Plutonijum za oružje je plutonijum u obliku kompaktnog metala koji sadrži najmanje 93,5% izotopa 239Pu. Dizajniran za stvaranje nuklearnog oružja.
1.Naziv i karakteristike
Zovu ga "oružje" da bi ga razlikovali od "reaktora". Plutonijum se formira u bilo kom nuklearnom reaktoru koji radi na prirodnom ili nisko obogaćenom uranijumu, koji uglavnom sadrži izotop 238U, kada hvata višak neutrona. Ali kako reaktor radi, izotop plutonijuma za oružje brzo sagoreva, kao rezultat toga, veliki broj izotopa 240Pu, 241Pu i 242Pu se akumulira u reaktoru, koji se formiraju tokom uzastopnog hvatanja nekoliko neutrona - od sagorevanja dubina je obično određena ekonomskim faktorima. Što je dubina sagorevanja manja, to će manje izotopa 240Pu, 241Pu i 242Pu biti sadržano u plutonijumu odvojenom od ozračenog nuklearnog goriva, ali se manje plutonija formira u gorivu.
Potrebna je posebna proizvodnja plutonijuma za oružje koje sadrži gotovo isključivo 239Pu, uglavnom zato što izotopi s masenim brojevima 240 i 242 stvaraju visoku neutronsku pozadinu koja otežava dizajniranje efikasnog nuklearnog oružja, osim toga, 240Pu i 241Pu imaju znatno kraći poluživot od 239Pu, zbog čega se dijelovi plutonijuma zagrijavaju, te je potrebno dodatno uvesti elemente hladnjaka u dizajn nuklearnog oružja. Čak je i čisti 239Pu topliji od ljudskog tijela. Osim toga, produkti raspada teških izotopa oštećuju kristalnu rešetku metala, što može dovesti do promjene oblika plutonijskih dijelova, što je ispunjeno kvarom nuklearne eksplozivne naprave.
U principu, sve ove poteškoće se mogu prevazići, a nuklearni eksplozivni uređaji od "reaktorskog" plutonijuma su uspešno testirani, međutim, u municiji, gde kompaktnost, mala težina, pouzdanost i izdržljivost igraju važnu ulogu, samo je specijalno proizveden plutonijum za oružje. se koristi. Kritična masa metalnih 240Pu i 242Pu je vrlo visoka, 241Pu je nešto veća od mase 239Pu.
2.Proizvodnja
U SSSR-u se proizvodnja plutonijuma za oružje prvo obavljala u fabrici Mayak u Ozersku (bivši Čeljabinsk-40, Čeljabinsk-65), zatim u Sibirskoj hemijskoj tvornici u Seversku (bivši Tomsk-7), kasnije u Krasnojarsku. Rudarstvo je pušteno u rad - hemijska fabrika u Železnogorsku (poznata i kao Sotsgorod i Krasnojarsk-26). Proizvodnja plutonijuma za oružje u Rusiji je prestala 1994. godine. 1999. godine su ugašeni reaktori u Ozjorsku i Seversku, 2010. godine ugašen je poslednji reaktor u Železnogorsku.
U Sjedinjenim Državama, plutonijum za oružje proizveden je na nekoliko lokacija, kao što je kompleks Hanford u državi Washington. Proizvodnja je zatvorena 1988.
3. Sinteza novih elemenata
Transformacija jednih atoma u druge se dešava tokom interakcije atomskih ili subatomskih čestica. Od njih su samo neutroni dostupni u velikim količinama. Nuklearni reaktor od gigavata proizvodi oko 3,75 kg (ili 4 * 1030) neutrona tokom godine.
4. Proizvodnja plutonijuma
Atomi plutonijuma nastaju kao rezultat lanca atomskih reakcija, počevši od hvatanja neutrona od strane atoma uranijuma-238:
U238 + n -> U239 -> Np239 -> Pu239
ili tačnije:
0n1 + 92U238 -> 92U239 -> -1e0 + 93Np239 -> -1e0 + 94Pu239
Uz kontinuirano zračenje, neki atomi plutonijum-239 mogu zauzvrat uhvatiti neutron i pretvoriti se u teži izotop plutonijum-240:
Pu239 + n -> Pu240
Da bi se plutonijum dobio u dovoljnim količinama, potrebni su najjači tokovi neutrona. Oni se upravo stvaraju u nuklearnim reaktorima. U principu, svaki reaktor je izvor neutrona, ali za industrijsku proizvodnju plutonija prirodno je koristiti onaj posebno dizajniran za to.
Prvi svjetski komercijalni reaktor za proizvodnju plutonijuma je B-reaktor u Hanfordu. Zarađeno 26. septembra 1944, snaga - 250 MW, produktivnost - 6 kg plutonijuma mesečno. Sadržao je oko 200 tona metalnog uranijuma, 1.200 tona grafita, a hlađen je vodom brzinom od 5 kubnih metara u minuti.
Ploča za punjenje reaktora Hanford sa uranijumskim patronama:
Šema njegovog rada. U reaktoru za zračenje uranijuma-238 neutroni nastaju kao rezultat stacionarne lančane reakcije fisije jezgri uranijuma-235. U prosjeku se proizvodi 2,5 neutrona po fisiji U-235. Da bi se održala reakcija i istovremeno proizveo plutonijum, neophodno je da u proseku jedan ili dva neutrona apsorbuje U-238, a jedan bi izazvao fisiju sledećeg atoma U-235.
Neutroni nastali tokom fisije uranijuma imaju veoma velike brzine. Atomi uranijuma su raspoređeni na takav način da je hvatanje brzih neutrona od strane jezgri i U-238 i U-235 malo vjerovatno. Stoga se brzi neutroni, nakon nekoliko sudara s okolnim atomima, postupno usporavaju. U isto vrijeme, jezgra U-238 apsorbiraju takve neutrone (srednje brzine) toliko snažno da više nema ništa za fisiju U-235 i održavanje lančane reakcije (U-235 je podijeljen od sporih, termalnih neutrona).
Moderator se bori sa tim, okružujući blokove uranijumom nekom vrstom lake supstance. U njemu se neutroni usporavaju bez apsorpcije, doživljavajući elastične sudare, u svakom od kojih se gubi mali dio energije. Dobri moderatori su voda, ugljenik. Dakle, neutroni usporeni do termalnih brzina putuju kroz reaktor sve dok ne izazovu fisiju U-235 (U-238 ih apsorbira vrlo slabo). Sa određenom konfiguracijom moderatora i uranijumskih šipki stvoriće se uslovi za apsorpciju neutrona i U-238 i U-235.
Izotopski sastav nastalog plutonija zavisi od trajanja uranijumskih šipki u reaktoru. Značajna akumulacija Pu-240 nastaje kao rezultat dugotrajnog zračenja uranijumske kasete. Uz kratko vrijeme zadržavanja uranijuma u reaktoru, dobija se Pu-239 sa neznatnim sadržajem Pu-240.
Pu-240 je štetan za proizvodnju oružja iz sljedećih razloga:
1. Manje je fisilan od Pu-239, tako da je potrebno nešto više plutonijuma za pravljenje oružja.
2. Drugi, mnogo važniji razlog. Nivo spontane fisije u Pu-240 je mnogo veći, što stvara jaku neutronsku pozadinu.
U samim ranim godinama razvoja atomskog oružja, emisija neutrona (jaka neutronska pozadina) bila je problem na putu do pouzdanog i efikasnog punjenja zbog prerane detonacije. Jaki tokovi neutrona otežali su ili onemogućili kompresiju jezgra bombe, koja je sadržavala nekoliko kilograma plutonijuma, u superkritično stanje - prije toga je bila uništena najjačim, ali još uvijek ne maksimalnim mogućim prinosom energije. Pojava mješovitih jezgara - koje sadrže visoko obogaćeni U-235 i plutonijum (kasnih 1940-ih) - prevazišla je ovu poteškoću kada je postalo moguće koristiti relativno male količine plutonijuma u uglavnom jezgrima uranijuma. Sljedeća generacija punjenja, uređaja poboljšanih fuzijom (sredinom 1950-ih), potpuno je eliminirala ovu poteškoću, garantirajući veliko oslobađanje energije, čak i sa početnim fisionim nabojima male snage.
Plutonijum proizveden u specijalnim reaktorima sadrži relativno mali procenat Pu-240 (<7%), плутоний "оружейного качества"; в реакторах АЭС отработанное ядерное топливо имеет концентрацию Pu-240 более 20%, плутоний "реакторного качества".
U reaktorima specijalne namjene uran se nalazi relativno kratko vrijeme, tokom kojeg ne sagorijeva sav U-235 i ne prelazi sav U-238 u plutonij, već se stvara i manja količina Pu-240.
Dva su razloga za proizvodnju plutonijuma sa niskim sadržajem Pu-240:
Ekonomski: jedini razlog postojanja plutonijumskih specijalnih reaktora. Raspadanje plutonijuma fisijom ili pretvaranje u manje fisijski Pu-240 smanjuje prinos i povećava cenu proizvodnje (do tačke u kojoj će njegova cena biti uravnotežena sa troškovima prerade ozračenog goriva sa malom koncentracijom plutonijuma).
Poteškoće u rukovanju: Iako emisija neutrona nije tako veliki problem za dizajnere oružja, može stvoriti poteškoće u proizvodnji i rukovanju takvim punjenjem. Neutroni daju dodatni doprinos profesionalnoj izloženosti onih koji sastavljaju ili održavaju oružje (neutroni sami po sebi nemaju jonizujući efekat, ali stvaraju protone koji su sposobni za to). Zapravo, punjenja za direktni kontakt s ljudima, kao što je Davy Crocket, mogu zahtijevati ultra-čisti plutonij sa niskom emisijom neutrona iz tog razloga.
Direktno livenje i obrada plutonijuma se obavlja ručno u zatvorenim komorama sa rukavicama za operatera. poput ovih:
Ovo implicira vrlo malu zaštitu ljudi od plutonijuma koji emituje neutrone. Stoga se plutonij s visokim sadržajem Pu-240 obrađuje samo manipulatorima, ili je vrijeme rada s njim za svakog radnika strogo ograničeno.
Zbog svih ovih razloga (radioaktivnost, najlošija svojstva Pu-240), objašnjava se zašto se plutonijum reaktorskog kvaliteta ne koristi za izradu oružja - jeftinije je proizvoditi plutonijum za oružje u specijalcima. reaktorima. Iako je, po svemu sudeći, moguće napraviti i nuklearnu eksplozivnu napravu iz reaktora.
plutonijumski prsten
Ovaj prsten je napravljen od elektrolitički pročišćenog metala plutonijuma (više od 99,96% čistoće). Tipično za prstenove koji se pripremaju u Los Alamosu i šalju u Rocky Flets da se naprave oružje, prije nedavnog prestanka proizvodnje. Masa prstena je 5,3 kg, dovoljna za izradu modernog strateškog punjenja, prečnik je cca 11 cm, oblik prstena je važan za osiguranje kritične sigurnosti.
Odljevak plutonijum-galijumske legure izvučen iz jezgre oružja:
Plutonijum tokom projekta Manhattan
Istorijski gledano, prvih 520 miligrama metalnog plutonijuma koje su proizveli Ted Magel i Nick Dallas u Los Alamosu 23. marta 1944:
Presa za vruće presovanje plutonijum-galijumske legure u obliku polulopta. Ova presa je korišćena u Los Alamosu za pravljenje plutonijumskih jezgara za naboje u Nagasakiju i Operaciji Triniti.
Proizvodi na njemu:
Dodatni nusproizvodi plutonijuma
Hvatanje neutrona koje nije praćeno fisijom stvara nove izotope plutonijuma: Pu-240, Pu-241 i Pu-242. Posljednja dva se akumuliraju u neznatnim količinama.
Pu239 + n -> Pu240
Pu240 + n -> Pu241
Pu241 + n -> Pu242
Moguć je i sporedni lanac reakcija:
U238 + n -> U237 + 2n
U237 -> (6,75 dana, beta raspad) -> Np237
Np237 + n -> Np238
Np238 -> (2,1 dan, beta raspad) -> Pu238
Ukupna mjera izloženosti (iscrpljenosti) gorivne ćelije može se izraziti u megavat-danima/toni (MW-dan/t). plutonijum za oružje kvalitet se dobija od elemenata sa malom količinom MW-dan/t, proizvodi manje izotopa nusproizvoda. Gorivne ćelije u modernim reaktorima vode pod pritiskom dostižu nivoe od 33.000 MWd/t. Tipična izloženost u reaktoru za proizvodnju oružja je 1000 MWd/t. Plutonijum u reaktorima sa modifikovanim grafitom u Hanfordu je ozračen do 600 MWd/t, a reaktor sa teškom vodom u Savani proizvodi plutonijum istog kvaliteta pri 1000 MWd/t (verovatno zbog nekih neutrona koji će formirati tricijum). Tokom projekta Manhattan, gorivo prirodnog uranijuma dobija samo 100 MW-dan/t, čime se proizvodi vrlo kvalitetan plutonijum-239 (samo 0,9-1% Pu-240, ostali izotopi čak i u manjim količinama).
Slične informacije.
Plutonijum je otkriven krajem 1940. godine na Kalifornijskom univerzitetu. Sintetizirali su ga McMillan, Kennedy i Wahl bombardiranjem uranijum oksida (U 3 O 8) jezgrima deuterijuma (deuteroni) koji su snažno ubrzani u ciklotronu. Kasnije je otkriveno da ova nuklearna reakcija prvo proizvodi kratkotrajni izotop neptunijum-238, a iz njega već plutonijum-238 s vremenom poluraspada od oko 50 godina. Godinu dana kasnije, Kennedy, Seaborg, Segre i Wahl sintetizirali su važniji izotop, plutonijum-239, zračenjem uranijuma visoko ubrzanim neutronima u ciklotronu. Plutonijum-239 nastaje raspadom neptunija-239; emituje alfa zrake i ima poluživot od 24.000 godina. Čisto jedinjenje plutonijuma je prvi put dobijeno 1942. Tada je postalo poznato da se prirodni plutonijum nalazi u rudama uranijuma, posebno u rudama, nalazištima u Kongu.
Ime elementa predloženo je 1948. godine: McMillan je prvi transuranski element nazvao neptunijumom zbog činjenice da je planeta Neptun prva iza Urana. Po analogiji, odlučili su da element 94 nazovu plutonijumom, jer je planeta Pluton druga planeta nakon Urana. Pluton, otkriven 1930. godine, dobio je ime po imenu boga Plutona, vladara podzemlja u grčkoj mitologiji. Početkom XIX veka. Clark je predložio da se element nazove plutonijumom, izvodeći ovo ime direktno iz imena boga Plutona, ali njegov prijedlog nije prihvaćen.
Ovaj metal se naziva plemenitim, ali ne zbog njegove ljepote, već zbog njegove neophodnosti. U Mendeljejevljevom periodičnom sistemu, ovaj element zauzima ćeliju broj 94. Na njega naučnici polažu najveće nade, a plutonijum nazivaju najopasnijim metalom za čovečanstvo.
Plutonijum: opis
Po izgledu je srebrno bijeli metal. Radioaktivan je i može se predstaviti kao 15 izotopa s različitim poluraspadom, na primjer:
- Pu-238 - star oko 90 godina
- Pu-239 - oko 24 hiljade godina
- Pu-240 - 6580 godina
- Pu-241 - 14 godina
- Pu-242 - 370 hiljada godina
- Pu-244 - oko 80 miliona godina
Ovaj metal se ne može izdvojiti iz rude, jer je proizvod radioaktivne transformacije uranijuma.
Kako se dobija plutonijum?
Proizvodnja plutonijuma zahteva fisiju uranijuma, što se može izvršiti samo u nuklearnim reaktorima. Ako govorimo o prisustvu elementa Pu u zemljinoj kori, onda će za 4 miliona tona uranijumske rude biti samo 1 gram čistog plutonijuma. A ovaj gram nastaje prirodnim hvatanjem neutrona jezgrima urana. Dakle, da bi se dobilo ovo nuklearno gorivo (najčešće izotop 239-Pu) u količini od nekoliko kilograma, potrebno je provesti složen tehnološki proces u nuklearnom reaktoru.
svojstva plutonijuma
Radioaktivni metalni plutonijum ima sljedeća fizička svojstva:
- gustina 19,8 g / cm 3
- tačka topljenja – 641°C
- tačka ključanja – 3232°C
- toplotna provodljivost (na 300 K) – 6,74 W/(m K)
Plutonijum je radioaktivan i samim tim topao na dodir. Istovremeno, ovaj metal karakterizira najniža toplinska i električna provodljivost. Tečni plutonijum je najviskozniji od svih postojećih metala.
Najmanja promjena temperature plutonijuma dovodi do trenutne promjene gustine tvari. Općenito, masa plutonijuma se stalno mijenja, budući da su jezgra ovog metala u stanju konstantne fisije na manja jezgra i neutrone. Kritična masa plutonijuma je naziv minimalne mase fisionog materijala pri kojoj fisija (nuklearna lančana reakcija) ostaje moguća. Na primjer, kritična masa plutonijuma za oružje je 11 kg (za poređenje, kritična masa visoko obogaćenog uranijuma je 52 kg).
Uranijum i plutonijum su glavno nuklearno gorivo. Za dobivanje plutonijuma u velikim količinama koriste se dvije tehnologije:
- zračenje uranijumom
- zračenje transuranijumskih elemenata dobijenih iz istrošenog goriva
Obje metode su odvajanje plutonija i uranijuma kao rezultat kemijske reakcije.
Da bi se dobio čisti plutonijum-238, koristi se neutronsko zračenje neptunija-237. Isti izotop je uključen u stvaranje plutonijuma-239 za oružje, posebno, on je međuproizvod raspadanja. 1 milion dolara je cijena za 1 kg plutonijuma-238.
Čovječanstvo je uvijek bilo u potrazi za novim izvorima energije koji mogu riješiti mnoge probleme. Međutim, oni nisu uvijek sigurni. Dakle, posebno, iako se danas široko koriste, iako su u stanju proizvesti jednostavno kolosalnu količinu električne energije koja je svima potrebna, i dalje nose smrtnu opasnost. Ali, osim u miroljubive svrhe, neke zemlje naše planete naučile su ga koristiti u vojsci, posebno za stvaranje nuklearnih bojevih glava. Ovaj članak će raspravljati o osnovi takvog destruktivnog oružja, čije je ime plutonijum za oružje.
Kratke informacije
Ovaj kompaktni oblik metala sadrži najmanje 93,5% izotopa 239Pu. Plutonijum za oružje je nazvan tako da bi se razlikovao od njegovog „reaktorskog brata“. U principu, plutonij se uvijek formira u apsolutno svakom nuklearnom reaktoru, koji zauzvrat radi na nisko obogaćenom ili prirodnom uranijumu, koji uglavnom sadrži izotop 238U.
Primjena u vojnoj industriji
Oružni plutonijum 239Pu je osnova nuklearnog oružja. Istovremeno, upotreba izotopa s masenim brojevima 240 i 242 je irelevantna, jer stvaraju vrlo visoku pozadinu neutrona, što u konačnici otežava stvaranje i dizajniranje visoko efikasne nuklearne municije. Pored toga, izotopi plutonijuma 240Pu i 241Pu imaju mnogo kraći poluživot od 239Pu, tako da se delovi plutonijuma veoma zagrevaju. U vezi s tim, inženjeri su prisiljeni dodati dodatne elemente nuklearnom oružju kako bi uklonili višak topline. Inače, čisti 239Pu je topliji od ljudskog tijela. Također je nemoguće ne uzeti u obzir činjenicu da produkti raspada teških izotopa podvrgavaju metalnu kristalnu rešetku štetnim promjenama, a to sasvim prirodno mijenja konfiguraciju plutonijskih dijelova, što na kraju može uzrokovati potpuni kvar nuklearna eksplozivna naprava.
Uglavnom, sve ove poteškoće se mogu prevazići. A u praksi je više puta testiran na bazi upravo "reaktorskog" plutonijuma. Ali treba shvatiti da su u nuklearnoj municiji njihova kompaktnost, mala vlastita težina, izdržljivost i pouzdanost daleko od posljednje pozicije. U tom smislu, oni koriste isključivo plutonijum za oružje.
Konstrukcijske karakteristike proizvodnih reaktora
Gotovo sav plutonijum u Rusiji proizveden je u reaktorima opremljenim grafitnim moderatorom. Svaki od reaktora je izgrađen oko cilindrično sklopljenih blokova grafita.
Kada su sklopljeni, grafitni blokovi imaju posebne proreze između sebe kako bi se osigurala kontinuirana cirkulacija rashladne tekućine, koja se koristi kao dušik. U montiranoj konstrukciji postoje i vertikalno postavljeni kanali stvoreni za prolaz vodenog hlađenja i goriva kroz njih. Sam sklop je čvrsto poduprt konstrukcijom sa rupama ispod kanala koji se koriste za transport već ozračenog goriva. Osim toga, svaki od kanala nalazi se u cijevi tankih stijenki izlivenoj od lagane i izuzetno čvrste legure aluminija. Većina opisanih kanala ima 70 gorivih šipki. Rashladna voda struji direktno oko gorivih šipki, uklanjajući višak toplote iz njih.
Povećanje snage proizvodnih reaktora
U početku je prvi reaktor "Mayak" radio sa kapacitetom od 100 termalnih MW. Međutim, glavni menadžer sovjetskog programa nuklearnog oružja predložio je da reaktor radi na 170-190 MW zimi i 140-150 MW ljeti. Ovaj pristup je omogućio reaktoru da proizvodi skoro 140 grama dragocjenog plutonija dnevno.
Godine 1952. obavljen je potpuni istraživački rad kako bi se povećao proizvodni kapacitet funkcionalnih reaktora sljedećim metodama:
- Povećanjem protoka vode koja se koristi za hlađenje i protokom kroz aktivne zone nuklearnog postrojenja.
- Povećanjem otpornosti na pojavu korozije koja se javlja u blizini obloge kanala.
- Smanjenje brzine oksidacije grafita.
- Povećanje temperature unutar gorivih ćelija.
Kao rezultat toga, propusnost cirkulirajuće vode značajno se povećala nakon što se povećao jaz između goriva i zidova kanala. Također smo uspjeli da se riješimo korozije. Da bismo to učinili, odabrali smo najprikladnije legure aluminija i počeli aktivno dodavati natrijev bikromat, što je u konačnici povećalo mekoću rashladne vode (pH je postao oko 6,0-6,2). Oksidacija grafita prestala je biti hitan problem nakon što se dušik počeo koristiti za njegovo hlađenje (prije toga se koristio samo zrak).
Kasnih 1950-ih, inovacije su u potpunosti stavljene u praksu, smanjujući krajnje nepotrebno baloniranje uranijuma uzrokovano zračenjem, značajno smanjujući toplinsko otvrdnjavanje uranijskih šipki, poboljšavajući otpornost obloge i poboljšavajući kontrolu kvaliteta proizvodnje.
Proizvodnja u Mayaku
"Čeljabinsk-65" je jedna od onih vrlo tajnih fabrika u kojima je stvoren plutonijum za oružje. Preduzeće je imalo nekoliko reaktora, od kojih ćemo svaki pobliže upoznati.
Reaktor A
Instalacija je dizajnirana i izgrađena pod vodstvom legendarnog N. A. Dollezhala. Radila je sa snagom od 100 MW. Reaktor je imao 1149 vertikalno raspoređenih kanala za upravljanje i gorivo u grafitnom bloku. Ukupna masa konstrukcije bila je oko 1050 tona. Gotovo svi kanali (osim 25) bili su napunjeni uranijumom, čija je ukupna masa iznosila 120-130 tona. 17 kanala je korišteno za kontrolne šipke i 8 za eksperimente. Maksimalno projektovano oslobađanje toplote gorivne ćelije bilo je 3,45 kW. U početku je reaktor proizvodio oko 100 grama plutonijuma dnevno. Metalni plutonijum je prvi put proizveden 16. aprila 1949. godine.
Tehnološki nedostaci
Gotovo odmah su uočeni prilično ozbiljni problemi koji su se sastojali od korozije aluminijskih obloga i premaza gorivnih ćelija. Uranijumske šipke su takođe nabubrile i pukle, a rashladna voda je iscurila direktno u jezgro reaktora. Nakon svakog curenja, reaktor je morao biti zaustavljen do 10 sati kako bi se grafit osušio zrakom. Januara 1949. zamijenjene su obloge kanala. Nakon toga, 26. marta 1949. godine izvršeno je puštanje u rad instalacije.
Oružni plutonijum, čija je proizvodnja u reaktoru A bila praćena raznim poteškoćama, proizveden je u periodu 1950-1954 sa prosečnom jediničnom snagom od 180 MW. Naknadni rad reaktora počeo je biti praćen njegovom intenzivnijom upotrebom, što je sasvim prirodno dovelo do češćih gašenja (i do 165 puta mjesečno). Kao rezultat toga, u oktobru 1963. reaktor je zatvoren i nastavio je s radom tek u proljeće 1964. godine. Svoju kampanju završio je 1987. godine i proizveo 4,6 tona plutonijuma u cijelom periodu višegodišnjeg rada.
AB reaktori
Odlučeno je da se u poduzeću Čeljabinsk-65 izgrade tri AB reaktora u jesen 1948. Njihov proizvodni kapacitet je bio 200-250 grama plutonijuma dnevno. Glavni projektant projekta bio je A. Savin. Svaki reaktor je imao 1996 kanala, od kojih je 65 bilo kontrolnih kanala. U instalacijama je korištena tehnička novost - svaki kanal je opremljen posebnim detektorom curenja rashladne tekućine. Takav potez omogućio je promjenu košuljica bez zaustavljanja rada samog reaktora.
Prva godina rada reaktora pokazala je da su proizvodili oko 260 grama plutonijuma dnevno. Međutim, već od druge godine rada, kapacitet se postepeno povećavao i već 1963. godine iznosio je 600 MW. Nakon drugog remonta, problem košuljica je u potpunosti riješen, a kapacitet je već bio 1200 MW uz godišnju proizvodnju plutonijuma od 270 kilograma. Ove brojke su se zadržale do potpunog zatvaranja reaktora.
AI-IR reaktor
Poduzeće u Čeljabinsku koristilo je ovu instalaciju od 22. decembra 1951. do 25. maja 1987. godine. Osim uranijuma, reaktor je proizvodio i kobalt-60 i polonijum-210. U početku se u pogonu proizvodio tricijum, a kasnije se proizvodio i plutonijum.
Takođe, postrojenje za preradu plutonijuma za oružje imalo je u funkciji reaktore koji rade na teškoj vodi i jedini reaktor na laku vodu (ime mu je Ruslan).
Sibirski gigant
"Tomsk-7" - ovo je naziv fabrike u kojoj se nalazi pet reaktora za stvaranje plutonijuma. Svaka od jedinica koristila je grafit za usporavanje neutrona i običnu vodu kako bi osigurala pravilno hlađenje.
Reaktor I-1 je radio sa rashladnim sistemom u kojem je voda jednom prolazila. Međutim, preostale četiri jedinice su opremljene zatvorenim primarnim krugovima opremljenim izmjenjivačima topline. Ovaj dizajn je omogućio dodatnu proizvodnju pare, što je zauzvrat pomoglo u proizvodnji električne energije i grijanju različitih stambenih prostorija.
Tomsk-7 je imao i reaktor pod nazivom EI-2, koji je, zauzvrat, imao dvostruku svrhu: proizvodio je plutonijum i generisao 100 MW električne energije iz proizvedene pare, kao i 200 MW toplotne energije.
Važna informacija
Prema naučnicima, vreme poluraspada plutonijuma za oružje je oko 24.360 godina. Ogroman broj! S tim u vezi, pitanje postaje posebno akutno: "Kako pravilno postupati s proizvodnim otpadom ovog elementa?" Najoptimalnija opcija je izgradnja posebnih preduzeća za naknadnu preradu plutonijuma za oružje. To se objašnjava činjenicom da se u ovom slučaju element više ne može koristiti u vojne svrhe i da će ga kontrolirati osoba. Ovako se u Rusiji zbrinjava oružni plutonijum, ali su Sjedinjene Američke Države krenule drugim putem, čime su prekršile svoje međunarodne obaveze.
Stoga američka vlada predlaže da se visoko obogaćeni plutonijum uništi ne industrijskim putem, već razrjeđivanjem plutonijuma i skladištenjem u posebnim kontejnerima na dubini od 500 metara. Podrazumijeva se da se u ovom slučaju materijal može lako ukloniti sa zemlje u bilo kojem trenutku i ponovo koristiti u vojne svrhe. Prema riječima ruskog predsjednika Vladimira Putina, u početku su se zemlje dogovorile da unište plutonijum ne ovom metodom, već da se reciklira u industrijskim postrojenjima.
Cijena plutonijuma za oružje zaslužuje posebnu pažnju. Prema mišljenju stručnjaka, desetine tona ovog elementa mogu koštati nekoliko milijardi američkih dolara. Neki stručnjaci su čak procijenili 500 tona plutonijuma za oružje na čak 8 biliona dolara. Iznos je zaista impresivan. Da bi bilo jasnije koliki je to novac, recimo da je u poslednjih deset godina 20. veka prosečan godišnji BDP Rusije bio 400 milijardi dolara. To jest, u stvari, stvarna cijena plutonijuma za oružje bila je jednaka dvadesetom godišnjem BDP-u Ruske Federacije.
On je zaista dragocen.
Pozadina i istorija
U početku su postojali protoni - galaktički vodonik. Kao rezultat njegove kompresije i naknadnih nuklearnih reakcija, formirani su najnevjerovatniji "ingoti" nukleona. Među njima, ovi "ingoti" su, očigledno, sadržavali po 94 protona. Procjene teoretičara nam dozvoljavaju da smatramo da je oko 100 nukleonskih formacija, koje uključuju 94 protona i od 107 do 206 neutrona, toliko stabilne da se mogu smatrati jezgrima izotopa elementa br. 94.
Ali svi ovi izotopi - hipotetički i stvarni - nisu toliko stabilni da bi se sačuvali do danas od trenutka kada su elementi Sunčevog sistema formirani. Poluživot najdugovječnijeg izotopa elementa 94 je 75 miliona godina. Starost galaksije mjeri se milijardama godina. Shodno tome, "originalni" plutonijum nije imao šanse da preživi do danas. Ako je nastao tokom velike sinteze elemenata Univerzuma, onda su ti njegovi drevni atomi "izumrli" davno, kao što su izumrli dinosaurusi i mamuti.
U XX veku. nova era, AD, ovaj element je ponovo kreiran. Od 100 mogućih izotopa plutonijuma, sintetizovano je 25. Od njih 15 je proučavano zbog njihovih nuklearnih svojstava. Četiri su našla praktičnu primjenu. I tek je nedavno otvoren. U decembru 1940. godine, prilikom ozračivanja uranijuma teškim jezgrama vodika, grupa američkih radiohemičara predvođena Glennom T. Seaborgom otkrila je do sada nepoznati emiter alfa čestica s poluživotom od 90 godina. Pokazalo se da je ovaj emiter izotop elementa br. 94 sa masenim brojem 238. Iste godine, ali nekoliko mjeseci ranije, E.M. Macmillan i F. Abelson su dobili prvi element teži od uranijuma - element br. 93. Ovaj element se zvao neptunijum, a 94. se zvao plutonijum. Istoričar će definitivno reći da ova imena potiču iz rimske mitologije, ali u suštini porijeklo ovih imena nije mitološko, već astronomsko.
Elementi br. 92 i 93 su nazvani po udaljenim planetama Sunčevog sistema - Uranu i Neptunu, ali Neptun nije poslednji u Sunčevom sistemu, još dalje leži orbita Plutona - planete o kojoj se do sada gotovo ništa ne zna ... Sličnu konstrukciju opažamo i na „lijevom boku“ periodnog sistema: uranijum – neptunijum – plutonijum, međutim, čovečanstvo zna mnogo više o plutonijumu nego o Plutonu. Inače, astronomi su otkrili Pluton samo deset godina prije sinteze plutonijuma - gotovo isti vremenski period razdvajao je otkriće Urana - planete i uranijuma - elementa.
Zagonetke za ransomware
Prvi izotop elementa br. 94, plutonijum-238, danas je našao praktičnu upotrebu. Ali ranih 1940-ih, o tome nisu ni razmišljali. Moguće je dobiti plutonijum-238 u količinama od praktičnog interesa samo oslanjajući se na moćnu nuklearnu industriju. U to vrijeme je tek počela. Ali već je bilo jasno da je oslobađanjem energije sadržane u jezgrima teških radioaktivnih elemenata moguće dobiti oružje neviđene snage. Pojavio se projekat Manhattan, koji nema ništa osim imena zajedničkog sa poznatim područjem New Yorka. Ovo je bio opći naziv za sav rad vezan za stvaranje prvih atomskih bombi u Sjedinjenim Državama. Šef Manhattan projekta nije bio naučnik, već vojni čovjek - general Groves, koji je svoje visokoobrazovane štićenike "s ljubavlju" nazivao "razbijenim loncima".
Vođe "projekta" nisu bili zainteresovani za plutonijum-238. Njegova jezgra, kao i jezgra svih izotopa plutonijuma s parnim masenim brojem, ne cijepaju se s niskoenergetskim neutronima*, tako da ne može poslužiti kao nuklearni eksploziv. Ipak, prvi ne baš razumljivi izvještaji o elementima br. 93 i 94 pojavili su se u štampi tek u proljeće 1942. godine.
* Niskoenergetski neutroni su neutroni čija energija ne prelazi 10 keV. Neutroni čija je energija mjerena u dijelovima elektron-volta nazivaju se toplinski, a najsporiji neutroni - s energijama manjom od 0,005 eV - hladni. Ako je energija neutrona veća od 100 keV, tada se takav neutron već smatra brzim.
Kako se ovo može objasniti? Fizičari su shvatili: sinteza izotopa plutonijuma sa neparnim masenim brojevima je pitanje vremena i nije daleko. Očekivalo se da će čudni izotopi, poput urana-235, moći održati nuklearnu lančanu reakciju. U njima, koji još nisu primljeni, neki su vidjeli potencijalni nuklearni eksploziv. I plutonijum je, nažalost, opravdao ove nade.
U šiframa tog vremena, element broj 94 nije se zvao ništa više od ... bakra. A kada se pojavila potreba za samim bakrom (kao konstrukcijskim materijalom za neke dijelove), tada se u šifriranju, uz "bakar", pojavio i "pravi bakar".
"Drvo spoznaje dobra i zla"
Godine 1941. otkriven je najvažniji izotop plutonijuma - izotop sa masenim brojem 239. I skoro odmah potvrđeno je predviđanje teoretičara: jezgra plutonijuma-239 su se fisionirala toplotnim neutronima. Štaviše, u procesu njihove fisije nije rođen ništa manji broj neutrona nego u fisiji uranijuma-235. Odmah su navedeni načini dobijanja ovog izotopa u velikim količinama...
Prošle su godine. Sada nikome nije tajna da su nuklearne bombe pohranjene u arsenalima punjene plutonijumom-239 i da su te bombe dovoljne da izazovu nepopravljivu štetu cijelom životu na Zemlji.
Uvriježeno je mišljenje da je s otkrićem nuklearne lančane reakcije (čija je neizbježna posljedica bilo stvaranje nuklearne bombe) čovječanstvo očito žurilo. Možete razmišljati drugačije ili se pretvarati da mislite drugačije - ugodnije je biti optimista. Ali čak se i optimisti neizbježno suočavaju s pitanjem odgovornosti naučnika. Sjećamo se trijumfalnog dana u junu 1954. godine, dana kada je prva nuklearna elektrana u Obninsku dala struju. Ali ne možemo zaboraviti avgustovsko jutro 1945. – “Hirošimsko jutro”, “kišni dan Alberta Ajnštajna”. Ali da li je čovečanstvo u narednim godinama pretrpelo malo briga? Štaviše, ove brige su umnožene spoznajom da će, ako izbije novi svjetski rat, biti korišteno nuklearno oružje.
Ovdje možete pokušati dokazati da otkriće plutonijuma nije povećalo strahove čovječanstva, da je, naprotiv, bilo samo korisno.
Pretpostavimo da se dogodilo da iz nekog razloga, ili, kako bi u stara vremena rekli, voljom Božjom, plutonijum nije bio dostupan naučnicima. Da li bi se naši strahovi i strahovi tada smanjili? Ništa se nije dogodilo. Nuklearne bombe bi se pravile od uranijuma-235 (i to u ne manjoj količini nego od plutonijuma), a te bombe bi „pojele“ i veći deo budžeta nego sada.
Ali bez plutonija ne bi bilo izgleda za mirno korištenje nuklearne energije u velikim razmjerima. Za "mirni atom" jednostavno ne bi bilo dovoljno uranijuma-235. Zlo koje je čovječanstvu nanijelo otkriće nuklearne energije ne bi bilo uravnoteženo, makar samo djelomično, dostignućima "dobrog atoma".
Kako mjeriti, sa čime uporediti
Kada se jezgro plutonijum-239 neutronima podijeli na dva fragmenta približno jednake mase, oslobađa se oko 200 MeV energije. To je 50 miliona puta više energije koja se oslobađa u najpoznatijoj egzotermnoj reakciji C + O 2 = CO 2 . "Sagorevanjem" u nuklearnom reaktoru, gram plutonijuma daje 2·10 7 kcal. Kako se ne bi kršile tradicije (a u popularnim člancima energija nuklearnog goriva se obično mjeri u nesistemskim jedinicama - tone uglja, benzina, trinitrotoluena itd.), također napominjemo: ovo je energija sadržana u 4 tone ugalj. A u običan naprstak je stavljena količina plutonijuma, energetski ekvivalentna četrdeset vagona dobrih brezovih ogrevnih drva.
Ista energija se oslobađa tokom fisije jezgara uranijuma-235 neutronima. Ali najveći dio prirodnog uranijuma (99,3%!) je izotop 238 U, koji se može koristiti samo pretvaranjem uranijuma u plutonij...
Energija kamena
Procijenimo energetske resurse sadržane u prirodnim rezervama uranijuma.
Uranijum je rasuti element, i on je praktično svuda. Svako ko je posjetio, na primjer, Kareliju, sigurno se sjećao granitnih gromada i obalnih stijena. Ali malo ljudi zna da u toni granita ima do 25 g uranijuma. Graniti čine skoro 20% težine zemljine kore. Ako računamo samo uranijum-235, onda se u toni granita nalazi 3,5·10 5 kcal energije. Mnogo je, ali...
Prerada granita i vađenje uranijuma iz njega zahtijeva još veću količinu energije - oko 10 6 ...10 7 kcal/t. Sada, kada bi bilo moguće koristiti ne samo uranijum-235, već i uranijum-238 kao izvor energije, onda bi se granit mogao smatrati barem potencijalnom energetskom sirovinom. Tada bi energija dobijena iz tone kamena već bila od 8·10 7 do 5·10 8 kcal. Ovo je ekvivalentno 16...100 tona uglja. I u ovom slučaju, granit bi ljudima mogao dati gotovo milion puta više energije od svih rezervi hemijskog goriva na Zemlji.
Ali jezgra uranijuma-238 se ne cijepaju neutronima. Za nuklearnu energiju, ovaj izotop je beskoristan. Tačnije, bilo bi beskorisno da se ne može pretvoriti u plutonijum-239. I što je posebno važno: praktički nema potrebe da se troši energija na ovu nuklearnu transformaciju – naprotiv, energija se proizvodi u tom procesu!
Pokušajmo shvatiti kako se to događa, ali prvo nekoliko riječi o prirodnom plutoniju.
400 hiljada puta manji od radijuma
Već je rečeno da izotopi plutonijuma nisu sačuvani od sinteze elemenata tokom formiranja naše planete. Ali to ne znači da na Zemlji nema plutonijuma.
Stalno se formira u rudama uranijuma. Hvatanjem neutrona kosmičkog zračenja i neutrona proizvedenih spontanom fisijom jezgri uranijuma-238, neki - vrlo mali broj - atoma ovog izotopa se pretvara u atome uranijuma-239. Ova jezgra su vrlo nestabilna, emituju elektrone i time povećavaju svoj naboj. Formira se neptunijum, prvi transuranski element. Neptunijum-239 je takođe veoma nestabilan, a njegova jezgra emituju elektrone. Za samo 56 sati polovina neptunija-239 pretvara se u plutonijum-239, čiji je poluživot već prilično dug - 24 hiljade godina.
Zašto se plutonijum ne vadi iz ruda uranijuma? Mala, preniska koncentracija. "Proizvodnja po gramu je radna snaga godišnje" - radi se o radijumu, a plutonijum u rudama je 400 hiljada puta manji od radijuma. Stoga je izuzetno teško ne samo izdvojiti - čak i otkriti "zemaljski" plutonijum. To je učinjeno tek nakon što su proučavana fizička i kemijska svojstva plutonija dobivenog u nuklearnim reaktorima.
Kada 2,70 >> 2,23
Plutonijum se akumulira u nuklearnim reaktorima. U snažnim tokovima neutrona događa se ista reakcija kao u uranijumskim rudama, ali je stopa formiranja i akumulacije plutonija u reaktoru mnogo veća - milijardu milijardi puta. Za reakciju pretvaranja balastnog uranijuma-238 u energetski plutonijum-239 stvoreni su optimalni (u okviru prihvatljivih) uslovi.
Ako reaktor radi na termičkim neutronima (sjetimo se da je njihova brzina oko 2000 m u sekundi, a energija su dijelovi elektron-volta), tada se iz prirodne mješavine izotopa uranijuma dobiva količina plutonija, nešto manja od količine "sagorenog" uranijuma-235. Ne mnogo, ali manje, plus neizbežni gubici plutonijuma tokom njegovog hemijskog odvajanja od ozračenog uranijuma. Osim toga, nuklearna lančana reakcija održava se u prirodnoj mješavini izotopa uranijuma samo dok se mali dio uranijuma-235 ne potroši. Otuda je zaključak logičan: "termalni" reaktor na prirodnom uranijumu - glavni tip reaktora koji trenutno rade - ne može osigurati proširenu reprodukciju nuklearnog goriva. Ali šta je onda budućnost? Da bismo odgovorili na ovo pitanje, uporedimo tok nuklearne lančane reakcije u uranijumu-235 i plutonijumu-239 i uvedemo još jedan fizički koncept u naše razmišljanje.
Najvažnija karakteristika svakog nuklearnog goriva je prosječan broj neutrona koji se emituju nakon što je jezgro uhvatilo jedan neutron. Fizičari ga nazivaju eta brojem i označavaju ga grčkim slovom η. U "termalnim" uranijumskim reaktorima, primećuje se sledeći obrazac: svaki neutron generiše u proseku 2,08 neutrona (η = 2,08). Plutonijum stavljen u takav reaktor pod dejstvom termičkih neutrona daje η = 2,03. Ali postoje i reaktori koji rade na brzim neutronima. Beskorisno je ubacivati prirodnu mješavinu izotopa uranijuma u takav reaktor: lančana reakcija neće započeti. Ali ako se "sirovine" obogate uranijumom-235, moći će da se razvija u "brzim" reaktoru. U ovom slučaju, η će već biti jednako 2,23. A plutonijum, stavljen pod vatru brzih neutrona, daće n jednako 2,70. Na raspolaganju će nam biti "dodatni puni neutron". A ovo nije dovoljno.
Da vidimo na šta se troše primljeni neutroni. U svakom reaktoru potreban je jedan neutron za održavanje nuklearne lančane reakcije. 0,1 neutrona apsorbuju konstrukcijski materijali objekta. "Višak" ide na akumulaciju plutonijuma-239. U jednom slučaju, "višak" je 1,13, u drugom - 1,60. Nakon "sagorevanja" kilograma plutonijuma u "brzim" reaktoru, oslobađa se kolosalna energija i akumulira se 1,6 kg plutonijuma. A uranijum u "brzim" reaktoru će dati istu energiju i 1,1 kg novog nuklearnog goriva. U oba slučaja evidentna je proširena reprodukcija. Ali ne smijemo zaboraviti na ekonomiju.
Zbog niza tehničkih razloga, ciklus oplemenjivanja plutonijuma traje nekoliko godina. Recimo pet godina. To znači da će se količina plutonijuma povećati samo za 2% godišnje ako je η = 2,23, odnosno za 12% ako je η = 2,7! Nuklearno gorivo je kapital, a svaki kapital mora dati, recimo, 5% godišnje. U prvom slučaju su veliki gubici, au drugom veliki profit. Ovaj primitivni primjer ilustruje "težinu" svake desetine broja η u nuklearnoj energiji.
Zbir mnogih tehnologija
Kada se potrebna količina plutonija akumulira u uranijumu kao rezultat nuklearnih reakcija, mora se odvojiti ne samo od samog uranijuma, već i od fisijskih fragmenata - i uranijuma i plutonija, koji su izgorjeli u nuklearnoj lančanoj reakciji. Osim toga, u masi uranijuma i plutonijuma postoji određena količina neptunija. Najteže je odvojiti plutonijum od neptunija i retkozemnih elemenata (lantanida). Plutonijum kao hemijski element je pomalo nesretan. Sa stanovišta hemičara, glavni element nuklearne energije je samo jedan od četrnaest aktinida. Poput rijetkih zemnih elemenata, svi elementi aktinijuma su vrlo bliski jedni drugima po kemijskim svojstvima, struktura vanjskih elektronskih ljuski atoma svih elemenata od aktinijuma do 103 je ista. Još je neugodnije što su hemijska svojstva aktinida slična onima rijetkih zemnih elemenata, a među fisionim fragmentima uranijuma i plutonijuma ima više nego dovoljno lantanida. Ali s druge strane, 94. element može biti u pet valentnih stanja, i to "sladi pilulu" - pomaže da se plutonijum odvoji i od uranijuma i od fisijskih fragmenata.
Valencija plutonijuma varira od tri do sedam. Jedinjenja tetravalentnog plutonijuma su hemijski najstabilnija (i, posljedično, najčešća i najviše proučavana).
Razdvajanje aktinida bliskih po hemijskim svojstvima – uranijuma, neptunija i plutonijuma – može se zasnivati na razlici u svojstvima njihovih tetra- i heksavalentnih jedinjenja.
Nema potrebe detaljno opisivati sve faze hemijskog odvajanja plutonijuma i uranijuma. Obično njihovo odvajanje počinje otapanjem uranovih šipki u dušičnoj kiselini, nakon čega se uran, neptun, plutonij i fragmenti elementi sadržani u otopini "odvajaju", koristeći za to tradicionalne radiohemijske metode - koprecipitaciju s nosačima, ekstrakciju, jonska izmjena i drugo. Konačni proizvodi ove višestepene tehnologije koji sadrže plutonijum su njegov dioksid PuO 2 ili fluoridi - PuF 3 ili PuF 4 . One se redukuju u metal sa parama barijuma, kalcijuma ili litija. Međutim, plutonij dobiven u tim procesima nije prikladan za ulogu konstrukcijskog materijala - od njega je nemoguće napraviti gorive elemente nuklearnih energetskih reaktora, nemoguće je baciti naboj atomske bombe. Zašto? Tačka topljenja plutonijuma - samo 640°C - je sasvim dostižna.
Bez obzira na to koji se "ultra-štedni" uslovi koriste za livenje delova od čistog plutonijuma, pukotine će se uvek pojaviti na odlivcima tokom skrućivanja. Na 640°C, plutonijum koji se skrućuje formira kubičnu kristalnu rešetku. Kako temperatura pada, gustoća metala se postepeno povećava. Ali tada je temperatura dostigla 480 ° C, a onda iznenada gustoća plutonija naglo opada. Razlozi za ovu anomaliju su prilično brzo otkriveni: na ovoj temperaturi atomi plutonijuma su preuređeni u kristalnoj rešetki. Postaje tetragonalno i vrlo "labavo". Takav plutonijum može plutati u sopstvenom topljenju, poput leda na vodi.
Temperatura nastavlja da pada, sada je dostigla 451 ° C, a atomi su ponovo formirali kubičnu rešetku, ali se nalaze na većoj udaljenosti jedan od drugog nego u prvom slučaju. Daljnjim hlađenjem, rešetka postaje prvo ortorombna, a zatim monoklinska. Ukupno, plutonijum formira šest različitih kristalnih oblika! Dva od njih imaju izvanredno svojstvo - negativan koeficijent toplinskog širenja: s povećanjem temperature, metal se ne širi, već skuplja.
Kada temperatura dostigne 122°C i atomi plutonijuma po šesti put preurede svoje redove, gustina se posebno jako menja - sa 17,77 na 19,82 g/cm 3 . Više od 10%! Shodno tome, volumen ingota se smanjuje. Ako je metal još uvijek mogao izdržati naprezanja koja su nastala na drugim prijelazima, tada je u ovom trenutku uništenje neizbježno.
Kako onda napraviti dijelove od ovog nevjerovatnog metala? Metalurzi legiraju plutonijum (dodaju mu male količine potrebnih elemenata) i dobijaju odlivke bez ijedne pukotine. Koriste se za pravljenje plutonijumskih punjenja za nuklearne bombe. Težina punjenja (određuje se prvenstveno kritičnom masom izotopa) 5 ... 6 kg. Lako bi stao u kocku veličine rebra od 10 cm.
Teški izotopi
Plutonijum-239 takođe sadrži malu količinu viših izotopa ovog elementa - sa masenim brojevima 240 i 241. Izotop 240 Pu je praktično beskoristan - ovaj balast u plutonijumu. Od 241. dobija se americij - element br. 95. U čistom obliku, bez primjesa drugih izotopa, dlutonijum-240 i plutonijum-241 se mogu dobiti elektromagnetnim odvajanjem plutonijuma nakupljenog u reaktoru. Prije toga plutonij se dodatno ozrači neutronskim tokovima sa strogo određenim karakteristikama. Naravno, sve je to vrlo komplikovano, pogotovo što plutonijum nije samo radioaktivan, već i veoma toksičan. Rad s njim zahtijeva izuzetan oprez.
Jedan od najzanimljivijih izotopa plutonijuma, 242 Pu, može se dobiti dugotrajnim zračenjem 239 Pu u neutronskim fluksovima. 242 Pu vrlo rijetko hvata neutrone i stoga "sagorijeva" u reaktoru sporije od drugih izotopa; opstaje čak i nakon što su preostali izotopi plutonijuma gotovo potpuno prešli u fragmente ili se pretvorili u plutonijum-242.
Plutonijum-242 je važan kao "sirovina" za relativno brzo nakupljanje viših transuranijumskih elemenata u nuklearnim reaktorima. Ako se plutonijum-239 ozrači u konvencionalnom reaktoru, tada će biti potrebno oko 20 godina da se akumuliraju mikrogramske količine plutonijuma iz grama, na primer, kalifornija-251.
Moguće je smanjiti vrijeme akumulacije viših izotopa povećanjem intenziteta neutronskog fluksa u reaktoru. Oni to rade, ali tada je nemoguće ozračiti veliku količinu plutonijuma-239. Uostalom, ovaj izotop je podijeljen neutronima, a previše energije se oslobađa u intenzivnim tokovima. Postoje dodatne poteškoće sa hlađenjem kontejnera i reaktora. Da bi se izbjegle ove komplikacije, količina ozračenog plutonija bi morala biti smanjena. Shodno tome, proizvodnja Kalifornije bi opet bila mizerna. Začarani krug!
Plutonijum-242 se ne cijepa na termičke neutrone, i može biti ozračen u velikim količinama u intenzivnim neutronskim tokovima... Stoga se u reaktorima svi elementi od kalifornija do ajnštajnija „prave“ od ovog izotopa i akumuliraju se u težinskim količinama.
Ne najteži, ali najdugovječniji
Kad god bi naučnici uspjeli da dobiju novi izotop plutonijuma, mjerili su vrijeme poluraspada njegovih jezgara. Period poluraspada izotopa teških radioaktivnih jezgara s parnim masenim brojevima se redovno mijenja. (Isto se ne može reći za neparne izotope.)
Rice. 8.
Pogledajte grafikon koji pokazuje ovisnost poluživota čak i izotopa plutonijuma o masenom broju. Kako se povećava masa, raste i "životni vijek" izotopa. Pre nekoliko godina, plutonijum-242 je bio najviša tačka na ovom grafikonu. I kako će onda ići ova kriva - sa daljim povećanjem masenog broja? Upravo 1 , što odgovara životnom vijeku od 30 miliona godina, ili do tačke 2 , koji je odgovoran za 300 miliona godina? Odgovor na ovo pitanje bio je veoma važan za geonauke. U prvom slučaju, da se prije 5 milijardi godina Zemlja sastojala u potpunosti od 244 Pu, sada bi u cijeloj masi Zemlje ostao samo jedan atom plutonijuma-244. Ako je druga pretpostavka tačna, tada bi plutonijum-244 mogao biti u Zemlji u koncentracijama koje bi već mogle biti otkrivene. Ako bismo imali sreće da pronađemo ovaj izotop u Zemlji, nauka bi dobila najvrednije informacije o procesima koji su se odvijali tokom formiranja naše planete.
Prije nekoliko godina, naučnici su se suočili s pitanjem: vrijedi li pokušati pronaći teški plutonijum u Zemlji? Da bi se odgovorilo, bilo je potrebno prije svega odrediti vrijeme poluraspada plutonijuma-244. Teoretičari nisu mogli izračunati ovu vrijednost sa potrebnom tačnošću. Sva nada je bila samo u eksperiment.
Plutonijum-244 akumuliran u nuklearnom reaktoru. Element br. 95, americij (izotop 243 Am), je ozračen. Nakon što je uhvatio neutron, ovaj izotop je prešao u americij-244; americij-244 u jednom od 10 hiljada slučajeva prešao je u plutonijum-244.
Preparat plutonijum-244 izolovan je iz mešavine americijuma i kurijuma. Uzorak je težio samo nekoliko milionitih delova grama. Ali oni su bili dovoljni da odrede vrijeme poluraspada ovog najzanimljivijeg izotopa. Ispostavilo se da je jednako 75 miliona godina. Kasnije su drugi istraživači precizirali vreme poluraspada plutonijuma-244, ali ne mnogo - 82,8 miliona godina. Godine 1971. pronađeni su tragovi ovog izotopa u mineralu rijetke zemlje bastnäsite.
Naučnici su učinili mnogo pokušaja da pronađu izotop transuranskog elementa koji živi duže od 244 Pu. Ali svi pokušaji su bili uzaludni. Svojevremeno su se nade polagale na kurijum-247, ali nakon što je ovaj izotop akumuliran u reaktoru, ispostavilo se da mu je vrijeme poluraspada samo 14 miliona godina. Nije bilo moguće oboriti rekord za plutonijum-244 - on je najdugovječniji od svih izotopa transuranijumskih elemenata.
Čak i teži izotopi plutonijuma su podložni beta raspadu, a njihov životni vek se kreće od nekoliko dana do nekoliko desetinki sekunde. Pouzdano znamo da svi izotopi plutonijuma, do 257 Pu, nastaju u termonuklearnim eksplozijama. Ali njihov životni vijek je desetinki sekunde, a mnogi kratkotrajni izotopi plutonijuma još nisu proučavani.
Mogućnosti prvog izotopa
I na kraju - o plutonijumu-238 - prvom od "ljudskih" izotopa plutonijuma, izotopa koji se u početku činio neperspektivnim. To je zapravo vrlo zanimljiv izotop. Podložan je alfa raspadu, tj. njegova jezgra spontano emituju alfa čestice - jezgra helijuma. Alfa čestice koje stvaraju jezgra plutonijuma-238 nose mnogo energije; raspršena u materiji, ova energija se pretvara u toplotu. Koliko je velika ova energija? Šest miliona elektron-volti se oslobađa kada se jedno atomsko jezgro plutonijum-238 raspadne. U hemijskoj reakciji, ista energija se oslobađa kada se nekoliko miliona atoma oksidira. Izvor električne energije koji sadrži jedan kilogram plutonijuma-238 razvija toplotnu snagu od 560 vati. Maksimalna snaga hemijskog izvora struje iste mase je 5 vati.
Postoji mnogo emitera sa sličnim energetskim karakteristikama, ali jedna karakteristika plutonijuma-238 čini ovaj izotop nezamenljivim. Tipično, alfa raspad je praćen jakim gama zračenjem koje prodire kroz velike debljine materije. 238 Pu je izuzetak. Energija gama kvanta koji prati raspad njegovih jezgara je niska i nije teško odbraniti se od nje: zračenje se apsorbira tankosidnim spremnikom. Vjerovatnoća spontane nuklearne fisije ovog izotopa je također mala. Stoga je pronašao primjenu ne samo u trenutnim izvorima, već iu medicini. Baterije sa plutonijumom-238 služe kao izvor energije u specijalnim srčanim stimulatorima.
Ali 238 Pu nije najlakši od poznatih izotopa elementa broj 94; dobijeni su izotopi plutonijuma sa masenim brojevima od 232 do 237. Poluživot najlakšeg izotopa je 36 minuta.
Plutonijum je velika tema. Ovdje je najvažnije od najvažnijih. Uostalom, već je postala standardna fraza da je hemija plutonijuma proučavana mnogo bolje od hemije takvih "starih" elemenata kao što je gvožđe. O nuklearnim svojstvima plutonijuma napisane su čitave knjige. Metalurgija plutonijuma je još jedan neverovatan deo ljudskog znanja... Zato ne treba da mislite da ste nakon čitanja ove priče zaista upoznali plutonijum, najvažniji metal 20. veka.
