때문에 표면적으로는 평화적인 목적에도 불구하고 플루토늄 생산이 설계 기준이었을 가능성이 높다.)반면 캐나다 CANDU의 감속 천연우라늄 연료 원자로는 가동 중에도 연료를 재공급할 수 있지만 일반적으로 생산되는 Pu의 대부분을 현장에서 소비한다. 따라서 대부분의 원자로보다 본질적으로 증식이 덜할 뿐만 아니라 "액티비드 소각로"[4]로도 작동할 수 있다.미국식 IFR(Integrated Fast Reactor)은 고속로 이외에는 쉽게 연소할 수 없는 플루토늄-242 동위원소나 장수명 악티니드를 축적하지 않는 장점이 있어 '소화 모드'에서도 작동할 수 있다.또한 IFR 연료는 연소성 동위원소 비율이 높은 반면 CANDU에서는 연료를 희석하기 위해 불활성 물질이 필요합니다. 즉, IFR은 재처리가 필요하기 전에 연료의 더 높은 부분을 연소할 수 있습니다.대부분의 플루토늄은 연료를 소비하는 것보다 더 많은 플루토늄을 생산하기 때문에 브리더 원자로라고 불리는 연구용 원자로나 플루토늄 생산 원자로에서 생산된다; 원칙적으로, 그러한 원자로는 천연 우라늄을 매우 효율적으로 사용한다.실제로 이들의 건설과 운영은 충분히 어려워서 일반적으로 플루토늄 생산에만 사용된다.고속 중성자가 플루토늄 생산에 다소 효율적이기 때문에 증식로는 일반적으로 고속 원자로이다(항상 그렇지는 않다).
플루토늄-239는 임계 질량의 양을 구하기 쉽기 때문에 우라늄-235보다 핵무기에 더 자주 사용된다.플루토늄-239와 우라늄-235는 모두 우라늄-238로 주로 구성되지만 우라늄-235와 같은 다른 우라늄 동위원소의 흔적을 포함하는 천연 우라늄에서 얻어진다.우라늄 농축 과정, 즉 무기 등급에 대한 U 대 U 비율을 높이는 과정은 일반적으로 U에서 플루토늄-239를 생산하고 후속 재처리하는 것보다 더 길고 비용이 많이 드는 과정이다.
슈퍼 그레이드 플루토늄
방사능이 적은 '슈퍼 그레이드' 핵분열 연료는 공군의 기존 플루토늄 대신 미 해군 핵무기의 1차 단계에서 사용된다."슈퍼 그레이드"는 플루토늄 합금의 산업 용어로 예외적으로 높은 Pu(95%)를 가지고 있으며, 매우 적은 양의 Pu를 남긴다. 이는 높은 자연 핵분열 동위원소이다(위 참조).이러한 플루토늄은 MW-day/t 연소율로 측정된 매우 짧은 시간 동안 조사된 연료봉에서 생산된다.이러한 낮은 조사 시간은 추가 중성자 포획의 양을 제한하고 따라서 막대 내 Pu와 같은 대체 동위원소 생성물의 축적을 제한하며, 그 결과 생산 비용이 상당히 많이 들기 때문에 주어진 플루토늄 양에 대해 조사 및 처리되는 훨씬 더 많은 막대들이 필요하다.
플루토늄-240은 핵분열 후 중성자 방출체일 뿐 아니라 감마 방출체이기 때문에 저장된 핵무기에서 나오는 방사선의 대부분을 차지한다.잠수함 승무원들은 초계 중이든 항구에서든 노출이 비교적 짧은 공군 미사일과는 달리 어뢰실과 미사일 관에 보관된 핵무기와 매우 가까운 곳에서 일상적으로 생활하고 근무한다.방사선 피폭 감소의 필요성은 많은 해군 핵무기에 사용되는 프리미엄 슈퍼 그레이드 합금의 추가 비용을 정당화한다.슈퍼 그레이드 플루토늄은 W80 탄두에 사용된다.
원자로 내
U를 포함한 모든 가동 중인 원자로에서는 일부 플루토늄-239가 핵연료에 [5]축적된다.무기급 플루토늄을 생산하기 위해 사용되는 원자로와 달리, 상업용 원자로는 일반적으로 조사된 원자로 연료에 상당한 양의 플루토늄을 축적할 수 있는 높은 연소율에서 작동한다.플루토늄-239는 운전 중 원자로 노심과 연료 어셈블리의 수명(일반적으로 몇 년) 종료 시 원자로에서 제거된 사용후 핵연료에 모두 존재한다.사용후 핵연료에는 일반적으로 약 0.8%의 플루토늄-239가 함유되어 있다.
원자로 연료에 존재하는 플루토늄-239는 우라늄-235와 마찬가지로 중성자와 핵분열을 흡수할 수 있다.플루토늄-239는 운전 중 노심 내에서 지속적으로 생성되기 때문에 사용후 연료의 재처리 없이 발전소에서 플루토늄-239를 핵연료로 사용할 수 있다. 플루토늄-239는 생산되는 연료봉과 동일한 연료봉에서 분해된다.플루토늄-239의 파편은 일반적인 상업용 원자력 [6]발전소에서 생산되는 총 에너지의 1/3 이상을 제공한다.일부 플루토늄-239가 파열에 의해 지속적으로 연소되지 않는다면 원자로 연료는 사용 수명 동안 0.8% 이상의 플루토늄-239가 축적될 것이다.
소량의 플루토늄-239를 새로운 핵연료에 의도적으로 첨가할 수 있다.그러한 연료는 이산화 우라늄과2 이산화2 플루토늄의 혼합물을 함유하고 있기 때문에 MOX라고 불린다.플루토늄-239를 첨가하면 연료에 우라늄을 농축할 필요성이 줄어든다.
위험 요소
플루토늄-239는 알파 입자를 방출하여 우라늄-235가 된다.플루토늄-239는 알파 방출자로서 외부 방사선원으로서는 특별히 위험하지는 않지만, 먼지로 흡입하거나 흡입하면 매우 위험하고 발암성이 있다.플루토늄 산화물로 흡입된 플루토늄 1파운드(454g)가 200만 [7]명에게 암을 일으킬 수 있는 것으로 추정됐다.그러나 섭취된 플루토늄은 극히 일부만 소화관에 [8][9]흡수되기 때문에 훨씬 덜 위험하다.800mg은 방사선에 관한 [7]한 건강에 큰 위험을 일으키지 않을 것이다.중금속인 플루토늄은 화학적으로도 독성이 있다.플루토늄 #주의사항도 참조하십시오.
무기 등급 플루토늄(Pu 90% 이상)은 핵무기 제조에 사용되며, 그러한 목적을 위한 다른 핵분열 물질에 비해 많은 이점이 있다.Pu의 비율이 낮으면 신뢰할 수 있는 무기 설계가 어렵거나 불가능해진다. 이는 바람직하지 않은 Pu의 자발적 핵분열(및 중성자 생산) 때문이다.
「 」를 참조해 주세요.
레퍼런스
- ^ "Physical, Nuclear, and Chemical Properties of Plutonium". Institute for Energy and Environmental Research. Retrieved 20 November 2015.
- ^ FAS 핵무기 설계 FAQ 2008년 12월 26일 웨이백 머신에서 보관, 2010년 9월 2일 액세스
- ^ a b "Table of Physical and Chemical Constants, Sec 4.7.1: Nuclear Fission". Kaye & Laby Online. Archived from the original on 2010-03-05. Retrieved 2009-02-01.
- ^ Whitlock, Jeremy J. (April 14, 2000). "The Evolution of CANDU Fuel Cycles and their Potential Contribution to World Peace".
- ^ Hala, Jiri; Navratil, James D. (2003). Radioactivity, Ionizing Radiation, and Nuclear Energy. Brno: Konvoj. p. 102. ISBN 80-7302-053-X.
- ^ "Information Paper 15: Plutonium". World Nuclear Association. Retrieved 15 July 2020.
- ^ a b Cohen, Bernard L. (1990). "Chapter 13, Plutonium and bombs". The Nuclear Energy Option. Plenum Press. ISBN 978-0306435676.
- ^ Cohen, Bernard L. (1990). "Chapter 11, HAZARDS OF HIGH-LEVEL RADIOACTIVE WASTE — THE GREAT MYTH". The Nuclear Energy Option. Plenum Press. ISBN 978-0306435676.
- ^ Emsley, John (2001). "Plutonium". Nature's Building Blocks: An A–Z Guide to the Elements. Oxford (UK): Oxford University Press. pp. 324–329. ISBN 0-19-850340-7.
외부 링크
