plutonium i kjernekraftverk

Plutonium er et grunnstoff som bare i svært små mengder forekommer i naturen. Likevel bidrar plutonium med en betydelig andel av energien som produseres i en kjernereaktor. Plutonium blir nemlig dannet under driften av kjernereaktoren som et biprodukt. Dette representerer et sikkerhetsproblem da stoffet både er svært giftig og kan brukes i kjernevåpen.

I en ordinær termisk reaktor består kjernebrenselet av uran (urandioksid), fordelt på uranisotopene ²³⁵U og ²³⁸U. Når en kjernereaktor er i drift, fisjoneres ²³⁵U, og det dannes fisjonsprodukter. Samtidig blir noen av de frigjorte nøytronene fanget inn av den fertile isotopen ²³⁸U som gjennom en etterfølgende transmutasjon danner plutonium (²³⁹Pu ). Plutonium (²³⁹Pu ) er også fissilt med den følge at en stor del av det plutoniumet om dannes «brennes opp» (fisjoneres) og dermed bidrar til rundt ⅓ av produsert varme i reaktoren. Siden reaktoren ikke er i stand til å brenne opp alt fissilt materiale, vil det være rester av både ubrukt uran og plutonium i det gjenværende brukte kjernebrenselet (se figur).

Som andre tunge grunnstoffer kan plutonium opptre i mange isotoper som skiller seg fra hverandre i antall nøytroner i atomkjernen. Alle isotopene er radioaktive da de er ustabile og tilbøyelige til radioaktivt henfall (se desintegrasjon), men bare to av dem er fissile (med langsomme nøytroner).

Den mest vanlige isotopen som dannes i en kjernereaktor er ²³⁹Pu. Den nest viktigste isotopen er ²⁴⁰Pu som dannes når ²³⁹Pu fanger inn en nøytron. Andelen ²⁴⁰Pu i plutoniumet øker suksessivt siden den ikke gjennomgår noen fisjon, mens ²³⁹Pu brennes opp. Innslaget av isotopen ²⁴⁰Pu er kritisk for å avgjøre om plutoniumet er egnet som våpenmateriale. ²⁴⁰Pu er karakterisert som et fertilt stoff med en tilbøyelighet til å gjennomgå en spontan fisjon med påfølgende utsending av nøytroner. Dessuten har isotopen en kort halveringstid og avgir dermed mye varme. Et høyt innhold av denne isotopen vil dermed gjøre det brukte brenselet uegnet til bombeformål. Forsøk på å redusere andelen ²⁴⁰Pu ved å skille ut isotopen fra ²³⁹Pu anses ikke som praktisk gjennomførbart.

For at plutoniumet skal graderes til å ha våpenkvalitet må innholdet av ²⁴⁰Pu være mindre enn 8 prosent. Dette krever at reaktoren kjøres med en svært lav brenselutnyttelse, det vil si at prosessen avbrytes før andelen ²⁴⁰Pu får tid til å bygge seg opp. I en ordinær lettvannsreaktor som har nådd en brenselutnyttelse på 42 GWd/t, vil cirka 53 prosent være ²³⁹Pu, 25 prosent ²⁴⁰Pu og resten fordelt på andre isotoper. Plutonium som dannes i normal drift med en høy grad av brenselutnyttelse blir dermed uegnet for bombeformål.

For å lage plutonium egnet til våpenbruk er det vanlig å benytte naturlig uran og begrense brenselutnyttelsen til 0,1 GWd/t før brenslet skiftes ut. Det kreves nærmere 10 kilogram (kg) med nesten rent ²³⁹Pu for å lage en plutoniumbombe. For å oppnå dette kvantumet må driften av en reaktor utgjøre cirka 30 megawattår med hyppig utskifting av brenselet og gjenvinning av det brukte brenselet.

Driften av en 1000 MW _e lettvannsreaktor vil avstedkomme cirka 25 tonn med brukt brensel per år. Av dette vil opptil 290 kilogram (1,15 prosent) være plutonium – egnet for drift av reaktorer, men ikke for produksjon av bomber. Hvis plutoniumet trekkes ut av det brukte brenselet, kan det brukes på nytt ved å blande det inn i et nytt kjernebrensel som kalles MOX (reprosessering). Plutonium kan også brukes i en hurtigreaktor der alle plutoniumisotopene vil bli fisjonert og slik fungere som brensel. I en hurtigreaktorer blir plutoniumet dermed mer effektivt utnyttet enn i en lettvannsreaktor.