Il plutonio è fatto da uranio-238. Il 239Pu è normalmente creato nei reattori nucleari per trasmutazione di singoli atomi di uno degli isotopi di uranio presenti nelle barre di combustibile. Occasionalmente, quando un atomo di 238U è esposto alla radiazione neutronica, il suo nucleo cattura un neutrone, cambiandolo in 239U. Questo accade più facilmente con un’energia cinetica più bassa (poiché l’attivazione della fissione del 238U è 6,6MeV). Il 239U poi subisce rapidamente due decadimenti β – un’emissione di un elettrone e un anti-neutrino ( ν ¯ e {displaystyle {\bar {\nu }}_{e}}
), lasciando un protone – il primo decadimento β trasforma il 239U in nettunio-239, e il secondo decadimento β trasforma il 239Np in 239Pu: U 92 238 + n 0 1 ⟶ U 92 239 → 23,5 min β – Np 93 239 → 2.356 d β – Pu 94 239 {\displaystyle {\ce {{}^{238}_{92}U + {}^{1}_{0}n -> {}^{239}_{92}U -> {^{239}_{93}Np -> {}^{239}_{94}Pu}}
L’attività di fissione è relativamente rara, quindi anche dopo un’esposizione significativa, il 239Pu è ancora mescolato con una grande quantità di 238U (e forse altri isotopi di uranio), ossigeno, altri componenti del materiale originale, e prodotti di fissione. Solo se il combustibile è stato esposto per alcuni giorni nel reattore, il 239Pu può essere separato chimicamente dal resto del materiale per produrre metallo 239Pu di alta purezza.
239Pu ha una probabilità di fissione più alta del 235U e un numero maggiore di neutroni prodotti per evento di fissione, quindi ha una massa critica più piccola. Il 239Pu puro ha anche un tasso ragionevolmente basso di emissione di neutroni a causa della fissione spontanea (10 fissioni/kg), rendendo fattibile l’assemblaggio di una massa altamente supercritica prima che inizi una reazione a catena di detonazione.
In pratica, comunque, il plutonio allevato nei reattori conterrà invariabilmente una certa quantità di 240Pu a causa della tendenza del 239Pu ad assorbire un neutrone addizionale durante la produzione. Il 240Pu ha un alto tasso di eventi di fissione spontanea (415.000 fissioni/s-kg), rendendolo un contaminante indesiderabile. Di conseguenza, il plutonio che contiene una frazione significativa di 240Pu non è adatto all’uso nelle armi nucleari; emette radiazioni neutroniche, rendendo la manipolazione più difficile, e la sua presenza può portare ad un “fizzle” in cui si verifica una piccola esplosione, distruggendo l’arma ma non causando la fissione di una frazione significativa del combustibile. (Tuttavia, nelle moderne armi nucleari che utilizzano generatori di neutroni per l’innesco e la fusione per fornire neutroni extra, il fizzling non è un problema). È a causa di questa limitazione che le armi a base di plutonio devono essere a implosione, piuttosto che a cannone. Inoltre, 239Pu e 240Pu non possono essere distinti chimicamente, quindi sarebbe necessaria una separazione isotopica costosa e difficile per separarli. Il plutonio per armi è definito come contenente non più del 7% di 240Pu; questo si ottiene esponendo solo il 238U a fonti di neutroni per brevi periodi di tempo per minimizzare il 240Pu prodotto.
Il plutonio è classificato secondo la percentuale del contaminante plutonio-240 che contiene:
- Supergrado 2-3%
- Grado per armi 3-7%
- Grado per combustibile 7-18%
- Grado per reattori 18% o più
Un reattore nucleare che è usato per produrre plutonio per armi ha quindi generalmente un mezzo per esporre il 238U alla radiazione neutronica e per sostituire frequentemente il 238U irradiato con nuovo 238U. Un reattore che funziona con uranio non arricchito o moderatamente arricchito contiene una grande quantità di 238U. Tuttavia, la maggior parte dei progetti di reattori nucleari commerciali richiedono lo spegnimento dell’intero reattore, spesso per settimane, per cambiare gli elementi di combustibile. Producono quindi plutonio in un mix di isotopi che non è adatto alla costruzione di armi. Un reattore di questo tipo potrebbe avere un macchinario aggiunto che permetterebbe di piazzare proiettili di 238U vicino al nucleo e cambiarli frequentemente, o potrebbe essere spento frequentemente, quindi la proliferazione è una preoccupazione; per questa ragione, l’Agenzia Internazionale dell’Energia Atomica ispeziona spesso i reattori autorizzati. Alcuni progetti di reattori commerciali, come il reaktor bolshoy moshchnosti kanalniy (RBMK) e il reattore ad acqua pesante pressurizzata (PHWR), permettono il rifornimento senza arresti, e possono rappresentare un rischio di proliferazione. (Infatti, l’RBMK è stato costruito dall’Unione Sovietica durante la guerra fredda, quindi nonostante il loro scopo apparentemente pacifico, è probabile che la produzione di plutonio fosse un criterio di progettazione). Al contrario, il reattore canadese CANDU ad acqua pesante moderato ad uranio naturale può anche essere rifornito durante il funzionamento, ma normalmente consuma la maggior parte del 239Pu che produce in situ; quindi, non solo è intrinsecamente meno proliferativo della maggior parte dei reattori, ma può anche essere gestito come un “inceneritore di attinidi”. L’americano IFR (Integral Fast Reactor) può anche funzionare in “modalità incenerimento”, avendo alcuni vantaggi nel non accumulare l’isotopo plutonio-242 o gli attinidi a lunga vita, che non possono essere facilmente bruciati se non in un reattore veloce. Anche il combustibile IFR ha un’alta proporzione di isotopi bruciabili, mentre nel CANDU è necessario un materiale inerte per diluire il combustibile; questo significa che l’IFR può bruciare una frazione più alta del suo combustibile prima di aver bisogno di ritrattamento. La maggior parte del plutonio è prodotto in reattori di ricerca o reattori di produzione di plutonio chiamati reattori breeder perché producono più plutonio di quanto consumino combustibile; in linea di principio, tali reattori fanno un uso estremamente efficiente dell’uranio naturale. In pratica, la loro costruzione e il loro funzionamento sono sufficientemente difficili che sono generalmente utilizzati solo per produrre plutonio. I reattori breeder sono generalmente (ma non sempre) reattori veloci, poiché i neutroni veloci sono un po’ più efficienti nella produzione di plutonio.
Il plutonio-239 è più frequentemente usato nelle armi nucleari che l’uranio-235, poiché è più facile da ottenere in una quantità di massa critica. Sia il plutonio-239 che l’uranio-235 sono ottenuti dall’uranio naturale, che consiste principalmente di uranio-238 ma contiene tracce di altri isotopi di uranio come l’uranio-235. Il processo di arricchimento dell’uranio, cioè l’aumento del rapporto tra 235U e 238U fino alla qualità delle armi, è generalmente un processo più lungo e costoso della produzione di plutonio-239 da 238U e del successivo ritrattamento.
Plutonio supergradoModifica
Il combustibile di fissione “supergrado”, che ha meno radioattività, è usato nello stadio primario delle armi nucleari della Marina statunitense al posto del plutonio convenzionale usato nelle versioni dell’Air Force. “Supergrado” è il gergo dell’industria per la lega di plutonio con una frazione eccezionalmente alta di 239Pu (>95%), lasciando una quantità molto bassa di 240Pu, che è un isotopo ad alta fissione spontanea (vedi sopra). Tale plutonio è prodotto da barre di combustibile che sono state irradiate per un tempo molto breve, misurato in MW-giorno/tonnellata di burnup. Tempi di irradiazione così bassi limitano la quantità di cattura di neutroni aggiuntivi e quindi l’accumulo di prodotti isotopici alternativi come il 240Pu nella barra, e di conseguenza è anche considerevolmente più costoso da produrre, avendo bisogno di molte più barre irradiate e processate per una data quantità di plutonio.
Il plutonio-240, oltre ad essere un emettitore di neutroni dopo la fissione, è un emettitore gamma, e quindi è responsabile di una grande frazione della radiazione dalle armi nucleari immagazzinate. Sia in pattugliamento che in porto, i membri dell’equipaggio dei sottomarini vivono e lavorano abitualmente in prossimità di armi nucleari immagazzinate nelle sale siluri e nei tubi missilistici, a differenza dei missili dell’aeronautica dove le esposizioni sono relativamente brevi. La necessità di ridurre l’esposizione alle radiazioni giustifica i costi aggiuntivi della lega supergrade di prima qualità usata su molte armi nucleari navali. Il plutonio supergrado è usato nelle testate W80.