نحوه استخراج پلوتونیوم سلاح های پلوتونیوم: کاربرد، تولید، دفع

پلوتونیوم درجه سلاحپلوتونیوم به شکل یک فلز فشرده است که حداقل 93.5 درصد از ایزوتوپ 239Pu را در خود دارد. طراحی شده برای ساخت سلاح های هسته ای.

1. نام و ویژگی ها

برای تشخیص آن از راکتور به آن "سلاح" می گویند. پلوتونیوم در هر رآکتور هسته‌ای که بر روی اورانیوم طبیعی یا با غنای پایین کار می‌کند، تشکیل می‌شود که عمدتاً حاوی ایزوتوپ 238U است که نوترون‌های اضافی را جذب کند. اما همانطور که راکتور کار می کند، ایزوتوپ پلوتونیوم درجه تسلیحات به سرعت می سوزد، در نتیجه تعداد زیادی ایزوتوپ 240Pu، 241Pu و 242Pu در راکتور انباشته می شوند که در طی گرفتن پی در پی چندین نوترون - از زمان سوختن، تشکیل می شوند. عمق معمولا توسط عوامل اقتصادی تعیین می شود. هر چه عمق سوختن کمتر باشد، ایزوتوپ‌های 240Pu، 241Pu و 242Pu کمتر در پلوتونیوم جدا شده از سوخت هسته‌ای تابیده شده قرار می‌گیرند، اما پلوتونیوم کمتری در سوخت تشکیل می‌شود.

تولید ویژه پلوتونیوم برای تسلیحات حاوی تقریباً منحصراً 239Pu مورد نیاز است، عمدتاً به این دلیل که ایزوتوپ‌های با اعداد جرمی 240 و 242 زمینه نوترونی بالایی ایجاد می‌کنند که طراحی سلاح‌های هسته‌ای مؤثر را دشوار می‌کند، علاوه بر این، 240Pu و 241Pu نیمه عمر بسیار کوتاه‌تری دارند. از 239Pu، به همین دلیل قطعات پلوتونیوم گرم می شوند و لازم است عناصر سینک حرارتی را نیز در طراحی یک سلاح هسته ای وارد کنیم. حتی 239Pu خالص گرمتر از بدن انسان است. علاوه بر این، محصولات فروپاشی ایزوتوپ‌های سنگین به شبکه کریستالی فلز آسیب می‌رسانند که می‌تواند منجر به تغییر شکل قطعات پلوتونیوم شود که مملو از خرابی یک وسیله انفجاری هسته‌ای است.

در اصل، می توان بر همه این مشکلات غلبه کرد، و دستگاه های انفجاری هسته ای از پلوتونیوم "راکتور" با موفقیت آزمایش شده اند، اما در مهمات، جایی که فشرده بودن، وزن سبک، قابلیت اطمینان و دوام نقش مهمی ایفا می کند، فقط پلوتونیوم با درجه تسلیحات خاص تولید شده است. استفاده می شود. جرم بحرانی 240Pu و 242Pu فلزی بسیار زیاد است، 241Pu تا حدودی بزرگتر از 239Pu است.

2. تولید

در اتحاد جماهیر شوروی، تولید پلوتونیوم با درجه تسلیحات ابتدا در کارخانه مایاک در اوزرسک (چلیابینسک-40، چلیابینسک-65 سابق)، سپس در کارخانه شیمیایی سیبری در سورسک (تومسک-7 سابق) و بعداً در کراسنویارسک انجام شد. معدن به بهره برداری رسید - کارخانه شیمیایی در Zheleznogorsk (همچنین به عنوان Sotsgorod و Krasnoyarsk-26 شناخته می شود). تولید پلوتونیوم تسلیحاتی در روسیه در سال 1994 متوقف شد. در سال 1999، راکتورهای اوزیورسک و سورسک تعطیل شدند، در سال 2010 آخرین راکتور در ژلزنوگورسک تعطیل شد.

در ایالات متحده، پلوتونیوم با درجه تسلیحات در چندین مکان مانند مجتمع هانفورد در ایالت واشنگتن تولید شد. تولید در سال 1988 بسته شد.

3. سنتز عناصر جدید

تبدیل برخی اتم ها به اتم های دیگر در طول برهمکنش ذرات اتمی یا زیر اتمی رخ می دهد. از این میان، فقط نوترون ها در مقادیر زیاد در دسترس هستند. یک راکتور هسته ای گیگاواتی در طول سال حدود 3.75 کیلوگرم (یا 4 * 1030) نوترون تولید می کند.

4. تولید پلوتونیوم

اتم های پلوتونیوم در نتیجه زنجیره ای از واکنش های اتمی تشکیل می شوند که با گرفتن یک نوترون توسط یک اتم اورانیوم 238 شروع می شود:

U238 + n -> U239 -> Np239 -> Pu239

یا به طور دقیق تر:

0n1 + 92U238 -> 92U239 -> -1e0 + 93Np239 -> -1e0 + 94Pu239

با تابش مداوم، برخی از اتم های پلوتونیوم-239 به نوبه خود می توانند یک نوترون را جذب کنند و به ایزوتوپ سنگین تر پلوتونیوم-240 تبدیل شوند:

Pu239 + n -> Pu240

برای به دست آوردن پلوتونیوم در مقادیر کافی، قوی ترین شارهای نوترونی مورد نیاز است. اینها فقط در راکتورهای هسته ای ایجاد می شوند. در اصل، هر راکتوری منبع نوترون است، اما برای تولید صنعتی پلوتونیوم، طبیعی است که از رآکتوری که مخصوص این کار طراحی شده است استفاده شود.

اولین رآکتور تجاری تولید پلوتونیوم در جهان، راکتور B در هانفورد است. کسب در 26 سپتامبر 1944، قدرت - 250 مگاوات، بهره وری - 6 کیلوگرم پلوتونیوم در ماه. حدود 200 تن فلز اورانیوم، 1200 تن گرافیت داشت و با آب با سرعت 5 متر مکعب در دقیقه خنک می شد.

پانل بارگیری راکتور هانفورد با کارتریج های اورانیوم:

طرح کار او. در یک راکتور برای تابش اورانیوم-238، نوترون ها در نتیجه یک واکنش زنجیره ای ثابت از شکافت هسته های اورانیوم-235 ایجاد می شوند. به طور متوسط، 2.5 نوترون در هر شکافت U-235 تولید می شود. برای حفظ واکنش و تولید همزمان پلوتونیوم، لازم است که به طور متوسط ​​یک یا دو نوترون توسط U-238 جذب شود و یکی باعث شکافت اتم بعدی U-235 شود.

نوترون های تولید شده در طی شکافت اورانیوم دارای سرعت بسیار بالایی هستند. اتم های اورانیوم به گونه ای چیده شده اند که گرفتن نوترون های سریع توسط هسته های U-238 و U-235 بعید است. بنابراین، نوترون های سریع، با تجربه چندین برخورد با اتم های اطراف، به تدریج سرعت خود را کاهش می دهند. در همان زمان، هسته‌های U-238 چنین نوترون‌هایی (با سرعت متوسط) را چنان قوی جذب می‌کنند که چیزی برای شکافت U-235 باقی نمی‌ماند و واکنش زنجیره‌ای را حفظ می‌کند (U-235 از نوترون‌های کند و حرارتی تقسیم می‌شود).

ناظم با این مشکل دست و پنجه نرم می کند و بلوک ها را با نوعی ماده سبک اورانیوم احاطه کرده است. در آن، نوترون‌ها بدون جذب کاهش می‌یابند و برخوردهای الاستیکی را تجربه می‌کنند که در هر کدام بخش کوچکی از انرژی از بین می‌رود. تعدیل کننده های خوب آب، کربن هستند. بنابراین، نوترون‌های کاهش‌یافته به سرعت حرارتی از طریق راکتور حرکت می‌کنند تا زمانی که باعث شکافت U-235 شوند (U-238 آنها را بسیار ضعیف جذب می‌کند). با پیکربندی مشخصی از تعدیل کننده و میله های اورانیوم، شرایط برای جذب نوترون ها و U-238 و U-235 ایجاد می شود.

ترکیب ایزوتوپی پلوتونیوم حاصل به مدت زمان میله های اورانیوم در راکتور بستگی دارد. تجمع قابل توجهی از Pu-240 در نتیجه تابش طولانی مدت کاست اورانیوم رخ می دهد. با زمان اقامت کوتاه اورانیوم در راکتور، Pu-239 با محتوای ناچیز Pu-240 به دست می آید.

Pu-240 به دلایل زیر برای تولید سلاح مضر است:

1. شکافت پذیری کمتری نسبت به Pu-239 دارد، بنابراین برای ساخت سلاح به پلوتونیوم کمی بیشتر نیاز است.

2. دلیل دوم بسیار مهمتر. سطح شکافت خود به خودی در Pu-240 بسیار بالاتر است که یک پس‌زمینه نوترونی قوی ایجاد می‌کند.

در سال‌های اولیه توسعه سلاح‌های اتمی، انتشار نوترون (پس‌زمینه نوترونی قوی) به دلیل انفجار زودهنگام، مشکلی در مسیر رسیدن به شارژ قابل اعتماد و کارآمد بود. شارهای قوی نوترونی فشرده کردن هسته بمب حاوی چندین کیلوگرم پلوتونیوم را در حالت فوق بحرانی دشوار یا غیرممکن می‌کرد - قبل از آن توسط قوی‌ترین، اما هنوز با حداکثر بازده انرژی ممکن نابود شده بود. ظهور هسته های مخلوط - حاوی U-235 و پلوتونیوم بسیار غنی شده (در اواخر دهه 1940) - زمانی که استفاده از مقادیر نسبتاً کمی پلوتونیوم در هسته های عمدتا اورانیوم ممکن شد، بر این مشکل غلبه کرد. نسل بعدی شارژها، دستگاه‌های تقویت‌شده با همجوشی (در اواسط دهه 1950)، این مشکل را به طور کامل از بین بردند و آزاد شدن انرژی بالا را تضمین کردند، حتی با شارژهای شکافت اولیه کم توان.

پلوتونیوم تولید شده در راکتورهای ویژه حاوی درصد نسبتا کمی از Pu-240 (<7%), плутоний "оружейного качества"; в реакторах АЭС отработанное ядерное топливо имеет концентрацию Pu-240 более 20%, плутоний "реакторного качества".

در رآکتورهای ویژه، اورانیوم برای مدت زمان نسبتاً کوتاهی قرار می گیرد، که در طی آن همه U-235 نمی سوزند و همه U-238 به پلوتونیوم منتقل نمی شوند، اما مقدار کمتری از Pu-240 نیز تشکیل می شود.

دو دلیل برای تولید پلوتونیوم با محتوای کم Pu-240 وجود دارد:

اقتصادی: تنها دلیل وجود راکتورهای ویژه پلوتونیوم. تجزیه پلوتونیوم توسط شکافت یا تبدیل آن به Pu-240 با شکافت کمتر، بازده را کاهش می دهد و هزینه تولید را افزایش می دهد (تا جایی که قیمت آن با هزینه پردازش سوخت تابش شده با غلظت کمی پلوتونیوم متعادل می شود).

مشکل در جابجایی: اگرچه انتشار نوترون برای طراحان سلاح مشکل بزرگی نیست، اما می‌تواند در ساخت و مدیریت چنین شارژی مشکلاتی ایجاد کند. نوترون‌ها کمک بیشتری به قرار گرفتن در معرض شغلی کسانی که سلاح‌ها را جمع‌آوری یا نگهداری می‌کنند، می‌کنند (نوترون‌ها خود اثر یونیزه‌کننده ندارند، اما پروتون‌هایی ایجاد می‌کنند که قادر به انجام این کار هستند). در واقع، بارهای تماس مستقیم با انسان، مانند Davy Crocket، ممکن است به این دلیل به پلوتونیوم فوق‌العاده خالص با انتشار نوترون کم نیاز داشته باشد.

ریخته گری و پردازش مستقیم پلوتونیوم به صورت دستی در محفظه های مهر و موم شده با دستکش برای اپراتور انجام می شود. مثل این ها:

این به معنای محافظت بسیار کمی از انسان در برابر پلوتونیوم ساطع کننده نوترون است. بنابراین، پلوتونیوم با محتوای بالای Pu-240 فقط توسط دستکاری‌کننده‌ها پردازش می‌شود یا زمان کار با آن برای هر کارگر به شدت محدود است.

به همه این دلایل (رادیواکتیویته، بدترین خواص Pu-240)، توضیح داده شده است که چرا از پلوتونیوم درجه رآکتور برای ساخت سلاح استفاده نمی شود - تولید پلوتونیوم با درجه تسلیحات به طور خاص ارزان تر است. راکتورها اگرچه ظاهراً ساختن وسیله انفجاری هسته ای از راکتور نیز امکان پذیر است.

حلقه پلوتونیوم

این حلقه از فلز پلوتونیوم خالص شده الکترولیتی (بیش از 99.96 درصد خالص) ساخته شده است. نمونه‌ای از حلقه‌هایی است که در لوس آلاموس آماده شده و به ناوگان راکی ​​فرستاده می‌شوند تا به صورت سلاح ساخته شوند، تا زمان توقف اخیر تولید. جرم حلقه 5.3 کیلوگرم است که برای ساخت بار استراتژیک مدرن کافی است، قطر آن تقریباً 11 سانتی متر است. شکل حلقه برای اطمینان از ایمنی حیاتی مهم است.

ریخته‌گری آلیاژ پلوتونیوم گالیوم از یک هسته سلاح بازیابی شد:

پلوتونیوم در طول پروژه منهتن

از نظر تاریخی، اولین 520 میلی گرم فلز پلوتونیوم توسط تد ماگل و نیک دالاس در لوس آلاموس در 23 مارس 1944 تولید شد:

پرس برای پرس گرم آلیاژ پلوتونیوم-گالیوم به شکل نیمکره. این پرس در لوس آلاموس برای ساخت هسته های پلوتونیوم برای هزینه های ناکازاکی و عملیات ترینیتی استفاده شد.

محصولات ریخته شده بر روی آن:

محصولات جانبی اضافی پلوتونیوم

گرفتن یک نوترون بدون شکافت، ایزوتوپ های جدیدی از پلوتونیوم را ایجاد می کند: Pu-240، Pu-241 و Pu-242. دو مورد آخر در مقادیر ناچیز جمع می شوند.

Pu239 + n -> Pu240

Pu240 + n -> Pu241

Pu241 + n -> Pu242

یک زنجیره جانبی از واکنش ها نیز ممکن است:

U238 + n -> U237 + 2n

U237 -> (6.75 روز، فروپاشی بتا) -> Np237

Np237 + n -> Np238

Np238 -> (2.1 روز، فروپاشی بتا) -> Pu238

اندازه گیری کلی قرار گرفتن در معرض (تهی شدن) یک پیل سوختی را می توان بر حسب مگاوات-روز/تن (MW-day/t) بیان کرد. پلوتونیوم با درجه سلاحکیفیت از عناصری با مقدار کمی MW-day/t بدست می آید، ایزوتوپ های فرعی کمتری تولید می کند. سلول های سوختی در راکتورهای آب تحت فشار مدرن به سطوح 33000 مگاوات در تن می رسد. یک نوردهی معمولی در یک راکتور تولید کننده سلاح 1000 مگاوات بر تن است. پلوتونیوم در راکتورهای تعدیل شده گرافیت هانفورد تا 600 مگاوات بر تن تابش می شود، راکتور آب سنگین ساوانا پلوتونیوم با همان کیفیت را در 1000 مگاوات در تن تولید می کند (احتمالاً به دلیل برخی از نوترون ها که تریتیوم تشکیل می دهند). در طول پروژه منهتن، سوخت اورانیوم طبیعی تنها 100 مگاوات در روز در تن دریافت کرد، بنابراین پلوتونیوم-239 با کیفیت بسیار بالا (فقط 0.9-1٪ Pu-240، ایزوتوپ های دیگر حتی در مقادیر کمتر) تولید کرد.

اطلاعات مشابه

پلوتونیوم در اواخر سال 1940 در دانشگاه کالیفرنیا کشف شد. توسط مک میلان، کندی و وال با بمباران اکسید اورانیوم (U 3 O 8) با هسته های دوتریوم (دوترون ها) که به شدت در یک سیکلوترون شتاب گرفته بودند، سنتز شد. بعدها مشخص شد که این واکنش هسته ای ابتدا ایزوتوپ کوتاه مدت نپتونیوم-238 و از آن در حال حاضر پلوتونیوم-238 با نیمه عمر حدود 50 سال تولید می کند. یک سال بعد، کندی، سیبورگ، سگره و وال با تابش اورانیوم با نوترون‌های بسیار شتاب‌زده در یک سیکلوترون، ایزوتوپ مهم‌تر، پلوتونیوم-239 را سنتز کردند. پلوتونیوم-239 از فروپاشی نپتونیوم-239 تشکیل شده است. پرتوهای آلفا از خود ساطع می کند و نیمه عمر آن 24000 سال است. یک ترکیب پلوتونیوم خالص برای اولین بار در سال 1942 به دست آمد. سپس مشخص شد که پلوتونیوم طبیعی در سنگ معدن اورانیوم، به ویژه در سنگ معدن، ذخایر کنگو وجود دارد.

نام این عنصر در سال 1948 مطرح شد: مک میلان اولین عنصر فرااورانیکی را نپتونیوم نامید زیرا سیاره نپتون اولین سیاره فراتر از اورانوس است. بر اساس قیاس، آنها تصمیم گرفتند عنصر 94 را پلوتونیوم بنامند، زیرا سیاره پلوتون دومین سیاره پس از اورانوس است. پلوتون که در سال 1930 کشف شد، نام خود را از نام خدای پلوتون، فرمانروای جهان اموات در اساطیر یونان گرفته است. در آغاز قرن نوزدهم. کلارک پیشنهاد نامگذاری عنصر باریم پلوتونیوم را داد که این نام را مستقیماً از نام خدای پلوتون گرفته بود، اما پیشنهاد او پذیرفته نشد.

این فلز گرانبها نامیده می شود، اما نه به دلیل زیبایی، بلکه به دلیل ضروری بودن. در سیستم تناوبی مندلیف، این عنصر سلول شماره 94 را اشغال می کند. دانشمندان بزرگترین امیدهای خود را با او بسته اند و این پلوتونیوم است که آنها را خطرناک ترین فلز برای بشر می نامند.

پلوتونیوم: توضیحات

از نظر ظاهری یک فلز سفید نقره ای است. رادیواکتیو است و می تواند به عنوان 15 ایزوتوپ با نیمه عمر متفاوت نشان داده شود، به عنوان مثال:

• Pu-238 - حدود 90 سال سن دارد
• Pu-239 - حدود 24 هزار سال
• Pu-240 - 6580 سال
• Pu-241 - 14 سال
• Pu-242 - 370 هزار سال
• Pu-244 - حدود 80 میلیون سال

این فلز را نمی توان از سنگ معدن استخراج کرد، زیرا محصول تبدیل رادیواکتیو اورانیوم است.

پلوتونیوم چگونه به دست می آید؟

تولید پلوتونیوم به شکافت اورانیوم نیاز دارد که تنها در راکتورهای هسته ای امکان پذیر است. اگر از وجود عنصر Pu در پوسته زمین صحبت کنیم، برای 4 میلیون تن سنگ معدن اورانیوم تنها 1 گرم پلوتونیوم خالص وجود خواهد داشت. و این گرم از گرفتن طبیعی نوترون ها توسط هسته های اورانیوم تشکیل می شود. بنابراین، برای به دست آوردن این سوخت هسته ای (معمولا ایزوتوپ 239-Pu) به مقدار چند کیلوگرم، لازم است یک فرآیند پیچیده تکنولوژیکی در یک راکتور هسته ای انجام شود.

خواص پلوتونیوم

فلز رادیواکتیو پلوتونیوم دارای خواص فیزیکی زیر است:

• چگالی 19.8 گرم بر سانتی متر 3
• نقطه ذوب - 641 درجه سانتیگراد
• نقطه جوش - 3232 درجه سانتیگراد
• هدایت حرارتی (در 300 K) - 6.74 W/(m K)

پلوتونیوم رادیواکتیو است و بنابراین در لمس گرم است. در عین حال، این فلز با کمترین هدایت حرارتی و الکتریکی مشخص می شود. پلوتونیوم مایع چسبناک ترین فلزات موجود است.

کوچکترین تغییر در دمای پلوتونیوم منجر به تغییر آنی در چگالی ماده می شود. به طور کلی، جرم پلوتونیوم به طور مداوم در حال تغییر است، زیرا هسته های این فلز در حالت شکافت دائمی به هسته ها و نوترون های کوچکتر هستند. جرم بحرانی پلوتونیوم نام حداقل جرم ماده شکافت پذیری است که در آن شکافت (واکنش زنجیره ای هسته ای) ممکن است. به عنوان مثال، جرم بحرانی پلوتونیوم با درجه سلاح 11 کیلوگرم است (برای مقایسه، جرم بحرانی اورانیوم بسیار غنی شده 52 کیلوگرم است).

اورانیوم و پلوتونیوم سوخت اصلی هسته ای هستند. برای به دست آوردن پلوتونیوم در مقادیر زیاد، از دو فناوری استفاده می شود:

• تابش اورانیوم
• تابش عناصر ترانس اورانیوم حاصل از سوخت مصرف شده

هر دو روش جداسازی پلوتونیوم و اورانیوم در نتیجه یک واکنش شیمیایی است.

برای به دست آوردن پلوتونیوم-238 خالص، از تابش نوترونی نپتونیوم-237 استفاده می شود. همین ایزوتوپ در ایجاد پلوتونیوم 239 با درجه تسلیحات نقش دارد، به ویژه، این یک محصول واپاشی متوسط ​​است. 1 میلیون دلار قیمت 1 کیلوگرم پلوتونیوم 238 است.

بشر همیشه در جستجوی منابع جدید انرژی بوده است که بتواند بسیاری از مشکلات را حل کند. با این حال، آنها همیشه امن نیستند. بنابراین، به طور خاص، اگرچه امروزه به طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرند، اگرچه می‌توانند صرفاً مقدار عظیمی از انرژی الکتریکی را که همه به آن نیاز دارند تولید کنند، اما همچنان خطر مرگباری را به همراه دارند. اما، علاوه بر اهداف صلح آمیز، برخی از کشورهای سیاره ما یاد گرفته اند که از آن در ارتش، به ویژه برای ساخت کلاهک های هسته ای استفاده کنند. در این مقاله اساس چنین سلاح مخربی مورد بحث قرار خواهد گرفت که نام آن پلوتونیوم درجه یک سلاح است.

اطلاعات مختصر

این شکل فشرده از فلز حاوی حداقل 93.5 درصد ایزوتوپ 239Pu است. پلوتونیوم درجه تسلیحات به این نام نامگذاری شد تا آن را از "برادر راکتور" خود متمایز کند. در اصل، پلوتونیوم همیشه در مطلقاً در هر رآکتور هسته‌ای تشکیل می‌شود، که به نوبه خود بر روی اورانیوم با غنای پایین یا طبیعی کار می‌کند که در اکثر موارد حاوی ایزوتوپ 238U است.

کاربرد در صنایع نظامی

پلوتونیوم 239Pu با درجه تسلیحات پایه سلاح های هسته ای است. در عین حال، استفاده از ایزوتوپ هایی با اعداد جرمی 240 و 242 بی ربط است، زیرا آنها زمینه بسیار بالایی از نوترون ها را ایجاد می کنند که در نهایت ایجاد و طراحی مهمات هسته ای بسیار کارآمد را دشوار می کند. علاوه بر این، ایزوتوپ های پلوتونیوم 240Pu و 241Pu نیمه عمر بسیار کوتاه تری نسبت به 239Pu دارند، بنابراین قطعات پلوتونیوم بسیار داغ می شوند. در ارتباط با این موضوع است که مهندسان مجبور می شوند برای حذف گرمای اضافی عناصر اضافی را به یک سلاح هسته ای اضافه کنند. به هر حال، 239Pu خالص گرمتر از بدن انسان است. همچنین نمی‌توان این واقعیت را در نظر گرفت که محصولات فروپاشی ایزوتوپ‌های سنگین، شبکه بلوری فلزی را در معرض تغییرات مضر قرار می‌دهند و این امر به طور کاملاً طبیعی پیکربندی قطعات پلوتونیومی را تغییر می‌دهد که در نهایت می‌تواند باعث شکست کامل شود. یک وسیله انفجاری هسته ای

به طور کلی، می توان بر همه این مشکلات غلبه کرد. و در عمل، بارها و بارها بر اساس پلوتونیوم دقیقاً "راکتور" آزمایش شده است. اما باید درک کرد که در مهمات هسته ای، فشردگی، وزن کم، دوام و قابلیت اطمینان آنها از آخرین موقعیت بسیار دور است. در این راستا، آنها به طور انحصاری از پلوتونیوم با درجه سلاح استفاده می کنند.

ویژگی های طراحی راکتورهای تولیدی

تقریباً تمام پلوتونیوم در روسیه در راکتورهای مجهز به تعدیل کننده گرافیت تولید می شد. هر یک از رآکتورها در اطراف بلوک های استوانه ای از گرافیت ساخته شده اند.

هنگام مونتاژ، بلوک های گرافیتی دارای شکاف های ویژه ای بین خود هستند تا از گردش مداوم مایع خنک کننده که به عنوان نیتروژن استفاده می شود اطمینان حاصل شود. در ساختار مونتاژ شده نیز کانال هایی به صورت عمودی برای عبور آب خنک کننده و سوخت از آنها ایجاد شده است. خود مجموعه به طور سفت و سخت توسط ساختاری با سوراخ‌هایی در زیر کانال‌هایی که برای ارسال سوخت از قبل تابش شده استفاده می‌شود، پشتیبانی می‌شود. علاوه بر این، هر یک از کانال ها در یک لوله با دیواره نازک ساخته شده از آلیاژ آلومینیوم سبک و فوق العاده قوی قرار دارند. اکثر کانال های توصیف شده دارای 70 میله سوخت هستند. آب خنک کننده مستقیماً در اطراف میله های سوخت جریان می یابد و گرمای اضافی را از آنها می گیرد.

افزایش توان راکتورهای تولیدی

در ابتدا اولین راکتور "مایاک" با ظرفیت 100 مگاوات حرارتی کار می کرد. با این حال، مدیر ارشد برنامه تسلیحات هسته‌ای شوروی پیشنهاد کرد که راکتور باید با قدرت 170-190 مگاوات در زمستان و 140-150 مگاوات در تابستان کار کند. این رویکرد به رآکتور اجازه می‌دهد تا روزانه 140 گرم پلوتونیوم گرانبها تولید کند.

در سال 1952، کار تحقیقاتی تمام عیار به منظور افزایش ظرفیت تولید راکتورهای فعال با روش های زیر انجام شد:

• با افزایش جریان آب مورد استفاده برای خنک کردن و عبور از مناطق فعال یک تاسیسات هسته ای.
• با افزایش مقاومت در برابر پدیده خوردگی که در نزدیکی لاینر کانال ها اتفاق می افتد.
• کاهش سرعت اکسیداسیون گرافیت.
• افزایش دمای داخل پیل های سوختی.

در نتیجه، پس از افزایش شکاف بین سوخت و دیواره های کانال، خروجی آب در گردش به طور قابل توجهی افزایش یافت. ما همچنین توانستیم از شر خوردگی خلاص شویم. برای انجام این کار، ما مناسب ترین آلیاژهای آلومینیوم را انتخاب کردیم و شروع به افزودن فعال بی کرومات سدیم کردیم که در نهایت نرمی آب خنک کننده را افزایش داد (PH حدود 6.0-6.2 شد). اکسیداسیون گرافیت پس از شروع استفاده از نیتروژن برای خنک کردن آن (قبل از آن فقط از هوا استفاده می شد) یک مشکل فوری نبود.

در اواخر دهه 1950، نوآوری ها به طور کامل عملی شدند، و باعث کاهش بادکش های غیرضروری اورانیوم ناشی از تشعشعات، کاهش قابل توجه سخت شدن حرارتی میله های اورانیوم، بهبود مقاومت روکش ها و بهبود کنترل کیفیت ساخت شدند.

تولید در مایاک

"Chelyabinsk-65" یکی از آن کارخانه های بسیار مخفی است که در آن پلوتونیوم با درجه سلاح ساخته شده است. این شرکت چندین راکتور داشت که با هر یک از آنها بیشتر آشنا خواهیم شد.

راکتور A

این نصب با راهنمایی افسانه ای N. A. Dollezhal طراحی و ساخته شد. او با توان 100 مگاوات کار می کرد. این راکتور دارای 1149 کانال کنترل و سوخت به صورت عمودی در یک بلوک گرافیتی بود. جرم کل سازه حدود 1050 تن بود. تقریباً همه کانال ها (به جز 25) با اورانیوم بارگیری می شدند که جرم کل آن 120-130 تن بود. 17 کانال برای میله های کنترل و 8 کانال برای آزمایش استفاده شد. حداکثر انتشار حرارت طراحی پیل سوختی 3.45 کیلو وات بود. در ابتدا راکتور حدود 100 گرم پلوتونیوم در روز تولید می کرد. پلوتونیوم فلزی اولین بار در 16 آوریل 1949 تولید شد.

معایب تکنولوژیکی

تقریباً بلافاصله، مشکلات کاملاً جدی شناسایی شد که شامل خوردگی آسترهای آلومینیومی و پوشش های سلول سوختی بود. میله های اورانیوم نیز متورم و شکسته شدند و آب خنک کننده مستقیماً به هسته رآکتور نشت کرد. پس از هر نشتی، راکتور باید تا 10 ساعت متوقف شود تا گرافیت با هوا خشک شود. در ژانویه 1949، لاینرهای کانال جایگزین شدند. پس از آن، راه اندازی نصب در 26 مارس 1949 انجام شد.

پلوتونیوم با درجه تسلیحاتی که تولید آن در راکتور A با انواع مشکلات همراه بود، در دوره 1950-1954 با میانگین توان واحد 180 مگاوات تولید شد. عملیات بعدی راکتور با استفاده فشرده تر از آن همراه شد که به طور طبیعی منجر به خاموش شدن مکرر (تا 165 بار در ماه) شد. در نتیجه، در اکتبر 1963، راکتور تعطیل شد و تنها در بهار 1964 فعالیت خود را از سر گرفت. او کارزار خود را در سال 1987 به پایان رساند و 4.6 تن پلوتونیوم در کل دوره چندین سال فعالیت تولید کرد.

راکتورهای AB

تصمیم به ساخت سه راکتور AB در شرکت چلیابینسک-65 در پاییز 1948 گرفته شد. ظرفیت تولید آنها 200-250 گرم پلوتونیوم در روز بود. طراح ارشد پروژه A. Savin بود. هر رآکتور دارای 1996 کانال بود که 65 تای آنها کانال کنترل بود. یک تازگی فنی در تاسیسات استفاده شده است - هر کانال به یک آشکارساز نشت خنک کننده مخصوص مجهز شده است. چنین حرکتی امکان تغییر آسترها را بدون توقف عملکرد خود راکتور فراهم کرد.

سال اول بهره برداری از راکتورها نشان داد که حدود 260 گرم پلوتونیوم در روز تولید می کردند. اما از سال دوم بهره برداری به تدریج ظرفیت افزایش یافت و در سال 1963 این رقم به 600 مگاوات رسید. پس از تعمیرات اساسی دوم، مشکل لاینرها به طور کامل حل شد و ظرفیت 1200 مگاوات با تولید سالانه پلوتونیوم 270 کیلوگرم بود. این ارقام تا زمان بسته شدن کامل راکتورها حفظ شد.

راکتور AI-IR

شرکت چلیابینسک از 22 دسامبر 1951 تا 25 مه 1987 از این نصب استفاده کرد. این راکتور علاوه بر اورانیوم، کبالت 60 و پلونیوم 210 نیز تولید می کرد. در ابتدا تریتیوم در این تاسیسات تولید می شد، اما بعداً پلوتونیوم نیز تولید شد.

همچنین کارخانه فرآوری پلوتونیوم با درجه تسلیحات دارای راکتورهایی بود که بر روی آب سنگین کار می کردند و تنها راکتور آب سبک (نام آن Ruslan است).

غول سیبری

"Tomsk-7" - این نام کارخانه است که پنج راکتور برای ایجاد پلوتونیوم را در خود جای داده است. هر یک از واحدها از گرافیت برای کاهش سرعت نوترون ها و آب معمولی برای اطمینان از خنک سازی مناسب استفاده می کردند.

راکتور I-1 با یک سیستم خنک کننده کار می کرد که آب یک بار از آن عبور می کرد. با این حال، چهار واحد باقی مانده با مدارهای اولیه بسته مجهز به مبدل های حرارتی ارائه شد. این طراحی امکان تولید بخار اضافی را فراهم می کند که به نوبه خود به تولید برق و گرمایش محل های مختلف مسکونی کمک می کند.

Tomsk-7 همچنین دارای راکتوری به نام EI-2 بود که به نوبه خود دارای هدف دوگانه بود: پلوتونیوم تولید می کرد و 100 مگاوات برق از بخار تولید شده و همچنین 200 مگاوات انرژی حرارتی تولید می کرد.

اطلاعات مهم

به گفته دانشمندان، نیمه عمر پلوتونیوم با درجه تسلیحات حدود 24360 سال است. تعداد زیادی! در این راستا، این سوال به ویژه حاد می شود: "چگونه به درستی با ضایعات تولید این عنصر برخورد کنیم؟" بهینه ترین گزینه ساخت شرکت های ویژه برای پردازش بعدی پلوتونیوم با درجه سلاح است. این با این واقعیت توضیح داده می شود که در این حالت عنصر دیگر نمی تواند برای اهداف نظامی استفاده شود و توسط یک شخص کنترل می شود. اینگونه است که پلوتونیوم با درجه تسلیحات در روسیه دفع می شود، اما ایالات متحده آمریکا راه دیگری را در پیش گرفت و در نتیجه تعهدات بین المللی خود را نقض کرد.

بنابراین، دولت ایالات متحده پیشنهاد می کند که پلوتونیوم بسیار غنی شده را نه از راه های صنعتی، بلکه با رقیق کردن پلوتونیوم و ذخیره آن در ظروف مخصوص در عمق 500 متری نابود کند. ناگفته نماند که در این حالت می توان مواد را به راحتی از روی زمین در هر زمان برداشته و مجدداً برای اهداف نظامی استفاده کرد. به گفته ولادیمیر پوتین، رئیس جمهور روسیه، در ابتدا کشورها توافق کردند که پلوتونیوم را نه با این روش، بلکه بازیافت در تأسیسات صنعتی را از بین ببرند.

هزینه پلوتونیوم با درجه تسلیحات سزاوار توجه ویژه است. به گفته کارشناسان، ده ها تن از این عنصر ممکن است چندین میلیارد دلار هزینه داشته باشد. و برخی از کارشناسان حتی 500 تن پلوتونیوم با درجه تسلیحات را تا 8 تریلیون دلار تخمین زده اند. مقدار واقعاً چشمگیر است. برای روشن تر شدن این موضوع، بیایید بگوییم که در ده سال آخر قرن بیستم، متوسط ​​تولید ناخالص داخلی روسیه 400 میلیارد دلار بوده است. یعنی در واقع قیمت واقعی پلوتونیوم با درجه تسلیحات برابر با بیست تولید ناخالص داخلی سالانه فدراسیون روسیه بود.

او واقعاً ارزشمند است.

پیشینه و تاریخچه

در ابتدا پروتون وجود داشت - هیدروژن کهکشانی. در نتیجه فشرده سازی آن و واکنش های هسته ای بعدی، باورنکردنی ترین "شمش" نوکلئون ها تشکیل شد. در میان آنها، این "شمش ها" ظاهراً حاوی 94 پروتون بودند. برآوردهای نظریه پردازان به ما اجازه می دهد تا در نظر بگیریم که حدود 100 تشکیل نوکلئونی که شامل 94 پروتون و از 107 تا 206 نوترون است، آنقدر پایدار هستند که می توان آنها را هسته ایزوتوپ های عنصر شماره 94 در نظر گرفت.

اما همه این ایزوتوپ ها - فرضی و واقعی - از لحظه شکل گیری عناصر منظومه شمسی آنقدر پایدار نیستند که تا به امروز حفظ شوند. نیمه عمر طولانی ترین ایزوتوپ عنصر 94 75 میلیون سال است. سن کهکشان با میلیاردها سال اندازه گیری می شود. در نتیجه، پلوتونیوم "اصلی" تا به امروز هیچ شانسی برای زنده ماندن نداشت. اگر در طی سنتز بزرگ عناصر کیهان شکل گرفته باشد، آن اتم های باستانی آن مدت ها پیش "مرده" شدند، درست همانطور که دایناسورها و ماموت ها از بین رفتند.

در قرن XX. عصر جدید، بعد از میلاد، این عنصر بازسازی شد. از 100 ایزوتوپ ممکن پلوتونیوم، 25 ایزوتوپ سنتز شده است که 15 مورد از آنها برای خواص هسته ای آنها مورد مطالعه قرار گرفته است. چهار مورد کاربرد عملی پیدا کرده اند. و به تازگی افتتاح شده است. در دسامبر 1940، گروهی از رادیو شیمیدانان آمریکایی به رهبری گلن تی سیبورگ، هنگام تابش اورانیوم با هسته های سنگین هیدروژن، یک تابشگر ذرات آلفا ناشناخته را با نیمه عمر 90 سال کشف کردند. معلوم شد که این ساطع کننده ایزوتوپ عنصر شماره 94 با عدد جرمی 238 است. در همان سال اما چند ماه قبل، E.M. مک میلان و اف. آبلسون اولین عنصر سنگین تر از اورانیوم - عنصر شماره 93 - را دریافت کردند. این عنصر نپتونیوم و عنصر 94 پلوتونیوم نام داشت. مورخ قطعاً خواهد گفت که این نام ها از اساطیر رومی سرچشمه می گیرند، اما در اصل منشأ این نام ها نه اسطوره ای، بلکه نجومی است.

عناصر شماره 92 و 93 به نام سیارات دوردست منظومه شمسی - اورانوس و نپتون - نامگذاری شده اند، اما نپتون آخرین در منظومه شمسی نیست، مدار پلوتون از این هم دورتر است - سیاره ای که تقریباً هیچ چیز تاکنون در مورد آن شناخته نشده است. ... ساختار مشابهی را نیز در "سمت چپ" جدول تناوبی مشاهده می کنیم: اورانیوم - نپتونیم - پلوتونیوم، با این حال، بشریت در مورد پلوتونیوم بسیار بیشتر از پلوتون می داند. به هر حال، ستاره شناسان تنها ده سال قبل از سنتز پلوتونیوم پلوتون را کشف کردند - تقریباً همان دوره زمانی اکتشافات اورانوس - سیاره و اورانیوم - عنصر را از هم جدا کرد.

معماهایی برای باج افزار

اولین ایزوتوپ عنصر شماره 94، پلوتونیوم-238، امروزه کاربرد عملی پیدا کرده است. اما در اوایل دهه 1940، آنها حتی به آن فکر هم نمی کردند. دستیابی به پلوتونیوم 238 در مقادیر مورد علاقه تنها با اتکا به یک صنعت هسته ای قدرتمند امکان پذیر است. در آن زمان، او تازه شروع به کار کرده بود. اما از قبل مشخص بود که با آزاد کردن انرژی موجود در هسته عناصر رادیواکتیو سنگین، می توان به سلاح هایی با قدرت بی سابقه دست یافت. پروژه منهتن ظاهر شد و چیزی جز نام مشترک با منطقه شناخته شده نیویورک نداشت. این نام کلی برای تمام کارهای مربوط به ساخت اولین بمب اتمی در ایالات متحده بود. رئیس پروژه منهتن یک دانشمند نبود، بلکه یک مرد نظامی بود - ژنرال گرووز، که "عاشقانه" بخشهای تحصیلکرده خود را "دیگ های شکسته" نامید.

رهبران "پروژه" علاقه ای به پلوتونیوم-238 نداشتند. هسته های آن، در واقع، هسته های تمام ایزوتوپ های پلوتونیوم با اعداد جرمی زوج، با نوترون های کم انرژی شکافت نمی شوند، بنابراین نمی تواند به عنوان یک ماده منفجره هسته ای عمل کند. با این وجود، اولین گزارش های نه چندان قابل فهم در مورد عناصر شماره 93 و 94 تنها در بهار 1942 به چاپ رسید.

* نوترون های کم انرژی نوترون هایی هستند که انرژی آنها از 10 کیلو ولت بیشتر نباشد. نوترون‌هایی که انرژی آن‌ها بر حسب کسری از الکترون ولت اندازه‌گیری می‌شود، گرمایی نامیده می‌شوند و کندترین نوترون‌ها - با انرژی کمتر از 0.005 eV - سرد نامیده می‌شوند. اگر انرژی نوترون بیش از 100 کو ولت باشد، چنین نوترونی از قبل سریع در نظر گرفته می شود.

چطور می شود این را توضیح داد؟ فیزیکدانان فهمیدند: سنتز ایزوتوپ‌های پلوتونیوم با اعداد جرمی فرد یک امر زمان است و دور از دسترس نیست. انتظار می رفت که ایزوتوپ های عجیب و غریب، مانند اورانیوم 235، قادر به حفظ یک واکنش زنجیره ای هسته ای باشند. در آنها که هنوز دریافت نشده است، برخی افراد یک ماده منفجره هسته ای بالقوه دیدند. و پلوتونیوم متأسفانه به این امیدها عمل کرد.

در رمزهای آن زمان عنصر شماره 94 چیزی جز ... مس نامیده نمی شد. و هنگامی که نیاز به خود مس (به عنوان یک ماده ساختاری برای برخی از قطعات) بوجود آمد، سپس در رمزگذاری، همراه با "مس"، "مس واقعی" ظاهر شد.

"درخت علم خیر و شر"

در سال 1941، مهمترین ایزوتوپ پلوتونیوم - ایزوتوپی با عدد جرمی 239 - کشف شد. و تقریباً بلافاصله پیش‌بینی نظریه‌پردازان تأیید شد: هسته‌های پلوتونیوم-239 با نوترون‌های حرارتی شکافته شدند. علاوه بر این، در فرآیند شکافت آنها، تعداد نوترون ها کمتر از شکافت اورانیوم 235 متولد شد. راه های به دست آوردن این ایزوتوپ در مقادیر زیاد بلافاصله مشخص شد ...

سالها گذشت. اکنون بر کسی پوشیده نیست که بمب‌های هسته‌ای ذخیره‌شده در زرادخانه‌ها با پلوتونیوم 239 پر شده‌اند و این بمب‌ها به اندازه‌ای هستند که آسیب‌های جبران‌ناپذیری به تمام حیات روی زمین وارد کنند.

باور عمومی بر این است که با کشف یک واکنش زنجیره ای هسته ای (که پیامد اجتناب ناپذیر آن ایجاد بمب هسته ای بود)، بشریت به وضوح عجله داشت. شما می توانید متفاوت فکر کنید یا وانمود کنید که متفاوت فکر می کنید - خوش بین بودن خوشایندتر است. اما حتی افراد خوشبین نیز ناگزیر با پرسش مسئولیت دانشمندان روبرو هستند. ما روز پیروزمندانه ژوئن 1954 را به یاد می آوریم، روزی که اولین نیروگاه هسته ای در اوبنینسک برق داد. اما ما نمی توانیم صبح اوت 1945 - "صبح هیروشیما"، "روز بارانی آلبرت اینشتین" را فراموش کنیم. اما آیا بشریت در سالهای بعد اضطراب کمی را تحمل کرد؟ علاوه بر این، این نگرانی ها با درک این موضوع که در صورت وقوع جنگ جهانی جدید، از سلاح های هسته ای استفاده خواهد شد، چند برابر شد.

در اینجا می توانید سعی کنید ثابت کنید که کشف پلوتونیوم به ترس بشر اضافه نکرده است، بلکه برعکس، فقط مفید بوده است.

فرض کنید به دلایلی، یا به قول قدیم، به خواست خدا، پلوتونیوم در دسترس دانشمندان نبود. آیا ترس و ترس ما در آن صورت کاهش می یابد؟ هیچ اتفاقی نیفتاد. بمب‌های هسته‌ای از اورانیوم 235 ساخته می‌شوند (و به مقدار کم‌تر از پلوتونیوم)، و این بمب‌ها حتی بخش‌های بزرگ‌تری از بودجه را نسبت به آنچه که اکنون می‌خورند، می‌خورند.

اما بدون پلوتونیوم هیچ چشم اندازی برای استفاده صلح آمیز از انرژی هسته ای در مقیاس بزرگ وجود نخواهد داشت. برای یک "اتم صلح آمیز" اورانیوم 235 کافی وجود نخواهد داشت. شری که با کشف انرژی هسته ای بر بشر تحمیل شده است، با دستاوردهای «اتم خوب»، حتی تا حدی، متعادل نخواهد شد.

چگونه اندازه گیری کنیم، با چه چیزی مقایسه کنیم

هنگامی که یک هسته پلوتونیوم-239 توسط نوترون ها به دو قطعه با جرم تقریبا مساوی تقسیم می شود، حدود 200 مگا ولت انرژی آزاد می شود. این 50 میلیون برابر انرژی آزاد شده در معروف ترین واکنش گرمازا C + O 2 = CO 2 است. "سوزاندن" در یک راکتور هسته ای، یک گرم پلوتونیوم 2 · 10 7 کیلو کالری می دهد. برای اینکه سنت ها را نقض نکنیم (و در مقالات محبوب، انرژی سوخت هسته ای معمولاً در واحدهای غیر سیستمی - تن زغال سنگ، بنزین، تری نیتروتولوئن و غیره اندازه گیری می شود)، همچنین توجه می کنیم: این انرژی موجود در 4 تن است. زغال سنگ و در یک انگشتانه معمولی مقدار پلوتونیوم قرار می گیرد که از نظر انرژی معادل چهل کاروان هیزم خوب توس است.

همین انرژی در طی شکافت هسته های اورانیوم 235 توسط نوترون ها آزاد می شود. اما بخش عمده اورانیوم طبیعی (99.3 درصد!) ایزوتوپ 238 U است که تنها با تبدیل اورانیوم به پلوتونیوم قابل استفاده است.

انرژی سنگ

اجازه دهید منابع انرژی موجود در ذخایر طبیعی اورانیوم را ارزیابی کنیم.

اورانیوم یک عنصر پراکنده است و عملاً در همه جا وجود دارد. هر کسی که به عنوان مثال از کارلیا بازدید کرده باشد، مطمئناً تخته سنگ های گرانیتی و صخره های ساحلی را به خاطر می آورد. اما تعداد کمی از مردم می دانند که در یک تن گرانیت تا 25 گرم اورانیوم وجود دارد. گرانیت تقریبا 20 درصد وزن پوسته زمین را تشکیل می دهد. اگر فقط اورانیوم 235 را بشماریم، 3.5·10 5 کیلو کالری انرژی در یک تن گرانیت وجود دارد. زیاد است اما...

پردازش گرانیت و استخراج اورانیوم از آن به مقدار بیشتری انرژی نیاز دارد - حدود 10 6 ... 10 7 کیلو کالری در تن. حال اگر نه تنها اورانیوم 235، بلکه از اورانیوم 238 نیز به عنوان منبع انرژی امکان پذیر بود، گرانیت می توانست حداقل به عنوان یک ماده خام انرژی بالقوه در نظر گرفته شود. سپس انرژی به دست آمده از یک تن سنگ در حال حاضر از 8 · 10 7 تا 5 · 10 8 کیلو کالری خواهد بود. این معادل 16...100 تن زغال سنگ است. و در این مورد، گرانیت می تواند تقریبا یک میلیون برابر بیشتر از تمام ذخایر سوخت شیمیایی روی زمین انرژی به مردم بدهد.

اما هسته های اورانیوم 238 توسط نوترون ها شکافت نمی شوند. برای انرژی هسته ای، این ایزوتوپ بی فایده است. به عبارت دقیق تر، اگر نتوان آن را به پلوتونیوم 239 تبدیل کرد، بی فایده خواهد بود. و آنچه به ویژه مهم است: عملاً نیازی به صرف انرژی برای این تحول هسته ای نیست - برعکس، انرژی در این فرآیند تولید می شود!

بیایید سعی کنیم بفهمیم که چگونه این اتفاق می افتد، اما ابتدا چند کلمه در مورد پلوتونیوم طبیعی.

400 هزار بار کوچکتر از رادیوم

قبلاً گفته شد که ایزوتوپ های پلوتونیوم از زمان سنتز عناصر در طول شکل گیری سیاره ما حفظ نشده اند. اما این بدان معنا نیست که پلوتونیوم در زمین وجود ندارد.

همیشه در سنگ معدن اورانیوم تشکیل می شود. با گرفتن نوترون های تشعشع کیهانی و نوترون های تولید شده توسط شکافت خود به خودی هسته های اورانیوم-238، برخی - بسیار اندک - اتم های این ایزوتوپ به اتم های اورانیوم-239 تبدیل می شوند. این هسته ها بسیار ناپایدار هستند، الکترون ساطع می کنند و در نتیجه بار خود را افزایش می دهند. نپتونیم، اولین عنصر فرااورانیوم، تشکیل می شود. نپتونیوم 239 نیز بسیار ناپایدار است و هسته های آن الکترون ساطع می کنند. تنها در عرض 56 ساعت، نیمی از نپتونیوم-239 به پلوتونیوم-239 تبدیل می شود که نیمه عمر آن در حال حاضر بسیار طولانی است - 24 هزار سال.

چرا پلوتونیوم از سنگ معدن اورانیوم استخراج نمی شود؟ غلظت کوچک و خیلی کم "تولید در هر گرم کار در سال است" - این حدود رادیوم است و پلوتونیوم در سنگ معدن 400 هزار بار کمتر از رادیوم است. بنابراین، نه تنها استخراج - حتی تشخیص پلوتونیوم "زمینی" بسیار دشوار است. این تنها پس از بررسی خواص فیزیکی و شیمیایی پلوتونیوم به دست آمده در راکتورهای هسته ای انجام شد.

وقتی 2.70 >> 2.23

پلوتونیوم در راکتورهای هسته ای انباشته می شود. در شارهای نوترونی قدرتمند، واکنش مشابهی در سنگ معدن اورانیوم رخ می دهد، اما سرعت تشکیل و تجمع پلوتونیوم در راکتور بسیار بیشتر است - یک میلیارد میلیارد بار. برای واکنش تبدیل اورانیوم 238 بالاست به پلوتونیوم 239 درجه توان، شرایط بهینه (در محدوده قابل قبول) ایجاد می شود.

اگر راکتور بر روی نوترون های حرارتی کار کند (به یاد بیاورید که سرعت آنها حدود 2000 متر در ثانیه است و انرژی کسری از یک الکترون ولت است)، پس مقداری پلوتونیوم از مخلوط طبیعی ایزوتوپ های اورانیوم، کمی کمتر از مقدار آن به دست می آید. اورانیوم 235 "سوخته" نه خیلی، اما کمتر، به علاوه تلفات اجتناب ناپذیر پلوتونیوم در طول جداسازی شیمیایی آن از اورانیوم تابیده شده. علاوه بر این، یک واکنش زنجیره‌ای هسته‌ای در مخلوط طبیعی ایزوتوپ‌های اورانیوم تنها تا زمانی که بخش کوچکی از اورانیوم ۲۳۵ مصرف شود، حفظ می‌شود. از این رو نتیجه گیری منطقی است: یک راکتور "حرارتی" روی اورانیوم طبیعی - نوع اصلی راکتورهای فعال فعلی - نمی تواند بازتولید گسترده سوخت هسته ای را تضمین کند. اما پس از آن آینده چیست؟ برای پاسخ به این سوال، اجازه دهید روند یک واکنش زنجیره ای هسته ای را در اورانیوم-235 و پلوتونیوم-239 مقایسه کنیم و یک مفهوم فیزیکی دیگر را در استدلال خود معرفی کنیم.

مهمترین مشخصه هر سوخت هسته ای میانگین تعداد نوترون هایی است که پس از گرفتن یک نوترون از هسته منتشر می شود. فیزیکدانان آن را عدد eta می نامند و آن را با حرف یونانی η نشان می دهند. در راکتورهای اورانیوم "حرارتی"، الگوی زیر مشاهده می شود: هر نوترون به طور متوسط ​​2.08 نوترون تولید می کند (η = 2.08). پلوتونیومی که در چنین راکتوری تحت تأثیر نوترون های حرارتی قرار می گیرد، 03/2 = η را می دهد. اما راکتورهایی نیز وجود دارند که بر روی نوترون های سریع کار می کنند. بارگذاری مخلوط طبیعی ایزوتوپ های اورانیوم در چنین راکتوری بی فایده است: واکنش زنجیره ای شروع نمی شود. اما اگر "مواد خام" با اورانیوم 235 غنی شود، می تواند در یک راکتور "سریع" توسعه یابد. در این مورد، η در حال حاضر برابر با 2.23 خواهد بود. و پلوتونیوم که در زیر آتش با نوترون های سریع قرار می گیرد، n برابر با 2.70 می دهد. ما "یک نوترون کامل اضافی" در اختیار خواهیم داشت. و این کافی نیست.

بیایید ببینیم نوترون های دریافتی صرف چه چیزی می شود. در هر راکتوری، یک نوترون برای حفظ یک واکنش زنجیره ای هسته ای مورد نیاز است. 0.1 نوترون توسط مواد ساختاری تاسیسات جذب می شود. "مازاد" به تجمع پلوتونیوم-239 می رود. در یک مورد، "زیاد" 1.13 است، در دیگری - 1.60. پس از "سوزاندن" یک کیلوگرم پلوتونیوم در راکتور "سریع"، انرژی عظیمی آزاد می شود و 1.6 کیلوگرم پلوتونیوم انباشته می شود. و اورانیوم در یک راکتور "سریع" همان انرژی و 1.1 کیلوگرم سوخت هسته ای جدید را به همراه خواهد داشت. در هر دو مورد، تولید مثل گسترده مشهود است. اما ما نباید اقتصاد را فراموش کنیم.

به دلیل تعدادی از دلایل فنی، چرخه پرورش پلوتونیوم چندین سال طول می کشد. فرض کنید پنج سال. این بدان معناست که اگر η = 2.23 باشد، مقدار پلوتونیوم تنها 2٪ در سال افزایش می یابد و اگر η = 2.7 باشد، 12٪ افزایش می یابد! سوخت هسته ای سرمایه است و هر سرمایه ای باید مثلاً 5 درصد در سال بازده داشته باشد. در مورد اول، زیان های بزرگ وجود دارد، و در مورد دوم - سود بزرگ. این مثال ابتدایی "وزن" هر دهم عدد η در انرژی هسته ای را نشان می دهد.

مجموع بسیاری از فناوری ها

هنگامی که مقدار لازم پلوتونیوم در نتیجه واکنش های هسته ای در اورانیوم انباشته می شود، باید نه تنها از خود اورانیوم، بلکه از قطعات شکافت - هم اورانیوم و هم پلوتونیوم که در یک واکنش زنجیره ای هسته ای سوزانده می شوند، جدا شود. علاوه بر این، مقدار مشخصی نپتونیوم در توده اورانیوم پلوتونیوم وجود دارد. سخت ترین کار جداسازی پلوتونیوم از نپتونیم و عناصر خاکی کمیاب (لانتانیدها) است. پلوتونیوم به عنوان یک عنصر شیمیایی تا حدودی بدشانس است. از دیدگاه یک شیمیدان، عنصر اصلی انرژی هسته ای تنها یکی از چهارده اکتینید است. مانند عناصر خاکی کمیاب، تمام عناصر سری اکتینیم از نظر خواص شیمیایی بسیار نزدیک به یکدیگر هستند، ساختار لایه های الکترونی بیرونی اتم های همه عناصر از اکتینیم تا 103 یکسان است. حتی ناخوشایندتر است که خواص شیمیایی اکتینیدها مشابه عناصر خاکی کمیاب است و در میان قطعات شکافت اورانیوم و پلوتونیوم بیش از اندازه کافی لانتانید وجود دارد. اما از سوی دیگر، عنصر 94 می تواند در پنج حالت ظرفیت باشد، و این "قرص را شیرین می کند" - به جدا کردن پلوتونیوم از قطعات اورانیوم و شکافت کمک می کند.

ظرفیت پلوتونیوم از سه تا هفت متغیر است. ترکیبات پلوتونیوم چهار ظرفیتی از نظر شیمیایی پایدارترین (و در نتیجه رایج ترین و مطالعه شده ترین) هستند.

جداسازی اکتینیدها از نظر خواص شیمیایی نزدیک - اورانیوم، نپتونیم و پلوتونیوم - می تواند بر اساس تفاوت در خواص ترکیبات چهار ظرفیتی و شش ظرفیتی آنها باشد.

نیازی به توصیف دقیق تمام مراحل جداسازی شیمیایی پلوتونیوم و اورانیوم نیست. معمولاً جداسازی آنها با انحلال میله های اورانیوم در اسید نیتریک آغاز می شود و پس از آن عناصر اورانیوم، نپتونیم، پلوتونیوم و قطعات موجود در محلول "جدا می شوند"، با استفاده از روش های رادیوشیمیایی سنتی برای این کار - رسوب همزمان با حامل ها، استخراج، تبادل یون و دیگران محصولات نهایی حاوی پلوتونیوم این فناوری چند مرحله ای دی اکسید PuO 2 یا فلوریدها - PuF 3 یا PuF 4 هستند. آنها با بخارات باریم، کلسیم یا لیتیوم به فلز تبدیل می شوند. با این حال، پلوتونیوم به دست آمده در این فرآیندها برای نقش یک ماده ساختاری مناسب نیست - ساختن عناصر سوخت راکتورهای انرژی هسته ای از آن غیرممکن است، غیرممکن است که یک بمب اتمی را بارگیری کنید. چرا؟ نقطه ذوب پلوتونیوم - فقط 640 درجه سانتیگراد - کاملاً قابل دستیابی است.

مهم نیست که از چه شرایط "فوق العاده صرفه جویی" برای ریخته گری قطعات از پلوتونیوم خالص استفاده می شود، ترک ها همیشه در قطعات ریخته گری در طول انجماد ظاهر می شوند. در دمای 640 درجه سانتیگراد، در حال انجماد پلوتونیوم یک شبکه کریستالی مکعبی تشکیل می دهد. با کاهش دما، چگالی فلز به تدریج افزایش می یابد. اما سپس دما به 480 درجه سانتیگراد رسید و سپس ناگهان چگالی پلوتونیوم به شدت کاهش می یابد. دلایل این ناهنجاری به سرعت کشف شد: در این دما، اتم‌های پلوتونیوم در شبکه کریستالی بازآرایی می‌شوند. چهارضلعی و بسیار "شل" می شود. چنین پلوتونیومی می تواند مانند یخ روی آب در ذوب خود شناور باشد.

دما همچنان به کاهش خود ادامه می دهد، اکنون به 451 درجه سانتیگراد رسیده است و اتم ها دوباره یک شبکه مکعبی تشکیل می دهند، اما در فاصله بیشتری از یکدیگر نسبت به حالت اول قرار دارند. با سرد شدن بیشتر، شبکه ابتدا به شکل ارتورمیک و سپس مونوکلینیک می شود. در کل پلوتونیوم شش شکل کریستالی مختلف را تشکیل می دهد! دو مورد از آنها دارای یک ویژگی قابل توجه هستند - ضریب منفی انبساط حرارتی: با افزایش دما، فلز منبسط نمی شود، اما منقبض می شود.

هنگامی که دما به 122 درجه سانتی گراد می رسد و اتم های پلوتونیوم ردیف های خود را برای ششمین بار مرتب می کنند، چگالی به شدت تغییر می کند - از 17.77 به 19.82 g/cm3. بیش از 10 درصد! بر این اساس حجم شمش کاهش می یابد. اگر فلز همچنان بتواند در برابر تنش‌های ناشی از انتقال‌های دیگر مقاومت کند، در این لحظه تخریب اجتناب‌ناپذیر است.

پس چگونه می توان از این فلز شگفت انگیز قطعات ساخت؟ متالورژی ها پلوتونیوم را آلیاژ می کنند (مقدار کمی از عناصر لازم را به آن اضافه می کنند) و بدون یک ترک، قطعات ریخته گری را بدست می آورند. آنها برای ساخت بارهای پلوتونیومی برای بمب های هسته ای استفاده می شوند. وزن بار (در درجه اول با جرم بحرانی ایزوتوپ تعیین می شود) 5 ... 6 کیلوگرم. به راحتی در یک مکعب با اندازه دنده 10 سانتی متر قرار می گیرد.

ایزوتوپ های سنگین

پلوتونیوم-239 همچنین حاوی مقدار کمی ایزوتوپ های بالاتر از این عنصر است - با اعداد جرمی 240 و 241. ایزوتوپ 240 Pu عملاً بی فایده است - این بالاست در پلوتونیوم. از 241 آمریکیوم به دست می آید - عنصر شماره 95. به شکل خالص، بدون مخلوطی از ایزوتوپ های دیگر، دولوتونیوم-240 و پلوتونیوم-241 را می توان با جداسازی الکترومغناطیسی پلوتونیوم انباشته شده در یک راکتور به دست آورد. قبل از این، پلوتونیوم علاوه بر این با شارهای نوترونی با ویژگی های کاملاً مشخص تابش می شود. البته همه اینها بسیار پیچیده است، به خصوص که پلوتونیوم نه تنها رادیواکتیو است، بلکه بسیار سمی است. کار با آن نیاز به احتیاط شدید دارد.

یکی از جالب ترین ایزوتوپ های پلوتونیوم، 242 Pu را می توان با تابش 239 Pu برای مدت طولانی در شارهای نوترونی به دست آورد. 242 Pu بسیار به ندرت نوترون ها را جذب می کند و بنابراین در راکتور آهسته تر از ایزوتوپ های دیگر "سوخته می شود". حتی پس از اینکه ایزوتوپ‌های باقی‌مانده پلوتونیوم تقریباً به طور کامل به قطعات تبدیل شده یا به پلوتونیوم-242 تبدیل شده‌اند، باقی می‌ماند.

پلوتونیوم-242 به عنوان یک "ماده خام" برای تجمع نسبتاً سریع عناصر ترانس اورانیوم بالاتر در راکتورهای هسته ای مهم است. اگر پلوتونیوم-239 در یک راکتور معمولی تابش شود، حدود 20 سال طول می کشد تا مقادیر میکروگرمی پلوتونیوم از گرم، به عنوان مثال، کالیفرنیوم-251 جمع شود.

کاهش زمان تجمع ایزوتوپ های بالاتر با افزایش شدت شار نوترون در راکتور امکان پذیر است. آنها این کار را انجام می دهند، اما پس از آن تابش مقدار زیادی پلوتونیوم-239 غیرممکن است. از این گذشته، این ایزوتوپ توسط نوترون ها تقسیم می شود و انرژی زیادی در جریان های شدید آزاد می شود. مشکلات اضافی برای خنک کردن ظرف و راکتور وجود دارد. برای جلوگیری از این عوارض، مقدار پلوتونیوم تابیده شده باید کاهش یابد. در نتیجه، خروجی کالیفرنیا دوباره بد خواهد بود. دور باطل!

پلوتونیوم 242 توسط نوترون های حرارتی شکافت پذیر نیست و می توان آن را در مقادیر زیاد در شارهای شدید نوترونی تابش کرد... بنابراین، در راکتورها، همه عناصر از کالیفرنیوم تا انیشتینیوم از این ایزوتوپ "ساخته" شده و در مقادیر وزنی انباشته می شوند.

نه سنگین ترین، اما طولانی ترین عمر

هر زمان که دانشمندان موفق به دستیابی به ایزوتوپ جدیدی از پلوتونیوم می شدند، نیمه عمر هسته های آن را اندازه گیری می کردند. نیمه عمر ایزوتوپ های هسته های رادیواکتیو سنگین با اعداد جرمی به طور منظم تغییر می کند. (این را نمی توان برای ایزوتوپ های فرد گفت.)

برنج. 8.

به نمودار نگاه کنید، که وابستگی نیمه عمر ایزوتوپ های پلوتونیوم حتی به عدد جرمی را نشان می دهد. با افزایش جرم، "طول عمر" ایزوتوپ نیز افزایش می یابد. چند سال پیش پلوتونیوم-242 بالاترین نقطه در این نمودار بود. و سپس این منحنی چگونه پیش خواهد رفت - با افزایش بیشتر عدد جرمی؟ دقیقا 1 ، که مربوط به طول عمر 30 میلیون سال یا به نقطه است 2 که 300 میلیون سال مسئول بوده است؟ پاسخ به این سوال برای علوم زمین بسیار مهم بود. در مورد اول، اگر 5 میلیارد سال پیش زمین به طور کامل از 244 پلوتونیم تشکیل شده بود، اکنون تنها یک اتم پلوتونیوم 244 در کل جرم زمین باقی می ماند. اگر فرض دوم درست باشد، پلوتونیوم 244 ممکن است در غلظت‌هایی در زمین باشد که قبلاً قابل تشخیص است. اگر ما به اندازه کافی خوش شانس بودیم که این ایزوتوپ را در زمین پیدا کنیم، علم ارزشمندترین اطلاعات را در مورد فرآیندهایی که در طول شکل گیری سیاره ما رخ داده است، دریافت می کند.

چند سال پیش، دانشمندان با این سوال روبرو شدند: آیا ارزش تلاش برای یافتن پلوتونیوم سنگین در زمین را دارد؟ برای پاسخ به آن، ابتدا لازم بود نیمه عمر پلوتونیوم 244 تعیین شود. نظریه پردازان نتوانستند این مقدار را با دقت لازم محاسبه کنند. تمام امید فقط به آزمایش بود.

پلوتونیوم-244 در یک راکتور هسته ای انباشته شده است. عنصر شماره 95، آمریکیوم (ایزوتوپ 243 Am)، تحت تابش قرار گرفت. با گرفتن یک نوترون، این ایزوتوپ به americium-244 منتقل شد. americium-244 در یکی از 10 هزار مورد به پلوتونیوم-244 منتقل شد.

یک آماده سازی پلوتونیوم-244 از مخلوط آمریکیوم و کوریم جدا شد. وزن نمونه فقط چند میلیونم گرم بود. اما آنها برای تعیین نیمه عمر این جالب ترین ایزوتوپ کافی بودند. معلوم شد که معادل 75 میلیون سال است. بعدها، محققان دیگر نیمه عمر پلوتونیوم-244 را مشخص کردند، اما نه چندان - 82.8 میلیون سال. در سال 1971، آثاری از این ایزوتوپ در ماده معدنی خاکی کمیاب باستناسیت یافت شد.

دانشمندان تلاش های زیادی برای یافتن ایزوتوپی از یک عنصر ترانس اورانیوم که بیش از 244 پلوتونیم عمر می کند، انجام داده اند. اما همه تلاش ها بی نتیجه بود. زمانی امیدها به کوریم 247 بود، اما پس از انباشته شدن این ایزوتوپ در یک راکتور، معلوم شد که نیمه عمر آن تنها 14 میلیون سال است. شکستن رکورد پلوتونیوم-244 ممکن نبود - این ایزوتوپ طولانی ترین ایزوتوپ عناصر ترانس اورانیوم است.

حتی ایزوتوپ های سنگین پلوتونیوم در معرض واپاشی بتا هستند و طول عمر آنها از چند روز تا چند دهم ثانیه متغیر است. ما به یقین می دانیم که تمام ایزوتوپ های پلوتونیوم، تا 257 پلوتونیم، در انفجارهای گرما هسته ای تشکیل می شوند. اما طول عمر آنها یک دهم ثانیه است و بسیاری از ایزوتوپ های کوتاه مدت پلوتونیوم هنوز مورد مطالعه قرار نگرفته اند.

احتمالات اولین ایزوتوپ

و در نهایت - در مورد پلوتونیوم-238 - اولین ایزوتوپ "ساخت بشر" پلوتونیوم، ایزوتوپی که در ابتدا امیدبخش به نظر می رسید. این در واقع یک ایزوتوپ بسیار جالب است. در معرض فروپاشی آلفا است، یعنی. هسته های آن به طور خود به خود ذرات آلفا را منتشر می کنند - هسته های هلیوم. ذرات آلفا تولید شده توسط هسته پلوتونیوم 238 دارای انرژی زیادی هستند. این انرژی که در ماده پراکنده می شود به گرما تبدیل می شود. این انرژی چقدر است؟ با تجزیه یک هسته اتمی پلوتونیوم 238، شش میلیون الکترون ولت آزاد می شود. در یک واکنش شیمیایی، با اکسید شدن چندین میلیون اتم، همان انرژی آزاد می شود. یک منبع الکتریسیته حاوی یک کیلوگرم پلوتونیوم-238 توان حرارتی 560 وات را تولید می کند. حداکثر توان یک منبع جریان شیمیایی با همان جرم 5 وات است.

ساطع کننده های زیادی با ویژگی های انرژی مشابه وجود دارد، اما یکی از ویژگی های پلوتونیوم-238 این ایزوتوپ را ضروری می کند. به طور معمول، واپاشی آلفا با تشعشعات گامای قوی همراه است که از ضخامت های بزرگ ماده نفوذ می کند. 238 Pu یک استثنا است. انرژی کوانتاهای گاما همراه با فروپاشی هسته‌های آن کم است و دفاع در برابر آن دشوار نیست: تشعشع توسط یک ظرف جدار نازک جذب می‌شود. احتمال شکافت هسته ای خود به خودی این ایزوتوپ نیز کم است. بنابراین، نه تنها در منابع فعلی، بلکه در پزشکی نیز کاربرد پیدا کرده است. باتری‌های دارای پلوتونیوم 238 به عنوان منبع انرژی در محرک‌های قلبی خاص عمل می‌کنند.

اما 238 Pu سبک ترین ایزوتوپ شناخته شده عنصر شماره 94 نیست، ایزوتوپ های پلوتونیوم با اعداد جرمی از 232 تا 237 به دست آمده اند. نیمه عمر سبک ترین ایزوتوپ 36 دقیقه است.

پلوتونیوم یک موضوع بزرگ است. در اینجا مهمترین مورد از مهمترین آنها آورده شده است. از این گذشته، قبلاً به یک عبارت استاندارد تبدیل شده است که شیمی پلوتونیوم بسیار بهتر از شیمی عناصر "قدیمی" مانند آهن مورد مطالعه قرار گرفته است. کتاب های کاملی در مورد خواص هسته ای پلوتونیوم نوشته شده است. متالورژی پلوتونیوم یکی دیگر از بخش های شگفت انگیز دانش بشر است... بنابراین، نباید فکر کنید که پس از خواندن این داستان، واقعاً با پلوتونیوم، مهم ترین فلز قرن بیستم آشنا شدید.