ЧАСТИНА 2. Об’єднані енергосистеми та енергоутворення

 До певного часу ядерними снарядами для перетворення елементів служили заряджені частинки – α-частинки і протони. Після відкриття нейтрона і встановлення будови атомних ядер стало зрозуміло, що нейтрони можуть проникати в ядро атома значно легше, бо вони не мають заряду, а маса їх зосереджена у значно меншому об’ємі, ніж у протона. Поглинання нейтронів речовиною відбувається при співударі нейтронів з ядрами атомів матеріалу поглинача, тому воно дуже мале і однакове у всіх напрямках.

У тому ж 1932 році Н. Фезер, бомбардуючи азот випромінюванням берилій-полонієвого джерела, виявив з допомогою камери Вільсона розщеплення ядра азоту. Йому вдалось розрізнити два різних процеси розщеплення: один супроводжувався захопленням бомбардуючого нейтрона, інший проходив без захоплення.

У цьому ж році Ліза Мейтнер і К. Філіпп домоглись розщеплення нейтронами ядра атому кисню.

Нейтрони виявились особливо ефективним засобом для розщеплення атомів. «Велика ефективність в одержанні ядерних реакцій, – говорить Чедвік у своїй Нобелівській лекції у 1935 р., – легко пояснюється. При зіткненні зарядженої частинки з ядром атому імовірність її проникнення в ядро обмежена кулонівською силою взаємодії частинки з ядром, що визначає мінімальну відстань, на яку може наблизитись частинка і яка зростає зі збільшенням атомного номеру ядра і швидко стає такою великою, що імовірність проникнення частинки в ядро виявляється дуже малою. У випадку співудару нейтрона з ядром обмеження такого типу не існує. Сила взаємодії нейтрона з ядром дуже мала, лише на дуже малих відстанях вона починає швидко зростати і має характер притягання. Замість потенціального бар’єру, як у випадку заряджених частинок, нейтрон зустрічає «потенціальну яму». Через це нейтрони навіть дуже малої енергії можуть проникати в ядро».

Ліза Мейтнер (1878–1968) – відомий австрійський фізик. ЇЇ роль в процесі становлення ядерної фізики як самостійної галузі науки важко переоцінити. Після закінчення Віденського університету (1906 р.) з 1907 року вона розпочала свою наукову діяльність в лабораторії Отто Гана в Берліні як запрошений дослідник. У 1912–1915 рр. Л. Мейтнер працювала в Інституті теоретичної фізики Берлінського університету, а у 1917–1933 рр. керувала фізичним відділом Інституту кайзера Вільгельма в Берліні, одночасно займаючись викладацькою діяльністю в Берлінському університеті (з 1926 р. – на посаді професора). Після приходу до влади нацистів Мейтнер емігрувала в Данію, а у 1938 році переїхала у Швецію і з цього року розпочалась її робота у Нобелівському інституті в Стокгольмі. У 1947 р. стала професором Вищої технічної школи в Стокгольмі. Дослідження радіоактивності та одержання радіоактивних хімічних елементів зробилися справою життя Л. Мейтнер. У 1939 році (спільно з О. Фрішем) теоретично пояснила досліди О. Гана і Ф. Штрассмана. Спостережуване явище Мейтнер пояснила як новий тип розщеплення атома – поділ ядра урану на два осколки, ввівши тим самим термін «поділ» в ядерну фізику, і передбачила існування ланцюгової ядерної реакції поділу.

 

Енріко Фермі (1901–1954) – видатний італійський фізик, який займався теоретичною та експериментальною фізикою, астрономією, атомною фізикою, лауреат Нобелівської премії. Після закінчення у 1922 року Пізанського університету навчався у Німеччині та Нідерландах. У 1926–1938 рр. – професор Римського університету, після еміграції у 1938 р. з фашистської Італії у 1939–1945 рр. – професор Колумбійського університету, керував дослідницькими роботами у США в галузі використання ядерної енергії, а з 1946 року – професор Чиказького університету. «Якщо можна говорити про покликання, то, без сумніву, Фермі ... народжений фізиком», – писав про нього відомий вчений Б. Понтекорво.

Відкриття нейтрона привело до сучасних уявлень про будову атомного ядра із протонів і нейтронів. Цю гіпотезу запропонував Д.Д. Іваненко, а В. Гейзенберг створив теорію сталості атомного ядра і закони радіоактивного розпаду. Після прийняття цієї теорії будови ядра відразу визначилась кількість нейтронів і протонів в ядрі: кількість нейтронів приблизно дорівнює кількості протонів; виняток становлять ядра важких елементів, в яких надлишкова кількість нейтронів. Проблему ядерних сил, що забезпечують сталість таких ядер, не розв’язано до цього часу. У березні 1934 р. невдовзі після публікацій Ірен і Фредеріка Жоліо-Кюрі щодо штучної радіоактивності Енріко Фермі у Римі вирішив провести аналогічні експерименти, використовуючи нейтрони як бомбардуючі частинки і застосовуючи для цього берилійполонієве джерело.

Методика експериментів, які проводив Е. Фермі, була простою. Джерело нейтронів у вигляді циліндричної ампули, що містила порошок берилію і еманацію радію, розміщувалось всередині циліндричних зразків із досліджуваних речовин. Після опромінення протягом деякого часу зразок переносився до лічильника Гейгера–Мюллера, що реєстрував випромінювання. Таким способом було вивчено взаємодію нейтронів з фтором, алюмінієм, кремнієм, фосфором, хлором, залізом, кобальтом, сріблом, йодом: всі ці елементи активувались.

Результати цих досліджень та їх інтерпретація були викладені у листі в журнал «Ricerca scientifica» від 25 березня 1934 року, опублікованому під назвою «Радіоактивність, наведена нейтронним бомбардуванням».

Для подальшого розвитку досліджень Е. Фермі залучає молодих вчених Е. Амальді, Е. Сегре, О. Д’Агостіно, Ф. Розетті, Б. Понтекорво. Інтенсивному опроміненню нейтронами було піддано 63 елементи, для 37 з них надійно встановлено явище штучної радіоактивності. У процесі цих досліджень було виявлено, що розміщення зразку з джерелом всередині парафінового блоку збільшує швидкість активації зразків іноді у 100 разів. Це явище стало несподіванкою для всіх. Незабаром Е. Фермі встановив, що речовина, яка містить водень, набагато сильніше уповільнює нейтрони, ніж інші речовини, які його не містять. Це пояснювалось тим, що маси нейтрона і протона практично однакові й при кожному співударі їх кінетична енергія перерозподіляється майже порівну: Фермі легко довів, що нейтрон з енергією 1 МеВ після 20 співударів з атомами водню втрачає свою енергію майже до рівня, який відповідний тепловому збудженню. Звідси випливає, що, проходячи шар речовини, збагаченої воднем, нейтрони швидко втрачають свою енергію, перетворюючись у повільні нейтрони, швидкість яких визначається тепловим збудженням, тобто температурою уповільнювача.

До грудня 1934 р. дослідження уповільнення нейтронів різними речовинами були завершені. Вони показали, що уповільнення нейтронів впливає на процес їх радіаційного захоплення. Одночасно був виявлений ефект непружного зіткнення нейтронів з атомними ядрами. Ефект уповільнення нейтронів речовинами, що містять водень (парафін, вода і т.ін.), був запатентований у 1935 році.

У зв’язку з цим група Фермі приступила до систематичного вивчення поглинання і дифузії нейтронів різних енергетичних груп. Виявилось, що нейтрони, які сильно поглинаються кадмієм (тобто теплові нейтрони), за своїми властивостями різко відрізняються від нейтронів, що проходять через фільтр з кадмію: їх альбедо (коефіцієнт відбивання) дорівнювало 0,83 і було зовсім незначним для інших нейтронів. Довжина дифузії цих нейтронів у парафіні складала 3 см, для нейтронів інших енергій вона була у 6 разів меншою. Довжина дифузії нейтронів виводилась із дифузійного рівняння з врахуванням витоку нейтронів з уповільнювача. Було встановлено, що нейтрони високих енергій при уповільнюванні трансформуються у теплові нейтрони, котрі мають, як з’ясувалося з допомогою селектора швидкостей, максвелівський розподіл. Ця робота була здійснена у 1935 році Хальбаном і Прайсверком (США).

Опромінення елементів повільними нейтронами перевищило всі сподівання: майже у всіх випадках утворювались радіоактивні ізотопи. Як довели експерименти, найбільший ефект виникає при певній енергії нейтронів, відмінній для різних речовин. Нільс Бор пояснив це явище наявністю резонансу в цій області енергій нейтронів.

У 1935 році були опубліковані результати експериментів Б’єрга і Весткотта, а також Муна і Тілмана, які свідчили, що поглинання повільних нейтронів різними елементами відбувається неоднаково і залежить від їх природи. Існуюча тоді теорія захоплення нейтронів атомними ядрами не пояснювала цього факту, вважаючи переріз (імовірність) поглинання обернено пропорційним швидкості нейтрону. Передбачалось, що ця енергетична залежність справедлива у широкому діапазоні енергій, включаючи і повільні нейтрони. Кроком вперед у розв’язанні цієї проблеми була публікація статей Брейта і Вігнера у журналі «Physical Review» і Бора у журналі «Nature» у 1936 р. Автори першої статті припустили, що нейтрон, проникнувши в атомне ядро, може віддати частину своєї енергії одному із ядерних компонентів і привести ядро у збуджений метастабільний стан, середній час життя якого достатній для створення малої ширини енергетичного рівня. Вони одержали формулу перерізу радіаційного захоплення, справедливу, коли нейтрон захоплюється одним єдиним резонансним рівнем. Ця формула називається однорівневою формулою Брейта–Вігнера.

Бор розвинув нову концепцію ядерних процесів, згідно з якою всякий ядерний процес проходить через два незалежних етапи: утворення збудженого проміжного ядра внаслідок захоплення нейтрона і розпаду проміжного ядра із випромінюванням частинок або фотонів.

Одержаних результатів було цілком достатньо, щоб приступити до систематичної класифікації ядерних реакцій, які викликаються нейтронами. Було встановлено, що всі елементи незалежно від їх атомної маси можуть бути активовані нейтронами. Одержаний у результаті ядерної реакції елемент іноді виявляється ізотопом опромінюваного ядра-мішені, в інших випадках його атомний номер на одну чи дві одиниці менший. З цієї точки зору було виявлено помітну різницю у поведінці легких і важких елементів: атомний номер радіоактивних продуктів легких елементів зазвичай менший атомного номера ядра-мішені, а радіоактивні продукти важких елементів завжди виявляються ізотопами опромінюваних нейтронами ядер. Взагалі результати, одержані при дослідженні легких елементів, можна пояснити протіканням реакцій (n, p) і (n, α), за яких заряд ядра-мішені зменшується відповідно на одну чи дві одиниці через виліт протону чи α-частинки. У цих процесах вилітаючій частинці доводиться долати електростатичний потенціальний бар’єр, а він тим вищий, чим важче залишкове ядро. Це міркування, справедливе для будь-якої бомбардуючої частинки, пояснює, чому подружжя Жоліо-Кюрі могло спостерігати штучну радіоактивність лише у легких атомних ядер. Пояснення ядерних реакцій, в яких атомний номер одержаних елементів залишається попереднім, наштовхнулось на труднощі, розв’язання котрих вимагало деякого часу.

Продовжуючи експерименти з елементами зростаючого атомного номеру в першій половині 1934 року, в групі Фермі опромінили нейтронами уран.

Очікуючи одержати наступні за ураном елементи в періодичній системі (трансуранові елементи), Фермі несподівано виявив чотирьох носіїв радіоактивного випромінювання з періодами напіврозпаду 10 с, 40 с, 13 хв. та 90 хв. Припускаючи, що відбувається наступна низка перетворень

Фермі вважав виділеними елементи 93 (аузовій, Ao) і 94 (гасперій, Hs). Метод ідентифікації цих елементів в експериментах Фермі не витримував критики. З діоксидом марганцю шляхом адсорбції могли виділятись багато інших елементів. Можливість поділу ядра урану при його опроміненні нейтронами, яка припускалась німецьким хіміком Ідою Ноддак у 1934 р. в опублікованій нею статті у «Журналі прикладної хімії», вчені групи Фермі чомусь не сприйняли і в майбутньому не могли зрозуміти чому.

Вважаючи гіпотезу Фермі правильною, О. Ган, Л. Мейтнер і Ф. Штрассман у Німеччині повторили експерименти з опромінення урану нейтронами у 1935–1936 рр. Вважаючи елементи 93 і 94 аналогами елементів VII і VIII груп періодичної системи, вони представили наступну можливу схему перетворень:

де Eka Ir, Eka Pt, Eka Au – екаелементи (іридій, платина, золото).

Ця схема підтверджувалась деякими результатами, але однозначний результат не був одержаний.

Е. Фермі, який одержав при опроміненні урану, а пізніше і торію нейтронами складну суміш радіоактивних продуктів, що зазнавали безліч послідовних β−-розпадів, інтерпретував отримані результати, керуючись раніше встановленим правилом опису таких перетворень: випромінювання ядром атома β−-частинки (тобто електрону) утворює елемент наступного номеру в періодичній системі, що вказувало на існування цілого ряду нових елементів, розміщених в періодичній системі за останнім із відомих елементів – ураном. Фермі назвав ці елементи трансурановими:

 трансуранові елементи.

У 1938 р. Ірен Жоліо-Кюрі та П. Савич помітили, що в урані, опроміненому нейтронами за методом Фермі, присутній елемент, схожий з лантаном. Ці досліди були повторені в тому ж році О. Ганом і Ф. Штрассманом у Німеччині. Вони підтвердили результати французьких колег і встановили, що новий помічений елемент дійсно має властивості лантану – елемента 57 третьої групи періодичної системи. Але цей елемент не міг бути одержаний за запропонованою Фермі схемою перетворень. Більш істинною, як тоді здавалось, була можливість одержати елемент актиній (89), ближче розміщений до урану. Але одержаний лантан за своїми властивостями відрізнявся від актинію – елементу із тієї ж групи періодичної системи. У процесі експериментів О. Ган виявив ще один продукт реакції, прийнятий за ізотоп радію (88), який явно відрізнявся від радію, але не відрізнявся від барію (56), що належав до тієї ж ІІ групи періодичної системи. Були спроби пояснити можливість появи актинію і радію при опроміненні урану нейтронами наступним ступінчатим α-розпадом продукта цієї реакції ізотопу урану-239:

 

Проте співробітник О. Гана фон Дросте не виявив випромінювання α-частинок. Викликала сумнів і здатність повільних нейтронів відщеплювати від ядра урану дві α-частинки. Нільс Бор, поставлений до відому О. Ганом, також сумнівався у такій можливості і, за його словами, скоріше визнав би утворення трансуранів і паризького лантану. З великими труднощами і поступово Ган та Штрассман уточнювали і розширювали уявлення про наслідки опромінення урану нейтронами, виявляючи радіохімічними та фізичними методами виникнення одного β−-випромінювача за другим. Дослідження ускладнювались трьома обставинами: 1) невідомим виглядом первинної ядерної реакції нейтрона з ядром урану, атомна маса якого завжди вважалась рівною 238; 2) численністю β−-випромінювачів – продуктів цієї реакції; 3) невизначеністю міркувань щодо хімічних властивостей трансуранових елементів. Відкритим залишалось принципове питання, чи продовжують трансуранові елементи останній ряд періодичної системи: радій (88), актиній (89), торій (90), протактиній (91), уран (92), трансуран 93 розміщується під ренієм, трансурани 94, 95 і 96 – відповідно під осмієм, іридієм і платиною; з елементу 97 розпочинається новий ряд періодичної системи, як із золота, срібла та інших, чи у злагоді зі старою гіпотезою Бора вже з актинію розпочинається друге сімейство «рідкісних земель» – актинідів, за типом лантанідів, які важко хімічно розділити.

Виникло питання, як же одержуються з урану ізотопи елементів, маси атомів яких майже вдвічі менші маси атомів урану? У листі до О. Гана від 3 січня 1939 р. Л. Мейтнер пише: «Тепер я майже впевнена, що Ви дійсно відкрили розпад в барій, і вважаю це дійсно прекрасним результатом, з яким щиро вітаю тебе і Штрассмана». Ліза Мейтнер і Отто Фріш виступили в англійському журналі «Nature» зі спільною заміткою, в якій розщеплення урану назвали «fission» (поділ), і це пізніше стало загальноприйнятим. У листі, написаному німецькою мовою, воно визначалось як «поділ ядра на два приблизно однакових осколки, причому кожний містить більшу чи меншу кількість нейтронів». Відмітимо, що це пояснення мало відношення до продуктів реакції, які включались у схему у вигляді радію, актинію і торію. Що ж стосується трансуранів, то питання щодо них і далі залишалось відкритим. 10 січня 1939 р. О. Ган звертається в листі до О. Фріша: «Трансурани, судячи з усього, можуть залишатися на своїх місцях!.. Потрібні дещо більш швидкі нейтрони, щоб зруйнувати ядро торію».

14 січня Л. Мейтнер відповіла О. Гану: «Те, що і в ряду торію – радію є барій, варто було й чекати». Пізніше у замітці в журнал «Nature» вона пише: «Відщеплення однієї чи декількох α-частинок від урану під дією нейтрона енергетично неможливе, тоді як розпад на два легких ядра через глибокий спад у кривій дефекту мас в області від Z=40 до Z=60 енергетично можливий і може бути зрозумілий з точки зору крапельної моделі ядра»; енергія осколків при цьому має досягати 200 МеВ (Z – атомний номер, тобто порядковий номер елементу в періодичній системі).

Це наслідок того, що дефект маси атома урану істотно менший, ніж дефект маси атомів середньої частини періодичної системи. Якщо, таким чином, подібний перехід відбувається, то різниця дефектів мас проявляється у вигляді ядерної енергії.

Отто Ган і Фріц Штрассман. Фото 1967 р.

Як можливі пари поділу, порядкові номери яких у сумі дають 92, в замітці Л. Мейтнер і О. Фріша припускались барій (56) і криптон (36), а також стронцій (38) і ксенон (54). Повідомлялось також про успішний дослід О. Фріша щодо вивчення атомів віддачі при поділі. У цьому досліді вибуховий характер поділу атома урану випливав із того, що два продукти поділу розлітались у протилежні сторони з дуже великою швидкістю, як було встановлено за величиною іонізації повітря, що відбувалась, в умовах, коли всі іонізуючі заряджені частинки меншої швидкості, які створюють при іонізації менш ніж 500000 іонів, прискорювались за допомогою зовнішнього поля.

Подальші дослідження довели, що серед осколків поділу зустрічається добра половина елементів періодичної системи (мал. 16.2).

Відразу ж після перших публікацій О. Гана і Ф. Штрассмана про поділ ядра урану нейтронами досліди з розщепленням ядер були повторені та продовжені у багатьох інститутах світу. Майже всюди існували більш сильні джерела нейтронів, ніж в Інституті радіохімії О. Гана. У зв’язку з деякими публікаціями виникли гарячі дискусії щодо пріоритету, однак вони швидко розв’язувались.

Суттєвим моментом відкриття Гана і Штрассмана було розщеплення урану повільними нейтронами.

Три факти сьогодні не викликають заперечень: 1) ніхто до О. Гана та Ф. Штрассмана не брав до уваги таку своєрідну ядерну реакцію, як поділ ядер; 2) О. Ган та Ф. Штрассман дали остаточний доказ поділу своїми радіохімічними методами; 3) О. Ган та Ф. Штрассман запропонували перше фізичне пояснення і дали експериментальний доказ вибухового ядерного процесу, пов’язаного із вивільненням великої кількості енергії. Дуже велике значення мав остаточний доказ вперше поміченого Ганом, Штрассманом та іншими того факту, що процеси поділу стимулюються уповільненими вільними нейтронами (чверть року пізніше групою Жоліо-Кюрі).

Як вже зазначалось раніше, радіоактивні речовини, утворювані при опроміненні урану повільними нейтронами, приписувались спочатку трансурановим елементам. Насправді, як встановили пізніше, ці речовини були продуктами реакції поділу урану. І, не дивлячись на те, що елементи з атомним номером, більшим 92, були присутні у продуктах реакції, їх не вдавалось ідентифікувати до тих пір, поки ситуація не стала яснішою після відкриття реакції поділу ядер урану. Серед різних носіїв радіоактивності у продуктах взаємодії урану з нейтронами спостерігалась активність з періодом напіврозпаду 23 хв. Цю активність неможливо було відділити від початкового урану, і у 1936 р. Ган, Мейтнер і Штрассман приписали її ізотопу урана – урану-239, який утворюється в реакції радіаційного захоплення повільних нейтронів (n,γ):

Випромінивши β-частинку (електрон), уран-239 мав утворити елемент 93:

але виявити це не вдавалося.

На початку 1939 р. Е. Макміллан при експериментальній перевірці процесу поділу  урану виявив у продуктах взаємодії повільних нейтронів з оксидом урану активності з періодами напіврозпаду 23 хв. і 2,3 дні. Активність з періодом напіврозпаду 2,3 дні за хімічними властивостями відповідала рідкісноземельним елементам, що було встановлено при добавленні рідкісноземельного елементу в розчин продуктів реакції як носія і наступному осадженні: осад забирав із собою цю активність.

Мал. 16.2. Крива виходу продуктів поділу урану 235 під дією повільних нейтронів

Спочатку припускали, що ця активність належить рідкісноземельному ізотопу, але пізніше було доведено, що це не так. У 1940 р. при подальших дослідженнях Е. Макміллан і Ф. Абельсон показали, що радіоактивний продукт із періодом напіврозпаду 2,3 дні утворюється при β-розпаді урану-239, оскільки швидкість його утворення точно відповідала періоду напіврозпаду урану-239 (тобто 23 хв.). Отже, період напіврозпаду 2,3 дні належить елементу з номером 93 і має масове число 239:

Наприкінці 1934 р. відомий фізико-хімік Іда Ноддак виступила у «Журналі прикладної хімії» із загальною тезою: «Припустимо, що при бомбардуванні важких ядер нейтронами ці ядра розпадаються на декілька великих осколків, які є ізотопами відомих елементів, хоч і не сусідніх з опроміненими». Це пророцтво Ноддак тоді здавалося не вартим уваги: воно ігнорувало той факт, що у всіх без винятку відомих випадках перетворення ядер приводило до утворення ядер атомів сусідніх елементів. Л. Мейтнер у той час відмовилась обговорювати гіпотезу Іди Ноддак. У цієї гіпотези не було фізичної основи, тоді як проти утворення трансуранів у той період не свідчив ні один факт і ні одне теоретичне міркування. Сама Іда Ноддак не обстоювала свою гіпотезу, але заявила про свій пріоритет, як тільки Ган і Штрассман здійснили розщеплення урану. Однак Іда Ноддак припускала, що важкі ядра розпадаються при обстрілі швидкими нейтронами, оскільки нейтрони із берилій-полонієвого джерела мали енергію у декілька МеВ і такими були всі нейтронні джерела того часу. (Уповільнення нейтронів Фермі розпочав вивчати у 1935–1936 рр.).

Відкритий таким чином перший трансурановий елемент був пізніше названий нептунієм (Np). У зв’язку з тим, що відкритий елемент виявився короткоживучим (2,3 дні), вивчення його хімічних властивостей було утрудненим. Тому складно було визначити місцеположення нептунія в періодичній системі. Якщо дотримуватись послідовності елементів актиній, торій, протактиній і уран, властивості яких відповідають їх гомологам (ітрій, гафній, тантал і вольфрам), то нептуній за своїми властивостями має відповідати ренію. Але дослідження Макміллана і Абельсона цього не підтвердили.

При вивченні нептунію-239 Макміллан і Абельсон не виявили ніякої іншої активності, не дивлячись на те, що β-розпад нептунію-239 мав привести до утворення елемента під номером 94. Вони вирішили, що дочірній елемент²³⁹94 є α-випромінювачем з великим періодом напіврозпаду (що відповідає низькій активності), що і підтвердилось пізніше.

Першим ізотопом елементу під номером  94, який вдалося надійно ідентифікувати, був ізотоп з масовим числом 238, оскільки він мав значно менший період напіврозпаду і, відповідно, більш високу активність. Цей ізотоп був одержаний у 1940 р. Сіборгом, Макмілланом, Кеннеді та Уолом на циклотроні в Берклі (США) при опроміненні оксиду урана дейтронами:

Вони виявили, що в опроміненому зразку присутня активність, яка була виділена із суміші урану і нептунію хімічним шляхом, приписана елементу з номером 94 і названа плутонієм. Отже, плутоній-238 з періодом напіврозпаду 90 років утворюється внаслідок β-розпаду нептунію-238:

З цим зразком, використовуючи метод ізотопних індикаторів, протягом 1941 року був розроблений метод відділення плутонію від урану та нептунію, а також визначено багато його хімічних властивостей.

Найбільш важливий ізотоп, який ділиться, – плутоній-239 – був одержаний Сіборгом, Кеннеді, Сегре і Уолом у березні 1941 р. як продукт розпаду нептунію-239:

Як і очікувалось, плутоній-239 був α-випромінювачем з періодом напіврозпаду 24400 років. Виявилось, що ізотоп плутоній 239 здатний ділитись під дією повільних нейтронів, тому подальше його вивчення набуло особливого інтересу. Було прийняте рішення щодо виробництва плутонію у великих кількостях в ядерних реакторах за схемою:

У 1942 р. в США був підготовлений план досліджень, в завдання яких входило дати відповідь на питання: чи можливо виділити у великих кількостях плутоній в реакторі, що містить звичайний уран і уповільнювач? У зв’язку з цим, використовуючи мікрокількості плутонію, були розроблені чотири різних методи промислового видалення плутонію із продуктів поділу урану.