Πλουτώνιο για όπλαείναι το πλουτώνιο με τη μορφή συμπαγούς μετάλλου που περιέχει τουλάχιστον το 93,5% του ισοτόπου 239Pu. Προορίζεται για τη δημιουργία πυρηνικών όπλων.
1.Όνομα και χαρακτηριστικά
Το αποκαλούν «βαθμού όπλου» για να το διακρίνουν από το «βαθμού αντιδραστήρα». Το πλουτώνιο σχηματίζεται σε οποιονδήποτε πυρηνικό αντιδραστήρα που λειτουργεί με φυσικό ή χαμηλού εμπλουτισμού ουράνιο, που περιέχει κυρίως το ισότοπο 238U, όταν δεσμεύει περίσσεια νετρονίων. Αλλά καθώς λειτουργεί ο αντιδραστήρας, το ισότοπο πλουτωνίου για όπλα καίγεται γρήγορα, και ως αποτέλεσμα, ένας μεγάλος αριθμός ισοτόπων 240Pu, 241Pu και 242Pu συσσωρεύεται στον αντιδραστήρα, που σχηματίζεται από τη διαδοχική σύλληψη πολλών νετρονίων - από το βάθος καύσης καθορίζεται συνήθως από οικονομικούς παράγοντες. Όσο χαμηλότερο είναι το βάθος καύσης, τόσο λιγότερα ισότοπα 240Pu, 241Pu και 242Pu θα περιέχουν πλουτώνιο διαχωρισμένο από ακτινοβολημένο πυρηνικό καύσιμο, αλλά τόσο λιγότερο πλουτώνιο σχηματίζεται στο καύσιμο.
Απαιτείται ειδική παραγωγή πλουτωνίου για όπλα που περιέχουν σχεδόν αποκλειστικά 239Pu, κυρίως επειδή τα ισότοπα με αριθμούς μάζας 240 και 242 δημιουργούν ένα υπόβαθρο υψηλού νετρονίων, καθιστώντας δύσκολο τον σχεδιασμό αποτελεσματικών πυρηνικών όπλων, επιπλέον, τα 240Pu και 241Pu έχουν σημαντικά μικρότερο χρόνο ημιζωής από 239Pu, λόγω του οποίου τα μέρη του πλουτωνίου θερμαίνονται και είναι απαραίτητο να εισαχθούν επιπλέον στοιχεία αφαίρεσης θερμότητας στο σχεδιασμό του πυρηνικού όπλου. Ακόμη και το καθαρό 239Pu είναι πιο ζεστό από το ανθρώπινο σώμα. Επιπλέον, τα προϊόντα διάσπασης των βαρέων ισοτόπων καταστρέφουν το κρυσταλλικό πλέγμα του μετάλλου, γεγονός που μπορεί να οδηγήσει σε αλλαγή του σχήματος των μερών πλουτωνίου, που μπορεί να οδηγήσει σε αστοχία ενός πυρηνικού εκρηκτικού μηχανισμού.
Κατ' αρχήν, όλες αυτές οι δυσκολίες μπορούν να ξεπεραστούν και οι πυρηνικοί εκρηκτικοί μηχανισμοί από πλουτώνιο «αντιδραστήρα» έχουν δοκιμαστεί με επιτυχία, ωστόσο, σε πυρομαχικά, όπου η συμπαγής, το μικρό βάρος, η αξιοπιστία και η ανθεκτικότητα παίζουν σημαντικό ρόλο, αποκλειστικά ειδικά κατασκευασμένα όπλα. χρησιμοποιείται πλουτώνιο. Η κρίσιμη μάζα των μεταλλικών 240Pu και 242Pu είναι πολύ μεγάλη, 241Pu είναι ελαφρώς μεγαλύτερη από αυτή του 239Pu.
2.Παραγωγή
Στην ΕΣΣΔ, η παραγωγή πλουτωνίου για όπλα πραγματοποιήθηκε πρώτα στο εργοστάσιο Mayak στο Ozersk (πρώην Chelyabinsk-40, Chelyabinsk-65), στη συνέχεια στο Siberian Chemical Plant στο Seversk (πρώην Tomsk-7) και αργότερα το Το εργοστάσιο εξόρυξης Krasnoyarsk τέθηκε σε λειτουργία - χημικό εργοστάσιο στο Zheleznogorsk (γνωστό επίσης ως Sotsgorod και Krasnoyarsk-26). Η παραγωγή πλουτωνίου για όπλα στη Ρωσία σταμάτησε το 1994. Το 1999, οι αντιδραστήρες στο Ozyorsk και στο Seversk έκλεισαν και το 2010 ο τελευταίος αντιδραστήρας στο Zheleznogorsk.
Στις Ηνωμένες Πολιτείες, πλουτώνιο οπλικής ποιότητας παρήχθη σε πολλά μέρη, όπως το συγκρότημα Hanford στην πολιτεία της Ουάσιγκτον. Η παραγωγή έκλεισε το 1988.
3.Σύνθεση νέων στοιχείων
Ο μετασχηματισμός ορισμένων ατόμων σε άλλα συμβαίνει μέσω της αλληλεπίδρασης ατομικών ή υποατομικών σωματιδίων. Από αυτά, μόνο νετρόνια είναι διαθέσιμα σε μεγάλες ποσότητες. Ένας πυρηνικός αντιδραστήρας γιγαβάτ παράγει περίπου 3,75 kg (ή 4 * 1030) νετρόνια κατά τη διάρκεια ενός έτους.
4.Παραγωγή πλουτωνίου
Τα άτομα πλουτωνίου σχηματίζονται ως αποτέλεσμα μιας αλυσίδας ατομικών αντιδράσεων που ξεκινούν με τη σύλληψη ενός νετρονίου από ένα άτομο ουρανίου-238:
U238 + n -> U239 -> Np239 -> Pu239
ή, πιο συγκεκριμένα:
0n1 + 92U238 -> 92U239 -> -1e0 + 93Np239 -> -1e0 + 94Pu239
Με συνεχή ακτινοβολία, ορισμένα άτομα πλουτωνίου-239 είναι σε θέση, με τη σειρά τους, να συλλάβουν ένα νετρόνιο και να μετατραπούν στο βαρύτερο ισότοπο πλουτώνιο-240:
Pu239 + n -> Pu240
Για να ληφθεί πλουτώνιο σε επαρκείς ποσότητες, απαιτούνται ισχυρές ροές νετρονίων. Αυτά ακριβώς δημιουργούνται στους πυρηνικούς αντιδραστήρες. Κατ' αρχήν, οποιοσδήποτε αντιδραστήρας είναι πηγή νετρονίων, αλλά για τη βιομηχανική παραγωγή πλουτωνίου είναι φυσικό να χρησιμοποιείται ένας ειδικά σχεδιασμένος για το σκοπό αυτό.
Ο πρώτος εμπορικός αντιδραστήρας παραγωγής πλουτωνίου στον κόσμο ήταν ο Β-αντιδραστήρας στο Hanford. Εργάστηκε στις 26 Σεπτεμβρίου 1944, ισχύς - 250 MW, παραγωγικότητα - 6 κιλά πλουτώνιο το μήνα. Περιείχε περίπου 200 τόνους μετάλλου ουρανίου, 1200 τόνους γραφίτη και ψύχθηκε με νερό με ρυθμό 5 κυβικά μέτρα/λεπτό.
Πίνακας φόρτωσης του αντιδραστήρα Hanford με κασέτες ουρανίου:
Σχέδιο της εργασίας του. Σε έναν αντιδραστήρα για την ακτινοβόληση του ουρανίου-238, δημιουργούνται νετρόνια ως αποτέλεσμα μιας σταθερής αλυσιδωτής αντίδρασης σχάσης των πυρήνων ουρανίου-235. Κατά μέσο όρο, παράγονται 2,5 νετρόνια ανά σχάση του U-235. Για να διατηρηθεί η αντίδραση και ταυτόχρονα να παραχθεί πλουτώνιο, είναι απαραίτητο κατά μέσο όρο ένα ή δύο νετρόνια να απορροφώνται από το U-238 και ένα θα προκαλούσε τη σχάση του επόμενου ατόμου U-235.
Τα νετρόνια που παράγονται κατά τη διάσπαση του ουρανίου έχουν πολύ υψηλές ταχύτητες. Τα άτομα ουρανίου είναι διατεταγμένα με τέτοιο τρόπο ώστε η σύλληψη γρήγορων νετρονίων από τους πυρήνες τόσο του U-238 όσο και του U-235 είναι απίθανη. Επομένως, τα γρήγορα νετρόνια, έχοντας βιώσει αρκετές συγκρούσεις με τα γύρω άτομα, σταδιακά επιβραδύνουν. Σε αυτή την περίπτωση, οι πυρήνες U-238 απορροφούν τέτοια νετρόνια (ενδιάμεσες ταχύτητες) τόσο έντονα που τίποτα δεν αφήνεται στη σχάση του U-235 και διατηρεί την αλυσιδωτή αντίδραση (το U-235 διαιρείται από τα αργά, θερμικά νετρόνια).
Αυτό αντισταθμίζεται από έναν συντονιστή, κάποια ελαφριά ουσία που περιβάλλει τα μπλοκ ουρανίου. Σε αυτό, τα νετρόνια επιβραδύνονται χωρίς απορρόφηση, βιώνουν ελαστικές συγκρούσεις, σε καθεμία από τις οποίες χάνεται ένα μικρό μέρος της ενέργειας. Καλοί συντονιστές είναι το νερό και ο άνθρακας. Έτσι, τα νετρόνια που επιβραδύνθηκαν σε θερμικές ταχύτητες ταξιδεύουν μέσω του αντιδραστήρα μέχρι να προκαλέσουν σχάση του U-235 (το U-238 τα απορροφά πολύ ασθενώς). Με μια ορισμένη διαμόρφωση του συντονιστή και των ράβδων ουρανίου, θα δημιουργηθούν συνθήκες για την απορρόφηση νετρονίων τόσο από το U-238 όσο και από το U-235.
Η ισοτοπική σύνθεση του πλουτωνίου που προκύπτει εξαρτάται από το χρονικό διάστημα που οι ράβδοι ουρανίου βρίσκονται στον αντιδραστήρα. Μια σημαντική συσσώρευση Pu-240 συμβαίνει ως αποτέλεσμα της παρατεταμένης ακτινοβολίας μιας κασέτας με ουράνιο. Με μικρό χρόνο παραμονής ουρανίου στον αντιδραστήρα, λαμβάνεται Pu-239 με ασήμαντη περιεκτικότητα σε Pu-240.
Το Pu-240 είναι επιβλαβές για την παραγωγή όπλων για τους ακόλουθους λόγους:
1. Είναι λιγότερο σχάσιμο από το Pu-239, επομένως απαιτείται λίγο περισσότερο πλουτώνιο για την κατασκευή όπλων.
2. Δεύτερος, πολύ πιο σημαντικός λόγος. Το επίπεδο της αυθόρμητης σχάσης στο Pu-240 είναι πολύ υψηλότερο, γεγονός που δημιουργεί ένα ισχυρό υπόβαθρο νετρονίων.
Στα πολύ πρώτα χρόνια της ανάπτυξης των ατομικών όπλων, η εκπομπή νετρονίων (υψηλό υπόβαθρο νετρονίων) ήταν ένα πρόβλημα για την επίτευξη αξιόπιστης και αποτελεσματικής φόρτισης λόγω της πρόωρης έκρηξης. Οι ισχυρές ροές νετρονίων καθιστούσαν δύσκολη ή αδύνατη τη συμπίεση ενός πυρήνα βόμβας που περιέχει πολλά κιλά πλουτώνιο σε υπερκρίσιμη κατάσταση - πριν από αυτό καταστράφηκε από την ισχυρότερη, αλλά όχι τη μέγιστη δυνατή ενέργεια. Η εμφάνιση μικτών πυρήνων - που περιείχαν εξαιρετικά εμπλουτισμένο U-235 και πλουτώνιο (στα τέλη της δεκαετίας του 1940) - ξεπέρασε αυτή τη δυσκολία όταν κατέστη δυνατή η χρήση σχετικά μικρών ποσοτήτων πλουτωνίου σε πυρήνες κυρίως ουρανίου. Η επόμενη γενιά φορτίων, συσκευές ενισχυμένες με σύντηξη (στα μέσα της δεκαετίας του 1950), εξάλειψε πλήρως αυτή τη δυσκολία, εγγυώντας υψηλή απελευθέρωση ενέργειας ακόμη και με αρχικά φορτία σχάσης χαμηλής ισχύος.
Το πλουτώνιο που παράγεται σε ειδικούς αντιδραστήρες περιέχει ένα σχετικά μικρό ποσοστό Pu-240 (<7%), плутоний "оружейного качества"; в реакторах АЭС отработанное ядерное топливо имеет концентрацию Pu-240 более 20%, плутоний "реакторного качества".
Σε αντιδραστήρες ειδικού σκοπού, το ουράνιο υπάρχει για σχετικά σύντομο χρονικό διάστημα, κατά το οποίο δεν καίγονται όλα τα U-235 και δεν μετατρέπονται όλα τα U-238 σε πλουτώνιο, αλλά σχηματίζεται μικρότερη ποσότητα Pu-240.
Υπάρχουν δύο λόγοι για την παραγωγή πλουτωνίου με χαμηλή περιεκτικότητα σε Pu-240:
Οικονομικός: ο μόνος λόγος για την ύπαρξη ειδικών αντιδραστήρων πλουτωνίου. Η διάσπαση του πλουτωνίου με σχάση ή η μετατροπή του σε λιγότερο σχάσιμο Pu-240 μειώνει τις αποδόσεις και αυξάνει το κόστος παραγωγής (στο σημείο που η τιμή του εξισορροπείται με το κόστος επεξεργασίας ακτινοβολημένου καυσίμου με χαμηλές συγκεντρώσεις πλουτωνίου).
Δυσκολία χειρισμού: Αν και η εκπομπή νετρονίων δεν αποτελεί σημαντική ανησυχία για τους σχεδιαστές όπλων, μπορεί να δημιουργήσει προκλήσεις κατασκευής και χειρισμού για μια τέτοια φόρτιση. Τα νετρόνια δημιουργούν μια πρόσθετη συμβολή στην επαγγελματική έκθεση σε όσους συναρμολογούν ή συντηρούν όπλα (τα ίδια τα νετρόνια δεν ιονίζονται, αλλά δημιουργούν πρωτόνια που μπορούν). Στην πραγματικότητα, οι χρεώσεις που περιλαμβάνουν άμεση επαφή με ανθρώπους, όπως το Davy Crocket, μπορεί να απαιτούν εξαιρετικά καθαρό πλουτώνιο χαμηλής εκπομπής νετρονίων για αυτόν τον λόγο.
Η πραγματική χύτευση και επεξεργασία του πλουτωνίου γίνεται με το χέρι σε σφραγισμένους θαλάμους με γάντια χειριστή. Οπως αυτά:
Αυτό συνεπάγεται πολύ λίγη προστασία για τον άνθρωπο από το πλουτώνιο που εκπέμπει νετρόνια. Επομένως, το πλουτώνιο με υψηλή περιεκτικότητα σε Pu-240 επεξεργάζεται μόνο από χειριστές ή ο χρόνος που κάθε εργαζόμενος εργάζεται με αυτό είναι αυστηρά περιορισμένος.
Για όλους αυτούς τους λόγους (ραδιενέργεια, χειρότερες ιδιότητες του Pu-240) εξηγείται γιατί το πλουτώνιο ποιότητας αντιδραστήρα δεν χρησιμοποιείται για την κατασκευή όπλων - είναι φθηνότερο να παράγεται πλουτώνιο όπλων σε ειδικές περιπτώσεις. αντιδραστήρες. Αν και, προφανώς, είναι επίσης δυνατό να κατασκευαστεί ένας πυρηνικός εκρηκτικός μηχανισμός από έναν αντιδραστήρα.
Δακτύλιος πλουτωνίου
Αυτός ο δακτύλιος είναι κατασκευασμένος από ηλεκτρολυτικά καθαρισμένο μέταλλο πλουτώνιο (πάνω από 99,96% καθαρό). Χαρακτηριστικό για τα δαχτυλίδια που ετοιμάστηκαν στο Los Alamos και στάλθηκαν στο Rocky Flats για κατασκευή όπλων έως ότου η παραγωγή διακόπηκε πρόσφατα. Η μάζα του δακτυλίου είναι 5,3 κιλά, επαρκής για την κατασκευή μιας σύγχρονης στρατηγικής γόμωσης, η διάμετρος είναι περίπου 11 εκ. Το σχήμα του δακτυλίου είναι σημαντικό για την εξασφάλιση κρίσιμης ασφάλειας.
Χύτευση κράματος πλουτωνίου-γαλλίου που ανακτήθηκε από πυρήνα όπλων:
Πλουτώνιο κατά τη διάρκεια του Έργου Μανχάταν
Ιστορικά, τα πρώτα 520 χιλιοστόγραμμα μετάλλου πλουτωνίου που παρήχθησαν από τον Τεντ Μάγκελ και τον Νικ Ντάλας στο Λος Άλαμος στις 23 Μαρτίου 1944:
Πρέσα για θερμή συμπίεση κράματος πλουτωνίου-γαλλίου σε μορφή ημισφαιρίων. Αυτή η πρέσα χρησιμοποιήθηκε στο Λος Άλαμος για την κατασκευή πυρήνων πλουτωνίου για τις γομώσεις που πυροδοτήθηκαν στο Ναγκασάκι και στην Επιχείρηση Trinity.
Προϊόντα που ρίχνονται σε αυτό:
Πρόσθετα υποπροϊόντα ισότοπα πλουτωνίου
Η σύλληψη νετρονίων, που δεν συνοδεύεται από σχάση, δημιουργεί νέα ισότοπα πλουτωνίου: Pu-240, Pu-241 και Pu-242. Τα δύο τελευταία συσσωρεύονται σε μικρές ποσότητες.
Pu239 + n -> Pu240
Pu240 + n -> Pu241
Pu241 + n -> Pu242
Μια πλευρική αλυσίδα αντιδράσεων είναι επίσης δυνατή:
U238 + n -> U237 + 2n
U237 -> (6,75 ημέρες, beta decay) -> Np237
Np237 + n -> Np238
Np238 -> (2,1 ημέρες, beta decay) -> Pu238
Το συνολικό μέτρο της ακτινοβολίας (απόβλητα) μιας κυψέλης καυσίμου μπορεί να εκφραστεί σε μεγαβάτ ημέρες/τόνο (MW-day/t). Πλουτώνιο ποιότητας όπλωνΗ ποιότητα λαμβάνεται από στοιχεία με μικρή ποσότητα MW-day/t, παράγει λιγότερα ισότοπα υποπροϊόντων. Οι κυψέλες καυσίμου στους σύγχρονους αντιδραστήρες νερού υπό πίεση φτάνουν τα επίπεδα των 33.000 MW-ημέρα/τόνο. Η τυπική έκθεση σε έναν αντιδραστήρα παραγωγής όπλων (με εκτεταμένη αναπαραγωγή πυρηνικών καυσίμων) είναι 1000 MW-ημέρα/τόνο. Το πλουτώνιο στους αντιδραστήρες γραφίτη του Hanford ακτινοβολείται έως και 600 MW-ημέρα/τόνο, στη Σαβάνα ο αντιδραστήρας βαρέος νερού παράγει πλουτώνιο της ίδιας ποιότητας στα 1000 MW-ημέρα/τόνο (πιθανόν λόγω του γεγονότος ότι ορισμένα από τα νετρόνια είναι δαπανήθηκαν για το σχηματισμό τριτίου) . Κατά τη διάρκεια του Έργου Μανχάταν, το φυσικό καύσιμο ουρανίου έλαβε μόνο 100 MW-ημέρα/τόνο, παράγοντας έτσι πολύ υψηλής ποιότητας πλουτώνιο-239 (μόνο 0,9-1% Pu-240, άλλα ισότοπα σε ακόμη μικρότερες ποσότητες).
Σχετική πληροφορία.
Το πλουτώνιο ανακαλύφθηκε στα τέλη του 1940 στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια. Συντέθηκε από τους McMillan, Kennedy και Wahl βομβαρδίζοντας οξείδιο του ουρανίου (U 3 O 8) με πυρήνες δευτερίου (δευτέρια) πολύ επιταχυνόμενους σε ένα κυκλοτρόνιο. Αργότερα διαπιστώθηκε ότι αυτή η πυρηνική αντίδραση παράγει αρχικά το βραχύβιο ισότοπο neptunium-238, και από αυτό το πλουτώνιο-238 με χρόνο ημιζωής περίπου 50 χρόνια. Ένα χρόνο αργότερα, οι Kennedy, Seaborg, Segre και Wahl συνέθεσαν ένα πιο σημαντικό ισότοπο, το πλουτώνιο-239, ακτινοβολώντας ουράνιο με εξαιρετικά επιταχυνόμενα νετρόνια σε ένα κυκλοτρόνιο. Το πλουτώνιο-239 σχηματίζεται από τη διάσπαση του ποσειδώνιου-239. εκπέμπει ακτίνες άλφα και έχει χρόνο ημιζωής 24.000 χρόνια. Η καθαρή ένωση πλουτωνίου ελήφθη για πρώτη φορά το 1942. Στη συνέχεια έγινε γνωστό ότι υπήρχε φυσικό πλουτώνιο που βρέθηκε στα μεταλλεύματα ουρανίου, ιδιαίτερα σε μεταλλεύματα που εναποτέθηκαν στο Κονγκό.
Το όνομα του στοιχείου προτάθηκε το 1948: ο ΜακΜίλαν ονόμασε το πρώτο υπερουρανικό στοιχείο νεπτούνιο λόγω του γεγονότος ότι ο πλανήτης Ποσειδώνας είναι ο πρώτος πέρα από τον Ουρανό. Κατ' αναλογία, αποφάσισαν να ονομάσουν το στοιχείο 94 πλουτώνιο, αφού ο πλανήτης Πλούτωνας είναι δεύτερος μετά τον Ουρανό. Ο Πλούτωνας, που ανακαλύφθηκε το 1930, έλαβε το όνομά του από το όνομα του θεού Πλούτωνα, του κυβερνήτη του κάτω κόσμου στην ελληνική μυθολογία. Στις αρχές του 19ου αι. Ο Κλαρκ πρότεινε να ονομαστεί το στοιχείο βάριο πλουτώνιο, βγάζοντας αυτό το όνομα απευθείας από το όνομα του θεού Πλούτωνα, αλλά η πρότασή του δεν έγινε δεκτή.
Αυτό το μέταλλο ονομάζεται πολύτιμο, αλλά όχι για την ομορφιά του, αλλά για την αναντικατάστατη του. Στον περιοδικό πίνακα του Mendeleev, αυτό το στοιχείο καταλαμβάνει το κελί 94. Με αυτό οι επιστήμονες εναποθέτουν τις μεγαλύτερες ελπίδες τους και είναι το πλουτώνιο που αποκαλούν το πιο επικίνδυνο μέταλλο για την ανθρωπότητα.
Πλουτώνιο: περιγραφή
Στην εμφάνιση είναι ένα ασημί-λευκό μέταλλο. Είναι ραδιενεργό και μπορεί να αναπαρασταθεί με τη μορφή 15 ισοτόπων με διαφορετικούς χρόνους ημιζωής, για παράδειγμα:
- Pu-238 – περίπου 90 χρόνια
- Pu-239 - περίπου 24 χιλιάδες χρόνια
- Pu-240 – 6580 χρόνια
- Pu-241 – 14 ετών
- Pu-242 – 370 χιλιάδες χρόνια
- Pu-244 - περίπου 80 εκατομμύρια χρόνια
Αυτό το μέταλλο δεν μπορεί να εξαχθεί από μετάλλευμα, καθώς είναι προϊόν του ραδιενεργού μετασχηματισμού του ουρανίου.
Πώς λαμβάνεται το πλουτώνιο;
Η παραγωγή πλουτωνίου απαιτεί τη διάσπαση του ουρανίου, η οποία μπορεί να γίνει μόνο σε πυρηνικούς αντιδραστήρες. Αν μιλάμε για την παρουσία του στοιχείου Pu στον φλοιό της γης, τότε για 4 εκατομμύρια τόνους μεταλλεύματος ουρανίου θα υπάρχει μόνο 1 γραμμάριο καθαρού πλουτωνίου. Και αυτό το γραμμάριο σχηματίζεται από τη φυσική σύλληψη νετρονίων από πυρήνες ουρανίου. Έτσι, για να ληφθεί αυτό το πυρηνικό καύσιμο (συνήθως το ισότοπο 239-Pu) σε ποσότητα πολλών κιλών, είναι απαραίτητο να πραγματοποιηθεί μια πολύπλοκη τεχνολογική διαδικασία σε έναν πυρηνικό αντιδραστήρα.
Ιδιότητες του πλουτωνίου
Το ραδιενεργό μέταλλο πλουτώνιο έχει τις ακόλουθες φυσικές ιδιότητες:
- πυκνότητα 19,8 g/cm 3
- Σημείο τήξεως – 641°C
- σημείο βρασμού – 3232°C
- θερμική αγωγιμότητα (στους 300 K) – 6,74 W/(m K)
Το πλουτώνιο είναι ραδιενεργό, γι' αυτό και είναι ζεστό στην αφή. Επιπλέον, αυτό το μέταλλο χαρακτηρίζεται από τη χαμηλότερη θερμική και ηλεκτρική αγωγιμότητα. Το υγρό πλουτώνιο είναι το πιο παχύρρευστο από όλα τα υπάρχοντα μέταλλα.
Η παραμικρή αλλαγή στη θερμοκρασία του πλουτωνίου οδηγεί σε μια στιγμιαία αλλαγή στην πυκνότητα της ουσίας. Γενικά, η μάζα του πλουτωνίου αλλάζει συνεχώς, αφού οι πυρήνες αυτού του μετάλλου βρίσκονται σε κατάσταση συνεχούς σχάσης σε μικρότερους πυρήνες και νετρόνια. Η κρίσιμη μάζα πλουτωνίου είναι το όνομα που δίνεται στην ελάχιστη μάζα μιας σχάσιμης ουσίας στην οποία η σχάση (πυρηνική αλυσιδωτή αντίδραση) παραμένει δυνατή. Για παράδειγμα, η κρίσιμη μάζα πλουτωνίου για όπλα είναι 11 κιλά (για σύγκριση, η κρίσιμη μάζα ουρανίου υψηλής εμπλουτισμού είναι 52 κιλά).
Το ουράνιο και το πλουτώνιο είναι τα κύρια πυρηνικά καύσιμα. Για τη λήψη πλουτωνίου σε μεγάλες ποσότητες, χρησιμοποιούνται δύο τεχνολογίες:
- ακτινοβολία ουρανίου
- ακτινοβόληση στοιχείων υπερουρανίου που λαμβάνονται από αναλωθέν καύσιμο
Και οι δύο μέθοδοι περιλαμβάνουν τον διαχωρισμό πλουτωνίου και ουρανίου ως αποτέλεσμα μιας χημικής αντίδρασης.
Για να ληφθεί καθαρό πλουτώνιο-238, χρησιμοποιείται ακτινοβολία νετρονίων του νεπτούνιου-237. Το ίδιο ισότοπο εμπλέκεται στη δημιουργία πλουτωνίου-239 για όπλα· συγκεκριμένα, είναι προϊόν ενδιάμεσης διάσπασης. 1 εκατομμύριο δολάρια είναι η τιμή για 1 κιλό πλουτώνιο-238.
Η ανθρωπότητα ήταν πάντα σε αναζήτηση νέων πηγών ενέργειας που μπορούν να λύσουν πολλά προβλήματα. Ωστόσο, δεν είναι πάντα ασφαλείς. Έτσι, συγκεκριμένα, αυτά που χρησιμοποιούνται ευρέως σήμερα, αν και είναι ικανά να παράγουν απλώς κολοσσιαίες ποσότητες ηλεκτρικής ενέργειας που χρειάζεται ο καθένας, εξακολουθούν να ενέχουν έναν θανάσιμο κίνδυνο. Όμως, εκτός από ειρηνικούς σκοπούς, ορισμένες χώρες στον πλανήτη μας έχουν μάθει να το χρησιμοποιούν για στρατιωτικούς σκοπούς, ειδικά για τη δημιουργία πυρηνικών κεφαλών. Αυτό το άρθρο θα συζητήσει τη βάση τέτοιων καταστροφικών όπλων, το όνομα των οποίων είναι πλουτώνιο όπλων.
Σύντομη ενημέρωση
Αυτή η συμπαγής μορφή του μετάλλου περιέχει τουλάχιστον το 93,5% του ισοτόπου 239Pu. Το πλουτώνιο κατηγορίας όπλων ονομάστηκε έτσι ώστε να μπορεί να διακριθεί από το «αντίστοιχό του αντιδραστήρα». Κατ 'αρχήν, το πλουτώνιο σχηματίζεται πάντα σε απολύτως οποιονδήποτε πυρηνικό αντιδραστήρα, ο οποίος, με τη σειρά του, λειτουργεί με χαμηλό εμπλουτισμένο ή φυσικό ουράνιο, που περιέχει, ως επί το πλείστον, το ισότοπο 238U.
Εφαρμογή στη στρατιωτική βιομηχανία
Το πλουτώνιο 239Pu για όπλα είναι η βάση των πυρηνικών όπλων. Ταυτόχρονα, η χρήση ισοτόπων με αριθμούς μάζας 240 και 242 είναι άσχετη, καθώς δημιουργούν ένα πολύ υψηλό υπόβαθρο νετρονίων, το οποίο τελικά περιπλέκει τη δημιουργία και τον σχεδιασμό εξαιρετικά αποτελεσματικών πυρηνικών πυρομαχικών. Επιπλέον, τα ισότοπα πλουτωνίου 240Pu και 241Pu έχουν σημαντικά μικρότερο χρόνο ημιζωής σε σύγκριση με το 239Pu, επομένως τα μέρη του πλουτωνίου γίνονται πολύ ζεστά. Από αυτή την άποψη, οι μηχανικοί αναγκάζονται να προσθέσουν επιπλέον στοιχεία για να αφαιρέσουν την περίσσεια θερμότητας στα πυρηνικά όπλα. Παρεμπιπτόντως, το 239Pu στην καθαρή του μορφή είναι πιο ζεστό από το ανθρώπινο σώμα. Είναι επίσης αδύνατο να μην ληφθεί υπόψη το γεγονός ότι τα προϊόντα της διαδικασίας αποσύνθεσης των βαρέων ισοτόπων υποβάλλουν το κρυσταλλικό πλέγμα του μετάλλου σε επιβλαβείς αλλαγές, και αυτό φυσικά αλλάζει τη διαμόρφωση των μερών πλουτωνίου, τα οποία, τελικά, μπορούν προκαλέσει πλήρη αστοχία πυρηνικού εκρηκτικού μηχανισμού.
Σε γενικές γραμμές, όλες οι παραπάνω δυσκολίες μπορούν να ξεπεραστούν. Και στην πράξη, οι δοκιμές έχουν ήδη πραγματοποιηθεί περισσότερες από μία φορές με βάση το πλουτώνιο του «αντιδραστήρα». Αλλά πρέπει να γίνει κατανοητό ότι στα πυρηνικά όπλα η συμπαγής τους, το χαμηλό νεκρό βάρος, η ανθεκτικότητα και η αξιοπιστία τους δεν είναι σε καμία περίπτωση το λιγότερο σημαντικό. Από αυτή την άποψη, χρησιμοποιούν αποκλειστικά πλουτώνιο για όπλα.
Σχεδιαστικά χαρακτηριστικά αντιδραστήρων παραγωγής
Σχεδόν όλο το πλουτώνιο στη Ρωσία παρήχθη σε αντιδραστήρες εξοπλισμένους με συντονιστή γραφίτη. Κάθε ένας από τους αντιδραστήρες είναι χτισμένος γύρω από κυλινδρικά συναρμολογημένα μπλοκ γραφίτη.
Όταν συναρμολογούνται, τα μπλοκ γραφίτη έχουν ειδικές υποδοχές μεταξύ τους για να εξασφαλίζεται η συνεχής κυκλοφορία του ψυκτικού υγρού, το οποίο χρησιμοποιεί άζωτο. Η συναρμολογημένη κατασκευή έχει επίσης κατακόρυφα τοποθετημένα κανάλια που δημιουργούνται για τη διέλευση της ψύξης του νερού και του καυσίμου μέσω αυτών. Το ίδιο το συγκρότημα υποστηρίζεται άκαμπτα από μια κατασκευή με ανοίγματα κάτω από τα κανάλια που χρησιμοποιούνται για την εκκένωση ήδη ακτινοβολημένου καυσίμου. Επιπλέον, κάθε ένα από τα κανάλια βρίσκεται σε ένα σωλήνα με λεπτά τοιχώματα χυτευμένο από ένα ελαφρύ και εξαιρετικά ισχυρό κράμα αλουμινίου. Τα περισσότερα από τα κανάλια που περιγράφονται έχουν 70 ράβδους καυσίμου. Το νερό ψύξης ρέει απευθείας γύρω από τις ράβδους καυσίμου, απομακρύνοντας την υπερβολική θερμότητα από αυτές.
Αύξηση της ισχύος των αντιδραστήρων παραγωγής
Αρχικά, ο πρώτος αντιδραστήρας Mayak λειτούργησε με θερμική ισχύ 100 MW. Ωστόσο, ο κύριος ηγέτης του σοβιετικού προγράμματος πυρηνικών όπλων έκανε μια πρόταση ότι ο αντιδραστήρας πρέπει να λειτουργεί σε ισχύ 170-190 MW το χειμώνα και 140-150 MW το καλοκαίρι. Αυτή η προσέγγιση επέτρεψε στον αντιδραστήρα να παράγει σχεδόν 140 γραμμάρια πολύτιμου πλουτωνίου την ημέρα.
Το 1952, πραγματοποιήθηκε πλήρης ερευνητική εργασία προκειμένου να αυξηθεί η παραγωγική ικανότητα των αντιδραστήρων που λειτουργούν χρησιμοποιώντας τις ακόλουθες μεθόδους:
- Αυξάνοντας τη ροή του νερού που χρησιμοποιείται για ψύξη και ρέει μέσα από τους πυρήνες ενός πυρηνικού σταθμού.
- Με την αύξηση της αντίστασης στο φαινόμενο της διάβρωσης που εμφανίζεται κοντά στην επένδυση του καναλιού.
- Μείωση του ρυθμού οξείδωσης του γραφίτη.
- Αύξηση της θερμοκρασίας μέσα στις κυψέλες καυσίμου.
Ως αποτέλεσμα, η απόδοση του κυκλοφορούντος νερού αυξήθηκε σημαντικά μετά την αύξηση του κενού μεταξύ του καυσίμου και των τοιχωμάτων του καναλιού. Καταφέραμε επίσης να απαλλαγούμε από τη διάβρωση. Για αυτό, επιλέχθηκαν τα καταλληλότερα κράματα αλουμινίου και άρχισε να προστίθεται ενεργά διχρωμικό νάτριο, το οποίο τελικά αύξησε την απαλότητα του νερού ψύξης (το pH έγινε περίπου 6,0-6,2). Η οξείδωση του γραφίτη έπαψε να είναι ένα πιεστικό πρόβλημα αφού χρησιμοποιήθηκε άζωτο για την ψύξη του (προηγουμένως χρησιμοποιήθηκε μόνο αέρας).
Στα τέλη της δεκαετίας του 1950, οι καινοτομίες υλοποιήθηκαν πλήρως στην πράξη, μειώνοντας τον εξαιρετικά περιττό πληθωρισμό ουρανίου που προκαλείται από την ακτινοβολία, μειώνοντας σημαντικά τη θερμική σκλήρυνση των ράβδων ουρανίου, βελτιώνοντας την αντίσταση επένδυσης και αυξάνοντας τον ποιοτικό έλεγχο της παραγωγής.
Παραγωγή στη Mayak
Το "Chelyabinsk-65" είναι ένα από εκείνα τα πολύ μυστικά εργοστάσια όπου δημιουργήθηκε πλουτώνιο οπλικής ποιότητας. Η επιχείρηση διέθετε αρκετούς αντιδραστήρες και θα ρίξουμε μια πιο προσεκτική ματιά σε κάθε έναν από αυτούς.
Αντιδραστήρας Α
Η εγκατάσταση σχεδιάστηκε και δημιουργήθηκε υπό την ηγεσία του θρυλικού N. A. Dollezhal. Λειτουργούσε με ισχύ 100 MW. Ο αντιδραστήρας είχε 1149 κατακόρυφα διατεταγμένα κανάλια ελέγχου και καυσίμου σε ένα μπλοκ γραφίτη. Το συνολικό βάρος της κατασκευής ήταν περίπου 1050 τόνοι. Σχεδόν όλα τα κανάλια (εκτός από 25) ήταν φορτωμένα με ουράνιο, η συνολική μάζα του οποίου ήταν 120-130 τόνοι. Χρησιμοποιήθηκαν 17 κανάλια για ράβδους ελέγχου και 8 για πειράματα. Η μέγιστη σχεδιαστική απελευθέρωση θερμότητας της κυψέλης καυσίμου ήταν 3,45 kW. Αρχικά, ο αντιδραστήρας παρήγαγε περίπου 100 γραμμάρια πλουτωνίου την ημέρα. Το πρώτο μεταλλικό πλουτώνιο παρήχθη στις 16 Απριλίου 1949.
Τεχνολογικά μειονεκτήματα
Σχεδόν αμέσως, εντοπίστηκαν αρκετά σοβαρά προβλήματα, τα οποία αποτελούνταν από διάβρωση επενδύσεων αλουμινίου και επίστρωση κυψελών καυσίμου. Οι ράβδοι ουρανίου διογκώθηκαν επίσης και υπέστησαν ζημιές, προκαλώντας τη διαρροή νερού ψύξης απευθείας στον πυρήνα του αντιδραστήρα. Μετά από κάθε διαρροή, ο αντιδραστήρας έπρεπε να σταματά για έως και 10 ώρες για να στεγνώσει ο γραφίτης με αέρα. Τον Ιανουάριο του 1949, οι επενδύσεις καναλιών αντικαταστάθηκαν. Μετά από αυτό, η εγκατάσταση ξεκίνησε στις 26 Μαρτίου 1949.
Το πλουτώνιο για όπλα, η παραγωγή του οποίου στον αντιδραστήρα Α συνοδεύτηκε από κάθε είδους δυσκολίες, παρήχθη την περίοδο 1950-1954 με μέση μοναδιαία ισχύ 180 MW. Η μετέπειτα λειτουργία του αντιδραστήρα άρχισε να συνοδεύεται από πιο εντατική χρήση, η οποία φυσικά οδήγησε σε συχνότερες διακοπές λειτουργίας (έως και 165 φορές το μήνα). Ως αποτέλεσμα, ο αντιδραστήρας έκλεισε τον Οκτώβριο του 1963 και άρχισε να λειτουργεί ξανά μόνο την άνοιξη του 1964. Ολοκλήρωσε πλήρως την εκστρατεία του το 1987 και σε όλη την περίοδο πολλών ετών λειτουργίας παρήγαγε 4,6 τόνους πλουτώνιο.
αντιδραστήρες ΑΒ
Αποφασίστηκε να κατασκευαστούν τρεις αντιδραστήρες AB στην επιχείρηση Chelyabinsk-65 το φθινόπωρο του 1948. Η παραγωγική τους ικανότητα ήταν 200-250 γραμμάρια πλουτωνίου την ημέρα. Ο επικεφαλής σχεδιαστής του έργου ήταν ο A. Savin. Κάθε αντιδραστήρας αποτελούνταν από 1996 κανάλια, 65 από τα οποία ήταν κανάλια ελέγχου. Οι εγκαταστάσεις χρησιμοποιούσαν μια τεχνική καινοτομία - κάθε κανάλι ήταν εξοπλισμένο με ειδικό ανιχνευτή διαρροής ψυκτικού. Αυτή η κίνηση κατέστησε δυνατή την αλλαγή των επενδύσεων χωρίς διακοπή της λειτουργίας του ίδιου του αντιδραστήρα.
Το πρώτο έτος λειτουργίας των αντιδραστήρων έδειξε ότι παρήγαγαν περίπου 260 γραμμάρια πλουτωνίου την ημέρα. Ωστόσο, ήδη από το δεύτερο έτος λειτουργίας, η ισχύς αυξήθηκε σταδιακά και ήδη το 1963 ήταν 600 MW. Μετά τη δεύτερη γενική επισκευή, το πρόβλημα με τα χιτώνια επιλύθηκε πλήρως και η ισχύς ήταν ήδη 1200 MW με ετήσια παραγωγή πλουτωνίου 270 κιλά. Αυτοί οι δείκτες παρέμειναν μέχρι να κλείσουν τελείως οι αντιδραστήρες.
Αντιδραστήρας AI-IR
Η επιχείρηση Chelyabinsk χρησιμοποίησε αυτήν την εγκατάσταση από τις 22 Δεκεμβρίου 1951 έως τις 25 Μαΐου 1987. Εκτός από το ουράνιο, ο αντιδραστήρας παρήγαγε επίσης κοβάλτιο-60 και πολώνιο-210. Αρχικά, η εγκατάσταση παρήγαγε τρίτιο, αλλά αργότερα άρχισε να παράγει πλουτώνιο.
Επίσης, το εργοστάσιο επεξεργασίας πλουτωνίου όπλων είχε σε λειτουργία αντιδραστήρες που λειτουργούσαν με βαρύ νερό και έναν μόνο αντιδραστήρα ελαφρού νερού (το όνομά του ήταν "Ruslan").
Σιβηρικός γίγαντας
«Tomsk-7» ονομαζόταν το εργοστάσιο, το οποίο στέγαζε πέντε αντιδραστήρες για τη δημιουργία πλουτωνίου. Κάθε μία από τις μονάδες χρησιμοποιούσε γραφίτη για να επιβραδύνει τα νετρόνια και το συνηθισμένο νερό για να εξασφαλίσει τη σωστή ψύξη.
Ο αντιδραστήρας I-1 λειτουργούσε με σύστημα ψύξης στο οποίο το νερό πέρασε μία φορά. Ωστόσο, οι υπόλοιπες τέσσερις εγκαταστάσεις ήταν εξοπλισμένες με κλειστά πρωτεύοντα κυκλώματα εξοπλισμένα με εναλλάκτες θερμότητας. Αυτός ο σχεδιασμός κατέστησε δυνατή την επιπλέον παραγωγή ατμού, ο οποίος με τη σειρά του βοήθησε στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και στη θέρμανση διαφόρων χώρων διαβίωσης.
Το Tomsk-7 είχε επίσης έναν αντιδραστήρα που ονομάζεται EI-2, ο οποίος, με τη σειρά του, είχε διπλό σκοπό: παρήγαγε πλουτώνιο και, λόγω του ατμού που παρήχθη, παρήγαγε 100 MW ηλεκτρικής ενέργειας, καθώς και 200 MW θερμικής ενέργειας.
Σημαντικές πληροφορίες
Σύμφωνα με τους επιστήμονες, ο χρόνος ημιζωής του πλουτωνίου για όπλα είναι περίπου 24.360 χρόνια. Τεράστιος αριθμός! Από αυτή την άποψη, το ερώτημα γίνεται ιδιαίτερα οξύ: "Πώς να αντιμετωπίσουμε σωστά τα απόβλητα από την παραγωγή αυτού του στοιχείου;" Η καλύτερη επιλογή θεωρείται η κατασκευή ειδικών επιχειρήσεων για την επακόλουθη επεξεργασία πλουτωνίου οπλικής ποιότητας. Αυτό εξηγείται από το γεγονός ότι σε αυτή την περίπτωση το στοιχείο δεν μπορεί πλέον να χρησιμοποιηθεί για στρατιωτικούς σκοπούς και θα βρίσκεται υπό τον ανθρώπινο έλεγχο. Αυτός είναι ακριβώς ο τρόπος με τον οποίο απορρίπτεται το πλουτώνιο για όπλα στη Ρωσία, αλλά οι Ηνωμένες Πολιτείες της Αμερικής έχουν ακολουθήσει διαφορετική οδό, παραβιάζοντας έτσι τις διεθνείς τους υποχρεώσεις.
Έτσι, η αμερικανική κυβέρνηση προτείνει την καταστροφή υλικού υψηλής εμπλουτισμού όχι με βιομηχανικά μέσα, αλλά με την αραίωση του πλουτωνίου και την αποθήκευση του σε ειδικά δοχεία σε βάθος 500 μέτρων. Είναι αυτονόητο ότι σε αυτή την περίπτωση το υλικό μπορεί εύκολα να αφαιρεθεί από το έδαφος ανά πάσα στιγμή και να χρησιμοποιηθεί ξανά για στρατιωτικούς σκοπούς. Σύμφωνα με τον Ρώσο πρόεδρο Βλαντιμίρ Πούτιν, αρχικά οι χώρες συμφώνησαν να καταστρέψουν το πλουτώνιο όχι με αυτή τη μέθοδο, αλλά να πραγματοποιήσουν διάθεση σε βιομηχανικές εγκαταστάσεις.
Το κόστος του πλουτωνίου για όπλα αξίζει ιδιαίτερης προσοχής. Σύμφωνα με τους ειδικούς, δεκάδες τόνοι αυτού του στοιχείου μπορεί να κοστίσουν αρκετά δισεκατομμύρια δολάρια ΗΠΑ. Και ορισμένοι ειδικοί έχουν υπολογίσει ακόμη και 500 τόνους πλουτωνίου για όπλα σε 8 τρισεκατομμύρια δολάρια. Το ποσό είναι πραγματικά εντυπωσιακό. Για να γίνει πιο σαφές πόσα χρήματα είναι αυτά, ας πούμε ότι τα τελευταία δέκα χρόνια του 20ού αιώνα, το μέσο ετήσιο ΑΕΠ της Ρωσίας ήταν 400 δισεκατομμύρια δολάρια. Δηλαδή, στην πραγματικότητα, η πραγματική τιμή του πλουτωνίου για όπλα ήταν ίση με είκοσι ετήσιο ΑΕΠ της Ρωσικής Ομοσπονδίας.
Είναι πραγματικά πολύτιμος.
Ιστορικό και ιστορικό
Στην αρχή υπήρχαν πρωτόνια - γαλαξιακό υδρογόνο. Ως αποτέλεσμα της συμπίεσής του και των επακόλουθων πυρηνικών αντιδράσεων, σχηματίστηκαν οι πιο απίστευτες «πλίνθοι» νουκλεονίων. Ανάμεσά τους, αυτές οι «ράβδοι», προφανώς υπήρχαν εκείνες που περιείχαν 94 πρωτόνια. Οι εκτιμήσεις των θεωρητικών υποδηλώνουν ότι περίπου 100 σχηματισμοί νουκλεονίων, που περιλαμβάνουν 94 πρωτόνια και από 107 έως 206 νετρόνια, είναι τόσο σταθεροί που μπορούν να θεωρηθούν πυρήνες ισοτόπων του στοιχείου Νο. 94.
Όμως όλα αυτά τα ισότοπα -υποθετικά και πραγματικά- δεν είναι τόσο σταθερά ώστε να επιβιώσουν μέχρι σήμερα από το σχηματισμό των στοιχείων του ηλιακού συστήματος. Ο χρόνος ημιζωής του μακροβιότερου ισοτόπου του στοιχείου Νο. 94 είναι 75 εκατομμύρια χρόνια. Η ηλικία του Γαλαξία μετριέται σε δισεκατομμύρια χρόνια. Κατά συνέπεια, το «αρχέγονο» πλουτώνιο δεν είχε καμία πιθανότητα να επιβιώσει μέχρι σήμερα. Αν σχηματίστηκε κατά τη μεγάλη σύνθεση των στοιχείων του Σύμπαντος, τότε αυτά τα αρχαία άτομα του «εξαφανίστηκαν» πολύ καιρό πριν, όπως εξαφανίστηκαν οι δεινόσαυροι και τα μαμούθ.
Τον 20ο αιώνα νέα εποχή, μ.Χ., αυτό το στοιχείο αναδημιουργήθηκε. Από τα 100 πιθανά ισότοπα πλουτωνίου έχουν συντεθεί τα 25. Οι πυρηνικές ιδιότητες 15 από αυτά έχουν μελετηθεί. Τέσσερα έχουν βρει πρακτική εφαρμογή. Και άνοιξε πρόσφατα. Τον Δεκέμβριο του 1940, όταν το ουράνιο ακτινοβολήθηκε με βαρείς πυρήνες υδρογόνου, μια ομάδα Αμερικανών ραδιοχημικών με επικεφαλής τον Glenn T. Seaborg ανακάλυψε έναν προηγουμένως άγνωστο εκπομπό σωματιδίων άλφα με χρόνο ημιζωής 90 χρόνια. Αυτός ο πομπός αποδείχθηκε ότι ήταν το ισότοπο του στοιχείου Νο. 94 με μαζικό αριθμό 238. Την ίδια χρονιά, αλλά λίγους μήνες νωρίτερα, η Ε.Μ. Ο McMillan και ο F. Abelson απέκτησαν το πρώτο στοιχείο βαρύτερο από το ουράνιο - στοιχείο Νο. 93. Αυτό το στοιχείο ονομάστηκε ποσειδώνιο και το 94ο ονομάστηκε πλουτώνιο. Ο ιστορικός θα πει σίγουρα ότι αυτά τα ονόματα προέρχονται από τη ρωμαϊκή μυθολογία, αλλά στην ουσία η προέλευση αυτών των ονομάτων δεν είναι μάλλον μυθολογική, αλλά αστρονομική.
Τα στοιχεία Νο. 92 και 93 έχουν πάρει το όνομά τους από τους μακρινούς πλανήτες του ηλιακού συστήματος - Ουρανός και Ποσειδώνας, αλλά ο Ποσειδώνας δεν είναι ο τελευταίος στο ηλιακό σύστημα, ακόμη περισσότερο βρίσκεται η τροχιά του Πλούτωνα - ενός πλανήτη για τον οποίο σχεδόν τίποτα δεν είναι ακόμη γνωστό. .. Μια παρόμοια κατασκευή Βλέπουμε επίσης στην «αριστερή πλευρά» του περιοδικού πίνακα: ουράνιο – ποσειδώνιο – πλουτώνιο, ωστόσο, η ανθρωπότητα γνωρίζει πολύ περισσότερα για το πλουτώνιο παρά για τον Πλούτωνα. Παρεμπιπτόντως, οι αστρονόμοι ανακάλυψαν τον Πλούτωνα μόλις δέκα χρόνια πριν από τη σύνθεση του πλουτωνίου - σχεδόν η ίδια χρονική περίοδος χώριζε τις ανακαλύψεις του Ουρανού - του πλανήτη και του ουρανίου - του στοιχείου.
Γρίφοι για κρυπτογράφους
Το πρώτο ισότοπο του στοιχείου Νο. 94, το πλουτώνιο-238, έχει βρει πρακτική εφαρμογή αυτές τις μέρες. Αλλά στις αρχές της δεκαετίας του '40 δεν το σκέφτηκαν καν. Είναι δυνατό να ληφθεί το πλουτώνιο-238 σε ποσότητες πρακτικού ενδιαφέροντος μόνο βασιζόμενοι στην ισχυρή πυρηνική βιομηχανία. Εκείνη την εποχή ήταν μόλις στα σπάργανα. Αλλά ήταν ήδη σαφές ότι με την απελευθέρωση της ενέργειας που περιέχεται στους πυρήνες των βαρέων ραδιενεργών στοιχείων, ήταν δυνατό να αποκτηθούν όπλα πρωτοφανούς ισχύος. Εμφανίστηκε το Manhattan Project, που δεν είχε τίποτα άλλο παρά ένα κοινό όνομα με τη διάσημη περιοχή της Νέας Υόρκης. Αυτό ήταν το γενικό όνομα για όλες τις εργασίες που σχετίζονται με τη δημιουργία των πρώτων ατομικών βομβών στις Ηνωμένες Πολιτείες. Δεν ήταν ένας επιστήμονας, αλλά ένας στρατιωτικός, ο στρατηγός Γκρόουβς, ο οποίος διορίστηκε επικεφαλής του Προγράμματος Μανχάταν, ο οποίος αποκάλεσε «με στοργή» τις υψηλά μορφωμένες κατηγορίες του «σπασμένα δοχεία».
Οι ηγέτες του «έργου» δεν ενδιαφέρθηκαν για το πλουτώνιο-238. Οι πυρήνες του, όπως και οι πυρήνες όλων των ισοτόπων του πλουτωνίου με ζυγούς αριθμούς μάζας, δεν είναι σχάσιμοι από νετρόνια χαμηλής ενέργειας*, επομένως δεν θα μπορούσε να χρησιμεύσει ως πυρηνικό εκρηκτικό. Ωστόσο, οι πρώτες όχι πολύ σαφείς αναφορές για τα στοιχεία Νο. 93 και 94 εμφανίστηκαν σε έντυπη μορφή μόλις την άνοιξη του 1942.
* Τα νετρόνια χαμηλής ενέργειας ονομάζουμε νετρόνια των οποίων η ενέργεια δεν υπερβαίνει τα 10 keV. Τα νετρόνια με ενέργεια μετρούμενη σε κλάσματα ηλεκτρονβολτ ονομάζονται θερμικά και τα πιο αργά νετρόνια, με ενέργεια μικρότερη από 0,005 eV, ονομάζονται ψυχρά. Εάν η ενέργεια νετρονίου είναι μεγαλύτερη από 100 keV, τότε ένα τέτοιο νετρόνιο θεωρείται γρήγορο.
Πώς μπορούμε να το εξηγήσουμε αυτό; Οι φυσικοί κατάλαβαν: η σύνθεση ισοτόπων πλουτωνίου με περιττούς αριθμούς μάζας ήταν θέμα χρόνου και όχι πολύ μεγάλο. Τα περίεργα ισότοπα αναμενόταν ότι, όπως το ουράνιο-235, θα μπορούσαν να υποστηρίξουν μια πυρηνική αλυσιδωτή αντίδραση. Κάποιοι τα είδαν ως πιθανά πυρηνικά εκρηκτικά, τα οποία δεν είχαν ακόμη παραληφθεί. Και το πλουτώνιο, δυστυχώς, δικαίωσε αυτές τις ελπίδες.
Στην κρυπτογράφηση εκείνης της εποχής, το στοιχείο Νο 94 δεν ονομαζόταν παρά... χαλκός. Και όταν προέκυψε η ανάγκη για τον ίδιο τον χαλκό (ως δομικό υλικό για ορισμένα μέρη), τότε στους κώδικες, μαζί με τον "χαλκό", εμφανίστηκε ο "γνήσιος χαλκός".
"Το Δέντρο της Γνώσης του Καλού και του Κακού"
Το 1941, ανακαλύφθηκε το πιο σημαντικό ισότοπο του πλουτωνίου - ένα ισότοπο με μαζικό αριθμό 239. Και σχεδόν αμέσως η πρόβλεψη των θεωρητικών επιβεβαιώθηκε: οι πυρήνες του πλουτωνίου-239 διασπάστηκαν από θερμικά νετρόνια. Επιπλέον, κατά τη διάσπασή τους, δεν παρήχθη λιγότερος αριθμός νετρονίων από ό,τι κατά τη διάσπαση του ουρανίου-235. Οι τρόποι απόκτησης αυτού του ισοτόπου σε μεγάλες ποσότητες σκιαγραφήθηκαν αμέσως...
Πέρασαν χρόνια. Τώρα δεν είναι μυστικό για κανέναν ότι οι πυρηνικές βόμβες που αποθηκεύονται σε οπλοστάσια είναι γεμάτες με πλουτώνιο-239 και ότι αυτές οι βόμβες είναι αρκετές για να προκαλέσουν ανεπανόρθωτη ζημιά σε όλη τη ζωή στη Γη.
Υπάρχει μια ευρέως διαδεδομένη πεποίθηση ότι η ανθρωπότητα βιαζόταν σαφώς με την ανακάλυψη της πυρηνικής αλυσιδωτής αντίδρασης (η αναπόφευκτη συνέπεια της οποίας ήταν η δημιουργία μιας πυρηνικής βόμβας). Μπορείτε να σκεφτείτε διαφορετικά ή να προσποιηθείτε ότι σκέφτεστε διαφορετικά - είναι πιο ευχάριστο να είστε αισιόδοξοι. Αλλά ακόμη και οι αισιόδοξοι αντιμετωπίζουν αναπόφευκτα το ζήτημα της ευθύνης των επιστημόνων. Θυμόμαστε τη θριαμβευτική ημέρα του Ιουνίου του 1954, την ημέρα που άνοιξε ο πρώτος πυρηνικός σταθμός στο Obninsk. Αλλά δεν μπορούμε να ξεχάσουμε το πρωί του Αυγούστου του 1945 - «το πρωί της Χιροσίμα», «η μαύρη μέρα του Άλμπερτ Αϊνστάιν»... Θυμόμαστε τα πρώτα μεταπολεμικά χρόνια και τον αχαλίνωτο ατομικό εκβιασμό - τη βάση της αμερικανικής πολιτικής εκείνα τα χρόνια . Αλλά η ανθρωπότητα δεν έχει βιώσει πολλά προβλήματα τα επόμενα χρόνια; Επιπλέον, αυτές οι ανησυχίες εντάθηκαν πολλές φορές από τη συνείδηση ότι εάν ξεσπούσε ένας νέος παγκόσμιος πόλεμος, θα χρησιμοποιηθούν πυρηνικά όπλα.
Εδώ μπορείτε να προσπαθήσετε να αποδείξετε ότι η ανακάλυψη του πλουτωνίου δεν πρόσθεσε φόβο στην ανθρωπότητα, ότι, αντίθετα, ήταν μόνο χρήσιμη.
Ας πούμε ότι συνέβη για κάποιο λόγο ή, όπως έλεγαν παλιά, με τη θέληση του Θεού, το πλουτώνιο ήταν απρόσιτο στους επιστήμονες. Θα μειωνόταν τότε οι φόβοι και οι ανησυχίες μας; Δεν έγινε τίποτα. Οι πυρηνικές βόμβες θα κατασκευάζονταν από ουράνιο-235 (και σε ποσότητα όχι μικρότερη από ό,τι από πλουτώνιο), και αυτές οι βόμβες θα «έτρωγαν» ακόμη μεγαλύτερα μέρη των προϋπολογισμών από ό,τι τώρα.
Αλλά χωρίς το πλουτώνιο δεν θα υπήρχε προοπτική ειρηνικής χρήσης της πυρηνικής ενέργειας σε μεγάλη κλίμακα. Απλώς δεν θα υπήρχε αρκετό ουράνιο-235 για ένα «ειρηνικό άτομο». Το κακό που προκλήθηκε στην ανθρωπότητα από την ανακάλυψη της πυρηνικής ενέργειας δεν θα εξισορροπηθεί, έστω και εν μέρει, από τα επιτεύγματα του «καλού ατόμου».
Πώς να μετρήσετε, με τι να συγκρίνετε
Όταν ένας πυρήνας πλουτωνίου-239 χωρίζεται από νετρόνια σε δύο θραύσματα περίπου ίσης μάζας, απελευθερώνονται περίπου 200 MeV ενέργειας. Αυτή είναι 50 εκατομμύρια φορές περισσότερη ενέργεια που απελευθερώνεται στην πιο διάσημη εξώθερμη αντίδραση C + O 2 = CO 2. «Καίγοντας» σε πυρηνικό αντιδραστήρα, ένα γραμμάριο πλουτωνίου δίνει 2·10 7 kcal. Για να μην σπάσουμε τις παραδόσεις (και σε δημοφιλή άρθρα, η ενέργεια του πυρηνικού καυσίμου συνήθως μετριέται σε μη συστημικές μονάδες - τόνους άνθρακα, βενζίνη, τρινιτροτολουόλιο κ.λπ.), σημειώνουμε επίσης: αυτή είναι η ενέργεια που περιέχεται σε 4 τόνους του άνθρακα. Και μια συνηθισμένη δακτυλήθρα περιέχει μια ποσότητα πλουτωνίου ενεργειακά ισοδύναμη με σαράντα φορτία καλών καυσόξυλων σημύδας.
Η ίδια ενέργεια απελευθερώνεται κατά τη διάσπαση των πυρήνων του ουρανίου-235 από τα νετρόνια. Αλλά το μεγαλύτερο μέρος του φυσικού ουρανίου (99,3%!) είναι το ισότοπο 238 U, το οποίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί μόνο μετατρέποντας το ουράνιο σε πλουτώνιο...
Ενέργεια από πέτρες
Ας αξιολογήσουμε τους ενεργειακούς πόρους που περιέχονται στα φυσικά αποθέματα ουρανίου.
Το ουράνιο είναι ιχνοστοιχείο και βρίσκεται σχεδόν παντού. Όποιος έχει επισκεφτεί, για παράδειγμα, την Καρέλια, μάλλον θα θυμάται γρανιτένιους ογκόλιθους και παραθαλάσσιους βράχους. Λίγοι όμως γνωρίζουν ότι ένας τόνος γρανίτη περιέχει έως και 25 g ουρανίου. Οι γρανίτες αποτελούν σχεδόν το 20% του βάρους του φλοιού της γης. Αν μετρήσουμε μόνο το ουράνιο-235, τότε ένας τόνος γρανίτη περιέχει 3,5·10 5 kcal ενέργειας. Είναι πολλά, αλλά...
Η επεξεργασία του γρανίτη και η εξαγωγή ουρανίου από αυτόν απαιτεί την κατανάλωση ακόμη μεγαλύτερης ποσότητας ενέργειας - περίπου 10 6 ... 10 7 kcal/t. Τώρα, εάν ήταν δυνατό να χρησιμοποιηθεί όχι μόνο το ουράνιο-235, αλλά και το ουράνιο-238 ως πηγή ενέργειας, τότε ο γρανίτης θα μπορούσε να θεωρηθεί τουλάχιστον ως δυνητική ενεργειακή πρώτη ύλη. Τότε η ενέργεια που λαμβάνεται από έναν τόνο πέτρας θα ήταν ήδη από 8·10 7 έως 5·10 8 kcal. Αυτό ισοδυναμεί με 16...100 τόνους άνθρακα. Και σε αυτή την περίπτωση, ο γρανίτης θα μπορούσε να παρέχει στους ανθρώπους σχεδόν ένα εκατομμύριο φορές περισσότερη ενέργεια από όλα τα αποθέματα χημικών καυσίμων στη Γη.
Αλλά οι πυρήνες του ουρανίου-238 δεν διασπώνται από τα νετρόνια. Αυτό το ισότοπο είναι άχρηστο για την πυρηνική ενέργεια. Πιο συγκεκριμένα, θα ήταν άχρηστο αν δεν μπορούσε να μετατραπεί σε πλουτώνιο-239. Και αυτό που είναι ιδιαίτερα σημαντικό: πρακτικά δεν χρειάζεται να δαπανηθεί ενέργεια σε αυτόν τον πυρηνικό μετασχηματισμό - αντίθετα, παράγεται ενέργεια σε αυτή τη διαδικασία!
Ας προσπαθήσουμε να καταλάβουμε πώς συμβαίνει αυτό, αλλά πρώτα λίγα λόγια για το φυσικό πλουτώνιο.
400 χιλιάδες φορές λιγότερο από το ράδιο
Έχει ήδη ειπωθεί ότι τα ισότοπα του πλουτωνίου δεν έχουν διατηρηθεί από τη σύνθεση των στοιχείων κατά τη διάρκεια του σχηματισμού του πλανήτη μας. Αυτό όμως δεν σημαίνει ότι δεν υπάρχει πλουτώνιο στη Γη.
Σχηματίζεται συνεχώς σε μεταλλεύματα ουρανίου. Με τη σύλληψη νετρονίων από την κοσμική ακτινοβολία και νετρονίων που παράγονται από την αυθόρμητη σχάση των πυρήνων του ουρανίου-238, ορισμένα -πολύ λίγα- άτομα αυτού του ισοτόπου μετατρέπονται σε άτομα ουρανίου-239. Αυτοί οι πυρήνες είναι πολύ ασταθείς, εκπέμπουν ηλεκτρόνια και έτσι αυξάνουν το φορτίο τους. Σχηματίζεται το Ποσειδώνιο, το πρώτο στοιχείο υπερουρανίου. Το Neptunium-239 είναι επίσης εξαιρετικά ασταθές και οι πυρήνες του εκπέμπουν ηλεκτρόνια. Σε μόλις 56 ώρες, το ήμισυ του ποσειδώνιου-239 μετατρέπεται σε πλουτώνιο-239, ο χρόνος ημιζωής του οποίου είναι ήδη αρκετά μεγάλος - 24 χιλιάδες χρόνια.
Γιατί δεν εξάγεται πλουτώνιο από μεταλλεύματα ουρανίου; Χαμηλή, πολύ χαμηλή συγκέντρωση. "Ένα γραμμάριο παραγωγής είναι ένα έτος εργασίας" - πρόκειται για ράδιο και τα μεταλλεύματα περιέχουν 400 χιλιάδες φορές λιγότερο πλουτώνιο από το ράδιο. Ως εκ τούτου, είναι εξαιρετικά δύσκολο όχι μόνο να εξορύξουμε, αλλά ακόμη και να ανιχνεύσουμε «επίγειο» πλουτώνιο. Αυτό έγινε μόνο αφού μελετήθηκαν οι φυσικές και χημικές ιδιότητες του πλουτωνίου που παράγεται σε πυρηνικούς αντιδραστήρες.
Όταν 2,70 >> 2,23
Το πλουτώνιο συσσωρεύεται σε πυρηνικούς αντιδραστήρες. Σε ισχυρά ρεύματα νετρονίων, συμβαίνει η ίδια αντίδραση όπως στα μεταλλεύματα ουρανίου, αλλά ο ρυθμός σχηματισμού και συσσώρευσης πλουτωνίου στον αντιδραστήρα είναι πολύ υψηλότερος - ένα δισεκατομμύριο δισεκατομμύρια φορές. Για την αντίδραση μετατροπής του έρματος ουρανίου-238 σε πλουτώνιο-239 ενεργειακής ποιότητας, δημιουργούνται βέλτιστες (εντός αποδεκτών) συνθήκες.
Εάν ο αντιδραστήρας λειτουργεί με θερμικά νετρόνια (θυμηθείτε ότι η ταχύτητά τους είναι περίπου 2000 m ανά δευτερόλεπτο και η ενέργειά τους είναι κλάσμα ηλεκτρονιοβολτ), τότε από ένα φυσικό μείγμα ισοτόπων ουρανίου προκύπτει ποσότητα πλουτωνίου που είναι ελαφρώς μικρότερη από την ποσότητα του «καμένου» ουρανίου-235. Λίγο, αλλά λιγότερο, συν τις αναπόφευκτες απώλειες πλουτωνίου κατά τον χημικό διαχωρισμό του από το ακτινοβολημένο ουράνιο. Επιπλέον, η πυρηνική αλυσιδωτή αντίδραση διατηρείται στο φυσικό μείγμα ισοτόπων ουρανίου μόνο μέχρι να καταναλωθεί ένα μικρό κλάσμα ουρανίου-235. Εξ ου και το λογικό συμπέρασμα: ένας «θερμικός» αντιδραστήρας που χρησιμοποιεί φυσικό ουράνιο - ο κύριος τύπος αντιδραστήρων που λειτουργούν σήμερα - δεν μπορεί να εξασφαλίσει την εκτεταμένη αναπαραγωγή του πυρηνικού καυσίμου. Τι είναι όμως υποσχόμενο τότε; Για να απαντήσουμε σε αυτό το ερώτημα, ας συγκρίνουμε την πορεία της πυρηνικής αλυσιδωτής αντίδρασης στο ουράνιο-235 και το πλουτώνιο-239 και ας εισαγάγουμε μια άλλη φυσική έννοια στις συζητήσεις μας.
Το πιο σημαντικό χαρακτηριστικό οποιουδήποτε πυρηνικού καυσίμου είναι ο μέσος αριθμός νετρονίων που εκπέμπονται αφού ο πυρήνας έχει συλλάβει ένα νετρόνιο. Οι φυσικοί τον αποκαλούν αριθμό eta και τον δηλώνουν με το ελληνικό γράμμα η. Στους «θερμικούς» αντιδραστήρες ουρανίου, παρατηρείται το ακόλουθο μοτίβο: κάθε νετρόνιο παράγει κατά μέσο όρο 2,08 νετρόνια (η = 2,08). Το πλουτώνιο που τοποθετείται σε έναν τέτοιο αντιδραστήρα υπό την επίδραση θερμικών νετρονίων δίνει η = 2,03. Υπάρχουν όμως και αντιδραστήρες που λειτουργούν με γρήγορα νετρόνια. Είναι άχρηστο να φορτώνεται ένα φυσικό μείγμα ισοτόπων ουρανίου σε έναν τέτοιο αντιδραστήρα: δεν θα συμβεί αλυσιδωτή αντίδραση. Αλλά εάν η «πρώτη ύλη» εμπλουτιστεί με ουράνιο-235, μπορεί να αναπτυχθεί σε έναν «γρήγορο» αντιδραστήρα. Σε αυτήν την περίπτωση, το η θα είναι ήδη ίσο με 2,23. Και το πλουτώνιο, εκτεθειμένο σε γρήγορη φωτιά νετρονίων, θα δώσει η ίσο με 2,70. Θα έχουμε «έξτρα μισό νετρόνιο» στη διάθεσή μας. Και αυτό δεν είναι καθόλου λίγο.
Ας δούμε σε τι ξοδεύονται τα νετρόνια που προκύπτουν. Σε κάθε αντιδραστήρα, χρειάζεται ένα νετρόνιο για να διατηρηθεί μια πυρηνική αλυσιδωτή αντίδραση. 0,1 νετρόνια απορροφώνται από τα δομικά υλικά της εγκατάστασης. Η "περσόνα" χρησιμοποιείται για τη συσσώρευση πλουτωνίου-239. Στη μία περίπτωση, η "υπέρβαση" είναι 1,13, στην άλλη - 1,60. Μετά το «κάψιμο» ενός κιλού πλουτωνίου σε έναν «γρήγορο» αντιδραστήρα, απελευθερώνεται κολοσσιαία ενέργεια και συσσωρεύονται 1,6 κιλά πλουτωνίου. Και το ουράνιο σε έναν «γρήγορο» αντιδραστήρα θα δώσει την ίδια ενέργεια και 1,1 κιλό νέο πυρηνικό καύσιμο. Και στις δύο περιπτώσεις, η εκτεταμένη αναπαραγωγή είναι εμφανής. Αλλά δεν πρέπει να ξεχνάμε την οικονομία.
Λόγω ορισμένων τεχνικών λόγων, ο κύκλος αναπαραγωγής του πλουτωνίου διαρκεί αρκετά χρόνια. Ας πούμε πέντε χρόνια. Αυτό σημαίνει ότι η ποσότητα πλουτωνίου ετησίως θα αυξάνεται μόνο κατά 2% εάν η = 2,23, και κατά 12% εάν η = 2,7! Τα πυρηνικά καύσιμα είναι κεφάλαιο και κάθε κεφάλαιο θα πρέπει να αποδίδει, ας πούμε, 5% ετησίως. Στην πρώτη περίπτωση υπάρχουν μεγάλες ζημιές και στη δεύτερη μεγάλα κέρδη. Αυτό το πρωτόγονο παράδειγμα απεικονίζει το «βάρος» κάθε δέκατου του αριθμού η στην πυρηνική ενέργεια.
Άθροισμα πολλών τεχνολογιών
Όταν, ως αποτέλεσμα πυρηνικών αντιδράσεων, η απαιτούμενη ποσότητα πλουτωνίου έχει συσσωρευτεί στο ουράνιο, πρέπει να διαχωριστεί όχι μόνο από το ίδιο το ουράνιο, αλλά και από θραύσματα σχάσης - τόσο ουράνιο όσο και πλουτώνιο, που καίγονται στην πυρηνική αλυσιδωτή αντίδραση. Επιπλέον, η μάζα ουρανίου-πλουτωνίου περιέχει επίσης μια ορισμένη ποσότητα ποσειδώνιο. Τα πιο δύσκολα πράγματα να διαχωριστούν είναι το πλουτώνιο από το ποσειδώνιο και τα στοιχεία σπάνιων γαιών (λανθανίδες). Το πλουτώνιο, ως χημικό στοιχείο, στάθηκε άτυχο σε κάποιο βαθμό. Από την άποψη ενός χημικού, το κύριο στοιχείο της πυρηνικής ενέργειας είναι μόνο μία από τις δεκατέσσερις ακτινίδες. Όπως τα στοιχεία σπάνιων γαιών, όλα τα στοιχεία της σειράς ακτινίου είναι πολύ παρόμοια μεταξύ τους σε χημικές ιδιότητες· η δομή των εξωτερικών κελυφών ηλεκτρονίων των ατόμων όλων των στοιχείων από το ακτίνιο έως το 103 είναι η ίδια. Το ακόμη πιο δυσάρεστο είναι ότι οι χημικές ιδιότητες των ακτινιδών είναι παρόμοιες με τις ιδιότητες των στοιχείων σπάνιων γαιών και μεταξύ των θραυσμάτων σχάσης ουρανίου και πλουτωνίου υπάρχουν περισσότερες από αρκετές λανθανίδες. Αλλά τότε το στοιχείο 94 μπορεί να βρίσκεται σε πέντε καταστάσεις σθένους, και αυτό «γλυκαίνει το χάπι» - βοηθά στον διαχωρισμό του πλουτωνίου τόσο από το ουράνιο όσο και από τα θραύσματα σχάσης.
Το σθένος του πλουτωνίου κυμαίνεται από τρία έως επτά. Χημικά, οι πιο σταθερές (και επομένως οι πιο κοινές και πιο μελετημένες) ενώσεις είναι το τετρασθενές πλουτώνιο.
Ο διαχωρισμός ακτινιδών με παρόμοιες χημικές ιδιότητες -ουράνιο, ποσειδώνιο και πλουτώνιο- μπορεί να βασίζεται στη διαφορά στις ιδιότητες των τετρα- και εξασθενών ενώσεων τους.
Δεν χρειάζεται να περιγραφούν λεπτομερώς όλα τα στάδια του χημικού διαχωρισμού πλουτωνίου και ουρανίου. Συνήθως, ο διαχωρισμός τους ξεκινά με τη διάλυση των ράβδων ουρανίου σε νιτρικό οξύ, μετά την οποία το ουράνιο, το νεπτούνιο, το πλουτώνιο και τα στοιχεία θρυμματισμού που περιέχονται στο διάλυμα "διαχωρίζονται", χρησιμοποιώντας παραδοσιακές ραδιοχημικές μεθόδους για αυτό - συνκαταβύθιση με φορείς, εκχύλιση, ανταλλαγή ιόντων και άλλοι. Τα τελικά προϊόντα που περιέχουν πλουτώνιο αυτής της τεχνολογίας πολλαπλών σταδίων είναι το διοξείδιο του PuO 2 ή τα φθοριούχα - PuF 3 ή PuF 4. Ανάγεται σε μέταλλο με ατμό βαρίου, ασβεστίου ή λιθίου. Ωστόσο, το πλουτώνιο που λαμβάνεται σε αυτές τις διεργασίες δεν είναι κατάλληλο για το ρόλο ενός δομικού υλικού - στοιχεία καυσίμου των αντιδραστήρων πυρηνικής ενέργειας δεν μπορούν να κατασκευαστούν από αυτό και το φορτίο μιας ατομικής βόμβας δεν μπορεί να χυθεί. Γιατί; Το σημείο τήξης του πλουτωνίου –μόνο 640°C– είναι αρκετά εφικτό.
Ανεξάρτητα από τις «υπερήπιες» συνθήκες που χρησιμοποιούνται για τη χύτευση εξαρτημάτων από καθαρό πλουτώνιο, οι ρωγμές θα εμφανίζονται πάντα στα χυτά υλικά κατά τη στερεοποίηση. Στους 640°C, το πλουτώνιο που στερεοποιείται σχηματίζει ένα κυβικό κρυσταλλικό πλέγμα. Καθώς η θερμοκρασία μειώνεται, η πυκνότητα του μετάλλου σταδιακά αυξάνεται. Στη συνέχεια όμως η θερμοκρασία έφτασε τους 480°C και ξαφνικά η πυκνότητα του πλουτωνίου έπεσε απότομα. Οι λόγοι αυτής της ανωμαλίας ανακαλύφθηκαν αρκετά γρήγορα: σε αυτή τη θερμοκρασία, τα άτομα πλουτωνίου αναδιατάσσονται στο κρυσταλλικό πλέγμα. Γίνεται τετραγωνικό και πολύ «χαλαρό». Ένα τέτοιο πλουτώνιο μπορεί να επιπλέει στο ίδιο του το τήγμα, όπως ο πάγος στο νερό.
Η θερμοκρασία συνεχίζει να πέφτει, τώρα έχει φτάσει τους 451°C και τα άτομα σχημάτισαν ξανά ένα κυβικό πλέγμα, αλλά βρίσκονται σε μεγαλύτερη απόσταση το ένα από το άλλο από ό,τι στην πρώτη περίπτωση. Με περαιτέρω ψύξη, το πλέγμα γίνεται πρώτα ορθορομβικό και μετά μονοκλινικό. Συνολικά, το πλουτώνιο σχηματίζει έξι διαφορετικές κρυσταλλικές μορφές! Δύο από αυτά διακρίνονται από μια αξιοσημείωτη ιδιότητα - έναν αρνητικό συντελεστή θερμικής διαστολής: με την αύξηση της θερμοκρασίας, το μέταλλο δεν διαστέλλεται, αλλά συστέλλεται.
Όταν η θερμοκρασία φτάσει τους 122°C και τα άτομα του πλουτωνίου αναδιατάσσουν τις σειρές τους για έκτη φορά, η πυκνότητα αλλάζει ιδιαίτερα δραματικά - από 17,77 σε 19,82 g/cm 3 . Πάνω από 10%! Κατά συνέπεια, ο όγκος του πλινθώματος μειώνεται. Εάν το μέταλλο μπορούσε ακόμα να αντισταθεί στις τάσεις που προέκυψαν σε άλλες μεταβάσεις, τότε αυτή τη στιγμή η καταστροφή είναι αναπόφευκτη.
Πώς λοιπόν να φτιάξετε εξαρτήματα από αυτό το εκπληκτικό μέταλλο; Οι μεταλλουργοί αναμειγνύουν πλουτώνιο (προσθέτοντας μικρές ποσότητες από τα απαιτούμενα στοιχεία σε αυτό) και αποκτούν χυτά χωρίς ούτε μία ρωγμή. Χρησιμοποιούνται για την κατασκευή γομώσεων πλουτωνίου για πυρηνικές βόμβες. Το βάρος του φορτίου (καθορίζεται κυρίως από την κρίσιμη μάζα του ισοτόπου) είναι 5...6 kg. Θα μπορούσε εύκολα να χωρέσει σε έναν κύβο με μέγεθος άκρης 10 cm.
Βαριά ισότοπα
Το πλουτώνιο-239 περιέχει επίσης σε μικρές ποσότητες υψηλότερα ισότοπα αυτού του στοιχείου - με αριθμούς μάζας 240 και 241. Το ισότοπο 240 Pu είναι πρακτικά άχρηστο - αυτό είναι έρμα σε πλουτώνιο. Από το 241 λαμβάνεται αμερίκιο - στοιχείο Νο. 95. Στην καθαρή τους μορφή, χωρίς ανάμειξη άλλων ισοτόπων, το δλουτώνιο-240 και το πλουτώνιο-241 μπορούν να ληφθούν με ηλεκτρομαγνητικό διαχωρισμό του πλουτωνίου που έχει συσσωρευτεί σε έναν αντιδραστήρα. Πριν από αυτό, το πλουτώνιο ακτινοβολείται επιπλέον με ροές νετρονίων με αυστηρά καθορισμένα χαρακτηριστικά. Φυσικά, όλα αυτά είναι πολύ περίπλοκα, ειδικά αφού το πλουτώνιο δεν είναι μόνο ραδιενεργό, αλλά και πολύ τοξικό. Η εργασία με αυτό απαιτεί εξαιρετική προσοχή.
Ένα από τα πιο ενδιαφέροντα ισότοπα πλουτωνίου, το 242 Pu, μπορεί να ληφθεί με ακτινοβολία 239 Pu για μεγάλο χρονικό διάστημα σε ροές νετρονίων. Το 242 Pu πολύ σπάνια συλλαμβάνει νετρόνια και επομένως «καίγεται» στον αντιδραστήρα πιο αργά από άλλα ισότοπα. επιμένει ακόμη και αφού τα υπόλοιπα ισότοπα του πλουτωνίου έχουν σχεδόν πλήρως μετατραπεί σε θραύσματα ή μετατραπεί σε πλουτώνιο-242.
Το πλουτώνιο-242 είναι σημαντικό ως «πρώτη ύλη» για τη σχετικά γρήγορη συσσώρευση υψηλότερων στοιχείων υπερουρανίου σε πυρηνικούς αντιδραστήρες. Εάν το πλουτώνιο-239 ακτινοβοληθεί σε έναν συμβατικό αντιδραστήρα, τότε θα χρειαστούν περίπου 20 χρόνια για να συσσωρευτούν ποσότητες μικρογραμμαρίων, για παράδειγμα, Καλιφόρνια-251 από γραμμάρια πλουτωνίου.
Είναι δυνατό να μειωθεί ο χρόνος συσσώρευσης υψηλότερων ισοτόπων αυξάνοντας την ένταση της ροής νετρονίων στον αντιδραστήρα. Αυτό κάνουν, αλλά τότε δεν μπορείτε να ακτινοβολήσετε μεγάλες ποσότητες πλουτωνίου-239. Άλλωστε, αυτό το ισότοπο διαιρείται με νετρόνια και απελευθερώνεται υπερβολική ενέργεια σε έντονες ροές. Πρόσθετες δυσκολίες προκύπτουν με την ψύξη του δοχείου και του αντιδραστήρα. Για να αποφευχθούν αυτές οι δυσκολίες, θα ήταν απαραίτητο να μειωθεί η ποσότητα του πλουτωνίου που ακτινοβολείται. Κατά συνέπεια, η απόδοση του καλιφόρνιο θα γινόταν και πάλι πενιχρή. Φαύλος κύκλος!
Το πλουτώνιο-242 δεν είναι σχάσιμο από θερμικά νετρόνια, μπορεί να ακτινοβοληθεί σε μεγάλες ποσότητες σε έντονες ροές νετρονίων... Επομένως, στους αντιδραστήρες, όλα τα στοιχεία από το καλιφόρνιο έως το αϊνστάιν «φτιάχνονται» από αυτό το ισότοπο και συσσωρεύονται σε ποσότητες βάρους.
Όχι ο πιο βαρύς, αλλά ο μακροβιότερος
Κάθε φορά που οι επιστήμονες κατάφερναν να αποκτήσουν ένα νέο ισότοπο πλουτωνίου, μετρούνταν ο χρόνος ημιζωής των πυρήνων του. Οι χρόνοι ημιζωής των ισοτόπων βαρέων ραδιενεργών πυρήνων με ζυγούς αριθμούς μάζας αλλάζουν τακτικά. (Αυτό δεν μπορεί να ειπωθεί για περίεργα ισότοπα.)
Ρύζι. 8.
Κοιτάξτε το γράφημα που δείχνει την εξάρτηση του χρόνου ημιζωής ζυγών ισοτόπων πλουτωνίου από τον μαζικό αριθμό. Καθώς αυξάνεται η μάζα, αυξάνεται και η «διάρκεια ζωής» του ισοτόπου. Πριν από μερικά χρόνια, το υψηλό σημείο αυτού του γραφήματος ήταν το πλουτώνιο-242. Και τότε πώς θα πάει αυτή η καμπύλη - με περαιτέρω αύξηση του μαζικού αριθμού; Ακριβώς 1 , που αντιστοιχεί σε διάρκεια ζωής 30 εκατομμυρίων ετών, ή στο σημείο 2 , που απαντά εδώ και 300 εκατομμύρια χρόνια; Η απάντηση σε αυτό το ερώτημα ήταν πολύ σημαντική για τις γεωεπιστήμες. Στην πρώτη περίπτωση, αν πριν από 5 δισεκατομμύρια χρόνια η Γη αποτελούνταν εξ ολοκλήρου από 244 Pu, τώρα θα παρέμενε μόνο ένα άτομο πλουτωνίου-244 σε ολόκληρη τη μάζα της Γης. Εάν η δεύτερη υπόθεση είναι αληθής, τότε το πλουτώνιο-244 μπορεί να βρίσκεται στη Γη σε συγκεντρώσεις που θα μπορούσαν ήδη να ανιχνευθούν. Αν ήμασταν αρκετά τυχεροί να βρούμε αυτό το ισότοπο στη Γη, η επιστήμη θα λάμβανε τις πιο πολύτιμες πληροφορίες για τις διεργασίες που έλαβαν χώρα κατά τη διάρκεια του σχηματισμού του πλανήτη μας.
Πριν από μερικά χρόνια, οι επιστήμονες αντιμετώπισαν το ερώτημα: αξίζει να προσπαθήσουμε να βρούμε βαρύ πλουτώνιο στη Γη; Για να απαντηθεί, ήταν απαραίτητο πρώτα απ 'όλα να προσδιοριστεί ο χρόνος ημιζωής του πλουτωνίου-244. Οι θεωρητικοί δεν μπορούσαν να υπολογίσουν αυτή την τιμή με την απαιτούμενη ακρίβεια. Όλη η ελπίδα ήταν μόνο για πείραμα.
Το πλουτώνιο-244 συσσωρεύεται σε έναν πυρηνικό αντιδραστήρα. Το στοιχείο Νο. 95, αμερίκιο (ισότοπο 243 Am), ακτινοβολήθηκε. Έχοντας συλλάβει ένα νετρόνιο, αυτό το ισότοπο μετατράπηκε σε americium-244. Το americium-244 σε μία στις 10 χιλιάδες περιπτώσεις μετατράπηκε σε πλουτώνιο-244.
Η παρασκευή του πλουτωνίου-244 απομονώθηκε από ένα μίγμα αμερικίου και κουρίου. Το δείγμα ζύγιζε μόνο μερικά εκατομμυριοστά του γραμμαρίου. Ήταν όμως αρκετά για να προσδιοριστεί ο χρόνος ημιζωής αυτού του ενδιαφέροντος ισοτόπου. Αποδείχθηκε ότι ήταν ίσο με 75 εκατομμύρια χρόνια. Αργότερα, άλλοι ερευνητές διευκρίνισαν τον χρόνο ημιζωής του πλουτωνίου-244, αλλά όχι πολύ - 82,8 εκατομμύρια χρόνια. Το 1971, ίχνη αυτού του ισοτόπου βρέθηκαν στο ορυκτό σπανίων γαιών bastnäsite.
Πολλές προσπάθειες έχουν γίνει από επιστήμονες για να βρουν ένα ισότοπο του στοιχείου υπερουρανίου που ζει περισσότερο από 244 Pu. Όμως όλες οι προσπάθειες παρέμειναν μάταιες. Κάποτε, οι ελπίδες είχαν τεθεί στο κούριο-247, αλλά αφού αυτό το ισότοπο συσσωρεύτηκε στον αντιδραστήρα, αποδείχθηκε ότι ο χρόνος ημιζωής του είναι μόνο 14 εκατομμύρια χρόνια. Δεν ήταν δυνατό να σπάσει το ρεκόρ του πλουτωνίου-244 - είναι το μακροβιότερο από όλα τα ισότοπα στοιχείων υπερουρανίου.
Ακόμη βαρύτερα ισότοπα πλουτωνίου υφίστανται βήτα διάσπαση και η διάρκεια ζωής τους κυμαίνεται από μερικές ημέρες έως μερικά δέκατα του δευτερολέπτου. Γνωρίζουμε με βεβαιότητα ότι όλα τα ισότοπα του πλουτωνίου σχηματίζονται σε θερμοπυρηνικές εκρήξεις, έως και 257 Pu. Αλλά η διάρκεια ζωής τους είναι δέκατα του δευτερολέπτου και πολλά βραχύβια ισότοπα πλουτωνίου δεν έχουν ακόμη μελετηθεί.
Δυνατότητες του πρώτου ισοτόπου
Και τέλος - για το πλουτώνιο-238 - το πρώτο από τα «τεχνητά» ισότοπα του πλουτωνίου, ένα ισότοπο που στην αρχή φαινόταν απρόβλεπτο. Στην πραγματικότητα είναι ένα πολύ ενδιαφέρον ισότοπο. Υπόκειται σε διάσπαση άλφα, δηλ. οι πυρήνες του εκπέμπουν αυθόρμητα σωματίδια άλφα - πυρήνες ηλίου. Τα σωματίδια άλφα που παράγονται από τους πυρήνες του πλουτωνίου-238 μεταφέρουν υψηλή ενέργεια. διασκορπισμένη στην ύλη, αυτή η ενέργεια μετατρέπεται σε θερμότητα. Πόσο μεγάλη είναι αυτή η ενέργεια; Έξι εκατομμύρια ηλεκτρον βολτ απελευθερώνονται από τη διάσπαση ενός ατομικού πυρήνα του πλουτωνίου-238. Σε μια χημική αντίδραση, η ίδια ενέργεια απελευθερώνεται όταν οξειδώνονται πολλά εκατομμύρια άτομα. Μια πηγή ηλεκτρικής ενέργειας που περιέχει ένα κιλό πλουτώνιο-238 αναπτύσσει θερμική ισχύ 560 Watt. Η μέγιστη ισχύς μιας πηγής χημικού ρεύματος ίδιας μάζας είναι 5 watt.
Υπάρχουν πολλοί πομποί με παρόμοια ενεργειακά χαρακτηριστικά, αλλά ένα χαρακτηριστικό του πλουτωνίου-238 καθιστά αυτό το ισότοπο απαραίτητο. Η διάσπαση άλφα συνήθως συνοδεύεται από ισχυρή ακτινοβολία γάμμα, που διεισδύει μέσα από μεγάλα στρώματα ύλης. Το 238 Pu αποτελεί εξαίρεση. Η ενέργεια των ακτίνων γάμμα που συνοδεύει τη διάσπαση των πυρήνων του είναι χαμηλή και δεν είναι δύσκολο να προστατευτεί κανείς από αυτήν: η ακτινοβολία απορροφάται από ένα δοχείο με λεπτό τοίχωμα. Η πιθανότητα αυθόρμητης σχάσης των πυρήνων αυτού του ισοτόπου είναι επίσης χαμηλή. Ως εκ τούτου, έχει βρει εφαρμογή όχι μόνο στις τρέχουσες πηγές, αλλά και στην ιατρική. Οι μπαταρίες που περιέχουν πλουτώνιο-238 χρησιμεύουν ως πηγή ενέργειας σε ειδικά καρδιακά διεγερτικά.
Αλλά το 238 Pu δεν είναι το ελαφρύτερο γνωστό ισότοπο του στοιχείου Νο. 94· ισότοπα πλουτωνίου έχουν ληφθεί με μάζες από 232 έως 237. Ο χρόνος ημιζωής του ελαφρύτερου ισοτόπου είναι 36 λεπτά.
Το πλουτώνιο είναι ένα μεγάλο θέμα. Εδώ λέγονται τα πιο σημαντικά. Άλλωστε, έχει γίνει ήδη μια τυπική φράση ότι η χημεία του πλουτωνίου έχει μελετηθεί πολύ καλύτερα από τη χημεία τέτοιων «παλιών» στοιχείων όπως ο σίδηρος. Ολόκληρα βιβλία έχουν γραφτεί για τις πυρηνικές ιδιότητες του πλουτωνίου. Η μεταλλουργία του πλουτωνίου είναι ένα άλλο καταπληκτικό τμήμα της ανθρώπινης γνώσης... Επομένως, δεν πρέπει να νομίζετε ότι μετά την ανάγνωση αυτής της ιστορίας, μάθατε πραγματικά το πλουτώνιο - το πιο σημαντικό μέταλλο του 20ου αιώνα.
