البلوتونيوم-239

البلوتونيوم-239 ( ²³⁹البلوتونيوم -239 ( أو البلوتونيوم-239 ) هو نظير للبلوتونيوم . يُعد البلوتونيوم-239 النظير الانشطاري الأساسي المستخدم في إنتاج الأسلحة النووية ، على الرغم من استخدام اليورانيوم-235 لهذا الغرض أيضًا. كما يُعد البلوتونيوم-239 أحد النظائر الثلاثة التي ثبتت صلاحيتها للاستخدام كوقود في المفاعلات النووية ذات الطيف الحراري ، إلى جانب اليورانيوم-235 واليورانيوم -233 . يبلغ عمر النصف للبلوتونيوم-239حوالي 24110 سنوات. ^{[ 4 ]}

أدى انخفاض الكتلة الحرجة للبلوتونيوم-239، بالإضافة إلى إمكانية إنتاج كميات كبيرة منه بنسبة نقاء عالية وبتكلفة أقل من اليورانيوم ^{-235 عالي التخصيب المستخدم في} الأسلحة النووية، إلى استخدامه في الأسلحة النووية ومحطات الطاقة النووية. ينتج عن انشطار ذرة من اليورانيوم-235 (بنسبة وفرة 0.720%) في مفاعل نووي ما بين اثنين إلى ثلاثة نيوترونات، ويمكن امتصاص هذه النيوترونات بواسطة اليورانيوم-238 (بنسبة وفرة 99.3%) لإنتاج البلوتونيوم-239 ونظائر أخرى. كما يمتص البلوتونيوم-239 النيوترونات وينتج عنه انشطار مع اليورانيوم-235 في المفاعل.

من بين أنواع الوقود النووي الشائعة، يتميز البلوتونيوم ^-239 بأصغر كتلة حرجة . تبلغ كتلته الحرجة الكروية غير المعالجة حوالي 11  كجم (24.2  رطل)، ^{[ 5 ]}  وقطره 10.2 سم (4 بوصات). باستخدام محفزات مناسبة، وعواكس نيوترونية، وهندسة انضغاط مناسبة، وأجهزة ضغط ، يمكن أن تكون الكتلة الحرجة أقل من نصف ذلك.

ينتج عن انشطار ذرة واحدة من ²³⁹ Pu طاقة قدرها 207.1 ميغا إلكترون فولت = 3.318 × 10 ⁻¹¹ جول، أي 19.98 تيرا جول / مول = 83.61 تيرا جول / كجم، ^{[ 6 ]} أو حوالي 23 جيجاوات ساعة / كجم.

يُصنع البلوتونيوم من نظير اليورانيوم الأكثر وفرة ، اليورانيوم-238 . يُنتج البلوتونيوم ^{-239 عادةً في المفاعلات النووية عن طريق} تحويل ذرات اليورانيوم ^-238 الموجودة في قضبان الوقود. في بعض الأحيان، عندما تتعرض ذرة من اليورانيوم ^-238 لإشعاع نيوتروني ، تلتقط نواتها نيوترونًا ، فتحولها إلى يورانيوم ^-239 . يحدث هذا غالبًا مع طاقة حركية منخفضة (حيث تبلغ طاقة تنشيط انشطار اليورانيوم ^-238 6.6 ميغا إلكترون فولت). ^{[ 7 ]} ثم يخضع اليورانيوم -239 ^بسرعة لتحللين بيتا سالبين ^- انبعاث إلكترون ومضاد نيوترينو (${\displaystyle {\bar {\nu }}_{e}}$)، تاركًا بروتونًا في النواة - الاضمحلال β ^{− الأول الذي يحول 239} U إلى ²³⁹ Np ، والاضمحلال β ⁻ الثاني الذي يحول ²³⁹ Np إلى ²³⁹ Pu: ^{[ 8 ] [ 9 ]}

${\displaystyle {\ce {{}^{238}_{92}U + {}^{1}_{0}n -> {}^{239}_{92}U ->[\beta^-][23.5\ {\ce {min}}] {}^{239}_{93}Np ->[\beta^-][2.356\ {\ce {d}}] {}^{239}_{94}بو}}}$

هذا التفاعل بطيء نسبيًا، لذا حتى بعد التعرض لفترات طويلة، يبقى البلوتونيوم ^-239 مختلطًا بكمية كبيرة من اليورانيوم ^-238 (وربما نظائر أخرى من اليورانيوم)، والأكسجين، ومكونات أخرى من المادة الأصلية، ونواتج الانشطار . ولا يمكن فصل البلوتونيوم ^-239 كيميائيًا عن باقي المادة للحصول على معدن البلوتونيوم ^-239 عالي النقاء إلا بعد تعريض الوقود لبضعة أيام في المفاعل.

^{يتمتع البلوتونيوم -239} باحتمالية انشطار أعلى من اليورانيوم ^-235 ، وينتج عنه عدد أكبر من النيوترونات في كل عملية انشطار، لذا فإن كتلته الحرجة أصغر. ^{[ 10 ] كما يتميز البلوتونيوم -239} النقي بمعدل انبعاث نيوترونات منخفض نسبيًا نتيجة الانشطار التلقائي (10 انشطار/ثانية·كجم)، مما يجعل من الممكن تجميع كتلة فائقة الحرارة قبل بدء تفاعل سلسلة الانفجار .

عمليًا، يحتوي البلوتونيوم المُنتَج في المفاعلات النووية حتمًا على كمية معينة من نظير البلوتونيوم ^-240 ، نظرًا لميل نظير البلوتونيوم ^-239 إلى امتصاص نيوترون إضافي أثناء الإنتاج. يتميز نظير البلوتونيوم ^-240 بمعدل انشطار تلقائي مرتفع (415,000 انشطار/ثانية-كجم)، مما يجعله ملوثًا غير مرغوب فيه. ونتيجةً لذلك، فإن البلوتونيوم الذي يحتوي على نسبة كبيرة من نظير البلوتونيوم ^-240 غير مناسب للاستخدام في الأسلحة النووية؛ فهو يُصدر إشعاعًا نيوترونيًا، مما يُصعّب التعامل معه، وقد يؤدي وجوده إلى انفجار صغير يُدمر السلاح دون أن يتسبب في انشطار جزء كبير من الوقود. لهذا السبب، يجب أن تكون الأسلحة القائمة على البلوتونيوم من نوع الانفجار الداخلي، وليس من نوع المدفع. علاوة على ذلك، لا يمكن التمييز كيميائيًا بين نظيري البلوتونيوم ^-239 والبلوتونيوم ^{-240 ، لذا فإن} فصل النظائر مكلف ومعقد ويتطلب جهدًا كبيرًا. يُعرَّف البلوتونيوم المستخدم في الأسلحة بأنه لا يحتوي على أكثر من 7% ^{من 240} Pu؛ ويتحقق ذلك من خلال تعريض ²³⁸ U لمصادر النيوترونات لفترات قصيرة من الزمن لتقليل إنتاج ²⁴⁰ Pu (وهذا يقلل بشكل كبير من النظائر قصيرة العمر ²³⁸ Pu و ²⁴¹ Pu، و ²⁴¹ Am الناتج عن تحلل الأخير).

يُصنف البلوتونيوم وفقًا لنسبة ملوث البلوتونيوم-240 الذي يحتويه:

• درجة فائقة 2-3%
• مستوى الأسلحة 3-7%
• درجة الوقود 7-18%
• درجة المفاعل 18% أو أكثر

لذا، فإن المفاعل النووي المستخدم لإنتاج البلوتونيوم لأغراض الأسلحة النووية مزود عادةً بآلية لتعريض اليورانيوم ^-238 للإشعاع النيوتروني، ولاستبدال اليورانيوم ^{-238 المُشعّع بيورانيوم -238} جديد بشكل متكرر . ويحتوي المفاعل الذي يعمل باليورانيوم غير المخصب أو المخصب بشكل متوسط ​​على كمية كبيرة من اليورانيوم ^-238 . مع ذلك، تتطلب معظم تصاميم مفاعلات الطاقة النووية التجارية إيقاف تشغيل المفاعل بالكامل، غالباً لأسابيع، لتغيير عناصر الوقود. وبالتالي، ينتج عنها بلوتونيوم بمزيج من النظائر غير مناسب لصناعة الأسلحة. يمكن إضافة آلات إلى هذا المفاعل تسمح بوضع كبسولات من اليورانيوم ^-238 بالقرب من قلب المفاعل وتغييرها بشكل متكرر، أو يمكن إيقاف تشغيله بشكل متكرر، مما يجعل الانتشار النووي مصدر قلق؛ ولهذا السبب، تقوم الوكالة الدولية للطاقة الذرية بتفتيش المفاعلات المرخصة بشكل دوري. تسمح بعض تصاميم مفاعلات الطاقة التجارية، مثل مفاعل RBMK ومفاعل الماء الثقيل المضغوط ( PHWR ) ، بإعادة التزود بالوقود دون توقف، وقد تشكل خطرًا على الانتشار النووي. في المقابل، يمكن أيضًا إعادة تزويد مفاعل CANDU الكندي ، الذي يعمل باليورانيوم الطبيعي والمُهدَّأ بالماء الثقيل، بالوقود أثناء التشغيل، ولكنه يستهلك عادةً معظم البلوتونيوم ^-239 الذي ينتجه في الموقع؛ وبالتالي، فهو ليس فقط أقل قدرة على الانتشار النووي من معظم المفاعلات، بل يمكن تشغيله أيضًا كمحرقة للأكتينيدات . ^{[ 11 ]} كما يمكن تشغيل المفاعل السريع المتكامل ( IFR ) الأمريكي في وضع الحرق، مما يمنحه بعض المزايا في عدم تراكم نظير البلوتونيوم-242 أو الأكتينيدات طويلة العمر ، والتي يصعب حرقها إلا في مفاعل سريع. يحتوي وقود مفاعل IFR على نسبة عالية من النظائر القابلة للاحتراق، بينما يتطلب مفاعل CANDU استخدام مادة خاملة لتخفيف تركيز الوقود؛ مما يعني أن مفاعل IFR يستطيع حرق نسبة أكبر من وقوده قبل الحاجة إلى إعادة معالجته. يُنتج معظم البلوتونيوم في مفاعلات الأبحاث أو مفاعلات إنتاج البلوتونيوم، والتي تُسمى مفاعلات التوليد لأنها تُنتج كمية من البلوتونيوم تفوق ما تستهلكه من وقود؛ من حيث المبدأ، تُحقق هذه المفاعلات كفاءة عالية للغاية في استخدام اليورانيوم الطبيعي. عمليًا، يُعدّ بناؤها وتشغيلها معقدًا لدرجة أنها تُستخدم عادةً لإنتاج البلوتونيوم فقط. وتكون مفاعلات التوليد عمومًا (ولكن ليس دائمًا) مفاعلات سريعة ، لأن النيوترونات السريعة أكثر كفاءة في إنتاج البلوتونيوم.

يُستخدم البلوتونيوم-239 في الأسلحة النووية أكثر من اليورانيوم-235، لسهولة الحصول عليه بكميات كافية لتحقيق التفاعل النووي الحرج. وتُعدّ عملية تخصيب اليورانيوم ، أي زيادة نسبة اليورانيوم ^-235 إلى اليورانيوم ^-238 للوصول إلى درجة التخصيب اللازمة لصنع الأسلحة، عمليةً أطول وأكثر تكلفةً من إنتاج البلوتونيوم-239 من اليورانيوم ^-238 والفصل الكيميائي اللاحق.

في أي مفاعل نووي عامل يحتوي على اليورانيوم ^-238 ، يتراكم بعض البلوتونيوم-239 في الوقود النووي. ^{[ 12 ]} على عكس المفاعلات المستخدمة لإنتاج البلوتونيوم المستخدم في الأسلحة، تعمل مفاعلات الطاقة النووية التجارية عادةً بمعدل احتراق عالٍ يسمح بتراكم كمية كبيرة من البلوتونيوم في وقود المفاعل المشع. يتواجد البلوتونيوم-239 في قلب المفاعل أثناء التشغيل، وفي الوقود النووي المستهلك الذي يُزال من المفاعل في نهاية عمر خدمة مجموعة الوقود (عادةً عدة سنوات). يحتوي الوقود النووي المستهلك عادةً على حوالي 0.8% من البلوتونيوم-239.

يستطيع البلوتونيوم-239 الموجود في وقود المفاعل امتصاص النيوترونات والانشطار النووي تمامًا كما يفعل اليورانيوم-235. ونظرًا لتكوّن البلوتونيوم-239 باستمرار في قلب المفاعل أثناء التشغيل، يُمكن استخدامه كوقود نووي في محطات الطاقة دون الحاجة إلى إعادة معالجة الوقود المستهلك؛ إذ ينشطر البلوتونيوم-239 في قضبان الوقود نفسها التي يُنتج فيها. ويُوفّر انشطار البلوتونيوم-239 أكثر من ثلث إجمالي الطاقة المُنتجة في محطة طاقة نووية تجارية نموذجية. ^{[ 13 ]} ولو لم يكن جزء من البلوتونيوم-239 يُحرق باستمرار عن طريق الانشطار، لتراكمت في وقود المفاعل نسبة أعلى بكثير من 0.8% خلال فترة خدمته.

يمكن إضافة نسبة ضئيلة من البلوتونيوم-239 عمدًا إلى الوقود النووي الجديد. يُطلق على هذا الوقود اسم وقود MOX (الوقود المختلط الأكسيدي) ، لاحتوائه على مزيج من ثاني أكسيد اليورانيوم (UO₂ ₎ وثاني أكسيد البلوتونيوم (PuO₂ ₎ . تُقلل إضافة البلوتونيوم-239 من الحاجة إلى تخصيب اليورانيوم في الوقود.

يُصدر البلوتونيوم-239 جسيمات ألفا ليتحول إلى يورانيوم-235. وباعتباره مصدرًا لانبعاث جسيمات ألفا، فإن البلوتونيوم-239 ليس خطيرًا بشكل خاص كمصدر إشعاع خارجي، ولكن استنشاقه على شكل غبار يُصبح شديد الخطورة ومُسرطنًا . تشير التقديرات إلى أن استنشاق رطل واحد (454 غرامًا) من البلوتونيوم على شكل جسيمات نانوية من أكسيد البلوتونيوم، بحجم يسمح لها بالدخول إلى الرئتين والبقاء فيهما، قد يُسبب السرطان لمليوني شخص. ^{[ 14 ]} ومع ذلك، يستند هذا التقدير إلى نموذج الجرعة الخطية بدون عتبة، والذي تعرض لانتقادات. ^{[ 15 ]}

يُعد البلوتونيوم المُتناول عن طريق الفم أقل خطورة بكثير، إذ لا يُمتص منه سوى جزء ضئيل جدًا من الجهاز الهضمي؛ ^{[ 16 ] [ 17 ]} ومن غير المرجح أن تُسبب جرعة 800  ملغ خطرًا صحيًا كبيرًا فيما يتعلق بالإشعاع. ^{[ 14 ]} وباعتباره معدنًا ثقيلًا ، فإن البلوتونيوم سام كيميائيًا أيضًا.

• نظائر البلوتونيوم

• قاعدة بيانات المواد الخطرة التابعة للمكتبة الوطنية للطب - البلوتونيوم، مادة مشعة
• جدول النظائر المشعة التي تحتوي على بيانات البلوتونيوم ^-239 على موقع كاي ولابي الإلكتروني
• نصف عمر البلوتونيوم-239 ( مؤرشف بتاريخ 15 أغسطس 2011 في أرشيف الإنترنت )