Plutoniul este obținut din uraniu-238. 239Pu este creat în mod normal în reactoarele nucleare prin transmutarea atomilor individuali ai unuia dintre izotopii de uraniu prezenți în barele de combustibil. Ocazional, atunci când un atom de 238U este expus la radiații neutronice, nucleul său va capta un neutron, transformându-se în 239U. Acest lucru se întâmplă mai ușor cu o energie cinetică mai mică (deoarece activarea fisiunii 238U este de 6,6MeV). Apoi, 239U suferă rapid două dezintegrări β – o emisie de un electron și un antineutrino ( ν ¯ e {\displaystyle {\bar {\nu }}}_{e}}}
), lăsând un proton – prima dezintegrare β transformând 239U în neptuniu-239, iar cea de-a doua dezintegrare β transformând 239Np în 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}}}}.
Activitatea de fisiune este relativ rară, astfel încât, chiar și după o expunere semnificativă, 239Pu este încă amestecat cu o mare cantitate de 238U (și posibil alți izotopi de uraniu), oxigen, alte componente ale materialului original și produse de fisiune. Numai dacă combustibilul a fost expus timp de câteva zile în reactor, 239Pu poate fi separat chimic de restul materialului pentru a obține 239Pu metalic de înaltă puritate.
239Pu are o probabilitate mai mare de fisiune decât 235U și un număr mai mare de neutroni produși per eveniment de fisiune, astfel încât are o masă critică mai mică. 239Pu pur are, de asemenea, o rată rezonabil de scăzută de emisie de neutroni datorată fisiunii spontane (10 fisiuni/s-kg), ceea ce face posibilă asamblarea unei mase foarte supercritice înainte de începerea unei reacții de detonare în lanț.
În practică, totuși, plutoniul obținut în reactor va conține invariabil o anumită cantitate de 240Pu datorită tendinței 239Pu de a absorbi un neutron suplimentar în timpul producției. 240Pu are o rată ridicată de evenimente de fisiune spontană (415.000 fisiune/s-kg), ceea ce îl face un contaminant nedorit. Prin urmare, plutoniul care conține o fracțiune semnificativă de 240Pu nu este potrivit pentru a fi utilizat în armele nucleare; acesta emite radiații neutronice, ceea ce face ca manipularea să fie mai dificilă, iar prezența sa poate duce la un „fizzle” în care are loc o mică explozie, distrugând arma, dar fără a provoca fisiunea unei fracțiuni semnificative din combustibil. (Cu toate acestea, în cazul armelor nucleare moderne care utilizează generatoare de neutroni pentru inițiere și stimularea fuziunii pentru a furniza neutroni suplimentari, fizzling-ul nu reprezintă o problemă). Din cauza acestei limitări, armele pe bază de plutoniu trebuie să fie de tip implozie, mai degrabă decât de tip tun. În plus, 239Pu și 240Pu nu pot fi distinse chimic, astfel încât ar fi necesară o separare izotopică costisitoare și dificilă pentru a le separa. Plutoniul de calitate militară este definit ca având un conținut de maximum 7% 240Pu; acest lucru se obține prin expunerea numai a 238U la surse de neutroni pentru perioade scurte de timp, pentru a minimiza cantitatea de 240Pu produsă.
Plutoniul este clasificat în funcție de procentul de contaminant plutoniu-240 pe care îl conține:
- Supergrad 2-3%
- Grad de armament 3-7%
- Grad de combustibil 7-18%
- Grad de reactor 18% sau mai mult
Un reactor nuclear care este utilizat pentru a produce plutoniu pentru armament are, prin urmare, în general, un mijloc de expunere a 238U la radiații neutronice și de înlocuire frecventă a 238U iradiat cu 238U nou. Un reactor care funcționează cu uraniu neîmbogățit sau moderat îmbogățit conține o mare cantitate de 238U. Cu toate acestea, majoritatea modelelor de reactoare nucleare comerciale necesită oprirea întregului reactor, adesea timp de săptămâni, pentru a schimba elementele de combustibil. Prin urmare, acestea produc plutoniu într-un amestec de izotopi care nu se potrivește bine pentru construcția de arme. La un astfel de reactor ar putea fi adăugate utilaje care să permită plasarea de proiectile de 238U în apropierea miezului și schimbarea frecventă a acestora, sau ar putea fi oprit frecvent, astfel încât proliferarea reprezintă o preocupare; din acest motiv, Agenția Internațională pentru Energie Atomică inspectează frecvent reactoarele autorizate. Câteva modele de reactoare energetice comerciale, cum ar fi reaktor bolshoy moshchnosti kanalniy (RBMK) și reactorul cu apă grea presurizată (PHWR), permit realimentarea cu combustibil fără opriri, iar acestea pot reprezenta un risc de proliferare. (De fapt, RBMK a fost construit de Uniunea Sovietică în timpul Războiului Rece, astfel încât, în ciuda scopului lor aparent pașnic, este probabil ca producția de plutoniu să fi fost un criteriu de proiectare). În schimb, reactorul canadian CANDU cu combustibil de uraniu natural moderat cu apă grea poate fi, de asemenea, realimentat în timpul funcționării, dar, în mod normal, consumă cea mai mare parte a 239Pu pe care îl produce in situ; astfel, nu numai că este în mod inerent mai puțin proliferativ decât majoritatea reactoarelor, dar poate fi operat chiar ca un „incinerator de actinide”. Reactorul american IFR (Integral Fast Reactor) poate fi, de asemenea, exploatat într-un „mod de incinerare”, având unele avantaje prin faptul că nu acumulează izotopul de plutoniu-242 sau actinidele cu durată lungă de viață, care nu pot fi arse cu ușurință decât într-un reactor rapid. De asemenea, combustibilul IFR are o proporție ridicată de izotopi care pot fi arși, în timp ce în cazul CANDU este nevoie de un material inert pentru a dilua combustibilul; acest lucru înseamnă că IFR poate arde o fracțiune mai mare din combustibilul său înainte de a avea nevoie de reprocesare. Cea mai mare parte a plutoniului este produsă în reactoare de cercetare sau în reactoare de producere a plutoniului, numite reactoare de reproducere, deoarece acestea produc mai mult plutoniu decât consumă combustibil; în principiu, astfel de reactoare utilizează în mod extrem de eficient uraniul natural. În practică, construcția și operarea lor este suficient de dificilă pentru ca, în general, să fie folosite doar pentru a produce plutoniu. Reactoarele de reproducere sunt în general (dar nu întotdeauna) reactoare rapide, deoarece neutronii rapizi sunt ceva mai eficienți la producerea plutoniului.
Plutoniul-239 este mai frecvent utilizat în armele nucleare decât uraniul-235, deoarece este mai ușor de obținut într-o cantitate de masă critică. Atât plutoniul-239, cât și uraniul-235 sunt obținute din uraniu natural, care constă în principal din uraniu-238, dar conține urme de alți izotopi de uraniu, cum ar fi uraniul-235. Procesul de îmbogățire a uraniului, adică de creștere a raportului dintre 235U și 238U până la calitatea de armament, este, în general, un proces mai lung și mai costisitor decât producția de plutoniu-239 din 238U și reprocesarea ulterioară.
Plutoniu supergradEdit
Combustibilul de fisiune „supergrad”, care are mai puțină radioactivitate, este utilizat în etapa primară a armelor nucleare ale US Navy în locul plutoniului convențional utilizat în versiunile Forțelor Aeriene. „Supergrad” este o expresie din industrie pentru aliajul de plutoniu care conține o fracție excepțional de mare de 239Pu (>95%), lăsând o cantitate foarte mică de 240Pu, care este un izotop de fisiune spontană ridicată (a se vedea mai sus). Un astfel de plutoniu este produs din bare de combustibil care au fost iradiate un timp foarte scurt, măsurat în MW-zi/tonă de ardere. Un timp de iradiere atât de scurt limitează cantitatea de captură suplimentară de neutroni și, prin urmare, acumularea de produși izotopici alternativi, cum ar fi 240Pu, în tija de combustibil și, de asemenea, în consecință, este considerabil mai scump de produs, necesitând mult mai multe tije iradiate și procesate pentru o cantitate dată de plutoniu.
Plutoniul-240, pe lângă faptul că este un emițător de neutroni după fisiune, este un emițător de radiații gamma și, prin urmare, este responsabil pentru o mare parte din radiațiile provenite de la armele nucleare stocate. Fie că se află în patrulare sau în port, membrii echipajului submarinelor trăiesc și lucrează în mod obișnuit în imediata apropiere a armelor nucleare stocate în camerele torpilelor și în tuburile de rachete, spre deosebire de rachetele Forțelor Aeriene, unde expunerile sunt relativ scurte. Nevoia de a reduce expunerea la radiații justifică costurile suplimentare ale aliajului de calitate superioară utilizat la multe arme nucleare navale. Plutoniul supergrad este utilizat în focoasele W80.