ระเบิด

Pu-239 เป็นวัสดุฟิสไซล์ที่สำคัญในอาวุธนิวเคลียร์ เพราะเกิดการแตกตัวของนิวเคลียสอะตอมได้ง่าย พลูโทเนียมทรงกลมในระเบิดที่ห่อหุ้มด้วยตัวกระตุ้นนั้นลดผลรวมความต้องการของพลูโทเนียมให้เข้าสู่มวลวิกฤตโดยการสะท้อนนิวตรอนที่ถูกปลดปล่อยออกมากลับเข้าไปสู่แกนพลูโทเนียม การกระทำนี้ช่วยลดความต้องการเข้าสู่ค่าวิกฤต จากที่ต้องใช้พลูโทเนียม 16 กก. เหลือเพียง 10 กก.ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 10 ซม.[54] ค่ามวลวิกฤตนี้มีค่าประมาณหนึ่งในสามของ U-235[6]

"แฟตแมน"-ระเบิดที่ใช้พลูโทเนียมที่สร้างขึ้นในระหว่างโครงการแมนฮัตตัน ใช้การระเบิดบีบอัดของพลูโทเนียมที่มีความหนาแน่นสูงร่วมกับต้นกำเนิดนิวตรอนตรงกลางเพื่อเริ่มปฏิกิริยาและเพิ่มประสิทธิภาพ ดังนั้นจึงเหลือพลูโทเนียมเพียง 6.2 กก.ที่ต้องการสำหรับระเบิดที่มีแรงระเบิดเท่ากับทีเอ็นที 20 กิโลตัน[47][55] มีสมมุติฐานที่ว่าสำหรับผู้เชี่ยวชาญ พลูโทเนียมเพียง 4 กก.ก็สามารถสร้างระเบิดนิวเคลียร์ได้หนึ่งลูก[55]

การใช้ประโยชน์จากกากเชื้อเพลิงนิวเคลียร์

PUREX เป็นกระบวนการที่นำกากเชื้อเพลิงนิวเคลียร์มาสกัดยูเรเนียมและพลูโทเนียมเพื่อให้กลายเป็นเชื้อเพลิงที่มีสารประกอบออกไซด์รวมอยู่ด้วย (MOX) สำหรับนำกลับมาใช้ใหม่ในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ พลูโทเนียมเกรดอาวุธสามารถนำไปเติมในเชื้อเพลิงผสมนั้นได้ เชื้อเพลิง MOX ที่ใช้ในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบน้ำมวลเบาประกอบไปด้วยพลูโทเนียม 60 กก.ต่อเชื้อเพลิงหนึ่งตัน หลังจากผ่านไป 4 ปี สามในสี่ส่วนของพลูโทเนียมจะเปลี่ยนกลายเป็นธาตุอื่นไป[27] เครื่องปฏิกรณ์ที่เพาะเชื้อเพลิงในตัวเองนั้นจะออกแบบเป็นพิเศษให้สามารถสร้างวัสดุฟิชชันได้มากกว่าที่ใช้ไป

เชื้อเพลิง MOX เริ่มมีการใช้ตั้งแต่ในช่วงปี ค.ศ. 1980 และใช้กันอย่างกว้างขวางทั่วยุโรป[56] ในเดือนกันยายน ปี ค.ศ. 2000 สหรัฐอเมริกาและสหพันธรัฐรัสเซียทำข้อตกลงว่าด้วยการบริหารจัดการพลูโทเนียม ซึ่งมีใจความหนึ่งว่าจะทำลายพลูโทเนียมเกรดอาวุธจำนวนทั้งสิ้น 34 ตัน[57] กระทรวงพลังงานสหรัฐอเมริกามีแผนที่จะกำจัดพลูโทเนียมเกรดอาวุธ 34 ตันในสหรัฐอเมริกาก่อนสิ้นปี ค.ศ. 2019 โดยเปลี่ยนไปเป็นเชื้อเพลิง MOX เพื่อใช้ในเครื่องกำเนิดไฟฟ้าพลังงานนิวเคลียร์ในเชิงพานิชย์[57]

การเพิ่มประสิทธิภาพของเชื้อเพลิงสามารถทำได้ในกระบวนการนำกลับมาใช้ใหม่ด้วยเช่นกัน ในกระบวนการจะมีการจำกัดของเสียออกจากแท่งเชื้อเพลิงหลังจากใช้งานมาสามปี ประมาณ 3% จากน้ำหนักทั้งหมดของแท่งเชื้อเพลิง[27] ไอโซโทปต่าง ๆ ของยูเรเนียมและพลูโทเนียมที่สร้างขึ้นในระหว่างการใช้งานในสามปีนั้นจะถูกกำจัดออกและแท่งเชื้อเพลิงจะกลับนำเข้าสู่กระบวนการผลิตใหม่[note 10] อย่างไรก็ตาม แกลเลียมประมาณ 1% ต่อน้ำหนักพลูโทเนียมเกรดอาวุธมีศักยภาพในการแทรกแซงในระยะยาวของเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบน้ำมวลเบา[58]

เมื่อเร็ว ๆ นี้มีการเสนอให้ใช้ 241Am เป็นตัวปรับโครงสร้างในแท่งเชื้อเพลิงพลูโทเนียมเพื่อทำให้ไม่สามารถนำแท่งเชื้อเพลิงนั้นไปผลิตเป็นอาวุธนิวเคลียร์ได้[59]

แหล่งพลังงานและความร้อน

ไอโซโทปพลูโทเนียม-238 (Pu-238) มีครึ่งชีวิต 87.5 ปี ซึ่งปลดปล่อยพลังงานความร้อนออกมาจำนวนมากในระดับต่ำ เป็นรังสีแกมมา/อนุภาคและรังสีนิวตรอนที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติ/อนุภาค[60] รังสีอนุภาคแอลฟาเป็นการรวมกันของการแผ่รังสีพลังงานสูงซึ่งมีการผ่านทะลุต่ำ และด้วยเหตุนั้นจึงป้องกันได้ง่าย เพียงแค่กำแพงกระดาษก็สามารถป้องกันการทะลุทะลวงของอนุภาคแอลฟาได้ โดย Pu-238 หนึ่งกิโลกรัมสามารถสร้างพลังงานความร้อนประมาณ 570 วัตต์[6][60]

ด้วยลักษณะพิเศษนี้ทำให้พลูโทเนียมเหมาะสมในการใช้สร้างอุปกรณ์กำเนิดพลังงานไฟฟ้าที่ไม่ต้องการการซ่อมบำรุงตลอดเวลาหนึ่งชั่วอายุคน ดังนั้นจึงมีการใช้พลูโทเนียมในเครื่องผลิตไฟฟ้าด้วยความร้อนจากไอโซโทปรังสีและหน่วยผลิตความร้อนด้วยไอโซโทปแผ่รังสี เช่นในยานแคสซีนี, โครงการวอยเอจเจอร์ และยานนิวฮอไรซันส์ เทคโนโลยีพลังงานแบบเดียวกันแรกสุดถูกใช้ในระบบ ALSEP และ EASEP รวมถึงการทดลองเรื่องแผ่นดินไหวในปฏิบัติการบนดวงจันทร์ของยานอะพอลโล 14[27]

พลูโทเนียม-238 เป็นแหล่งพลังงานของหัวใจเทียมเพซเมกเคอร์ (pacemaker:อุปกรณ์ไฟฟ้าที่ช่วยให้อัตราการเต้นของหัวใจสม่ำเสมอ) ที่ประสบความสำเร็จมาก เพราะช่วยลดความเสี่ยงต่อการผ่าตัดซ้ำๆเพื่อเปลี่ยนแหล่งพลังงาน[61][62] ก่อนจะถูกแทนที่ด้วยเซลล์ปฐมภูมิที่ใช้ลิเทียมเป็นพื้นฐาน แต่ใน ค.ศ. 2003 ยังมีเพซเมกเคอร์ 50 ถึง 100 ชิ้นที่ใช้พลูโทเนียมเป็นแหล่งพลังงาน ถูกฝังอยู่ในร่างกายผู้ป่วยที่ยังมีชีวิตอยู่[63] นอกจากนี้ยังมีการศึกษา Pu-238 เพื่อใช้ในการให้ความร้อนในการดำน้ำแบบสคูบา[64] พลูโทเนียม-238 ผสมกับเบริลเลียมถูกใช้ในการสร้างนิวตรอนเพื่อใช้ในงานวิจัย[27]