Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Радиоизотоптық термоэлектр генераторларында қолданылатын плутоний изотопы
Isotope of plutonium used in radioisotope thermoelectric generators
Плутоний-238 (238Pu немесе Pu-238) – 87,7 жыл жартылай ыдырау периодына ие плутонийдің радиоактивті изотопы. Плутоний-238 өте қуатты альфа-эмиттер болып табылады; альфа бөлшектері оңай тоқтатылатындықтан, бұл плутоний-238 изотопын радиоизотоптық термоэлектр генераторларында (РТГ) және радиоизотоптық жылытқыш құрылғыларында пайдалануға ыңғайлы етеді. Плутоний-238-дің бөлме температурасындағы тығыздығы шамамен 19,8 г/см³. Бұл материал 238Pu-дың 1 граммынан 0,57 ватт қуат шығарады. Металл плутоний-238-дің сынаптық массасы дәл белгісіз, бірақ есептелген мәні 9,04 және 10,07 килограмм аралығында.
Plutonium 238 (238Pu or Pu 238) is a radioactive isotope of plutonium that has a half life of 87.7 years. Plutonium 238 is a very powerful alpha emitter; as alpha particles are easily blocked, this makes the plutonium 238 isotope suitable for usage in radioisotope thermoelectric generators (RTGs) and radioisotope heater units. The density of plutonium 238 at room temperature is about 19.8 g/cc. The material will generate about 0.57 watts per gram of 238Pu. The bare sphere critical mass of metallic plutonium 238 is not precisely known, but its calculated range is between 9.04 and 10.07 kilograms.
Манхэттен жобасы
Плутонийді алғаш рет 1940 жылы синтездеп, 1941 жылы Берклидегі Калифорния университетінің химиктері оқшаулады. Манхэттен жобасы ашылғаннан кейін көп ұзамай басталды, көптеген ерте зерттеулер (1944 жылға дейін) Берклидің Рэд зертханасы мен Сент-Луистегі Вашингтон университетінің үлкен циклотрондарын пайдалана отырып жасалған шағын үлгілерді пайдалана отырып жүргізілді. Плутонийді өндірістік көлемде өндіру 1945 жылы наурыз айында ғана Ханфорд полигонындағы В реакторының іске қосылуымен басталды. Плутоний зерттеушілерінен алынған мұрын сүртегіштерінде плутонийдің тыныспен ішке таралғаны анықталды. Манхэттен жобасының жетекші химигі, плутонийді қоса алғанда, көптеген трансуран элементтерін ашқан Гленн Сиборг, плутонийді зерттеу үшін қауіпсіздік бағдарламасын әзірлеуді ұсынды. Чикагодағы Металлургиялық зертханадағы Роберт Стоунға жазған хатында Сиборг "денедегі плутонийдің жолын анықтау бағдарламасын мүмкіндігінше тезірек, ең жоғары дәрежеде бастау қажет" деп жазды. Бұл хат 1944 жылдың 5 қаңтарында, Мастик жұмыс істеген D ғимаратында 1944 жылы болған көптеген ластану оқиғаларынан бұрын жазылған. Кейінірек Сиборг бұл хатта адамдармен тәжірибе жасауды мақсат етпегенін, сондай-ақ құпия ақпараттың жабық болуына байланысты адамдарда оны пайдаланғанын көп уақыттан кейін ғана білгенін мәлімдеді. Оның қолында жоғары радиоактивті плутоний-238 (Кроккер зертханасындағы 60 дюймдік циклотронда табиғи уранды дейтеронмен бомбалау арқылы өндірілген) болды.
Plutonium was first synthesized in 1940 and isolated in 1941 by chemists at the University of California, Berkeley. The Manhattan Project began shortly after the discovery, with most early research (pre 1944) carried out using small samples manufactured using the large cyclotrons at the Berkeley Rad Lab and Washington University in St. Louis. Industrial scale production of plutonium only began in March 1945 when the B Reactor at the Hanford Site began operation. Nose swipes taken of plutonium researchers indicated that plutonium was being breathed in. Lead Manhattan Project chemist Glenn Seaborg, discoverer of many transuranium elements including plutonium, urged that a safety program be developed for plutonium research. In a memo to Robert Stone at the Chicago Met Lab, Seaborg wrote "that a program to trace the course of plutonium in the body be initiated as soon as possible [with] the very highest priority." This memo was dated January 5, 1944, prior to many of the contamination events of 1944 in Building D where Mastick worked. Seaborg later claimed that he did not at all intend to imply human experimentation in this memo, nor did he learn of its use in humans until far later due to the compartmentalization of classified information. The fact that he had the highly radioactive plutonium 238 (produced in the 60 inch cyclotron at the Crocker Laboratory by deuteron bombardment of natural uranium)
Қару-жарақ жобасы 3 жыл ішінде жылына шамамен 1 кг 238Pu өндіруді талап етті. Алайда, 1961 жылдың ортасында Маундта басталған 2 жылдық күш-жігерге қарамастан, 238Pu компонентін техникалық талаптарға сәйкес өндіру мүмкін болмады. Күніне 3 смена, аптасына 6 күн жұмыс істеу арқылы ең көп күш салынды, ал Саванна-Ривердегі 238Pu өндірісі келесі үш жылда шамамен 20 кг/жылға дейін арттырылды. Техникалық талаптарды жеңілдету нәтижесінде өнімділік шамамен 3%-ға жетті және өндіріс 1964 жылы басталды.
The weapons project called for the production of about 1 kg/year of 238Pu over a 3 year period. However, the 238Pu component could not be produced to the specifications despite a 2 year effort beginning at Mound in mid 1961. A maximum effort was undertaken with 3 shifts a day, 6 days a week, and ramp up of Savannah River's 238Pu production over the next three years to about 20 kg/year. A loosening of the specifications resulted in productivity of about 3%, and production finally began in 1964.
Радиоизотопты термоэлектрлік генераторларда пайдалану
1957 жылдың 1 қаңтарынан бастап Mound Laboratories RTG ойлап тапқандар Жордан мен Берден Армияның Сигнал корпусымен жасалған келісімшарт (R 65 8 998 11 SC 03 91) бойынша, полионий-210 жылу көзі ретінде пайдаланыла отырып, жылуды электр энергиясына тікелей түрлендіруге жарамды радиоактивті материалдар мен термоэлементтерді зерттеумен айналысты. 1961 жылы капитан Р.Т. Карпентер алғашқы RTG (радиоизотопты термоэлектрлік генераторды) ғарышқа шақыру үшін қосымша қуат ретінде 238Pu-ны таңдады. 1963 жылдың 21 қаңтарына дейін НАСА бағдарламалары үшін үлкен RTG-лерді қамтамасыз ету үшін қандай изотоп қолданылатыны туралы шешім қабылданбады. 1964 жылдың басында Mound Laboratories ғалымдары қару компонентін жасаудың жаңа әдісін жасады, нәтижесінде өндіріс тиімділігі шамамен 98%-ға жетті. Бұл Саванна-Ривердегі 238Pu өндірісінің артық бөлігін Айға орналастырылған SNAP 27 RTG, Pioneer ғарыш кемесі, Viking Mars қондырғылары, Transit теңіздік навигациялық спутниктері (қазіргі GPS-тің алға басушысы) және екі Voyager ғарыш кемесінің қажеттіліктерін қанағаттандыру үшін уақытында қолдануға мүмкіндік берді. Барлық 238Pu жылу көздері Mound Laboratories-те жасалды. Радиоизотопты жылытқыштар ғарыш зерттеулерінде қолданылды, бастапқыда Apollo 11 миссиясымен Айға орналастырылған сейсмикалық экспериментті жылытқан Apollo радиоизотопты жылытқыштары (ALRH), содан кейін бірнеше Ай және Марс роверлері, ал 129 LWRHU Galileo ғарыш кемесіндегі эксперименттерді жылытты. 1964 жылдың соңында 238Pu жылу көзі отынын өндіру үшін арнайы металлургиялық ғимаратқа қосымша құрылыс аяқталды. 1969 жылы Transit отынын өндіру үшін зерттеу ғимаратында уақытша отын өндіру орнатылымы орнатылды. Қару компоненті жобасы аяқталғаннан кейін, 238Pu-ның үлкен көлемін өңдеуде туындаған қиындықтарға байланысты "Жылан тауы" деп аталған арнайы металлургиялық ғимарат 1968 жылдың 30 маусымында жұмысын тоқтатты, ал 238Pu операцияларын 238Pu-ның үлкен көлемін өңдеуге арналған және осы мақсатта салынған жаңа Плутоний өңдеу ғимараты қабылдады. Карл З. Морган және басқалар 1963 жылы бағалаған 256 радионуклидтің ішінде Плутоний-238 ең жоғары салыстырмалы қауіптілік көрсеткішіне (152) ие.
Beginning on January 1, 1957, Mound Laboratories RTG inventors Jordan & Birden were working on an Army Signal Corps contract (R 65 8 998 11 SC 03 91) to conduct research on radioactive materials and thermocouples suitable for the direct conversion of heat to electrical energy using polonium 210 as the heat source. In 1961, Capt. R. T. Carpenter had chosen 238Pu as the fuel for the first RTG (radioisotope thermoelectric generator) to be launched into space as auxiliary power for the Transit IV Navy navigational satellite. By January 21, 1963, the decision had yet to be made as to what isotope would be used to fuel the large RTGs for NASA programs. Early in 1964, Mound Laboratories scientists developed a different method of fabricating the weapon component that resulted in a production efficiency of around 98%. This made available the excess Savannah River 238Pu production for Space Electric Power use just in time to meet the needs of the SNAP 27 RTG on the Moon, the Pioneer spacecraft, the Viking Mars landers, more Transit Navy navigation satellites (precursor to today's GPS) and two Voyager spacecraft, for which all of the 238Pu heat sources were fabricated at Mound Laboratories. The radioisotope heater units were used in space exploration beginning with the Apollo Radioisotope Heaters (ALRH) warming the Seismic Experiment placed on the Moon by the Apollo 11 mission and on several Moon and Mars rovers, to the 129 LWRHUs warming the experiments on the Galileo spacecraft. An addition to the Special Metallurgical building weapon component production facility was completed at the end of 1964 for 238Pu heat source fuel fabrication. A temporary fuel production facility was also installed in the Research Building in 1969 for Transit fuel fabrication. With completion of the weapons component project, the Special Metallurgical Building, nicknamed "Snake Mountain" because of the difficulties encountered in handling large quantities of 238Pu, ceased operations on June 30, 1968, with 238Pu operations taken over by the new Plutonium Processing Building, especially designed and constructed for handling large quantities of 238Pu. Plutonium 238 is given the highest relative hazard number (152) of all 256 radionuclides evaluated by Karl Z. Morgan et al. in 1963.
Ядролық қуатты кардиостимуляторлар
Америка Құрама Штаттарында плутоний-238 әскери емес мақсаттар үшін қолданысқа кірген кезде, көптеген қолданыс түрлері ұсынылып, сынақтан өтті, соның ішінде 1 маусымда NUMEC компаниясымен бірлесіп басталған жүрек стимуляторы бағдарламасы. Осындай соңғы құрылғы 1988 жылы орнатылды, себебі литиймен жұмыс істейтін жүрек стимуляторларының қызмет ету мерзімі 10 жыл немесе одан да көп болды, бұл радиациялық қауіптер мен реттеу талаптарының жоқтығымен байланысты аталған құрылғыларды қолданудан шығарды. 2007 жылғы мәліметтер бойынша, Америка Құрама Штаттарында бастапқы 139 адамның ішінде ядролық энергиямен жұмыс істейтін жүрек стимуляторы бар 9 адам тірі қалды. Осы адамдар қайтыс болған кезде, жүрек стимуляторы алынып, плутонийді қайта өңдеу үшін Лос-Аламосқа жіберілуге тиіс. New England Journal of Medicine журналына жолданған хатта, 50 жыл бұрын Numec NU жүрек стимуляторын алған әйелдің осы күнге дейін үздіксіз жұмыс істеп келе жатқаны айтылды, ал бастапқы құны 5000 доллар болса, 2007 жылғы шамамен 23000 долларға тең. АҚШ бойынша шамамен 1600 ядролық жүрек стимуляторы және/немесе батарея жинақтары табылды, оларды Лос-Аламос Ұлттық зертханасының (LANL) Off Site Source Recovery Project (OSRP) тобы қайта өңдеуге құқылы.
In the United States, when plutonium 238 became available for non military uses, numerous applications were proposed and tested, including the cardiac pacemaker program that began on June 1, 1966, in conjunction with NUMEC. The last of these units was implanted in 1988, as lithium powered pacemakers, which had an expected lifespan of 10 or more years without the disadvantages of radiation concerns and regulatory hurdles, made these units obsolete. as of 2007, there were nine living people with nuclear powered pacemakers in the United States, out of an original 139 recipients. When these individuals die, the pacemaker is supposed to be removed and shipped to Los Alamos where the plutonium will be recovered. In a letter to the New England Journal of Medicine discussing a woman who received a Numec NU 5 decades ago that is continuously operating, despite an original $5,000 price tag equivalent to $23,000 in 2007 dollars, the follow up costs have been about $19,000 compared with $55,000 for a battery powered pacemaker. Approximately 1600 nuclear powered cardiac pacemakers and/or battery assemblies have been located across the United States, and are eligible for recovery by the Off Site Source Recovery Project (OSRP) Team at Los Alamos National Laboratory (LANL).
Өндіріс
Пайдаланылған ядролық отыннан алынған реакторлық сападағы плутонийде плутонийдің әртүрлі изотоптары бар. 238Pu тек бір немесе екі пайызды құрайды, бірақ ол басқа плутоний изотоптарына қарағанда қысқа жартылай ыдырау мерзіміне байланысты, қысқа мерзімді ыдырау жылуының көп бөлігіне жауапты болуы мүмкін. Реакторлық сападағы плутоний RTG үшін 238Pu өндіруге жарамсыз, себебі оны бөлу үшін күрделі изотоптық ажырату қажет. Таза плутоний 238 нептуний 237-нің нейтрондық сәулелендіруі арқылы дайындалады, ол пайдаланылған ядролық отынды қайта өңдеу кезінде алуға болатын шағын актинидтердің бірі, немесе реактордағы америцийді нейтрондық сәулелендіру арқылы. Мақсаттар химиялық түрде тазартылады, соның ішінде плутоний 238-ді алу үшін азот қышқылында ерітіледі. Үш жыл бойы сәулеленген 100 кг жеңіл су реакторының отынында бар болғаны 700 грамм (салмағының 0,7%) нептуний 237 бар, оны бөліп алып тазалау қажет. Торий отын циклында таза 238Pu-ның айтарлықтай мөлшерін өндіруге болады. АҚШ-та Энергетика департаментінің Ғарыш және қорғаныс энергетикалық жүйелері бастамасы 238Pu-ны өңдейді, оны сақтайды және ғарышты зерттеу және ұлттық қауіпсіздік ғарыш кемелері үшін радиоизотоптық қуат және жылу құрылғыларын әзірлейді, өндіреді, тасымалдайды және қауіпсіздігін қамтамасыз етеді. 2015 жылдың наурыз айына қарай, азаматтық ғарыш мақсатында қолдануға 238Pu-дың белгілі бір мөлшері қол жетімді болды. Осы қордың бір бөлігі НАСА-ның қуат беру талаптарына сай күйде қалды. 238Pu-дың бұл бөлігі 2020 жылғы Марс ровері миссиясы үшін көп миссиялық радиоизотопты термоэлектрлік генераторда (MMRTG) және 2024 жылғы НАСА миссиясы үшін екі қосымша MMRTG-де қолданылды. Одан кейін, НАСА талаптарына сәйкес келетін қор қалды. Материалдағы изотоптық құрамы сақтау кезінде радиоактивті ыдырауға ұшырағандықтан, бұл қорды жоғары изотоптық құрамы мен энергия тығыздығы бар, жаңа өндірілген 238Pu-дың аз мөлшерімен араластыру арқылы НАСА талаптарына сәйкес келтіруге болады.
Reactor grade plutonium from spent nuclear fuel contains various isotopes of plutonium. 238Pu makes up only one or two percent, but it may be responsible for much of the short term decay heat because of its short half life relative to other plutonium isotopes. Reactor grade plutonium is not useful for producing 238Pu for RTGs because difficult isotopic separation would be needed. Pure plutonium 238 is prepared by neutron irradiation of neptunium 237, one of the minor actinides that can be recovered from spent nuclear fuel during reprocessing, or by the neutron irradiation of americium in a reactor. The targets are purified chemically, including dissolution in nitric acid to extract the plutonium 238. A 100 kg sample of light water reactor fuel that has been irradiated for three years contains only about 700 grams (0.7% by weight) of neptunium 237, which must be extracted and purified. Significant amounts of pure 238Pu could also be produced in a thorium fuel cycle. In the US, the Department of Energy's Space and Defense Power Systems Initiative of the Office of Nuclear Energy processes 238Pu, maintains its storage, and develops, produces, transports and manages safety of radioisotope power and heating units for both space exploration and national security spacecraft. As of March 2015, a total of of 238Pu was available for civil space uses. Out of the inventory, remained in a condition meeting NASA specifications for power delivery. Some of this pool of 238Pu was used in a multi mission radioisotope thermoelectric generator (MMRTG) for the 2020 Mars Rover mission and two additional MMRTGs for a notional 2024 NASA mission. would remain after that, including approximately just barely meeting the NASA specification. Since isotope content in the material is lost over time to radioactive decay while in storage, this stock could be brought up to NASA specifications by blending it with a smaller amount of freshly produced 238Pu with a higher content of the isotope, and therefore energy density.
АҚШ-та өндіріс тоқтатылып, қайта басталады
АҚШ 1988 жылы Саванна-Ривер нысанындағы реакторларды жапқан кезде 238Pu-дың көп мөлшерін өндіруді тоқтатты. 1993 жылдан бері американдық ғарыш кемелерінде қолданылатын барлық 238Pu Ресейден сатып алынуда. Барлығы сатып алынды, бірақ Ресей енді 238Pu өндірмейді және олардың өзінің қорының азайып бара жатқаны хабарланды. 2013 жылдың ақпанында Оук-Ридждің жоғары ағынды изотоптық реакторында аз мөлшерде 238Pu сәтті өндірілді, ал 2015 жылдың 22 желтоқсанында олар 238Pu өндірісін жүзеге асырғанын хабарлады. 2017 жылдың наурызында Ontario Power Generation (OPG) және оның құрамындағы Canadian Nuclear Partners компаниясы NASA үшін екінші көз ретінде 238Pu өндіру жоспарларын жариялады. Нептуний-237 бар таяқшалар Вашингтон штатындағы Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) тарапынан жасалып, Канаданың Онтарио штатындағы Кларингтон қаласындағы OPG-нің Дарлингтон ядролық электр станциясына жіберіледі, онда олар реактордың активтік аймағында нейтрондармен сәулелендіріліп, 238Pu өндіріледі. 2019 жылдың қаңтарында Теннесси штатындағы Оук-Ридж ұлттық зертханасында өндірістің кейбір автоматтандырылған аспектілері іске қосылғаны хабарланды, бұл апта сайын өндірілетін плутоний гранулаларының санын үш есеге арттыруға мүмкіндік береді. Өндіріс жылдамдығы аптасына 80 грануладан аптасына 275 гранулаға дейін, яғни жылына шамамен 400 граммға дейін өсуі күтілуде. Олар бірден 210Po жылу көзін пайдаланатын жұмыс прототипін жасады және 1957 жылдың 1 қаңтарында Армияның Сигнал корпусымен (R 65 8 998 11 SC 03 91) келісімшарт жасасты, ол 210 полонийді жылу көзі ретінде пайдалана отырып, жылуды электр энергиясына тікелей түрлендіруге жарамды радиоактивті материалдар мен термоэлементтерді зерттеуге бағытталған. 1966 жылы SAE International ұйымы жариялаған зерттеуде 238 плутонийді ғарышқа арналған радиоизотоптық қуат жүйелерінде пайдалану мүмкіндігі қарастырылды. Бұл зерттеу Ранкин циклы, Брейтон циклы, термоэлектрлік және термоиондық түрлендіру арқылы қуатты түрлендіруге баса назар аударды. Плутоний-238 жылыту элементімен қамтамасыз етілген жылу 400 °C мен 1000 °C аралығында тұрақты болды, бірақ болашақ технологиялар 2000 °C жоғарғы шегіне жете алады, бұл қуат жүйелерінің тиімділігін одан әрі арттырады. Ранкин циклы бойынша зерттеуде турбинаның кіріс температурасы 1800 R болғанда 15-19% тиімділік көрсетілді, ал Брейтон циклы 2000 R температурасында 20% -дан жоғары тиімділік ұсынды. Термоэлектрлік түрлендіргіштер төмен тиімділік (3-5%) ұсынды, бірақ жоғары сенімділікке ие. Термоиондық түрлендіру, тиісті жағдайлар орындалған жағдайда, Брейтон циклымен салыстырылатын тиімділікке қол жеткізе алады. RTG технологиясы алғаш рет 1960 және 1970 жылдары Лос-Аламос ұлттық зертханасымен жүрек стимуляторына радиоизотоптық термоэлектрлік генератор қуатын беру үшін әзірленді. Medtronic компаниясы өндірген 250 плутонийлі жүрек стимуляторының жиырма екісі жиырма бес жылдан кейін де жұмыс істеп тұрды, мұндай нәтижеге батареямен жұмыс істейтін жүрек стимуляторы қол жеткізе алмады. Осы RTG қуат технологиясы Pioneer 10 және 11, Voyager 1 және 2, Cassini–Huygens және New Horizons сияқты ғарыш кемелерінде, сондай-ақ Марс ғылыми зертханасы және Марс 2020 табандылығы ровері сияқты басқа құрылғыларда ұзақ мерзімді ядролық қуат өндіру үшін қолданылды.
The United States stopped producing bulk 238Pu with the closure of the Savannah River Site reactors in 1988. Since 1993, all of the 238Pu used in American spacecraft has been purchased from Russia. In total, have been purchased, but Russia is no longer producing 238Pu, and their own supply is reportedly running low. In February 2013, a small amount of 238Pu was successfully produced by Oak Ridge's High Flux Isotope Reactor, and on December 22, 2015, they reported the production of of 238Pu. In March 2017, Ontario Power Generation (OPG) and its venture arm, Canadian Nuclear Partners, announced plans to produce 238Pu as a second source for NASA. Rods containing neptunium 237 will be fabricated by Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) in Washington State and shipped to OPG's Darlington Nuclear Generating Station in Clarington, Ontario, Canada where they will be irradiated with neutrons inside the reactor's core to produce 238Pu. In January 2019, it was reported that some automated aspects of its production were implemented at Oak Ridge National Laboratory in Tennessee, that are expected to triple the number of plutonium pellets produced each week. The production rate is now expected to increase from 80 pellets per week to about 275 pellets per week, for a total production of about 400 grams per year. They immediately produced a working prototype using a 210Po heat source, and on January 1, 1957, entered into an Army Signal Corps contract (R 65 8 998 11 SC 03 91) to conduct research on radioactive materials and thermocouples suitable for the direct conversion of heat to electrical energy using polonium 210 as the heat source. In 1966, a study reported by SAE International described the potential for the use of plutonium 238 in radioisotope power subsystems for applications in space. This study focused on employing power conversions through the Rankine cycle, Brayton cycle, thermoelectric conversion and thermionic conversion with plutonium 238 as the primary heating element. The heat supplied by the plutonium 238 heating element was consistent between the 400 °C and 1000 °C regime but future technology could reach an upper limit of 2000 °C, further increasing the efficiency of the power systems. The Rankine cycle study reported an efficiency between 15 and 19% with inlet turbine temperatures of 1800 R, whereas the Brayton cycle offered efficiency greater than 20% with an inlet temperature of 2000 R. Thermoelectric converters offered low efficiency (3 5%) but high reliability. Thermionic conversion could provide similar efficiencies to the Brayton cycle if proper conditions reached. RTG technology was first developed by Los Alamos National Laboratory during the 1960s and 1970s to provide radioisotope thermoelectric generator power for cardiac pacemakers. Of the 250 plutonium powered pacemakers Medtronic manufactured, twenty two were still in service more than twenty five years later, a feat that no battery powered pacemaker could achieve. This same RTG power technology has been used in spacecraft such as Pioneer 10 and 11, Voyager 1 and 2, Cassini–Huygens and New Horizons, and in other devices, such as the Mars Science Laboratory and Mars 2020 Perseverance Rover, for long term nuclear power generation.