Procés de fosfat de bismut

La Planta O de Hanford va ser el tercer depòsit de processament de plutoni construït en Hanford Site. Ya que les Plantes B i T podien elaborar suficient plutoni, es va convertir en una instalació de pràctiques.

El procés del fosfat de bismut, és un procés que es va utilisar para extraure plutoni de l'urani irradiado procedent de reactors nuclears. Va ser desenrollat durant la Segona Guerra Mundial per Stanley G. Thompson, un químic que treballava per al Proyecte Manhattan en l'Universitat de Califòrnia, Berkeley. Este procés es va amprar per a produir plutoni en Hanford Site. Este plutoni es va usar en la bomba atòmica que es va utilisar en el bombardege atòmic de Nagasaki en agost de 1945. El procés va ser substituït en la década de 1950 pels processos REDOX i PUREX.

Antecedents

Durant la Segona Guerra Mundial, el Proyecte Manhattan d'els Aliats va intentar desenrollar les primeres bombes atòmiques. Un dels métodos consistia en fabricar una bomba a partir de plutoni, que es va produir per primera volta per mig del bombardeig d'urani en deuterones en el ciclotrón de 60 polzades (150 cm) del Laboratori de Radiació de Berkeley en l'Universitat de Califòrnia, Berkeley. Va ser aïllat el 14 de decembre de 1940 i identificat químicament el 23 de febrer de 1941 per Glenn T. Seaborg, Edwin McMillan, Joseph W. Kennedy i Arthur Wahl. Es pensava que el plutoni-239 seria fisible com l'urani-235 i apte per a ser usat en una bomba atòmica.

El plutoni podia produir-se per mig de l'irradiació d'urani-238 en un reactor nuclear, encara que ningú havia construït encara un. No era este el problema dels químics del Proyecte Manhattan; el seu era desenrollar un procés a gran escala per a poder separar els productes de la fissió, alguns dels quals eren perillosament radiactius; l'urani, que la seua química es coneixia poc; i el plutoni, que la seua química no es coneixia casi res en absolut i que al principi només estava disponible en cantitats microscòpiques.

Es varen utilisar quatre métodos de separació. Seaborg va realisar la primera separació en èxit d'una cantitat apreciable de plutoni en agost de 1942, amprant un procés en fluorur de lantano. Isadore Perlman i William J. Knox, Jr. varen investigar la separació en peròxit perque la majoria dels elements formaven peròxit solubles en solucions neutres o àcides. Pronte varen descobrir que el plutoni era una excepció. Despuix de molts experiments, varen descobrir que podien precipitar-ho afegint peròxit d'hidrogen a una solució diluïda de nitrat d'urani. Varen conseguir que el procés funcionara, pero es varen obtindre tonellades de precipitat, mentres que en el procés de fluorur de lantano s'obtenien quilograms.

John E. Willard va intentar un método alternatiu, basat en el fet de que alguns silicat absorbien el plutoni més fàcilment que atres elements; este método va funcionar, pero en una eficàcia baixa. Theodore T. Magel i Daniel K. Koshland, Jr. varen investigar un procés d'extracció en dissolvents i Harrison Brown i Orville F. Hill varen experimentar en la separació per mig de reaccions de volatilitat, basant-se en cóm l'urani podia volatilizarse fàcilment per mig del flúor. Ells i atres químics del Laboratori de Radiació del Proyecte Manhattan de l'Universitat de Califòrnia, del Laboratori Metalúrgic de l'Universitat de Chicago i del Laboratori Ames de l'Universitat Estatal de Iowa, varen explorar la química del plutoni. Un dels descobriments crucials va ser que el plutoni tenia dos estats d'oxidació, un tetravalent (+4) i un atre hexavalente (+6), en propietats químiques diferents.

El procés de fluorur de lantano es va convertir en el método preferit per al seu us en les semifábricas de separació de plutoni del Proyecte Manhattan en Clinton Engineer Works i en les instalacions de producció del Hanford Site, pero els treballs posteriors en este procés varen mostrar les seues dificultats. Es necessitaven grans cantitats de fluorur d'hidrogen, que corroían els equips, i Charles M. Cooper, de DuPont, que s'encarregaria del disseny i la construcció de les instalacions, va escomençar a tindre problemes per a conseguir estabilisar el plutoni hexavalente en la solució de fluorur. Ademés, varen sorgir dificultats per a recuperar el precipitat per filtració o centrifugación.

Mentres els ingeniers químics treballaven en resoldre estos problemes, Seaborg va demanar a Stanley G. Thompson, un companyer de Berkeley, que estudiara la possibilitat d'un procés en fosfat. Se sabia que els fosfat de molts metals pesats eren insolubles en solucions àcides. Thompson va provar sense èxit els fosfat de tori, urani, ceri, niobi i zirconi. No esperava que el fosfat de bismut (BiPO₄) funcionara millor, pero quan ho va provar el 19 de decembre de 1942, es va sorprendre en descobrir que contenia el 98% del plutoni en solució. L'estructura cristalina del fosfat de bismut era similar a la del fosfat de plutoni, per lo que va passar a conéixer-se com el procés del fosfat de bismut. Cooper i Burris B. Cunningham varen ser capaços de reproduir els resultats de Thompson i el procés del fosfat de bismut es va adoptar com a alternativa en cas que el fluorur de lantano no funcionara. Els processos eren molt pareguts i l'equip usat per al fluorur de lantano podia adaptar-se al procés de fosfat de bismut de Thompson. En maig de 1943, els ingeniers de DuPont varen decidir adoptar el procés de fosfat de bismut per a utilisar-ho en la fàbrica semiacabada de Clinton i en el centre de producció de Hanford.

Procés

Erro al crear miniatura:

La Planta T va ser la primera planta de separació de plutoni. Va rebre el renom de «Queen Mary» per la seua semblança en el transatlàntic.

El procés del fosfat de bismut consistia en retirar el revestiment d'alumini dels lingots de combustible de l'urani irradiado. Ya que en el seu interior hi havia productes de fissió altament radiactius, calia fer-ho a distància, darrere d'una grossa barrera de formigó. Açò es va fer en els «canons» (edificis B i T) de Hanford. Els lingots s'abocaven en un disolutor, es cobrien en una solució de nitrat de sodi i es posaven a hervir, a lo que seguia una llenta incorporació d'hidròxit de sodi. Despuix de retirar els residus i llavar els lingots, es varen utilisar tres porcions d'àcit nítric per a dissoldre'ls.

El segon pas consistia en separar el plutoni de l'urani dels productes de fissió. S'afegia nitrat de bismut i àcit fosfórico, en lo que es produïa fosfat de bismut, que era precipitat duent en si el plutoni. Este procés era molt similar al del fluorur de lantano, en el que s'usava fluorur de lantano com a transportador. El precipitat es retirava de la solució en una centrifugador i el líquit s'abocava en forma de residu. L'eliminació dels productes de fissió reduïa la radiació gamma en un 90%. El precipitat formava una costra que contenia plutoni, la qual es colocava en un atre tanc i es dissolia en àcit nítric. S'afegia bismutato de sodi o permanganato de potassi para oxidar el plutoni. El plutoni era transportat pel fosfat de bismut en la seua fase tetravalent, pero no en la hexavalente. El fosfat de bismut es precipitava com un producte secundari, deixant el plutoni en dissolució.

Este pas es repetia en la tercera fase. El plutoni es reduïa de nou afegint sulfat d'amoni ferroso. Es va afegir nitrat de bismut i àcit fosfórico i es va precipitar el fosfat de bismut. Es va dissoldre en àcit nítric i es va precipitar el fosfat de bismut. En este pas es va conseguir reduir la radiació gamma en quatre voltes més, de modo que la solució de plutoni tenia ara 100.000 voltes menys radiació gamma que l'original. La solució de plutoni es va traslladar dels edificis 221 als 224 a través de canonades subterrànees. En el quart pas, es va afegir àcit fosfórico i es va precipitar el fosfat de bismut, que va ser eliminat; a continuació, es va afegir permanganato de potassi per a oxidar el plutoni.

En el pas «de creuament», es va amprar el procés del fluorur de lantano. Es varen afegir de nou sales de lantano i fluorur d'hidrogen i es va precipitar el fluorur de lantano, mentres que el plutoni hexavalente es va quedar en la dissolució. D'esta manera s'eliminaven lantànits com el ceri, l'estronci i el lantano, que el fosfat de bismut no podia eliminar. El plutoni es va reduir de nou en àcit oxálico i es va repetir el procés del fluorur de lantano. Esta volta es va afegir hidròxit de potassi para metatetizar la solució. El líquit es va eliminar en una centrifugador i el sòlit es va dissoldre en àcit nítric per a formar el nitrat de plutoni. Aplegats a este punt, un lot de 1200 litros s'hauria concentrat en 30 litros.

L'últim pas es va portar a terme en l'edifici 231-Z, a on es varen afegir peròxit d'hidrogen, sulfat i nitrat d'amoni a la solució i el plutoni hexavalente es va precipitar en forma de diòxit de plutoni. Este es dissolia en àcit nítric i s'introduïa en llandes de transport, que eren hervir en aire calent per a produir una pasta de nitrat de plutoni. Cada llanda pesava aproximadament 1 kg i es va enviar al Laboratori dels Àlbers. Els enviaments es varen fer en un camió que transportava vint llandes i la primera va aplegar als Àlbers el 2 de febrer de 1945. El plutoni es va utilisar en el disseny de la bomba Fat Man provada en l'ensaig nuclear Trinity el 16 de juliol de 1945, i en el bombardeig de Nagasaki el 9 d'agost de 1945.