Ինչպես է արդյունահանվում պլուտոնիումը: Զենքի պլուտոնիում. կիրառում, արտադրություն, հեռացում

Զենքի դասի պլուտոնիումպլուտոնիում է կոմպակտ մետաղի տեսքով, որը պարունակում է 239Pu իզոտոպի առնվազն 93,5%-ը։ Նախատեսված է միջուկային զենք ստեղծելու համար։

1. Անունը և առանձնահատկությունները

«Զենք» են անվանում՝ «ռեակտորից» տարբերելու համար։ Պլուտոնիումը ձևավորվում է ցանկացած միջուկային ռեակտորում, որն աշխատում է բնական կամ ցածր հարստացված ուրանի վրա, որը պարունակում է հիմնականում 238U իզոտոպ, երբ այն գրավում է ավելցուկային նեյտրոններ։ Բայց քանի որ ռեակտորը աշխատում է, զենքի դասի պլուտոնիումի իզոտոպը արագորեն այրվում է, ինչի արդյունքում ռեակտորում կուտակվում են մեծ թվով 240Pu, 241Pu և 242Pu իզոտոպներ, որոնք ձևավորվում են մի քանի նեյտրոնների հաջորդական գրավման ժամանակ՝ այրվելուց հետո։ խորությունը սովորաբար որոշվում է տնտեսական գործոններով: Որքան ցածր լինի այրման խորությունը, այնքան քիչ իզոտոպներ 240Pu, 241Pu և 242Pu կպարունակվեն ճառագայթված միջուկային վառելիքից անջատված պլուտոնիումում, սակայն վառելիքում այնքան քիչ պլուտոնիում է գոյանում:

Գրեթե բացառապես 239Pu պարունակող զենքերի համար պլուտոնիումի հատուկ արտադրություն է պահանջվում, հիմնականում այն ​​պատճառով, որ 240 և 242 զանգվածային թվերով իզոտոպները ստեղծում են բարձր նեյտրոնային ֆոն, որը դժվարացնում է արդյունավետ միջուկային զենքի նախագծումը, բացի այդ, 240Pu-ն և 241Pu-ն ունեն զգալիորեն ավելի կարճ կիսամյակ: քան 239Pu, որի պատճառով պլուտոնիումի մասերը տաքանում են, և անհրաժեշտ է միջուկային զենքի նախագծման մեջ լրացուցիչ ներմուծել ջերմատախտակի տարրեր: Նույնիսկ մաքուր 239Pu-ն ավելի տաք է, քան մարդու մարմինը: Բացի այդ, ծանր իզոտոպների քայքայման արտադրանքը վնասում է մետաղի բյուրեղային ցանցը, ինչը կարող է հանգեցնել պլուտոնիումի մասերի ձևի փոփոխության, ինչը հղի է միջուկային պայթուցիկ սարքի խափանումով:

Սկզբունքորեն, այս բոլոր դժվարությունները կարելի է հաղթահարել, և «ռեակտորային» պլուտոնիումից միջուկային պայթուցիկ սարքերը հաջողությամբ փորձարկվել են, սակայն զինամթերքի մեջ, որտեղ կոմպակտությունը, թեթև քաշը, հուսալիությունը և ամրությունը կարևոր դեր են խաղում, միայն հատուկ արտադրված զենքի համար նախատեսված պլուտոնիում։ է օգտագործվում. Մետաղական 240Pu-ի և 242Pu-ի կրիտիկական զանգվածը շատ բարձր է, 241Pu-ն փոքր-ինչ ավելի մեծ է, քան 239Pu-ն:

2. Արտադրություն

ԽՍՀՄ-ում զենքի համար նախատեսված պլուտոնիումի արտադրությունն իրականացվել է նախ Օզերսկի «Մայակ» գործարանում (նախկինում՝ Չելյաբինսկ-40, Չելյաբինսկ-65), այնուհետև՝ Սևերսկի Սիբիրյան քիմիական գործարանում (նախկինում՝ Տոմսկ-7), ավելի ուշ՝ Կրասնոյարսկում։ Գործարկվել է հանքարդյունաբերություն՝ Ժելեզնոգորսկի քիմիական գործարանը (հայտնի է նաև որպես Սոցգորոդ և Կրասնոյարսկ-26)։ Ռուսաստանում զենքի համար նախատեսված պլուտոնիումի արտադրությունը դադարեցվել է 1994 թվականին։ 1999-ին Օզյորսկի և Սեվերսկի ռեակտորները փակվեցին, 2010-ին Ժելեզնոգորսկի վերջին ռեակտորը փակվեց։

Միացյալ Նահանգներում զենքի համար նախատեսված պլուտոնիում էին արտադրվում մի քանի վայրերում, օրինակ՝ Վաշինգտոն նահանգի Հենֆորդ համալիրում: Արտադրությունը փակվել է 1988 թվականին։

3. Նոր տարրերի սինթեզ

Որոշ ատոմների փոխակերպումը մյուսների տեղի է ունենում ատոմային կամ ենթաատոմային մասնիկների փոխազդեցության ժամանակ։ Դրանցից միայն նեյտրոնները հասանելի են մեծ քանակությամբ: Գիգավատտ միջուկային ռեակտորը տարվա ընթացքում արտադրում է մոտ 3,75 կգ (կամ 4 * 1030) նեյտրոն։

4.Պլուտոնիումի արտադրություն

Պլուտոնիումի ատոմները ձևավորվում են ատոմային ռեակցիաների շղթայի արդյունքում՝ սկսած ուրանի 238 ատոմի կողմից նեյտրոնի գրավումից.

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

կամ, ավելի ճիշտ.

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

Շարունակվող ճառագայթման դեպքում պլուտոնիում-239 որոշ ատոմներ կարող են իրենց հերթին գրավել նեյտրոնը և վերածվել ավելի ծանր իզոտոպի՝ պլուտոնիում-240:

Pu239 + n -> Pu240

Բավարար քանակությամբ պլուտոնիում ստանալու համար անհրաժեշտ են ամենաուժեղ նեյտրոնային հոսքերը։ Սրանք պարզապես ստեղծվում են միջուկային ռեակտորներում։ Սկզբունքորեն, ցանկացած ռեակտոր նեյտրոնների աղբյուր է, բայց պլուտոնիումի արդյունաբերական արտադրության համար բնական է օգտագործել հատուկ դրա համար նախատեսված ռեակտորը:

Պլուտոնիումի արտադրության աշխարհում առաջին կոմերցիոն ռեակտորը Հենֆորդի B-ռեակտորն է: Վաստակել է 1944 թվականի սեպտեմբերի 26, հզորությունը՝ 250 ՄՎտ, արտադրողականությունը՝ ամսական 6 կգ պլուտոնիում։ Այն պարունակում էր մոտ 200 տոննա մետաղ ուրան, 1200 տոննա գրաֆիտ և սառեցվում էր ջրով րոպեում 5 խմ արագությամբ։

Հենֆորդի ռեակտորի բեռնման վահանակը ուրանի փամփուշտներով.

Նրա աշխատանքի սխեման. Ուրանի 238 ճառագայթման ռեակտորում ուրանի 235 միջուկների տրոհման անշարժ շղթայական ռեակցիայի արդյունքում առաջանում են նեյտրոններ։ U-235-ի տրոհումից միջինում 2,5 նեյտրոն է արտադրվում։ Ռեակցիան պահպանելու և միաժամանակ պլուտոնիում արտադրելու համար անհրաժեշտ է, որ միջինում մեկ կամ երկու նեյտրոն կլանվի U-238-ի կողմից, և մեկը կառաջացնի հաջորդ U-235 ատոմի տրոհումը։

Ուրանի տրոհման ժամանակ առաջացած նեյտրոնները շատ մեծ արագություններ ունեն։ Ուրանի ատոմները դասավորված են այնպես, որ արագ նեյտրոնների գրավումը ինչպես U-238, այնպես էլ U-235 միջուկների կողմից քիչ հավանական է: Հետևաբար, արագ նեյտրոնները, մի քանի բախումներ ունենալով շրջակա ատոմների հետ, աստիճանաբար դանդաղում են: Միևնույն ժամանակ, U-238 միջուկները այնքան ուժեղ են կլանում նման նեյտրոնները (միջանկյալ արագություններով), որ ոչինչ չի մնում U-235-ի տրոհումից և պահպանում է շղթայական ռեակցիան (U-235-ը բաժանվում է դանդաղ ջերմային նեյտրոններից)։

Մոդերատորը պայքարում է դրա դեմ՝ բլոկները շրջապատելով ուրանով ինչ-որ թեթև նյութով։ Նրանում նեյտրոնները դանդաղում են առանց կլանման՝ ենթարկվելով առաձգական բախումների, որոնցից յուրաքանչյուրում կորչում է էներգիայի մի փոքր մասը։ Լավ մոդերատորներն են ջուրը, ածխածինը: Այսպիսով, նեյտրոնները, որոնք դանդաղում են մինչև ջերմային արագություն, անցնում են ռեակտորով, մինչև նրանք առաջացնեն U-235-ի տրոհումը (U-238-ը դրանք կլանում է շատ թույլ): Մոդերատորի և ուրանի ձողերի որոշակի կոնֆիգուրացիայով պայմաններ կստեղծվեն նեյտրոնների և U-238 և U-235 կլանման համար։

Ստացված պլուտոնիումի իզոտոպային բաղադրությունը կախված է ռեակտորում ուրանի ձողերի տեւողությունից։ Pu-240-ի զգալի կուտակում տեղի է ունենում ուրանի կասետի երկարաժամկետ ճառագայթման արդյունքում։ Ռեակտորում ուրանի կարճ մնալու դեպքում Pu-239-ը ստացվում է Pu-240-ի աննշան պարունակությամբ։

Pu-240-ը վնասակար է զենքի արտադրության համար հետևյալ պատճառներով.

1. Այն ավելի քիչ տրոհվող է, քան Pu-239-ը, ուստի զենք պատրաստելու համար անհրաժեշտ է մի փոքր ավելի շատ պլուտոնիում:

2. Երկրորդ՝ շատ ավելի կարեւոր պատճառը. Pu-240-ում ինքնաբուխ տրոհման մակարդակը շատ ավելի բարձր է, ինչը ստեղծում է ուժեղ նեյտրոնային ֆոն։

Ատոմային զենքի ստեղծման շատ վաղ տարիներին նեյտրոնների արտանետումը (ուժեղ նեյտրոնային ֆոն) խնդիր էր հուսալի և արդյունավետ լիցքավորման ճանապարհին վաղաժամ պայթյունի պատճառով: Ուժեղ նեյտրոնային հոսքերը դժվարացրին կամ անհնարին դարձրին ռումբի միջուկը, որը պարունակում է մի քանի կիլոգրամ պլուտոնիում, գերկրիտիկական վիճակի մեջ. մինչ այդ այն ոչնչացվել էր ամենաուժեղ, բայց դեռևս ոչ առավելագույն հնարավոր էներգիայի ելքով: Խառը միջուկների հայտնվելը, որը պարունակում էր բարձր հարստացված U-235 և պլուտոնիում (1940-ականների վերջին) հաղթահարեց այս դժվարությունը, երբ հնարավոր դարձավ համեմատաբար փոքր քանակությամբ պլուտոնիում օգտագործել հիմնականում ուրանի միջուկներում: Հաջորդ սերնդի լիցքավորումները՝ միաձուլման ուժեղացված սարքերը (1950-ականների կեսերին), ամբողջությամբ վերացրեցին այս դժվարությունը՝ երաշխավորելով էներգիայի բարձր արտանետում՝ նույնիսկ ցածր էներգիայի նախնական տրոհման լիցքերով։

Հատուկ ռեակտորներում արտադրված պլուտոնիումը պարունակում է համեմատաբար փոքր տոկոս Pu-240 (<7%), плутоний "оружейного качества"; в реакторах АЭС отработанное ядерное топливо имеет концентрацию Pu-240 более 20%, плутоний "реакторного качества".

Հատուկ նշանակության ռեակտորներում ուրանը գտնվում է համեմատաբար կարճ ժամանակահատվածում, որի ընթացքում ոչ բոլոր U-235-ներն են այրվում, և ոչ բոլոր U-238-ներն են անցնում պլուտոնիումի մեջ, այլև ձևավորվում է ավելի փոքր քանակությամբ Pu-240:

Ցածր Pu-240 պարունակությամբ պլուտոնիումի արտադրության երկու պատճառ կա.

Տնտեսական՝ պլուտոնիումային հատուկ ռեակտորների գոյության միակ պատճառը։ Պլուտոնիումը տրոհման միջոցով կամ վերածելով այն ավելի քիչ տրոհվող Pu-240-ի, նվազեցնում է եկամտաբերությունը և մեծացնում արտադրության արժեքը (մինչև այն կետը, երբ դրա գինը կհամակշռվի պլուտոնիումի փոքր կոնցենտրացիայով ճառագայթված վառելիքի վերամշակման արժեքի հետ):

Բեռնաթափման դժվարություն. Թեև նեյտրոնների արտանետումն այնքան էլ մեծ խնդիր չէ զենքի նախագծողների համար, այն կարող է դժվարություններ ստեղծել նման լիցքի արտադրության և հետ աշխատելու համար: Նեյտրոնները լրացուցիչ ներդրում են ունենում զենք հավաքող կամ պահպանող մարդկանց աշխատանքային բացահայտման գործում (նեյտրոններն իրենք իոնացնող ազդեցություն չունեն, բայց նրանք ստեղծում են պրոտոններ, որոնք կարող են դա անել): Իրականում, մարդկանց անմիջական շփման լիցքերը, ինչպիսին է Davy Crocket-ը, կարող է պահանջել ծայրահեղ մաքուր պլուտոնիում ցածր նեյտրոնային արտանետումներով:

Պլուտոնիումի ուղղակի ձուլումը և մշակումը կատարվում է ձեռքով կնքված խցերում՝ օպերատորի համար ձեռնոցներով: Սրանց նման:

Սա ենթադրում է մարդու շատ քիչ պաշտպանություն նեյտրոններ արտանետող պլուտոնիումից: Հետևաբար, Pu-240-ի բարձր պարունակությամբ պլուտոնիումը մշակվում է միայն մանիպուլյատորների կողմից, կամ յուրաքանչյուր աշխատողի համար դրա հետ աշխատանքի ժամանակը խիստ սահմանափակ է։

Այս բոլոր պատճառներով (ռադիոակտիվություն, Pu-240-ի ամենավատ հատկությունները) բացատրվում է, թե ինչու ռեակտորային կարգի պլուտոնիումը չի օգտագործվում զենք պատրաստելու համար. ավելի էժան է հատուկ զենքի համար նախատեսված պլուտոնիում արտադրելը: ռեակտորներ։ Թեեւ, ըստ երեւույթին, հնարավոր է նաեւ միջուկային պայթուցիկ սարք պատրաստել ռեակտորից։

պլուտոնիումի օղակ

Այս օղակը պատրաստված է էլեկտրոլիտիկորեն մաքրված պլուտոնիումի մետաղից (ավելի քան 99,96% մաքուր): Բնորոշ է այն օղակների համար, որոնք պատրաստվում են Լոս Ալամոսում և ուղարկվում են Rocky Flets՝ զենք պատրաստելու համար, մինչև արտադրության վերջին դադարեցումը: Օղակի զանգվածը 5,3 կգ է, որը բավարար է ժամանակակից ռազմավարական լիցք պատրաստելու համար, տրամագիծը մոտավորապես 11 սմ է, օղակի ձևը կարևոր է կրիտիկական անվտանգության ապահովման համար:

Պլուտոնիումի գալիումի համաձուլվածքի ձուլումը վերականգնվել է զենքի միջուկից.

Պլուտոնիումը Մանհեթենի նախագծի ժամանակ

Պատմականորեն, առաջին 520 միլիգրամ պլուտոնիումի մետաղը արտադրվել է Թեդ Մագելի և Նիք Դալլասի կողմից Լոս Ալամոսում 1944 թվականի մարտի 23-ին.

Սեղմեք պլուտոնիում-գալիում համաձուլվածքի տաք սեղմման համար կիսագնդերի տեսքով։ Այս մամուլը օգտագործվել է Լոս Ալամոսում՝ Նագասակիի և Գործողության Երրորդություն լիցքերի համար պլուտոնիումի միջուկներ պատրաստելու համար:

Դրա վրա ձուլված ապրանքներ.

Պլուտոնիումի լրացուցիչ ենթամթերքներ

Նեյտրոնի գրավումը, որը չի ուղեկցվում տրոհմամբ, ստեղծում է պլուտոնիումի նոր իզոտոպներ՝ Pu-240, Pu-241 և Pu-242: Վերջին երկուսը կուտակվում են աննշան քանակությամբ։

Pu239 + n -> Pu240

Pu240 + n -> Pu241

Pu241 + n -> Pu242

Հնարավոր է նաև ռեակցիաների կողմնակի շղթա.

U238 + n -> U237 + 2n

U237 -> (6.75 օր, բետա քայքայում) -> Np237

Np237 + n -> Np238

Np238 -> (2.1 օր, բետա քայքայում) -> Pu238

Վառելիքի բջիջի ազդեցության (սպառման) ընդհանուր չափը կարող է արտահայտվել մեգավատ-օր/տոննա (ՄՎտ-օր/տ): զենքի դասի պլուտոնիումորակը ստացվում է ՄՎտ-օր/տ փոքր քանակությամբ տարրերից, այն արտադրում է ավելի քիչ կողմնակի իզոտոպներ։ Վառելիքի բջիջները ժամանակակից ճնշման ջրի ռեակտորներում հասնում են 33000 ՄՎտ/տ մակարդակի: Զենք բուծող ռեակտորում տիպիկ ազդեցությունը 1000 ՄՎտ/տ է: Հենֆորդի գրաֆիտի չափավոր ռեակտորներում պլուտոնիումը ճառագայթվում է մինչև 600 ՄՎտ/տ, Սավաննայի ծանր ջրի ռեակտորը արտադրում է նույն որակի պլուտոնիում 1000 ՄՎտ/տ արագությամբ (հավանաբար որոշ նեյտրոնների պատճառով, որոնք պատրաստվում են տրիտիում ձևավորել): Մանհեթենի ծրագրի ընթացքում բնական ուրանի վառելիքը ստացել է ընդամենը 100 ՄՎտ/տ օր, այդպիսով արտադրվել է շատ բարձրորակ պլուտոնիում-239 (ընդամենը 0,9-1% Pu-240, այլ իզոտոպներ՝ նույնիսկ ավելի փոքր քանակությամբ):

Նմանատիպ տեղեկատվություն.

Պլուտոնիումը հայտնաբերվել է 1940 թվականի վերջին Կալիֆորնիայի համալսարանում։ Այն սինթեզվել է ՄակՄիլանի, Քենեդու և Ուոլի կողմից՝ ռմբակոծելով ուրանի օքսիդը (U 3 O 8) դեյտերիումի միջուկներով (դեյտրոններ), որոնք ուժեղ արագացված են ցիկլոտրոնում։ Հետագայում պարզվեց, որ այս միջուկային ռեակցիան սկզբում արտադրում է կարճատև իզոտոպ նեպտունիում-238, իսկ դրանից արդեն պլուտոնիում-238՝ մոտ 50 տարի կիսամյակ: Մեկ տարի անց Քենեդին, Սիբորգը, Սեգրեն և Ուոլը սինթեզեցին ավելի կարևոր իզոտոպը՝ պլուտոնիում-239, ցիկլոտրոնում ուրանը ճառագայթելով բարձր արագացված նեյտրոններով։ Պլուտոնիում-239-ը ձևավորվում է նեպտունիում-239-ի քայքայման արդյունքում; այն արձակում է ալֆա ճառագայթներ և ունի 24000 տարի կիսամյակ: Մաքուր պլուտոնիումային միացություն առաջին անգամ ստացվել է 1942 թվականին։ Այնուհետև հայտնի դարձավ, որ բնական պլուտոնիում կա ուրանի հանքաքարերում, մասնավորապես՝ Կոնգոյի հանքավայրերում։

Տարրի անվանումը առաջարկվել է 1948 թվականին. ՄակՄիլանը առաջին տրանսուրանիկ տարրը անվանել է նեպտունիում, քանի որ Նեպտուն մոլորակն առաջինն է Ուրանից այն կողմ: Ըստ անալոգիայի՝ նրանք որոշեցին 94 տարրը անվանել պլուտոնիում, քանի որ Պլուտոն մոլորակը երկրորդ մոլորակն է Ուրանից հետո։ 1930 թվականին հայտնաբերված Պլուտոնն իր անունը ստացել է հունական դիցաբանության անդրաշխարհի տիրակալ Պլուտոն աստծո անունից։ XIX դարի սկզբին։ Քլարկն առաջարկել է տարրը անվանել բարիում պլուտոնիում, այս անվանումն ուղղակիորեն բխելով Պլուտոն աստծո անունից, սակայն նրա առաջարկը չի ընդունվել։

Այս մետաղը կոչվում է թանկարժեք, բայց ոչ թե իր գեղեցկության, այլ անփոխարինելիության համար: Մենդելեևի պարբերական համակարգում այս տարրը զբաղեցնում է 94-րդ բջիջը: Հենց նրա հետ են գիտնականները կապում իրենց ամենամեծ հույսերը, և դա պլուտոնիումն է, որը նրանք անվանում են մարդկության համար ամենավտանգավոր մետաղը:

Պլուտոնիում. նկարագրություն

Արտաքինով այն արծաթափայլ սպիտակ մետաղ է։ Այն ռադիոակտիվ է և կարող է ներկայացվել որպես 15 իզոտոպներ, որոնք ունեն տարբեր կիսամյակներ, օրինակ.

• Pu-238 - մոտ 90 տարեկան
• Pu-239 - մոտ 24 հազար տարի
• Pu-240 - 6580 տ
• Pu-241 - 14 տ
• Pu-242 - 370 հզ
• Pu-244 - մոտ 80 միլիոն տարի

Այս մետաղը չի կարող արդյունահանվել հանքաքարից, քանի որ այն ուրանի ռադիոակտիվ փոխակերպման արդյունք է:

Ինչպե՞ս է ստացվում պլուտոնիումը:

Պլուտոնիումի արտադրությունը պահանջում է ուրանի տրոհում, որը կարող է իրականացվել միայն միջուկային ռեակտորներում։ Եթե ​​խոսենք երկրակեղևում Pu տարրի առկայության մասին, ապա 4 միլիոն տոննա ուրանի հանքաքարի համար կլինի ընդամենը 1 գրամ մաքուր պլուտոնիում։ Եվ այս գրամը գոյանում է ուրանի միջուկների կողմից նեյտրոնների բնական բռնագրավմամբ։ Այսպիսով, այս միջուկային վառելիքը (սովորաբար 239-Pu իզոտոպը) մի քանի կիլոգրամի չափով ստանալու համար անհրաժեշտ է միջուկային ռեակտորում բարդ տեխնոլոգիական գործընթաց իրականացնել։

պլուտոնիումի հատկությունները

Ռադիոակտիվ մետաղական պլուտոնիումն ունի հետևյալ ֆիզիկական հատկությունները.

• խտությունը 19,8 գ / սմ 3
• հալման կետ – 641°C
• եռման կետ – 3232°C
• ջերմային հաղորդունակություն (300 Կ-ում) – 6,74 Վտ/(մ Կ)

Պլուտոնիումը ռադիոակտիվ է և, հետևաբար, շոշափելիս տաք է: Միևնույն ժամանակ, այս մետաղը բնութագրվում է ամենացածր ջերմային և էլեկտրական հաղորդունակությամբ: Հեղուկ պլուտոնիումը գոյություն ունեցող բոլոր մետաղներից առավել մածուցիկն է:

Պլուտոնիումի ջերմաստիճանի ամենափոքր փոփոխությունը հանգեցնում է նյութի խտության ակնթարթային փոփոխության։ Ընդհանուր առմամբ, պլուտոնիումի զանգվածը անընդհատ փոխվում է, քանի որ այս մետաղի միջուկները մշտական ​​տրոհման վիճակում են՝ ավելի փոքր միջուկների և նեյտրոնների: Պլուտոնիումի կրիտիկական զանգվածը տրոհվող նյութի նվազագույն զանգվածի անվանումն է, որի դեպքում տրոհումը (միջուկային շղթայական ռեակցիան) հնարավոր է մնում։ Օրինակ՝ զենքի համար նախատեսված պլուտոնիումի կրիտիկական զանգվածը 11 կգ է (համեմատության համար նշենք, որ բարձր հարստացված ուրանի կրիտիկական զանգվածը 52 կգ է)։

Ուրանը և պլուտոնիումը հիմնական միջուկային վառելիքն են։ Մեծ քանակությամբ պլուտոնիում ստանալու համար օգտագործվում են երկու տեխնոլոգիա.

• ուրանի ճառագայթում
• օգտագործված վառելիքից ստացված տրանսուրանի տարրերի ճառագայթում

Երկու մեթոդներն էլ պլուտոնիումի և ուրանի տարանջատումն է քիմիական ռեակցիայի արդյունքում։

Մաքուր պլուտոնիում-238 ստանալու համար օգտագործվում է նեպտունիում-237-ի նեյտրոնային ճառագայթում։ Նույն իզոտոպը մասնակցում է զենքի դասի պլուտոնիում-239-ի ստեղծմանը, մասնավորապես, այն միջանկյալ քայքայման արտադրանք է։ 1 միլիոն դոլարը 1 կգ պլուտոնիում-238-ի գինն է։

Մարդկությունը միշտ եղել է էներգիայի նոր աղբյուրների որոնման մեջ, որոնք կարող են լուծել բազմաթիվ խնդիրներ։ Այնուամենայնիվ, նրանք միշտ չէ, որ ապահով են: Այսպիսով, մասնավորապես, թեև դրանք այսօր լայնորեն կիրառվում են, թեև ունակ են արտադրել պարզապես հսկայական քանակությամբ էլեկտրական էներգիա, որն անհրաժեշտ է բոլորին, այնուամենայնիվ, դրանք մահացու վտանգ են պարունակում: Բայց, բացի խաղաղ նպատակներից, մեր մոլորակի որոշ երկրներ սովորել են այն օգտագործել ռազմական ոլորտում, հատկապես միջուկային մարտագլխիկներ ստեղծելու համար։ Այս հոդվածում կքննարկվի նման ավերիչ զենքի հիմքը, որի անունն է զենքի դասի պլուտոնիում։

Համառոտ տեղեկատվություն

Մետաղի այս կոմպակտ ձևը պարունակում է 239Pu իզոտոպի առնվազն 93,5%-ը: Զենքի դասի պլուտոնիումն այդպես է կոչվել՝ այն իր «ռեակտոր եղբորից» տարբերելու համար։ Սկզբունքորեն, պլուտոնիումը միշտ ձևավորվում է բացարձակապես ցանկացած միջուկային ռեակտորում, որն, իր հերթին, աշխատում է ցածր հարստացված կամ բնական ուրանի վրա, որը մեծ մասամբ պարունակում է 238U իզոտոպ:

Կիրառում ռազմական արդյունաբերության մեջ

Զենքի դասի պլուտոնիում 239Pu-ն միջուկային զենքի հիմքն է: Միևնույն ժամանակ, 240 և 242 զանգվածային թվերով իզոտոպների օգտագործումն անտեղի է, քանի որ դրանք ստեղծում են նեյտրոնների շատ բարձր ֆոն, ինչը, ի վերջո, դժվարացնում է բարձր արդյունավետ միջուկային զինամթերքի ստեղծումն ու նախագծումը: Բացի այդ, պլուտոնիումի 240Pu և 241Pu իզոտոպներն ունեն շատ ավելի կարճ կիսամյակ, քան 239Pu-ն, ուստի պլուտոնիումի մասերը շատ տաքանում են: Հենց դրա հետ է կապված, որ ինժեներները ստիպված են հավելյալ տարրեր ավելացնել միջուկային զենքին՝ ավելորդ ջերմությունը հեռացնելու համար։ Ի դեպ, մաքուր 239Pu-ն ավելի տաք է, քան մարդու օրգանիզմը։ Անհնար է նաև հաշվի չառնել այն փաստը, որ ծանր իզոտոպների քայքայման արգասիքները մետաղական բյուրեղային ցանցը ենթարկում են վնասակար փոփոխությունների, և դա միանգամայն բնականաբար փոխում է պլուտոնիումային մասերի կոնֆիգուրացիան, ինչը, ի վերջո, կարող է առաջացնել ամբողջական ձախողում։ միջուկային պայթուցիկ սարք։

Մեծ հաշվով այս բոլոր դժվարությունները հաղթահարելի են։ Իսկ գործնականում այն ​​բազմիցս փորձարկվել է հենց «ռեակտորային» պլուտոնիումի հիման վրա։ Բայց պետք է հասկանալ, որ միջուկային զինամթերքում դրանց կոմպակտությունը, ցածր սեփական քաշը, ամրությունը և հուսալիությունը հեռու են վերջին դիրքից։ Այս առումով նրանք օգտագործում են բացառապես զենքի համար նախատեսված պլուտոնիում։

Արտադրական ռեակտորների նախագծման առանձնահատկությունները

Ռուսաստանում գրեթե ամբողջ պլուտոնիումը արտադրվել է գրաֆիտային մոդերատորով հագեցած ռեակտորներում։ Ռեակտորներից յուրաքանչյուրը կառուցված է գրաֆիտի գլանաձեւ հավաքված բլոկների շուրջ:

Երբ հավաքվում են, գրաֆիտի բլոկները իրենց միջև ունեն հատուկ անցքեր, որոնք ապահովում են հովացուցիչ նյութի շարունակական շրջանառությունը, որն օգտագործվում է որպես ազոտ: Հավաքված կառուցվածքում կան նաև ուղղահայաց տեղակայված ալիքներ, որոնք ստեղծված են դրանց միջով ջրի հովացման և վառելիքի անցման համար։ Հավաքածուն ինքնին կոշտորեն հենված է մի կառույցի կողմից, որն ունի անցքեր ալիքների տակ, որոնք օգտագործվում են արդեն ճառագայթված վառելիքը առաքելու համար: Բացի այդ, ալիքներից յուրաքանչյուրը գտնվում է բարակ պատերով խողովակի մեջ, որը ձուլված է թեթև և չափազանց ամուր ալյումինե խառնուրդից: Նկարագրված ալիքների մեծ մասը ունեն 70 վառելիքի ձողեր: Սառեցման ջուրը հոսում է անմիջապես վառելիքի ձողերի շուրջ՝ հեռացնելով դրանցից ավելորդ ջերմությունը:

Արտադրական ռեակտորների հզորության բարձրացում

Սկզբում առաջին «Մայակ» ռեակտորը գործել է 100 ՄՎտ ջերմային հզորությամբ։ Այնուամենայնիվ, խորհրդային միջուկային զենքի ծրագրի գլխավոր մենեջերն առաջարկեց, որ ռեակտորը պետք է աշխատի 170-190 ՄՎտ հզորությամբ ձմռանը, իսկ 140-150 ՄՎտ ամռանը: Այս մոտեցումը թույլ տվեց ռեակտորին օրական արտադրել մոտ 140 գրամ թանկարժեք պլուտոնիում:

1952 թվականին իրականացվել են լիարժեք հետազոտական ​​աշխատանքներ՝ գործող ռեակտորների արտադրական հզորությունը մեծացնելու համար հետևյալ մեթոդներով.

• Սառեցման համար օգտագործվող ջրի հոսքի ավելացումով և միջուկային կայանքի ակտիվ գոտիներով հոսելով:
• Բարձրացնելով դիմադրությունը կոռոզիայի երևույթի նկատմամբ, որը տեղի է ունենում ալիքների երեսպատման մոտ:
• Գրաֆիտի օքսիդացման արագության նվազում:
• Վառելիքի բջիջների ներսում ջերմաստիճանի բարձրացում:

Արդյունքում, շրջանառվող ջրի թողունակությունը զգալիորեն ավելացավ այն բանից հետո, երբ մեծացվեց վառելիքի և ջրանցքի պատերի միջև եղած բացը: Մեզ հաջողվեց ազատվել նաև կոռոզիայից։ Դա անելու համար մենք ընտրեցինք ամենահարմար ալյումինե համաձուլվածքները և սկսեցինք ակտիվորեն ավելացնել նատրիումի բիքրոմատը, որն ի վերջո բարձրացրեց հովացման ջրի փափկությունը (pH-ը դարձավ մոտ 6.0-6.2): Գրաֆիտի օքսիդացումը դադարեց հրատապ խնդիր լինել այն բանից հետո, երբ ազոտը սկսեց օգտագործել այն սառեցնելու համար (մինչ այդ օգտագործվում էր միայն օդը)։

1950-ականների վերջին նորամուծությունները լիովին կիրառվեցին՝ նվազեցնելով ճառագայթման հետևանքով առաջացած ուրանի չափազանց անհարկի փուչիկը, զգալիորեն նվազեցնելով ուրանի ձողերի ջերմային կարծրացումը, բարելավելով երեսպատման դիմադրությունը և բարելավելով արտադրության որակի վերահսկումը:

Արտադրությունը Մայակում

«Չելյաբինսկ-65»-ը այն շատ գաղտնի գործարաններից է, որտեղ ստեղծվել է զենքի համար նախատեսված պլուտոնիում։ Ձեռնարկությունն ուներ մի քանի ռեակտորներ, որոնցից յուրաքանչյուրին ավելի լավ կծանոթանանք։

Ռեակտոր Ա

Տեղադրումը նախագծվել և կառուցվել է լեգենդար Ն. Ա. Դոլլեժալի ղեկավարությամբ: Նա աշխատել է 100 ՄՎտ հզորությամբ։ Ռեակտորն ուներ 1149 ուղղահայաց դասավորված կառավարման և վառելիքի ալիքներ գրաֆիտային բլոկում: Կառույցի ընդհանուր զանգվածը կազմել է մոտ 1050 տոննա։ Գրեթե բոլոր ալիքները (բացի 25-ից) բեռնված էին ուրանով, որի ընդհանուր զանգվածը կազմում էր 120-130 տոննա։ Հսկիչ ձողերի համար օգտագործվել է 17 ալիք, իսկ փորձերի համար՝ 8: Վառելիքի մարտկոցի նախագծային առավելագույն ջերմային թողարկումը եղել է 3,45 կՎտ: Սկզբում ռեակտորն օրական արտադրում էր մոտ 100 գրամ պլուտոնիում։ Մետաղական պլուտոնիումն առաջին անգամ արտադրվել է 1949 թվականի ապրիլի 16-ին։

Տեխնոլոգիական թերություններ

Գրեթե անմիջապես բացահայտվեցին բավականին լուրջ խնդիրներ, որոնք բաղկացած էին ալյումինե երեսպատման և վառելիքի բջիջների ծածկույթների կոռոզիայից: Ուրանի ձողերը նույնպես ուռել և կոտրվել են, և սառեցնող ջուրը արտահոսել է անմիջապես ռեակտորի միջուկ: Յուրաքանչյուր արտահոսքից հետո ռեակտորը պետք է կանգնեցվեր մինչև 10 ժամ՝ գրաֆիտը օդով չորացնելու համար։ 1949 թվականի հունվարին փոխվել են կապուղիները։ Դրանից հետո ինստալացիայի մեկնարկը տեղի ունեցավ 1949 թվականի մարտի 26-ին։

Զենքի դասի պլուտոնիումը, որի արտադրությունը ռեակտոր Ա-ում ուղեկցվում էր բոլոր տեսակի դժվարություններով, արտադրվել է 1950-1954 թվականներին՝ 180 ՄՎտ միջին միավորի հզորությամբ։ Ռեակտորի հետագա շահագործումը սկսեց ուղեկցվել դրա ավելի ինտենսիվ օգտագործմամբ, ինչը միանգամայն բնականաբար հանգեցրեց ավելի հաճախակի անջատումների (ամսական մինչև 165 անգամ)։ Արդյունքում, 1963 թվականի հոկտեմբերին ռեակտորը դադարեցրեց աշխատանքը և վերսկսեց իր աշխատանքը միայն 1964 թվականի գարնանը։ Նա ավարտեց իր քարոզարշավը 1987 թվականին և արտադրեց 4,6 տոննա պլուտոնիում երկար տարիների գործունեության ընթացքում:

AB ռեակտորներ

1948 թվականի աշնանը Չելյաբինսկ-65 ձեռնարկությունում որոշվեց կառուցել երեք AB ռեակտորներ։ Դրանց արտադրական հզորությունը կազմում էր օրական 200-250 գրամ պլուտոնիում։ Նախագծի գլխավոր նախագծողն էր Ա.Սավինը: Յուրաքանչյուր ռեակտոր ուներ 1996 կապուղի, որոնցից 65-ը կառավարման ալիքներ էին։ Տեղակայանքներում օգտագործվել է տեխնիկական նորույթ՝ յուրաքանչյուր ալիք համալրված է եղել հովացուցիչ նյութի արտահոսքի հատուկ դետեկտորով։ Նման քայլը հնարավորություն տվեց փոխել գծերը՝ չդադարեցնելով բուն ռեակտորի աշխատանքը։

Ռեակտորների շահագործման առաջին տարին ցույց է տվել, որ նրանք օրական արտադրում են մոտ 260 գրամ պլուտոնիում։ Սակայն արդեն շահագործման երկրորդ տարվանից հզորությունը աստիճանաբար ավելացավ, և արդեն 1963 թվականին դրա ցուցանիշը կազմում էր 600 ՄՎտ։ Երկրորդ հիմնանորոգումից հետո գծերի խնդիրն ամբողջությամբ լուծվեց, և հզորությունն արդեն 1200 ՄՎտ էր՝ տարեկան 270 կիլոգրամ պլուտոնիումի արտադրությամբ։ Այս թվերը պահպանվել են մինչև ռեակտորների ամբողջական փակումը։

AI-IR ռեակտոր

Չելյաբինսկի ձեռնարկությունն օգտագործել է այս տեղադրումը 1951 թվականի դեկտեմբերի 22-ից մինչև 1987 թվականի մայիսի 25-ը: Բացի ուրանից, ռեակտորում արտադրվել են նաև կոբալտ-60 և պոլոնիում-210: Սկզբում գործարանում արտադրվում էր տրիտիում, սակայն հետագայում արտադրվեց նաև պլուտոնիում։

Նաև զենքի արտադրության պլուտոնիումի վերամշակման գործարանն ուներ ծանր ջրի վրա աշխատող ռեակտորներ և միակ թեթև ջրի ռեակտորը (նրա անունը Ռուսլան է):

Սիբիրյան հսկա

«Տոմսկ-7»՝ այսպես է կոչվում կայանը, որտեղ տեղակայված են պլուտոնիումի ստեղծման հինգ ռեակտորներ։ Ստորաբաժանումներից յուրաքանչյուրն օգտագործում էր գրաֆիտ՝ դանդաղեցնելու նեյտրոնները և սովորական ջուրը՝ պատշաճ սառեցում ապահովելու համար:

I-1 ռեակտորն աշխատել է հովացման համակարգով, որով ջուրն անցել է մեկ անգամ։ Այնուամենայնիվ, մնացած չորս ագրեգատները ապահովված էին ջերմափոխանակիչներով հագեցած փակ առաջնային սխեմաներով: Այս դիզայնը հնարավորություն տվեց լրացուցիչ արտադրել գոլորշի, որն իր հերթին օգնեց էլեկտրաէներգիայի արտադրությանը և տարբեր բնակելի տարածքների ջեռուցմանը:

Տոմսկ-7-ն ուներ նաև EI-2 կոչվող ռեակտոր, որն իր հերթին ուներ երկակի նշանակություն՝ արտադրում էր պլուտոնիում և առաջացած գոլորշուց արտադրում 100 ՄՎտ էլեկտրաէներգիա, ինչպես նաև 200 ՄՎտ ջերմային էներգիա։

Կարեւոր տեղեկություններ

Գիտնականների կարծիքով, զենքի համար նախատեսված պլուտոնիումի կիսամյակը կազմում է մոտ 24360 տարի: Հսկայական թիվ! Այս առումով հատկապես սուր է դառնում հարցը. «Ինչպե՞ս ճիշտ վարվել այս տարրի արտադրական թափոնների հետ»։ Ամենաօպտիմալ տարբերակը հատուկ ձեռնարկությունների կառուցումն է` զենքի մակարդակի պլուտոնիումի հետագա մշակման համար: Դա բացատրվում է նրանով, որ այս դեպքում տարերքն այլեւս չի կարող օգտագործվել ռազմական նպատակներով եւ վերահսկվելու է անձի կողմից։ Ահա թե ինչպես են Ռուսաստանում ոչնչացնում զենքի արտադրության պլուտոնիումը, սակայն Ամերիկայի Միացյալ Նահանգները գնաց այլ ճանապարհով՝ խախտելով իր միջազգային պարտավորությունները։

Այսպիսով, ԱՄՆ կառավարությունն առաջարկում է ոչնչացնել բարձր հարստացված պլուտոնիումը ոչ թե արդյունաբերական միջոցներով, այլ պլուտոնիումը նոսրացնելով և 500 մետր խորության վրա հատուկ տարաներում պահելով։ Անշուշտ կարելի է ասել, որ այս դեպքում նյութը կարող է հեշտությամբ հանվել գետնից ցանկացած պահի և կրկին օգտագործվել ռազմական նպատակներով։ ՌԴ նախագահ Վլադիմիր Պուտինի խոսքով՝ ի սկզբանե երկրները պայմանավորվել են ոչնչացնել պլուտոնիումը ոչ թե այս մեթոդով, այլ վերամշակում իրականացնել արդյունաբերական օբյեկտներում։

Հատուկ ուշադրության է արժանի զենքի համար նախատեսված պլուտոնիումի արժեքը։ Փորձագետների կարծիքով, այս տարրի տասնյակ տոննաները կարող են արժենալ մի քանի միլիարդ ԱՄՆ դոլար։ Իսկ որոշ փորձագետներ նույնիսկ գնահատել են 500 տոննա զենքի համար նախատեսված պլուտոնիում, որը կազմում է 8 տրիլիոն դոլար: Գումարն իսկապես տպավորիչ է։ Որպեսզի ավելի պարզ լինի, թե դա որքան գումար է, ասենք, որ 20-րդ դարի վերջին տասը տարում Ռուսաստանի միջին տարեկան ՀՆԱ-ն կազմել է 400 մլրդ դոլար։ Այսինքն, ըստ էության, զենքի արտադրության պլուտոնիումի իրական գինը հավասար էր Ռուսաստանի Դաշնության տարեկան ՀՆԱ-ի քսանին։

Նա իսկապես թանկ է:

Նախապատմություն և պատմություն

Սկզբում եղել են պրոտոններ՝ գալակտիկական ջրածին։ Նրա սեղմման և հետագա միջուկային ռեակցիաների արդյունքում ձևավորվեցին նուկլոնների ամենաանհավանական «ձուլակտորները»։ Դրանցից այդ «ձուլակտորները», ըստ երեւույթին, պարունակում էին 94-ական պրոտոն։ Տեսաբանների գնահատականները թույլ են տալիս համարել, որ մոտ 100 նուկլեոնային գոյացություններ, որոնք ներառում են 94 պրոտոն և 107-ից 206 նեյտրոն, այնքան կայուն են, որ կարող են համարվել թիվ 94 տարրի իզոտոպների միջուկներ։

Բայց այս բոլոր իզոտոպները՝ հիպոթետիկ և իրական, այնքան էլ կայուն չեն, որ պահպանվեն մինչ օրս Արեգակնային համակարգի տարրերի ձևավորման պահից։ 94 տարրի ամենաերկարակյաց իզոտոպի կես կյանքը 75 միլիոն տարի է։ Գալակտիկայի տարիքը չափվում է միլիարդավոր տարիներով։ Հետեւաբար, «օրիգինալ» պլուտոնիումը մինչ օրս գոյատեւելու հնարավորություն չուներ։ Եթե ​​այն գոյացել է Տիեզերքի տարրերի մեծ սինթեզի ժամանակ, ապա նրա այդ հնագույն ատոմները վաղուց «մահացել են», ինչպես որ դինոզավրերն ու մամոնտներն են մահացել։

XX դարում. նոր դարաշրջան, մ.թ., այս տարրը վերստեղծվեց: Պլուտոնիումի 100 հնարավոր իզոտոպներից սինթեզվել են 25-ը, որոնցից 15-ն ուսումնասիրվել են միջուկային հատկությունների համար։ Չորսը գործնական կիրառություն են գտել: Իսկ այն բացվել է միայն վերջերս։ 1940 թվականի դեկտեմբերին, երբ ուրանը ճառագայթում էին ծանր ջրածնի միջուկներով, ամերիկացի ռադիոքիմիկոսների խումբը Գլեն Թ. Սիբորգի գլխավորությամբ հայտնաբերեց մինչ այժմ անհայտ ալֆա մասնիկների արտանետիչ, որի կիսամյակը 90 տարի է: Պարզվեց, որ այս արտանետիչը թիվ 94 տարրի իզոտոպ է՝ 238 զանգվածային թվով։ Նույն թվականին, սակայն մի քանի ամիս առաջ, Է.Մ. Մակմիլանը և Ֆ. Աբելսոնը ստացել են ուրանից ծանր առաջին տարրը՝ թիվ 93 տարրը։ Այս տարրը կոչվում էր նեպտունիում, իսկ 94-րդը՝ պլուտոնիում։ Պատմաբանը հաստատ կասի, որ այս անունները ծագել են հռոմեական դիցաբանությունից, բայց ըստ էության այդ անունների ծագումն ավելի շուտ ոչ թե առասպելական է, այլ աստղագիտական։

Թիվ 92 և 93 տարրերն անվանվել են Արեգակնային համակարգի հեռավոր մոլորակների՝ Ուրանի և Նեպտունի պատվին, բայց Նեպտունը Արեգակնային համակարգում վերջինը չէ, Պլուտոնի ուղեծիրն ավելի հեռուն է. մոլորակ, որի մասին մինչ այժմ գրեթե ոչինչ հայտնի չէ։ Նմանատիպ շինարարություն մենք դիտում ենք նաև պարբերական աղյուսակի «ձախ թևի» վրա՝ ուրան - նեպտունիում - պլուտոնիում, սակայն մարդկությունը պլուտոնիումի մասին շատ ավելին գիտի, քան Պլուտոնի մասին։ Ի դեպ, աստղագետները հայտնաբերեցին Պլուտոնը պլուտոնիումի սինթեզից ընդամենը տասը տարի առաջ. գրեթե նույն ժամանակահատվածում առանձնանում էին Ուրանի հայտնագործությունները՝ մոլորակը և ուրանը՝ տարրը:

Հանելուկներ փրկագնի համար

No 94 տարրի առաջին իզոտոպը՝ պլուտոնիում-238, այսօր գործնական կիրառություն է գտել։ Բայց 1940-ականների սկզբին նրանք այդ մասին չէին էլ մտածում։ Պլուտոնիում-238-ը հնարավոր է ձեռք բերել գործնական հետաքրքրություն ներկայացնող քանակությամբ միայն հենվելով հզոր միջուկային արդյունաբերության վրա։ Այդ ժամանակ նա նոր էր սկսում: Բայց արդեն պարզ էր, որ արձակելով ծանր ռադիոակտիվ տարրերի միջուկներում պարունակվող էներգիան՝ հնարավոր էր ձեռք բերել աննախադեպ հզորության զենք։ Հայտնվեց Manhattan Project-ը՝ չունենալով ոչ այլ ինչ, քան ընդհանուր անուն Նյու Յորքի հայտնի տարածքի հետ: Սա ԱՄՆ-ում առաջին ատոմային ռումբերի ստեղծման հետ կապված բոլոր աշխատանքների ընդհանուր անվանումն էր։ Manhattan Project-ի ղեկավարը ոչ թե գիտնական էր, այլ զինվորական՝ գեներալ Գրովզը, ով իր բարձր կրթությամբ հիվանդներին «քաղցրությամբ» անվանեց «կոտրված կաթսաներ»:

«Նախագծի» ղեկավարներին չի հետաքրքրել պլուտոնիում-238-ը։ Նրա միջուկները, ինչպես նաև պլուտոնիումի բոլոր իզոտոպների միջուկները՝ զույգ զանգվածային թվերով, չեն տրոհվում ցածր էներգիայի նեյտրոնների հետ*, ուստի այն չէր կարող ծառայել որպես միջուկային պայթուցիկ։ Այնուամենայնիվ, թիվ 93 և 94 տարրերի մասին առաջին ոչ այնքան հասկանալի զեկույցները տպագրվել են միայն 1942 թվականի գարնանը։

* Ցածր էներգիայի նեյտրոններն այն նեյտրոններն են, որոնց էներգիան չի գերազանցում 10 կՎ-ը։ Էլեկտրոն վոլտի ֆրակցիաներով չափվող էներգիա ունեցող նեյտրոնները կոչվում են ջերմային, իսկ ամենադանդաղ նեյտրոնները՝ 0,005 էՎ-ից պակաս էներգիայով, կոչվում են սառը: Եթե ​​նեյտրոնի էներգիան ավելի քան 100 կՎ է, ապա այդպիսի նեյտրոնն արդեն համարվում է արագ։

Ինչպե՞ս կարելի է դա բացատրել: Ֆիզիկոսները հասկացան. կենտ զանգվածային թվերով պլուտոնիումի իզոտոպների սինթեզը ժամանակի հարց է և հեռու չէ: Ակնկալվում էր, որ տարօրինակ իզոտոպները, ինչպես ուրան-235-ը, կկարողանան պահպանել միջուկային շղթայական ռեակցիան: Դրանցում, դեռ չստացված, որոշ մարդիկ տեսել են պոտենցիալ միջուկային պայթուցիկ։ Եվ պլուտոնիումը, ցավոք, արդարացրեց այս հույսերը:

Այն ժամանակվա գաղտնագրերում թիվ 94 տարրը կոչվում էր ոչ այլ ինչ, քան ... պղինձ։ Եվ երբ բուն պղնձի կարիքն առաջացավ (որպես որոշ մասերի կառուցվածքային նյութ), ապա կոդավորման մեջ «պղնձի» հետ հայտնվեց «իսկական պղինձը»։

«Բարիի և չարի գիտելիքի ծառ»

1941 թվականին հայտնաբերվեց պլուտոնիումի ամենակարևոր իզոտոպը՝ 239 զանգվածային թվով իզոտոպ: Եվ գրեթե անմիջապես հաստատվեցին տեսաբանների կանխատեսումները. ջերմային նեյտրոններով տրոհված պլուտոնիում-239 միջուկները: Ընդ որում, դրանց տրոհման գործընթացում ոչ պակաս թվով նեյտրոններ են ծնվել, քան ուրան-235-ի տրոհման ժամանակ։ Անմիջապես ուրվագծվեցին այս իզոտոպը մեծ քանակությամբ ստանալու ուղիները ...

Անցել են տարիներ։ Այժմ ոչ մեկի համար գաղտնիք չէ, որ զինանոցներում պահվող միջուկային ռումբերը լցված են պլուտոնիում-239-ով, և որ այդ ռումբերը բավական են անուղղելի վնաս հասցնելու համար Երկրի ողջ կյանքին:

Տարածված կարծիք կա, որ միջուկային շղթայական ռեակցիայի հայտնաբերմամբ (որի անխուսափելի հետևանքը միջուկային ռումբի ստեղծումն էր) մարդկությունն ակնհայտորեն շտապում էր։ Դուք կարող եք այլ կերպ մտածել կամ ձևացնել, թե այլ կերպ եք մտածում՝ ավելի հաճելի է լավատես լինել: Բայց նույնիսկ լավատեսներն անխուսափելիորեն բախվում են գիտնականների պատասխանատվության հարցին: Մենք հիշում ենք 1954 թվականի հունիսի հաղթական օրը, այն օրը, երբ Օբնինսկի առաջին ատոմակայանը էլեկտրաէներգիա տվեց։ Բայց մենք չենք կարող մոռանալ 1945 թվականի օգոստոսի առավոտը՝ «Հիրոսիմայի առավոտը», «Ալբերտ Էյնշտեյնի անձրևոտ օրը»։ Բայց արդյո՞ք մարդկությունը քիչ անհանգստությունների է դիմացել հետագա տարիներին: Ավելին, այդ մտահոգությունները բազմապատկվեցին այն գիտակցությամբ, որ եթե նոր համաշխարհային պատերազմ սկսվի, ապա միջուկային զենք կկիրառվի։

Այստեղ դուք կարող եք փորձել ապացուցել, որ պլուտոնիումի հայտնաբերումը չի ավելացրել մարդկության վախերը, որ, ընդհակառակը, դա միայն օգտակար է եղել։

Ենթադրենք, պատահել է, որ ինչ-ինչ պատճառներով, կամ, ինչպես հին ժամանակներում կասեին, Աստծո կամքով, պլուտոնիումը հասանելի չի եղել գիտնականներին։ Այդ դեպքում մեր վախերն ու վախերը կնվազե՞ն: Ոչինչ չի պատահել. Միջուկային ռումբերը կպատրաստվեին ուրան-235-ից (և ոչ պակաս քանակով, քան պլուտոնիումից), և այդ ռումբերը «կուտեին» բյուջեի նույնիսկ ավելի մեծ մասեր, քան հիմա:

Բայց առանց պլուտոնիումի ատոմային էներգիայի լայնածավալ օգտագործման հեռանկար չէր լինի։ «Խաղաղ ատոմի» համար պարզապես բավարար ուրան-235 չի լինի: Միջուկային էներգիայի հայտնաբերմամբ մարդկությանը հասցված չարիքը, թեկուզ մասամբ, չի հավասարակշռվի «լավ ատոմի» ձեռքբերումներով։

Ինչպես չափել, ինչի հետ համեմատել

Երբ պլուտոնիում-239 միջուկը նեյտրոնների միջոցով բաժանվում է մոտավորապես հավասար զանգվածի երկու բեկորների, արտազատվում է մոտ 200 ՄէՎ էներգիա։ Սա 50 միլիոն անգամ ավելի շատ էներգիա է թողարկվել ամենահայտնի էկզոտերմիկ ռեակցիայի ժամանակ C + O 2 = CO 2: «Այրվելով» միջուկային ռեակտորում՝ պլուտոնիումի գրամը տալիս է 2·10 7 կկալ։ Ավանդույթները չխախտելու համար (իսկ հանրաճանաչ հոդվածներում միջուկային վառելիքի էներգիան սովորաբար չափվում է ոչ համակարգային միավորներով՝ տոննա ածուխ, բենզին, տրինիտրոտոլուոլ և այլն), մենք նաև նշում ենք. սա էներգիա է, որը պարունակում է 4 տոննա. ածուխ. Իսկ սովորական մատնոցում դրված է պլուտոնիումի քանակություն՝ էներգետիկորեն համարժեք քառասուն վագոն լավ կեչու վառելափայտի։

Նույն էներգիան ազատվում է նեյտրոնների կողմից ուրանի-235 միջուկների տրոհման ժամանակ։ Բայց բնական ուրանի հիմնական մասը (99,3%) 238 U իզոտոպն է, որը կարող է օգտագործվել միայն ուրանը պլուտոնիումի վերածելու միջոցով…

Քարի էներգիա

Եկեք գնահատենք ուրանի բնական պաշարներում պարունակվող էներգետիկ պաշարները։

Ուրանը ցրված տարր է, և այն գործնականում ամենուր է։ Յուրաքանչյուր ոք, ով այցելել է, օրինակ, Կարելիա, անշուշտ հիշում է գրանիտե քարերն ու ափամերձ ժայռերը: Բայց քչերը գիտեն, որ մեկ տոննա գրանիտի մեջ կա մինչև 25 գ ուրան։ Գրանիտները կազմում են երկրակեղևի զանգվածի գրեթե 20%-ը։ Եթե ​​հաշվենք միայն ուրան-235, ապա մեկ տոննա գրանիտի մեջ պարունակվում է 3,5·10 5 կկալ էներգիա։ Շատ է, բայց...

Գրանիտի մշակումը և դրանից ուրանի արդյունահանումը պահանջում է էլ ավելի մեծ քանակությամբ էներգիա՝ մոտ 10 6 ...10 7 կկալ/տ։ Հիմա, եթե որպես էներգիայի աղբյուր հնարավոր լիներ օգտագործել ոչ միայն ուրան-235-ը, այլեւ ուրան-238-ը, ապա գրանիտը գոնե որպես պոտենցիալ էներգետիկ հումք կարող էր դիտարկվել։ Այնուհետև մեկ տոննա քարից ստացված էներգիան արդեն կկազմի 8·10 7-ից մինչև 5·10 8 կկալ: Սա համարժեք է 16...100 տոննա ածուխի։ Եվ այս դեպքում գրանիտը կարող է մարդկանց տալ գրեթե միլիոն անգամ ավելի շատ էներգիա, քան Երկրի վրա առկա քիմիական վառելիքի բոլոր պաշարները:

Բայց ուրանի-238 միջուկները չեն տրոհվում նեյտրոնների միջոցով: Միջուկային էներգիայի համար այս իզոտոպն անօգուտ է։ Ավելի ճիշտ՝ անօգուտ կլիներ, եթե այն չվերածվեր պլուտոնիում-239-ի։ Եվ հատկապես կարևորը. գործնականում կարիք չկա էներգիա ծախսել այս միջուկային փոխակերպման վրա, ընդհակառակը, էներգիա է արտադրվում այս գործընթացում:

Փորձենք պարզել, թե ինչպես է դա տեղի ունենում, բայց նախ մի քանի խոսք բնական պլուտոնիումի մասին:

Ռադիումից 400 հազար անգամ փոքր

Արդեն ասվել է, որ մեր մոլորակի առաջացման ընթացքում տարրերի սինթեզից հետո պլուտոնիումի իզոտոպները չեն պահպանվել։ Բայց դա չի նշանակում, որ Երկրում պլուտոնիում չկա։

Այն անընդհատ ձևավորվում է ուրանի հանքաքարերում։ Տիեզերական ճառագայթման նեյտրոնները և նեյտրոնները որսալով ուրանի-238 միջուկների ինքնաբուխ տրոհման արդյունքում՝ այս իզոտոպի որոշ ատոմներ՝ շատ քիչ, վերածվում են ուրանի-239 ատոմների: Այս միջուկները շատ անկայուն են, նրանք արձակում են էլեկտրոններ և դրանով իսկ մեծացնում են դրանց լիցքը։ Ձևավորվում է նեպտունիումը՝ առաջին տրանսուրանի տարրը։ Նեպտունիում-239-ը նույնպես շատ անկայուն է, և նրա միջուկները էլեկտրոններ են արձակում։ Ընդամենը 56 ժամում նեպտունիում-239-ի կեսը վերածվում է պլուտոնիում-239-ի, որի կիսատ կյանքը արդեն բավականին երկար է՝ 24 հազար տարի։

Ինչու՞ պլուտոնիումը չի արդյունահանվում ուրանի հանքաքարերից: Փոքր, չափազանց ցածր կոնցենտրացիան: «Մեկ գրամի արտադրությունը տարեկան աշխատուժ է»՝ խոսքը ռադիումի մասին է, իսկ հանքաքարերում պլուտոնիումը ռադիումից 400 հազար անգամ պակաս է։ Հետևաբար, ոչ միայն արդյունահանելը, նույնիսկ «երկրային» պլուտոնիում հայտնաբերելը չափազանց դժվար է։ Դա արվել է միայն այն բանից հետո, երբ ուսումնասիրվել են միջուկային ռեակտորներում ստացված պլուտոնիումի ֆիզիկական և քիմիական հատկությունները։

Երբ 2.70 >> 2.23

Պլուտոնիումը կուտակվում է միջուկային ռեակտորներում։ Հզոր նեյտրոնային հոսքերում տեղի է ունենում նույն ռեակցիան, ինչ ուրանի հանքաքարերում, սակայն ռեակտորում պլուտոնիումի առաջացման և կուտակման արագությունը շատ ավելի բարձր է՝ միլիարդ միլիարդ անգամ: Բալաստ ուրանը-238-ը ուժային պլուտոնիում-239-ի վերածելու ռեակցիայի համար ստեղծվում են օպտիմալ (ընդունելի սահմաններում) պայմաններ։

Եթե ​​ռեակտորը գործում է ջերմային նեյտրոնների վրա (հիշենք, որ դրանց արագությունը վայրկյանում մոտ 2000 մ է, իսկ էներգիան՝ էլեկտրոն վոլտի ֆրակցիաներ), ապա ուրանի իզոտոպների բնական խառնուրդից ստացվում է պլուտոնիումի քանակություն՝ քանակից մի փոքր պակաս։ «այրված» ուրան-235. Ոչ շատ, բայց ավելի քիչ, գումարած պլուտոնիումի անխուսափելի կորուստները ճառագայթված ուրանի քիմիական տարանջատման ժամանակ: Բացի այդ, միջուկային շղթայական ռեակցիան պահպանվում է ուրանի իզոտոպների բնական խառնուրդում միայն այնքան ժամանակ, մինչև ուրանի-235-ի մի փոքր մասն սպառվի: Այսպիսով, եզրակացությունը տրամաբանական է. «ջերմային» ռեակտորը բնական ուրանի վրա, որը ներկայումս գործող ռեակտորների հիմնական տեսակն է, չի կարող ապահովել միջուկային վառելիքի ընդլայնված վերարտադրությունը: Բայց հետո ո՞րն է ապագան: Այս հարցին պատասխանելու համար եկեք համեմատենք միջուկային շղթայական ռեակցիայի ընթացքը ուրան-235-ում և պլուտոնիում-239-ում և մտցնենք ևս մեկ ֆիզիկական հայեցակարգ մեր դատողությունների մեջ:

Ցանկացած միջուկային վառելիքի ամենակարևոր բնութագիրը միջուկի մեկ նեյտրոնը գրավելուց հետո արտանետվող նեյտրոնների միջին քանակն է: Ֆիզիկոսներն այն անվանում են էտա թիվ և նշանակում հունարեն η տառով։ «Ջերմային» ուրանի ռեակտորներում դիտվում է հետևյալ օրինաչափությունը՝ յուրաքանչյուր նեյտրոն առաջացնում է միջինը 2,08 նեյտրոն (η = 2,08): Նման ռեակտորում ջերմային նեյտրոնների ազդեցության տակ տեղադրված պլուտոնիումը տալիս է η = 2,03։ Բայց կան նաև ռեակտորներ, որոնք աշխատում են արագ նեյտրոնների վրա։ Նման ռեակտորում ուրանի իզոտոպների բնական խառնուրդ բեռնելն անիմաստ է. շղթայական ռեակցիան չի սկսվի։ Բայց եթե «հումքը» հարստացվի ուրան-235-ով, ապա այն կկարողանա զարգանալ «արագ» ռեակտորում։ Այս դեպքում η արդեն հավասար կլինի 2,23-ի։ Իսկ արագ նեյտրոններով կրակի տակ դրված պլուտոնիումը կտա n 2,70-ի: Մենք մեր տրամադրության տակ կունենանք «լրացուցիչ լրիվ նեյտրոն»։ Եվ սա բավարար չէ։

Տեսնենք, թե ինչի վրա են ծախսվում ստացված նեյտրոնները։ Ցանկացած ռեակտորում միջուկային շղթայական ռեակցիան պահպանելու համար անհրաժեշտ է մեկ նեյտրոն։ 0,1 նեյտրոնը կլանում է օբյեկտի կառուցվածքային նյութերը։ «Ավելցուկը» գնում է պլուտոնիում-239-ի կուտակմանը։ Մի դեպքում «ավելորդը» 1.13 է, մյուս դեպքում՝ 1.60։ «Արագ» ռեակտորում մեկ կիլոգրամ պլուտոնիում «այրելուց» հետո վիթխարի էներգիա է արտազատվում, և 1,6 կգ պլուտոնիում է կուտակվում։ Իսկ «արագ» ռեակտորում ուրանը կտա նույն էներգիան և 1,1 կգ նոր միջուկային վառելիք։ Երկու դեպքում էլ ակնհայտ է ընդլայնված վերարտադրությունը: Բայց չպետք է մոռանալ տնտեսության մասին։

Մի շարք տեխնիկական պատճառներով պլուտոնիումի բուծման ցիկլը տևում է մի քանի տարի։ Ասենք հինգ տարի։ Սա նշանակում է, որ պլուտոնիումի քանակը կավելանա տարեկան միայն 2%-ով, եթե η = 2,23, և 12%-ով, եթե η = 2,7! Միջուկային վառելիքը կապիտալ է, և ցանկացած կապիտալ պետք է տա, ասենք, տարեկան 5 տոկոս։ Առաջին դեպքում լինում են մեծ կորուստներ, իսկ երկրորդում՝ մեծ շահույթներ։ Այս պարզունակ օրինակը ցույց է տալիս միջուկային էներգիայի η թվի յուրաքանչյուր տասներորդի «կշիռը»:

Շատ տեխնոլոգիաների գումարը

Երբ միջուկային ռեակցիաների արդյունքում ուրանում կուտակվում է պլուտոնիումի անհրաժեշտ քանակությունը, այն պետք է առանձնացնել ոչ միայն բուն ուրանից, այլև տրոհման բեկորներից՝ և՛ ուրան, և՛ պլուտոնիում, այրվել միջուկային շղթայական ռեակցիայի ժամանակ: Բացի այդ, ուրան-պլուտոնիումային զանգվածում կա նեպտունիումի որոշակի քանակություն։ Ամենադժվարը պլուտոնիումը նեպտունիումից և հազվագյուտ հողային տարրերից (լանթանիդներից) առանձնացնելն է։ Պլուտոնիումը որպես քիմիական տարր որոշ չափով անհաջող է: Քիմիկոսի տեսանկյունից միջուկային էներգիայի հիմնական տարրը տասնչորս ակտինիդներից ընդամենը մեկն է։ Հազվագյուտ հողային տարրերի պես, ակտինիումի շարքի բոլոր տարրերը քիմիական հատկություններով շատ մոտ են միմյանց, բոլոր տարրերի ատոմների արտաքին էլեկտրոնային թաղանթների կառուցվածքը ակտինից մինչև 103 նույնն է։ Էլ ավելի տհաճ է, որ ակտինիդների քիմիական հատկությունները նման են հազվագյուտ հողային տարրերի հատկություններին, իսկ ուրանի և պլուտոնիումի տրոհման բեկորների մեջ կան ավելի քան բավարար լանտանիդներ: Բայց մյուս կողմից, 94-րդ տարրը կարող է լինել հինգ վալենտային վիճակներում, և դա «քաղցրացնում է հաբը»՝ օգնում է առանձնացնել պլուտոնիումը և՛ ուրանի, և՛ տրոհման բեկորներից:

Պլուտոնիումի վալենտությունը տատանվում է երեքից յոթ։ Քառավալենտ պլուտոնիումի միացությունները քիմիապես ամենակայունն են (և, հետևաբար, ամենատարածվածն ու ամենաուսումնասիրվածը)։

Քիմիական հատկություններով մոտ ակտինիդների՝ ուրան, նեպտունի և պլուտոնիումի տարանջատումը կարող է հիմնված լինել դրանց չորս և վեցավալենտ միացությունների հատկությունների տարբերության վրա:

Պլուտոնիումի և ուրանի քիմիական տարանջատման բոլոր փուլերը մանրամասն նկարագրելու կարիք չկա։ Սովորաբար, դրանց տարանջատումը սկսվում է ազոտաթթվի մեջ ուրանի ձուլակտորների տարրալուծմամբ, որից հետո լուծույթում պարունակվող ուրանը, նեպտունիումը, պլուտոնիումը և բեկորային տարրերը «առանձնացվում են»՝ դրա համար օգտագործելով ավանդական ռադիոքիմիական մեթոդներ՝ կրիչների հետ համատեղ նստեցում, արդյունահանում, իոնների փոխանակում և այլն: Այս բազմաստիճան տեխնոլոգիայի վերջնական պլուտոնիում պարունակող արտադրանքներն են նրա երկօքսիդը PuO 2 կամ ֆտորիդները՝ PuF 3 կամ PuF 4: Դրանք վերածվում են մետաղի բարիումի, կալցիումի կամ լիթիումի գոլորշիներով։ Այնուամենայնիվ, այս գործընթացներում ստացված պլուտոնիումը հարմար չէ կառուցվածքային նյութի դերի համար. հնարավոր չէ դրանից միջուկային էներգիայի ռեակտորների վառելիքի տարրեր պատրաստել, անհնար է ատոմային ռումբի լիցք գցել: Ինչո՞ւ։ Պլուտոնիումի հալման կետը՝ ընդամենը 640°C, բավականին հասանելի է։

Անկախ նրանից, թե ինչ «ուլտրա-խնայողական» պայմաններ են օգտագործվում մաքուր պլուտոնիումից մասերը ձուլելու համար, ձուլման ժամանակ ճաքեր միշտ առաջանալու են: 640°C-ում պլուտոնիումի պնդացումը ձևավորում է խորանարդ բյուրեղային ցանց։ Ջերմաստիճանի նվազման հետ մետաղի խտությունը աստիճանաբար մեծանում է։ Բայց հետո ջերմաստիճանը հասավ 480 ° C, իսկ հետո հանկարծակի պլուտոնիումի խտությունը կտրուկ նվազում է։ Այս անոմալիայի պատճառները բավականին արագ փորվեցին. այս ջերմաստիճանում պլուտոնիումի ատոմները վերադասավորվում են բյուրեղային ցանցում: Այն դառնում է քառանկյուն և շատ «չամրացված»: Նման պլուտոնիումը կարող է լողալ իր հալոցքում, ինչպես սառույցը ջրի վրա:

Ջերմաստիճանը շարունակում է նվազել, այժմ այն ​​հասել է 451 ° C-ի, և ատոմները կրկին ձևավորել են խորանարդ վանդակ, բայց գտնվում են միմյանցից ավելի մեծ հեռավորության վրա, քան առաջին դեպքում: Հետագա սառեցմամբ վանդակը դառնում է նախ օրթորոմբիկ, ապա մոնոկլինիկ: Ընդհանուր առմամբ, պլուտոնիումը ձևավորում է վեց տարբեր բյուրեղային ձևեր: Դրանցից երկուսն ունեն ուշագրավ հատկություն՝ ջերմային ընդարձակման բացասական գործակից՝ ջերմաստիճանի բարձրացման հետ մետաղը ոչ թե ընդարձակվում է, այլ կծկվում։

Երբ ջերմաստիճանը հասնում է 122°C-ի, և պլուտոնիումի ատոմները վերադասավորում են իրենց շարքերը վեցերորդ անգամ, խտությունը փոխվում է հատկապես ուժեղ՝ 17,77-ից մինչև 19,82 գ/սմ 3: Ավելի քան 10%! Ըստ այդմ, ձուլակտորի ծավալը նվազում է։ Եթե ​​մետաղը դեռ կարող էր դիմակայել այլ անցումների ժամանակ առաջացած սթրեսներին, ապա այս պահին ոչնչացումն անխուսափելի է։

Այդ դեպքում ինչպե՞ս կարելի է մասեր պատրաստել այս զարմանալի մետաղից: Մետաղագործները համաձուլում են պլուտոնիումը (նրան ավելացնում են փոքր քանակությամբ անհրաժեշտ տարրեր) և ստանում ձուլվածքներ առանց մեկ ճաքի։ Դրանք օգտագործվում են միջուկային ռումբերի համար պլուտոնիումային լիցքեր պատրաստելու համար։ Լիցքավորման քաշը (այն որոշվում է հիմնականում իզոտոպի կրիտիկական զանգվածով) 5 ... 6 կգ: Այն հեշտությամբ կտեղավորվեր 10 սմ կողերի չափս ունեցող խորանարդի մեջ։

Ծանր իզոտոպներ

Պլուտոնիում-239-ը պարունակում է նաև այս տարրի ավելի բարձր իզոտոպների փոքր քանակություն՝ 240 և 241 զանգվածային թվերով: 240 Pu իզոտոպը գործնականում անօգուտ է՝ այս բալաստը պլուտոնիումում: 241-ից ստացվում է ամերիցիում - թիվ 95 տարր։ Մաքուր ձևով, առանց այլ իզոտոպների խառնուրդի, դլուտոնիում-240 և պլուտոնիում-241 կարելի է ստանալ ռեակտորում կուտակված պլուտոնիումի էլեկտրամագնիսական տարանջատմամբ։ Մինչ այդ, պլուտոնիումը լրացուցիչ ճառագայթվում է խիստ սահմանված բնութագրերով նեյտրոնային հոսքերով։ Իհարկե, այս ամենը շատ բարդ է, հատկապես, որ պլուտոնիումը ոչ միայն ռադիոակտիվ է, այլեւ շատ թունավոր։ Դրա հետ աշխատելը ծայրահեղ զգուշություն է պահանջում։

Պլուտոնիումի ամենահետաքրքիր իզոտոպներից մեկը՝ 242 Pu-ը, կարելի է ստանալ 239 Pu նեյտրոնային հոսքերում երկար ժամանակ ճառագայթելով։ 242 Pu-ն շատ հազվադեպ է գրավում նեյտրոնները և, հետևաբար, «այրվում» է ռեակտորում ավելի դանդաղ, քան մյուս իզոտոպները; այն պահպանվում է նույնիսկ այն բանից հետո, երբ պլուտոնիումի մնացած իզոտոպները գրեթե ամբողջությամբ անցել են բեկորների կամ վերածվել պլուտոնիում-242-ի:

Պլուտոնիում-242-ը կարևոր է որպես «հումք» միջուկային ռեակտորներում ավելի բարձր տրանսուրանի տարրերի համեմատաբար արագ կուտակման համար։ Եթե ​​պլուտոնիում-239-ը ճառագայթվում է սովորական ռեակտորում, ապա մոտ 20 տարի կպահանջվի գրամից պլուտոնիումի միկրոգրամ քանակություններ կուտակելու համար, օրինակ՝ californium-251:

Հնարավոր է նվազեցնել ավելի բարձր իզոտոպների կուտակման ժամանակը ռեակտորում նեյտրոնային հոսքի ինտենսիվությունը մեծացնելով։ Նրանք այդպես էլ անում են, բայց հետո անհնար է մեծ քանակությամբ պլուտոնիում-239 ճառագայթել։ Ի վերջո, այս իզոտոպը բաժանվում է նեյտրոններով, և ինտենսիվ հոսքերով արտազատվում է չափազանց մեծ էներգիա։ Լրացուցիչ դժվարություններ կան կոնտեյների և ռեակտորի սառեցման հետ կապված: Այս բարդություններից խուսափելու համար ճառագայթահարված պլուտոնիումի քանակը պետք է կրճատվի: Հետևաբար, Կալիֆորնիայի արդյունքը կրկին խղճուկ կլիներ։ Արատավոր շրջան!

Պլուտոնիում-242-ը չի տրոհվում ջերմային նեյտրոնների կողմից, և այն կարող է մեծ քանակությամբ ճառագայթվել ինտենսիվ նեյտրոնային հոսքերում... Հետևաբար, ռեակտորներում բոլոր տարրերը՝ կալիֆորնից մինչև էյնշտեյն, «պատրաստվում են» այս իզոտոպից և կուտակվում են քաշի քանակով:

Ոչ թե ամենածանրը, այլ ամենաերկար ապրածը

Ամեն անգամ, երբ գիտնականներին հաջողվում էր ստանալ պլուտոնիումի նոր իզոտոպ, նրանք չափում էին նրա միջուկների կիսատ կյանքը։ Զույգ զանգվածային թվերով ծանր ռադիոակտիվ միջուկների իզոտոպների կիսամյակը պարբերաբար փոխվում է։ (Նույնը չի կարելի ասել կենտ իզոտոպների համար):

Բրինձ. 8.

Նայեք գրաֆիկին, որը ցույց է տալիս նույնիսկ պլուտոնիումի իզոտոպների կիսամյակի կախվածությունը զանգվածային թվից: Քանի որ զանգվածը մեծանում է, այնքան մեծանում է իզոտոպի «կյանքի տևողությունը»: Մի քանի տարի առաջ պլուտոնիում-242-ը այս գրաֆիկի ամենաբարձր կետն էր: Եվ հետո ինչպե՞ս կշարունակվի այս կորը՝ զանգվածային թվի հետագա աճով: Հենց ճիշտ 1 , որը համապատասխանում է 30 միլիոն տարվա կյանքին կամ կետին 2 , որը պատասխանատու է 300 միլիոն տարի. Այս հարցի պատասխանը շատ կարևոր էր երկրագիտությունների համար։ Առաջին դեպքում, եթե 5 միլիարդ տարի առաջ Երկիրն ամբողջությամբ բաղկացած էր 244 Pu-ից, ապա այժմ պլուտոնիում-244-ի միայն մեկ ատոմ կմնար Երկրի ողջ զանգվածում։ Եթե ​​երկրորդ ենթադրությունը ճիշտ է, ապա պլուտոնիում-244-ը կարող է գտնվել Երկրում այնպիսի կոնցենտրացիաներով, որոնք արդեն հնարավոր է հայտնաբերել: Եթե ​​մեզ բախտ վիճակվեր գտնել այս իզոտոպը Երկրում, գիտությունը կստանար ամենաարժեքավոր տեղեկատվությունը մեր մոլորակի ձևավորման ընթացքում տեղի ունեցած գործընթացների մասին։

Մի քանի տարի առաջ գիտնականները բախվեցին հարցի. արժե՞ փորձել Երկրում ծանր պլուտոնիում գտնել: Դրան պատասխանելու համար առաջին հերթին անհրաժեշտ էր որոշել պլուտոնիում-244-ի կիսաքայքայման ժամկետը։ Տեսաբանները չկարողացան հաշվարկել այս արժեքը պահանջվող ճշգրտությամբ։ Ամբողջ հույսը միայն փորձի վրա էր։

Պլուտոնիում-244-ը կուտակվել է միջուկային ռեակտորում. Ճառագայթվել է թիվ 95 տարրը՝ ամերիցիումը (իզոտոպ 243 Am): Նեյտրոնը գրավելով՝ այս իզոտոպն անցավ ամերիցիում-244; ամերիցիում-244-ը 10 հազար դեպքից մեկում անցել է պլուտոնիում-244-ի:

Ամերիցիումի և կուրիումի խառնուրդից մեկուսացվել է պլուտոնիում-244 պատրաստուկ։ Նմուշը կշռել է գրամի ընդամենը մի քանի միլիոներորդ մասը: Բայց դրանք բավական էին այս ամենահետաքրքիր իզոտոպի կիսամյակը որոշելու համար։ Պարզվեց, որ այն հավասար է 75 միլիոն տարվա։ Հետագայում այլ հետազոտողներ ճշտեցին պլուտոնիում-244-ի կիսամյակի ժամկետը, բայց ոչ շատ՝ 82,8 միլիոն տարի: 1971 թվականին այս իզոտոպի հետքերը հայտնաբերվել են հազվագյուտ հողային բաստնասիտ հանքանյութում:

Գիտնականները բազմաթիվ փորձեր են կատարել՝ գտնելու տրանսուրանի տարրի իզոտոպը, որն ապրում է ավելի քան 244 Pu: Բայց բոլոր փորձերն ապարդյուն էին։ Ժամանակին հույսեր էին կապում կուրիում-247-ի վրա, սակայն այն բանից հետո, երբ այս իզոտոպը կուտակվեց ռեակտորում, պարզվեց, որ դրա կիսատ կյանքը ընդամենը 14 միլիոն տարի է։ Չհաջողվեց գերազանցել պլուտոնիում-244-ի ռեկորդը՝ այն տրանսուրանի տարրերի բոլոր իզոտոպներից ամենաերկարակյացն է:

Պլուտոնիումի նույնիսկ ավելի ծանր իզոտոպները ենթակա են բետա քայքայման, և նրանց կյանքի տևողությունը տատանվում է մի քանի օրից մինչև վայրկյանի մի քանի տասներորդ: Մենք հաստատ գիտենք, որ պլուտոնիումի բոլոր իզոտոպները՝ մինչև 257 Pu, ձևավորվում են ջերմամիջուկային պայթյունների ժամանակ։ Բայց նրանց կյանքի տևողությունը վայրկյանի տասներորդն է, և պլուտոնիումի շատ կարճատև իզոտոպներ դեռ չեն ուսումնասիրվել:

Առաջին իզոտոպի հնարավորությունները

Եվ վերջապես՝ պլուտոնիում-238-ի մասին՝ պլուտոնիումի «տեխնածին» իզոտոպներից ամենաառաջինը, մի իզոտոպ, որը սկզբում անհեռանկարային էր թվում: Դա իրականում շատ հետաքրքիր իզոտոպ է: Այն ենթակա է ալֆա քայքայման, այսինքն. նրա միջուկները ինքնաբերաբար արձակում են ալֆա մասնիկներ՝ հելիումի միջուկներ։ Պլուտոնիում-238 միջուկների կողմից առաջացած ալֆա մասնիկները մեծ էներգիա են կրում. ցրվելով նյութի մեջ՝ այս էներգիան վերածվում է ջերմության։ Որքա՞ն է այս էներգիան: Վեց միլիոն էլեկտրոն վոլտ է արձակվում, երբ պլուտոնիում-238-ի մեկ ատոմային միջուկը քայքայվում է: Քիմիական ռեակցիայի ժամանակ նույն էներգիան ազատվում է մի քանի միլիոն ատոմների օքսիդացման ժամանակ։ Մեկ կիլոգրամ պլուտոնիում-238 պարունակող էլեկտրաէներգիայի աղբյուրը զարգացնում է 560 Վտ ջերմային հզորություն։ Նույն զանգվածի քիմիական հոսանքի աղբյուրի առավելագույն հզորությունը 5 վտ է։

Կան բազմաթիվ արտանետիչներ, որոնք ունեն նմանատիպ էներգետիկ բնութագրեր, սակայն պլուտոնիում-238-ի մեկ առանձնահատկությունն այս իզոտոպը դարձնում է անփոխարինելի: Որպես կանոն, ալֆա քայքայումը ուղեկցվում է ուժեղ գամմա ճառագայթմամբ, որը ներթափանցում է նյութի մեծ հաստությամբ: 238 Pu-ն բացառություն է։ Նրա միջուկների քայքայմանը ուղեկցող գամմա քվանտայի էներգիան ցածր է, և դրանից պաշտպանվելը դժվար չէ. ճառագայթումը կլանում է բարակ պատով տարա: Այս իզոտոպի ինքնաբուխ միջուկային տրոհման հավանականությունը նույնպես փոքր է։ Ուստի այն կիրառություն է գտել ոչ միայն ընթացիկ աղբյուրներում, այլեւ բժշկության մեջ։ Պլուտոնիում-238-ով մարտկոցները ծառայում են որպես էներգիայի աղբյուր սրտի հատուկ խթանիչներում:

Բայց 238 Pu-ը թիվ 94 տարրի հայտնի իզոտոպներից ամենաթեթևը չէ, ստացվել են 232-ից մինչև 237 զանգվածային թվերով պլուտոնիումի իզոտոպներ: Ամենաթեթև իզոտոպի կես կյանքը 36 րոպե է:

Պլուտոնիումը մեծ թեմա է։ Ահա ամենակարեւորներից ամենակարեւորը. Ի վերջո, արդեն ստանդարտ արտահայտություն է դարձել, որ պլուտոնիումի քիմիան շատ ավելի լավ է ուսումնասիրվել, քան երկաթի նման «հին» տարրերի քիմիան։ Պլուտոնիումի միջուկային հատկությունների մասին գրվել են ամբողջ գրքեր։ Պլուտոնիումի մետալուրգիան մարդկային գիտելիքների ևս մեկ զարմանալի հատված է... Հետևաբար, չպետք է մտածեք, որ այս պատմությունը կարդալուց հետո դուք իսկապես ծանոթացաք պլուտոնիումին՝ 20-րդ դարի կարևորագույն մետաղին։