Висмут фосфатный процесс - Bismuth phosphate process

Завод U в Хэнфорде был третьим каньоном для переработки плутония, построенным на Хэнфордском участке . Поскольку заводы B и T могли перерабатывать достаточно плутония, они превратились в учебный центр.

Процесс висмута-фосфат был использован для извлечения плутония из облученного урана , взятый из атомных реакторов . Он был разработан во время Второй мировой войны по Стэнли Г. Томпсон , химик , работающих на Манхэттенского проекта в Университете Калифорнии, Беркли . Этот процесс использовался для производства плутония на Хэнфордской площадке . Плутоний был использован в атомной бомбе, которая использовалась при атомной бомбардировке Нагасаки в августе 1945 года. В 1950-х годах этот процесс был заменен процессами REDOX и PUREX .

Фон

Во время Второй мировой войны в рамках Манхэттенского проекта союзников была предпринята попытка разработать первые атомные бомбы . Один из методов заключался в создании бомбы с использованием плутония , который впервые был произведен путем бомбардировки урана дейтронами в 60-дюймовом (150 см) циклотроне в Радиационной лаборатории Беркли в Калифорнийском университете в Беркли . Он был выделен 14 декабря 1940 г. и химически идентифицирован 23 февраля 1941 г. Гленном Т. Сиборгом , Эдвином Макмилланом , Джозефом В. Кеннеди и Артуром Валем . Считалось, что плутоний-239 будет делящимся, как уран-235, и пригоден для использования в атомной бомбе.

Плутоний можно было получить путем облучения урана-238 в ядерном реакторе , хотя его еще никто не построил. Это не было проблемой химиков Манхэттенского проекта; их задача заключалась в разработке крупномасштабного процесса разделения продуктов деления , некоторые из которых были опасно радиоактивными; уран, химия которого была малоизвестна; и плутоний, химический состав которого почти ничего не был известен и который сначала был доступен только в микроскопических количествах.

Было предложено четыре метода разделения. Сиборг выполнил первое успешное выделение взвешенного количества плутония в августе 1942 года, используя процесс с использованием фторида лантана . Исадор Перлман и Уильям Дж. Нокс-младший изучали разделение пероксидов, потому что большинство элементов образуют растворимые пероксиды в нейтральном или кислотном растворе. Вскоре они обнаружили, что плутоний был исключением. После долгих экспериментов они обнаружили, что могут осаждать его, добавляя перекись водорода в разбавленный раствор уранилнитрата . Затем они смогли запустить процесс, но в результате образовались тонны осадка, тогда как процесс с фторидом лантана дал бы килограммы.

Джон Э. Уиллард попробовал альтернативный подход, основанный на том факте, что некоторые силикаты поглощают плутоний легче, чем другие элементы; Было обнаружено, что это работает, но с низкой эффективностью. Теодор Т. Магель и Дэниел К. Кошланд-младший исследовали процессы экстракции растворителем, а Харрисон Браун и Орвилл Ф. Хилл экспериментировали с разделением, используя реакции летучести, основанные на том, как уран может легко улетучиваться фтором . Они и другие химики лаборатории радиационной Манхэттенского Проекта в Университете Калифорнии, металлургическая лаборатории в Университете Чикаго и Ames Laboratory в колледже штата Айова , исследовались плутониевую химию. Важным открытием было то, что плутоний имел два состояния окисления: четырехвалентное (+4) и шестивалентное (+6) состояние. с разными химическими свойствами.

Процесс фторида лантана стал предпочтительным методом для использования на полузаводах по разделению плутония Манхэттенского проекта на заводе Clinton Engineer Works и на производственных объектах на площадке в Хэнфорде, но дальнейшая работа с процессом выявила трудности. Требовалось большое количество фтороводорода , который разъедал оборудование, и Чарльз М. Купер из DuPont , который будет отвечать за проектирование и строительство объектов, начал испытывать проблемы со стабилизацией плутония в его шестивалентном состоянии в растворе фторида. Также были трудности с извлечением осадка фильтрацией или центрифугированием .

Пока инженеры-химики работали над этими проблемами, Сиборг попросил Стэнли Г. Томпсона , коллегу из Беркли, взглянуть на возможность фосфатного процесса. Было известно, что фосфаты многих тяжелых металлов нерастворимы в кислых растворах. Томпсон безуспешно пробовал фосфаты тория , урана, церия , ниобия и циркония . Он не ожидал, что фосфат висмута ( BiPO
4 ), чтобы работать лучше, но когда он попробовал это 19 декабря 1942 года, он с удивлением обнаружил, что 98 процентов плутония содержится в растворе. Фосфат висмута был похож по своей кристаллической структуре на фосфат плутония, и этот процесс стал известен как процесс фосфата висмута. Купер и Беррис Б. Каннингем смогли воспроизвести результаты Томпсона, и процесс фосфата висмута был принят в качестве запасного варианта на случай, если фторид лантана не сможет работать. Процессы были аналогичными, и оборудование, используемое для фторида лантана, могло быть адаптировано для использования с процессом фосфата висмута Томпсона. В мае 1943 года инженеры DuPont решили внедрить процесс фосфата висмута для использования на полузаводе Клинтона и производственной площадке в Хэнфорде.

Процесс

Завод Т был первым заводом по выделению плутония. Его прозвали «Королева Мэри» за сходство с океанским лайнером.

Процесс фосфата висмута включал извлечение облученных урановых топливных заготовок и удаление их алюминиевой оболочки. Поскольку внутри находились высокорадиоактивные продукты деления, это нужно было делать удаленно, за толстой бетонной преградой. Это было сделано в «Каньонах» (здания B и T) в Хэнфорде. Заготовки выливали в растворитель, покрывали раствором нитрата натрия и доводили до кипения с последующим медленным добавлением гидроксида натрия . После удаления отходов и промывки пробок для растворения пробок использовали три порции азотной кислоты .

Второй шаг заключался в отделении плутония от урана и продуктов деления. Добавляли нитрат висмута и фосфорную кислоту , получая фосфат висмута, который выпадал в осадок, неся с собой плутоний. Это было очень похоже на процесс с фторидом лантана, в котором фторид лантана использовался в качестве носителя. Осадок удаляли из раствора с помощью центрифуги, а жидкость сливали как отходы. Избавление от продуктов деления снизило гамма-излучение на 90 процентов. Осадок представлял собой плутонийсодержащую лепешку, которую помещали в другой резервуар и растворяли в азотной кислоте. Для окисления плутония добавляли висмутат натрия или перманганат калия . Плутоний будет переноситься фосфатом висмута в четырехвалентном состоянии, но не в шестивалентном состоянии. Фосфат висмута будет затем осаждаться как побочный продукт, оставляя плутоний в растворе.

Затем этот шаг был повторен на третьем шаге. Плутоний снова восстанавливали добавлением сульфата двухвалентного аммония . Добавляли нитрат висмута и фосфорную кислоту и осаждали фосфат висмута. Его растворяли в азотной кислоте и осаждали фосфат висмута. Этот шаг привел к уменьшению гамма-излучения еще на четыре порядка, так что плутонийсодержащий раствор теперь имел 100 000-ю от исходного гамма-излучения. Раствор плутония перемещался из 224 зданий в 221 здание по подземным трубам. На четвертой стадии добавляли фосфорную кислоту, и фосфат висмута осаждали и удаляли; Перманганат калия был добавлен для окисления плутония.

На стадии «кроссовера» использовался процесс с фторидом лантана. Снова добавляли соли лантана и фтористый водород, и фторид лантана выпадал в осадок, в то время как шестивалентный плутоний оставляли в растворе. Это удалило лантаноиды, такие как церий, стронций и лантан , чего не мог сделать фосфат висмута. Плутоний снова восстанавливали щавелевой кислотой и повторяли процесс с фторидом лантана. На этот раз добавляли гидроксид калия для превращения раствора. Жидкость удаляли с помощью центрифуги, а твердое вещество растворяли в азотной кислоте с образованием нитрата плутония. В этот момент отправленная партия объемом 330 галлонов США (1200 л) должна была быть сконцентрирована до 8 галлонов США (30 л).

Заключительный этап проводился в здании 231-Z, где к раствору добавляли перекись водорода, сульфаты и нитрат аммония, а шестивалентный плутоний осаждали в виде перекиси плутония . Его растворяли в азотной кислоте и помещали в транспортные емкости, которые кипятили на горячем воздухе для получения пасты из нитрата плутония. Каждая банка весила около 1 кг и была отправлена ​​в лабораторию Лос-Аламоса . Поставки осуществлялись в грузовике с двадцатью банками, и первый прибыл в Лос-Аламос 2 февраля 1945 года. Плутоний использовался в конструкции бомбы Толстяка, испытанной в ядерных испытаниях Тринити 16 июля 1945 года, и при бомбардировке Нагасаки 9 января. Август 1945 г.

Вывод из эксплуатации

В 1947 году в Хэнфорде начались эксперименты по новому процессу РЕДОКС, который оказался более эффективным. Строительство нового завода REDOX началось в 1949 году, а эксплуатация началась в январе 1952 года, завод B закрылся в том же году. Усовершенствования завода T привели к увеличению производительности на 30 процентов, а завод B. Были планы возобновить работу завода B, но новый завод PUREX, открывшийся в январе 1956 года, был настолько эффективным, что завод T был закрыт в марте 1956 года, а от планов возобновления работы завода B отказались. К 1960 году производство PUREX превзошло совокупное производство заводов B и T и завода REDOX.

Примечания

Рекомендации