იარაღის კლასის პლუტონიუმიარის პლუტონიუმი კომპაქტური ლითონის სახით, რომელიც შეიცავს 239Pu იზოტოპის მინიმუმ 93,5%-ს. განკუთვნილია ბირთვული იარაღის შესაქმნელად.
1.სახელი და მახასიათებლები
ისინი მას უწოდებენ "იარაღის ხარისხს", რათა განასხვავონ ის "რეაქტორული კლასისგან". პლუტონიუმი წარმოიქმნება ნებისმიერ ატომურ რეაქტორში, რომელიც მუშაობს ბუნებრივ ან დაბალ გამდიდრებულ ურანზე, რომელიც შეიცავს ძირითადად 238U იზოტოპს, როდესაც ის იჭერს ზედმეტ ნეიტრონებს. მაგრამ როდესაც რეაქტორი მუშაობს, პლუტონიუმის იარაღის დონის იზოტოპი სწრაფად იწვის და შედეგად, რეაქტორში გროვდება დიდი რაოდენობით იზოტოპები 240Pu, 241Pu და 242Pu, რომლებიც წარმოიქმნება რამდენიმე ნეიტრონის თანმიმდევრული დაჭერით - დამწვრობის სიღრმის შემდეგ. ჩვეულებრივ განისაზღვრება ეკონომიკური ფაქტორებით. რაც უფრო დაბალია დამწვრობის სიღრმე, მით ნაკლები იზოტოპები 240Pu, 241Pu და 242Pu შეიცავენ პლუტონიუმს, რომელიც გამოყოფილია დასხივებული ბირთვული საწვავისგან, მაგრამ მით ნაკლები პლუტონიუმი წარმოიქმნება საწვავში.
პლუტონიუმის სპეციალური წარმოება იარაღისთვის, რომელიც შეიცავს თითქმის ექსკლუზიურად 239Pu-ს, საჭიროა ძირითადად იმიტომ, რომ იზოტოპები მასობრივი ნომრებით 240 და 242 ქმნიან მაღალ ნეიტრონულ ფონს, რაც ართულებს ეფექტური ბირთვული იარაღის შექმნას, გარდა ამისა, 240Pu და 241Pu აქვთ მნიშვნელოვნად უფრო მოკლე ნახევარგამოყოფის პერიოდი, ვიდრე 239Pu, რის გამოც პლუტონიუმის ნაწილები თბება და აუცილებელია სითბოს ამოღების ელემენტების დამატებით შეყვანა ბირთვული იარაღის დიზაინში. თუნდაც სუფთა 239Pu უფრო თბილია ვიდრე ადამიანის სხეული. გარდა ამისა, მძიმე იზოტოპების დაშლის პროდუქტები აფუჭებს ლითონის კრისტალურ გისოსს, რამაც შეიძლება გამოიწვიოს პლუტონიუმის ნაწილების ფორმის შეცვლა, რამაც შეიძლება გამოიწვიოს ბირთვული ასაფეთქებელი მოწყობილობის უკმარისობა.
პრინციპში, ყველა ამ სირთულის დაძლევა შესაძლებელია და "რეაქტორის" პლუტონიუმისგან დამზადებული ბირთვული ასაფეთქებელი მოწყობილობები წარმატებით იქნა გამოცდილი, თუმცა საბრძოლო მასალაში, სადაც კომპაქტურობა, მსუბუქი წონა, საიმედოობა და გამძლეობა მნიშვნელოვან როლს თამაშობს, ექსკლუზიურად სპეციალურად წარმოებული იარაღის კლასის. პლუტონიუმი გამოიყენება. მეტალის 240Pu და 242Pu კრიტიკული მასა ძალიან დიდია, 241Pu ოდნავ აღემატება 239Pu-ს.
2. წარმოება
სსრკ-ში იარაღის კლასის პლუტონიუმის წარმოება განხორციელდა ჯერ მაიაკის ქარხანაში ოზერსკში (ყოფილი ჩელიაბინსკი-40, ჩელიაბინსკი-65), შემდეგ ციმბირის ქიმიურ ქარხანაში სევერსკში (ყოფილი ტომსკი-7), შემდეგ კი ამოქმედდა კრასნოიარსკის სამთო ქარხანა - ქიმიური ქარხანა ჟელეზნოგორსკში (ასევე ცნობილი როგორც სოცგოროდი და კრასნოიარსკი-26). რუსეთში იარაღის კლასის პლუტონიუმის წარმოება 1994 წელს შეწყდა. 1999 წელს დაიხურა რეაქტორები ოზიორსკში და სევერსკში, 2010 წელს კი ჟელეზნოგორსკის ბოლო რეაქტორი.
შეერთებულ შტატებში იარაღის ხარისხის პლუტონიუმი იწარმოებოდა რამდენიმე ადგილას, მაგალითად, ჰენფორდის კომპლექსში ვაშინგტონის შტატში. წარმოება დაიხურა 1988 წელს.
3.ახალი ელემენტების სინთეზი
ზოგიერთი ატომის სხვებად გარდაქმნა ხდება ატომური ან სუბატომური ნაწილაკების ურთიერთქმედების გზით. ამათგან მხოლოდ ნეიტრონებია ხელმისაწვდომი დიდი რაოდენობით. გიგავატიანი ბირთვული რეაქტორი გამოიმუშავებს დაახლოებით 3,75 კგ (ან 4 * 1030) ნეიტრონს ერთი წლის განმავლობაში.
4.პლუტონიუმის წარმოება
პლუტონიუმის ატომები წარმოიქმნება ატომური რეაქციების ჯაჭვის შედეგად, რომელიც იწყება ურანის 238 ატომის მიერ ნეიტრონის დაჭერით:
U238 + n -> U239 -> Np239 -> Pu239
ან უფრო ზუსტად:
0n1 + 92U238 -> 92U239 -> -1e0 + 93Np239 -> -1e0 + 94Pu239
მუდმივი დასხივებით, პლუტონიუმ-239-ის ზოგიერთ ატომს შეუძლია, თავის მხრივ, დაიჭიროს ნეიტრონი და გადაიქცეს უფრო მძიმე იზოტოპად პლუტონიუმ-240:
Pu239 + n -> Pu240
საკმარისი რაოდენობით პლუტონიუმის მისაღებად საჭიროა ძლიერი ნეიტრონული ნაკადები. ეს არის ზუსტად ის, რაც იქმნება ბირთვულ რეაქტორებში. პრინციპში, ნებისმიერი რეაქტორი არის ნეიტრონების წყარო, მაგრამ პლუტონიუმის სამრეწველო წარმოებისთვის ბუნებრივია სპეციალურად ამ მიზნით შექმნილი რეაქტორის გამოყენება.
მსოფლიოში პირველი კომერციული პლუტონიუმის წარმოების რეაქტორი იყო B-რეაქტორი ჰენფორდში. მუშაობდა 1944 წლის 26 სექტემბერს, სიმძლავრე - 250 მეგავატი, პროდუქტიულობა - 6 კგ პლუტონიუმი თვეში. იგი შეიცავდა დაახლოებით 200 ტონა ურანის ლითონს, 1200 ტონა გრაფიტს და გაცივდა წყლით 5 კუბური მეტრი/წთ სიჩქარით.
ჰენფორდის რეაქტორის პანელის დატვირთვა ურანის კასეტებით:
მისი მუშაობის სქემა. ურანი-238-ის დასხივების რეაქტორში ნეიტრონები იქმნება ურანი-235 ბირთვების დაშლის სტაციონარული ჯაჭვური რეაქციის შედეგად. U-235-ის დაშლაზე საშუალოდ 2,5 ნეიტრონი იწარმოება. რეაქციის შესანარჩუნებლად და ერთდროულად პლუტონიუმის წარმოებისთვის საჭიროა, რომ საშუალოდ ერთი ან ორი ნეიტრონი შეიწოვოს U-238-ით და ერთი გამოიწვიოს შემდეგი U-235 ატომის დაშლა.
ურანის დაშლის დროს წარმოქმნილ ნეიტრონებს აქვთ ძალიან მაღალი სიჩქარე. ურანის ატომები განლაგებულია ისე, რომ სწრაფი ნეიტრონების დაჭერა ორივე U-238 და U-235 ბირთვების მიერ ნაკლებად სავარაუდოა. ამიტომ, სწრაფი ნეიტრონები, რომლებმაც განიცადეს რამდენიმე შეჯახება მიმდებარე ატომებთან, თანდათან ნელდება. ამ შემთხვევაში, U-238 ბირთვები შთანთქავს ასეთ ნეიტრონებს (შუალედური სიჩქარეები) ისე ძლიერად, რომ არაფერი რჩება U-235-ის დაშლისთვის და ჯაჭვურ რეაქციას ინარჩუნებს (U-235 იყოფა ნელი, თერმული ნეიტრონებისაგან).
ამას ეწინააღმდეგება მოდერატორი, ურანის ბლოკების მიმდებარე ზოგიერთი მსუბუქი ნივთიერება. მასში ნეიტრონები ნელდება შთანთქმის გარეშე, განიცდის ელასტიურ შეჯახებებს, რომელთაგან თითოეულში ენერგიის მცირე ნაწილი იკარგება. კარგი მოდერატორებია წყალი და ნახშირბადი. ამრიგად, ნეიტრონები შენელებული თერმული სიჩქარით გადაადგილდებიან რეაქტორში, სანამ არ გამოიწვევენ U-235-ის დაშლას (U-238 მათ ძალიან სუსტად შთანთქავს). მოდერატორისა და ურანის ღეროების გარკვეული კონფიგურაციით შეიქმნება პირობები ნეიტრონების შთანთქმისთვის როგორც U-238, ასევე U-235-ით.
მიღებული პლუტონიუმის იზოტოპური შემადგენლობა დამოკიდებულია ურანის ღეროების რეაქტორში ყოფნის ხანგრძლივობაზე. Pu-240-ის მნიშვნელოვანი დაგროვება ხდება კასეტის ურანით გახანგრძლივებული დასხივების შედეგად. რეაქტორში ურანის ხანმოკლე ყოფნის დროს, Pu-239 მიიღება Pu-240-ის უმნიშვნელო შემცველობით.
Pu-240 საზიანოა იარაღის წარმოებისთვის შემდეგი მიზეზების გამო:
1. ის ნაკლებად იშლება ვიდრე Pu-239, ამიტომ იარაღის დასამზადებლად საჭიროა ოდნავ მეტი პლუტონიუმი.
2. მეორე, ბევრად უფრო მნიშვნელოვანი მიზეზი. Pu-240-ში სპონტანური დაშლის დონე გაცილებით მაღალია, რაც ქმნის ძლიერ ნეიტრონულ ფონს.
ატომური იარაღის განვითარების ადრეულ წლებში ნეიტრონის ემისია (მაღალი ნეიტრონული ფონი) იყო პრობლემა ნაადრევი დეტონაციის გამო საიმედო და ეფექტური დამუხტვის მისაღწევად. ძლიერმა ნეიტრონულმა ნაკადებმა გაართულა ან შეუძლებელი იყო ბომბის ბირთვის შეკუმშვა, რომელიც შეიცავს რამდენიმე კილოგრამ პლუტონიუმს სუპერკრიტიკულ მდგომარეობაში - მანამდე ის განადგურდა ყველაზე ძლიერი, მაგრამ მაინც არა მაქსიმალური ენერგიის გამომუშავებით. შერეული ბირთვების გამოჩენამ - რომელიც შეიცავს უაღრესად გამდიდრებულ U-235-ს და პლუტონიუმს (1940-იანი წლების ბოლოს) - გადალახა ეს სირთულე, როდესაც შესაძლებელი გახდა შედარებით მცირე რაოდენობით პლუტონიუმის გამოყენება ძირითადად ურანის ბირთვებში. მუხტების შემდეგი თაობამ, შერწყმის გაძლიერებულმა მოწყობილობებმა (1950-იანი წლების შუა ხანებში), მთლიანად აღმოფხვრა ეს სირთულე, რაც გარანტირებულია ენერგიის მაღალი გამოყოფის გარანტიით, თუნდაც დაბალი სიმძლავრის საწყისი დაშლის მუხტით.
სპეციალურ რეაქტორებში წარმოებული პლუტონიუმი შეიცავს Pu-240-ის შედარებით მცირე პროცენტს (<7%), плутоний "оружейного качества"; в реакторах АЭС отработанное ядерное топливо имеет концентрацию Pu-240 более 20%, плутоний "реакторного качества".
სპეციალური დანიშნულების რეაქტორებში ურანი იმყოფება შედარებით მოკლე დროში, რომლის დროსაც ყველა U-235 არ იწვის და ყველა U-238 არ გადაიქცევა პლუტონიუმად, მაგრამ წარმოიქმნება Pu-240-ის უფრო მცირე რაოდენობა.
Pu-240 დაბალი შემცველობით პლუტონიუმის წარმოქმნის ორი მიზეზი არსებობს:
ეკონომიკური: პლუტონიუმის სპეციალური რეაქტორების არსებობის ერთადერთი მიზეზი. პლუტონიუმის დაშლა დაშლა ან მისი გადაქცევა ნაკლებად დაშლილ Pu-240-ად ამცირებს შემოსავალს და ზრდის წარმოების ხარჯებს (იმ დონემდე, რომ მისი ფასი ბალანსირდება დასხივებული საწვავის დამუშავების ხარჯებთან პლუტონიუმის დაბალი კონცენტრაციით).
დამუშავების სირთულე: მიუხედავად იმისა, რომ ნეიტრონების ემისია არ არის მთავარი საზრუნავი იარაღის დიზაინერებისთვის, მას შეუძლია შექმნას წარმოების და დამუშავების გამოწვევები ასეთი მუხტის დროს. ნეიტრონები ქმნიან დამატებით წვლილს საოკუპაციო ზემოქმედებაში მათთვის, ვინც იარაღს აგროვებს ან ინახავს (თვითონ ნეიტრონები არ იონიზდებიან, მაგრამ ისინი ქმნიან პროტონებს, რომლებსაც შეუძლიათ). ფაქტობრივად, მუხტებმა, რომლებიც მოიცავს უშუალო კონტაქტს ადამიანებთან, როგორიცაა Davy Crocket, შეიძლება მოითხოვოს ულტრა სუფთა, დაბალი ნეიტრონების გამოსხივების პლუტონიუმი ამ მიზეზით.
პლუტონიუმის ფაქტობრივი ჩამოსხმა და დამუშავება ხდება ხელით დალუქულ კამერებში ოპერატორის ხელთათმანებით. Როგორც ესენი:
ეს გულისხმობს ადამიანების ძალიან მცირე დაცვას ნეიტრონების გამოსხივების პლუტონიუმისგან. ამიტომ, Pu-240-ის მაღალი შემცველობის მქონე პლუტონიუმის დამუშავება ხდება მხოლოდ მანიპულატორების მიერ, ან თითოეული მუშის მუშაობის დრო მკაცრად შეზღუდულია.
ყველა ამ მიზეზის გამო (რადიოაქტიურობა, Pu-240-ის უარესი თვისებები) ახსნილია, რატომ არ გამოიყენება რეაქტორის ხარისხის პლუტონიუმი იარაღის დასამზადებლად - უფრო იაფია სპეციალური იარაღის ხარისხის პლუტონიუმის წარმოება. რეაქტორები. თუმცა, როგორც ჩანს, ასევე შესაძლებელია ბირთვული ასაფეთქებელი მოწყობილობის დამზადება რეაქტორისგან.
პლუტონიუმის ბეჭედი
ეს რგოლი დამზადებულია ელექტროლიტურად გაწმენდილი პლუტონიუმის ლითონისგან (99,96%-ზე მეტი სისუფთავე). ტიპიურია ლოს ალამოსში მომზადებული რგოლებისთვის და გაგზავნილი როკი ფლატსში იარაღის დასამზადებლად, სანამ წარმოება ცოტა ხნის წინ შეჩერდა. ბეჭდის მასა 5,3 კგ, საკმარისია თანამედროვე სტრატეგიული მუხტის დასამზადებლად, დიამეტრი დაახლოებით 11 სმ. რგოლის ფორმა მნიშვნელოვანია კრიტიკული უსაფრთხოების უზრუნველსაყოფად.
იარაღის ბირთვიდან ამოღებული პლუტონიუმ-გალიუმის შენადნობის ჩამოსხმა:
პლუტონიუმი მანჰეტენის პროექტის დროს
ისტორიულად, 1944 წლის 23 მარტს ლოს ალამოსში ტედ მეგელისა და ნიკ დალასის მიერ წარმოებული პლუტონიუმის ლითონის პირველი 520 მილიგრამი იყო.
პრესა პლუტონიუმ-გალიუმის შენადნობის ცხელი დაწნეხვისთვის ნახევარსფეროების სახით. ეს პრესა გამოიყენებოდა ლოს ალამოსში პლუტონიუმის ბირთვების დასამზადებლად ნაგასაკისა და ოპერაცია სამების დროს აფეთქებული მუხტებისთვის.
მასზე ჩამოსხმული პროდუქტები:
პლუტონიუმის დამატებითი ქვეპროდუქტის იზოტოპები
ნეიტრონის დაჭერა, რომელსაც არ ახლავს დაყოფა, ქმნის პლუტონიუმის ახალ იზოტოპებს: Pu-240, Pu-241 და Pu-242. ბოლო ორი გროვდება მცირე რაოდენობით.
Pu239 + n -> Pu240
Pu240 + n -> Pu241
Pu241 + n -> Pu242
ასევე შესაძლებელია რეაქციების გვერდითი ჯაჭვი:
U238 + n -> U237 + 2n
U237 -> (6.75 დღე, ბეტა დაშლა) -> Np237
Np237 + n -> Np238
Np238 -> (2.1 დღე, ბეტა დაშლა) -> Pu238
საწვავის უჯრედის დასხივების (ნარჩენების) საერთო ზომა შეიძლება გამოისახოს მეგავატ დღეში/ტონაში (მვტ-დღე/ტ). იარაღის კლასის პლუტონიუმიხარისხი მიიღება ელემენტებიდან მცირე რაოდენობით მეგავატ-დღე/ტ, იგი წარმოქმნის ნაკლებ ქვეპროდუქტის იზოტოპებს. თანამედროვე წნევით წყლის რეაქტორებში საწვავის უჯრედები აღწევს 33000 მეგავატ დღეში/ტ დონეს. იარაღის სელექციონერის (ატომური საწვავის გაფართოებული მოშენებით) რეაქტორში ტიპიური ექსპოზიცია არის 1000 მეგავატი დღეში/ტ. ჰანფორდის გრაფიტის მოდერნიზებულ რეაქტორებში პლუტონიუმი დასხივებულია 600 მეგავატ-დღე/ტ-მდე, სავანაში მძიმე წყლის რეაქტორი აწარმოებს იმავე ხარისხის პლუტონიუმს 1000 მეგავატ/ტ დღეში (შესაძლოა იმის გამო, რომ ზოგიერთი ნეიტრონი არის დაიხარჯა ტრიტიუმის ფორმირებაზე) . მანჰეტენის პროექტის დროს ბუნებრივი ურანის საწვავი იღებდა მხოლოდ 100 მეგავატ/ტ დღეში, რითაც წარმოიქმნა ძალიან მაღალი ხარისხის პლუტონიუმი-239 (მხოლოდ 0,9-1% Pu-240, სხვა იზოტოპები კიდევ უფრო მცირე რაოდენობით).
Დაკავშირებული ინფორმაცია.
პლუტონიუმი აღმოაჩინეს 1940 წლის ბოლოს კალიფორნიის უნივერსიტეტში. იგი სინთეზირებული იყო მაკმილანის, კენედის და უოლს მიერ ურანის ოქსიდის (U 3 O 8) დაბომბვით დეიტერიუმის ბირთვებით (დეიტერონები), რომლებიც ძლიერ აჩქარებულ იქნა ციკლოტრონში. მოგვიანებით გაირკვა, რომ ეს ბირთვული რეაქცია პირველად წარმოქმნის ხანმოკლე იზოტოპს ნეპტუნიუმ-238 და მისგან პლუტონიუმ-238-ს, რომლის ნახევარგამოყოფის პერიოდი დაახლოებით 50 წელია. ერთი წლის შემდეგ, კენედიმ, სიბორგმა, სეგრემ და უოლმა ასინთეზეს უფრო მნიშვნელოვანი იზოტოპი, პლუტონიუმ-239, ურანის დასხივებით ციკლოტრონიში მაღალაჩქარებული ნეიტრონებით. პლუტონიუმი-239 წარმოიქმნება ნეპტუნიუმ-239-ის დაშლის შედეგად; ის ასხივებს ალფა სხივებს და ნახევარგამოყოფის პერიოდი 24000 წელია. სუფთა პლუტონიუმის ნაერთი პირველად 1942 წელს იქნა მიღებული. შემდეგ ცნობილი გახდა, რომ ბუნებრივი პლუტონიუმი იყო ნაპოვნი ურანის მადნებში, კერძოდ კონგოში დეპონირებულ მადნებში.
ელემენტის სახელი შემოთავაზებული იქნა 1948 წელს: მაკმილანმა პირველ ტრანსურანულ ელემენტს ნეპტუნიუმი დაარქვა იმის გამო, რომ პლანეტა ნეპტუნი პირველია ურანის მიღმა. ანალოგიით, მათ გადაწყვიტეს ელემენტს 94-ს პლუტონიუმი ეწოდოს, რადგან პლანეტა პლუტონი ურანის შემდეგ მეორეა. 1930 წელს აღმოჩენილმა პლუტონმა მიიღო სახელი ბერძნულ მითოლოგიაში ქვესკნელის მმართველის ღმერთის პლუტონის სახელიდან. XIX საუკუნის დასაწყისში. კლარკმა შესთავაზა ელემენტს ბარიუმის პლუტონიუმი ეწოდოს, ეს სახელი პირდაპირ ღმერთის პლუტონის სახელიდან მომდინარეობს, მაგრამ მისი წინადადება არ მიიღეს.
ამ ლითონს ძვირფასს უწოდებენ, მაგრამ არა მისი სილამაზის, არამედ შეუცვლელობის გამო. მენდელეევის პერიოდულ სისტემაში ეს ელემენტი იკავებს უჯრედის ნომერს 94. სწორედ მასთან ამყარებენ ყველაზე დიდ იმედებს მეცნიერები და სწორედ პლუტონიუმს უწოდებენ კაცობრიობისთვის ყველაზე საშიშ ლითონს.
პლუტონიუმი: აღწერა
გარეგნულად ის მოვერცხლისფრო-თეთრი ლითონია. ის რადიოაქტიურია და შეიძლება წარმოდგენილი იყოს 15 იზოტოპის სახით სხვადასხვა ნახევარგამოყოფის პერიოდით, მაგალითად:
- Pu-238 - დაახლოებით 90 წელი
- Pu-239 - დაახლოებით 24 ათასი წელი
- Pu-240 – 6580 წლები
- Pu-241 – 14 წელი
- Pu-242 – 370 ათასი წელი
- Pu-244 - დაახლოებით 80 მილიონი წელი
ამ ლითონის მოპოვება შეუძლებელია მადნიდან, რადგან ის არის ურანის რადიოაქტიური ტრანსფორმაციის პროდუქტი.
როგორ მიიღება პლუტონიუმი?
პლუტონიუმის წარმოებისთვის საჭიროა ურანის დაშლა, რაც მხოლოდ ბირთვულ რეაქტორებშია შესაძლებელი. თუ ვსაუბრობთ პუ ელემენტის არსებობაზე დედამიწის ქერქში, მაშინ 4 მილიონი ტონა ურანის საბადოსთვის იქნება მხოლოდ 1 გრამი სუფთა პლუტონიუმი. და ეს გრამი წარმოიქმნება ურანის ბირთვების მიერ ნეიტრონების ბუნებრივი დაჭერით. ამგვარად, ამ ბირთვული საწვავის (ჩვეულებრივ იზოტოპი 239-Pu) რამდენიმე კილოგრამის ოდენობის მისაღებად აუცილებელია ბირთვულ რეაქტორში რთული ტექნოლოგიური პროცესის ჩატარება.
პლუტონიუმის თვისებები
რადიოაქტიურ მეტალის პლუტონიუმს აქვს შემდეგი ფიზიკური თვისებები:
- სიმკვრივე 19.8 გ/სმ 3
- დნობის წერტილი – 641°C
- დუღილის წერტილი – 3232°C
- თბოგამტარობა (300 K-ზე) – 6,74 W/(m K)
პლუტონიუმი რადიოაქტიურია, რის გამოც იგი თბილია შეხებისას. უფრო მეტიც, ეს მეტალი ხასიათდება ყველაზე დაბალი თერმული და ელექტრული გამტარობით. თხევადი პლუტონიუმი ყველაზე ბლანტია ყველა არსებულ ლითონს შორის.
პლუტონიუმის ტემპერატურის უმნიშვნელო ცვლილება იწვევს ნივთიერების სიმკვრივის მყისიერ ცვლილებას. ზოგადად, პლუტონიუმის მასა მუდმივად იცვლება, რადგან ამ ლითონის ბირთვები მუდმივი დაშლის მდგომარეობაშია პატარა ბირთვებად და ნეიტრონებში. პლუტონიუმის კრიტიკული მასა არის დაშლელი ნივთიერების მინიმალური მასის სახელი, რომლის დროსაც დაშლა (ბირთვული ჯაჭვის რეაქცია) შესაძლებელია. მაგალითად, იარაღის კლასის პლუტონიუმის კრიტიკული მასა არის 11 კგ (შედარებისთვის, მაღალ გამდიდრებული ურანის კრიტიკული მასა არის 52 კგ).
ურანი და პლუტონიუმი ძირითადი ბირთვული საწვავია. პლუტონიუმის დიდი რაოდენობით მისაღებად გამოიყენება ორი ტექნოლოგია:
- ურანის დასხივება
- დახარჯული საწვავისგან მიღებული ტრანსურანის ელემენტების დასხივება
ორივე მეთოდი გულისხმობს პლუტონიუმის და ურანის გამოყოფას ქიმიური რეაქციის შედეგად.
სუფთა პლუტონიუმ-238-ის მისაღებად გამოიყენება ნეპტუნიუმ-237-ის ნეიტრონული დასხივება. იგივე იზოტოპი მონაწილეობს იარაღის კლასის პლუტონიუმ-239-ის შექმნაში; კერძოდ, ეს არის შუალედური დაშლის პროდუქტი. 1 მილიონი დოლარი არის 1 კგ პლუტონიუმ-238-ის ფასი.
კაცობრიობა ყოველთვის ეძებდა ენერგიის ახალ წყაროებს, რომლებსაც შეუძლიათ მრავალი პრობლემის გადაჭრა. თუმცა, ისინი ყოველთვის არ არიან უსაფრთხო. ასე რომ, კერძოდ, დღეს ფართოდ გამოყენებული, თუმცა მათ შეუძლიათ გამოიმუშაონ უბრალოდ კოლოსალური ელექტროენერგია, რომელიც ყველას სჭირდება, მაინც მოკვდავი საფრთხის შემცველია. მაგრამ, გარდა მშვიდობიანი მიზნებისა, ჩვენს პლანეტაზე ზოგიერთმა ქვეყანამ ისწავლა მისი გამოყენება სამხედრო მიზნებისთვის, განსაკუთრებით ბირთვული ქობინების შესაქმნელად. ამ სტატიაში განხილული იქნება ასეთი დესტრუქციული იარაღის საფუძველი, რომლის სახელია იარაღის კლასის პლუტონიუმი.
მოკლე ინფორმაცია
ლითონის ეს კომპაქტური ფორმა შეიცავს 239Pu იზოტოპის მინიმუმ 93,5%-ს. იარაღის კლასის პლუტონიუმი დაარქვეს ისე, რომ მისი "რეაქტორის ანალოგისგან" განასხვავონ. პრინციპში, პლუტონიუმი ყოველთვის იქმნება აბსოლუტურად ნებისმიერ ბირთვულ რეაქტორში, რომელიც, თავის მხრივ, მუშაობს დაბალ გამდიდრებულ ან ბუნებრივ ურანზე, რომელიც უმეტესწილად შეიცავს 238U იზოტოპს.
გამოყენება სამხედრო ინდუსტრიაში
იარაღის კლასის პლუტონიუმი 239Pu არის ბირთვული იარაღის საფუძველი. ამავდროულად, იზოტოპების გამოყენება 240 და 242 მასობრივი ნომრებით შეუსაბამოა, რადგან ისინი ქმნიან ძალიან მაღალ ნეიტრონულ ფონს, რაც საბოლოოდ ართულებს მაღალეფექტური ბირთვული საბრძოლო მასალის შექმნას და დიზაინს. გარდა ამისა, პლუტონიუმის იზოტოპებს 240Pu და 241Pu აქვთ მნიშვნელოვნად უფრო მოკლე ნახევარგამოყოფის პერიოდი 239Pu-სთან შედარებით, ამიტომ პლუტონიუმის ნაწილები ძალიან ცხელდება. სწორედ ამ მხრივ ინჟინრები იძულებულნი არიან დამატებით დაამატონ ელემენტები ბირთვულ იარაღში ზედმეტი სითბოს მოსაშორებლად. სხვათა შორის, 239Pu მისი სუფთა სახით უფრო თბილია ვიდრე ადამიანის სხეული. ასევე შეუძლებელია არ გავითვალისწინოთ ის ფაქტი, რომ მძიმე იზოტოპების დაშლის პროცესის პროდუქტები ექვემდებარება ლითონის კრისტალურ გისოსს მავნე ცვლილებებს და ეს ბუნებრივად ცვლის პლუტონიუმის ნაწილების კონფიგურაციას, რაც, საბოლოო ჯამში, შეიძლება. გამოიწვიოს ბირთვული ასაფეთქებელი მოწყობილობის სრული გაუმართაობა.
ზოგადად, ყველა ზემოთ ჩამოთვლილი სირთულის დაძლევა შესაძლებელია. და პრაქტიკაში, ტესტები უკვე არაერთხელ ჩატარდა "რეაქტორის" პლუტონიუმის საფუძველზე. მაგრამ უნდა გვესმოდეს, რომ ბირთვულ იარაღში მათი კომპაქტურობა, დაბალი მკვდარი წონა, გამძლეობა და საიმედოობა სულაც არ არის უმნიშვნელოვანესი. ამასთან დაკავშირებით, ისინი იყენებენ ექსკლუზიურად იარაღის კლასის პლუტონიუმს.
წარმოების რეაქტორების დიზაინის მახასიათებლები
რუსეთში თითქმის მთელი პლუტონიუმი იწარმოებოდა გრაფიტის მოდერატორით აღჭურვილ რეაქტორებში. თითოეული რეაქტორი აგებულია გრაფიტის ცილინდრულად აწყობილი ბლოკების გარშემო.
აწყობისას, გრაფიტის ბლოკებს შორის აქვთ სპეციალური ჭრილები, რათა უზრუნველყონ გამაგრილებლის უწყვეტი მიმოქცევა, რომელიც იყენებს აზოტს. აწყობილ სტრუქტურას ასევე აქვს ვერტიკალურად განლაგებული არხები, რომლებიც შექმნილია მათში წყლის გაგრილებისა და საწვავის გასავლელად. თავად ასამბლეა მყარად ეყრდნობა კონსტრუქციას არხების ქვეშ არსებული ღიობებით, რომლებიც გამოიყენება უკვე დასხივებული საწვავის გამოსაშვებად. უფრო მეტიც, თითოეული არხი განლაგებულია თხელკედლიან მილში, რომელიც ჩამოსხმულია მსუბუქი და უკიდურესად ძლიერი ალუმინის შენადნობიდან. აღწერილი არხების უმეტესობას აქვს 70 საწვავის ღერო. გამაგრილებელი წყალი მიედინება უშუალოდ საწვავის ღეროების გარშემო, შლის მათგან ზედმეტ სითბოს.
წარმოების რეაქტორების სიმძლავრის გაზრდა
თავდაპირველად მაიაკის პირველი რეაქტორი მუშაობდა 100 მგვტ თერმული სიმძლავრით. ამასთან, საბჭოთა ბირთვული იარაღის პროგრამის მთავარმა ლიდერმა წამოაყენა წინადადება, რომ რეაქტორი ზამთარში უნდა მუშაობდეს 170-190 მეგავატი სიმძლავრით, ხოლო ზაფხულში 140-150 მეგავატი. ამ მიდგომამ რეაქტორს საშუალება მისცა დღეში თითქმის 140 გრამი ძვირფასი პლუტონიუმის გამომუშავება.
1952 წელს ჩატარდა სრულფასოვანი კვლევითი სამუშაოები მოქმედი რეაქტორების წარმოების სიმძლავრის გაზრდის მიზნით შემდეგი მეთოდების გამოყენებით:
- წყლის ნაკადის გაზრდით, რომელიც გამოიყენება გაგრილებისთვის და მიედინება ატომური ქარხნის ბირთვებში.
- კოროზიის ფენომენისადმი წინააღმდეგობის გაზრდით, რომელიც ხდება არხის ლაინერთან ახლოს.
- გრაფიტის დაჟანგვის სიჩქარის შემცირება.
- საწვავის უჯრედებში ტემპერატურის გაზრდა.
შედეგად, მოცირკულირე წყლის გამტარუნარიანობა მნიშვნელოვნად გაიზარდა მას შემდეგ, რაც გაიზარდა უფსკრული საწვავსა და არხის კედლებს შორის. ჩვენ ასევე მოვახერხეთ კოროზიისგან თავის დაღწევა. ამისათვის შეირჩა ყველაზე შესაფერისი ალუმინის შენადნობები და დაიწყო ნატრიუმის ბიქრომატის აქტიური დამატება, რამაც საბოლოოდ გაზარდა გამაგრილებელი წყლის სირბილე (pH გახდა დაახლოებით 6.0-6.2). გრაფიტის დაჟანგვამ შეწყვიტა აქტუალური პრობლემა მას შემდეგ, რაც მის გასაგრილებლად აზოტი გამოიყენეს (ადრე მხოლოდ ჰაერი გამოიყენებოდა).
1950-იანი წლების ბოლოს, ინოვაციები სრულად იქნა რეალიზებული პრაქტიკაში, ამცირებს რადიაციის შედეგად გამოწვეული ურანის ძალიან არასაჭირო ინფლაციას, მნიშვნელოვნად ამცირებს ურანის ღეროების სითბოს გამკვრივებას, აუმჯობესებს მოპირკეთების წინააღმდეგობას და ზრდის წარმოების ხარისხის კონტროლს.
წარმოება მაიაკში
"ჩელიაბინსკი-65" არის ერთ-ერთი იმ საიდუმლო ქარხანა, სადაც შეიქმნა იარაღის ხარისხის პლუტონიუმი. საწარმოს რამდენიმე რეაქტორი ჰქონდა და თითოეულ მათგანს უფრო დეტალურად განვიხილავთ.
რეაქტორი ა
ინსტალაცია შეიქმნა და შეიქმნა ლეგენდარული N.A. Dollezhal-ის ხელმძღვანელობით. იგი მუშაობდა 100 მეგავატი სიმძლავრით. რეაქტორს ჰქონდა 1149 ვერტიკალურად განლაგებული საკონტროლო და საწვავის არხი გრაფიტის ბლოკში. სტრუქტურის საერთო წონა იყო დაახლოებით 1050 ტონა. თითქმის ყველა არხი (25-ის გარდა) დატვირთული იყო ურანით, რომლის საერთო მასა 120-130 ტონას შეადგენდა. 17 არხი გამოიყენებოდა საკონტროლო წნელებისთვის, ხოლო 8 ექსპერიმენტებისთვის. საწვავის უჯრედის მაქსიმალური დიზაინის სითბოს გათავისუფლება იყო 3,45 კვტ. თავდაპირველად რეაქტორი დღეში დაახლოებით 100 გრამ პლუტონიუმს აწარმოებდა. პირველი მეტალის პლუტონიუმი წარმოიქმნა 1949 წლის 16 აპრილს.
ტექნოლოგიური ნაკლოვანებები
თითქმის მაშინვე გამოვლინდა საკმაოდ სერიოზული პრობლემები, რომლებიც შედგებოდა ალუმინის ლაინერების კოროზიისგან და საწვავის უჯრედების დაფარვისგან. ურანის ღეროებიც ადიდდა და დაზიანდა, რამაც გამაგრილებელი წყალი პირდაპირ რეაქტორის ბირთვში გაჟონა. ყოველი გაჟონვის შემდეგ რეაქტორი უნდა შეჩერებულიყო 10 საათამდე, რათა გრაფიტი ჰაერით გაშრეს. 1949 წლის იანვარში შეიცვალა არხის ლაინერები. ამის შემდეგ, ინსტალაცია დაიწყო 1949 წლის 26 მარტს.
იარაღის კლასის პლუტონიუმი, რომლის წარმოებას A რეაქტორზე თან ახლდა ყველანაირი სირთულე, იწარმოებოდა 1950-1954 წლებში, საშუალო ერთეულის სიმძლავრით 180 მგვტ. რეაქტორის შემდგომ მუშაობას თან ახლდა უფრო ინტენსიური გამოყენება, რაც ბუნებრივად იწვევდა უფრო ხშირ გამორთვას (თვეში 165-ჯერ). შედეგად, რეაქტორი დაიხურა 1963 წლის ოქტომბერში და განაახლა მუშაობა მხოლოდ 1964 წლის გაზაფხულზე. მან მთლიანად დაასრულა თავისი კამპანია 1987 წელს და მრავალი წლის მუშაობის განმავლობაში მან 4,6 ტონა პლუტონიუმი გამოუშვა.
AB რეაქტორები
გადაწყდა სამი AB რეაქტორის აშენება ჩელიაბინსკი-65 საწარმოში 1948 წლის შემოდგომაზე. მათი წარმოების სიმძლავრე იყო 200-250 გრამი პლუტონიუმი დღეში. პროექტის მთავარი დიზაინერი იყო ა.სავინი. თითოეული რეაქტორი შედგებოდა 1996 არხისგან, რომელთაგან 65 იყო საკონტროლო არხი. ინსტალაციამ გამოიყენა ტექნიკური სიახლე - თითოეული არხი აღჭურვილი იყო სპეციალური გამაგრილებლის გაჟონვის დეტექტორით. ამ ნაბიჯმა შესაძლებელი გახადა ლაინერების შეცვლა თავად რეაქტორის მუშაობის შეჩერების გარეშე.
რეაქტორების მუშაობის პირველმა წელმა აჩვენა, რომ ისინი დღეში დაახლოებით 260 გრამ პლუტონიუმს აწარმოებდნენ. თუმცა, ექსპლუატაციის მეორე წლიდან, სიმძლავრე თანდათან გაიზარდა და უკვე 1963 წელს მისი მაჩვენებელი 600 მეგავატი იყო. მეორე კაპიტალური რემონტის შემდეგ ლაინერების პრობლემა მთლიანად მოგვარდა და სიმძლავრე უკვე 1200 მეგავატი იყო პლუტონიუმის წლიური წარმოებით 270 კილოგრამი. ეს მაჩვენებლები შენარჩუნდა მანამ, სანამ რეაქტორები მთლიანად დაიხურებოდა.
AI-IR რეაქტორი
ჩელიაბინსკის საწარმო იყენებდა ამ ინსტალაციას 1951 წლის 22 დეკემბრიდან 1987 წლის 25 მაისამდე. ურანის გარდა, რეაქტორში ასევე იწარმოებოდა კობალტი-60 და პოლონიუმი-210. თავდაპირველად ქარხანა აწარმოებდა ტრიტიუმს, მაგრამ მოგვიანებით დაიწყო პლუტონიუმის წარმოება.
ასევე, იარაღის ხარისხის პლუტონიუმის გადამამუშავებელ ქარხანას ჰქონდა რეაქტორები, რომლებიც მუშაობდნენ მძიმე წყალზე და ერთი მსუბუქი წყლის რეაქტორი (მისი სახელი იყო "რუსლან").
ციმბირული გიგანტი
"ტომსკ-7" ერქვა ქარხანას, რომელშიც განთავსებული იყო პლუტონიუმის შექმნის ხუთი რეაქტორი. თითოეულმა ერთეულმა გამოიყენა გრაფიტი ნეიტრონების შესანელებლად და ჩვეულებრივი წყალი სათანადო გაგრილების უზრუნველსაყოფად.
I-1 რეაქტორი მუშაობდა გაგრილების სისტემით, რომელშიც წყალი ერთხელ გადიოდა. თუმცა, დანარჩენი ოთხი ინსტალაცია აღჭურვილი იყო დახურული პირველადი სქემებით, რომლებიც აღჭურვილია სითბოს გადამცვლელებით. ამ დიზაინმა შესაძლებელი გახადა ორთქლის დამატებით გამომუშავება, რაც თავის მხრივ დაეხმარა ელექტროენერგიის წარმოებას და სხვადასხვა საცხოვრებელი ფართის გათბობას.
ტომსკ-7-ს ჰქონდა ასევე რეაქტორი სახელწოდებით EI-2, რომელსაც, თავის მხრივ, ორმაგი დანიშნულება ჰქონდა: აწარმოებდა პლუტონიუმს და წარმოქმნილი ორთქლის გამო გამოიმუშავებდა 100 მეგავატ ელექტროენერგიას, ასევე 200 მეგავატ თბოენერგიას.
Მნიშვნელოვანი ინფორმაცია
მეცნიერთა აზრით, იარაღის კლასის პლუტონიუმის ნახევარგამოყოფის პერიოდი დაახლოებით 24360 წელია. უზარმაზარი რიცხვი! ამასთან დაკავშირებით, კითხვა განსაკუთრებით მწვავე ხდება: "როგორ სწორად გავუმკლავდეთ ამ ელემენტის წარმოების ნარჩენებს?" საუკეთესო ვარიანტად ითვლება სპეციალური საწარმოების მშენებლობა იარაღის ხარისხის პლუტონიუმის შემდგომი გადამუშავებისთვის. ეს აიხსნება იმით, რომ ამ შემთხვევაში ელემენტი სამხედრო მიზნებისთვის ვეღარ იქნება გამოყენებული და ადამიანის კონტროლის ქვეშ იქნება. ზუსტად ასე განადგურდება რუსეთში იარაღის კლასის პლუტონიუმი, მაგრამ ამერიკის შეერთებულმა შტატებმა სხვა გზა აირჩია, რითაც არღვევს თავის საერთაშორისო ვალდებულებებს.
ამრიგად, ამერიკის მთავრობა გვთავაზობს ძლიერ გამდიდრებული მასალის განადგურებას არა სამრეწველო საშუალებებით, არამედ პლუტონიუმის განზავებით და სპეციალურ კონტეინერებში 500 მეტრის სიღრმეზე შენახვით. ცხადია, რომ ამ შემთხვევაში მასალა ადვილად შეიძლება ნებისმიერ დროს მოიხსნას მიწიდან და კვლავ გამოიყენოს სამხედრო მიზნებისთვის. რუსეთის პრეზიდენტის ვლადიმერ პუტინის თქმით, თავდაპირველად ქვეყნები შეთანხმდნენ პლუტონიუმის განადგურებაზე არა ამ მეთოდით, არამედ სამრეწველო ობიექტებში განთავსებაზე.
იარაღის კლასის პლუტონიუმის ღირებულება განსაკუთრებულ ყურადღებას იმსახურებს. ექსპერტების აზრით, ამ ელემენტის ათობით ტონა შესაძლოა რამდენიმე მილიარდი აშშ დოლარი დაჯდეს. ზოგიერთმა ექსპერტმა კი შეაფასა 500 ტონა იარაღის ხარისხის პლუტონიუმი 8 ტრილიონ დოლარად. თანხა მართლაც შთამბეჭდავია. იმის გასაგებად, თუ რა თანხაა ეს, ვთქვათ, რომ მე-20 საუკუნის ბოლო ათი წლის განმავლობაში რუსეთის საშუალო წლიური მშპ 400 მილიარდი დოლარი იყო. ანუ, ფაქტობრივად, იარაღის ხარისხის პლუტონიუმის რეალური ფასი უდრიდა რუსეთის ფედერაციის ოცი წლიური მშპ-ს.
ის ნამდვილად ძვირფასია.
ფონი და ისტორია
დასაწყისში იყო პროტონები - გალაქტიკური წყალბადი. მისი შეკუმშვის და შემდგომი ბირთვული რეაქციების შედეგად წარმოიქმნა ნუკლეონების ყველაზე წარმოუდგენელი „ინგოტები“. მათ შორის, ამ „ინგოტებს“, როგორც ჩანს, იყო ისეთებიც, რომლებიც შეიცავდნენ 94 პროტონს. თეორეტიკოსების შეფასებით, დაახლოებით 100 ნუკლეონის წარმონაქმნი, რომელიც მოიცავს 94 პროტონს და 107-დან 206 ნეიტრონს, იმდენად სტაბილურია, რომ ისინი შეიძლება ჩაითვალოს No94 ელემენტის იზოტოპების ბირთვებად.
მაგრამ ყველა ეს იზოტოპი - ჰიპოთეტური და რეალური - არც ისე სტაბილურია, რომ დღემდე გადარჩეს მზის სისტემის ელემენტების ჩამოყალიბებიდან. No94 ელემენტის ყველაზე ხანგრძლივი იზოტოპის ნახევარგამოყოფის პერიოდი 75 მილიონი წელია. გალაქტიკის ასაკი იზომება მილიარდობით წლით. შესაბამისად, „პირველადი“ პლუტონიუმს დღემდე არ ჰქონდა გადარჩენის შანსი. თუ ის სამყაროს ელემენტების დიდი სინთეზის დროს ჩამოყალიბდა, მაშინ მისი უძველესი ატომები დიდი ხნის წინ "გადაშენდა", ისევე როგორც დინოზავრები და მამონტები გადაშენდნენ.
მე-20 საუკუნეში ახალი ეპოქა, AD, ეს ელემენტი ხელახლა შეიქმნა. პლუტონიუმის 100 შესაძლო იზოტოპიდან სინთეზირებულია 25. შესწავლილია 15-ის ბირთვული თვისებები. ოთხმა იპოვა პრაქტიკული გამოყენება. და სულ ახლახან გაიხსნა. 1940 წლის დეკემბერში, როდესაც ურანი დასხივებული იქნა მძიმე წყალბადის ბირთვებით, ამერიკელმა რადიოქიმიკოსთა ჯგუფმა გლენ ტ. სიბორგის ხელმძღვანელობით აღმოაჩინა მანამდე უცნობი ალფა ნაწილაკების ემიტერი, რომლის ნახევარგამოყოფის პერიოდი 90 წელია. ეს ემიტერი აღმოჩნდა No94 ელემენტის იზოტოპი 238 მასობრივი ნომრით. იმავე წელს, მაგრამ რამდენიმე თვით ადრე, ე.მ. მაკმილანმა და ფ.აბელსონმა მიიღეს ურანზე მძიმე პირველი ელემენტი - ელემენტი No93. ამ ელემენტს ეწოდა ნეპტუნიუმი, ხოლო 94-ე - პლუტონიუმი. ისტორიკოსი აუცილებლად იტყვის, რომ ეს სახელები სათავეს იღებს რომაულ მითოლოგიაში, მაგრამ არსებითად ამ სახელების წარმოშობა უფრო არა მითოლოგიური, არამედ ასტრონომიულია.
92-ე და 93-ე ელემენტებს მზის სისტემის შორეული პლანეტების - ურანისა და ნეპტუნის სახელები ჰქვია, მაგრამ ნეპტუნი არ არის უკანასკნელი მზის სისტემაში, კიდევ უფრო შორს არის პლუტონის ორბიტა - პლანეტა, რომლის შესახებაც თითქმის არაფერია ცნობილი. .. მსგავს კონსტრუქციას პერიოდული ცხრილის „მარცხენა ფლანგზეც“ ვხედავთ: ურანი – ნეპტუნიუმი – პლუტონიუმი, თუმცა კაცობრიობამ პლუტონიუმის შესახებ გაცილებით მეტი იცის, ვიდრე პლუტონის შესახებ. სხვათა შორის, ასტრონომებმა პლუტონი აღმოაჩინეს პლუტონიუმის სინთეზამდე სულ რაღაც ათი წლით ადრე - დროის თითქმის იმავე მონაკვეთში გამოეყო ურანის აღმოჩენები - პლანეტა და ურანი - ელემენტი.
გამოცანები კრიპტოგრაფებისთვის
No94 ელემენტის პირველმა იზოტოპმა, პლუტონიუმ-238, ამ დღეებში პრაქტიკული გამოყენება ჰპოვა. მაგრამ 40-იანი წლების დასაწყისში მათ არც კი უფიქრიათ ამაზე. პლუტონიუმ-238-ის პრაქტიკული ინტერესის რაოდენობით მიღება შესაძლებელია მხოლოდ ძლიერ ბირთვულ ინდუსტრიაზე დაყრდობით. იმ დროს ის ჯერ კიდევ საწყის ეტაპზე იყო. მაგრამ უკვე ცხადი იყო, რომ მძიმე რადიოაქტიური ელემენტების ბირთვებში არსებული ენერგიის განთავისუფლებით შესაძლებელი იყო უპრეცედენტო სიმძლავრის იარაღის მოპოვება. გამოჩნდა მანჰეტენის პროექტი, რომელსაც არაფერი ჰქონდა საერთო სახელის მეტი ცნობილ ნიუ-იორკის ზონასთან. ეს იყო ზოგადი სახელი ყველა სამუშაოსთვის, რომელიც დაკავშირებულია შეერთებულ შტატებში პირველი ატომური ბომბის შექმნასთან. მანჰეტენის პროექტის ხელმძღვანელად დაინიშნა არა მეცნიერი, არამედ სამხედრო კაცი, გენერალი გროვზი, რომელმაც „მოყვარეობით“ უწოდა თავის მაღალგანათლებულ ბრალდებებს „გატეხილი ქოთნები“.
"პროექტის" ლიდერები არ იყვნენ დაინტერესებულნი პლუტონიუმ-238-ით. მისი ბირთვები, ისევე როგორც პლუტონიუმის ყველა იზოტოპის ბირთვები ლუწი მასობრივი რიცხვებით, არ არის დაშლილი დაბალი ენერგეტიკული ნეიტრონების მიერ*, ამიტომ ის არ შეიძლება იყოს ბირთვული ფეთქებადი. მიუხედავად ამისა, პირველი არც თუ ისე მკაფიო ცნობები No93 და 94 ელემენტების შესახებ ბეჭდვით გამოჩნდა მხოლოდ 1942 წლის გაზაფხულზე.
* დაბალენერგიულ ნეიტრონებს ვუწოდებთ ნეიტრონებს, რომელთა ენერგია არ აღემატება 10 კევ-ს. ელექტრონვოლტის ფრაქციებში გაზომილი ენერგიის მქონე ნეიტრონებს უწოდებენ თერმულ, ხოლო ყველაზე ნელ ნეიტრონებს, რომელთა ენერგია ნაკლებია 0,005 ევ-ზე, ეწოდება ცივი. თუ ნეიტრონის ენერგია 100 კევ-ზე მეტია, მაშინ ასეთი ნეიტრონი ითვლება სწრაფად.
როგორ ავხსნათ ეს? ფიზიკოსებმა გააცნობიერეს: პლუტონიუმის იზოტოპების სინთეზი კენტი მასის რიცხვებით იყო დროის საკითხი და არც თუ ისე გრძელი. მოსალოდნელი იყო, რომ უცნაური იზოტოპები, ისევე როგორც ურანი-235, შეძლებდნენ ბირთვული ჯაჭვური რეაქციის მხარდაჭერას. ზოგიერთმა ადამიანმა ისინი დაინახა, როგორც პოტენციური ბირთვული ასაფეთქებელი ნივთიერებები, რომლებიც ჯერ არ იყო მიღებული. და პლუტონიუმმა, სამწუხაროდ, გაამართლა ეს იმედები.
იმდროინდელ დაშიფვრაში No94 ელემენტს სხვა არაფერი ერქვა... სპილენძი. და როდესაც გაჩნდა საჭიროება თავად სპილენძის (როგორც სტრუქტურული მასალის ზოგიერთი ნაწილისთვის), მაშინ კოდებში, "სპილენძთან" ერთად გამოჩნდა "ნამდვილი სპილენძი".
"სიკეთისა და ბოროტების შემეცნების ხე"
1941 წელს აღმოაჩინეს პლუტონიუმის ყველაზე მნიშვნელოვანი იზოტოპი - იზოტოპი 239 მასის რაოდენობით. და თითქმის მაშინვე დადასტურდა თეორეტიკოსების პროგნოზი: პლუტონიუმ-239-ის ბირთვები დაიშალა თერმული ნეიტრონების მიერ. უფრო მეტიც, მათი დაშლის დროს წარმოიქმნა არანაკლებ რაოდენობის ნეიტრონები, ვიდრე ურანი-235-ის დაშლის დროს. ამ იზოტოპის დიდი რაოდენობით მიღების გზები მაშინვე გამოიკვეთა...
გავიდა წლები. ახლა არავისთვის არ არის საიდუმლო, რომ არსენალებში შენახული ატომური ბომბები სავსეა პლუტონიუმ-239-ით და რომ ეს ბომბები საკმარისია გამოუსწორებელი ზიანი მიაყენოს მთელ სიცოცხლეს დედამიწაზე.
გავრცელებულია მოსაზრება, რომ კაცობრიობა აშკარად ჩქარობდა ბირთვული ჯაჭვური რეაქციის აღმოჩენას (რომლის გარდაუვალი შედეგი იყო ბირთვული ბომბის შექმნა). შეგიძლიათ სხვაგვარად იფიქროთ ან ვითომ სხვანაირად ფიქრობთ - უფრო სასიამოვნოა იყო ოპტიმისტი. მაგრამ ოპტიმისტებიც კი აუცილებლად დგანან მეცნიერთა პასუხისმგებლობის საკითხის წინაშე. ჩვენ გვახსოვს 1954 წლის ივნისის ტრიუმფალური დღე, დღე, როდესაც ობნინსკის პირველი ატომური ელექტროსადგური ამუშავდა. მაგრამ ჩვენ არ შეგვიძლია დავივიწყოთ 1945 წლის აგვისტოს დილა - „ჰიროშიმას დილა“, „ალბერტ აინშტაინის შავი დღე“... გვახსოვს ომისშემდგომი პირველი წლები და აღვირახსნილი ატომური შანტაჟი - იმ წლების ამერიკული პოლიტიკის საფუძველი. მაგრამ განა კაცობრიობამ არ განიცადა მრავალი უბედურება მომდევნო წლებში? უფრო მეტიც, ეს შფოთვა არაერთხელ გაამძაფრა იმის ცნობიერებამ, რომ თუ ახალი მსოფლიო ომი წამოიწყებოდა, ბირთვული იარაღი გამოიყენებოდა.
აქ შეგიძლიათ სცადოთ დაამტკიცოთ, რომ პლუტონიუმის აღმოჩენამ კაცობრიობას შიში არ შეუმატა, პირიქით, ის მხოლოდ სასარგებლო იყო.
ვთქვათ, მოხდა ისე, რომ რაიმე მიზეზის გამო ან, როგორც ძველად იტყოდნენ, ღვთის ნებით, პლუტონიუმი მიუწვდომელი იყო მეცნიერებისთვის. შემცირდება თუ არა ჩვენი შიშები და შეშფოთება? Არაფერი მომხდარა. ბირთვული ბომბები დამზადდებოდა ურანი-235-ისგან (და არანაკლებ რაოდენობით, ვიდრე პლუტონიუმისგან), და ეს ბომბები ბიუჯეტის კიდევ უფრო დიდ ნაწილს „შეჭამენ“, ვიდრე ახლა.
მაგრამ პლუტონიუმის გარეშე არ იქნებოდა ბირთვული ენერგიის მშვიდობიანი გამოყენების პერსპექტივა ფართო მასშტაბით. უბრალოდ არ იქნებოდა საკმარისი ურანი-235 "მშვიდობიანი ატომისთვის". ბირთვული ენერგიის აღმოჩენით კაცობრიობისთვის მიყენებული ბოროტება არ დაბალანსდება, თუნდაც ნაწილობრივ, „კარგი ატომის“ მიღწევებით.
როგორ გავზომოთ, რას შევადაროთ
როდესაც პლუტონიუმ-239 ბირთვი ნეიტრონების მიერ იყოფა ორ ნაწილად, დაახლოებით თანაბარი მასით, გამოიყოფა დაახლოებით 200 მევ ენერგია. ეს არის 50 მილიონჯერ მეტი ენერგია, რომელიც გამოიყოფა ყველაზე ცნობილ ეგზოთერმულ რეაქციაში C + O 2 = CO 2. ატომურ რეაქტორში "იწვის" გრამი პლუტონიუმი იძლევა 2·10 7 კკალს. იმისათვის, რომ არ დაირღვეს ტრადიციები (და პოპულარულ სტატიებში, ბირთვული საწვავის ენერგია ჩვეულებრივ იზომება არასისტემურ ერთეულებში - ტონა ნახშირი, ბენზინი, ტრინიტროტოლუენი და ა.შ.), ჩვენ ასევე აღვნიშნავთ: ეს არის ენერგია, რომელიც შეიცავს 4 ტონას. ნახშირის. და ჩვეულებრივი თითი შეიცავს პლუტონიუმის ენერგიულად ეკვივალენტურ ორმოცი ვაგონს კარგი არყის შეშას.
იგივე ენერგია გამოიყოფა ნეიტრონების მიერ ურანი-235 ბირთვების დაშლის დროს. მაგრამ ბუნებრივი ურანის ძირითადი ნაწილი (99,3%) არის იზოტოპი 238 U, რომლის გამოყენება შესაძლებელია მხოლოდ ურანის პლუტონიუმად გადაქცევით...
ქვების ენერგია
მოდით შევაფასოთ ბუნებრივი ურანის მარაგებში არსებული ენერგორესურსები.
ურანი კვალი ელემენტია და გვხვდება თითქმის ყველგან. ვისაც ეწვია, მაგალითად, კარელია, ალბათ ახსოვს გრანიტის ლოდები და სანაპირო კლდეები. მაგრამ ცოტამ თუ იცის, რომ ტონა გრანიტი შეიცავს 25 გ-მდე ურანს. გრანიტები შეადგენენ დედამიწის ქერქის წონის თითქმის 20%-ს. თუ ჩავთვლით მხოლოდ ურან-235-ს, მაშინ ტონა გრანიტი შეიცავს 3,5·10 5 კკალ ენერგიას. ბევრია, მაგრამ...
გრანიტის დამუშავება და მისგან ურანის მოპოვება მოითხოვს კიდევ უფრო დიდი რაოდენობის ენერგიის ხარჯვას - დაახლოებით 10 6 ...10 7 კკალ/ტ. ახლა, თუ შესაძლებელი იქნებოდა ენერგიის წყაროდ არა მხოლოდ ურანი-235, არამედ ურანი-238-ის გამოყენება, მაშინ გრანიტი მაინც შეიძლება ჩაითვალოს პოტენციურ ენერგეტიკულ ნედლეულად. მაშინ ტონა ქვისგან მიღებული ენერგია უკვე იქნება 8·10 7-დან 5·10 8 კკალ-მდე. ეს უდრის 16...100 ტონა ნახშირს. და ამ შემთხვევაში, გრანიტს შეუძლია ხალხს მიაწოდოს თითქმის მილიონჯერ მეტი ენერგია, ვიდრე დედამიწაზე არსებული ქიმიური საწვავის მარაგი.
მაგრამ ურანი-238 ბირთვები არ იშლება ნეიტრონების მიერ. ეს იზოტოპი გამოუსადეგარია ბირთვული ენერგიისთვის. უფრო სწორედ, უსარგებლო იქნება, თუ მისი პლუტონიუმ-239-ად გარდაქმნა არ შეიძლებოდა. და რაც განსაკუთრებით მნიშვნელოვანია: ამ ბირთვულ ტრანსფორმაციაზე პრაქტიკულად არ არის საჭირო ენერგიის დახარჯვა - პირიქით, ენერგია იწარმოება ამ პროცესში!
შევეცადოთ გაერკვნენ, თუ როგორ ხდება ეს, მაგრამ ჯერ რამდენიმე სიტყვა ბუნებრივი პლუტონიუმის შესახებ.
რადიუმზე 400 ათასჯერ ნაკლები
უკვე ითქვა, რომ პლუტონიუმის იზოტოპები ჩვენი პლანეტის ფორმირებისას ელემენტების სინთეზის შემდეგ არ არის შემონახული. მაგრამ ეს არ ნიშნავს იმას, რომ დედამიწაზე პლუტონიუმი არ არის.
ის მუდმივად წარმოიქმნება ურანის მადნებში. კოსმოსური გამოსხივებისგან ნეიტრონების და ურანის-238 ბირთვების სპონტანური დაშლის შედეგად წარმოქმნილი ნეიტრონების დაჭერით, ამ იზოტოპის ზოგიერთი - ძალიან ცოტა - ატომები გადაიქცევა ურანი-239-ის ატომებად. ეს ბირთვები ძალიან არასტაბილურია, ისინი ასხივებენ ელექტრონებს და ამით ზრდის მათ მუხტს. წარმოიქმნება ნეპტუნიუმი, პირველი ტრანსურანიუმის ელემენტი. ნეპტუნიუმი-239 ასევე ძალიან არასტაბილურია და მისი ბირთვები ასხივებენ ელექტრონებს. სულ რაღაც 56 საათში ნეპტუნიუმ-239-ის ნახევარი იქცევა პლუტონიუმ-239-ად, რომლის ნახევარგამოყოფის პერიოდი უკვე საკმაოდ დიდია - 24 ათასი წელი.
რატომ არ მოიპოვება პლუტონიუმი ურანის მადნებიდან? დაბალი, ძალიან დაბალი კონცენტრაცია. ”წარმოების გრამი სამუშაო წლის წელია” - ეს დაახლოებით რადიუმს ეხება და მადნები შეიცავს 400 ათასჯერ ნაკლებ პლუტონიუმს, ვიდრე რადიუმს. აქედან გამომდინარე, უკიდურესად რთულია არა მხოლოდ მოპოვება, არამედ "მიწის" პლუტონიუმის აღმოჩენაც კი. ეს გაკეთდა მხოლოდ მას შემდეგ, რაც შეისწავლეს ბირთვულ რეაქტორებში წარმოებული პლუტონიუმის ფიზიკური და ქიმიური თვისებები.
როდესაც 2.70 >> 2.23
პლუტონიუმი გროვდება ბირთვულ რეაქტორებში. მძლავრ ნეიტრონულ ნაკადებში იგივე რეაქცია ხდება, როგორც ურანის საბადოებში, მაგრამ რეაქტორში პლუტონიუმის წარმოქმნისა და დაგროვების სიჩქარე გაცილებით მაღალია - მილიარდ მილიარდჯერ. ბალასტური ურანი-238-ის ენერგეტიკული ხარისხის პლუტონიუმ-239-ად გადაქცევის რეაქციისთვის იქმნება ოპტიმალური (მისაღები ფარგლებში) პირობები.
თუ რეაქტორი მუშაობს თერმულ ნეიტრონებზე (შეგახსენებთ, რომ მათი სიჩქარე არის დაახლოებით 2000 მ წამში, ხოლო მათი ენერგია არის ელექტრონ ვოლტის ფრაქცია), მაშინ ურანის იზოტოპების ბუნებრივი ნარევიდან მიიღება პლუტონიუმის რაოდენობა, რომელიც ოდნავ ნაკლებია. "დამწვარი" ურანის რაოდენობა - 235. ცოტა, მაგრამ ნაკლები, პლუს პლუტონიუმის გარდაუვალი დანაკარგები დასხივებული ურანისაგან მისი ქიმიური გამოყოფის დროს. გარდა ამისა, ბირთვული ჯაჭვური რეაქცია შენარჩუნებულია ურანის იზოტოპების ბუნებრივ ნარევში მხოლოდ ურანის 235-ის მცირე ნაწილის მოხმარებამდე. აქედან გამომდინარეობს ლოგიკური დასკვნა: "თერმული" რეაქტორი ბუნებრივი ურანის გამოყენებით - ამჟამად მოქმედი რეაქტორების ძირითადი ტიპი - ვერ უზრუნველყოფს ბირთვული საწვავის გაფართოებულ რეპროდუქციას. მაგრამ რა არის პერსპექტიული მაშინ? ამ კითხვაზე პასუხის გასაცემად, მოდით შევადაროთ ბირთვული ჯაჭვური რეაქციის მიმდინარეობა ურანი-235-სა და პლუტონიუმ-239-ში და შემოვიტანოთ სხვა ფიზიკური კონცეფცია ჩვენს დისკუსიაში.
ნებისმიერი ბირთვული საწვავის ყველაზე მნიშვნელოვანი მახასიათებელია ნეიტრონების საშუალო რაოდენობა, რომლებიც გამოყოფილია მას შემდეგ, რაც ბირთვი დაიჭერს ერთ ნეიტრონს. ფიზიკოსები მას ეტა რიცხვს უწოდებენ და აღნიშნავენ ბერძნული ასოთ η. ურანის „თერმულ“ რეაქტორებში შეიმჩნევა შემდეგი ნიმუში: თითოეული ნეიტრონი გამოიმუშავებს საშუალოდ 2,08 ნეიტრონს (η = 2,08). ასეთ რეაქტორში მოთავსებული პლუტონიუმი თერმული ნეიტრონების გავლენით იძლევა η = 2,03. მაგრამ ასევე არის რეაქტორები, რომლებიც მუშაობენ სწრაფ ნეიტრონებზე. უსარგებლოა ურანის იზოტოპების ბუნებრივი ნარევის ჩატვირთვა ასეთ რეაქტორში: ჯაჭვური რეაქცია არ მოხდება. მაგრამ თუ "ნედლეული" გამდიდრებულია ურანი-235-ით, ის შეიძლება განვითარდეს "სწრაფ" რეაქტორში. ამ შემთხვევაში η უკვე უდრის 2.23-ს. ხოლო პლუტონიუმი, რომელიც ექვემდებარება სწრაფ ნეიტრონულ ცეცხლს, მისცემს η-ს ტოლი 2,70. ჩვენს განკარგულებაში გვექნება "დამატებითი ნახევარი ნეიტრონი". და ეს სულაც არ არის ცოტა.
ვნახოთ, რაზე იხარჯება მიღებული ნეიტრონები. ნებისმიერ რეაქტორში ბირთვული ჯაჭვური რეაქციის შესანარჩუნებლად საჭიროა ერთი ნეიტრონი. 0.1 ნეიტრონი შეიწოვება ინსტალაციის სტრუქტურული მასალებით. "ჭარბი" გამოიყენება პლუტონიუმ-239-ის დასაგროვებლად. ერთ შემთხვევაში, "ჭარბი" არის 1.13, მეორეში - 1.60. „სწრაფ“ რეაქტორში კილოგრამი პლუტონიუმის „დაწვის“ შემდეგ გამოიყოფა კოლოსალური ენერგია და გროვდება 1,6 კგ პლუტონიუმი. და ურანი "სწრაფ" რეაქტორში მისცემს იგივე ენერგიას და 1,1 კგ ახალ ბირთვულ საწვავს. ორივე შემთხვევაში აშკარაა გაფართოებული რეპროდუქცია. მაგრამ ჩვენ არ უნდა დავივიწყოთ ეკონომიკა.
რიგი ტექნიკური მიზეზების გამო, პლუტონიუმის რეპროდუქციის ციკლს რამდენიმე წელი სჭირდება. ვთქვათ ხუთი წელი. ეს ნიშნავს, რომ პლუტონიუმის რაოდენობა წელიწადში გაიზრდება მხოლოდ 2%-ით, თუ η = 2.23 და 12%-ით, თუ η = 2.7! ბირთვული საწვავი არის კაპიტალი და ნებისმიერი კაპიტალი უნდა გამოიღოს, ვთქვათ, 5% წელიწადში. პირველ შემთხვევაში დიდი ზარალია, მეორეში კი დიდი მოგება. ეს პრიმიტიული მაგალითი ასახავს ატომურ ენერგიაში η რიცხვის ყოველი მეათედის „წონას“.
მრავალი ტექნოლოგიის ჯამი
როდესაც ბირთვული რეაქციების შედეგად, პლუტონიუმის საჭირო რაოდენობა დაგროვდა ურანში, ის უნდა გამოიყოს არა მხოლოდ თავად ურანისაგან, არამედ დაშლის ფრაგმენტებისგან - როგორც ურანი, ასევე პლუტონიუმი, დაიწვა ბირთვულ ჯაჭვურ რეაქციაში. გარდა ამისა, ურანი-პლუტონიუმის მასა ასევე შეიცავს ნეპტუნიუმის გარკვეულ რაოდენობას. ყველაზე რთული გამოსაყოფად არის პლუტონიუმი ნეპტუნიუმისგან და იშვიათი დედამიწის ელემენტებისგან (ლანთანიდები). პლუტონიუმი, როგორც ქიმიური ელემენტი, გარკვეულწილად არ გაუმართლა. ქიმიკოსის თვალსაზრისით, ბირთვული ენერგიის მთავარი ელემენტია თოთხმეტი აქტინიდიდან მხოლოდ ერთი. იშვიათი დედამიწის ელემენტების მსგავსად, აქტინიუმის სერიის ყველა ელემენტი ძალიან ჰგავს ერთმანეთს ქიმიური თვისებებით; ყველა ელემენტის ატომების გარე ელექტრონული გარსების სტრუქტურა აქტინიუმიდან 103-მდე იგივეა. კიდევ უფრო უსიამოვნო ის არის, რომ აქტინიდების ქიმიური თვისებები მსგავსია იშვიათი დედამიწის ელემენტების თვისებებთან და ურანის და პლუტონიუმის დაშლის ფრაგმენტებს შორის საკმარისზე მეტი ლანთანიდებია. მაგრამ მაშინ ელემენტი 94 შეიძლება იყოს ხუთ ვალენტურ მდგომარეობაში და ეს „ატკბობს აბს“ - ეს ხელს უწყობს პლუტონიუმის გამოყოფას როგორც ურანის, ასევე დაშლის ფრაგმენტებისგან.
პლუტონიუმის ვალენტობა მერყეობს სამიდან შვიდამდე. ქიმიურად, ყველაზე სტაბილური (და, შესაბამისად, ყველაზე გავრცელებული და ყველაზე შესწავლილი) ნაერთები არის ოთხვალენტიანი პლუტონიუმი.
მსგავსი ქიმიური თვისებების მქონე აქტინიდების - ურანის, ნეპტუნიუმის და პლუტონიუმის გამოყოფა შეიძლება ეფუძნებოდეს მათი ტეტრა და ექვსვალენტური ნაერთების თვისებებს.
არ არის საჭირო პლუტონიუმის და ურანის ქიმიური გამოყოფის ყველა ეტაპის დეტალური აღწერა. ჩვეულებრივ, მათი გამოყოფა იწყება ურანის ზოლების აზოტის მჟავაში დაშლით, რის შემდეგაც ხსნარში შემავალი ურანი, ნეპტუნი, პლუტონიუმი და ფრაგმენტაციის ელემენტები "გამოიყოფა", ამისთვის ტრადიციული რადიოქიმიური მეთოდების გამოყენებით - მატარებლებთან ერთად ნალექი, მოპოვება, იონური გაცვლა. და სხვა. ამ მრავალსაფეხურიანი ტექნოლოგიის საბოლოო პლუტონიუმის შემცველი პროდუქტებია მისი დიოქსიდი PuO 2 ან ფტორიდები - PuF 3 ან PuF 4. ისინი იშლება ლითონად ბარიუმის, კალციუმის ან ლითიუმის ორთქლით. ამასთან, ამ პროცესებში მიღებული პლუტონიუმი არ არის შესაფერისი სტრუქტურული მასალის როლისთვის - მისგან არ შეიძლება ატომური ენერგიის რეაქტორების საწვავის ელემენტების დამზადება და ატომური ბომბის მუხტის ჩამოყრა. რატომ? პლუტონიუმის დნობის წერტილი - მხოლოდ 640°C - საკმაოდ მიღწევადია.
არ აქვს მნიშვნელობა რა „ულტრა ნაზი“ პირობებია გამოყენებული სუფთა პლუტონიუმის ნაწილების ჩამოსხმისთვის, გამაგრების დროს ჩამოსხმაში ბზარები ყოველთვის გამოჩნდება. 640°C-ზე გამაგრებული პლუტონიუმი აყალიბებს კუბურ კრისტალურ გისოსს. ტემპერატურის კლებასთან ერთად, ლითონის სიმკვრივე თანდათან იზრდება. მაგრამ შემდეგ ტემპერატურამ 480°C-ს მიაღწია, შემდეგ კი მოულოდნელად პლუტონიუმის სიმკვრივე მკვეთრად დაეცა. ამ ანომალიის მიზეზები საკმაოდ სწრაფად იქნა აღმოჩენილი: ამ ტემპერატურაზე პლუტონიუმის ატომები ბროლის ბადეში გადანაწილებულია. ის ხდება ტეტრაგონალური და ძალიან "ფხვიერი". ასეთ პლუტონიუმს შეუძლია ცურავს თავის დნობაში, როგორც ყინული წყალზე.
ტემპერატურა აგრძელებს ვარდნას, ახლა მან მიაღწია 451 ° C-ს და ატომებმა კვლავ შექმნეს კუბური გისოსი, მაგრამ განლაგებულია ერთმანეთისგან უფრო დიდ მანძილზე, ვიდრე პირველ შემთხვევაში. შემდგომი გაგრილებით, გისოსი ჯერ ორთორმბული ხდება, შემდეგ კი მონოკლინიკური. საერთო ჯამში, პლუტონიუმი ქმნის ექვს განსხვავებულ კრისტალურ ფორმას! ორი მათგანი გამოირჩევა შესანიშნავი თვისებით - თერმული გაფართოების უარყოფითი კოეფიციენტით: ტემპერატურის მატებასთან ერთად ლითონი არ ფართოვდება, არამედ იკუმშება.
როდესაც ტემპერატურა 122°C-ს მიაღწევს და პლუტონიუმის ატომები მეექვსედ აწესრიგებენ რიგებს, სიმკვრივე განსაკუთრებით მკვეთრად იცვლება - 17,77-დან 19,82 გ/სმ 3-მდე. 10%-ზე მეტი! შესაბამისად მცირდება კალმის მოცულობა. თუ ლითონს მაინც გაუძლებს სხვა გადასვლების დროს წარმოქმნილ სტრესებს, მაშინ ამ მომენტში განადგურება გარდაუვალია.
როგორ გავაკეთოთ ნაწილები ამ საოცარი ლითონისგან? მეტალურგები შენადნობენ პლუტონიუმს (მას უმატებენ მცირე რაოდენობით საჭირო ელემენტებს) და იღებენ ჩამოსხმას ერთი ნაპრალის გარეშე. ისინი გამოიყენება ბირთვული ბომბებისთვის პლუტონიუმის მუხტის შესაქმნელად. მუხტის წონა (იგი პირველ რიგში იზოტოპის კრიტიკული მასით განისაზღვრება) არის 5...6 კგ. ის ადვილად მოთავსდება კუბში, რომლის კიდეებია 10 სმ.
მძიმე იზოტოპები
პლუტონიუმი-239 ასევე შეიცავს მცირე რაოდენობით ამ ელემენტის უფრო მაღალ იზოტოპებს - მასობრივი ნომრებით 240 და 241. 240 Pu იზოტოპი პრაქტიკულად გამოუსადეგარია - ეს არის ბალასტი პლუტონიუმში. 241-დან მიიღება ამერიციუმი - ელემენტი No95. მათი სუფთა სახით, სხვა იზოტოპების შერევის გარეშე, დლუტონიუმ-240 და პლუტონიუმ-241 შეიძლება მიღებულ იქნას რეაქტორში დაგროვილი პლუტონიუმის ელექტრომაგნიტური გამოყოფით. მანამდე პლუტონიუმი დამატებით დასხივდება ნეიტრონული ნაკადებით მკაცრად განსაზღვრული მახასიათებლებით. რა თქმა უნდა, ეს ყველაფერი ძალიან რთულია, მით უმეტეს, რომ პლუტონიუმი არა მხოლოდ რადიოაქტიურია, არამედ ძალიან ტოქსიკურიც. მასთან მუშაობა განსაკუთრებულ სიფრთხილეს მოითხოვს.
პლუტონიუმის ერთ-ერთი ყველაზე საინტერესო იზოტოპი, 242 Pu, შეიძლება მივიღოთ 239 Pu-ის დიდი ხნის განმავლობაში ნეიტრონების ნაკადებში დასხივებით. 242 Pu ძალიან იშვიათად იჭერს ნეიტრონებს და, შესაბამისად, "იწვის" რეაქტორში უფრო ნელა, ვიდრე სხვა იზოტოპები; ის შენარჩუნებულია მას შემდეგაც, რაც პლუტონიუმის დარჩენილი იზოტოპები თითქმის მთლიანად გადაიქცნენ ფრაგმენტებად ან გადაიქცნენ პლუტონიუმ-242-ად.
პლუტონიუმი-242 მნიშვნელოვანია, როგორც „ნედლეული“ ბირთვულ რეაქტორებში უმაღლესი ტრანსურანის ელემენტების შედარებით სწრაფი დაგროვებისთვის. თუ პლუტონიუმ-239 დასხივდება ჩვეულებრივ რეაქტორში, მაშინ დაახლოებით 20 წელი დასჭირდება პლუტონიუმის გრამებიდან, მაგალითად, კალიფორნია-251 მიკროგრამის რაოდენობის დაგროვებას.
შესაძლებელია უფრო მაღალი იზოტოპების დაგროვების დროის შემცირება რეაქტორში ნეიტრონული ნაკადის ინტენსივობის გაზრდით. ეს არის ის, რასაც ისინი აკეთებენ, მაგრამ შემდეგ თქვენ არ შეგიძლიათ პლუტონიუმ-239-ის დიდი რაოდენობით დასხივება. ყოველივე ამის შემდეგ, ეს იზოტოპი იყოფა ნეიტრონებით და ძალიან ბევრი ენერგია გამოიყოფა ინტენსიური ნაკადებით. დამატებითი სირთულეები წარმოიქმნება კონტეინერისა და რეაქტორის გაგრილებისას. ამ სირთულეების თავიდან ასაცილებლად, საჭირო იქნებოდა დასხივებული პლუტონიუმის რაოდენობის შემცირება. შესაბამისად, კალიფორნიუმის მოსავლიანობა ისევ მწირი გახდებოდა. მანკიერი წრე!
პლუტონიუმი-242 არ არის თერმული ნეიტრონებით იშლება, მისი დასხივება შესაძლებელია დიდი რაოდენობით ნეიტრონის ინტენსიურ ნაკადებში... ამიტომ, რეაქტორებში ყველა ელემენტი კალიფორნიუმიდან აინშტაინამდე ამ იზოტოპიდან „მზადდება“ და გროვდება წონის რაოდენობით.
არა ყველაზე მძიმე, მაგრამ ყველაზე დიდხანს იცოცხლა
ყოველთვის, როცა მეცნიერები ახერხებდნენ პლუტონიუმის ახალი იზოტოპის მიღებას, იზომებოდა მისი ბირთვების ნახევარგამოყოფის პერიოდი. მძიმე რადიოაქტიური ბირთვების იზოტოპების ნახევარგამოყოფის პერიოდი რეგულარულად იცვლება. (ეს არ შეიძლება ითქვას კენტ იზოტოპებზე.)
ბრინჯი. 8.
შეხედეთ გრაფიკს, რომელიც გვიჩვენებს პლუტონიუმის ლუტონის იზოტოპების ნახევარგამოყოფის დამოკიდებულების მასურ რიცხვზე. მასის მატებასთან ერთად, იზოტოპის „სიცოცხლის ხანგრძლივობაც“ იზრდება. რამდენიმე წლის წინ, ამ გრაფიკის მაღალი წერტილი იყო პლუტონიუმ-242. და შემდეგ როგორ წავა ეს მრუდი - მასის რიცხვის შემდგომი ზრდით? ზუსტად 1 , რაც შეესაბამება 30 მილიონი წლის სიცოცხლეს, ანუ წერტილს 2 , რომელიც პასუხობს 300 მილიონი წლის განმავლობაში? ამ კითხვაზე პასუხი ძალიან მნიშვნელოვანი იყო გეომეცნიერებისთვის. პირველ შემთხვევაში, თუ 5 მილიარდი წლის წინ დედამიწა მთლიანად შედგებოდა 244 Pu-სგან, ახლა პლუტონიუმ-244-ის მხოლოდ ერთი ატომი დარჩებოდა დედამიწის მთელ მასაში. თუ მეორე ვარაუდი მართალია, მაშინ პლუტონიუმი-244 შეიძლება იყოს დედამიწაზე იმ კონცენტრაციებში, რომლებიც უკვე გამოვლენილია. ჩვენ რომ გაგვიმართლა ამ იზოტოპის აღმოჩენა დედამიწაზე, მეცნიერება მიიღებდა ყველაზე ძვირფას ინფორმაციას ჩვენი პლანეტის ფორმირებისას მიმდინარე პროცესების შესახებ.
რამდენიმე წლის წინ მეცნიერებს შეექმნათ კითხვა: ღირს თუ არა დედამიწაზე მძიმე პლუტონიუმის პოვნის მცდელობა? მასზე პასუხის გასაცემად, პირველ რიგში, საჭირო იყო პლუტონიუმ-244-ის ნახევარგამოყოფის პერიოდის დადგენა. თეორეტიკოსებმა ვერ გამოთვალეს ეს მნიშვნელობა საჭირო სიზუსტით. მთელი იმედი მხოლოდ ექსპერიმენტზე იყო.
ბირთვულ რეაქტორში დაგროვილი პლუტონიუმი-244. ელემენტი No95, ამერიციუმი (იზოტოპი 243 Am), დასხივებული იყო. ნეიტრონის დაჭერის შემდეგ ეს იზოტოპი გადაიქცა ამერიციუმ-244-ად; americium-244 10 ათასიდან ერთ შემთხვევაში გადაიქცა პლუტონიუმ-244-ად.
პლუტონიუმ-244-ის პრეპარატი იზოლირებული იყო ამერიციუმის და კურიუმის ნარევიდან. ნიმუში იწონიდა მხოლოდ რამდენიმე მემილიონედ გრამს. მაგრამ ისინი საკმარისი იყო ამ საინტერესო იზოტოპის ნახევარგამოყოფის პერიოდის დასადგენად. ის 75 მილიონი წლის ტოლი აღმოჩნდა. მოგვიანებით, სხვა მკვლევარებმა განმარტეს პლუტონიუმ-244-ის ნახევარგამოყოფის პერიოდი, მაგრამ არც ისე დიდად - 82,8 მილიონი წელი. 1971 წელს ამ იზოტოპის კვალი აღმოაჩინეს იშვიათი დედამიწის მინერალურ ბასტნაზიტში.
მრავალი მცდელობა გაკეთდა მეცნიერების მიერ, ეპოვათ ტრანსურანის ელემენტის იზოტოპი, რომელიც ცხოვრობს 244 Pu-ზე მეტ ხანს. მაგრამ ყველა მცდელობა უშედეგოდ დარჩა. ერთ დროს იმედები კურიუმ-247-ზე იყო, მაგრამ მას შემდეგ რაც ეს იზოტოპი რეაქტორში დაგროვდა, აღმოჩნდა, რომ მისი ნახევარგამოყოფის პერიოდი მხოლოდ 14 მილიონი წელია. პლუტონიუმ-244-ის რეკორდის მოხსნა შეუძლებელი გახდა - ის ტრანსურანის ელემენტების ყველა იზოტოპს შორის ყველაზე ხანგრძლივად ცხოვრობს.
პლუტონიუმის უფრო მძიმე იზოტოპებიც განიცდიან ბეტა დაშლას და მათი სიცოცხლის ხანგრძლივობა რამდენიმე დღიდან წამის რამდენიმე მეათედამდე მერყეობს. ჩვენ ზუსტად ვიცით, რომ პლუტონიუმის ყველა იზოტოპი წარმოიქმნება თერმობირთვული აფეთქებების დროს, 257 Pu-მდე. მაგრამ მათი სიცოცხლე წამის მეათედია და პლუტონიუმის ბევრი ხანმოკლე იზოტოპი ჯერ არ არის შესწავლილი.
პირველი იზოტოპის შესაძლებლობები
და ბოლოს - პლუტონიუმ-238-ის შესახებ - პირველი პლუტონიუმის "ადამიანის მიერ შექმნილი" იზოტოპებიდან, იზოტოპი, რომელიც თავიდან არაპერსპექტიული ჩანდა. სინამდვილეში ეს ძალიან საინტერესო იზოტოპია. ის ექვემდებარება ალფა დაშლას, ე.ი. მისი ბირთვები სპონტანურად ასხივებენ ალფა ნაწილაკებს - ჰელიუმის ბირთვებს. პლუტონიუმ-238 ბირთვების მიერ წარმოქმნილი ალფა ნაწილაკები მაღალ ენერგიას ატარებენ; მატერიაში გაფანტული ეს ენერგია სითბოდ იქცევა. რამდენად დიდია ეს ენერგია? ექვსი მილიონი ელექტრონ ვოლტი გამოიყოფა პლუტონიუმ-238-ის ერთი ატომის ბირთვის დაშლისგან. ქიმიური რეაქციის დროს, რამდენიმე მილიონი ატომის დაჟანგვისას ერთი და იგივე ენერგია გამოიყოფა. ელექტროენერგიის წყარო, რომელიც შეიცავს 1 კილოგრამ პლუტონიუმ-238-ს, ავითარებს თერმულ სიმძლავრეს 560 ვატი. იგივე მასის ქიმიური დენის წყაროს მაქსიმალური სიმძლავრე 5 ვატია.
მსგავსი ენერგეტიკული მახასიათებლების მრავალი ემიტერი არსებობს, მაგრამ პლუტონიუმ-238-ის ერთი თვისება ამ იზოტოპს შეუცვლელს ხდის. ალფა დაშლას ჩვეულებრივ თან ახლავს ძლიერი გამა გამოსხივება, რომელიც აღწევს მატერიის დიდ ფენებში. 238 Pu არის გამონაკლისი. მისი ბირთვების დაშლას თანმხლები გამა სხივების ენერგია დაბალია და მისგან დაცვა რთული არ არის: გამოსხივებას თხელკედლიანი კონტეინერი შთანთქავს. დაბალია ამ იზოტოპის ბირთვების სპონტანური დაშლის ალბათობაც. ამიტომ მან იპოვა გამოყენება არა მხოლოდ მიმდინარე წყაროებში, არამედ მედიცინაშიც. პლუტონიუმ-238-ის შემცველი ბატარეები ემსახურება ენერგიის წყაროს სპეციალურ გულის სტიმულატორებში.
მაგრამ 238 Pu არ არის No94 ელემენტის ყველაზე მსუბუქი ცნობილი იზოტოპი; პლუტონიუმის იზოტოპები მიღებულია 232-დან 237-მდე მასობრივი რიცხვებით. ყველაზე მსუბუქი იზოტოპის ნახევარგამოყოფის პერიოდი 36 წუთია.
პლუტონიუმი დიდი თემაა. აქ ყველაზე მთავარია ნათქვამი. ყოველივე ამის შემდეგ, უკვე სტანდარტულ ფრაზად იქცა, რომ პლუტონიუმის ქიმია ბევრად უკეთ არის შესწავლილი, ვიდრე ისეთი „ძველი“ ელემენტების ქიმია, როგორიცაა რკინა. პლუტონიუმის ბირთვული თვისებების შესახებ დაიწერა მთელი წიგნები. პლუტონიუმის მეტალურგია ადამიანის ცოდნის კიდევ ერთი საოცარი მონაკვეთია... ამიტომ, არ უნდა იფიქროთ, რომ ამ ისტორიის წაკითხვის შემდეგ თქვენ ნამდვილად ისწავლეთ პლუტონიუმი - მე-20 საუკუნის ყველაზე მნიშვნელოვანი ლითონი.
