Waffenfähiges Plutonium ist Plutonium in Form eines kompakten Metalls, das mindestens 93,5 % des Isotops 239Pu enthält. Bestimmt für die Herstellung von Atomwaffen.
1.Name und Merkmale
Sie nennen es „Waffenqualität“, um es von „Reaktorqualität“ zu unterscheiden. Plutonium entsteht in jedem Kernreaktor, der mit natürlichem oder schwach angereichertem Uran betrieben wird, das hauptsächlich das Isotop 238U enthält, wenn es überschüssige Neutronen einfängt. Doch während der Reaktor läuft, verbrennt das waffenfähige Isotop Plutonium schnell, und infolgedessen sammeln sich im Reaktor eine große Anzahl der Isotope 240Pu, 241Pu und 242Pu an, die durch den sukzessiven Einfang mehrerer Neutronen entstehen – seit der Abbrandtiefe wird in der Regel durch wirtschaftliche Faktoren bestimmt. Je geringer die Abbrandtiefe, desto weniger Isotope 240Pu, 241Pu und 242Pu enthalten Plutonium, das aus dem bestrahlten Kernbrennstoff abgetrennt wird, aber desto weniger Plutonium wird im Brennstoff gebildet.
Eine spezielle Produktion von Plutonium für Waffen, die fast ausschließlich 239Pu enthalten, ist vor allem deshalb erforderlich, weil Isotope mit den Massenzahlen 240 und 242 einen hohen Neutronenhintergrund erzeugen, was die Entwicklung effektiver Atomwaffen erschwert, außerdem haben 240Pu und 241Pu eine deutlich kürzere Halbwertszeit als 239Pu, wodurch sich die Plutoniumteile erhitzen, und es ist notwendig, zusätzlich Wärmeableitungselemente in die Konstruktion der Atomwaffe einzubauen. Selbst reines 239Pu ist wärmer als der menschliche Körper. Darüber hinaus zerstören die Zerfallsprodukte schwerer Isotope das Kristallgitter des Metalls, was zu einer Formänderung von Plutoniumteilen führen kann, was zum Versagen eines nuklearen Sprengsatzes führen kann.
Grundsätzlich können alle diese Schwierigkeiten überwunden werden, und nukleare Sprengkörper aus „Reaktor“-Plutonium wurden erfolgreich getestet, jedoch in Munition, bei der Kompaktheit, geringes Gewicht, Zuverlässigkeit und Haltbarkeit eine wichtige Rolle spielen, ausschließlich speziell hergestellte Waffen in Waffenqualität Plutonium wird verwendet. Die kritische Masse von metallischem 240Pu und 242Pu ist sehr groß, 241Pu ist etwas größer als die von 239Pu.
2.Produktion
In der UdSSR erfolgte die Produktion von waffenfähigem Plutonium zunächst im Mayak-Werk in Ozersk (ehemals Tscheljabinsk-40, Tscheljabinsk-65), dann im sibirischen Chemiewerk in Sewersk (ehemals Tomsk-7) und später im Das Krasnojarsker Bergbauwerk wurde in Betrieb genommen – ein Chemiewerk in Zheleznogorsk (auch bekannt als Sotsgorod und Krasnojarsk-26). Die Produktion von waffenfähigem Plutonium wurde in Russland 1994 eingestellt. 1999 wurden die Reaktoren in Osjorsk und Sewersk abgeschaltet, 2010 der letzte Reaktor in Schelesnogorsk.
In den Vereinigten Staaten wurde an mehreren Orten waffenfähiges Plutonium produziert, beispielsweise im Hanford-Komplex im Bundesstaat Washington. Die Produktion wurde 1988 eingestellt.
3.Synthese neuer Elemente
Die Umwandlung einiger Atome in andere erfolgt durch die Wechselwirkung atomarer oder subatomarer Teilchen. Davon stehen nur Neutronen in großen Mengen zur Verfügung. Ein Gigawatt-Kernreaktor produziert im Laufe eines Jahres etwa 3,75 kg (oder 4 * 1030) Neutronen.
4.Plutoniumproduktion
Plutoniumatome entstehen als Ergebnis einer Kette atomarer Reaktionen, die mit dem Einfangen eines Neutrons durch ein Uran-238-Atom beginnen:
U238 + n -> U239 -> Np239 -> Pu239
oder genauer:
0n1 + 92U238 -> 92U239 -> -1e0 + 93Np239 -> -1e0 + 94Pu239
Bei fortgesetzter Bestrahlung können einige Atome von Plutonium-239 wiederum ein Neutron einfangen und sich in das schwerere Isotop Plutonium-240 umwandeln:
Pu239 + n -> Pu240
Um Plutonium in ausreichender Menge zu gewinnen, sind starke Neutronenflüsse erforderlich. Genau diese entstehen in Kernreaktoren. Grundsätzlich ist jeder Reaktor eine Neutronenquelle, für die industrielle Produktion von Plutonium ist es jedoch selbstverständlich, einen speziell für diesen Zweck konzipierten Reaktor zu verwenden.
Der weltweit erste kommerzielle Reaktor zur Plutoniumproduktion war der B-Reaktor in Hanford. Gearbeitet am 26. September 1944, Leistung - 250 MW, Produktivität - 6 kg Plutonium pro Monat. Es enthielt etwa 200 Tonnen Uranmetall und 1200 Tonnen Graphit und wurde mit Wasser mit einer Geschwindigkeit von 5 Kubikmetern pro Minute gekühlt.
Beladungstafel des Hanford-Reaktors mit Urankassetten:
Schema seiner Arbeit. In einem Reaktor zur Bestrahlung von Uran-238 entstehen Neutronen durch eine stationäre Kettenreaktion der Spaltung von Uran-235-Kernen. Im Durchschnitt werden pro Spaltung von U-235 2,5 Neutronen erzeugt. Um die Reaktion aufrechtzuerhalten und gleichzeitig Plutonium zu produzieren, ist es notwendig, dass im Durchschnitt ein oder zwei Neutronen von U-238 absorbiert werden, und eines davon würde die Spaltung des nächsten U-235-Atoms bewirken.
Neutronen, die bei der Uranspaltung entstehen, haben sehr hohe Geschwindigkeiten. Uranatome sind so angeordnet, dass das Einfangen schneller Neutronen durch die Kerne von U-238 und U-235 unwahrscheinlich ist. Daher werden schnelle Neutronen nach mehreren Kollisionen mit umgebenden Atomen allmählich langsamer. In diesem Fall absorbieren U-238-Kerne solche Neutronen (mittlere Geschwindigkeiten) so stark, dass nichts mehr übrig bleibt, um U-235 zu spalten und die Kettenreaktion aufrechtzuerhalten (U-235 wird von langsamen, thermischen Neutronen abgespalten).
Dem wirkt ein Moderator, eine leichte Substanz, die die Uranblöcke umgibt, entgegen. Darin werden Neutronen ohne Absorption abgebremst und erleben elastische Stöße, bei denen jeweils ein kleiner Teil der Energie verloren geht. Gute Moderatoren sind Wasser und Kohlenstoff. Daher wandern auf thermische Geschwindigkeit verlangsamte Neutronen durch den Reaktor, bis sie die Spaltung von U-235 bewirken (U-238 absorbiert sie nur sehr schwach). Mit einer bestimmten Konfiguration des Moderators und der Uranstäbe werden Bedingungen für die Absorption von Neutronen sowohl durch U-238 als auch durch U-235 geschaffen.
Die Isotopenzusammensetzung des entstehenden Plutoniums hängt von der Verweildauer der Uranstäbe im Reaktor ab. Bei längerer Bestrahlung einer Kassette mit Uran kommt es zu einer erheblichen Anreicherung von Pu-240. Bei einer kurzen Verweilzeit von Uran im Reaktor wird Pu-239 mit einem unbedeutenden Gehalt an Pu-240 erhalten.
Pu-240 ist aus folgenden Gründen schädlich für die Waffenproduktion:
1. Es ist weniger spaltbar als Pu-239, daher wird für die Herstellung von Waffen etwas mehr Plutonium benötigt.
2. Zweiter, viel wichtigerer Grund. Der Grad der spontanen Spaltung in Pu-240 ist viel höher, was zu einem starken Neutronenhintergrund führt.
In den frühen Jahren der Atomwaffenentwicklung war die Neutronenemission (hoher Neutronenhintergrund) aufgrund vorzeitiger Detonation ein Problem beim Erreichen einer zuverlässigen und effektiven Ladung. Starke Neutronenflüsse machten es schwierig oder unmöglich, einen mehrere Kilogramm Plutonium enthaltenden Bombenkern in einen überkritischen Zustand zu komprimieren – zuvor wurde er durch die stärkste, aber noch nicht maximal mögliche Energieabgabe zerstört. Mit dem Aufkommen gemischter Kerne – die hochangereichertes U-235 und Plutonium enthielten (Ende der 1940er Jahre) – wurde diese Schwierigkeit überwunden, als es möglich wurde, relativ geringe Mengen Plutonium in überwiegend aus Uran bestehenden Kernen zu verwenden. Die nächste Generation von Ladungen, fusionsverstärkte Geräte (Mitte der 1950er Jahre), beseitigten dieses Problem vollständig und garantierten eine hohe Energiefreisetzung auch bei anfänglichen Spaltladungen mit geringer Leistung.
In speziellen Reaktoren hergestelltes Plutonium enthält einen relativ geringen Anteil an Pu-240 (<7%), плутоний "оружейного качества"; в реакторах АЭС отработанное ядерное топливо имеет концентрацию Pu-240 более 20%, плутоний "реакторного качества".
In Spezialreaktoren ist Uran nur für einen relativ kurzen Zeitraum vorhanden, in dem nicht das gesamte U-235 verbrennt und nicht das gesamte U-238 in Plutonium umgewandelt wird, sondern eine geringere Menge Pu-240 entsteht.
Es gibt zwei Gründe für die Produktion von Plutonium mit niedrigem Pu-240-Gehalt:
Wirtschaftlich: der einzige Grund für die Existenz von Plutonium-Spezialreaktoren. Der Zerfall von Plutonium durch Spaltung oder seine Umwandlung in weniger spaltbares Pu-240 verringert die Erträge und erhöht die Produktionskosten (bis zu dem Punkt, an dem sich sein Preis mit den Kosten für die Verarbeitung von bestrahltem Brennstoff mit niedrigen Plutoniumkonzentrationen ausgleicht).
Schwierigkeiten bei der Handhabung: Während die Neutronenemission für Waffenkonstrukteure kein großes Problem darstellt, kann sie bei der Herstellung und Handhabung einer solchen Ladung zu Herausforderungen führen. Neutronen tragen zusätzlich zur beruflichen Exposition derjenigen bei, die Waffen zusammenbauen oder warten (Neutronen selbst ionisieren nicht, erzeugen aber Protonen, die dies können). Tatsächlich erfordern Ladungen, die direkten Kontakt mit Menschen beinhalten, wie etwa die Davy Crocket, aus diesem Grund möglicherweise hochreines Plutonium mit geringer Neutronenemission.
Das eigentliche Gießen und Verarbeiten von Plutonium erfolgt von Hand in versiegelten Kammern mit Handschuhen des Bedieners. Wie diese:
Dies bedeutet, dass der Schutz des Menschen vor neutronenemittierendem Plutonium sehr gering ist. Daher wird Plutonium mit einem hohen Gehalt an Pu-240 nur von Manipulatoren verarbeitet, oder die Zeit, die jeder Arbeiter damit arbeitet, ist streng begrenzt.
Aus all diesen Gründen (Radioaktivität, schlechtere Eigenschaften von Pu-240) wird erklärt, warum Plutonium in Reaktorqualität nicht für die Herstellung von Waffen verwendet wird – es ist billiger, speziell waffenfähiges Plutonium herzustellen. Reaktoren. Obwohl es offenbar auch möglich ist, aus einem Reaktor einen nuklearen Sprengsatz zu machen.
Plutoniumring
Dieser Ring besteht aus elektrolytisch gereinigtem Plutoniummetall (über 99,96 % rein). Typisch für die Ringe, die in Los Alamos hergestellt und zur Waffenherstellung nach Rocky Flats geschickt wurden, bis die Produktion kürzlich eingestellt wurde. Die Masse des Rings beträgt 5,3 kg, ausreichend für die Herstellung einer modernen strategischen Ladung, der Durchmesser beträgt ca. 11 cm. Die Ringform ist wichtig für die Gewährleistung kritischer Sicherheit.
Guss einer aus einem Waffenkern gewonnenen Plutonium-Gallium-Legierung:
Plutonium während des Manhattan-Projekts
Historisch gesehen waren es die ersten 520 Milligramm Plutoniummetall, die Ted Magel und Nick Dallas am 23. März 1944 in Los Alamos produzierten:
Presse zum Heißpressen einer Plutonium-Gallium-Legierung in Form von Halbkugeln. Diese Presse wurde in Los Alamos zur Herstellung von Plutoniumkernen für die in Nagasaki und bei der Operation Trinity gezündeten Sprengladungen verwendet.
Darauf gegossene Produkte:
Zusätzliche Nebenproduktisotope von Plutonium
Durch den Neutroneneinfang, der nicht mit einer Spaltung einhergeht, entstehen neue Plutoniumisotope: Pu-240, Pu-241 und Pu-242. Die letzten beiden fallen in kleinen Mengen an.
Pu239 + n -> Pu240
Pu240 + n -> Pu241
Pu241 + n -> Pu242
Auch eine Nebenreaktionskette ist möglich:
U238 + n -> U237 + 2n
U237 -> (6,75 Tage, Betazerfall) -> Np237
Np237 + n -> Np238
Np238 -> (2,1 Tage, Betazerfall) -> Pu238
Das Gesamtmaß der Strahlung (Abfall) einer Brennstoffzelle kann in Megawatttagen/Tonne (MW-Tag/t) ausgedrückt werden. Waffentaugliches Plutonium Qualität wird aus Elementen mit einer geringen Menge an MW-Tag/t gewonnen, es entstehen weniger Nebenproduktisotope. Brennstoffzellen in modernen Druckwasserreaktoren erreichen Leistungen von 33.000 MW-Tag/t. Die typische Exposition in einem Waffenbrüterreaktor (mit erweiterter Züchtung von Kernbrennstoff) beträgt 1000 MW-Tag/Tonne. Plutonium wird in den graphitmoderierten Reaktoren von Hanford mit bis zu 600 MW-Tag/t bestrahlt, in Savannah produziert der Schwerwasserreaktor Plutonium der gleichen Qualität mit 1000 MW-Tag/t (möglicherweise aufgrund der Tatsache, dass einige der Neutronen bestrahlt werden). für die Bildung von Tritium aufgewendet). Während des Manhattan-Projekts erhielt der natürliche Uranbrennstoff nur 100 MW-Tag/t, wodurch sehr hochwertiges Plutonium-239 produziert wurde (nur 0,9-1 % Pu-240, andere Isotope in noch geringeren Mengen).
Verwandte Informationen.
Plutonium wurde Ende 1940 an der University of California entdeckt. Es wurde von McMillan, Kennedy und Wahl durch Beschuss von Uranoxid (U 3 O 8) mit Deuteriumkernen (Deuteronen) synthetisiert, die in einem Zyklotron hochbeschleunigt wurden. Später stellte sich heraus, dass bei dieser Kernreaktion zunächst das kurzlebige Isotop Neptunium-238 und daraus Plutonium-238 mit einer Halbwertszeit von etwa 50 Jahren entsteht. Ein Jahr später synthetisierten Kennedy, Seaborg, Segre und Wahl ein wichtigeres Isotop, Plutonium-239, indem sie Uran in einem Zyklotron mit hochbeschleunigten Neutronen bestrahlten. Plutonium-239 entsteht durch den Zerfall von Neptunium-239; Es sendet Alphastrahlen aus und hat eine Halbwertszeit von 24.000 Jahren. Die reine Plutoniumverbindung wurde erstmals 1942 gewonnen. Dann wurde bekannt, dass in Uranerzen, insbesondere in im Kongo gelagerten Erzen, natürliches Plutonium gefunden wurde.
Der Name des Elements wurde 1948 vorgeschlagen: McMillan nannte das erste transuranische Element Neptunium, da der Planet Neptun der erste Planet jenseits von Uranus ist. Analog dazu beschlossen sie, Element 94 Plutonium zu nennen, da der Planet Pluto nach Uranus der zweitgrößte ist. Pluto wurde 1930 entdeckt und erhielt seinen Namen vom Namen des Gottes Pluto, dem Herrscher der Unterwelt in der griechischen Mythologie. Zu Beginn des 19. Jahrhunderts. Clark schlug vor, das Element Barium Plutonium zu nennen und leitete diesen Namen direkt vom Namen des Gottes Pluto ab, doch sein Vorschlag wurde nicht angenommen.
Dieses Metall wird als kostbar bezeichnet, aber nicht wegen seiner Schönheit, sondern wegen seiner Unersetzlichkeit. Im Periodensystem von Mendelejew steht dieses Element auf Platz 94. Darauf setzen Wissenschaftler ihre größten Hoffnungen, und Plutonium bezeichnen sie als das gefährlichste Metall für die Menschheit.
Plutonium: Beschreibung
Vom Aussehen her handelt es sich um ein silberweißes Metall. Es ist radioaktiv und kann in Form von 15 Isotopen mit unterschiedlichen Halbwertszeiten dargestellt werden, zum Beispiel:
- Pu-238 – etwa 90 Jahre
- Pu-239 – etwa 24.000 Jahre
- Pu-240 – 6580 Jahre
- Pu-241 – 14 Jahre
- Pu-242 – 370.000 Jahre
- Pu-244 – etwa 80 Millionen Jahre
Dieses Metall kann nicht aus Erzen gewonnen werden, da es ein Produkt der radioaktiven Umwandlung von Uran ist.
Wie wird Plutonium gewonnen?
Die Herstellung von Plutonium erfordert die Spaltung von Uran, was nur in Kernreaktoren möglich ist. Wenn wir über das Vorhandensein des Elements Pu in der Erdkruste sprechen, dann kommt auf 4 Millionen Tonnen Uranerz nur 1 Gramm reines Plutonium. Und dieses Gramm entsteht durch den natürlichen Einfang von Neutronen durch Urankerne. Um diesen Kernbrennstoff (normalerweise das Isotop 239-Pu) in einer Menge von mehreren Kilogramm zu erhalten, ist es daher notwendig, einen komplexen technologischen Prozess in einem Kernreaktor durchzuführen.
Eigenschaften von Plutonium
Das radioaktive Metall Plutonium hat folgende physikalische Eigenschaften:
- Dichte 19,8 g/cm3
- Schmelzpunkt – 641°C
- Siedepunkt – 3232°C
- Wärmeleitfähigkeit (bei 300 K) – 6,74 W/(m·K)
Plutonium ist radioaktiv und fühlt sich deshalb warm an. Darüber hinaus zeichnet sich dieses Metall durch die niedrigste thermische und elektrische Leitfähigkeit aus. Flüssiges Plutonium ist das viskoseste aller existierenden Metalle.
Die geringste Temperaturänderung von Plutonium führt zu einer sofortigen Änderung der Dichte der Substanz. Im Allgemeinen ändert sich die Masse von Plutonium ständig, da sich die Kerne dieses Metalls in einem Zustand ständiger Spaltung in kleinere Kerne und Neutronen befinden. Als kritische Masse von Plutonium bezeichnet man die Mindestmasse eines spaltbaren Stoffes, bei der eine Spaltung (eine nukleare Kettenreaktion) noch möglich ist. Beispielsweise beträgt die kritische Masse von waffenfähigem Plutonium 11 kg (zum Vergleich: Die kritische Masse von hochangereichertem Uran beträgt 52 kg).
Uran und Plutonium sind die wichtigsten Kernbrennstoffe. Um Plutonium in großen Mengen zu gewinnen, werden zwei Technologien eingesetzt:
- Uranbestrahlung
- Bestrahlung von Transuranelementen, die aus abgebrannten Brennelementen gewonnen werden
Bei beiden Methoden erfolgt die Trennung von Plutonium und Uran durch eine chemische Reaktion.
Um reines Plutonium-238 zu erhalten, wird die Neutronenbestrahlung von Neptunium-237 verwendet. Dasselbe Isotop ist an der Entstehung des waffenfähigen Plutonium-239 beteiligt, insbesondere handelt es sich dabei um ein Zerfallszwischenprodukt. 1 Million US-Dollar ist der Preis für 1 kg Plutonium-238.
Die Menschheit war schon immer auf der Suche nach neuen Energiequellen, die viele Probleme lösen können. Allerdings sind sie nicht immer sicher. Insbesondere diejenigen, die heute weit verbreitet sind, bergen, obwohl sie in der Lage sind, enorme Mengen an elektrischer Energie zu erzeugen, die jeder braucht, immer noch eine tödliche Gefahr. Aber neben friedlichen Zwecken haben einige Länder auf unserem Planeten gelernt, es auch für militärische Zwecke zu nutzen, insbesondere zur Herstellung von Atomsprengköpfen. In diesem Artikel wird die Grundlage solcher zerstörerischer Waffen erörtert, deren Name waffenfähiges Plutonium ist.
Brief Information
Diese kompakte Form des Metalls enthält mindestens 93,5 % des 239Pu-Isotops. Waffenfähiges Plutonium wurde benannt, um es von seinem „Reaktor-Gegenstück“ unterscheiden zu können. Grundsätzlich entsteht Plutonium immer in absolut jedem Kernreaktor, der wiederum mit schwach angereichertem oder natürlichem Uran betrieben wird, das zum größten Teil das Isotop 238U enthält.
Anwendung in der Militärindustrie
Waffenfähiges Plutonium 239Pu ist die Grundlage für Atomwaffen. Gleichzeitig ist die Verwendung von Isotopen mit den Massenzahlen 240 und 242 irrelevant, da sie einen sehr hohen Neutronenhintergrund erzeugen, der letztendlich die Herstellung und Konstruktion hochwirksamer Kernmunition erschwert. Darüber hinaus haben die Plutoniumisotope 240Pu und 241Pu im Vergleich zu 239Pu eine deutlich kürzere Halbwertszeit, sodass Plutoniumteile sehr heiß werden. Aus diesem Grund sind Ingenieure gezwungen, Atomwaffen zusätzlich Elemente zur Ableitung überschüssiger Wärme hinzuzufügen. Übrigens ist 239Pu in seiner reinen Form wärmer als der menschliche Körper. Es ist auch nicht zu übersehen, dass die Produkte des Zerfallsprozesses schwerer Isotope das Kristallgitter des Metalls schädlichen Veränderungen unterziehen, was ganz natürlich die Konfiguration von Plutoniumteilen verändert, was letztendlich der Fall sein kann einen Totalausfall eines nuklearen Sprengsatzes verursachen.
Im Großen und Ganzen können alle oben genannten Schwierigkeiten überwunden werden. Und in der Praxis wurden bereits mehrfach Tests auf Basis von „Reaktor“-Plutonium durchgeführt. Es sollte jedoch klar sein, dass bei Atomwaffen ihre Kompaktheit, ihr geringes Eigengewicht, ihre Haltbarkeit und Zuverlässigkeit keineswegs die unwichtigsten sind. Dabei verwenden sie ausschließlich waffenfähiges Plutonium.
Konstruktionsmerkmale von Produktionsreaktoren
Fast das gesamte Plutonium in Russland wurde in Reaktoren hergestellt, die mit einem Graphitmoderator ausgestattet waren. Jeder der Reaktoren ist um zylindrisch zusammengesetzte Graphitblöcke herum gebaut.
Im zusammengebauten Zustand verfügen die Graphitblöcke über spezielle Schlitze dazwischen, um eine kontinuierliche Zirkulation des Kühlmittels, das Stickstoff verwendet, zu gewährleisten. Die zusammengebaute Struktur verfügt außerdem über vertikal angeordnete Kanäle, die für den Durchgang von Kühlwasser und Kraftstoff sorgen. Die Baugruppe selbst wird starr von einer Struktur mit Öffnungen unter den Kanälen getragen, die zum Ablassen bereits bestrahlten Brennstoffs dienen. Darüber hinaus befindet sich jeder der Kanäle in einem dünnwandigen Rohr, das aus einer leichten und extrem starken Aluminiumlegierung gegossen ist. Die meisten der beschriebenen Kanäle verfügen über 70 Brennstäbe. Kühlwasser umströmt die Brennstäbe direkt und entzieht ihnen überschüssige Wärme.
Steigerung der Leistung von Produktionsreaktoren
Der erste Majak-Reaktor arbeitete zunächst mit einer thermischen Leistung von 100 MW. Der Hauptführer des sowjetischen Atomwaffenprogramms schlug jedoch vor, dass der Reaktor im Winter mit einer Leistung von 170–190 MW und im Sommer mit 140–150 MW betrieben werden sollte. Durch diesen Ansatz konnte der Reaktor fast 140 Gramm wertvolles Plutonium pro Tag produzieren.
Im Jahr 1952 wurden umfassende Forschungsarbeiten durchgeführt, um die Produktionskapazität der in Betrieb befindlichen Reaktoren mit folgenden Methoden zu erhöhen:
- Durch die Erhöhung des Wasserdurchflusses, der zur Kühlung verwendet wird und durch die Kerne eines Kernkraftwerks fließt.
- Durch die Erhöhung des Widerstands gegen das Korrosionsphänomen, das in der Nähe der Kanalauskleidung auftritt.
- Reduzierung der Graphitoxidationsrate.
- Steigende Temperatur im Inneren von Brennstoffzellen.
Dadurch erhöhte sich der Durchsatz an zirkulierendem Wasser deutlich, nachdem der Spalt zwischen Brennstoff und Kanalwänden vergrößert wurde. Es ist uns auch gelungen, die Korrosion zu beseitigen. Hierzu wurden die am besten geeigneten Aluminiumlegierungen ausgewählt und mit der aktiven Zugabe von Natriumbichromat begonnen, was letztendlich die Weichheit des Kühlwassers erhöhte (pH-Wert betrug ca. 6,0–6,2). Die Oxidation von Graphit war kein drängendes Problem mehr, nachdem zur Kühlung Stickstoff verwendet wurde (zuvor wurde nur Luft verwendet).
In den späten 1950er Jahren wurden die Innovationen vollständig in die Praxis umgesetzt, indem sie die durch Strahlung verursachte, höchst unnötige Aufblähung von Uran reduzierten, die Hitzehärtung von Uranstäben deutlich reduzierten, die Umhüllungsbeständigkeit verbesserten und die Qualitätskontrolle in der Produktion verbesserten.
Produktion bei Mayak
„Tscheljabinsk-65“ ist eine dieser sehr geheimen Anlagen, in denen waffenfähiges Plutonium hergestellt wurde. Das Unternehmen verfügte über mehrere Reaktoren, und wir werden uns jeden einzelnen genauer ansehen.
Reaktor A
Die Installation wurde unter der Leitung des legendären N. A. Dollezhal entworfen und realisiert. Es wurde mit einer Leistung von 100 MW betrieben. Der Reaktor verfügte über 1149 vertikal angeordnete Steuer- und Brennstoffkanäle in einem Graphitblock. Das Gesamtgewicht der Struktur betrug etwa 1050 Tonnen. Fast alle Kanäle (außer 25) waren mit Uran beladen, dessen Gesamtmasse 120-130 Tonnen betrug. 17 Kanäle wurden für Steuerstäbe und 8 für Experimente verwendet. Die maximale Auslegungswärmeabgabe der Brennstoffzelle betrug 3,45 kW. Zunächst produzierte der Reaktor etwa 100 Gramm Plutonium pro Tag. Das erste metallische Plutonium wurde am 16. April 1949 hergestellt.
Technologische Nachteile
Fast sofort wurden ziemlich schwerwiegende Probleme festgestellt, die in der Korrosion von Aluminiumauskleidungen und der Beschichtung von Brennstoffzellen bestanden. Auch die Uranstäbe schwollen an und wurden beschädigt, wodurch Kühlwasser direkt in den Reaktorkern austrat. Nach jedem Leck musste der Reaktor für bis zu 10 Stunden angehalten werden, um den Graphit mit Luft zu trocknen. Im Januar 1949 wurden die Kanalauskleidungen ausgetauscht. Danach wurde die Anlage am 26. März 1949 in Betrieb genommen.
Waffenfähiges Plutonium, dessen Herstellung im Reaktor A mit allerlei Schwierigkeiten verbunden war, wurde im Zeitraum 1950-1954 mit einer durchschnittlichen Blockleistung von 180 MW produziert. Der spätere Betrieb des Reaktors ging mit einer intensiveren Nutzung einher, was ganz natürlich zu häufigeren Abschaltungen (bis zu 165 Mal pro Monat) führte. Infolgedessen wurde der Reaktor im Oktober 1963 abgeschaltet und erst im Frühjahr 1964 wieder in Betrieb genommen. Es schloss seine Kampagne im Jahr 1987 vollständig ab und produzierte im gesamten langjährigen Betriebszeitraum 4,6 Tonnen Plutonium.
AB-Reaktoren
Im Herbst 1948 wurde beschlossen, drei AB-Reaktoren im Unternehmen Tscheljabinsk-65 zu bauen. Ihre Produktionskapazität betrug 200-250 Gramm Plutonium pro Tag. Der Chefdesigner des Projekts war A. Savin. Jeder Reaktor bestand aus 1996 Kanälen, davon 65 Kontrollkanäle. Bei den Installationen kam eine technische Innovation zum Einsatz: Jeder Kanal war mit einem speziellen Kühlmittelleckdetektor ausgestattet. Dieser Schritt machte es möglich, die Auskleidungen zu wechseln, ohne den Betrieb des Reaktors selbst zu unterbrechen.
Das erste Betriebsjahr der Reaktoren zeigte, dass sie etwa 260 Gramm Plutonium pro Tag produzierten. Doch bereits ab dem zweiten Betriebsjahr wurde die Leistung sukzessive erhöht und lag bereits 1963 bei 600 MW. Nach der zweiten Überholung war das Problem mit den Linern vollständig gelöst und die Leistung betrug bereits 1200 MW bei einer jährlichen Plutoniumproduktion von 270 Kilogramm. Diese Indikatoren blieben bestehen, bis die Reaktoren vollständig geschlossen waren.
AI-IR-Reaktor
Das Unternehmen Tscheljabinsk nutzte diese Anlage vom 22. Dezember 1951 bis 25. Mai 1987. Neben Uran produzierte der Reaktor auch Kobalt-60 und Polonium-210. Zunächst produzierte die Anlage Tritium, später begann sie jedoch mit der Produktion von Plutonium.
Außerdem verfügte die Anlage zur Verarbeitung von waffenfähigem Plutonium über Schwerwasserreaktoren und einen einzigen Leichtwasserreaktor (der Name lautete „Ruslan“).
Sibirischer Riese
„Tomsk-7“ hieß die Anlage, in der fünf Reaktoren zur Herstellung von Plutonium untergebracht waren. Jede der Einheiten verwendete Graphit, um die Neutronen zu verlangsamen, und gewöhnliches Wasser, um eine ordnungsgemäße Kühlung sicherzustellen.
Der I-1-Reaktor arbeitete mit einem Kühlsystem, das einmal von Wasser durchströmt wurde. Die übrigen vier Anlagen waren jedoch mit geschlossenen Primärkreisläufen ausgestattet, die mit Wärmetauschern ausgestattet waren. Diese Konstruktion ermöglichte die zusätzliche Erzeugung von Dampf, was wiederum zur Stromerzeugung und Beheizung verschiedener Wohnräume beitrug.
Tomsk-7 verfügte außerdem über einen Reaktor namens EI-2, der wiederum einen doppelten Zweck hatte: Er produzierte Plutonium und erzeugte durch den erzeugten Dampf 100 MW Strom sowie 200 MW Wärmeenergie.
Wichtige Informationen
Laut Wissenschaftlern beträgt die Halbwertszeit von waffenfähigem Plutonium etwa 24.360 Jahre. Große Zahl! Besonders akut wird in diesem Zusammenhang die Frage: „Wie geht man richtig mit den Abfällen aus der Produktion dieses Elements um?“ Als beste Option gilt der Aufbau spezieller Betriebe zur Weiterverarbeitung von waffenfähigem Plutonium. Dies erklärt sich aus der Tatsache, dass das Element in diesem Fall nicht mehr für militärische Zwecke genutzt werden kann und unter menschlicher Kontrolle steht. Auf genau diese Weise wird waffenfähiges Plutonium in Russland entsorgt, doch die Vereinigten Staaten von Amerika gehen einen anderen Weg und verstoßen damit gegen ihre internationalen Verpflichtungen.
So schlägt die amerikanische Regierung vor, hochangereichertes Material nicht mit industriellen Mitteln zu zerstören, sondern durch Verdünnung von Plutonium und dessen Lagerung in speziellen Behältern in einer Tiefe von 500 Metern. Es versteht sich von selbst, dass das Material in diesem Fall jederzeit problemlos vom Boden entfernt und erneut für militärische Zwecke verwendet werden kann. Nach Angaben des russischen Präsidenten Wladimir Putin einigten sich die Länder zunächst darauf, Plutonium nicht auf diese Weise zu vernichten, sondern in Industrieanlagen zu entsorgen.
Besondere Aufmerksamkeit verdienen die Kosten für waffenfähiges Plutonium. Laut Experten könnten Dutzende Tonnen dieses Elements durchaus mehrere Milliarden US-Dollar kosten. Und einige Experten haben 500 Tonnen waffenfähiges Plutonium sogar auf bis zu 8 Billionen Dollar geschätzt. Die Menge ist wirklich beeindruckend. Um zu verdeutlichen, wie viel Geld das ist, nehmen wir an, dass das durchschnittliche jährliche BIP Russlands in den letzten zehn Jahren des 20. Jahrhunderts 400 Milliarden US-Dollar betrug. Das heißt, der tatsächliche Preis für waffenfähiges Plutonium entsprach zwanzig jährlichen BIP der Russischen Föderation.
Er ist wirklich wertvoll.
Hintergrund und Geschichte
Am Anfang waren Protonen – galaktischer Wasserstoff. Durch seine Kompression und die anschließenden Kernreaktionen entstanden die unglaublichsten „Barren“ von Nukleonen. Unter diesen „Barren“ befanden sich offenbar solche mit 94 Protonen. Schätzungen der Theoretiker gehen davon aus, dass etwa 100 Nukleonenformationen, darunter 94 Protonen und 107 bis 206 Neutronen, so stabil sind, dass sie als Kerne der Isotope des Elements Nr. 94 betrachtet werden können.
Aber alle diese Isotope – hypothetische und reale – sind nicht so stabil, dass sie seit der Entstehung der Elemente des Sonnensystems bis heute überleben könnten. Die Halbwertszeit des langlebigsten Isotops des Elements Nr. 94 beträgt 75 Millionen Jahre. Das Alter der Galaxis wird in Milliarden Jahren gemessen. Folglich hatte das „ursprüngliche“ Plutonium bis heute keine Überlebenschance. Wenn es während der großen Synthese der Elemente des Universums entstanden ist, dann sind seine alten Atome längst „ausgestorben“, genau wie Dinosaurier und Mammuts ausgestorben sind.
Im 20. Jahrhundert Neue Ära, AD, dieses Element wurde neu erstellt. Von den 100 möglichen Plutoniumisotopen wurden 25 synthetisiert. Die nuklearen Eigenschaften von 15 von ihnen wurden untersucht. Vier davon haben praktische Anwendung gefunden. Und es wurde erst vor kurzem eröffnet. Im Dezember 1940 entdeckte eine Gruppe amerikanischer Radiochemiker um Glenn T. Seaborg bei der Bestrahlung von Uran mit schweren Wasserstoffkernen einen bisher unbekannten Alphateilchen-Emitter mit einer Halbwertszeit von 90 Jahren. Es stellte sich heraus, dass es sich bei diesem Emitter um das Isotop des Elements Nr. 94 mit der Massenzahl 238 handelte. Im selben Jahr, aber einige Monate zuvor, entdeckte E.M. McMillan und F. Abelson erhielten das erste Element, das schwerer als Uran ist – Element Nr. 93. Dieses Element wurde Neptunium genannt und das 94. wurde Plutonium genannt. Der Historiker wird sicherlich sagen, dass diese Namen aus der römischen Mythologie stammen, aber im Wesentlichen ist der Ursprung dieser Namen eher nicht mythologisch, sondern astronomisch.
Die Elemente Nr. 92 und 93 sind nach den fernen Planeten des Sonnensystems benannt – Uranus und Neptun, aber Neptun ist nicht der letzte im Sonnensystem, noch weiter liegt die Umlaufbahn von Pluto – einem Planeten, über den noch fast nichts bekannt ist. .. Eine ähnliche Konstruktion sehen wir auch auf der „linken Flanke“ des Periodensystems: Uran – Neptunium – Plutonium, allerdings weiß die Menschheit viel mehr über Plutonium als über Pluto. Übrigens entdeckten Astronomen Pluto nur zehn Jahre vor der Synthese von Plutonium – fast im gleichen Zeitraum trennten die Entdeckungen des Planeten Uranus und des Elements Uran.
Rätsel für Kryptographen
Das erste Isotop des Elements Nr. 94, Plutonium-238, hat heutzutage praktische Anwendung gefunden. Aber in den frühen 40ern dachten sie noch nicht einmal darüber nach. Es ist nur möglich, Plutonium-238 in praktisch interessanten Mengen zu erhalten, wenn man sich auf die leistungsstarke Atomindustrie verlässt. Damals steckte es noch in den Kinderschuhen. Es war jedoch bereits klar, dass durch die Freisetzung der in den Kernen schwerer radioaktiver Elemente enthaltenen Energie Waffen von beispielloser Kraft hergestellt werden konnten. Es entstand das Manhattan-Projekt, das mit dem berühmten New Yorker Stadtteil nichts weiter als einen Namen gemeinsam hatte. Dies war die allgemeine Bezeichnung für alle Arbeiten im Zusammenhang mit der Entwicklung der ersten Atombomben in den Vereinigten Staaten. Es war kein Wissenschaftler, sondern ein Militär, General Groves, der zum Leiter des Manhattan-Projekts ernannt wurde und seine hochgebildeten Schützlinge „liebevoll“ als „zerbrochene Töpfe“ bezeichnete.
Die Leiter des „Projekts“ waren nicht an Plutonium-238 interessiert. Seine Kerne sind, wie die Kerne aller Plutoniumisotope mit gerader Massenzahl, nicht durch niederenergetische Neutronen* spaltbar, sodass es nicht als Kernsprengstoff dienen könnte. Dennoch erschienen die ersten nicht ganz klaren Berichte über die Elemente Nr. 93 und 94 erst im Frühjahr 1942 in gedruckter Form.
* Als niederenergetische Neutronen bezeichnen wir Neutronen, deren Energie 10 keV nicht überschreitet. Neutronen mit einer Energie in Bruchteilen eines Elektronvolts werden als thermisch bezeichnet, und die langsamsten Neutronen mit einer Energie von weniger als 0,005 eV werden als kalt bezeichnet. Beträgt die Neutronenenergie mehr als 100 keV, gilt ein solches Neutron als schnell.
Wie können wir das erklären? Die Physiker verstanden: Die Synthese von Plutoniumisotopen mit ungeraden Massenzahlen war eine Frage der Zeit, und zwar nicht allzu langer Zeit. Es wurde erwartet, dass seltsame Isotope wie Uran-235 eine nukleare Kettenreaktion unterstützen können. Einige Leute sahen in ihnen potenzielle Atomsprengstoffe, die noch nicht eingetroffen seien. Und Plutonium hat diese Hoffnungen leider gerechtfertigt.
In der damaligen Verschlüsselung wurde das Element Nr. 94 nichts anderes genannt als ... Kupfer. Und als der Bedarf an Kupfer selbst entstand (als Strukturmaterial für einige Teile), tauchte in den Codes neben „Kupfer“ auch „echtes Kupfer“ auf.
„Der Baum der Erkenntnis von Gut und Böse“
Im Jahr 1941 wurde das wichtigste Isotop von Plutonium entdeckt – ein Isotop mit der Massenzahl 239. Und fast sofort wurde die Vorhersage der Theoretiker bestätigt: Die Kerne von Plutonium-239 wurden durch thermische Neutronen gespalten. Darüber hinaus wurden bei ihrer Spaltung nicht weniger Neutronen erzeugt als bei der Spaltung von Uran-235. Es wurden sofort Möglichkeiten aufgezeigt, dieses Isotop in großen Mengen zu gewinnen ...
Jahre sind vergangen. Nun ist es für niemanden ein Geheimnis, dass die in den Arsenalen gelagerten Atombomben mit Plutonium-239 gefüllt sind und dass diese Bomben ausreichen, um allen Leben auf der Erde irreparablen Schaden zuzufügen.
Es besteht die weitverbreitete Überzeugung, dass die Menschheit es mit der Entdeckung der nuklearen Kettenreaktion (deren unvermeidliche Folge die Entwicklung einer Atombombe war) eindeutig eilig hatte. Man kann anders denken oder so tun, als würde man anders denken – es ist angenehmer, ein Optimist zu sein. Aber auch Optimisten stehen zwangsläufig vor der Frage nach der Verantwortung der Wissenschaftler. Wir erinnern uns an den triumphalen Junitag 1954, den Tag, an dem das erste Kernkraftwerk in Obninsk in Betrieb genommen wurde. Aber wir können den Morgen des August 1945 nicht vergessen – „den Morgen von Hiroshima“, „den schwarzen Tag von Albert Einstein“ ... Wir erinnern uns an die ersten Nachkriegsjahre und die ungezügelte atomare Erpressung – die Grundlage der amerikanischen Politik dieser Jahre. Aber hat die Menschheit in den folgenden Jahren nicht viele Probleme erlebt? Darüber hinaus wurden diese Ängste um ein Vielfaches verstärkt durch das Bewusstsein, dass es bei Ausbruch eines neuen Weltkrieges zum Einsatz von Atomwaffen kommen würde.
Hier können Sie versuchen zu beweisen, dass die Entdeckung von Plutonium der Menschheit keine Angst einflößte, sondern im Gegenteil nur nützlich war.
Nehmen wir an, es ist passiert, dass Plutonium aus irgendeinem Grund oder, wie man früher sagte, durch den Willen Gottes für Wissenschaftler unzugänglich war. Wären dann unsere Ängste und Sorgen geringer? Nichts ist passiert. Atombomben würden aus Uran-235 hergestellt (und zwar in nicht geringerer Menge als aus Plutonium), und diese Bomben würden noch größere Teile des Budgets „verschlingen“ als bisher.
Doch ohne Plutonium wäre eine friedliche Nutzung der Kernenergie im großen Maßstab nicht möglich. Für ein „friedliches Atom“ gäbe es einfach nicht genug Uran-235. Das Übel, das der Menschheit durch die Entdeckung der Kernenergie zugefügt wurde, würde durch die Errungenschaften des „guten Atoms“ nicht einmal teilweise ausgeglichen werden.
Wie man misst, womit man vergleicht
Wenn ein Plutonium-239-Kern durch Neutronen in zwei Fragmente mit etwa gleicher Masse gespalten wird, werden etwa 200 MeV Energie frei. Das ist 50 Millionen Mal mehr Energie, die bei der berühmtesten exothermen Reaktion C + O 2 = CO 2 freigesetzt wird. Beim „Verbrennen“ in einem Kernreaktor ergibt ein Gramm Plutonium 2·10 7 kcal. Um nicht mit Traditionen zu brechen (und in populären Artikeln wird die Energie von Kernbrennstoffen normalerweise in nicht systemischen Einheiten gemessen – Tonnen Kohle, Benzin, Trinitrotoluol usw.), stellen wir außerdem fest: Dies ist die Energie, die in 4 Tonnen enthalten ist von Kohle. Und ein gewöhnlicher Fingerhut enthält eine Menge Plutonium, die energetisch vierzig Wagenladungen gutem Birkenbrennholz entspricht.
Die gleiche Energie wird bei der Spaltung von Uran-235-Kernen durch Neutronen freigesetzt. Aber der Großteil des natürlichen Urans (99,3 %!) ist das Isotop 238 U, das nur durch die Umwandlung von Uran in Plutonium genutzt werden kann ...
Energie der Steine
Lassen Sie uns die in den natürlichen Uranreserven enthaltenen Energieressourcen bewerten.
Uran ist ein Spurenelement und kommt fast überall vor. Wer zum Beispiel Karelien besucht hat, wird sich wahrscheinlich an Granitfelsen und Küstenklippen erinnern. Doch nur wenige wissen, dass eine Tonne Granit bis zu 25 g Uran enthält. Granite machen fast 20 % des Gewichts der Erdkruste aus. Wenn wir nur Uran-235 zählen, dann enthält eine Tonne Granit 3,5·10 5 kcal Energie. Es ist viel, aber...
Die Verarbeitung von Granit und die Gewinnung von Uran erfordern einen noch größeren Energieaufwand – etwa 10 6 ...10 7 kcal/t. Wenn nun nicht nur Uran-235, sondern auch Uran-238 als Energieträger genutzt werden könnte, dann käme Granit zumindest als potenzieller Energierohstoff in Betracht. Dann würde die aus einer Tonne Stein gewonnene Energie bereits 8·10 7 bis 5·10 8 kcal betragen. Das entspricht 16...100 Tonnen Kohle. Und in diesem Fall könnte Granit den Menschen fast eine Million Mal mehr Energie liefern als alle chemischen Brennstoffreserven auf der Erde.
Aber Uran-238-Kerne werden nicht durch Neutronen gespalten. Dieses Isotop ist für die Kernenergie nutzlos. Genauer gesagt wäre es nutzlos, wenn es nicht in Plutonium-239 umgewandelt werden könnte. Und was besonders wichtig ist: Für diese nukleare Transformation muss praktisch keine Energie aufgewendet werden – im Gegenteil, es wird dabei Energie erzeugt!
Versuchen wir herauszufinden, wie das passiert, aber zunächst ein paar Worte zum natürlichen Plutonium.
400.000 Mal weniger als Radium
Es wurde bereits gesagt, dass Plutoniumisotope seit der Synthese von Elementen bei der Entstehung unseres Planeten nicht mehr erhalten geblieben sind. Dies bedeutet jedoch nicht, dass es auf der Erde kein Plutonium gibt.
Es entsteht ständig in Uranerzen. Durch das Einfangen von Neutronen aus der kosmischen Strahlung und Neutronen, die durch die spontane Spaltung von Uran-238-Kernen entstehen, verwandeln sich einige – sehr wenige – Atome dieses Isotops in Atome von Uran-239. Diese Kerne sind sehr instabil; sie geben Elektronen ab und erhöhen dadurch ihre Ladung. Es entsteht Neptunium, das erste Transuranelement. Neptunium-239 ist außerdem äußerst instabil und seine Kerne emittieren Elektronen. In nur 56 Stunden verwandelt sich die Hälfte des Neptunium-239 in Plutonium-239, dessen Halbwertszeit bereits recht lang ist – 24.000 Jahre.
Warum wird Plutonium nicht aus Uranerzen gewonnen? Niedrige, zu niedrige Konzentration. „Ein Gramm Produktion ist ein Jahr Arbeit“ – hier geht es um Radium, und die Erze enthalten 400.000 Mal weniger Plutonium als Radium. Daher ist es äußerst schwierig, „terrestrisches“ Plutonium nicht nur abzubauen, sondern sogar nachzuweisen. Dies geschah erst, nachdem die physikalischen und chemischen Eigenschaften des in Kernreaktoren erzeugten Plutoniums untersucht wurden.
Wenn 2,70 >> 2,23
Plutonium reichert sich in Kernreaktoren an. In starken Neutronenströmen läuft die gleiche Reaktion ab wie in Uranerzen, aber die Geschwindigkeit der Bildung und Anreicherung von Plutonium im Reaktor ist viel höher – eine Milliarde Mal. Für die Reaktion der Umwandlung von Ballasturan-238 in Plutonium-239 in Energiequalität werden optimale (innerhalb akzeptabler) Bedingungen geschaffen.
Wenn der Reaktor mit thermischen Neutronen betrieben wird (denken Sie daran, dass ihre Geschwindigkeit etwa 2000 m pro Sekunde beträgt und ihre Energie einen Bruchteil eines Elektronenvolts beträgt), wird aus einer natürlichen Mischung von Uranisotopen eine etwas geringere Plutoniummenge gewonnen die Menge an „ausgebranntem“ Uran-235. Ein wenig, aber weniger, plus die unvermeidlichen Verluste von Plutonium bei seiner chemischen Trennung vom bestrahlten Uran. Darüber hinaus wird die nukleare Kettenreaktion im natürlichen Uranisotopengemisch nur so lange aufrechterhalten, bis ein kleiner Teil des Uran-235 verbraucht ist. Daher die logische Schlussfolgerung: Ein „thermischer“ Reaktor mit natürlichem Uran – dem Haupttyp der derzeit betriebenen Reaktoren – kann die erweiterte Reproduktion von Kernbrennstoffen nicht gewährleisten. Aber was ist dann erfolgsversprechend? Um diese Frage zu beantworten, vergleichen wir den Verlauf der nuklearen Kettenreaktion in Uran-235 und Plutonium-239 und führen ein weiteres physikalisches Konzept in unsere Diskussionen ein.
Das wichtigste Merkmal jedes Kernbrennstoffs ist die durchschnittliche Anzahl der emittierten Neutronen, nachdem der Kern ein Neutron eingefangen hat. Physiker nennen sie die Eta-Zahl und bezeichnen sie mit dem griechischen Buchstaben η. In „thermischen“ Reaktoren auf Uran ist folgendes Muster zu beobachten: Jedes Neutron erzeugt durchschnittlich 2,08 Neutronen (η = 2,08). Plutonium, das in einem solchen Reaktor unter dem Einfluss thermischer Neutronen platziert wird, ergibt η = 2,03. Es gibt aber auch Reaktoren, die mit schnellen Neutronen arbeiten. Es ist sinnlos, ein natürliches Gemisch von Uranisotopen in einen solchen Reaktor zu laden: Es findet keine Kettenreaktion statt. Wenn der „Rohstoff“ jedoch mit Uran-235 angereichert wird, kann er in einem „schnellen“ Reaktor entwickelt werden. In diesem Fall beträgt η bereits 2,23. Und wenn Plutonium schnellem Neutronenfeuer ausgesetzt wird, ergibt sich ein η von 2,70. Wir werden „ein zusätzliches halbes Neutron“ zur Verfügung haben. Und das ist überhaupt nicht wenig.
Mal sehen, wofür die resultierenden Neutronen aufgewendet werden. In jedem Reaktor wird ein Neutron benötigt, um eine nukleare Kettenreaktion aufrechtzuerhalten. 0,1 Neutronen werden von den Baumaterialien der Anlage absorbiert. Der „Überschuss“ wird zur Anreicherung von Plutonium-239 genutzt. In einem Fall beträgt der „Überschuss“ 1,13, im anderen Fall 1,60. Nach dem „Verbrennen“ eines Kilogramms Plutonium in einem „schnellen“ Reaktor wird enorme Energie freigesetzt und 1,6 kg Plutonium angesammelt. Und Uran in einem „schnellen“ Reaktor wird die gleiche Energie und 1,1 kg neuen Kernbrennstoff liefern. In beiden Fällen ist eine erweiterte Reproduktion erkennbar. Aber wir dürfen die Wirtschaft nicht vergessen.
Aus verschiedenen technischen Gründen dauert der Reproduktionszyklus von Plutonium mehrere Jahre. Sagen wir fünf Jahre. Das bedeutet, dass sich die Plutoniummenge pro Jahr bei η = 2,23 nur um 2 % erhöht, bei η = 2,7 um 12 %! Kernbrennstoff ist Kapital, und jedes Kapital sollte beispielsweise 5 % pro Jahr abwerfen. Im ersten Fall gibt es große Verluste und im zweiten Fall große Gewinne. Dieses primitive Beispiel veranschaulicht das „Gewicht“ jedes Zehntels der Zahl η in der Kernenergie.
Summe vieler Technologien
Wenn sich durch Kernreaktionen die erforderliche Menge Plutonium im Uran angesammelt hat, muss es nicht nur vom Uran selbst, sondern auch von Spaltfragmenten – sowohl Uran als auch Plutonium – getrennt werden, die bei der nuklearen Kettenreaktion verbrannt werden. Darüber hinaus enthält die Uran-Plutonium-Masse auch einen gewissen Anteil an Neptunium. Am schwierigsten zu trennen sind Plutonium von Neptunium und Seltenerdelemente (Lanthaniden). Plutonium als chemisches Element hatte in gewissem Maße Pech. Aus Sicht eines Chemikers ist das Hauptelement der Kernenergie nur eines von vierzehn Aktiniden. Wie die Elemente der Seltenen Erden sind alle Elemente der Aktiniumreihe in ihren chemischen Eigenschaften einander sehr ähnlich; der Aufbau der äußeren Elektronenhüllen der Atome aller Elemente von Aktinium bis 103 ist gleich. Noch unangenehmer ist, dass die chemischen Eigenschaften der Aktiniden denen der Seltenerdelemente ähneln und sich unter den Spaltfragmenten von Uran und Plutonium mehr als genug Lanthaniden befinden. Aber dann kann Element 94 in fünf Valenzzuständen vorliegen, und das „süßt die Pille“ – es hilft, Plutonium sowohl von Uran als auch von Spaltfragmenten zu trennen.
Die Wertigkeit von Plutonium variiert zwischen drei und sieben. Chemisch gesehen ist vierwertiges Plutonium die stabilste (und daher am häufigsten vorkommende und am besten untersuchte) Verbindung.
Die Trennung von Aktiniden mit ähnlichen chemischen Eigenschaften – Uran, Neptunium und Plutonium – kann auf den unterschiedlichen Eigenschaften ihrer vier- und sechswertigen Verbindungen basieren.
Es ist nicht erforderlich, alle Stufen der chemischen Trennung von Plutonium und Uran im Detail zu beschreiben. Normalerweise beginnt ihre Trennung mit der Auflösung von Uranbarren in Salpetersäure, wonach die in der Lösung enthaltenen Uran-, Neptunium-, Plutonium- und Fragmentierungselemente „getrennt“ werden, wobei hierfür traditionelle radiochemische Methoden verwendet werden – Kopräzipitation mit Trägern, Extraktion, Ionenaustausch und andere. Die plutoniumhaltigen Endprodukte dieser mehrstufigen Technologie sind das Dioxid PuO 2 oder die Fluoride PuF 3 oder PuF 4. Sie werden mit Barium-, Calcium- oder Lithiumdampf zu Metall reduziert. Das dabei gewonnene Plutonium eignet sich jedoch nicht für die Rolle eines Strukturmaterials – daraus können keine Brennelemente für Kernreaktoren hergestellt und die Ladung einer Atombombe nicht gegossen werden. Warum? Der Schmelzpunkt von Plutonium ist mit nur 640 °C durchaus erreichbar.
Unabhängig davon, unter welchen „ultraschonenden“ Bedingungen Teile aus reinem Plutonium gegossen werden, entstehen beim Erstarren immer Risse in den Gussstücken. Bei 640 °C bildet das erstarrende Plutonium ein kubisches Kristallgitter. Mit sinkender Temperatur nimmt die Dichte des Metalls allmählich zu. Doch dann erreichte die Temperatur 480 °C, und plötzlich sank die Dichte des Plutoniums stark ab. Die Gründe für diese Anomalie wurden recht schnell entdeckt: Bei dieser Temperatur werden Plutoniumatome im Kristallgitter neu angeordnet. Es wird tetragonal und sehr „locker“. Solches Plutonium kann in seiner eigenen Schmelze schwimmen, wie Eis auf Wasser.
Die Temperatur sinkt weiter, mittlerweile sind es 451°C, und die Atome bildeten wieder ein kubisches Gitter, allerdings in größerem Abstand voneinander als im ersten Fall. Bei weiterer Abkühlung wird das Gitter zunächst orthorhombisch, dann monoklin. Insgesamt bildet Plutonium sechs verschiedene Kristallformen! Zwei von ihnen zeichnen sich durch eine bemerkenswerte Eigenschaft aus – einen negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten: Mit steigender Temperatur dehnt sich das Metall nicht aus, sondern zieht sich zusammen.
Wenn die Temperatur 122 °C erreicht und die Plutoniumatome zum sechsten Mal ihre Reihen neu anordnen, ändert sich die Dichte besonders dramatisch – von 17,77 auf 19,82 g/cm 3 . Mehr als 10%! Dementsprechend nimmt das Volumen des Barrens ab. Konnte das Metall den Belastungen, die an anderen Übergängen entstanden sind, noch standhalten, dann ist in diesem Moment die Zerstörung vorprogrammiert.
Wie kann man dann Teile aus diesem erstaunlichen Metall herstellen? Metallurgen legieren Plutonium (unter Zugabe kleiner Mengen der erforderlichen Elemente) und erhalten Gussteile ohne einen einzigen Riss. Sie werden zur Herstellung von Plutoniumladungen für Atombomben verwendet. Das Gewicht der Ladung (es wird hauptsächlich durch die kritische Masse des Isotops bestimmt) beträgt 5...6 kg. Es passt problemlos in einen Würfel mit einer Kantengröße von 10 cm.
Schwere Isotope
Plutonium-239 enthält in geringen Mengen auch höhere Isotope dieses Elements – mit den Massenzahlen 240 und 241. Das 240-Pu-Isotop ist praktisch nutzlos – es ist Ballast im Plutonium. Aus 241 wird Americium gewonnen – Element Nr. 95. In ihrer reinen Form, ohne Beimischung anderer Isotope, können Dlutonium-240 und Plutonium-241 durch elektromagnetische Trennung von in einem Reaktor angesammeltem Plutonium gewonnen werden. Zuvor wird Plutonium zusätzlich mit Neutronenflüssen mit genau definierten Eigenschaften bestrahlt. Das alles ist natürlich sehr kompliziert, zumal Plutonium nicht nur radioaktiv, sondern auch sehr giftig ist. Der Umgang damit erfordert äußerste Vorsicht.
Eines der interessantesten Isotope von Plutonium, 242 Pu, kann durch lange Bestrahlung von 239 Pu in Neutronenflüssen gewonnen werden. 242 Pu fängt sehr selten Neutronen ein und „verbrennt“ daher im Reaktor langsamer als andere Isotope; es bleibt auch dann bestehen, wenn sich die verbleibenden Plutoniumisotope fast vollständig in Fragmente oder in Plutonium-242 verwandelt haben.
Plutonium-242 ist als „Rohstoff“ für die relativ schnelle Anreicherung höherer Transurane in Kernreaktoren wichtig. Wenn Plutonium-239 in einem herkömmlichen Reaktor bestrahlt wird, dauert es etwa 20 Jahre, bis sich aus Gramm Plutonium Mikrogrammmengen von beispielsweise California-251 bilden.
Es ist möglich, die Akkumulationszeit höherer Isotope zu verkürzen, indem die Intensität des Neutronenflusses im Reaktor erhöht wird. Das ist es, was sie tun, aber dann kann man keine großen Mengen Plutonium-239 verstrahlen. Denn dieses Isotop wird durch Neutronen gespalten und bei intensiven Strömungen wird zu viel Energie freigesetzt. Zusätzliche Schwierigkeiten ergeben sich bei der Kühlung von Behälter und Reaktor. Um diese Schwierigkeiten zu vermeiden, müsste die Menge des bestrahlten Plutoniums verringert werden. Infolgedessen würde der Ertrag an Kalifornien wieder dürftig werden. Teufelskreis!
Plutonium-242 ist durch thermische Neutronen nicht spaltbar, es kann in großen Mengen in intensiven Neutronenflüssen bestrahlt werden... Daher werden in Reaktoren alle Elemente von Kalifornien bis Einsteinium aus diesem Isotop „hergestellt“ und in Gewichtsmengen angesammelt.
Nicht das schwerste, aber das langlebigste
Jedes Mal, wenn es Wissenschaftlern gelang, ein neues Plutoniumisotop zu gewinnen, wurde die Halbwertszeit seiner Kerne gemessen. Die Halbwertszeiten von Isotopen schwerer radioaktiver Kerne mit gerader Massenzahl ändern sich regelmäßig. (Dies gilt nicht für ungerade Isotope.)
Reis. 8.
Schauen Sie sich die Grafik an, die die Abhängigkeit der Halbwertszeit gerader Plutoniumisotope von der Massenzahl zeigt. Mit zunehmender Masse erhöht sich auch die „Lebensdauer“ des Isotops. Der Höhepunkt dieser Grafik war vor einigen Jahren Plutonium-242. Und wie wird diese Kurve dann verlaufen – bei einer weiteren Erhöhung der Massenzahl? genau 1 , was auf den Punkt gebracht einer Lebensdauer von 30 Millionen Jahren entspricht 2 , die seit 300 Millionen Jahren antwortet? Die Antwort auf diese Frage war für die Geowissenschaften sehr wichtig. Im ersten Fall, wenn die Erde vor 5 Milliarden Jahren vollständig aus 244 Pu bestünde, wäre heute nur noch ein Atom Plutonium-244 in der gesamten Erdmasse übrig. Wenn die zweite Annahme zutrifft, könnte sich Plutonium-244 in der Erde in Konzentrationen befinden, die bereits nachgewiesen werden konnten. Wenn wir das Glück hätten, dieses Isotop auf der Erde zu finden, würde die Wissenschaft die wertvollsten Informationen über die Prozesse erhalten, die während der Entstehung unseres Planeten abliefen.
Vor einigen Jahren standen Wissenschaftler vor der Frage: Lohnt es sich, schweres Plutonium auf der Erde zu finden? Um diese Frage zu beantworten, musste zunächst die Halbwertszeit von Plutonium-244 bestimmt werden. Theoretiker konnten diesen Wert nicht mit der erforderlichen Genauigkeit berechnen. Alle Hoffnung galt nur dem Experiment.
Plutonium-244 sammelte sich in einem Kernreaktor. Element Nr. 95, Americium (Isotop 243 Am), wurde bestrahlt. Nachdem ein Neutron eingefangen wurde, verwandelte sich dieses Isotop in Americium-244; Americium-244 verwandelte sich in einem von zehntausend Fällen in Plutonium-244.
Das Präparat Plutonium-244 wurde aus einer Mischung von Americium und Curium isoliert. Die Probe wog nur wenige Millionstel Gramm. Aber sie reichten aus, um die Halbwertszeit dieses interessanten Isotops zu bestimmen. Es stellte sich heraus, dass sie 75 Millionen Jahren entsprach. Später klärten andere Forscher die Halbwertszeit von Plutonium-244, allerdings nicht viel – 82,8 Millionen Jahre. Im Jahr 1971 wurden Spuren dieses Isotops im Seltenerdmineral Bastnäsit gefunden.
Wissenschaftler haben viele Versuche unternommen, ein Isotop des Transuranelements zu finden, das länger als 244 Pu lebt. Doch alle Versuche blieben vergeblich. Früher wurden Hoffnungen auf Curium-247 gesetzt, doch nachdem sich dieses Isotop im Reaktor angereichert hatte, stellte sich heraus, dass seine Halbwertszeit nur 14 Millionen Jahre beträgt. Der Rekord von Plutonium-244 konnte nicht gebrochen werden – es ist das langlebigste aller Isotope der Transurane.
Noch schwerere Plutoniumisotope unterliegen dem Betazerfall und ihre Lebensdauer liegt zwischen einigen Tagen und einigen Zehntelsekunden. Wir wissen mit Sicherheit, dass alle Isotope von Plutonium bei thermonuklearen Explosionen entstehen, bis zu 257 Pu. Ihre Lebensdauer beträgt jedoch Zehntelsekunden, und viele kurzlebige Plutoniumisotope wurden noch nicht untersucht.
Möglichkeiten des ersten Isotops
Und schließlich – über Plutonium-238 – das allererste „künstliche“ Isotop von Plutonium, ein Isotop, das zunächst wenig vielversprechend schien. Es ist tatsächlich ein sehr interessantes Isotop. Es unterliegt dem Alpha-Zerfall, d.h. Seine Kerne emittieren spontan Alphateilchen – Heliumkerne. Von Plutonium-238-Kernen erzeugte Alphateilchen tragen eine hohe Energie; Diese Energie wird in Materie zerstreut und in Wärme umgewandelt. Wie groß ist diese Energie? Beim Zerfall eines Atomkerns von Plutonium-238 werden sechs Millionen Elektronenvolt freigesetzt. Bei einer chemischen Reaktion wird die gleiche Energie freigesetzt, wenn mehrere Millionen Atome oxidiert werden. Eine Stromquelle, die ein Kilogramm Plutonium-238 enthält, entwickelt eine thermische Leistung von 560 Watt. Die maximale Leistung einer chemischen Stromquelle gleicher Masse beträgt 5 Watt.
Es gibt viele Emittenten mit ähnlichen Energieeigenschaften, aber eine Eigenschaft von Plutonium-238 macht dieses Isotop unverzichtbar. Der Alpha-Zerfall wird normalerweise von starker Gammastrahlung begleitet, die große Materieschichten durchdringt. 238 Pu ist eine Ausnahme. Die Energie der Gammastrahlen, die den Zerfall seiner Kerne begleiten, ist gering und es ist nicht schwer, sich dagegen zu schützen: Die Strahlung wird von einem dünnwandigen Behälter absorbiert. Die Wahrscheinlichkeit einer spontanen Kernspaltung dieses Isotops ist ebenfalls gering. Daher hat es nicht nur in aktuellen Quellen, sondern auch in der Medizin Anwendung gefunden. Batterien mit Plutonium-238 dienen als Energiequelle in speziellen Herzstimulanzien.
Aber 238 Pu ist nicht das leichteste bekannte Isotop des Elements Nr. 94; es wurden Isotope von Plutonium mit Massenzahlen von 232 bis 237 erhalten. Die Halbwertszeit des leichtesten Isotops beträgt 36 Minuten.
Plutonium ist ein großes Thema. Hier wird das Wichtigste erzählt. Schließlich ist es bereits zu einem Standardspruch geworden, dass die Chemie von Plutonium viel besser untersucht wurde als die Chemie so „alter“ Elemente wie Eisen. Über die nuklearen Eigenschaften von Plutonium wurden ganze Bücher geschrieben. Die Metallurgie von Plutonium ist ein weiterer erstaunlicher Teil des menschlichen Wissens... Daher sollten Sie nicht glauben, dass Sie nach der Lektüre dieser Geschichte wirklich etwas über Plutonium gelernt haben – das wichtigste Metall des 20. Jahrhunderts.
