2024-05-14【天然铀】钚与核能（上）
2024-05-14【天然铀】钚与核能（上）
钚是一种人工放射性元素，原子序数为94，位于元素周期表第7周期ⅢB族，属于锕系元素。它最早在1940年由美国的化学家西博格等人发现，并因其独特的性质而被广泛应用于多个领域。
大多数核电站产生的能源中，超过三分之一来自钚。它是在反应堆中作为副产品产生的。从重新处理正常反应堆燃料中回收的钚被用作混合氧化物燃料（MOX）。钚是快中子反应堆的主要燃料，在任何反应堆中，它都是从非裂变性U-238中逐渐产生的，U-238占天然铀的99%以上。
钚自然存在，但除了微量外，现在在地壳中找不到它。我们生物圈中有几吨钚，这是1950年代和1960年代大气武器试验的遗留物。钚-238是深空任务的重要能源。
从实际角度来看，有两种不同类型的钚需要考虑：反应堆级钚和武器级钚。第一种是核反应堆中典型使用过的燃料在燃料被辐照（“燃烧”）约三年后回收的副产品。第二种是专门为军事目的而制造的，是从在钚生产反应堆中仅辐照2-3个月的铀燃料中回收的。这两种钚在同位素组成上有所不同，但都必须被视为潜在的扩散风险，并据此进行管理。
无论是常规在电力反应堆中制造的钚，还是来自拆解的核武器的钚，当它们被纳入核燃料循环时，都是宝贵的能源来源。在常规核反应堆中，一公斤的Pu-239可以产生足够的热量来产生近800万千瓦时的电力。
钚是在核反应堆中通过中子捕获从铀-238形成的。在运行过程中，一个典型的1000兆瓦电（MWe）的核反应堆在其铀燃料负载中包含数百公斤的钚。
标准UO2燃料中的反应
与其他所有重元素一样，钚有多种同位素，这些同位素在原子核中的中子数不同。所有15种钚同位素都是放射性的，因为它们在一定程度上不稳定，因此会衰变，在衰变过程中发射粒子和一些伽马辐射。
所有钚同位素都能用快中子裂变，但只有两个能用慢中子裂变。因此，在快中子反应堆（FNR）中，所有钚同位素都很重要，但在传统的轻水动力反应堆中，只有一种——Pu-239——起着主要作用。每次裂变产生的能量略超过200兆电子伏（MeV），即约82万亿焦耳/千克（TJ/kg）。
钚的主要同位素包括：
- Pu-238，（半衰期88年，通过α衰变到U-234，释放5.6 MeV能量）
- Pu-239，可裂变（半衰期24,000年，通过α衰变到U-235）
- Pu-240，可增殖（半衰期6,560年，通过α衰变到U-236）
- Pu-241，可裂变（半衰期14.4年，通过β衰变到Am-241）
- Pu-242，（半衰期374,000年，通过α衰变到U-238）
（元素周期表显示钚的原子质量为244，暗示Pu-244是最稳定的同位素，具有最长的半衰期——8200万年。它是自然界中唯一以微量存在的钚同位素，显然起源于地球形成时的宇宙成因。这与本文关系不大。它通过α衰变到U-240。）
在典型的核反应堆中形成的最常见的钚同位素是可裂变的Pu-239，它是由U-238通过中子捕获（随后是β衰变）形成的，当裂变时产生的能量与U-235的裂变能量大致相同。在反应堆堆芯中产生的钚超过一半是“就地燃烧”的，并负责轻水反应堆（LWR）总热量输出的约三分之一，以及如CANDU这样的加压重水反应堆（PHWR）中约60%的热量。在LWR中剩余的钚中，大约三分之一通过中子捕获变成Pu-240（和Pu-241）。在快中子反应堆中，这一比例要小得多。
从商业LWR动力反应堆中取出的乏燃料（燃烧度42 GWd/t）中大约1.15%的钚由约53%的Pu-239、25%的Pu-240、15%的Pu-241、5%的Pu-242和2%的Pu-238组成，后者是热量和放射性的主要来源。英国早期的Magnox反应堆（到1964年）用于生产军用钚，其燃烧度约为0.4 GWd/t。
钚-240是第二常见的同位素，大约三分之一的撞击中由钚-239通过中子捕获形成。由于它不像钚-239那样通过裂变产生能量，因此它在核燃料中的浓度会稳步增加。（在快中子反应堆中，钚-240是可裂变的，这意味着这样的反应堆可以比轻水反应堆更有效地利用回收的钚。）虽然钚-240的自发裂变与核反应堆内发生的裂变在数量级上有所不同，但其自发裂变率相对较高，并伴随中子发射。这使得反应堆级钚完全不适合用于制造炸弹（见下文“钚与武器”部分）。反应堆级钚定义为含有19%或更多钚-240的钚，也被称为“民用钚”。
钚-238、钚-240和钚-242在它们的原子核自发裂变时会发射中子，尽管速率较低。它们和钚-239也会衰变，发射α粒子和热量。
一个1000兆瓦电力的轻水反应堆每年会产生大约25吨的乏燃料，其中含有高达290千克的钚。如果从这些乏燃料中提取钚，它可以作为U-235的直接替代品用于常规燃料中，其中Pu-239是主要的可裂变部分，但Pu-241也有所贡献。为了回收和再利用这些钚，乏燃料会经过再处理，回收的钚氧化物与贫化铀氧化物混合制成混合氧化物（MOX）燃料，其中大约含有8%的Pu-239（这相当于富集到5% U-235的铀；参见混合氧化物（MOX）燃料页面）。
钚也可以用于快中子反应堆中，在快中子反应堆中，更高比例的Pu-239发生裂变，实际上所有的钚同位素都会裂变，因此它们都可以作为燃料。与铀一样，钚在快中子反应堆中的能量潜力得到了更充分的实现。目前正在开发的六种“第四代”反应堆设计中有四种是快中子反应堆，因此它们将以某种方式利用钚（参见第四代核反应堆页面）。在这些反应堆中，钚的生产将在堆芯中进行，堆芯中的燃耗很高，Pu-239以外的钚同位素的比例也将保持较高水平。
根据全球核能伙伴关系（GNEP）的发展，很有可能美国的一些军用钚将被用于快中子反应堆中。
在商业核电站和研究应用中，钚通常以钚氧化物（PuO2）的形式存在，这是一种稳定的陶瓷材料，在水中的溶解度极低，熔点高（2,390 ºC）。纯钚以六种同素异形体或晶体结构存在，这比任何其他元素都多。随着温度的变化，它会改变形式——每种形式都具有显著不同的机械和电气特性。其中一种形式的密度几乎是铅的两倍（19.8 g/cm³）。它在640°C时熔化成一种极具腐蚀性的液体。α相是坚硬且易碎的，类似于铸铁，如果细分，它会在空气中自发点燃形成PuO2。β、γ和δ相都不那么密集。与镓合金化后，钚的加工性会增强。
在美国，20世纪70年代初发展“钚经济”的目标在1976年的总统竞选中受挫，因此，直到2005年，回收和回收钚的燃料再处理一直被禁止，快中子反应堆的商业化也被中止。俄罗斯一直保持着对民用钚利用的积极政策。
除了在现代核反应堆中形成外，钚还在大约20亿年前在现在的西非加蓬奥克洛的铀矿床中自然发生的核反应堆中形成。
钚和镅
储存多年的民用钚会受到其衰变产物镅-241（Pu-241）的污染，这会干扰正常的燃料制造过程。在长时间储存后，必须在钚用于MOX燃料制造工厂之前去除Am-241，因为它会发出强烈的伽马辐射（在其衰变为镎-237的过程中）。
来自英国钚库存的镅-241将被欧洲航天局使用。根据英国国家核实验室（NNL）的数据，大约250千克的旧民用钚（原本含有约10-14%的Pu-241）将产生10千克的Am-241，具体取决于其年龄——Pu-241的半衰期为14年。欧洲航天局正在支付NNL的费用，以使用从旧民用钚中回收的非常纯净的Am-241来生产用于10瓦（电子）放射性同位素热电发生器（RTGs）的Am-241，因为这种同位素比Pu-238（现在很稀缺）便宜得多。钚的分离是通过在银催化过程中溶解二氧化钚，将钚与镅/银分离，将镅与银分离，然后回收银来完成的。NNL希望将Am-241成为英国的重要出口产品。
现在，让我们更深入地探讨一下钚的一些特性和应用。
钚是一种人工放射性元素，原子序数为94，位于元素周期表第7周期ⅢB族，属于锕系元素。它最早在1940年由美国的化学家西博格等人发现，并因其独特的性质而被广泛应用于多个领域。
首先，钚在核能工业中扮演着重要的角色。它是制造核燃料的关键成分之一，与铀混合使用可以显著提高核反应堆的能源输出和效率。此外，核反应堆中产生的钚也可以被回收再利用，进一步减少核废料的产生。
其次，钚也广泛应用于核武器技术中。其中，钚-239同位素是制造原子弹的重要材料之一。由于其高裂变截面积和良好的裂变损耗特性，钚在核武器技术中发挥着至关重要的作用。
除了核能和核武器技术外，钚还在其他领域有着广泛的应用。例如，钚与其他元素形成的合金被广泛应用于航空航天工业中，用于改善合金的强度和耐腐蚀性能。
然而，钚的高放射性和毒性也带来了一些挑战。虽然钚的半衰期很长，但其放射性水平在核反应堆关闭后仍会保持较高水平一段时间。此外，摄入钚的半数致死量虽然很高（约为0.5克），但如果不当处理，仍可能对环境和人类健康造成威胁。
因此，在利用钚的同时，我们也需要关注其安全性和环境影响。通过采用适当的处理和存储措施，可以最大程度地减少钚对环境的影响，并保障其安全使用。