Pluton do celów wojskowych to pluton w postaci zwartego metalu zawierającego co najmniej 93,5% izotopu 239Pu. Przeznaczony do tworzenia broni nuklearnej.
1.Nazwa i funkcje
Nazywają go „klasą broni”, aby odróżnić go od „klasy reaktora”. Pluton powstaje w każdym reaktorze jądrowym pracującym na uranie naturalnym lub nisko wzbogaconym uranie, zawierającym głównie izotop 238U, gdy wychwytuje nadmiar neutronów. Jednak podczas pracy reaktora izotop plutonu przeznaczony do broni szybko się spala, w wyniku czego w reaktorze gromadzi się duża liczba izotopów 240Pu, 241Pu i 242Pu, powstałych w wyniku sukcesywnego wychwytywania kilku neutronów – od głębokości spalania zazwyczaj determinują czynniki ekonomiczne. Im mniejsza głębokość wypalenia, tym mniej izotopów 240Pu, 241Pu i 242Pu będzie zawierać pluton oddzielony od napromieniowanego paliwa jądrowego, ale tym mniej plutonu powstanie w paliwie.
Specjalna produkcja plutonu do broni zawierającej prawie wyłącznie 239Pu jest wymagana głównie dlatego, że izotopy o liczbach masowych 240 i 242 tworzą tło o dużej zawartości neutronów, co utrudnia projektowanie skutecznej broni jądrowej, ponadto 240Pu i 241Pu mają znacznie krótszy okres półtrwania niż 239Pu, przez co nagrzewają się części plutonu i konieczne jest dodatkowe wprowadzenie do konstrukcji broni jądrowej elementów odprowadzających ciepło. Nawet czysty 239Pu jest cieplejszy od ludzkiego ciała. Dodatkowo produkty rozpadu ciężkich izotopów niszczą sieć krystaliczną metalu, co może prowadzić do zmiany kształtu części plutonu, co może prowadzić do awarii nuklearnego urządzenia wybuchowego.
W zasadzie wszystkie te trudności można przezwyciężyć, a urządzenia wybuchu jądrowego wykonane z plutonu „reaktorowego” zostały pomyślnie przetestowane, jednak w amunicji, w której ważną rolę odgrywają zwartość, lekkość, niezawodność i trwałość, wyłącznie specjalnie produkowanej broni klasy używany jest pluton. Masa krytyczna metalicznych 240Pu i 242Pu jest bardzo duża, 241Pu jest nieco większa niż 239Pu.
2. Produkcja
W ZSRR produkcję plutonu do celów bojowych prowadzono najpierw w zakładach Majak w Ozersku (dawniej Czelabińsk-40, Czelabińsk-65), następnie w Syberyjskich Zakładach Chemicznych w Siewiersku (dawniej Tomsk-7), a później w Syberii Uruchomiono Krasnojarskie Zakłady Górnicze – zakłady chemiczne w Żeleznogorsku (znane także jako Sotsgorod i Krasnojarsk-26). Produkcja plutonu do celów wojskowych w Rosji została zakończona w 1994 roku. W 1999 r. wyłączono reaktory w Ozyorsku i Siewiersku, a w 2010 r. ostatni reaktor w Żeleznogorsku.
W Stanach Zjednoczonych pluton do celów wojskowych był produkowany w kilku miejscach, np. w kompleksie Hanford w stanie Waszyngton. Produkcja została zamknięta w 1988 roku.
3.Synteza nowych pierwiastków
Przekształcenie niektórych atomów w inne następuje poprzez oddziaływanie cząstek atomowych lub subatomowych. Spośród nich tylko neutrony są dostępne w dużych ilościach. Gigawatowy reaktor jądrowy wytwarza w ciągu roku około 3,75 kg (lub 4 * 1030) neutronów.
4. Produkcja plutonu
Atomy plutonu powstają w wyniku łańcucha reakcji atomowych rozpoczynających się od wychwytu neutronu przez atom uranu-238:
U238 + n -> U239 -> Np239 -> Pu239
lub dokładniej:
0n1 + 92U238 -> 92U239 -> -1e0 + 93Np239 -> -1e0 + 94Pu239
Przy ciągłym napromienianiu niektóre atomy plutonu-239 są z kolei w stanie wychwycić neutron i przekształcić się w cięższy izotop pluton-240:
Pu239 + n -> Pu240
Aby uzyskać pluton w wystarczających ilościach, potrzebne są silne strumienie neutronów. To właśnie powstają w reaktorach jądrowych. W zasadzie każdy reaktor jest źródłem neutronów, jednak do przemysłowej produkcji plutonu naturalne jest wykorzystanie specjalnie do tego przeznaczonego reaktora.
Pierwszym na świecie komercyjnym reaktorem do produkcji plutonu był reaktor B w Hanford. Pracował 26 września 1944 r., moc - 250 MW, wydajność - 6 kg plutonu miesięcznie. Zawierał około 200 ton uranu metalicznego, 1200 ton grafitu i był chłodzony wodą z szybkością 5 metrów sześciennych/min.
Panel załadunkowy reaktora Hanford z kasetami uranowymi:
Schemat jego działania. W reaktorze do napromieniania uranu-238 neutrony powstają w wyniku stacjonarnej reakcji łańcuchowej rozszczepienia jąder uranu-235. Na rozszczepienie U-235 powstaje średnio 2,5 neutronów. Aby utrzymać reakcję i jednocześnie wytworzyć pluton, konieczne jest, aby średnio jeden lub dwa neutrony zostały zaabsorbowane przez U-238, a jeden spowodowałby rozszczepienie kolejnego atomu U-235.
Neutrony powstające podczas rozszczepienia uranu mają bardzo duże prędkości. Atomy uranu są ułożone w taki sposób, że wychwyt szybkich neutronów przez jądra zarówno U-238, jak i U-235 jest mało prawdopodobny. Dlatego szybkie neutrony, po kilku zderzeniach z otaczającymi atomami, stopniowo zwalniają. W tym przypadku jądra U-238 absorbują takie neutrony (prędkości pośrednie) tak silnie, że nie pozostaje nic do rozszczepienia U-235 i podtrzymania reakcji łańcuchowej (U-235 dzieli się na powolne, termiczne neutrony).
Przeciwdziała temu moderator, czyli lekka substancja otaczająca bloki uranu. W nim neutrony są zwalniane bez absorpcji, doświadczając zderzeń sprężystych, z których w każdym tracona jest niewielka część energii. Dobrymi moderatorami są woda i węgiel. W ten sposób neutrony spowolnione do prędkości termicznych przemieszczają się przez reaktor, aż powodują rozszczepienie U-235 (U-238 pochłania je bardzo słabo). Przy określonej konfiguracji prętów moderatora i uranu stworzone zostaną warunki do absorpcji neutronów zarówno przez U-238, jak i U-235.
Skład izotopowy powstałego plutonu zależy od czasu przebywania prętów uranowych w reaktorze. W wyniku długotrwałego naświetlania kasety uranem następuje znaczna akumulacja Pu-240. Przy krótkim czasie przebywania uranu w reaktorze otrzymuje się Pu-239 z nieznaczną zawartością Pu-240.
Pu-240 jest szkodliwy dla produkcji broni z następujących powodów:
1. Jest mniej rozszczepialny niż Pu-239, więc do wytworzenia broni potrzeba nieco więcej plutonu.
2. Drugi, znacznie ważniejszy powód. Poziom spontanicznego rozszczepienia w Pu-240 jest znacznie wyższy, co tworzy silne tło neutronowe.
W bardzo wczesnych latach rozwoju broni atomowej emisja neutronów (wysokie tło neutronowe) stanowiła problem w uzyskaniu niezawodnego i skutecznego ładunku z powodu przedwczesnej detonacji. Silne strumienie neutronów utrudniały lub uniemożliwiały sprężenie rdzenia bomby zawierającego kilka kilogramów plutonu do stanu nadkrytycznego - wcześniej był on niszczony przez najsilniejszą, ale wciąż nie maksymalną możliwą moc wyjściową. Pojawienie się jąder mieszanych – zawierających wysoko wzbogacony U-235 i pluton (pod koniec lat czterdziestych XX wieku) – przezwyciężyło tę trudność, gdy stało się możliwe użycie stosunkowo małych ilości plutonu w jądrach głównie uranu. Następna generacja ładunków, urządzeń wzmacnianych termojądrowo (w połowie lat pięćdziesiątych XX wieku), całkowicie wyeliminowała tę trudność, gwarantując uwolnienie dużej energii nawet przy początkowych ładunkach rozszczepialnych o małej mocy.
Pluton wytwarzany w specjalnych reaktorach zawiera stosunkowo niewielki procent Pu-240 (<7%), плутоний "оружейного качества"; в реакторах АЭС отработанное ядерное топливо имеет концентрацию Pu-240 более 20%, плутоний "реакторного качества".
W reaktorach specjalnego przeznaczenia uran występuje przez stosunkowo krótki okres czasu, podczas którego nie cały U-235 spala się i nie cały U-238 zamienia się w pluton, ale powstaje mniejsza ilość Pu-240.
Istnieją dwa powody produkcji plutonu o niskiej zawartości Pu-240:
Ekonomiczny: jedyny powód istnienia specjalnych reaktorów plutonowych. Rozkład plutonu w drodze rozszczepienia lub przekształcenie go w mniej rozszczepialny Pu-240 zmniejsza zyski i zwiększa koszty produkcji (do poziomu, w którym jego cena równoważy się z kosztami przetwarzania napromieniowanego paliwa o niskich stężeniach plutonu).
Trudności w obsłudze: Chociaż emisja neutronów nie jest głównym problemem dla projektantów broni, może stwarzać wyzwania w zakresie produkcji i obsługi takiego ładunku. Neutrony dodatkowo przyczyniają się do narażenia zawodowego osób montujących lub konserwujących broń (neutrony same w sobie nie jonizują, ale tworzą protony, które to potrafią). W rzeczywistości ładunki wymagające bezpośredniego kontaktu z ludźmi, takie jak Davy Crocket, mogą z tego powodu wymagać ultraczystego plutonu emitującego niskie neutrony.
Właściwe odlewanie i obróbka plutonu odbywa się ręcznie w zamkniętych komorach, w rękawiczkach operatora. Jak te:
Oznacza to bardzo niewielką ochronę ludzi przed plutonem emitującym neutrony. Dlatego pluton o dużej zawartości Pu-240 przetwarzany jest wyłącznie za pomocą manipulatorów lub czas pracy z nim każdego pracownika jest ściśle ograniczony.
Z tych wszystkich powodów (radioaktywność, gorsze właściwości Pu-240) wyjaśniono, dlaczego do produkcji broni nie używa się plutonu o jakości reaktorowej - taniej jest wyprodukować specjalny pluton do celów wojskowych. reaktory. Chociaż najwyraźniej możliwe jest również wykonanie nuklearnego urządzenia wybuchowego z reaktora.
Pierścień plutonowy
Pierścień ten wykonany jest z elektrolitycznie oczyszczonego plutonu metalicznego (o czystości ponad 99,96%). Typowy dla pierścieni przygotowanych w Los Alamos i wysłanych do Rocky Flats w celu produkcji broni do czasu niedawnego zawieszenia produkcji. Masa pierścienia wynosi 5,3 kg, wystarczająca do wyprodukowania nowoczesnego ładunku strategicznego, średnica około 11 cm.Kształt pierścienia ma znaczenie dla zapewnienia krytycznego bezpieczeństwa.
Odlew ze stopu plutonu i galu odzyskanego z rdzenia broni:
Pluton podczas Projektu Manhattan
Historycznie rzecz biorąc, pierwsze 520 miligramów plutonu metalicznego wyprodukowanego przez Teda Magela i Nicka Dallasa w Los Alamos 23 marca 1944 r.:
Prasa do prasowania na gorąco stopu plutonu i galu w postaci półkul. Prasy tej używano w Los Alamos do produkcji rdzeni plutonowych do ładunków zdetonowanych w Nagasaki i podczas operacji Trinity.
Odlane na nim produkty:
Dodatkowe izotopy będące produktami ubocznymi plutonu
Wychwytywanie neutronów, któremu nie towarzyszy rozszczepienie, powoduje powstanie nowych izotopów plutonu: Pu-240, Pu-241 i Pu-242. Te dwa ostatnie kumulują się w małych ilościach.
Pu239 + n -> Pu240
Pu240 + n -> Pu241
Pu241 + n -> Pu242
Możliwy jest również boczny łańcuch reakcji:
U238 + n -> U237 + 2n
U237 -> (6,75 dnia, rozpad beta) -> Np237
Np237 + n -> Np238
Np238 -> (2,1 dnia, rozpad beta) -> Pu238
Ogólną miarę napromieniowania (odpadu) ogniwa paliwowego można wyrazić w megawatodniach/tonę (MW-dzień/t). Pluton klasy wojskowej jakość uzyskuje się z pierwiastków o małej ilości MW-dzień/t, wytwarza mniej izotopów jako produktów ubocznych. Ogniwa paliwowe w nowoczesnych reaktorach wodnych ciśnieniowych osiągają poziom 33 000 MW-dzień/t. Typowe narażenie w reaktorze do wytwarzania broni (z rozszerzoną hodowlą paliwa jądrowego) wynosi 1000 MW-dzień/t. Pluton w reaktorach moderowanych grafitem w Hanford jest napromieniany do 600 MW-dzień/t, w Savannah reaktor ciężkowodny produkuje pluton tej samej jakości w ilości 1000 MW-dzień/t (prawdopodobnie ze względu na fakt, że część neutronów jest wydane na tworzenie trytu). Podczas Projektu Manhattan naturalne paliwo uranowe otrzymało jedynie 100 MW-dzień/t, wytwarzając w ten sposób pluton-239 bardzo wysokiej jakości (tylko 0,9-1% Pu-240, inne izotopy w jeszcze mniejszych ilościach).
Powiązana informacja.
Pluton odkryto pod koniec 1940 roku na Uniwersytecie Kalifornijskim. Został zsyntetyzowany przez McMillana, Kennedy'ego i Wahla poprzez bombardowanie tlenku uranu (U 3 O 8) jądrami deuteru (deuteronami) silnie przyspieszonymi w cyklotronie. Później odkryto, że w wyniku tej reakcji jądrowej powstaje najpierw krótkotrwały izotop neptunu-238, a następnie pluton-238 z okresem półtrwania wynoszącym około 50 lat. Rok później Kennedy, Seaborg, Segre i Wahl zsyntetyzowali ważniejszy izotop, pluton-239, poprzez napromienianie uranu silnie przyspieszonymi neutronami w cyklotronie. Pluton-239 powstaje w wyniku rozpadu neptunu-239; emituje promienie alfa, a jego okres półtrwania wynosi 24 000 lat. Czysty związek plutonu po raz pierwszy otrzymano w 1942 roku. Potem okazało się, że w rudach uranu, zwłaszcza w rudach zdeponowanych w Kongo, występuje naturalny pluton.
Nazwę pierwiastka zaproponowano w 1948 roku: McMillan nazwał pierwszy pierwiastek transuranowy neptunem, ponieważ planeta Neptun jest pierwszą poza Uranem. Przez analogię postanowili nazwać pierwiastek 94 plutonem, ponieważ planeta Pluton jest druga po Uranie. Pluton, odkryty w 1930 roku, otrzymał swoją nazwę od imienia boga Plutona, władcy podziemi w mitologii greckiej. Na początku XIX wieku. Clark zaproponował nazwanie pierwiastka baru plutonem, wywodząc tę nazwę bezpośrednio od imienia boga Plutona, ale jego propozycja nie została przyjęta.
Metal ten nazywany jest szlachetnym, ale nie ze względu na swoje piękno, ale ze względu na niezastąpioną jakość. W układzie okresowym Mendelejewa pierwiastek ten zajmuje komórkę numer 94. To z nim naukowcy wiążą swoje największe nadzieje i to właśnie pluton nazywają najniebezpieczniejszym metalem dla ludzkości.
Pluton: opis
Z wyglądu jest to srebrzystobiały metal. Jest radioaktywny i można go przedstawić w postaci 15 izotopów o różnych okresach półtrwania, na przykład:
- Pu-238 – około 90 lat
- Pu-239 – około 24 tys. lat
- Pu-240 – 6580 lat
- Pu-241 – 14 lat
- Pu-242 – 370 tysięcy lat
- Pu-244 – około 80 milionów lat
Metalu tego nie można ekstrahować z rudy, gdyż jest produktem radioaktywnej przemiany uranu.
Jak otrzymuje się pluton?
Produkcja plutonu wymaga rozszczepienia uranu, co można przeprowadzić wyłącznie w reaktorach jądrowych. Jeśli mówimy o obecności pierwiastka Pu w skorupie ziemskiej, to na 4 miliony ton rudy uranu będzie tylko 1 gram czystego plutonu. A ten gram powstaje w wyniku naturalnego wychwytywania neutronów przez jądra uranu. Zatem, aby otrzymać to paliwo jądrowe (zwykle izotop 239-Pu) w ilości kilku kilogramów, konieczne jest przeprowadzenie złożonego procesu technologicznego w reaktorze jądrowym.
Właściwości plutonu
Radioaktywny pluton metalowy ma następujące właściwości fizyczne:
- gęstość 19,8 g/cm3
- temperatura topnienia – 641°C
- temperatura wrzenia – 3232°C
- przewodność cieplna (przy 300 K) – 6,74 W/(m K)
Pluton jest radioaktywny, dlatego jest ciepły w dotyku. Ponadto metal ten charakteryzuje się najniższą przewodnością cieplną i elektryczną. Ciekły pluton jest najbardziej lepkim ze wszystkich istniejących metali.
Najmniejsza zmiana temperatury plutonu prowadzi do natychmiastowej zmiany gęstości substancji. Ogólnie masa plutonu stale się zmienia, ponieważ jądra tego metalu znajdują się w stanie ciągłego rozszczepienia na mniejsze jądra i neutrony. Masa krytyczna plutonu to nazwa minimalnej masy substancji rozszczepialnej, przy której możliwe jest rozszczepienie (reakcja łańcuchowa jądra). Na przykład masa krytyczna plutonu do celów wojskowych wynosi 11 kg (dla porównania masa krytyczna wysoko wzbogaconego uranu wynosi 52 kg).
Głównymi paliwami jądrowymi są uran i pluton. Aby uzyskać pluton w dużych ilościach, stosuje się dwie technologie:
- napromieniowanie uranem
- napromienianie pierwiastków transuranowych otrzymywanych z wypalonego paliwa jądrowego
Obie metody polegają na oddzieleniu plutonu i uranu w wyniku reakcji chemicznej.
Aby otrzymać czysty pluton-238, stosuje się napromienianie neutronowe neptunu-237. Ten sam izotop bierze udział w tworzeniu plutonu-239 nadającego się do celów wojskowych; w szczególności jest to pośredni produkt rozpadu. 1 milion dolarów to cena za 1 kg plutonu-238.
Ludzkość od zawsze poszukiwała nowych źródeł energii, które mogłyby rozwiązać wiele problemów. Jednak nie zawsze są one bezpieczne. W szczególności więc te powszechnie stosowane dzisiaj, choć są w stanie wygenerować po prostu kolosalne ilości energii elektrycznej potrzebnej każdemu, to jednak niosą ze sobą śmiertelne niebezpieczeństwo. Ale oprócz celów pokojowych niektóre kraje na naszej planecie nauczyły się wykorzystywać go do celów wojskowych, zwłaszcza do tworzenia głowic nuklearnych. W tym artykule omówione zostaną podstawy takiej niszczycielskiej broni, której nazwa to pluton przeznaczony do broni.
Krótka informacja
Ta zwarta postać metalu zawiera minimum 93,5% izotopu 239Pu. Pluton przeznaczony do broni został nazwany tak, aby można go było odróżnić od jego „odpowiednika reaktorowego”. Zasadniczo pluton zawsze powstaje w absolutnie każdym reaktorze jądrowym, który z kolei działa na nisko wzbogaconym lub naturalnym uranie, zawierającym głównie izotop 238U.
Zastosowanie w przemyśle zbrojeniowym
Pluton 239Pu do celów wojskowych jest podstawą broni nuklearnej. Jednocześnie stosowanie izotopów o liczbach masowych 240 i 242 jest nieistotne, ponieważ tworzą one bardzo wysokie tło neutronowe, co ostatecznie komplikuje tworzenie i projektowanie wysoce skutecznej amunicji nuklearnej. Ponadto izotopy plutonu 240Pu i 241Pu mają znacznie krótszy okres półtrwania w porównaniu do 239Pu, dlatego części plutonu stają się bardzo gorące. W związku z tym inżynierowie zmuszeni są dodatkowo dodawać elementy w celu usunięcia nadmiaru ciepła z broni nuklearnej. Nawiasem mówiąc, 239Pu w czystej postaci jest cieplejszy niż ludzkie ciało. Nie sposób też nie wziąć pod uwagę faktu, że produkty rozpadu ciężkich izotopów poddają siatkę krystaliczną metalu szkodliwym zmianom, co w naturalny sposób zmienia konfigurację części plutonu, co w efekcie może spowodować całkowitą awarię nuklearnego urządzenia wybuchowego.
Ogólnie rzecz biorąc, wszystkie powyższe trudności można pokonać. W praktyce testy przeprowadzono już niejednokrotnie na bazie plutonu „reaktorowego”. Należy jednak rozumieć, że w broni nuklearnej ich zwartość, niska masa własna, trwałość i niezawodność nie są wcale najmniej ważne. W tym celu używają wyłącznie plutonu do celów wojskowych.
Cechy konstrukcyjne reaktorów produkcyjnych
Prawie cały pluton w Rosji został wyprodukowany w reaktorach wyposażonych w moderator grafitowy. Każdy z reaktorów zbudowany jest wokół cylindrycznie zmontowanych bloków grafitu.
Po zmontowaniu bloki grafitowe posiadają między sobą specjalne szczeliny zapewniające ciągłą cyrkulację chłodziwa wykorzystującego azot. Zmontowana konstrukcja posiada również umieszczone pionowo kanały utworzone w celu przejścia przez nie wody chłodzącej i paliwa. Sam zespół jest sztywno wsparty na konstrukcji z otworami pod kanałami służącymi do zrzutu już napromieniowanego paliwa. Ponadto każdy z kanałów umieszczony jest w cienkościennej rurze odlanej z lekkiego i niezwykle wytrzymałego stopu aluminium. Większość opisanych kanałów posiada 70 prętów paliwowych. Woda chłodząca przepływa bezpośrednio wokół prętów paliwowych, usuwając z nich nadmiar ciepła.
Zwiększenie mocy reaktorów produkcyjnych
Początkowo pierwszy reaktor Mayak pracował z mocą cieplną 100 MW. Jednak główny lider radzieckiego programu broni nuklearnej zaproponował, aby reaktor pracował w zimie z mocą 170-190 MW, a latem 140-150 MW. Takie podejście pozwoliło reaktorowi wyprodukować prawie 140 gramów cennego plutonu dziennie.
W 1952 roku prowadzono szeroko zakrojone prace badawcze mające na celu zwiększenie mocy produkcyjnej działających reaktorów metodami:
- Poprzez zwiększenie przepływu wody wykorzystywanej do chłodzenia i przepływającej przez rdzenie elektrowni jądrowej.
- Zwiększając odporność na zjawisko korozji występujące w pobliżu wykładziny kanałowej.
- Zmniejszenie szybkości utleniania grafitu.
- Rosnąca temperatura wewnątrz ogniw paliwowych.
W rezultacie przepustowość wody obiegowej znacznie wzrosła po zwiększeniu szczeliny pomiędzy paliwem a ściankami kanału. Udało nam się też pozbyć korozji. W tym celu wybrano najodpowiedniejsze stopy aluminium i zaczęto aktywnie dodawać dwuchromian sodu, co ostatecznie zwiększyło miękkość wody chłodzącej (pH osiągnęło poziom około 6,0-6,2). Utlenianie grafitu przestało być palącym problemem po zastosowaniu do jego chłodzenia azotu (wcześniej używano wyłącznie powietrza).
Pod koniec lat pięćdziesiątych innowacje zostały w pełni zrealizowane w praktyce, zmniejszając wysoce niepotrzebną inflację uranu spowodowaną promieniowaniem, znacznie zmniejszając hartowanie cieplne prętów uranowych, poprawiając odporność okładzin i zwiększając kontrolę jakości produkcji.
Produkcja w Mayak
„Czelabińsk-65” to jedna z tych bardzo tajnych fabryk, w których wytwarzano pluton do celów wojskowych. Przedsiębiorstwo miało kilka reaktorów i przyjrzymy się bliżej każdemu z nich.
Reaktor A
Instalacja została zaprojektowana i stworzona pod przewodnictwem legendarnego N. A. Dollezhala. Pracował z mocą 100 MW. Reaktor posiadał 1149 pionowo ułożonych kanałów sterujących i paliwowych w bloku grafitowym. Całkowita waga konstrukcji wynosiła około 1050 ton. Prawie wszystkie kanały (z wyjątkiem 25) załadowano uranem, którego łączna masa wynosiła 120–130 ton. Na pręty kontrolne wykorzystano 17 kanałów, a do eksperymentów 8. Maksymalne projektowe wydzielanie ciepła przez ogniwo paliwowe wyniosło 3,45 kW. Początkowo reaktor wytwarzał około 100 gramów plutonu dziennie. Pierwszy metaliczny pluton wyprodukowano 16 kwietnia 1949 r.
Wady technologiczne
Niemal natychmiast zidentyfikowano dość poważne problemy, które polegały na korozji aluminiowych wkładek i powlekania ogniw paliwowych. Pręty uranowe również spęczniały i uległy uszkodzeniu, powodując wyciek wody chłodzącej bezpośrednio do rdzenia reaktora. Po każdym wycieku reaktor musiał być zatrzymywany na okres do 10 godzin w celu osuszenia grafitu powietrzem. W styczniu 1949 roku wymieniono wykładziny kanałowe. Następnie instalację uruchomiono 26 marca 1949 r.
Pluton do celów wojskowych, którego produkcja w reaktorze A wiązała się z różnego rodzaju trudnościami, produkowano w latach 1950-1954 ze średnią mocą jednostkową 180 MW. Późniejszej eksploatacji reaktora zaczęła towarzyszyć intensywniejsza eksploatacja, co w naturalny sposób wiązało się z częstszymi wyłączeniami (do 165 razy w miesiącu). W rezultacie reaktor został wyłączony w październiku 1963 r., a pracę wznowiono dopiero wiosną 1964 r. Całkowicie zakończyła swoją akcję w 1987 roku iw ciągu całego wieloletniego funkcjonowania wyprodukowała 4,6 tony plutonu.
Reaktory AB
Jesienią 1948 roku podjęto decyzję o budowie trzech reaktorów AB w przedsiębiorstwie Czelabińsk-65. Ich zdolność produkcyjna wynosiła 200-250 gramów plutonu dziennie. Głównym projektantem projektu był A. Savin. Każdy reaktor miał 1996 kanałów, z czego 65 to kanały sterujące. W instalacjach zastosowano nowinkę techniczną – każdy kanał został wyposażony w specjalny detektor wycieku płynu chłodzącego. Takie posunięcie umożliwiło wymianę wkładek bez przerywania pracy samego reaktora.
Pierwszy rok pracy reaktorów pokazał, że produkują one około 260 gramów plutonu dziennie. Jednak od drugiego roku eksploatacji moc stopniowo zwiększano i już w 1963 roku wynosiła ona 600 MW. Po drugim remoncie problem wykładzin został całkowicie rozwiązany, a moc wynosiła już 1200 MW przy rocznej produkcji plutonu 270 kilogramów. Wskaźniki te pozostały aż do całkowitego zamknięcia reaktorów.
Reaktor AI-IR
Przedsiębiorstwo Czelabińsk korzystało z tej instalacji od 22 grudnia 1951 r. do 25 maja 1987 r. Oprócz uranu w reaktorze wytwarzano także kobalt-60 i polon-210. Początkowo zakład produkował tryt, później zaczął produkować pluton.
Również w zakładzie przeróbki plutonu do celów wojskowych działały reaktory na ciężką wodę i jedyny reaktor lekkowodny (nazywa się Rusłan).
Syberyjski gigant
„Tomsk-7” – tak nazywa się zakład, w którym mieści się pięć reaktorów do wytwarzania plutonu. W każdej z jednostek zastosowano grafit do spowalniania neutronów oraz zwykłą wodę, aby zapewnić odpowiednie chłodzenie.
Reaktor I-1 pracował z układem chłodzenia, w którym woda przepływała jednokrotnie. Natomiast pozostałe cztery jednostki wyposażono w zamknięte obiegi pierwotne, wyposażone w wymienniki ciepła. Konstrukcja ta umożliwiła dodatkową produkcję pary, która z kolei pomogła w produkcji energii elektrycznej i ogrzewaniu różnych pomieszczeń mieszkalnych.
Tomsk-7 posiadał także reaktor o nazwie EI-2, który z kolei miał dwojakie przeznaczenie: wytwarzał pluton i generował z wytworzonej pary 100 MW energii elektrycznej oraz 200 MW energii cieplnej.
Ważna informacja
Według naukowców okres półtrwania plutonu stosowanego w broni wynosi około 24 360 lat. Duża liczba! W związku z tym szczególnie dotkliwe staje się pytanie: „Jak właściwie postępować z odpadami powstałymi przy produkcji tego pierwiastka?” Najlepszą opcją jest budowa specjalnych przedsiębiorstw do późniejszego przetwarzania plutonu do celów wojskowych. Wyjaśnia to fakt, że w tym przypadku element nie może być już wykorzystywany do celów wojskowych i będzie pod kontrolą człowieka. Dokładnie w ten sposób w Rosji usuwa się pluton przeznaczony do celów wojskowych, ale Stany Zjednoczone Ameryki obrały inną drogę, naruszając w ten sposób swoje zobowiązania międzynarodowe.
Dlatego rząd amerykański proponuje zniszczenie wysoce wzbogaconego materiału nie środkami przemysłowymi, ale poprzez rozcieńczenie plutonu i przechowywanie go w specjalnych pojemnikach na głębokości 500 metrów. Jest rzeczą oczywistą, że w tym przypadku materiał można w każdej chwili łatwo usunąć z ziemi i ponownie wykorzystać do celów wojskowych. Według prezydenta Rosji Władimira Putina początkowo kraje zgodziły się na niszczenie plutonu nie tą metodą, ale jego utylizację w obiektach przemysłowych.
Na szczególną uwagę zasługuje koszt plutonu do celów wojskowych. Według ekspertów dziesiątki ton tego pierwiastka mogą kosztować kilka miliardów dolarów. Niektórzy eksperci oszacowali nawet, że 500 ton plutonu do celów wojskowych kosztuje aż 8 bilionów dolarów. Kwota jest naprawdę imponująca. Aby było jasne, ile to są pieniądze, przyjmijmy, że w ciągu ostatnich dziesięciu lat XX wieku średni roczny PKB Rosji wynosił 400 miliardów dolarów. Oznacza to, że w rzeczywistości rzeczywista cena plutonu do celów wojskowych była równa dwudziestorocznemu PKB Federacji Rosyjskiej.
On jest naprawdę cenny.
Tło i historia
Na początku były protony – galaktyczny wodór. W wyniku jego kompresji i późniejszych reakcji jądrowych powstały najbardziej niesamowite „wlewki” nukleonów. Wśród nich „wlewki” najwyraźniej znajdowały się te zawierające 94 protony. Z szacunków teoretyków wynika, że około 100 formacji nukleonowych, w których skład wchodzi 94 protony i od 107 do 206 neutronów, jest na tyle stabilnych, że można je uznać za jądra izotopów pierwiastka nr 94.
Jednak wszystkie te izotopy – hipotetyczne i rzeczywiste – nie są na tyle stabilne, aby przetrwać do dziś, od momentu powstania elementów Układu Słonecznego. Okres półtrwania najdłużej żyjącego izotopu pierwiastka nr 94 wynosi 75 milionów lat. Wiek Galaktyki mierzy się w miliardach lat. W rezultacie „pierwotny” pluton nie miał szans przetrwać do dziś. Jeśli powstał podczas wielkiej syntezy pierwiastków Wszechświata, to jego starożytne atomy „wymarły” dawno temu, tak jak wyginęły dinozaury i mamuty.
W XX wieku. nowa era, AD, ten element został odtworzony. Ze 100 możliwych izotopów plutonu zsyntetyzowano 25. Zbadano właściwości jądrowe 15 z nich. Cztery znalazły praktyczne zastosowanie. A został otwarty całkiem niedawno. W grudniu 1940 roku, kiedy uran został napromieniowany ciężkimi jądrami wodoru, grupa amerykańskich radiochemików pod przewodnictwem Glenna T. Seaborga odkryła nieznany wcześniej emiter cząstek alfa o okresie półtrwania wynoszącym 90 lat. Emiterem tym okazał się izotop pierwiastka nr 94 o liczbie masowej 238. W tym samym roku, ale kilka miesięcy wcześniej, E.M. McMillan i F. Abelson uzyskali pierwszy pierwiastek cięższy od uranu – pierwiastek nr 93. Pierwiastek ten nazwano neptunem, a 94. - plutonem. Historyk z pewnością powie, że nazwy te wywodzą się z mitologii rzymskiej, jednak w istocie pochodzenie tych nazw nie jest raczej mitologiczne, ale astronomiczne.
Elementy nr 92 i 93 noszą nazwy odległych planet Układu Słonecznego – Urana i Neptuna, jednak Neptun nie jest ostatnim w Układzie Słonecznym, jeszcze dalej leży orbita Plutona – planety, o której wciąż prawie nic nie wiadomo. .. Podobną konstrukcję Widzimy także na „lewym boku” układu okresowego: uran – neptun – pluton, jednak ludzkość wie o plutonie znacznie więcej niż o Plutonie. Nawiasem mówiąc, astronomowie odkryli Plutona zaledwie dziesięć lat przed syntezą plutonu - prawie tyle samo czasu dzieliło odkrycie Urana - planety i uranu - pierwiastka.
Zagadki dla kryptologów
Pierwszy izotop pierwiastka nr 94, pluton-238, znalazł obecnie praktyczne zastosowanie. Ale na początku lat 40. nawet o tym nie myśleli. Pluton-238 można otrzymać w ilościach mających praktyczne znaczenie jedynie w oparciu o potężny przemysł nuklearny. W tamtym czasie było to dopiero w powijakach. Ale było już jasne, że uwalniając energię zawartą w jądrach ciężkich pierwiastków promieniotwórczych, można uzyskać broń o niespotykanej mocy. Pojawił się Projekt Manhattan, który ze słynną dzielnicą Nowego Jorku nie miał nic wspólnego poza nazwą. Tak ogólnie nazywano wszelkie prace związane ze stworzeniem pierwszych bomb atomowych w Stanach Zjednoczonych. To nie naukowiec, ale wojskowy generał Groves został mianowany szefem Projektu Manhattan, który „czule” nazwał swoich wysoko wykształconych podopiecznych „tłuczonymi garnkami”.
Liderzy „projektu” nie byli zainteresowani plutonem-238. Jego jądra, podobnie jak jądra wszystkich izotopów plutonu o parzystych liczbach masowych, nie są rozszczepialne przez neutrony o niskiej energii*, więc nie mogłyby służyć jako materiał wybuchowy jądrowy. Niemniej jednak pierwsze niezbyt jasne doniesienia o elementach nr 93 i 94 ukazały się drukiem dopiero wiosną 1942 roku.
* Neutrony niskoenergetyczne nazywamy neutronami, których energia nie przekracza 10 keV. Neutrony o energii mierzonej w ułamkach elektronowoltów nazywane są termicznymi, a najwolniejsze neutrony, o energii mniejszej niż 0,005 eV, nazywane są zimnymi. Jeśli energia neutronów jest większa niż 100 keV, wówczas taki neutron uważa się za szybki.
Jak możemy to wyjaśnić? Fizycy zrozumieli: synteza izotopów plutonu o nieparzystych liczbach masowych była kwestią czasu i niezbyt długo. Oczekiwano, że dziwne izotopy, podobnie jak uran-235, będą w stanie podtrzymywać jądrową reakcję łańcuchową. Niektórzy postrzegali je jako potencjalny materiał wybuchowy nuklearny, który nie został jeszcze odebrany. A pluton niestety potwierdził te nadzieje.
W ówczesnym szyfrowaniu element nr 94 nazywano niczym innym jak... miedzią. A kiedy pojawiła się potrzeba samej miedzi (jako materiału konstrukcyjnego niektórych części), wówczas w kodach wraz z „miedzią” pojawiła się „prawdziwa miedź”.
„Drzewo poznania dobra i zła”
W 1941 roku odkryto najważniejszy izotop plutonu - izotop o liczbie masowej 239. I niemal natychmiast potwierdziły się przewidywania teoretyków: jądra plutonu-239 zostały rozszczepione przez neutrony termiczne. Co więcej, podczas ich rozszczepienia powstała nie mniejsza liczba neutronów niż podczas rozszczepienia uranu-235. Od razu przedstawiono sposoby otrzymywania tego izotopu w dużych ilościach...
Minęły lata. Teraz dla nikogo nie jest tajemnicą, że bomby nuklearne przechowywane w arsenałach są wypełnione plutonem-239 i że te bomby wystarczą, aby spowodować nieodwracalne szkody dla całego życia na Ziemi.
Powszechnie uważa się, że wraz z odkryciem nuklearnej reakcji łańcuchowej (której nieuniknioną konsekwencją było powstanie bomby atomowej) ludzkość wyraźnie się spieszyła. Możesz myśleć inaczej lub udawać, że myślisz inaczej – przyjemniej jest być optymistą. Jednak nawet optymiści nieuchronnie stają przed pytaniem o odpowiedzialność naukowców. Pamiętamy triumfalny dzień w czerwcu 1954 r., dzień, w którym pierwsza elektrownia jądrowa w Obnińsku dała prąd. Ale nie możemy zapomnieć sierpniowego poranka 1945 roku – „poranka w Hiroszimie”, „deszczowego dnia Alberta Einsteina”. Ale czy ludzkość nie doświadczyła w kolejnych latach wielu kłopotów? Co więcej, obawy te pomnożyła świadomość, że jeśli wybuchnie nowa wojna światowa, zostanie użyta broń nuklearna.
Tutaj możesz spróbować udowodnić, że odkrycie plutonu nie zwiększyło strachu ludzkości, wręcz przeciwnie, było tylko przydatne.
Załóżmy, że z jakiegoś powodu lub, jak mawiano w dawnych czasach, z woli Boga, pluton nie był dostępny dla naukowców. Czy wtedy nasze lęki i obawy uległyby zmniejszeniu? Nic się nie stało. Bomby nuklearne byłyby produkowane z uranu-235 (i to w nie mniejszej ilości niż z plutonu) i bomby te „pochłonęłyby” jeszcze większą część budżetów niż obecnie.
Ale bez plutonu nie byłoby perspektyw na pokojowe wykorzystanie energii jądrowej na dużą skalę. Po prostu nie byłoby wystarczającej ilości uranu-235 na „pokojowy atom”. Zło wyrządzone ludzkości przez odkrycie energii nuklearnej nie zostanie, choćby częściowo, zrównoważone osiągnięciami „dobrego atomu”.
Jak mierzyć, z czym porównywać
Kiedy jądro plutonu-239 zostaje rozdzielone przez neutrony na dwa fragmenty o w przybliżeniu równej masie, uwalniana jest energia około 200 MeV. To 50 milionów razy więcej energii uwolnionej w najsłynniejszej reakcji egzotermicznej C + O 2 = CO 2. „Spalając” w reaktorze jądrowym gram plutonu daje 2,10 7 kcal. Aby nie łamać tradycji (a w popularnych artykułach energię paliwa jądrowego mierzy się zwykle w jednostkach niesystemowych - tonach węgla, benzyny, trójnitrotoluenu itp.), Zwracamy również uwagę: jest to energia zawarta w 4 tonach węgla. A zwykły naparstek zawiera ilość plutonu energetycznie równoważną czterdziestu samochodom dobrego drewna opałowego z brzozy.
Ta sama energia jest uwalniana podczas rozszczepienia jąder uranu-235 przez neutrony. Jednak większość naturalnego uranu (99,3%!) to izotop 238 U, który można wykorzystać jedynie poprzez zamianę uranu w pluton...
Energia kamienia
Oceńmy zasoby energii zawarte w naturalnych zasobach uranu.
Uran jest pierwiastkiem rozproszonym i występuje praktycznie wszędzie. Każdy, kto odwiedził np. Karelię, zapewne pamięta granitowe głazy i przybrzeżne klify. Niewiele osób jednak wie, że w tonie granitu znajduje się aż 25 g uranu. Granity stanowią prawie 20% masy skorupy ziemskiej. Jeśli policzymy tylko uran-235, to tona granitu zawiera 3,5·10 5 kcal energii. To dużo, ale...
Przeróbka granitu i wydobycie z niego uranu wymaga wydatkowania jeszcze większej ilości energii – około 10 6 ...10 7 kcal/t. Gdyby teraz można było wykorzystać jako źródło energii nie tylko uran-235, ale także uran-238, wówczas granit można by uznać przynajmniej za potencjalny surowiec energetyczny. Wtedy energia uzyskana z tony kamienia wynosiłaby już od 8,10 7 do 5,10 8 kcal. Odpowiada to 16...100 tonom węgla. I w tym przypadku granit mógłby zapewnić ludziom prawie milion razy więcej energii niż wszystkie rezerwy paliw chemicznych na Ziemi.
Jednak jądra uranu-238 nie rozszczepiają się pod wpływem neutronów. W przypadku energii jądrowej ten izotop jest bezużyteczny. Mówiąc dokładniej, byłoby bezużyteczne, gdyby nie można było go przekształcić w pluton-239. I co szczególnie ważne: na tę transformację nuklearną praktycznie nie trzeba wydawać żadnej energii - wręcz przeciwnie, w tym procesie powstaje energia!
Spróbujmy dowiedzieć się, jak to się dzieje, ale najpierw kilka słów o naturalnym plutonie.
400 tysięcy razy mniej niż rad
Mówiono już, że izotopy plutonu nie zachowały się od czasu syntezy pierwiastków podczas formowania się naszej planety. Ale to nie znaczy, że na Ziemi nie ma plutonu.
Powstaje cały czas w rudach uranu. Wychwytując neutrony promieniowania kosmicznego oraz neutrony powstałe w wyniku spontanicznego rozszczepienia jąder uranu-238, niektóre – bardzo nieliczne – atomy tego izotopu przekształcają się w atomy uranu-239. Jądra te są bardzo niestabilne, emitują elektrony, zwiększając w ten sposób swój ładunek. Powstaje neptun, pierwszy pierwiastek transuranowy. Neptun-239 jest również wysoce niestabilny, a jego jądra emitują elektrony. W ciągu zaledwie 56 godzin połowa neptunu-239 zamienia się w pluton-239, którego okres półtrwania jest już dość długi - 24 tysiące lat.
Dlaczego pluton nie jest wydobywany z rud uranu? Niskie, zbyt niskie stężenie. „Produkcja na gram to praca rocznie” - chodzi o rad, a pluton w rudach jest 400 tysięcy razy mniejszy niż rad. Dlatego niezwykle trudno jest nie tylko wydobyć, ale nawet wykryć „ziemski” pluton. Dokonano tego dopiero po zbadaniu właściwości fizycznych i chemicznych plutonu wytwarzanego w reaktorach jądrowych.
Kiedy 2,70 >> 2,23
Pluton gromadzi się w reaktorach jądrowych. W potężnych strumieniach neutronów zachodzi ta sama reakcja, co w rudach uranu, ale tempo tworzenia i akumulacji plutonu w reaktorze jest znacznie wyższe - miliard miliardów razy. Dla reakcji przemiany uranu balastowego-238 w pluton-239 o jakości energetycznej tworzone są optymalne (w dopuszczalnych granicach) warunki.
Jeżeli reaktor działa na neutronach termicznych (przypomnijmy, że ich prędkość wynosi około 2000 m na sekundę, a ich energia to ułamek elektronowoltów), to z naturalnej mieszaniny izotopów uranu otrzymuje się ilość plutonu nieco mniejszą niż ilość „wypalonego” uranu-235. Trochę, ale mniej, plus nieuniknione straty plutonu podczas jego chemicznego oddzielania od napromieniowanego uranu. Ponadto jądrowa reakcja łańcuchowa jest utrzymywana w naturalnej mieszaninie izotopów uranu tylko do momentu zużycia niewielkiej frakcji uranu-235. Stąd logiczny wniosek: reaktor „termiczny” wykorzystujący uran naturalny – główny typ obecnie działających reaktorów – nie jest w stanie zapewnić rozszerzonej reprodukcji paliwa jądrowego. Ale co w takim razie jest obiecujące? Aby odpowiedzieć na to pytanie, porównajmy przebieg jądrowej reakcji łańcuchowej w uranie-235 i plutonie-239 i wprowadźmy do naszych dyskusji inną koncepcję fizyczną.
Najważniejszą cechą każdego paliwa jądrowego jest średnia liczba neutronów emitowanych po wchłonięciu przez jądro jednego neutronu. Fizycy nazywają ją liczbą eta i oznaczają ją grecką literą η. W „termicznych” reaktorach na uranie obserwuje się następujący wzór: każdy neutron generuje średnio 2,08 neutronów (η = 2,08). Pluton umieszczony w takim reaktorze pod wpływem neutronów termicznych daje η = 2,03. Ale są też reaktory, które działają na szybkich neutronach. Ładowanie naturalnej mieszaniny izotopów uranu do takiego reaktora nie ma sensu: reakcja łańcuchowa nie nastąpi. Jeśli jednak „surowiec” zostanie wzbogacony uranem-235, będzie można go opracować w „szybkim” reaktorze. W tym przypadku η będzie już równe 2,23. A pluton wystawiony na ogień szybkich neutronów da η równe 2,70. Będziemy mieli do dyspozycji „dodatkowe pół neutronu”. A to nie wystarczy.
Zobaczmy, na co wydawane są powstałe neutrony. W każdym reaktorze do utrzymania jądrowej reakcji łańcuchowej potrzebny jest jeden neutron. Materiały konstrukcyjne instalacji pochłaniają 0,1 neutronów. „Nadmiar” służy do gromadzenia plutonu-239. W jednym przypadku „nadwyżka” wynosi 1,13, w drugim – 1,60. Po „spaleniu” kilograma plutonu w „szybkim” reaktorze uwalniana jest kolosalna energia i gromadzi się 1,6 kg plutonu. A uran w „szybkim” reaktorze da tę samą energię i 1,1 kg nowego paliwa jądrowego. W obu przypadkach widoczna jest reprodukcja rozszerzona. Nie możemy jednak zapominać o gospodarce.
Z wielu względów technicznych cykl reprodukcji plutonu trwa kilka lat. Powiedzmy pięć lat. Oznacza to, że ilość plutonu rocznie wzrośnie zaledwie o 2% przy η = 2,23 i o 12% przy η = 2,7! Paliwo jądrowe to kapitał, a każdy kapitał powinien przynosić, powiedzmy, 5% rocznie. W pierwszym przypadku są duże straty, w drugim duże zyski. Ten prymitywny przykład ilustruje „wagę” co dziesiątej liczby η w energetyce jądrowej.
Suma wielu technologii
Kiedy w wyniku reakcji jądrowych w uranie zgromadzi się wymagana ilość plutonu, należy go oddzielić nie tylko od samego uranu, ale także od fragmentów rozszczepienia - zarówno uranu, jak i plutonu, spalonych w jądrowej reakcji łańcuchowej. Ponadto masa uranowo-plutonowa zawiera również pewną ilość neptunu. Najtrudniej oddzielić pluton od neptunu i pierwiastki ziem rzadkich (lantanowce). Pluton, jako pierwiastek chemiczny, w pewnym stopniu nie miał szczęścia. Z punktu widzenia chemika głównym pierwiastkiem energii jądrowej jest tylko jeden z czternastu aktynowców. Podobnie jak pierwiastki ziem rzadkich, wszystkie pierwiastki serii aktynu są do siebie bardzo podobne pod względem właściwości chemicznych, struktura zewnętrznych powłok elektronowych atomów wszystkich pierwiastków od aktynu do 103 jest taka sama. Jeszcze bardziej nieprzyjemne jest to, że właściwości chemiczne aktynowców są podobne do właściwości pierwiastków ziem rzadkich, a wśród fragmentów rozszczepialnych uranu i plutonu jest aż nadto lantanowców. Ale wtedy pierwiastek 94 może znajdować się w pięciu stanach walencyjnych, co „osładza pigułkę” - pomaga oddzielić pluton zarówno od uranu, jak i fragmentów rozszczepienia.
Wartościowość plutonu waha się od trzech do siedmiu. Pod względem chemicznym najbardziej stabilnymi (a zatem najczęściej i najczęściej badanymi) związkami jest czterowartościowy pluton.
Rozdzielenie aktynowców o podobnych właściwościach chemicznych – uranu, neptunu i plutonu – można oprzeć na różnicy we właściwościach ich związków cztero- i sześciowartościowych.
Nie ma potrzeby szczegółowego opisywania wszystkich etapów chemicznego rozdzielania plutonu i uranu. Zwykle ich rozdzielanie rozpoczyna się od rozpuszczenia prętów uranu w kwasie azotowym, po czym zawarty w roztworze uran, neptun, pluton i pierwiastki fragmentacyjne są „oddzielane”, wykorzystując w tym celu tradycyjne metody radiochemiczne - współstrącanie z nośnikami, ekstrakcję, wymianę jonową i inni. Końcowymi produktami tej wieloetapowej technologii zawierającej pluton są jego dwutlenek PuO 2 lub fluorki - PuF 3 lub PuF 4. Są redukowane do metalu za pomocą par baru, wapnia lub litu. Otrzymany w tych procesach pluton nie nadaje się jednak do roli materiału konstrukcyjnego - nie można z niego wykonać elementów paliwowych reaktorów jądrowych, nie można też odlać ładunku bomby atomowej. Dlaczego? Temperatura topnienia plutonu – zaledwie 640°C – jest całkiem osiągalna.
Bez względu na to, w jakich „ultra delikatnych” warunkach odlewane są części z czystego plutonu, podczas krzepnięcia w odlewach zawsze pojawią się pęknięcia. W temperaturze 640°C krzepnący pluton tworzy sześcienną sieć krystaliczną. Wraz ze spadkiem temperatury gęstość metalu stopniowo wzrasta. Ale potem temperatura osiągnęła 480°C i nagle gęstość plutonu gwałtownie spadła. Przyczyny tej anomalii odkryto dość szybko: w tej temperaturze atomy plutonu ulegają przegrupowaniu w sieci krystalicznej. Staje się tetragonalny i bardzo „luźny”. Taki pluton może unosić się we własnym stopieniu, jak lód na wodzie.
Temperatura nadal spada, osiągnęła już 451°C, a atomy ponownie utworzyły sześcienną siatkę, ale rozmieszczoną w większej odległości od siebie niż w pierwszym przypadku. Przy dalszym chłodzeniu sieć staje się najpierw rombowa, a następnie jednoskośna. W sumie pluton tworzy sześć różnych form krystalicznych! Dwa z nich wyróżniają się niezwykłą właściwością - ujemnym współczynnikiem rozszerzalności cieplnej: wraz ze wzrostem temperatury metal nie rozszerza się, ale kurczy.
Gdy temperatura osiągnie 122°C i atomy plutonu po raz szósty przestawiają swoje rzędy, gęstość zmienia się szczególnie gwałtownie – z 17,77 do 19,82 g/cm 3 . Więcej niż 10%! W związku z tym objętość wlewka zmniejsza się. Jeśli metal nadal byłby w stanie wytrzymać naprężenia powstałe podczas innych przejść, wówczas w tym momencie zniszczenie jest nieuniknione.
Jak zatem wykonać części z tego niesamowitego metalu? Metalurdzy stopują pluton (dodając do niego niewielkie ilości potrzebnych pierwiastków) i uzyskują odlewy bez ani jednego pęknięcia. Wykorzystuje się je do wytwarzania ładunków plutonu do bomb nuklearnych. Masa ładunku (określana przede wszystkim przez masę krytyczną izotopu) wynosi 5...6 kg. Z łatwością zmieściłby się w sześcian o krawędzi 10 cm.
Ciężkie izotopy
Pluton-239 zawiera także w niewielkich ilościach wyższe izotopy tego pierwiastka – o liczbach masowych 240 i 241. Izotop 240 Pu jest praktycznie bezużyteczny – jest to balast w plutonie. Z 241 otrzymuje się ameryk - pierwiastek nr 95. W czystej postaci, bez domieszki innych izotopów, dluton-240 i pluton-241 można otrzymać poprzez elektromagnetyczną separację plutonu zgromadzonego w reaktorze. Wcześniej pluton jest dodatkowo napromieniany strumieniami neutronów o ściśle określonych charakterystykach. Oczywiście wszystko to jest bardzo skomplikowane, zwłaszcza że pluton jest nie tylko radioaktywny, ale także bardzo toksyczny. Praca z nim wymaga szczególnej ostrożności.
Jeden z najciekawszych izotopów plutonu, 242 Pu, można otrzymać poprzez długotrwałe napromienianie 239 Pu strumieniami neutronów. 242 Pu bardzo rzadko wychwytuje neutrony i dlatego „wypala się” w reaktorze wolniej niż inne izotopy; utrzymuje się nawet po tym, jak pozostałe izotopy plutonu prawie całkowicie zamieniły się w fragmenty lub zamieniły się w pluton-242.
Pluton-242 jest ważny jako „surowiec” do stosunkowo szybkiej akumulacji wyższych pierwiastków transuranowych w reaktorach jądrowych. Jeśli pluton-239 zostanie napromieniowany w konwencjonalnym reaktorze, zgromadzenie mikrogramowych ilości, na przykład California-251 z gramów plutonu, zajmie około 20 lat.
Możliwe jest skrócenie czasu akumulacji wyższych izotopów poprzez zwiększenie intensywności strumienia neutronów w reaktorze. Tak właśnie robią, ale wtedy nie można napromieniać dużych ilości plutonu-239. Przecież ten izotop jest dzielony przez neutrony, a w intensywnych przepływach uwalnia się zbyt dużo energii. Dodatkowe trudności pojawiają się przy chłodzeniu zbiornika i reaktora. Aby uniknąć tych trudności, konieczne byłoby zmniejszenie ilości napromienianego plutonu. W rezultacie wydajność kalifornu ponownie stałaby się skąpa. Błędne koło!
Pluton-242 nie jest rozszczepialny przez neutrony termiczne, może być napromieniany w dużych ilościach w intensywnych strumieniach neutronów... Dlatego w reaktorach wszystkie pierwiastki od kalifornu po einstein są „wykonywane” z tego izotopu i gromadzone w ilościach wagowych.
Nie najcięższy, ale najdłużej żyjący
Za każdym razem, gdy naukowcom udało się uzyskać nowy izotop plutonu, mierzono okres półtrwania jego jąder. Okresy półtrwania izotopów ciężkich jąder promieniotwórczych o parzystych liczbach masowych zmieniają się regularnie. (Nie można tego powiedzieć o izotopach nieparzystych.)
Ryż. 8.
Spójrz na wykres pokazujący zależność okresu półtrwania parzystych izotopów plutonu od liczby masowej. Wraz ze wzrostem masy wzrasta również „czas życia” izotopu. Kilka lat temu najwyższym punktem na tym wykresie był pluton-242. A jak będzie przebiegać ta krzywa – przy dalszym wzroście liczby masowej? Dokładnie 1 , co odpowiada czasowi życia wynoszącemu 30 milionów lat, czyli do punktu 2 , który odpowiada od 300 milionów lat? Odpowiedź na to pytanie była bardzo ważna dla nauk o Ziemi. W pierwszym przypadku, gdyby 5 miliardów lat temu Ziemia składała się wyłącznie z 244 Pu, obecnie w całej masie Ziemi pozostałby tylko jeden atom plutonu-244. Jeśli drugie założenie jest prawdziwe, pluton-244 może znajdować się na Ziemi w stężeniach, które można już wykryć. Gdybyśmy mieli szczęście znaleźć ten izotop na Ziemi, nauka otrzymałaby najcenniejsze informacje o procesach, które miały miejsce podczas powstawania naszej planety.
Kilka lat temu naukowcy stanęli przed pytaniem: czy warto szukać w Ziemi ciężkiego plutonu? Aby odpowiedzieć na to pytanie, należało przede wszystkim określić okres półtrwania plutonu-244. Teoretycy nie byli w stanie obliczyć tej wartości z wymaganą dokładnością. Cała nadzieja wiązała się tylko z eksperymentem.
Pluton-244 zgromadził się w reaktorze jądrowym. Pierwiastek nr 95, ameryk (izotop 243 Am), został napromieniowany. Po wychwyceniu neutronu izotop ten zamienił się w ameryk-244; ameryk-244 w jednym na 10 tysięcy przypadków zamienił się w pluton-244.
Preparat plutonu-244 wyizolowano z mieszaniny ameryku i kiuru. Próbka ważyła zaledwie kilka milionowych grama. Ale wystarczyły, aby określić okres półtrwania tego interesującego izotopu. Okazało się, że wynosi 75 milionów lat. Później inni badacze wyjaśnili okres półtrwania plutonu-244, ale niewiele – 82,8 miliona lat. W 1971 roku w bastnäzycie minerału ziem rzadkich odkryto ślady tego izotopu.
Naukowcy podejmowali wiele prób znalezienia izotopu pierwiastka transuranowego, który żyje dłużej niż 244 Pu. Ale wszystkie próby pozostały daremne. Kiedyś pokładano nadzieje w kiur-247, ale po zgromadzeniu tego izotopu w reaktorze okazało się, że jego okres półtrwania wynosi zaledwie 14 milionów lat. Nie udało się pobić rekordu plutonu-244 - jest to najdłużej żyjący ze wszystkich izotopów pierwiastków transuranowych.
Nawet cięższe izotopy plutonu ulegają rozpadowi beta, a ich czas życia waha się od kilku dni do kilku dziesiątych sekundy. Wiemy na pewno, że wszystkie izotopy plutonu powstają w eksplozjach termojądrowych, aż do 257 Pu. Ale ich czas życia wynosi dziesiąte części sekundy, a wiele krótkotrwałych izotopów plutonu nie zostało jeszcze zbadanych.
Możliwości pierwszego izotopu
I na koniec – o plutonie-238 – pierwszym z „sztucznych” izotopów plutonu, izotopie, który początkowo wydawał się mało obiecujący. W rzeczywistości jest to bardzo interesujący izotop. Podlega rozpadowi alfa, tj. jego jądra spontanicznie emitują cząstki alfa - jądra helu. Cząstki alfa generowane przez jądra plutonu-238 niosą wysoką energię; rozproszona w materii, energia ta zamienia się w ciepło. Jak duża jest ta energia? W wyniku rozpadu jednego jądra atomowego plutonu-238 uwalnia się sześć milionów elektronowoltów. W reakcji chemicznej ta sama energia jest uwalniana podczas utleniania kilku milionów atomów. Źródło energii elektrycznej zawierające jeden kilogram plutonu-238 wytwarza moc cieplną 560 watów. Maksymalna moc chemicznego źródła prądu o tej samej masie wynosi 5 watów.
Istnieje wiele emiterów o podobnej charakterystyce energetycznej, ale jedna cecha plutonu-238 sprawia, że ten izotop jest niezbędny. Rozpadowi alfa towarzyszy zwykle silne promieniowanie gamma, przenikające przez duże warstwy materii. 238 Pu jest wyjątkiem. Energia promieni gamma towarzyszących rozpadowi jej jąder jest niska i nie jest trudno się przed nią chronić: promieniowanie jest pochłaniane przez cienkościenny pojemnik. Prawdopodobieństwo samoistnego rozszczepienia jąder tego izotopu jest również niskie. Dlatego znalazła zastosowanie nie tylko w bieżących źródłach, ale także w medycynie. Baterie zawierające pluton-238 służą jako źródło energii w specjalnych stymulatorach serca.
Jednak 238 Pu nie jest najlżejszym znanym izotopem pierwiastka nr 94. Otrzymano izotopy plutonu o liczbach masowych od 232 do 237. Okres półtrwania najlżejszego izotopu wynosi 36 minut.
Pluton to duży temat. Opowiadane są tu najważniejsze rzeczy. W końcu stało się już standardowym stwierdzeniem, że chemię plutonu zbadano znacznie lepiej niż chemię takich „starych” pierwiastków, jak żelazo. O właściwościach nuklearnych plutonu napisano całe książki. Metalurgia plutonu to kolejna niesamowita część ludzkiej wiedzy... Dlatego nie powinieneś myśleć, że po przeczytaniu tej historii naprawdę poznałeś pluton - najważniejszy metal XX wieku.
