Relvaklassi plutoonium on plutoonium kompaktse metalli kujul, mis sisaldab vähemalt 93,5% 239Pu isotoopi. Mõeldud tuumarelvade loomiseks.
1. Nimi ja omadused
Nad nimetavad seda "relvakvaliteediga", et eristada seda "reaktoriklassist". Plutoonium moodustub mis tahes tuumareaktoris, mis töötab looduslikul või väherikastatud uraanil ja sisaldab peamiselt 238U isotoopi, kui see püüab kinni liigsed neutronid. Kuid kui reaktor töötab, põleb relvade kvaliteediga plutooniumi isotoop kiiresti ära ja selle tulemusena koguneb reaktorisse suur hulk isotoope 240Pu, 241Pu ja 242Pu, mis moodustuvad mitme neutroni järjestikusel kinnipüüdmisel - alates põlemissügavusest. selle määravad tavaliselt majanduslikud tegurid. Mida väiksem on põlemissügavus, seda vähem isotoope 240Pu, 241Pu ja 242Pu sisaldavad kiiritatud tuumkütusest eraldatud plutooniumi, kuid seda vähem plutooniumi tekib kütuses.
Plutooniumi spetsiaalne tootmine peaaegu eranditult 239Pu-d sisaldavatele relvadele on vajalik peamiselt seetõttu, et isotoobid massinumbritega 240 ja 242 loovad kõrge neutronfooni, mis raskendab tõhusate tuumarelvade kavandamist, lisaks on 240Pu ja 241Pu poolestusaeg oluliselt lühem kui 239Pu, mille tõttu plutooniumi osad kuumenevad ja tuumarelva konstruktsiooni on vaja täiendavalt sisse viia soojuseemalduselemendid. Isegi puhas 239Pu on inimkehast soojem. Lisaks rikuvad raskete isotoopide lagunemissaadused metalli kristallvõre, mis võib põhjustada plutooniumiosade kuju muutumist, mis võib põhjustada tuumalõhkekeha rikke.
Põhimõtteliselt on kõik need raskused ületatavad ja "reaktori" plutooniumist valmistatud tuumalõhkekehi on edukalt katsetatud, kuid laskemoonas, kus kompaktsus, kerge kaal, töökindlus ja vastupidavus mängivad olulist rolli, on eranditult spetsiaalselt toodetud relvade klassi. kasutatakse plutooniumi. Metallilise 240Pu ja 242Pu kriitiline mass on väga suur, 241Pu on veidi suurem kui 239Pu.
2.Tootmine
NSV Liidus valmistati relvade kvaliteediga plutooniumi esmalt Ozerskis Majaki tehases (endine Tšeljabinsk-40, Tšeljabinsk-65), seejärel Siberi keemiatehases Severskis (endine Tomsk-7) ja hiljem Käivitati Krasnojarski kaevandustehas - Zheleznogorski keemiatehas (tuntud ka kui Sotsgorod ja Krasnojarsk-26). Relvaklassi plutooniumi tootmine Venemaal lõpetati 1994. aastal. 1999. aastal suleti Ozyorski ja Severski reaktorid ning 2010. aastal suleti viimane reaktor Zheleznogorskis.
USA-s toodeti mitmes kohas, näiteks Washingtoni osariigis asuvas Hanfordi kompleksis, relvade kvaliteediga plutooniumi. Tootmine suleti 1988. aastal.
3.Uute elementide süntees
Mõnede aatomite muundumine teisteks toimub aatomi- või subatomaarsete osakeste interaktsiooni kaudu. Neist on suurtes kogustes saadaval ainult neutroneid. Gigavatine tuumareaktor toodab aasta jooksul umbes 3,75 kg (ehk 4 * 1030) neutronit.
4.Plutooniumi tootmine
Plutooniumi aatomid moodustuvad aatomireaktsioonide ahela tulemusena, mis algab neutroni hõivamisest uraan-238 aatomiga:
U238 + n -> U239 -> Np239 -> Pu239
või täpsemalt:
0n1 + 92U238 -> 92U239 -> -1e0 + 93Np239 -> -1e0 + 94Pu239
Jätkuva kiiritamise korral suudavad mõned plutoonium-239 aatomid omakorda kinni püüda neutroni ja muutuda raskemaks isotoobiks plutoonium-240:
Pu239 + n -> Pu240
Piisavas koguses plutooniumi saamiseks on vaja tugevaid neutronivoogusid. Need on lihtsalt loodud tuumareaktorites. Põhimõtteliselt on neutronite allikaks iga reaktor, kuid plutooniumi tööstuslikuks tootmiseks on loomulik kasutada spetsiaalselt selleks otstarbeks loodud reaktorit.
Maailma esimene kaubanduslik plutooniumitootmisreaktor oli Hanfordi B-reaktor. Töötas 26.09.1944, võimsus - 250 MW, tootlikkus - 6 kg plutooniumi kuus. See sisaldas umbes 200 tonni uraanimetalli, 1200 tonni grafiiti ja seda jahutati veega kiirusega 5 kuupmeetrit/min.
Hanfordi reaktori laadimispaneel uraanikassettidega:
Selle töö skeem. Uraan-238 kiiritamise reaktoris tekivad neutronid uraan-235 tuumade lõhustumise statsionaarse ahelreaktsiooni tulemusena. U-235 lõhustumise kohta toodetakse keskmiselt 2,5 neutronit. Reaktsiooni säilitamiseks ja samaaegseks plutooniumi tootmiseks on vajalik, et U-238 neelaks keskmiselt üks või kaks neutronit, millest üks põhjustaks järgmise U-235 aatomi lõhustumise.
Uraani lõhustumisel tekkivad neutronid on väga suure kiirusega. Uraaniaatomid on paigutatud nii, et kiirete neutronite kinnipüüdmine nii U-238 kui ka U-235 tuumade poolt on ebatõenäoline. Seetõttu aeglustuvad kiired neutronid, olles kogenud mitmeid kokkupõrkeid ümbritsevate aatomitega, järk-järgult. Sel juhul neelavad U-238 tuumad sellised neutronid (vahekiirused) nii tugevalt, et U-235 lõhustamiseks ja ahelreaktsiooni säilitamiseks ei jää midagi üle (U-235 jaguneb aeglastest termilistest neutronitest).
Selle vastu võitleb moderaator, uraaniplokke ümbritsev kerge aine. Selles aeglustuvad neutronid ilma neeldumiseta, kogedes elastseid kokkupõrkeid, millest igaühes kaob väike osa energiast. Head moderaatorid on vesi, süsinik. Seega liiguvad termilise kiiruseni aeglustunud neutronid läbi reaktori, kuni põhjustavad U-235 lõhustumist (U-238 neelab neid väga nõrgalt). Moderaatori ja uraanivarraste teatud konfiguratsiooniga luuakse tingimused neutronite neeldumiseks nii U-238 kui ka U-235 poolt.
Saadud plutooniumi isotoopkoostis sõltub uraanivardade reaktoris viibimise ajast. Pu-240 märkimisväärne kogunemine toimub kasseti pikaajalise uraaniga kiiritamise tagajärjel. Uraani lühikese viibimisajaga reaktoris saadakse Pu-239 ebaolulise Pu-240 sisaldusega.
Pu-240 on relvade tootmisele kahjulik järgmistel põhjustel:
1. See on vähem lõhustuv kui Pu-239, seega kulub relvade valmistamiseks veidi rohkem plutooniumi.
2. Teine, palju olulisem põhjus. Pu-240 spontaanse lõhustumise tase on palju kõrgem, mis loob tugeva neutronfooni.
Aatomirelvade arendamise esimestel aastatel oli neutronite emissioon (kõrge neutronitaust) enneaegse detonatsiooni tõttu probleemiks usaldusväärse ja tõhusa laengu saavutamisel. Tugevad neutronivood muutsid mitu kilogrammi plutooniumi sisaldava pommisüdamiku kokkupressimise ülekriitilisse olekusse keeruliseks või võimatuks – enne seda hävitas selle tugevaim, kuid siiski mitte maksimaalne võimalik energia. Kõrgelt rikastatud U-235 ja plutooniumi sisaldavate segatuumade tulek (1940. aastate lõpus) ületas selle raskuse, kui sai võimalikuks kasutada suhteliselt väikeses koguses plutooniumi peamiselt uraani tuumades. Järgmise põlvkonna laengud, termotuumasünteesi võimendatud seadmed (1950. aastate keskel), kõrvaldasid selle raskuse täielikult, tagades suure energia vabanemise isegi väikese võimsusega esialgse lõhustumislaengute korral.
Spetsiaalsetes reaktorites toodetud plutoonium sisaldab suhteliselt väikest protsenti Pu-240 (<7%), плутоний "оружейного качества"; в реакторах АЭС отработанное ядерное топливо имеет концентрацию Pu-240 более 20%, плутоний "реакторного качества".
Eriotstarbelistes reaktorites on uraan suhteliselt lühikest aega, mille jooksul kõik U-235 ei põle ja kõik U-238 ei muutu plutooniumiks, vaid tekib väiksem kogus Pu-240.
Madala Pu-240 sisaldusega plutooniumi tootmiseks on kaks põhjust:
Majanduslik: ainus põhjus plutooniumi erireaktorite olemasoluks. Plutooniumi lagunemine lõhustumise teel või selle muutmine vähem lõhustuvaks Pu-240-ks vähendab tulusid ja suurendab tootmiskulusid (nii, et selle hind on tasakaalus madala plutooniumikontsentratsiooniga kiiritatud kütuse töötlemise kuludega).
Käsitsemisraskused: kuigi neutronite emissioon ei ole relvakonstruktorite jaoks suur probleem, võib see sellise laengu puhul tekitada tootmis- ja käsitsemisprobleeme. Neutronid annavad täiendava panuse tööalasesse kokkupuudesse neile, kes relvi kokku panevad või hooldavad (neutronid ise ei ioniseeri, kuid loovad prootoneid, mis suudavad). Tegelikult võivad laengud, mis hõlmavad otsest kokkupuudet inimestega, näiteks Davy Crocket, sel põhjusel vajada ülipuhast, vähese neutroneid emiteerivat plutooniumi.
Tegelik plutooniumi valamine ja töötlemine toimub käsitsi suletud kambrites operaatori kinnastega. Nagu need:
See tähendab inimeste väga vähest kaitset neutroneid kiirgava plutooniumi eest. Seetõttu töötlevad suure Pu-240 sisaldusega plutooniumi ainult manipulaatorid või iga töötaja sellega töötamise aeg on rangelt piiratud.
Kõigil neil põhjustel (radioaktiivsus, Pu-240 kehvemad omadused) selgitatakse, miks reaktorikvaliteediga plutooniumi relvade valmistamiseks ei kasutata - relvade kvaliteediklassi plutooniumi on odavam toota spetsiaalsetes. reaktorid. Kuigi ilmselt on võimalik tuumalõhkeseadeldis ka reaktorist valmistada.
Plutooniumi rõngas
See rõngas on valmistatud elektrolüütiliselt puhastatud plutooniumi metallist (puhtus üle 99,96%). Tüüpilised rõngad, mis valmistati Los Alamoses ja saadeti Rocky Flatsi relvade valmistamiseks kuni tootmise hiljutise peatamiseni. Sõrmuse kaal on 5,3 kg, piisav kaasaegse strateegilise laengu valmistamiseks, läbimõõt ca 11 cm.Rõnga kuju on oluline kriitilise ohutuse tagamiseks.
Relva südamikust eraldatud plutooniumi-galliumi sulami valamine:
Plutoonium Manhattani projekti ajal
Ajalooliselt on esimesed 520 milligrammi plutooniumi metalli, mille tootsid Ted Magel ja Nick Dallas Los Alamoses 23. märtsil 1944:
Press poolkerade kujul oleva plutooniumi-galliumi sulami kuumpressimiseks. Seda pressi kasutati Los Alamoses Nagasakis ja operatsioonis Trinity lõhkatud laengute jaoks plutooniumisüdamike valmistamiseks.
Sellele valatud tooted:
Plutooniumi täiendavad kõrvalsaaduse isotoobid
Neutronite püüdmine, millega ei kaasne lõhustumist, loob uued plutooniumi isotoobid: Pu-240, Pu-241 ja Pu-242. Viimased kaks kogunevad väikestes kogustes.
Pu239 + n -> Pu240
Pu240 + n -> Pu241
Pu241 + n -> Pu242
Võimalik on ka kõrvalreaktsioonide ahel:
U238 + n -> U237 + 2n
U237 -> (6,75 päeva, beeta-lagunemine) -> Np237
Np237 + n -> Np238
Np238 -> (2,1 päeva, beeta-lagunemine) -> Pu238
Kütuseelemendi kiirituse (jäätmete) üldmõõtu saab väljendada megavatt-päevades tonni kohta (MW-päev/t). Relvaklassi plutoonium kvaliteet saadakse elementidest, mille MW-päev/t on väike, see toodab vähem kõrvalproduktide isotoope. Kaasaegsetes surveveereaktorites saavutavad kütuseelemendid 33 000 MW-päevas/t. Tüüpiline ekspositsioon relvatootja (tuumkütuse laiendatud tootmisega) reaktoris on 1000 MW-päev/t. Hanfordi grafiitmodereeritud reaktorites kiiritatakse plutooniumi kuni 600 MW-päevas/t, Savannahis toodab raskeveereaktor sama kvaliteediga plutooniumi 1000 MW-päevas/t (võib-olla seetõttu, et osa neutroneid on kulutatud triitiumi moodustamiseks) . Manhattani projekti käigus saadi looduslikku uraanikütust vaid 100 MW-päevas/t, seega saadi väga kõrge kvaliteediga plutoonium-239 (ainult 0,9-1% Pu-240, muid isotoope veelgi väiksemates kogustes).
Seotud Informatsioon.
Plutoonium avastati 1940. aasta lõpus California ülikoolis. Selle sünteesisid McMillan, Kennedy ja Wahl, pommitades uraanoksiidi (U 3 O 8) tsüklotronis tugevalt kiirendatud deuteeriumi tuumadega (deuteronid). Hiljem leiti, et selle tuumareaktsiooni käigus tekib esmalt lühiealine isotoop neptuunium-238 ja sellest plutoonium-238, mille poolestusaeg on umbes 50 aastat. Aasta hiljem sünteesisid Kennedy, Seaborg, Segre ja Wahl olulisema isotoobi, plutoonium-239, kiiritades uraani tsüklotronis tugevalt kiirendatud neutronitega. Plutoonium-239 tekib neptuunium-239 lagunemisel; see kiirgab alfakiiri ja selle poolestusaeg on 24 000 aastat. Puhas plutooniumiühend saadi esmakordselt 1942. aastal. Siis sai teatavaks, et uraanimaakides, eriti Kongos ladestatud maakides, leidub looduslikku plutooniumi.
Elemendi nimi pakuti välja 1948. aastal: McMillan nimetas esimese transuraanse elemendi neptuuniumiks tänu sellele, et planeet Neptuun on esimene Uraanist väljaspool. Analoogia põhjal otsustasid nad nimetada elementi 94 plutooniumiks, kuna planeet Pluuto on Uraani järel teisel kohal. 1930. aastal avastatud Pluuto sai oma nime kreeka mütoloogias allilma valitseja jumal Pluuto nimest. 19. sajandi alguses. Clark tegi ettepaneku nimetada elementi baarium plutooniumiks, tuletades selle nime otse jumal Pluuto nimest, kuid tema ettepanekut ei aktsepteeritud.
Seda metalli nimetatakse hinnaliseks, kuid mitte selle ilu, vaid asendamatuse pärast. Mendelejevi perioodilisuse tabelis on see element raku number 94. Just sellele panevad teadlased oma suurimad lootused ja just plutooniumi nimetavad nad inimkonnale kõige ohtlikumaks metalliks.
Plutoonium: kirjeldus
Välimuselt on see hõbevalge metall. See on radioaktiivne ja seda võib esindada 15 erineva poolestusajaga isotoobi kujul, näiteks:
- Pu-238 - umbes 90 aastat
- Pu-239 - umbes 24 tuhat aastat
- Pu-240 – 6580 aastat
- Pu-241 – 14 aastat
- Pu-242 – 370 tuhat aastat
- Pu-244 - umbes 80 miljonit aastat
Seda metalli ei saa maagist ekstraheerida, kuna see on uraani radioaktiivse muundamise saadus.
Kuidas plutooniumi saadakse?
Plutooniumi tootmiseks on vaja uraani lõhustada, mida saab teha ainult tuumareaktorites. Kui me räägime elemendi Pu olemasolust maakoores, siis 4 miljoni tonni uraanimaagi kohta on ainult 1 gramm puhast plutooniumi. Ja see gramm moodustub neutronite loomulikul püüdmisel uraani tuumade poolt. Seega on selle tuumakütuse (tavaliselt isotoobi 239-Pu) saamiseks mitme kilogrammi koguses vaja tuumareaktoris läbi viia keeruline tehnoloogiline protsess.
Plutooniumi omadused
Radioaktiivsel metallil plutooniumil on järgmised füüsikalised omadused:
- tihedus 19,8 g/cm 3
- sulamistemperatuur – 641°C
- keemistemperatuur – 3232°C
- soojusjuhtivus (300 K juures) – 6,74 W/(m K)
Plutoonium on radioaktiivne, mistõttu on see katsudes soe. Pealegi iseloomustab seda metalli madalaim soojus- ja elektrijuhtivus. Vedel plutoonium on kõigist olemasolevatest metallidest kõige viskoossem.
Vähimgi muutus plutooniumi temperatuuris toob kaasa aine tiheduse kohese muutuse. Üldiselt muutub plutooniumi mass pidevalt, kuna selle metalli tuumad on pidevas lõhustumises väiksemateks tuumadeks ja neutroniteks. Plutooniumi kriitiline mass on lõhustuva aine minimaalse massi nimi, mille juures on võimalik lõhustumine (tuuma ahelreaktsioon). Näiteks relvade kvaliteediga plutooniumi kriitiline mass on 11 kg (võrdluseks kõrgelt rikastatud uraani kriitiline mass on 52 kg).
Uraan ja plutoonium on peamised tuumakütused. Plutooniumi suurtes kogustes saamiseks kasutatakse kahte tehnoloogiat:
- uraani kiiritamine
- kasutatud tuumkütusest saadud transuraanielementide kiiritamine
Mõlemad meetodid on plutooniumi ja uraani eraldamine keemilise reaktsiooni tulemusena.
Puhta plutoonium-238 saamiseks kasutatakse neptuunium-237 neutronkiirgust. Sama isotoop on seotud relvade kvaliteediga plutoonium-239 loomisega, eelkõige on see vahepealne lagunemissaadus. 1 kg plutoonium-238 hind on miljon dollarit.
Inimkond on alati otsinud uusi energiaallikaid, mis suudavad lahendada paljusid probleeme. Kuid need ei ole alati ohutud. Nii et eriti tänapäeval laialdaselt kasutatavad, kuigi nad on võimelised tootma lihtsalt kolossaalses koguses elektrienergiat, mida igaüks vajab, on siiski surmaoht. Kuid lisaks rahumeelsetele eesmärkidele on mõned meie planeedi riigid õppinud seda kasutama sõjalistel eesmärkidel, eriti tuumalõhkepeade loomiseks. Selles artiklis käsitletakse selliste hävitavate relvade aluseid, mille nimi on relvakvaliteediga plutoonium.
Lühike teave
See kompaktne metallivorm sisaldab vähemalt 93,5% 239Pu isotoopi. Relvaklassi plutoonium nimetati nii, et seda oleks võimalik eristada oma "reaktori vastest". Põhimõtteliselt tekib plutoonium alati absoluutselt igas tuumareaktoris, mis omakorda töötab väherikastatud või looduslikul uraanil, mis sisaldab suures osas 238U isotoopi.
Rakendus sõjatööstuses
Relvaklassi plutoonium 239Pu on tuumarelvade alus. Samal ajal pole isotoopide kasutamine massinumbritega 240 ja 242 asjakohane, kuna need loovad väga kõrge neutronfooni, mis lõppkokkuvõttes raskendab ülitõhusa tuumalaskemoona loomist ja kavandamist. Lisaks on plutooniumi isotoopide 240Pu ja 241Pu poolväärtusaeg võrreldes 239Pu-ga oluliselt lühem, mistõttu plutooniumi osad muutuvad väga kuumaks. Sellega seoses on insenerid sunnitud täiendavalt lisama elemente liigse soojuse eemaldamiseks tuumarelvadesse. Muide, 239Pu on puhtal kujul soojem kui inimkeha. Samuti on võimatu mitte arvestada tõsiasjaga, et raskete isotoopide lagunemissaadused allutavad metallkristallvõre kahjulikele muutustele ja see muudab üsna loomulikult plutooniumiosade konfiguratsiooni, mis võib lõpuks põhjustada täieliku rikke. tuumalõhkeseadeldis.
Üldiselt on kõik ülaltoodud raskused ületatavad. Ja praktikas on seda korduvalt testitud täpselt "reaktori" plutooniumi baasil. Kuid tuleb mõista, et tuumarelvade puhul on nende kompaktsus, väike omakaal, vastupidavus ja töökindlus kaugel viimasest positsioonist. Sellega seoses kasutavad nad eranditult relvaklassi plutooniumi.
Tootmisreaktorite konstruktsiooni omadused
Peaaegu kogu Venemaal toodetud plutoonium toodeti grafiidi moderaatoriga varustatud reaktorites. Kõik reaktorid on ehitatud silindriliselt kokkupandud grafiidiplokkide ümber.
Kokkupandult on grafiitplokkide vahel spetsiaalsed pilud, et tagada jahutusvedeliku pidev ringlus, mis kasutab lämmastikku. Kokkupandud konstruktsioonil on ka vertikaalselt asetsevad kanalid, mis on loodud vesijahutuse ja kütuse läbilaskmiseks. Agregaat ise on jäigalt toestatud konstruktsioonile, mille kanalite all on avaused, mida kasutatakse juba kiiritatud kütuse väljalaskmiseks. Lisaks asuvad kõik kanalid õhukeseseinalises torus, mis on valatud kergest ja ülitugevast alumiiniumisulamist. Enamikul kirjeldatud kanalitel on 70 kütusevarrast. Jahutusvesi voolab otse kütusevarraste ümber, eemaldades neilt liigse soojuse.
Tootmisreaktorite võimsuse suurendamine
Esialgu töötas esimene Mayaki reaktor soojusvõimsusega 100 MW. Nõukogude tuumarelvaprogrammi peajuht tegi aga ettepaneku, et talvel peaks reaktor töötama võimsusel 170-190 MW, suvel 140-150 MW. Selline lähenemine võimaldas reaktoril toota peaaegu 140 grammi väärtuslikku plutooniumi päevas.
1952. aastal viidi läbi täiemahuline uurimistöö, et suurendada töötavate reaktorite tootmisvõimsust järgmiste meetoditega:
- Suurendades jahutamiseks kasutatava vee voolu ja voolamist läbi tuumajaama südamiku.
- Suurendades vastupidavust korrosiooni nähtusele, mis esineb kanali voodri lähedal.
- Grafiidi oksüdatsiooni kiiruse vähendamine.
- Kütuseelementide sisetemperatuuri tõus.
Selle tulemusena suurenes tsirkuleeriva vee läbilaskevõime oluliselt pärast kütuse ja kanali seinte vahe suurendamist. Samuti õnnestus korrosioonist lahti saada. Selleks valiti välja sobivaimad alumiiniumisulamid ja hakati aktiivselt lisama naatriumbikromaati, mis lõpuks suurendas jahutusvee pehmust (pH sai umbes 6,0-6,2). Grafiidi oksüdatsioon lakkas olemast pakiline probleem pärast seda, kui selle jahutamiseks hakati kasutama lämmastikku (enne seda kasutati ainult õhku).
1950. aastate lõpus realiseeriti uuendused praktikas täielikult, vähendades kiirgusest põhjustatud ülimalt tarbetut uraani inflatsiooni, vähendades oluliselt uraanivarraste kuumuskõvenemist, parandades katte vastupidavust ja suurendades toodangu kvaliteedikontrolli.
Tootmine Mayakis
"Tšeljabinsk-65" on üks neist väga salajastest tehastest, kus valmistati relvade kvaliteediga plutoonium. Ettevõttel oli mitu reaktorit ja me vaatame neid kõiki lähemalt.
Reaktor A
Installatsioon kujundati ja loodi legendaarse N. A. Dollezhali juhtimisel. See töötas 100 MW võimsusega. Reaktoril oli grafiitplokis 1149 vertikaalselt paigutatud juhtimis- ja kütusekanalit. Konstruktsiooni kogumass oli umbes 1050 tonni. Peaaegu kõik kanalid (v.a 25) olid koormatud uraaniga, mille kogumass oli 120-130 tonni. Kontrollvarraste jaoks kasutati 17 kanalit ja katseteks 8 kanalit. Kütuseelemendi maksimaalne projekteeritud soojuseraldus oli 3,45 kW. Alguses tootis reaktor umbes 100 grammi plutooniumi päevas. Esimene metalliline plutoonium toodeti 16. aprillil 1949. aastal.
Tehnoloogilised puudused
Peaaegu kohe tuvastati üsna tõsised probleemid, mis seisnesid alumiiniumvooderdiste korrosioonis ja kütuseelementide katmises. Ka uraanivardad paisusid ja said vigastada, mistõttu jahutusvesi lekkis otse reaktori südamikusse. Pärast iga leket tuli reaktor kuni 10 tunniks seisata, et grafiit õhuga kuivatada. 1949. aasta jaanuaris vahetati kanalivooderdised. Pärast seda käivitati installatsioon 26. märtsil 1949. aastal.
Relvaklassi plutooniumi, mille tootmisega A-reaktoris kaasnesid kõikvõimalikud raskused, toodeti perioodil 1950-1954 keskmise ühikuvõimsusega 180 MW. Järgneva reaktori tööga hakkas kaasnema intensiivsem kasutamine, mis tõi üsna loomulikult kaasa sagedasemad seisakud (kuni 165 korda kuus). Selle tulemusena suleti reaktor 1963. aasta oktoobris ja see jätkas tööd alles 1964. aasta kevadel. See lõpetas oma kampaania 1987. aastal ja tootis kogu paljude aastate jooksul 4,6 tonni plutooniumi.
AB reaktorid
Tšeljabinsk-65 ettevõttes otsustati 1948. aasta sügisel ehitada kolm AB reaktorit. Nende tootmisvõimsus oli 200-250 grammi plutooniumi päevas. Projekti peadisainer oli A. Savin. Igal reaktoril oli 1996 kanalit, neist 65 olid juhtkanalid. Paigaldustes kasutati tehnilist uuendust – iga kanal oli varustatud spetsiaalse jahutusvedeliku lekkedetektoriga. Selline käik võimaldas vooderdisi vahetada ilma reaktori enda tööd peatamata.
Reaktorite esimene tööaasta näitas, et päevas toodeti umbes 260 grammi plutooniumi. Kuid juba teisest tööaastast alates hakati võimsust järk-järgult suurendama ja juba 1963. aastal oli selle näitaja 600 MW. Pärast teist kapitaalremonti lahenes vooderdiste probleem täielikult ja võimsus oli juba 1200 MW ja plutooniumi aastane toodang oli 270 kilogrammi. Need näitajad püsisid kuni reaktorite täieliku sulgemiseni.
AI-IR reaktor
Tšeljabinski ettevõte kasutas seda installatsiooni 22. detsembrist 1951 kuni 25. maini 1987. Lisaks uraanile toodeti reaktoris ka koobalt-60 ja poloonium-210. Algselt toodeti rajatises triitiumi, hiljem aga ka plutooniumi.
Samuti töötasid relvade plutooniumi töötlemise tehases raskeveel töötavad reaktorid ja üks kergveereaktor (selle nimi oli “Ruslan”).
Siberi hiiglane
"Tomsk-7" oli tehase nimi, milles oli viis reaktorit plutooniumi tootmiseks. Kõik üksused kasutasid neutronite aeglustamiseks grafiiti ja õige jahutuse tagamiseks tavalist vett.
I-1 reaktor töötas jahutussüsteemiga, millest vesi läbis ühe korra. Ülejäänud neli käitist olid aga varustatud suletud primaarahelatega, mis olid varustatud soojusvahetitega. See disain võimaldas täiendavalt toota auru, mis omakorda aitas kaasa elektrienergia tootmisele ja erinevate eluruumide kütmisele.
Tomsk-7-l oli ka reaktor nimega EI-2, millel oli omakorda kaks eesmärki: see tootis plutooniumi ja tekitas tekkiva auru tõttu 100 MW elektrit ja 200 MW soojusenergiat.
Oluline teave
Teadlaste sõnul on relvakvaliteediga plutooniumi poolestusaeg umbes 24 360 aastat. Tohutu arv! Sellega seoses muutub eriti teravaks küsimus: "Kuidas õigesti käsitleda selle elemendi tootmise jäätmeid?" Parimaks võimaluseks peetakse spetsiaalsete ettevõtete ehitamist relvade kvaliteediklassi plutooniumi hilisemaks töötlemiseks. Seda seletatakse asjaoluga, et antud juhul ei saa elementi enam sõjalistel eesmärkidel kasutada ja see on inimkontrolli all. Täpselt nii hävitatakse Venemaal relvade kvaliteediga plutooniumi, kuid Ameerika Ühendriigid on valinud teistsuguse tee, rikkudes sellega oma rahvusvahelisi kohustusi.
Nii teeb Ameerika valitsus ettepaneku hävitada kõrgelt rikastatud materjal mitte tööstuslike vahenditega, vaid lahjendades plutooniumi ja hoides seda spetsiaalsetes konteinerites 500 meetri sügavusel. On ütlematagi selge, et sel juhul saab materjali igal ajal kergesti maapinnast eemaldada ja uuesti sõjaliseks otstarbeks kasutada. Venemaa presidendi Vladimir Putini sõnul leppisid riigid algselt kokku, et plutoonium hävitatakse mitte sel meetodil, vaid hävitatakse tööstusrajatistes.
Erilist tähelepanu väärib relvakvaliteediga plutooniumi maksumus. Ekspertide sõnul võivad kümned tonnid seda elementi maksta mitu miljardit USA dollarit. Ja mõned eksperdid on isegi hinnanud 500 tonni relvade kvaliteediga plutooniumi koguni 8 triljonit dollarit. Summa on tõesti muljetavaldav. Et oleks selgem, kui palju see raha on, oletame, et 20. sajandi viimasel kümnel aastal oli Venemaa keskmine aastane SKT 400 miljardit dollarit. See tähendab, et relvakvaliteediga plutooniumi tegelik hind oli võrdne kahekümne Vene Föderatsiooni aastase SKTga.
Ta on tõeliselt kallis.
Taust ja ajalugu
Alguses olid prootonid – galaktiline vesinik. Selle kokkusurumise ja sellele järgnenud tuumareaktsioonide tulemusena moodustusid nukleonide kõige uskumatumad valuplokid. Nende "valuplokkide" hulgas oli ilmselt neid, mis sisaldasid 94 prootonit. Teoreetikute hinnangul on umbes 100 nukleoni moodustist, mis sisaldavad 94 prootonit ja 107–206 neutronit, nii stabiilsed, et neid võib pidada elemendi nr 94 isotoopide tuumadeks.
Kuid kõik need isotoobid – oletuslikud ja tõelised – ei ole nii stabiilsed, et säiliksid tänapäevani alates hetkest, mil päikesesüsteemi elemendid tekkisid. Elemendi nr 94 pikima elueaga isotoobi poolestusaeg on 75 miljonit aastat. Galaktika vanust mõõdetakse miljardites aastates. Järelikult ei olnud "ürgsel" plutooniumil võimalust tänapäevani ellu jääda. Kui see tekkis universumi elementide suure sünteesi käigus, siis need iidsed aatomid "susid välja" juba ammu, nii nagu surid välja dinosaurused ja mammutid.
20. sajandil uus ajastu, AD, see element loodi uuesti. Plutooniumi 100 võimalikust isotoobist on sünteesitud 25. Neist 15 tuumaomadusi on uuritud. Neli neist on leidnud praktilise rakenduse. Ja see avati üsna hiljuti. 1940. aasta detsembris, kui uraani kiiritati raskete vesiniku tuumadega, avastas rühm Ameerika radiokeemikuid eesotsas Glenn T. Seaborgiga seni tundmatu alfaosakeste emitteri, mille poolestusaeg oli 90 aastat. See emitter osutus elemendi nr 94 isotoobiks massinumbriga 238. Samal aastal, kuid paar kuud varem, E.M. McMillan ja F. Abelson said esimese uraanist raskema elemendi – elemendi nr 93. Seda elementi nimetati neptuuniumiks ja 94. elementi plutooniumiks. Ajaloolane ütleb kindlasti, et need nimed pärinevad Rooma mütoloogiast, kuid sisuliselt on nende nimede päritolu pigem mitte mütoloogiline, vaid astronoomiline.
Elemendid nr 92 ja 93 on oma nime saanud Päikesesüsteemi kaugete planeetide - Uraani ja Neptuuni järgi, kuid Neptuun pole Päikesesüsteemis viimane, veelgi kaugemal asub Pluuto orbiit - planeet, mille kohta pole veel peaaegu midagi teada. .. Sarnast konstruktsiooni Näeme ka perioodilisustabeli “vasakul küljel”: uraan – neptuunium – plutoonium, kuid inimkond teab plutooniumist palju rohkem kui Pluutost. Muide, astronoomid avastasid Pluuto vaid kümme aastat enne plutooniumi sünteesi – peaaegu sama ajavahemik jäi vahele Uraani – planeedi ja uraani – elemendi avastused.
Mõistatused krüptograafidele
Elemendi nr 94 esimene isotoop plutoonium-238 on tänapäeval leidnud praktilist rakendust. Kuid 40ndate alguses ei mõelnud nad sellele isegi. Ainult võimsale tuumatööstusele toetudes on võimalik saada plutoonium-238 praktilist huvi pakkuvas koguses. Tol ajal oli see alles lapsekingades. Kuid juba varem oli selge, et raskete radioaktiivsete elementide tuumades sisalduva energia vabastamisega on võimalik saada enneolematu võimsusega relvi. Ilmus Manhattani projekt, millel polnud kuulsa New Yorgi piirkonnaga muud kui ühist nime. See oli kõigi USA esimeste aatomipommide loomisega seotud tööde üldnimetus. Manhattani projekti juhiks määrati mitte teadlane, vaid sõjaväelane kindral Groves, kes nimetas oma kõrgelt haritud hoolealuseid „hellitavalt katkiseks pottideks”.
"Projekti" juhid plutoonium-238 ei huvitanud. Selle tuumad, nagu kõigi paarismassiarvuga plutooniumi isotoopide tuumad, ei lõhustu madala energiatarbega neutronite* toimel, seega ei saaks see tuumalõhkeainena toimida. Sellegipoolest ilmusid esimesed mitte väga selged teated elementide nr 93 ja 94 kohta trükis alles 1942. aasta kevadel.
* Madala energiaga neutroniteks nimetame neutroneid, mille energia ei ületa 10 keV. Neutroneid, mille energiat mõõdetakse elektronvoldi osades, nimetatakse termilisteks ja kõige aeglasemaid neutroneid, mille energia on alla 0,005 eV, nimetatakse külmadeks. Kui neutroni energia on üle 100 keV, siis loetakse sellist neutronit kiireks.
Kuidas me saame seda seletada? Füüsikud mõistsid: paaritu massiarvuga plutooniumi isotoopide süntees oli aja küsimus ja mitte liiga pikk. Oodati, et veidrad isotoobid, nagu uraan-235, suudavad toetada tuuma ahelreaktsiooni. Mõned inimesed pidasid neid potentsiaalseteks tuumalõhkeaineteks, mida polnud veel kätte saadud. Ja plutoonium kahjuks õigustas neid lootusi.
Tolleaegses krüpteerimises ei nimetatud elementi nr 94 muud kui... vaseks. Ja kui tekkis vajadus vase enda järele (mõnede osade konstruktsioonimaterjalina), ilmus koodidesse koos “vasega” ka “ehtne vask”.
"Hea ja kurja tundmise puu"
1941. aastal avastati plutooniumi tähtsaim isotoop – isotoop massinumbriga 239. Ja peaaegu kohe leidis teoreetikute ennustus kinnitust: plutoonium-239 tuumad lõhustati termiliste neutronite toimel. Pealegi ei tekkinud nende lõhustumise ajal vähem neutroneid kui uraan-235 lõhustumisel. Kohe kirjeldati selle isotoobi suurte koguste hankimise viise ...
Aastad on möödunud. Nüüd pole kellelegi saladus, et arsenalides hoitud tuumapommid on täidetud plutoonium-239-ga ja et nendest pommidest piisab, et tekitada korvamatut kahju kogu elule Maal.
Levinud on arvamus, et inimkonnal oli tuumaahelreaktsiooni (mille vältimatuks tagajärjeks oli tuumapommi loomine) avastamisega ilmselgelt kiire. Võite mõelda teisiti või teeselda, et mõtlete teisiti - optimistlik on olla meeldivam. Kuid ka optimistid seisavad paratamatult silmitsi teadlaste vastutuse küsimusega. Mäletame 1954. aasta võidukat juunipäeva, päeva, mil Obninskis läks tööle esimene tuumaelektrijaam. Kuid me ei saa unustada 1945. aasta augusti hommikut – “Hiroshima hommikut”, “Albert Einsteini musta päeva”... Mäletame esimesi sõjajärgseid aastaid ja lokkavat aatomiväljapressimist – nende aastate Ameerika poliitika alust. . Kuid kas inimkond pole järgnevatel aastatel palju probleeme kogenud? Veelgi enam, neid ärevusi võimendas mitu korda teadvus, et uue maailmasõja puhkemisel hakatakse kasutama tuumarelvi.
Siin saate proovida tõestada, et plutooniumi avastamine ei lisanud inimkonnale hirmu, vaid vastupidi, see oli ainult kasulik.
Oletame, et juhtus nii, et mingil põhjusel või nagu vanasti öeldi, jumala tahtel oli plutoonium teadlastele kättesaamatu. Kas meie hirmud ja mured väheneksid siis? Midagi ei juhtunud. Tuumapomme valmistataks uraan-235-st (ja mitte vähem kui plutooniumist) ning need pommid "sööksid ära" isegi suurema osa eelarvest kui praegu.
Kuid ilma plutooniumita poleks tuumaenergia laiaulatuslikuks rahumeelseks kasutamiseks lootustki. "Rahuliku aatomi jaoks" lihtsalt ei jätkuks uraan-235. Tuumaenergia avastamisega inimkonnale tekitatud kurjust ei tasakaalustaks, isegi kui ainult osaliselt, "hea aatomi" saavutused.
Kuidas mõõta, millega võrrelda
Kui plutoonium-239 tuum jagatakse neutronite toimel kaheks ligikaudu võrdse massiga fragmendiks, vabaneb umbes 200 MeV energiat. See on 50 miljonit korda rohkem energiat, mis vabaneb kuulsaimas eksotermilises reaktsioonis C + O 2 = CO 2 . Tuumareaktoris “põletades” annab gramm plutooniumi 2·10 7 kcal. Et mitte rikkuda traditsioone (ja populaarsetes artiklites mõõdetakse tuumkütuse energiat tavaliselt mittesüsteemsetes ühikutes - tonni kivisütt, bensiin, trinitrotolueen jne), märgime ka: see on energia, mis sisaldub 4 tonnis kivisüsi. Ja tavalisse sõrmkübarasse on pandud kogus plutooniumi, mis energeetiliselt võrdub neljakümne autotäiega heade kaseküttepuudega.
Sama energia vabaneb uraan-235 tuumade lõhustumisel neutronite toimel. Kuid põhiosa looduslikust uraanist (99,3%) on isotoop 238 U, mida saab kasutada ainult uraani plutooniumiks muutmisel...
Kivide energia
Hinnakem looduslikes uraanivarudes sisalduvaid energiaressursse.
Uraan on mikroelement ja seda leidub peaaegu kõikjal. Kes on käinud näiteks Karjalas, mäletab ilmselt graniidist rändrahne ja rannakaljusid. Kuid vähesed teavad, et tonn graniiti sisaldab kuni 25 g uraani. Graniidid moodustavad ligi 20% maakoore massist. Kui arvestada ainult uraan-235, siis tonn graniiti sisaldab 3,5·10 5 kcal energiat. Seda on palju, aga...
Graniidi töötlemine ja sellest uraani ammutamine nõuab veelgi suurema energiahulga kulutamist - umbes 10 6 ...10 7 kcal/t. Kui nüüd oleks võimalik energiaallikana kasutada mitte ainult uraan-235, vaid ka uraan-238, siis võiks graniiti käsitleda vähemalt potentsiaalse energiatoormena. Siis oleks tonnist kivist saadav energia juba 8·10 7 kuni 5·10 8 kcal. See võrdub 16...100 tonni kivisöega. Ja sel juhul võiks graniit anda inimestele peaaegu miljon korda rohkem energiat kui kõik keemilised kütusevarud Maal.
Kuid uraan-238 tuumad ei lõhustu neutronite toimel. See isotoop on tuumaenergia jaoks kasutu. Täpsemalt oleks kasutu, kui seda ei suudetaks muuta plutoonium-239-ks. Ja mis on eriti oluline: selle tuumatransformatsiooni jaoks ei pea praktiliselt energiat kulutama – vastupidi, selles protsessis toodetakse energiat!
Proovime välja mõelda, kuidas see juhtub, kuid kõigepealt paar sõna loodusliku plutooniumi kohta.
400 tuhat korda vähem kui raadium
Juba on öeldud, et plutooniumi isotoobid ei ole säilinud alates elementide sünteesist meie planeedi tekke ajal. Kuid see ei tähenda, et Maal poleks plutooniumi.
Seda tekib kogu aeg uraanimaakides. Püüdes kinni kosmilisest kiirgusest neutroneid ja uraan-238 tuumade spontaansel lõhustumisel tekkinud neutroneid, muutuvad mõned – väga vähesed – selle isotoobi aatomid uraan-239 aatomiteks. Need tuumad on väga ebastabiilsed; nad kiirgavad elektrone ja suurendavad seeläbi nende laengut. Tekib esimene transuraanielement neptuunium. Neptuunium-239 on samuti väga ebastabiilne ja selle tuumad kiirgavad elektrone. Vaid 56 tunniga muutub pool neptuunium-239-st plutoonium-239-ks, mille poolestusaeg on juba üsna pikk - 24 tuhat aastat.
Miks ei ekstraheerita uraanimaakidest plutooniumi? Madal, liiga madal kontsentratsioon. "Gram toodangut on tööaasta" - see on umbes raadium ja maagid sisaldavad 400 tuhat korda vähem plutooniumi kui raadium. Seetõttu on äärmiselt raske mitte ainult kaevandada, vaid isegi tuvastada "maapealset" plutooniumi. Seda tehti alles pärast tuumareaktorites toodetud plutooniumi füüsikaliste ja keemiliste omaduste uurimist.
Millal 2.70 >> 2.23
Plutoonium koguneb tuumareaktoritesse. Võimsates neutronivoogudes toimub sama reaktsioon mis uraanimaakides, kuid plutooniumi moodustumise ja akumuleerumise kiirus reaktoris on palju suurem – miljard miljardit korda. Ballast uraan-238 muundamiseks energiakvaliteediga plutoonium-239-ks luuakse optimaalsed (vastuvõetava piires) tingimused.
Kui reaktor töötab termilistel neutronitel (tuletage meelde, et nende kiirus on umbes 2000 m sekundis ja nende energia on murdosa elektronvoldist), siis saadakse uraani isotoopide looduslikust segust plutooniumi kogus, mis on veidi väiksem kui "läbipõlenud" uraan-235 kogus. Natuke, kuid vähem, pluss plutooniumi vältimatud kaod selle keemilise eraldamise käigus kiiritatud uraanist. Lisaks hoitakse tuuma ahelreaktsiooni uraani isotoopide looduslikus segus ainult seni, kuni on ära kasutatud väike osa uraan-235. Siit loogiline järeldus: looduslikku uraani kasutav "termiline" reaktor - praegu töötavate reaktorite põhitüüp - ei suuda tagada tuumakütuse laiendatud taastootmist. Aga mis on siis paljutõotav? Sellele küsimusele vastamiseks võrrelgem uraan-235 ja plutoonium-239 tuuma ahelreaktsiooni kulgu ning tutvustame oma aruteludesse veel üht füüsikalist kontseptsiooni.
Iga tuumkütuse kõige olulisem omadus on keskmine neutronite arv, mis eraldub pärast seda, kui tuum on hõivanud ühe neutroni. Füüsikud nimetavad seda eta numbriks ja tähistavad seda kreeka tähega η. Uraani "termilistes" reaktorites täheldatakse järgmist mustrit: iga neutron genereerib keskmiselt 2,08 neutronit (η = 2,08). Sellisesse reaktorisse termiliste neutronite mõjul asetatud plutoonium annab η = 2,03. Kuid on ka reaktoreid, mis töötavad kiiretel neutronitel. Uraani isotoopide loodusliku segu laadimine sellisesse reaktorisse on mõttetu: ahelreaktsiooni ei toimu. Kuid kui "tooraine" on rikastatud uraan-235-ga, saab seda arendada "kiires" reaktoris. Sel juhul on η juba võrdne 2,23-ga. Ja plutoonium, mis puutub kokku kiire neutronitulega, annab η 2,70. Meie käsutuses on "lisapool neutronit". Ja seda pole sugugi vähe.
Vaatame, millele kuluvad tekkinud neutronid. Igas reaktoris on tuumaahelreaktsiooni säilitamiseks vaja ühte neutronit. Käitise konstruktsioonimaterjalid neelavad 0,1 neutronit. "Liigset" kasutatakse plutoonium-239 kogumiseks. Ühel juhul on “ülejääk” 1,13, teisel juhul 1,60. Pärast kilogrammi plutooniumi "põletamist" "kiires" reaktoris vabaneb kolossaalne energia ja koguneb 1,6 kg plutooniumi. Ja uraan "kiires" reaktoris annab sama energiat ja 1,1 kg uut tuumakütust. Mõlemal juhul on laienenud paljunemine ilmne. Kuid me ei tohi unustada majandust.
Mitmete tehniliste põhjuste tõttu kestab plutooniumi aretustsükkel mitu aastat. Oletame, et viis aastat. See tähendab, et plutooniumi kogus kasvab vaid 2% aastas, kui η = 2,23 ja 12%, kui η = 2,7! Tuumakütus on kapital ja igasugune kapital peaks tootma näiteks 5% aastas. Esimesel juhul on suur kahjum ja teisel juhul suur kasum. See primitiivne näide illustreerib tuumaenergia iga kümnendiku arvu η "kaalu".
Paljude tehnoloogiate summa
Kui tuumareaktsioonide tulemusena koguneb uraanis vajalik kogus plutooniumi, tuleb see eraldada lisaks uraanist endast ka tuuma ahelreaktsioonis põlenud lõhustumisfragmentidest - nii uraanist kui ka plutooniumist. Lisaks sisaldab uraani-plutooniumi mass ka teatud koguses neptuuniumi. Kõige keerulisem on plutooniumi eraldamine neptuuniumist ja haruldaste muldmetallide elementidest (lantaniididest). Plutooniumil kui keemilisel elemendil on mingil määral vedanud. Keemiku seisukohalt on tuumaenergia põhielement vaid üks neljateistkümnest aktiniidist. Nagu haruldaste muldmetallide elemendid, on kõik aktiiniumi seeria elemendid üksteisele keemiliste omaduste poolest väga lähedased, kõigi elementide aatomite väliste elektronkihtide struktuur aktiiniumist kuni 103-ni on sama. Veelgi ebameeldivam on see, et aktiniidide keemilised omadused on sarnased haruldaste muldmetallide elementide omadega ning uraani ja plutooniumi lõhustumisfragmentide hulgas on lantaniide enam kui küll. Kuid teisest küljest võib 94. element olla viies valentsolekus ja see "maiustab pilli" - aitab eraldada plutooniumi nii uraanist kui ka lõhustumisfragmentidest.
Plutooniumi valentsus varieerub kolmest seitsmeni. Keemiliselt on kõige stabiilsemad (ja seega ka levinumad ja enim uuritud) ühendid neljavalentne plutoonium.
Sarnaste keemiliste omadustega aktiniidide – uraani, neptuuniumi ja plutooniumi – eraldamise aluseks võib olla nende tetra- ja kuuevalentsete ühendite omaduste erinevus.
Plutooniumi ja uraani keemilise eraldamise kõiki etappe pole vaja üksikasjalikult kirjeldada. Tavaliselt algab nende eraldamine uraanibaaride lahustamisest lämmastikhappes, mille järel lahuses sisalduvad uraan, neptuunium, plutoonium ja killustamiselemendid "eraldatakse", kasutades selleks traditsioonilisi radiokeemilisi meetodeid - kandjatega koossadestamine, ekstraheerimine, ioonivahetus. ja teised. Selle mitmeastmelise tehnoloogia lõplikud plutooniumi sisaldavad tooted on selle dioksiid PuO 2 või fluoriidid - PuF 3 või PuF 4. Need redutseeritakse baariumi, kaltsiumi või liitiumi auruga metalliks. Nendes protsessides saadav plutoonium aga ei sobi konstruktsioonimaterjali rolli - sellest ei saa valmistada tuumareaktorite kütuseelemente, samuti ei saa valada aatomipommi laengut. Miks? Plutooniumi sulamistemperatuur – ainult 640°C – on üsna saavutatav.
Olenemata sellest, milliseid "üliõrnuseid" tingimusi puhtast plutooniumist osade valamiseks kasutatakse, tekivad tahkumise ajal valanditesse alati praod. Temperatuuril 640 °C moodustab tahkuv plutoonium kuubilise kristallvõre. Kui temperatuur langeb, suureneb metalli tihedus järk-järgult. Siis aga jõudis temperatuur 480°C-ni ja siis järsku langes plutooniumi tihedus järsult. Selle anomaalia põhjused avastati üsna kiiresti: sellel temperatuuril asetsevad plutooniumi aatomid kristallvõres ümber. See muutub tetragonaalseks ja väga "lahtiseks". Selline plutoonium võib hõljuda oma sulatis, nagu jää vee peal.
Temperatuur langeb jätkuvalt, nüüd on see jõudnud 451 ° C-ni ja aatomid moodustasid taas kuupvõre, kuid asuvad üksteisest suuremal kaugusel kui esimesel juhul. Edasisel jahutamisel muutub võre esmalt ortorombiliseks, seejärel monokliiniliseks. Kokku moodustab plutoonium kuus erinevat kristallilist vormi! Neist kahte eristab tähelepanuväärne omadus - negatiivne soojuspaisumistegur: temperatuuri tõustes metall ei paisu, vaid tõmbub kokku.
Kui temperatuur jõuab 122°C-ni ja plutooniumiaatomid seavad oma ridu kuuendat korda ümber, muutub tihedus eriti järsult - 17,77-lt 19,82 g/cm 3 -le. Rohkem kui 10%! Vastavalt väheneb valuploki maht. Kui metall suudab veel vastu pidada muudel üleminekutel tekkinud pingetele, siis praegusel hetkel on hävimine vältimatu.
Kuidas siis sellest hämmastavast metallist osi valmistada? Metallurgid legeerivad plutooniumi (lisavad sellele väikeses koguses vajalikke elemente) ja saavad ilma ühegi pragudeta valandid. Neid kasutatakse tuumapommide plutooniumilaengute valmistamiseks. Laengu kaal (selle määrab eelkõige isotoobi kriitiline mass) on 5...6 kg. See mahuks hõlpsasti 10 cm serva suuruse kuubi sisse.
Rasked isotoobid
Plutoonium-239 sisaldab ka vähesel määral selle elemendi kõrgemaid isotoope – massinumbritega 240 ja 241. 240 Pu isotoop on praktiliselt kasutu – see ballast plutooniumis. Alates 241 saadakse ameriitsium - element nr 95. Puhtal kujul, ilma muid isotoope segamata, saab dlutoonium-240 ja plutoonium-241 saada reaktorisse kogunenud plutooniumi elektromagnetilise eraldamise teel. Enne seda kiiritatakse plutooniumi täiendavalt rangelt määratletud omadustega neutronvoogudega. Muidugi on see kõik väga keeruline, eriti kuna plutoonium pole mitte ainult radioaktiivne, vaid ka väga mürgine. Sellega töötamine nõuab äärmist ettevaatust.
Plutooniumi üht huvitavamat isotoopi 242 Pu saab 239 Pu pikaajalisel kiiritamisel neutronivoogudes. 242 Pu püüab neutroneid väga harva kinni ja seetõttu "põleb" reaktoris läbi aeglasemalt kui teised isotoobid; see püsib ka pärast seda, kui ülejäänud plutooniumi isotoobid on peaaegu täielikult muutunud fragmentideks või plutoonium-242-ks.
Plutoonium-242 on oluline "toorainena" kõrgemate transuraanielementide suhteliselt kiireks akumuleerimiseks tuumareaktorites. Kui plutoonium-239 kiiritatakse tavalises reaktoris, kulub plutooniumi grammidest mikrogrammiste koguste kogumiseks näiteks California-251 umbes 20 aastat.
Kõrgemate isotoopide akumulatsiooniaega on võimalik vähendada, suurendades reaktoris neutronvoo intensiivsust. Nad teevad seda, kuid siis on võimatu kiiritada suurt hulka plutoonium-239. Lõppude lõpuks jaguneb see isotoop neutronitega ja intensiivsetes voogudes eraldub liiga palju energiat. Täiendavaid raskusi on konteineri ja reaktori jahutamisel. Nende raskuste vältimiseks oleks vaja vähendada kiiritatud plutooniumi kogust. Järelikult oleks California toodang jälle õnnetu. Nõiaringi!
Plutoonium-242 ei ole termiliste neutronite toimel lõhustuv, seda saab kiiritada suurtes kogustes intensiivsetes neutronivoogudes... Seetõttu on reaktorites sellest isotoobist “valmistatud” kõik elemendid alates kaliforniumist kuni einsteiniumini ja akumuleeritud massikogustes.
Mitte kõige raskem, aga kõige kauem elanud
Iga kord, kui teadlastel õnnestus saada uus plutooniumi isotoop, mõõdeti selle tuumade poolestusaega. Raskete radioaktiivsete paarismassiarvuga tuumade isotoopide poolestusajad muutuvad regulaarselt. (Seda ei saa öelda paaritute isotoopide kohta.)
Riis. 8.
Vaadake graafikut, mis näitab plutooniumi paarisisotoopide poolestusaja sõltuvust massiarvust. Massi kasvades pikeneb ka isotoobi "eluiga". Mõni aasta tagasi oli selle graafiku kõrgpunkt plutoonium-242. Ja kuidas see kõver siis edasi läheb – massinumbri edasise kasvuga? Täpselt nii 1 , mis vastab 30 miljoni aasta pikkusele elueale ehk punktile 2 , mis on vastanud 300 miljonit aastat? Vastus sellele küsimusele oli geoteaduste jaoks väga oluline. Esimesel juhul, kui 5 miljardit aastat tagasi koosnes Maa täielikult 244 Pu-st, siis nüüd jääks kogu Maa massi ainult üks plutoonium-244 aatom. Kui teine oletus vastab tõele, siis võib plutoonium-244 olla Maal kontsentratsioonides, mida võiks juba tuvastada. Kui meil oleks õnn leida see isotoop Maalt, saaks teadus kõige väärtuslikumat teavet meie planeedi tekke ajal toimunud protsesside kohta.
Mõni aasta tagasi seisid teadlased küsimuse ees: kas tasub proovida leida Maast rasket plutooniumi? Sellele vastamiseks oli vaja kõigepealt määrata plutoonium-244 poolestusaeg. Teoreetikud ei suutnud seda väärtust vajaliku täpsusega arvutada. Kõik lootused jäid ainult katsetamiseks.
Tuumareaktoris kogunenud plutoonium-244. Elementi nr 95, ameriitsiumi (isotoop 243 Am), kiiritati. Pärast neutroni kinnipüüdmist muutus see isotoop ameriitsium-244-ks; ameriitsium-244 muutus ühel juhul 10 tuhandest plutoonium-244-ks.
Plutoonium-244 preparaat eraldati ameriitsiumi ja kuuriumi segust. Proov kaalus vaid mõni miljondik grammi. Kuid neist piisas, et määrata selle huvitava isotoobi poolestusaeg. Selgus, et see võrdub 75 miljoni aastaga. Hiljem selgitasid teised teadlased plutoonium-244 poolestusaega, kuid mitte palju - 82,8 miljonit aastat. 1971. aastal leiti haruldasest muldmetallist bastnäsiidist selle isotoobi jälgi.
Teadlased on teinud palju katseid leida transuraani elemendi isotoopi, mis elab kauem kui 244 Pu. Kuid kõik katsed jäid asjatuks. Kunagi loodeti kuurium-247 peale, kuid pärast selle isotoobi akumuleerumist reaktorisse selgus, et selle poolestusaeg on vaid 14 miljonit aastat. Plutoonium-244 rekordit ei õnnestunud ületada – see on kõigist transuraanielementide isotoopidest pikima elueaga.
Isegi raskemad plutooniumi isotoobid läbivad beeta-lagunemist ja nende eluiga ulatub mõnest päevast mõne sekundikümnendikuni. Teame kindlalt, et kõik plutooniumi isotoobid tekivad termotuumaplahvatustes, kuni 257 Pu. Kuid nende eluiga on sekundikümnendikud ja paljusid plutooniumi lühiealisi isotoope pole veel uuritud.
Esimese isotoobi võimalused
Ja lõpuks - plutoonium-238 kohta - kõige esimene plutooniumi "inimese loodud" isotoop, isotoop, mis alguses tundus paljutõotav. See on tegelikult väga huvitav isotoop. See allub alfalagunemisele, s.t. selle tuumad eraldavad spontaanselt alfaosakesi – heeliumi tuumasid. Plutoonium-238 tuumade tekitatud alfaosakesed kannavad suurt energiat; aines hajudes muutub see energia soojuseks. Kui suur see energia on? Plutoonium-238 ühe aatomituuma lagunemisel vabaneb kuus miljonit elektronvolti. Keemilises reaktsioonis vabaneb sama energia mitme miljoni aatomi oksüdeerumisel. Ühe kilogrammi plutoonium-238 sisaldav elektriallikas arendab soojusvõimsust 560 vatti. Sama massiga keemilise vooluallika maksimaalne võimsus on 5 vatti.
Sarnaste energiaomadustega emittereid on palju, kuid üks plutoonium-238 omadus muudab selle isotoobi asendamatuks. Alfa lagunemisega kaasneb tavaliselt tugev gammakiirgus, mis tungib läbi suurte ainekihtide. 238 Pu on erand. Selle tuumade lagunemisega kaasnevate gammakiirte energia on madal ja selle eest pole keeruline kaitsta: kiirgust neelab õhukese seinaga anum. Selle isotoobi tuumade spontaanse lõhustumise tõenäosus on samuti väike. Seetõttu on see leidnud rakendust mitte ainult praegustes allikates, vaid ka meditsiinis. Plutoonium-238 sisaldavad akud toimivad energiaallikana spetsiaalsetes südamestimulaatorites.
Kuid 238 Pu ei ole elemendi nr 94 kergeim teadaolev isotoop, plutooniumi isotoobid on saadud massinumbritega 232 kuni 237. Kergeima isotoobi poolestusaeg on 36 minutit.
Plutoonium on suur teema. Siin räägitakse kõige olulisematest asjadest. Lõppude lõpuks on juba tavasõnaks saanud, et plutooniumi keemiat on uuritud palju paremini kui selliste "vanade" elementide nagu raua keemiat. Plutooniumi tuumaomaduste kohta on kirjutatud terveid raamatuid. Plutooniumi metallurgia on veel üks hämmastav osa inimeste teadmistest... Seetõttu ei tohiks te arvata, et pärast selle loo lugemist õppisite tõeliselt plutooniumi - 20. sajandi kõige olulisema metalli.
