元素

94 钚 快中子增殖堆的元素

本文作者:漂泊

钚是一种非常重要的放射性元素,它是制造核武器的重要原料,也是快中子增殖堆的必备燃料,钚还可以用于制造放射性同位素热电发电机用于航空航天。

钚的基本物理性质

分类 第ⅢB族▪锕系金属
原子序号原子量 94 (239)
电子配置 5f67s2
密度 16.00-19.86 g/cm3
熔点 640 oC
沸点 3235 oC
形状 银白色金属
半衰期 8.26×107年(244Pu)、373300年(242Pu)、24110年(239Pu)
发现者 Glenn T. Seaborg, Edwin McMillan, Joseph W. Kennedy, Arthur Wahl
主要的同位素 238Pu,239Pu, 240Pu,242Pu, 244Pu
用途例 原子弹、快中子增殖堆、放射性同位素热电发电机
前后的元素 镎-钚-镅

钚的发现

1934年,Enrico Fermi和一组罗马大学的科学家一起宣布发现了94号元素,他将这种元素命名为Hesperium,并在1938年参加诺贝尔奖颁奖典礼演讲时宣布了该发现。然而他们的成果实际是钡、氪以及一些其他元素的混合物,当时并不知晓这一点。

1938年,Otto Hahn 和 Fritz Strassmann发现了原子核裂变的现象,随后不久,Lise Meitner 和 Otto Frisch解释了其理论机制。1940年12月14日,Glenn T. Seaborg、Edwin McMillan、Joseph W. Kennedy和 Arthur Wahl利用加州大学伯克利分校的回旋加速器加速氘核轰击铀靶得到了238Np,在经过大约两天的β衰变后,转变为了238Pu。1941年2月23日,钚被确认为94号元素。同年,英国剑桥大学卡文迪许实验室的Egon Bretscher和Norman Feather也在理论上预测慢中子轰击铀的副产物中可能会含有239Pu。

考虑到第一个超铀元素镎以海王星之名命名,因此Edwin McMillan决定以海王星之后发现的行星冥王星(现在已经被确认为矮行星)来命名。Glenn T. Seaborg一开始将这个元素命名为Plutium,后来又改为Plutonium,听起来似乎更好听。他也考虑过一些其他的名字,如“ultimium”及“extremium”,因为他认为他可能发现了可能是最后一个元素的元素。 [1-10]

金属钚

原子弹“胖子”

除了铀之外,钚也是制造原子弹的重要材料,美军在日本长崎投下的原子弹“胖子”就是一颗钚弹。钚弹是指使用239Pu装料的原子弹,其临界质量更小,大约为13磅,这主要是因为钚在裂变时会多释放一个中子,所以链式反应扩张更快。钚弹里存在杂质240Pu会使钚弹过早引爆核弹,在多数能量释放前终止链式反应,因此必须采用内爆的方式。实现内爆是极端困难的。内爆必须非常精确,所用的烈性炸药必须极其均匀,而且需要在钚壳的每一边都达到精密的平衡。它们要同时而且均匀地引爆。那需要高度技巧,因为爆炸往往在个别点发生,而不是在整个壳层表面扩展。人们发展了一种专门技术将点爆炸转化为内爆,它被称为爆炸透镜。烈性炸药在某一点引爆,然后聚焦起来,均匀覆盖整个钚壳表面。

239Pu是可以通过铀反应堆生产,在反应堆内,238U吸收一个中子,不发生裂变而变成239U,239U衰变成239Np,239Np衰变成239Pu。由于钚与铀是不同的元素,因此虽然只有很少一部分铀转变成了钚,但钚与铀之间的分离,比起铀同位素间的分离来却要容易得多,因而可以比较方便地用化学方法来提纯钚。 [11-13]

快中子增殖

快中子反应堆是指没有中子慢化剂的核裂变反应堆。通常的核裂变反应堆,为了提升核燃料的链式裂变反应的效率,需要将裂变产生的高速中子(快中子)减速成为速度较慢的中子(热中子),通常加入较轻的原子核构成的中子慢化剂,比如轻水,重水等等,利用里面的氢原子作为高速中子碰撞减速的中子慢化剂。

快中子反应堆不使用238U,而使用239Pu作燃料,不过在堆心燃料239Pu的外围再生区里放置238U。239Pu产生裂变反应时放出来的快中子,被装在外围再生区的238U吸收,238U就会很快变成239Pu。这样,239Pu裂变,在产生能量的同时,又不断地将238U变成可用燃料239Pu,而且再生速度高于消耗速度,核燃料越烧越多,快速增殖,所以这种反应堆又称”快速增殖堆”。在快中子增殖堆内,每个239U核裂变所产生的快中子,可以使12至16个238U变成239Pu。尽管它一边在消耗核燃料239Pu,但一边又在产生核燃料239Pu,生产的比消耗的还要多,具有核燃料的增殖作用。据计算,如快中子反应堆推广应用,将使铀资源的利用率提高50-60倍,大量238U堆积浪费、污染环境问题将能得到解决。在快中子反应堆中,不能使用水来传递堆芯中的热量,因为它会减缓快中子的速度,因此常用钠和钾的合金作为快中子反应堆的热交换剂。

热中子反应堆是一种安全、干净都达到要求的经济能源,以及今后一段时间内它将是发展核电的主要堆型。然而,热中子反应堆所利用的燃料235U,在自然界存在的铀中只占0.7%,而占天然铀99.3%的另一种同位素238U却不能在热中子的作用下发生裂变,不能被热中子堆所利用。自然界中的铀储量是有限的,如果只能利用235U,再有30年同样会面临235U匮缺的危险。因此人们把取得丰富核能的长远希望,寄托在能够利用235U以外的可裂变燃料上。于是,快中子增殖反应堆便应运而生。 [14-15]

                           快中子增殖反应堆结构

钚的其他应用

钚在航空航天领域也扮演着重要的角色,它可以用于放射性同位素热电发电机及放射性同位素加热器,在无需直接维护的情况下正常运行发电,而且使用寿命接近人类的寿命。一千克的238Pu可以产生约570瓦的热量。包括好奇号在内的许多探测器都采用了这种放射性同位素发电机。[16-18]

好奇号探测器的放射性同位素热电发电机中的PuO2

实验室中的核爆

1946年5月21日。物理学家Louis Slotin正在对利用钚制造核武器进行研究,他采用的是一个由碳化钨包裹的钚核心装置。那天,Louis Slotin与七名同事对一场实验进行操作,当中要把两块铍(一种中子反射物料)制半球置于钚核心的周围,作为制造裂变反应的起始步骤。Louis Slotin一方面用左手姆指孔抓紧铍制的上半球,另一方面右手用螺丝刀维持着上下半球间的空隙,同一时间助手移走平常会用的填隙片。使用螺丝刀操作并不是实验计划的标准规定,他发生了失误,工具插到离核心位置稍远的地方,导致铍制上半球落下,瞬间,钚核心产生闪烁的蓝光和巨大的辐射。Louis Slotin的口部感觉到酸味,左手感到被烧伤的剧痛。斯洛廷本能地向上急抽左手,将铍制上半球拉起并把它掉到地上。这使他被一股达致命剂量(约2100雷姆,或21西弗)的中子及γ辐射曝晒。

Louis Slotin一离开实验楼就呕吐,这是受强度极高的离子化辐射曝晒下所产生的普遍征状。9天后,Louis Slotin因急性辐射中毒,胃肠道完全被破坏而死亡。其他研究人员立即接受了治疗,所幸无大碍。在此次事故后,研究所下令所有钚核心试验必须使用机器人手臂,而且试验人员必须与钚核心保持一定的距离。[19]

路易斯·斯洛廷操作钚核心装置

参考文献

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  • [14] 徐銤.  核电发展的第二代——快中子增殖堆核电站.《核科学与工程》, 1990
  • [15] 谢仲生. 《核反应堆物理分析》西安交通大学出版社,2004.7
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  • [17] “Why the Cassini Mission Cannot Use Solar Arrays” (PDF). NASA/JPL. December 6, 1996. Archived from the original on February 26, 2015. Retrieved March 21, 2014.
  • [18] Mosher, Dave (September 19, 2013). “NASA’s Plutonium Problem Could End Deep-Space Exploration”. Wired. Retrieved February 5, 2015.
  • [19] Roark, Kevin N. (2000). “Criticality accidents report issued”. Los Alamos (NM): Los Alamos National Laboratory. Archived from the original on October 8, 2008. Retrieved November 16, 2008.

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