Plutónio é feito de urânio-238. 239Pu é normalmente criado em reatores nucleares pela transmutação de átomos individuais de um dos isótopos de urânio presentes nas barras de combustível. Ocasionalmente, quando um átomo de 238U é exposto à radiação de neutrões, seu núcleo irá capturar um nêutron, mudando-o para 239U. Isto acontece mais facilmente com menor energia cinética (já que a ativação da fissão da 238U é de 6,6MeV). A 239U sofre então rapidamente dois decaimentos β – uma emissão de um elétron e um anti-neutrino ( ν ¯ e {\displaystyle {\bar {\nu }}}_{e}}
), deixando um próton – o primeiro β – decaimento transformando a 239U em neptúnio-239, e o segundo β – decaimento transformando a 239Np em 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}}}}
Atividade de fissão é relativamente rara, assim mesmo após exposição significativa, a 239Pu ainda é misturada com uma grande quantidade de 238U (e possivelmente outros isótopos de urânio), oxigênio, outros componentes do material original, e produtos de fissão. Somente se o combustível tiver sido exposto por alguns dias no reator, o 239Pu pode ser quimicamente separado do resto do material para produzir metal de alta pureza 239Pu.
239Pu tem uma probabilidade maior de fissão do que 235U e um número maior de nêutrons produzidos por evento de fissão, portanto tem uma massa crítica menor. Puro 239Pu também tem uma taxa razoavelmente baixa de emissão de neutrões devido à fissão espontânea (10 fission/s-kg), tornando viável a montagem de uma massa que é altamente supercrítica antes de uma reação em cadeia de detonação começar.
Na prática, no entanto, na prática, o plutônio criado pelo reator irá invariavelmente conter uma certa quantidade de 240Pu devido à tendência de 239Pu de absorver um nêutron adicional durante a produção. 240Pu tem uma alta taxa de eventos de fissão espontânea (415.000 fission/s-kg), tornando-o um contaminante indesejável. Como resultado, o plutônio contendo uma fração significativa de 240Pu não é adequado para uso em armas nucleares; ele emite radiação de nêutrons, tornando o manuseio mais difícil, e sua presença pode levar a uma “efervescência” na qual ocorre uma pequena explosão, destruindo a arma, mas não causando a fissão de uma fração significativa do combustível. (Entretanto, em armas nucleares modernas que utilizam geradores de nêutrons para iniciação e reforço da fusão para fornecer nêutrons extras, o efervescência não é um problema). É por causa dessa limitação que as armas baseadas em plutônio devem ser do tipo implosão, e não do tipo arma. Além disso, 239Pu e 240Pu não podem ser quimicamente distinguidos, pelo que seria necessária uma dispendiosa e difícil separação isotópica para os separar. O plutónio de grau de arma é definido como contendo não mais do que 7% de 240Pu; isto é conseguido expondo apenas 238U a fontes de neutrões durante curtos períodos de tempo para minimizar os 240Pu produzidos.
Plutónio é classificado de acordo com a percentagem de plutónio-240 contaminante que contém:
- Supergrade 2-3%
- Armas grau 3-7%
- Combustível grau 7-18%
- Reator grau 18% ou mais
Um reator nuclear que é usado para produzir plutônio para armas, portanto, geralmente tem um meio de expor 238U à radiação de nêutrons e para frequentemente substituir a 238U irradiada por novas 238U. Um reactor que funciona com urânio não enriquecido ou moderadamente enriquecido contém uma grande quantidade de 238U. No entanto, a maioria dos projetos de reatores nucleares comerciais exige que todo o reator seja desligado, muitas vezes por semanas, a fim de mudar os elementos de combustível. Portanto, eles produzem plutônio em uma mistura de isótopos que não é bem adequada para a construção de armas. Tal reactor poderia ter maquinaria que permitisse colocar 238U cartuchos perto do núcleo e mudá-los frequentemente, ou poderia ser desligado frequentemente, pelo que a proliferação é uma preocupação; por esta razão, a Agência Internacional de Energia Atómica inspecciona frequentemente reactores licenciados. Alguns projetos de reatores comerciais, como o reaktor bolshoy moshchnosti kanalniy (RBMK) e o reator de água pesada pressurizada (PHWR), permitem o reabastecimento sem interrupções, e podem representar um risco de proliferação. (Na verdade, o RBMK foi construído pela União Soviética durante a Guerra Fria, portanto, apesar de seu propósito ostensivamente pacífico, é provável que a produção de plutônio tenha sido um critério de projeto). Em contraste, o reator canadense CANDU de água pesada moderada alimentado com urânio natural também pode ser reabastecido durante a operação, mas normalmente consome a maior parte dos 239Pu que produz in situ; assim, não só é inerentemente menos proliferativo do que a maioria dos reatores, mas pode até ser operado como um “incinerador de actinídeos”. O IFR (Integral Fast Reactor) americano também pode ser operado em “modo de incineração”, tendo algumas vantagens em não acumular o isótopo plutônio-242 ou os actinídeos de longa duração, que não podem ser queimados facilmente, exceto em um reator rápido. Também o combustível IFR tem uma alta proporção de isótopos queimáveis, enquanto no CANDU é necessário um material inerte para diluir o combustível; isto significa que o IFR pode queimar uma fração maior de seu combustível antes de precisar de reprocessamento. A maioria do plutônio é produzida em reatores de pesquisa ou reatores de produção de plutônio chamados reatores reprocessadores porque produzem mais plutônio do que consomem combustível; em princípio, tais reatores fazem uso extremamente eficiente do urânio natural. Na prática, a sua construção e operação é suficientemente difícil para que sejam geralmente usados apenas para produzir plutónio. Reatores reprodutores são geralmente (mas nem sempre) reatores rápidos, pois os neutrões rápidos são um pouco mais eficientes na produção de plutônio.
Plutônio-239 é mais freqüentemente usado em armas nucleares do que o urânio-235, pois é mais fácil de obter em uma quantidade de massa crítica. Tanto o plutônio-239 quanto o urânio-235 são obtidos do urânio natural, que consiste principalmente de urânio-238, mas contém vestígios de outros isótopos de urânio, como o urânio-235. O processo de enriquecimento do urânio, ou seja, o aumento da proporção de 235U para 238U em relação ao grau de armas, é geralmente um processo mais longo e dispendioso do que a produção de plutónio-239 a partir da 238U e subsequente reprocessamento.
Plutónio supergradoEditar
O combustível de fissão “supergrado”, que tem menos radioactividade, é utilizado na fase primária das armas nucleares da Marinha dos EUA em vez do plutónio convencional utilizado nas versões da Força Aérea. “Supergrade” é a linguagem da indústria para liga de plutônio com uma fração excepcionalmente alta de 239Pu (>95%), deixando uma quantidade muito baixa de 240Pu, que é um isótopo de fissão espontânea alta (ver acima). Esse plutônio é produzido a partir de varetas de combustível que foram irradiadas por um tempo muito curto, conforme medido em MW-dia/tonelada de queima. Este baixo tempo de irradiação limita a quantidade de captura de neutrões adicionais e, portanto, o acúmulo de produtos isotópicos alternativos, como 240Pu na haste, e também por conseqüência é consideravelmente mais caro de produzir, necessitando de muito mais hastes irradiadas e processadas para uma determinada quantidade de plutônio.
Plutônio-240, além de ser um emissor de neutrões após a fissão, é um emissor gama, e por isso é responsável por uma grande fração da radiação das armas nucleares armazenadas. Seja em patrulha ou no porto, os tripulantes dos submarinos vivem e trabalham rotineiramente nas proximidades das armas nucleares armazenadas em salas de torpedo e tubos de mísseis, ao contrário dos mísseis da Força Aérea, onde as exposições são relativamente breves. A necessidade de reduzir a exposição à radiação justifica os custos adicionais da liga supergraduada premium usada em muitas armas nucleares navais. O plutónio supergraduado é usado em ogivas W80.