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ビスマスリン酸塩法は、原子炉から取り出した照射済みウランからプルトニウムを抽出するために 使用されました。[ 1 ] [ 2 ]この方法は、第二次世界大戦中にカリフォルニア大学バークレー校でマンハッタン計画に従事していた化学者スタンリー・G・トンプソンによって開発されました。この方法は、ハンフォード・サイトでプルトニウムを製造するために使用されました。プルトニウムは、 1945年8月の長崎への原爆投下で使用された原子爆弾に使用されました。この方法は、1950年代にREDOX法とPUREX法に取って代わられました。
第二次世界大戦中、プルトニウムは、史上初めて爆発した原子爆弾（ニューメキシコ州アラモゴルド近郊）と、日本の長崎に投下された原子爆弾の両方の製造に使用されました。プルトニウムは1941年に分離され、化学的に同定されたばかりだったので、その性質についてはほとんど知られていませんでしたが、プルトニウム239はウラン235と同様に原子爆弾の使用に適していると考えられていました。[ 3 ]
プルトニウムは原子炉でウラン238を照射することによって生成できるが[ 4 ]、原子炉の開発と建設はマンハッタン計画の物理学者の仕事だった。化学者の仕事は、原子炉で生成される他の核分裂生成物からプルトニウムを分離するプロセスを開発し、プルトニウムが微量しか生成できなかった時代にそれを工業規模で行い[ 5 ] 、ウラン（その化学的性質はほとんど知られていなかった）やプルトニウム（その化学的性質はほとんど知られていなかった）のような危険な放射性化学物質を扱いながらそれを行うことだった。
化学者たちは、原子炉から発生する他の生成物からプルトニウムを分離するための様々な方法を模索した。
化学技術者たちがこれらの問題に取り組んでいる間、シーボーグはバークレーの同僚であるスタンリー・G・トンプソンに、リン酸塩処理の可能性について検討するよう依頼した。なぜなら、多くの重金属のリン酸塩は酸性溶液に不溶性であることが知られていたからである。
トンプソンはトリウム、ウラン、セリウム、ニオブ、ジルコニウムのリン酸塩を試したが、いずれも成功しなかった。彼はリン酸ビスマス（BiPO₄）が4 ) それ以上の効果は期待できなかったが、1942年12月18日に試したところ、溶液中にプルトニウムの98パーセントが含まれていることに驚いた。 [ 9 ]リン酸ビスマスの結晶構造はリン酸プルトニウムの結晶構造と類似しており、これはリン酸ビスマス法として知られるようになった。 [ 10 ] [ 11 ]
クーパーとバリス・B・カニンガムはトンプソンの結果を再現することができ、リン酸ビスマス法は当初、フッ化ランタン法がうまくいかない場合の代替手段として採用された。これらのプロセスは類似しており、フッ化ランタンに使用されていた装置はトンプソンのリン酸ビスマス法にも適用できた。[ 9 ] 1943年5月、デュポンの技術者たちはクリントン半製品工場とハンフォード生産拠点でリン酸ビスマス法を採用することを決定した。[ 7 ]
ブラウン、ヒル、その他の化学者たちがプルトニウムの化学を研究する中で、[ 12 ]プルトニウムには4価（+4）状態と6価（+6）状態の2つの酸化状態があり、それぞれ異なる化学的性質を持ち、それを利用できるという重要な発見をした。[ 13 ]（この研究は、カリフォルニア大学のマンハッタン計画放射線研究所、シカゴ大学の冶金研究所、アイオワ州立大学のエイムズ研究所で行われた。）
リン酸ビスマス法では、照射済みのウラン燃料スラグからアルミニウム被覆を取り除く作業が行われた。内部には高放射性の核分裂生成物が含まれているため、この作業は厚いコンクリートの障壁の後ろで遠隔操作で行う必要があった。[ 14 ]これはハンフォードの「キャニオン」（B棟とT棟）で行われた。スラグは溶解器に入れられ、硝酸ナトリウム溶液で覆われ、沸騰させられた後、水酸化ナトリウムがゆっくりと加えられた。廃棄物を除去してスラグを洗浄した後、硝酸を3回使用してスラグを溶解した。[ 15 ] [ 16 ]
2 番目のステップは、プルトニウムをウランと核分裂生成物から分離することでした。硝酸ビスマスとリン酸が加えられ、リン酸ビスマスが生成され、プルトニウムとともに沈殿しました。これは、ランタンフッ化物をキャリアとして使用するランタンフッ化物プロセスと非常によく似ています。[ 17 ]沈殿物は遠心分離機で溶液から取り除かれ、液体は廃棄物として排出されました。核分裂生成物を取り除くことで、ガンマ線が90 パーセント減少しました。沈殿物はプルトニウムを含むケーキであり、別のタンクに入れられ、硝酸に溶解されました。プルトニウムを酸化するために、ビスマス酸ナトリウムまたは過マンガン酸カリウムが加えられました。 [ 15 ]プルトニウムは、リン酸ビスマスによって 4 価の状態では運ばれますが、6 価の状態では運ばれません。[ 17 ]ビスマスリン酸塩は副産物として沈殿し、プルトニウムは溶液中に残る。[ 15 ]
この手順は第 3 段階で繰り返された。硫酸第一鉄アンモニウムを加えることでプルトニウムが再び還元された。硝酸ビスマスとリン酸が加えられ、リン酸ビスマスが沈殿した。硝酸に溶解し、リン酸ビスマスが沈殿した。この手順によりガンマ線がさらに 4 桁減少したため、プルトニウムを含む溶液のガンマ線は元の 10 万分の 1 となった。プルトニウム溶液は、地下パイプを通して 221 棟から 224 棟に移送された。第 4 段階では、リン酸が加えられ、リン酸ビスマスが沈殿して除去された。過マンガン酸カリウムが加えられ、プルトニウムが酸化された。[ 18 ]
「クロスオーバー」ステップでは、フッ化ランタン法が用いられた。ランタン塩とフッ化水素が再び加えられ、フッ化ランタンが沈殿したが、六価プルトニウムは溶液中に残った。これにより、リン酸ビスマスでは除去できなかったセリウム、ストロンチウム[ sic ]、ランタンなどのランタニドが除去された。プルトニウムは再びシュウ酸で還元され、フッ化ランタン法が繰り返された。今回は水酸化カリウムが加えられ、溶液が複分解した。液体は遠心分離機で除去され、固体は硝酸に溶解して硝酸プルトニウムを形成した。この時点で、送られた330 USガロン（1,200 L）のバッチは8 USガロン（30 L）に濃縮されたことになる。[ 18 ]
最終段階は231-Z棟で行われ、過酸化水素、硫酸塩、硝酸アンモニウムが溶液に加えられ、六価プルトニウムが過酸化プルトニウムとして沈殿した。これを硝酸に溶解し、輸送缶に入れ、熱風で煮沸して硝酸プルトニウムペーストを生成した。各缶は約1kgの重さで 、ロスアラモス研究所に輸送された。[ 18 ] 20缶を積んだトラックで輸送が行われ、最初のものは1945年2月2日にロスアラモスに到着した。 [ 19 ]このプルトニウムは、 1945年7月16日のトリニティ核実験でテストされたファットマン爆弾の設計と、1945年8月9日の長崎への原爆投下で使用された。 [ 20 ]
1947年、ハンフォードでメチルイソブチルケトン（コードネームはヘキソン）を抽出剤として用いる新しいREDOXプロセスの実験が開始され、より効率的なプロセスが実現した。新しいREDOXプラントの建設は1949年に始まり、1952年1月に操業が開始され、同年Bプラントは閉鎖された。Tプラントの改良により生産性が30%向上し、Bプラントにも改良が加えられた。Bプラントの再稼働計画があったが、1956年1月に開設された新しいPUREXプラントの効率が非常に高かったため、1956年3月にTプラントが閉鎖され、Bプラントの再稼働計画は中止された。[ 21 ] 1960年までに、PUREXプラントの生産量はBプラント、Tプラント、REDOXプラントの合計生産量を上回った。[ 22 ]
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