Процес на бизмут-фосфат

Процес на бизмут-фосфат бил користен за екстракција на плутониум од озрачен ураниум земен од нуклеарен реактор. Развиен е за време на Втората светска војна од Стенли Г. Томпсон, хемичар кој работи за Проектот Менхетен на Универзитетот во Калифорнија, Беркли. Овој процес бил користен за производство на плутониум на Локацијата Ханфорд. Плутониумот бил користен во атомската бомба што била употребена во атомското бомбардирање на Нагасаки во август 1945 година. Процесот бил заменет во 1950-тите со процесите РЕДОКС и ПУРЕКС.^[1]

За време на Втората светска војна, плутониумот бил користен за да се направи и првата атомска бомба што некогаш била детонирана (во близина на Аламогордо, Ново Мексико) и атомската бомба што била фрлена врз Нагасаки во Јапонија. Плутониумот бил изолиран и хемиски идентификуван дури во 1941 година, па затоа малку се знаело за него, но се сметало дека плутониум-239, како и ураниум-235, би бил погоден за употреба во атомска бомба.

Плутониумот може да се произведе со озрачување на ураниум-238 во нуклеарен реактор, но развојот и изградбата на реактор била задача за физичарите од Проектот Менхетен. Задачата на хемичарите била да развијат процес за одвојување на плутониумот од другите производи на фисија произведени во реакторот, за да го сторат тоа на индустриско ниво во време кога плутониумот можел да се произведува само во микроскопски количини, и да го сторат тоа додека работат со опасно радиоактивни хемикалии како ураниум - за чија хемија малку се знаело - и плутониум, за чија хемија речиси ништо не се знаело.

Хемичарите истражувале различни методи за одвојување на плутониумот од другите производи што излегувале од реакторот:

• Глен Сиборг, еден од хемичарите кои први го изолирале и хемиски идентификувале плутониумот, користел лантан флуорид за да го изврши првото успешно одвојување на мерлива количина на плутониум во август 1942 година. Овој „процес на лантан флуорид“ станал претпочитан метод за употреба во Проектот Менхетен одвојување на плутониум полупроизвод во Клинтон Инженерски Работи и производствените погони во Локацијата Ханфорд, но процесот на бизмут фосфат на крајот бил усвоен наместо тоа бидејќи понатамошната работа открила различни тешкотии со Процес на лантан флуорид:
  • Обновувањето на талогот преку филтрација или центрифугирање било тешко.
  • Процесот на лантан флуорид барал големи квантили на водород флуорид, што ја кородирало опремата.
  • Имало проблеми со стабилизирањето на плутониумот во неговата хексавалентна состојба во растворот на флуорид (откриен од Чарлс М. Купер, кој бил одговорен за дизајнот и изградбата на објектите).
• Исадор Перлман и Вилијам Џ. Нокс Џуниор го истражувале „одвојувањето на пероксид“ бидејќи повеќето елементи формираат растворливи пероксиди во неутрален или кисел раствор. Наскоро откриле дека плутониумот е исклучок. По доста експериментирање, тие откриле дека можат да таложат плутониум со додавање на водород пероксид во разреден раствор од уранил нитрат. Потоа успеале да го започнат процесот, но тој произвел тони талог, за разлика од процесот со лантан флуорид кој произвел само килограми.
• Џон Е. Вилард се обидел со алтернативен пристап, врз основа на фактот дека некои силикати го апсорбирале плутониумот полесно од другите елементи. Овој метод функционирал, но со ниска ефикасност.
• Теодор Т. Магел и Даниел К. Кошланд Џуниор истражувале „процеси на екстракција со растворувач“.
• Харисон Браун и Орвил Ф. Хил експериментирале со сепарација користејќи реакции на испарливост, врз основа на тоа како ураниумот може лесно да се испарува од флуор.^[2]

Додека хемиските инженери работеле на овие проблеми, Сиборг го замолил Стенли Г. Томпсон, колега од Беркли, да ја разгледа можноста за „фосфатен процес“, бидејќи било познато дека фосфатите на многу тешки метали се нерастворливи во киселински раствори.

Томпсон пробал со фосфати од ториум, ураниум, цериум, ниобиум и циркониум без успех. Тој не очекувал бизмут фосфатот да работи подобро, но кога го пробал на 18 декември 1942 година, бил изненаден кога открил дека содржи 98 проценти од плутониумот во растворот. Кристалната структура на бизмут фосфатот е слична на онаа на плутониум фосфатот, и ова станало познато како процес на бизмут фосфат.

Купер и Бурис Б. Канингем биле во можност да ги реплицираат резултатите на Томпсон, а процесот на бизмут фосфат првично бил усвоен како резервна опција во случај процесот на лантан флуорид да не може да функционира. Процесите биле слични и опремата што се користела за лантан флуорид можела да се прилагоди за употреба со процесот на бизмут фосфат на Томпсон. Во мај 1943 година, инженерите на ДуПонт одлучиле да го усвојат процесот на бизмут фосфат за употреба во Клинтон и производствената локација Ханфорд.

Додека Браун, Хил и други хемичари ја истражувале хемијата на плутониумот, тие го направиле клучното откритие дека плутониумот има две оксидациски состојби, тетравалентна (+4) состојба и хексавалентна (+6) состојба, кои имаат различни хемиски својства што би можеле да се искористат. (Оваа работа била извршена во Лабораторијата за зрачење на Проектот Менхетен на Универзитетот во Калифорнија, Металуршката лабораторија на Универзитетот во Чикаго и Лабораторијата Ејмс на Државниот колеџ во Ајова.)

Процесот на бизмут фосфат вклучувал земање на озрачените ураниумски горивни грутки и отстранување на нивната алуминиумска обвивка. Бидејќи внатре имало високо радиоактивни производи од фисија, ова морало да се направи од далечина зад дебела бетонска бариера.Овој процес бил изведен во „Кањоните“ (згради Б и Т) во Ханфорд. Густите грутки биле фрлени во растворувач, покриени со раствор од натриум нитрат и доведени до вриење, по што следело бавно додавање на натриум хидроксид. По отстранувањето на отпадот и миењето на густите грутки, три порции азотна киселина биле употребени за растворање на густите грутки.

Вториот чекор бил да се одвои плутониумот од ураниумот и производите од фисија. Биле додадени бизмут нитрат и фосфорна киселина, со што се произведувало бизмут фосфат, кој бил таложен носејќи го плутониумот со себе. Ова бил многу слично на процесот со лантан флуорид, во кој лантан флуорид бил користен како носач.Талогот бил отстранет од растворот со центрифуга, а течноста била исфрлена како отпад. Отстранувањето на продуктите од фисијата го намалило гама зрачењето за 90 проценти. Талогот бил торта што содржела плутониум, која била ставена во друг резервоар и растворена во азотна киселина. Натриум бизмут или калиум перманганат бил додаден за да се оксидира плутониумот. Плутониумот би бил носен од бизмут фосфатот во тетравалентна состојба, но не и во хексавалентна состојба. Бизмут фосфатот потоа би се таложил како нуспроизвод, оставајќи го плутониумот во раствор.

Овој чекор потоа бил повторен во третиот чекор. Плутониумот повторно бил редуциран со додавање феро амониум сулфат. Бизмут нитрат и фосфорна киселина биле додадени и бизмут фосфат се таложел. Бил растворен во азотна киселина и бизмут фосфатот бил таложен. Овој чекор резултирал со намалување на гама зрачењето за уште четири реда на големина, така што растворот што содржи плутониум сега имал 100.000-ти дел од оригиналното гама зрачење. Растворот од плутониум бил пренесен од 221 зграда во 224 згради, преку подземни цевки. Во четвртиот чекор, била додадена фосфорна киселина и бизмут фосфатот се таложело и отстранувало; бил додаден калиум перманганат за да се оксидира плутониумот.

Во чекорот на „вкрстување“, бил користен процесот на лантан флуорид. Повторно биле додадени лантан соли и водород флуорид и се таложело лантан флуорид, додека хексавалентниот плутониум бил оставен во растворот. Ова ги отстранило лантанидите како цериум, стронциум и лантан, што бизмут фосфатот не можел. Плутониумот повторно бил редуциран со оксална киселина и процесот на лантан флуорид бил повторен. Овој пат калиум хидроксид бил додаден во метатезирање растворот. Течноста била отстранета со центрифуга и цврстата материја била растворена во азотна киселина за да се формира плутониум нитрат. Во овој момент, испратената серија од 1200 л би била концентрирана во 30 л.

Последниот чекор бил спроведен во зградата 231-Z, каде што водород пероксид, сулфати и амониум нитрат биле додадени во растворот и шествалентниот плутониум бил таложен како плутониум пероксид. Ова било растворено во азотна киселина и ставено во контејнери за испорака, кои биле зовриени на топол воздух за да се произведе паста од плутониум нитрат. Секоја конзерва тежела околу 1 кг. и била испратена до Лабораторијата Лос Аламос. Пратките биле направени во камион што носел дваесет конзерви, а првата пристигнала во Лос Аламос на 2 февруари 1945 година. Плутониумот бил користен во дизајнот на бомбата Дебелиот човек тестирана во нуклеарниот тест Тринити на 16 јули 1945 година и во бомбардирањето на Нагасаки на 9 август 1945 година.

Во 1947 година, во Ханфорд започнале експерименти за нов РЕДОКС процес со употреба на метил изобутил кетон (со кодно име хексон) како екстракт, кој бил поефикасен. Изградбата на нова постројка започнала во 1949 година, а работата започнала во јануари 1952 година, при што постројката Б се затворила истата година. Подобрувањата на постројката Т резултирало со зголемување на продуктивноста за 30 проценти, а биле направени и подобрувања на постројката Б. Имало планови за реактивирање на фабриката Б, но новата фабрика ПУРЕКС што се отворила во јануари 1956 година била толку ефикасна што фабриката Т била затворена во март 1956 година, а плановите за реактивирање на фабриката Б биле напуштени. До 1960 година, производството на фабриката PUREX го надминала комбинираното производство на фабриките Б и Т и фабриката РЕДОКС.^[3]