Plutonium i shkallës së armëveështë plutonium në formën e një metali kompakt që përmban të paktën 93,5% të izotopit 239Pu. Projektuar për të krijuar armë bërthamore.
1. Emri dhe veçoritë
E quajnë “armë” për ta dalluar nga “reaktor”. Plutoniumi formohet në çdo reaktor bërthamor që funksionon me uranium natyral ose me pasurim të ulët, që përmban kryesisht izotopin 238U, kur kap neutronet e tepërta. Por ndërsa reaktori funksionon, izotopi i plutoniumit të shkallës së armëve digjet shpejt, si rezultat, një numër i madh izotopësh 240Pu, 241Pu dhe 242Pu grumbullohen në reaktor, të cilët formohen gjatë kapjes së njëpasnjëshme të disa neutroneve - që nga djegia. thellësia zakonisht përcaktohet nga faktorë ekonomikë. Sa më e ulët të jetë thellësia e djegies, aq më pak izotopë 240Pu, 241Pu dhe 242Pu do të përmbahen në plutonium të ndarë nga karburanti bërthamor i rrezatuar, por aq më pak plutonium formohet në karburant.
Kërkohet prodhim i veçantë i plutoniumit për armë që përmbajnë pothuajse ekskluzivisht 239Pu, kryesisht sepse izotopet me numra masiv 240 dhe 242 krijojnë një sfond të lartë neutron që e bën të vështirë hartimin e armëve bërthamore efektive, përveç kësaj, 240Pu dhe 241Pu kanë një gjysmë jetëgjatësi dukshëm më të shkurtër. se 239Pu, për shkak të së cilës pjesët e plutoniumit nxehen, dhe është e nevojshme të futen gjithashtu elementë të ftohësit në hartimin e një arme bërthamore. Edhe 239Pu i pastër është më i ngrohtë se trupi i njeriut. Për më tepër, produktet e kalbjes së izotopeve të rënda dëmtojnë rrjetën kristalore të metalit, gjë që mund të çojë në një ndryshim në formën e pjesëve të plutoniumit, gjë që është e mbushur me dështimin e një pajisje shpërthyese bërthamore.
Në parim, të gjitha këto vështirësi mund të kapërcehen, dhe pajisjet shpërthyese bërthamore nga plutoniumi "reaktor" janë testuar me sukses, megjithatë, në municione, ku kompaktësia, pesha e lehtë, besueshmëria dhe qëndrueshmëria luajnë një rol të rëndësishëm, vetëm plutonium i prodhuar posaçërisht për armë. përdoret. Masa kritike e 240Pu dhe 242Pu metalike është shumë e lartë, 241Pu është disi më e madhe se ajo e 239Pu.
2.Prodhimi
Në BRSS, prodhimi i plutoniumit të shkallës së armëve u krye fillimisht në uzinën Mayak në Ozersk (ish Chelyabinsk-40, Chelyabinsk-65), pastaj në Uzinën Kimike Siberiane në Seversk (ish Tomsk-7), më vonë në Krasnoyarsk. Minierat u vunë në punë - uzina kimike në Zheleznogorsk (e njohur edhe si Sotsgorod dhe Krasnoyarsk-26). Prodhimi i plutoniumit të shkallës së armëve në Rusi pushoi në 1994. Në vitin 1999, reaktorët në Ozyorsk dhe Seversk u mbyllën, në vitin 2010 u mbyll reaktori i fundit në Zheleznogorsk.
Në Shtetet e Bashkuara, plutoniumi i shkallës së armëve u prodhua në disa vende, si kompleksi Hanford në shtetin e Uashingtonit. Prodhimi u mbyll në 1988.
3. Sinteza e elementeve të reja
Shndërrimi i disa atomeve në të tjerë ndodh gjatë bashkëveprimit të grimcave atomike ose nënatomike. Nga këto, vetëm neutronet janë në dispozicion në sasi të mëdha. Një reaktor bërthamor gigavat prodhon rreth 3,75 kg (ose 4 * 1030) neutrone gjatë vitit.
4.Prodhimi i plutoniumit
Atomet e plutoniumit formohen si rezultat i një zinxhiri reaksionesh atomike, duke filluar me kapjen e një neutroni nga një atom uranium-238:
U238 + n -> U239 -> Np239 -> Pu239
ose më saktë:
0n1 + 92U238 -> 92U239 -> -1e0 + 93Np239 -> -1e0 + 94Pu239
Me rrezatim të vazhdueshëm, disa atome të plutonium-239 mund të kapin një neutron dhe të shndërrohen në izotopin më të rëndë plutonium-240:
Pu239 + n -> Pu240
Për të marrë plutonium në sasi të mjaftueshme, nevojiten flukset më të forta të neutroneve. Këto janë krijuar vetëm në reaktorët bërthamorë. Në parim, çdo reaktor është një burim neutronesh, por për prodhimin industrial të plutoniumit, është e natyrshme të përdoret një i projektuar posaçërisht për këtë.
Reaktori i parë komercial në botë i prodhimit të plutoniumit është reaktori B në Hanford. Fituar më 26 shtator 1944, fuqia - 250 MW, produktiviteti - 6 kg plutonium në muaj. Ai përmbante rreth 200 ton metal uranium, 1200 ton grafit dhe ftohej me ujë me një shpejtësi prej 5 metrash kub në minutë.
Paneli i ngarkimit të reaktorit Hanford me fishekë uraniumi:
Skema e punës së tij. Në një reaktor për rrezatimin e uraniumit-238, neutronet krijohen si rezultat i një reaksioni zinxhir të palëvizshëm të ndarjes së bërthamave të uraniumit-235. Mesatarisht, 2.5 neutrone prodhohen për ndarje të U-235. Për të ruajtur reaksionin dhe për të prodhuar njëkohësisht plutonium, është e nevojshme që mesatarisht një ose dy neutrone të absorbohen nga U-238 dhe njëri do të shkaktojë ndarjen e atomit tjetër U-235.
Neutronet e prodhuara gjatë ndarjes së uraniumit kanë shpejtësi shumë të larta. Atomet e uraniumit janë rregulluar në atë mënyrë që kapja e neutroneve të shpejta nga bërthamat e U-238 dhe U-235 nuk ka gjasa. Prandaj, neutronet e shpejta, pasi kanë përjetuar disa përplasje me atomet përreth, ngadalësohen gradualisht. Në të njëjtën kohë, bërthamat U-238 thithin neutrone të tilla (me shpejtësi të ndërmjetme) aq fort sa nuk ka mbetur asgjë për ndarjen e U-235 dhe për të ruajtur reaksionin zinxhir (U-235 ndahet nga neutronet e ngadalta termike).
Moderatori është duke luftuar me këtë, duke i rrethuar blloqet me uranium një lloj lënde të lehtë. Në të, neutronet ngadalësohen pa përthithje, duke përjetuar përplasje elastike, në secilën prej të cilave humbet një pjesë e vogël e energjisë. Moderatorë të mirë janë uji, karboni. Kështu, neutronet e ngadalësuar deri në shpejtësinë termike që udhëtojnë nëpër reaktor derisa të shkaktojnë ndarjen e U-235 (U-238 i thith ato shumë dobët). Me një konfigurim të caktuar të moderatorit dhe shufrave të uraniumit, do të krijohen kushte për thithjen e neutroneve dhe U-238 dhe U-235.
Përbërja izotopike e plutoniumit që rezulton varet nga kohëzgjatja e shufrave të uraniumit në reaktor. Një akumulim i konsiderueshëm i Pu-240 ndodh si rezultat i rrezatimit afatgjatë të kasetës së uraniumit. Me një kohë të shkurtër qëndrimi të uraniumit në reaktor, Pu-239 përftohet me një përmbajtje të parëndësishme të Pu-240.
Pu-240 është i dëmshëm për prodhimin e armëve për arsyet e mëposhtme:
1. Është më pak i zbërthyeshëm se Pu-239, kështu që nevojitet pak më shumë plutonium për të prodhuar armë.
2. Arsyeja e dytë, shumë më e rëndësishme. Niveli i ndarjes spontane në Pu-240 është shumë më i lartë, gjë që krijon një sfond të fortë neutron.
Në vitet e hershme të zhvillimit të armëve atomike, emetimi i neutronit (një sfond i fortë neutron) ishte një problem në rrugën drejt një ngarkese të besueshme dhe efikase për shkak të shpërthimit të parakohshëm. Flukset e forta të neutroneve e bënë të vështirë ose të pamundur ngjeshjen e bërthamës së bombës, që përmban disa kilogramë plutonium, në një gjendje superkritike - para kësaj ajo u shkatërrua nga rendimenti më i fortë, por ende jo maksimal i mundshëm i energjisë. Ardhja e bërthamave të përziera - që përmbanin U-235 dhe plutonium shumë të pasuruar (në fund të viteve 1940) - e kapërceu këtë vështirësi kur u bë e mundur përdorimi i sasive relativisht të vogla të plutoniumit në bërthamat kryesisht të uraniumit. Gjenerata e ardhshme e ngarkesave, pajisjet e përmirësuara me shkrirje (në mesin e viteve 1950), e eliminuan plotësisht këtë vështirësi, duke garantuar çlirim të lartë të energjisë, edhe me ngarkesat fillestare të ndarjes me fuqi të ulët.
Plutoniumi i prodhuar në reaktorë specialë përmban një përqindje relativisht të vogël të Pu-240 (<7%), плутоний "оружейного качества"; в реакторах АЭС отработанное ядерное топливо имеет концентрацию Pu-240 более 20%, плутоний "реакторного качества".
Në reaktorët me qëllime të veçanta, uraniumi ndodhet për një periudhë relativisht të shkurtër kohe, gjatë së cilës jo të gjithë U-235 digjen dhe jo i gjithë U-238 kalon në plutonium, por gjithashtu formohet një sasi më e vogël Pu-240.
Ka dy arsye për prodhimin e plutoniumit me një përmbajtje të ulët Pu-240:
Ekonomik: arsyeja e vetme për ekzistencën e reaktorëve specialë të plutoniumit. Prishja e plutoniumit nga zbërthimi ose shndërrimi i tij në Pu-240 më pak të zbërthyeshëm zvogëlon rendimentin dhe rrit koston e prodhimit (deri në pikën ku çmimi i tij do të balancohet me koston e përpunimit të karburantit të rrezatuar me një përqendrim të vogël të plutoniumit).
Vështirësia në trajtimin: Megjithëse emetimi i neutroneve nuk është një problem aq i madh për projektuesit e armëve, ai mund të krijojë vështirësi në prodhimin dhe trajtimin e një ngarkese të tillë. Neutronet japin një kontribut shtesë në ekspozimin profesional të atyre që montojnë ose mirëmbajnë armë (vetë neutronet nuk kanë një efekt jonizues, por krijojnë protone të aftë për ta bërë këtë). Në fakt, ngarkesat e kontaktit të drejtpërdrejtë me njerëzit, siç është Davy Crocket, mund të kërkojnë plutonium ultra të pastër me emetim të ulët neutron për këtë arsye.
Hedhja dhe përpunimi i drejtpërdrejtë i plutoniumit bëhet me dorë në dhoma të mbyllura me doreza për operatorin. Si keto:
Kjo nënkupton shumë pak mbrojtje njerëzore nga plutoniumi që lëshon neutron. Prandaj, plutoniumi me një përmbajtje të lartë të Pu-240 përpunohet vetëm nga manipuluesit, ose koha e punës me të për secilin punëtor është rreptësisht e kufizuar.
Për të gjitha këto arsye (radioaktiviteti, vetitë më të këqija të Pu-240), shpjegohet pse plutoniumi i shkallës së reaktorit nuk përdoret për prodhimin e armëve - është më lirë të prodhohet plutonium i shkallës së armëve në veçanti. reaktorët. Edhe pse, me sa duket, është gjithashtu e mundur të bëhet një pajisje shpërthyese bërthamore nga një reaktor.
unazë plutoniumi
Kjo unazë është bërë nga metali plutonium i pastruar elektrolitikisht (më shumë se 99,96% i pastër). Tipike për unazat që përgatiten në Los Alamos dhe dërgohen në Rocky Flets për t'u bërë armë, përpara ndërprerjes së fundit të prodhimit. Masa e unazës është 5.3 kg, e mjaftueshme për prodhimin e një ngarkese strategjike moderne, diametri është afërsisht 11 cm. Forma e unazës është e rëndësishme për sigurimin e sigurisë kritike.
Derdhja e aliazhit të galiumit të plutoniumit e marrë nga një bërthamë arme:
Plutoniumi gjatë Projektit Manhattan
Historikisht, 520 miligramët e parë të metalit plutonium të prodhuara nga Ted Magel dhe Nick Dallas në Los Alamos më 23 mars 1944:
Shtypni për shtypje të nxehtë të lidhjes plutonium-galium në formën e hemisferave. Kjo makinë u përdor në Los Alamos për të bërë bërthama plutoniumi për ngarkesat e Nagasaki dhe Operacionit Trinity.
Produktet e hedhura në të:
Nënprodukte shtesë të plutoniumit
Kapja e një neutroni që nuk shoqërohet me ndarje krijon izotopë të rinj të plutoniumit: Pu-240, Pu-241 dhe Pu-242. Dy të fundit grumbullohen në sasi të parëndësishme.
Pu239 + n -> Pu240
Pu240 + n -> Pu241
Pu241 + n -> Pu242
Një zinxhir anësor i reagimeve është gjithashtu i mundur:
U238 + n -> U237 + 2n
U237 -> (6,75 ditë, zbërthimi beta) -> Np237
Np237 + n -> Np238
Np238 -> (2.1 ditë, zbërthimi beta) -> Pu238
Masa e përgjithshme e ekspozimit (shterimi) e një qelize karburanti mund të shprehet në megavat-ditë/ton (MW-ditë/t). plutonium i shkallës së armëve cilësia merret nga elementë me një sasi të vogël MW-ditë/t, prodhon më pak izotope nënproduktesh. Qelizat e karburantit në reaktorët modernë të ujit nën presion arrijnë nivelet prej 33,000 MWd/t. Një ekspozim tipik në një reaktor për prodhimin e armëve është 1000 MWd/t. Plutoniumi në reaktorët e moderuar nga Grafiti Hanford rrezatohet deri në 600 MWd/t, Reaktori i Ujit të Rëndë Savannah prodhon plutonium të së njëjtës cilësi në 1000 MWd/t (ndoshta për shkak të disa neutroneve që do të formojnë tritium). Gjatë Projektit Manhattan, karburanti natyror i uraniumit mori vetëm 100 MW-ditë/t, duke prodhuar kështu plutonium-239 me cilësi shumë të lartë (vetëm 0,9-1% Pu-240, izotopë të tjerë edhe në sasi më të vogla).
Informacione të ngjashme.
Plutoniumi u zbulua në fund të vitit 1940 në Universitetin e Kalifornisë. Ai u sintetizua nga McMillan, Kennedy dhe Wahl duke bombarduar oksidin e uraniumit (U 3 O 8) me bërthamat e deuteriumit (deuterons) të përshpejtuara fuqishëm në një ciklotron. Më vonë u zbulua se ky reaksion bërthamor prodhon fillimisht izotopin jetëshkurtër neptunium-238, dhe prej tij tashmë plutonium-238 me një gjysmë jetë prej rreth 50 vjetësh. Një vit më vonë, Kennedy, Seaborg, Segre dhe Wahl sintetizuan izotopin më të rëndësishëm, plutonium-239, duke rrezatuar uraniumin me neutrone shumë të përshpejtuara në një ciklotron. Plutoniumi-239 është formuar nga prishja e neptunium-239; lëshon rreze alfa dhe ka një gjysmë jetëgjatësi prej 24,000 vjetësh. Një përbërës i pastër plutonium u mor për herë të parë në 1942. Më pas u bë e ditur se ka plutonium natyror që gjendet në mineralet e uraniumit, veçanërisht në xeheroret, depozitat në Kongo.
Emri i elementit u propozua në vitin 1948: McMillan e quajti elementin e parë transuranik neptunium për faktin se planeti Neptun është i pari përtej Uranit. Për analogji, ata vendosën ta quajnë elementin 94 plutonium, pasi planeti Plutoni është planeti i dytë pas Uranit. Plutoni, i zbuluar në vitin 1930, mori emrin e tij nga emri i perëndisë Pluton, sundimtari i botës së krimit në mitologjinë greke. Në fillim të shekullit XIX. Clark propozoi të emërtohej elementi barium plutonium, duke e nxjerrë këtë emër direkt nga emri i perëndisë Pluton, por propozimi i tij nuk u pranua.
Ky metal quhet i çmuar, por jo për bukurinë e tij, por për domosdoshmërinë e tij. Në sistemin periodik të Mendelejevit, ky element zë qelizën numër 94. Pikërisht me të shkencëtarët lidhin shpresat e tyre më të mëdha dhe është plutoniumi që ata e quajnë metali më i rrezikshëm për njerëzimin.
Plutonium: përshkrim
Në pamje është një metal i bardhë argjendtë. Ai është radioaktiv dhe mund të përfaqësohet si 15 izotope me gjysmë jetë të ndryshme, për shembull:
- Pu-238 - rreth 90 vjeç
- Pu-239 - rreth 24 mijë vjet
- Pu-240 - 6580 vjet
- Pu-241 - 14 vjet
- Pu-242 - 370 mijë vjet
- Pu-244 - rreth 80 milion vjet
Ky metal nuk mund të nxirret nga minerali, pasi është produkt i transformimit radioaktiv të uraniumit.
Si fitohet plutoniumi?
Prodhimi i plutoniumit kërkon ndarjen e uraniumit, i cili mund të bëhet vetëm në reaktorët bërthamorë. Nëse flasim për praninë e elementit Pu në koren e tokës, atëherë për 4 milion ton mineral uraniumi do të ketë vetëm 1 gram plutonium të pastër. Dhe ky gram formohet nga kapja natyrale e neutroneve nga bërthamat e uraniumit. Kështu, për të përftuar këtë lëndë djegëse bërthamore (zakonisht izotopin 239-Pu) në sasi prej disa kilogramësh, është e nevojshme të kryhet një proces kompleks teknologjik në një reaktor bërthamor.
vetitë e plutoniumit
Plutoniumi metalik radioaktiv ka këto veti fizike:
- dendësia 19.8 g / cm 3
- pika e shkrirjes - 641°C
- pika e vlimit – 3232°C
- përçueshmëria termike (në 300 K) – 6,74 W/(m K)
Plutoniumi është radioaktiv dhe për këtë arsye i ngrohtë në prekje. Në të njëjtën kohë, ky metal karakterizohet nga përçueshmëria më e ulët termike dhe elektrike. Plutoniumi i lëngshëm është më viskoz nga të gjitha metalet ekzistuese.
Ndryshimi më i vogël në temperaturën e plutoniumit çon në një ndryshim të menjëhershëm në densitetin e substancës. Në përgjithësi, masa e plutoniumit po ndryshon vazhdimisht, pasi bërthamat e këtij metali janë në një gjendje ndarjeje të vazhdueshme në bërthama dhe neutrone më të vogla. Masa kritike e plutoniumit është emri i masës minimale të materialit të zbërthyer në të cilin ndarja (reaksioni zinxhir bërthamor) mbetet i mundur. Për shembull, masa kritike e plutoniumit të shkallës së armëve është 11 kg (për krahasim, masa kritike e uraniumit shumë të pasuruar është 52 kg).
Uraniumi dhe plutoniumi janë karburanti kryesor bërthamor. Për të marrë plutonium në sasi të mëdha, përdoren dy teknologji:
- rrezatimi i uraniumit
- rrezatimi i elementeve transuranium që rrjedhin nga karburanti i shpenzuar
Të dyja metodat janë ndarja e plutoniumit dhe uraniumit si rezultat i një reaksioni kimik.
Për të marrë plutonium-238 të pastër, përdoret rrezatimi neutron i neptunium-237. I njëjti izotop është i përfshirë në krijimin e plutonium-239 të shkallës së armëve, në veçanti, është një produkt i kalbjes së ndërmjetme. 1 milion dollarë është çmimi për 1 kg plutonium-238.
Njerëzimi ka qenë gjithmonë në kërkim të burimeve të reja të energjisë që mund të zgjidhin shumë probleme. Megjithatë, ato nuk janë gjithmonë të sigurta. Pra, në veçanti, megjithëse sot përdoren gjerësisht, megjithëse janë të afta të gjenerojnë thjesht një sasi kolosale energjie elektrike për të cilën të gjithë kanë nevojë, ato ende mbartin një rrezik vdekjeprurës. Por, përveç qëllimeve paqësore, disa vende të planetit tonë kanë mësuar ta përdorin atë në ushtri, veçanërisht për të krijuar koka bërthamore. Ky artikull do të diskutojë bazën e një arme të tillë shkatërruese, emri i së cilës është plutonium i shkallës së armëve.
Informacion i shkurtër
Kjo formë kompakte e metalit përmban të paktën 93.5% të izotopit 239Pu. Plutoniumi i shkallës së armëve u emërua kështu për ta dalluar atë nga "vëllai i tij reaktor". Në parim, plutoniumi formohet gjithmonë në absolutisht çdo reaktor bërthamor, i cili, nga ana tjetër, funksionon me uranium të pasuruar të ulët ose natyror, që përmban, në pjesën më të madhe, izotopin 238U.
Aplikimi në industrinë ushtarake
Plutoniumi 239Pu i shkallës së armëve është baza e armëve bërthamore. Në të njëjtën kohë, përdorimi i izotopeve me numra masiv 240 dhe 242 është i parëndësishëm, pasi ato krijojnë një sfond shumë të lartë të neutroneve, gjë që përfundimisht e bën të vështirë krijimin dhe projektimin e municioneve bërthamore shumë efikase. Përveç kësaj, izotopet e plutoniumit 240Pu dhe 241Pu kanë një gjysmë jetëgjatësi shumë më të shkurtër se 239Pu, kështu që pjesët e plutoniumit nxehen shumë. Është në lidhje me këtë që inxhinierët detyrohen të shtojnë elementë shtesë në një armë bërthamore për të hequr nxehtësinë e tepërt. Nga rruga, 239Pu i pastër është më i ngrohtë se trupi i njeriut. Është gjithashtu e pamundur të mos merret parasysh fakti që produktet e kalbjes së izotopeve të rënda i nënshtrohen ndryshimeve të dëmshme rrjetën kristalore metalike dhe kjo ndryshon natyrshëm konfigurimin e pjesëve të plutoniumit, gjë që në fund mund të shkaktojë një dështim të plotë të një pajisje shpërthyese bërthamore.
Në përgjithësi, të gjitha këto vështirësi mund të kapërcehen. Dhe në praktikë, ajo është testuar vazhdimisht në bazë të plutoniumit pikërisht "reaktor". Por duhet të kuptohet se në municionet bërthamore, kompaktësia e tyre, pesha e tyre e ulët, qëndrueshmëria dhe besueshmëria janë larg pozicionit të fundit. Në këtë drejtim, ata përdorin ekskluzivisht plutonium të shkallës së armëve.
Karakteristikat e projektimit të reaktorëve të prodhimit
Pothuajse i gjithë plutoniumi në Rusi prodhohej në reaktorë të pajisur me një moderator grafiti. Secili prej reaktorëve është ndërtuar rreth blloqeve të grafitit të montuar në mënyrë cilindrike.
Kur montohen, blloqet e grafitit kanë çarje të veçanta midis tyre për të siguruar qarkullimin e vazhdueshëm të ftohësit, i cili përdoret si azot. Në strukturën e montuar ka edhe kanale të vendosura vertikalisht të krijuara për kalimin e ftohjes së ujit dhe karburantit përmes tyre. Vetë montimi mbështetet në mënyrë të ngurtë nga një strukturë me vrima nën kanalet e përdorura për të transportuar karburantin tashmë të rrezatuar. Përveç kësaj, secili prej kanaleve është i vendosur në një tub me mure të hollë të derdhur nga një aliazh alumini i lehtë dhe tepër i fortë. Shumica e kanaleve të përshkruara kanë 70 shufra karburanti. Uji ftohës rrjedh direkt rreth shufrave të karburantit, duke hequr nxehtësinë e tepërt prej tyre.
Rritja e fuqisë së reaktorëve të prodhimit
Fillimisht funksionoi reaktori i parë “Mayak” me një kapacitet termik 100 MW. Sidoqoftë, shefi i programit të armëve bërthamore sovjetike propozoi që reaktori të funksiononte në 170-190 MW në dimër dhe 140-150 MW në verë. Kjo qasje i lejoi reaktorit të prodhonte gati 140 gram plutonium të çmuar në ditë.
Në vitin 1952, u krye një punë kërkimore e plotë për të rritur kapacitetin e prodhimit të reaktorëve funksionalë me metoda të tilla:
- Duke rritur rrjedhën e ujit që përdoret për ftohje dhe rrjedh nëpër zonat aktive të një instalimi bërthamor.
- Duke rritur rezistencën ndaj dukurisë së korrozionit që ndodh pranë rreshtimit të kanaleve.
- Ulja e shpejtësisë së oksidimit të grafitit.
- Rritja e temperaturës brenda qelizave të karburantit.
Si rezultat, qarkullimi i ujit qarkullues u rrit ndjeshëm pasi u rrit hendeku midis karburantit dhe mureve të kanalit. Ne gjithashtu arritëm të shpëtojmë nga korrozioni. Për ta bërë këtë, ne zgjodhëm lidhjet më të përshtatshme të aluminit dhe filluam të shtonim në mënyrë aktive bikromat natriumi, i cili në fund rriti butësinë e ujit ftohës (pH u bë rreth 6.0-6.2). Oksidimi i grafitit pushoi së qeni një problem urgjent pasi azoti filloi të përdorej për ta ftohur atë (para kësaj përdorej vetëm ajri).
Në fund të viteve 1950, risitë u vunë plotësisht në praktikë, duke reduktuar balonimin shumë të panevojshëm të uraniumit të shkaktuar nga rrezatimi, duke reduktuar ndjeshëm forcimin e nxehtësisë së shufrave të uraniumit, duke përmirësuar rezistencën e veshjes dhe duke përmirësuar kontrollin e cilësisë së prodhimit.
Prodhim në Mayak
"Chelyabinsk-65" është një nga ato fabrika shumë sekrete ku u krijua plutoniumi i shkallës së armëve. Ndërmarrja kishte disa reaktorë, secilin prej të cilëve do t'i njohim më mirë.
Reaktori A
Instalimi u projektua dhe u ndërtua nën drejtimin e legjendarit N. A. Dollezhal. Ajo punonte me fuqi 100 MW. Reaktori kishte 1149 kanale kontrolli dhe karburanti të rregulluar vertikalisht në një bllok grafiti. Masa totale e strukturës ishte rreth 1050 ton. Pothuajse të gjitha kanalet (përveç 25) ishin të ngarkuar me uranium, masa totale e të cilit ishte 120-130 tonë. 17 kanale u përdorën për shufra kontrolli dhe 8 për eksperimente. Lëshimi maksimal i nxehtësisë së projektimit të qelizës së karburantit ishte 3.45 kW. Në fillim, reaktori prodhonte rreth 100 gram plutonium në ditë. Plutoniumi metalik u prodhua për herë të parë më 16 prill 1949.
Disavantazhet teknologjike
Pothuajse menjëherë, u identifikuan probleme mjaft serioze, të cilat konsistonin në korrozionin e veshjeve të aluminit dhe veshjeve të qelizave të karburantit. Shufrat e uraniumit gjithashtu u frynë dhe u thyen, dhe uji ftohës rrjedh direkt në thelbin e reaktorit. Pas çdo rrjedhjeje, reaktori duhej të ndalohej deri në 10 orë në mënyrë që të thahej grafiti me ajër. Në janar 1949, rreshtat e kanaleve u zëvendësuan. Pas kësaj, nisja e instalimit u bë më 26 mars 1949.
Plutoniumi i shkallës së armëve, prodhimi i të cilit në reaktorin A u shoqërua me lloj-lloj vështirësish, u prodhua në periudhën 1950-1954 me një fuqi mesatare njësi prej 180 MW. Funksionimi i mëpasshëm i reaktorit filloi të shoqërohet me përdorimin më intensiv të tij, gjë që natyrshëm çoi në mbyllje më të shpeshta (deri në 165 herë në muaj). Si rezultat, në tetor 1963, reaktori u mbyll dhe rifilloi funksionimin e tij vetëm në pranverën e vitit 1964. Ai përfundoi fushatën e tij në 1987 dhe prodhoi 4.6 ton plutonium gjatë gjithë periudhës shumëvjeçare të funksionimit.
Reaktorët AB
U vendos që të ndërtohen tre reaktorë AB në ndërmarrjen Chelyabinsk-65 në vjeshtën e vitit 1948. Kapaciteti i tyre prodhues ishte 200-250 gram plutonium në ditë. Projektuesi kryesor i projektit ishte A. Savin. Çdo reaktor kishte 1996 kanale, 65 prej tyre ishin kanale kontrolli. Në instalime u përdor një risi teknike - secili kanal ishte i pajisur me një detektor të veçantë të rrjedhjes së ftohësit. Një lëvizje e tillë bëri të mundur ndryshimin e rreshtave pa ndalur funksionimin e vetë reaktorit.
Viti i parë i funksionimit të reaktorëve tregoi se ata prodhonin rreth 260 gram plutonium në ditë. Sidoqoftë, tashmë nga viti i dytë i funksionimit, kapaciteti u rrit gradualisht, dhe tashmë në vitin 1963 shifra e tij ishte 600 MW. Pas riparimit të dytë, problemi i linjave u zgjidh plotësisht dhe kapaciteti ishte tashmë 1200 MW me një prodhim vjetor të plutoniumit prej 270 kilogramësh. Këto shifra u ruajtën deri në mbylljen e plotë të reaktorëve.
Reaktor AI-IR
Ndërmarrja Chelyabinsk e përdori këtë instalim nga 22 dhjetor 1951 deri më 25 maj 1987. Përveç uraniumit, reaktori prodhoi edhe kobalt-60 dhe polonium-210. Fillimisht, tritium prodhohej në objekt, por më vonë u prodhua edhe plutonium.
Gjithashtu, uzina për përpunimin e plutoniumit të shkallës së armëve kishte në funksion reaktorë që punonin me ujë të rëndë dhe të vetmin reaktor të ujit të lehtë (emri i tij është Ruslan).
Gjiganti siberian
"Tomsk-7" - ky është emri i uzinës, e cila strehon pesë reaktorë për krijimin e plutoniumit. Secila nga njësitë përdori grafit për të ngadalësuar neutronet dhe ujin e zakonshëm për të siguruar ftohjen e duhur.
Reaktori I-1 punonte me një sistem ftohjeje në të cilin uji kalonte një herë. Megjithatë, katër njësitë e mbetura u pajisën me qarqe parësore të mbyllura të pajisura me shkëmbyes nxehtësie. Ky dizajn bëri të mundur prodhimin shtesë të avullit, i cili nga ana tjetër ndihmoi në prodhimin e energjisë elektrike dhe ngrohjen e ambienteve të ndryshme të banimit.
Tomsk-7 kishte gjithashtu një reaktor të quajtur EI-2, i cili, nga ana tjetër, kishte një qëllim të dyfishtë: prodhonte plutonium dhe gjeneronte 100 MW energji elektrike nga avulli i prodhuar, si dhe 200 MW energji termike.
Informacion i rendesishem
Sipas shkencëtarëve, gjysma e jetës së plutoniumit të shkallës së armëve është rreth 24,360 vjet. Numër i madh! Në këtë drejtim, pyetja bëhet veçanërisht e mprehtë: "Si të trajtojmë siç duhet mbetjet e prodhimit të këtij elementi?" Opsioni më optimal është ndërtimi i ndërmarrjeve speciale për përpunimin e mëvonshëm të plutoniumit të shkallës së armëve. Kjo shpjegohet me faktin se në këtë rast elementi nuk mund të përdoret më për qëllime ushtarake dhe do të kontrollohet nga një person. Kështu po asgjësohet në Rusi plutoniumi i shkallës së armëve, por Shtetet e Bashkuara të Amerikës shkuan në anën tjetër, duke shkelur kështu detyrimet e tyre ndërkombëtare.
Kështu, qeveria amerikane propozon shkatërrimin e plutoniumit shumë të pasuruar jo me mjete industriale, por duke holluar plutoniumin dhe ruajtjen e tij në kontejnerë të veçantë në një thellësi prej 500 metrash. Vetëkuptohet se në këtë rast materiali mund të hiqet lehtësisht nga toka në çdo kohë dhe të ripërdoret për qëllime ushtarake. Sipas presidentit rus Vladimir Putin, fillimisht vendet ranë dakord të shkatërronin plutoniumin jo me këtë metodë, por të kryenin riciklimin në objektet industriale.
Kostoja e plutoniumit të shkallës së armëve meriton vëmendje të veçantë. Sipas ekspertëve, dhjetëra tonë të këtij elementi mund të kushtojnë disa miliardë dollarë amerikanë. Dhe disa ekspertë kanë vlerësuar madje 500 ton plutonium të shkallës së armëve deri në 8 trilion dollarë. Shuma është vërtet mbresëlënëse. Për ta bërë më të qartë se sa para janë këto, le të themi se në dhjetë vitet e fundit të shekullit të 20-të, PBB-ja mesatare vjetore e Rusisë ishte 400 miliardë dollarë. Kjo është, në fakt, çmimi real i plutoniumit të shkallës së armëve ishte i barabartë me njëzet PBB vjetore të Federatës Ruse.
Ai është vërtet i çmuar.
Sfondi dhe historia
Në fillim kishte protone - hidrogjen galaktik. Si rezultat i ngjeshjes së tij dhe reaksioneve të mëvonshme bërthamore, u formuan "grupet" më të pabesueshme të nukleoneve. Midis tyre, këto "shingë", me sa duket, përmbanin 94 protone secila. Vlerësimet e teoricienëve na lejojnë të konsiderojmë se rreth 100 formacione nukleone, të cilat përfshijnë 94 protone dhe nga 107 në 206 neutrone, janë aq të qëndrueshme sa mund të konsiderohen bërthama të izotopeve të elementit nr.94.
Por të gjitha këto izotope - hipotetike dhe reale - nuk janë aq të qëndrueshme sa të ruhen deri më sot që nga momenti i formimit të elementeve të sistemit diellor. Gjysma e jetës së izotopit më jetëgjatë të elementit 94 është 75 milionë vjet. Mosha e galaktikës matet në miliarda vjet. Rrjedhimisht, plutoniumi "origjinal" nuk kishte asnjë shans për të mbijetuar deri më sot. Nëse ai u formua gjatë sintezës së madhe të elementeve të Universit, atëherë ato atome të lashta të tij "u shuan" shumë kohë më parë, ashtu siç vdiqën dinosaurët dhe mamuthët.
Në shekullin XX. epoka e re, pas Krishtit, ky element u rikrijua. Nga 100 izotope të mundshëm të plutoniumit janë sintetizuar 25. 15 prej tyre janë studiuar për vetitë e tyre bërthamore. Katër kanë gjetur aplikime praktike. Dhe u hap vetëm kohët e fundit. Në dhjetor të vitit 1940, ndërsa rrezatonin uraniumin me bërthama të rënda hidrogjeni, një grup radiokimistësh amerikanë të udhëhequr nga Glenn T. Seaborg zbuluan një emetues të panjohur deri tani të grimcave alfa me gjysmë jetëgjatësi prej 90 vjetësh. Ky emetues rezultoi të ishte një izotop i elementit nr.94 me numër masiv 238. Në të njëjtin vit, por disa muaj më parë, E.M. Macmillan dhe F. Abelson morën elementin e parë më të rëndë se uraniumi - elementi nr. 93. Ky element u quajt neptunium, dhe i 94-ti u quajt plutonium. Historiani do të thotë patjetër që këta emra e kanë origjinën në mitologjinë romake, por në thelb origjina e këtyre emrave nuk është më tepër mitologjike, por astronomike.
Elementet nr. 92 dhe 93 janë emëruar sipas planetëve të largët të sistemit diellor - Urani dhe Neptuni, por Neptuni nuk është i fundit në sistemin diellor, orbita e Plutonit shtrihet edhe më tej - një planet për të cilin pothuajse asgjë nuk dihet deri më tani ... Një ndërtim të ngjashëm vërejmë edhe në "krahun e majtë" të tabelës periodike: uranium - neptunium - plutonium, megjithatë, njerëzimi di shumë më tepër për plutoniumin sesa për Plutonin. Nga rruga, astronomët zbuluan Plutonin vetëm dhjetë vjet para sintezës së plutoniumit - pothuajse e njëjta periudhë kohore ndau zbulimet e Uranit - planetit dhe uraniumit - elementi.
Gjëegjëza për ransomware
Izotopi i parë i elementit nr. 94, plutonium-238, ka gjetur përdorim praktik sot. Por në fillim të viteve 1940, ata as që menduan për këtë. Është e mundur të merret plutonium-238 në sasi me interes praktik vetëm duke u mbështetur në një industri të fuqishme bërthamore. Në atë kohë, ajo sapo kishte filluar. Por tashmë ishte e qartë se duke lëshuar energjinë që përmbante bërthamat e elementëve të rëndë radioaktivë, ishte e mundur të merreshin armë me fuqi të paparë. Projekti Manhattan u shfaq, duke mos pasur gjë tjetër veçse një emër të përbashkët me zonën e njohur të Nju Jorkut. Ky ishte emri i përgjithshëm për të gjithë punën që lidhej me krijimin e bombave të para atomike në Shtetet e Bashkuara. Kreu i Projektit Manhattan nuk ishte një shkencëtar, por një ushtarak - Gjenerali Groves, i cili "me dashuri" i quajti repartet e tij me arsim të lartë "tenxhere të thyer".
Drejtuesit e "projektit" nuk ishin të interesuar për plutonium-238. Bërthamat e tij, si dhe bërthamat e të gjithë izotopeve të plutoniumit me numër të barabartë në masë, nuk zbërthehen me neutronet me energji të ulët*, kështu që nuk mund të shërbente si një eksploziv bërthamor. Megjithatë, raportet e para jo shumë të kuptueshme për elementët Nr. 93 dhe 94 u shfaqën në shtyp vetëm në pranverën e vitit 1942.
* Neutronet me energji të ulët janë neutronet, energjia e të cilëve nuk kalon 10 keV. Neutronet me një energji të matur në fraksione të një elektron volt quhen termike, dhe neutronet më të ngadalta - me energji më të vogla se 0,005 eV - quhen të ftohtë. Nëse energjia e neutronit është më shumë se 100 keV, atëherë një neutron i tillë konsiderohet tashmë i shpejtë.
Si mund të shpjegohet kjo? Fizikanët e kuptuan: sinteza e izotopeve të plutoniumit me numra masive teke është çështje kohe dhe jo larg. Izotopet e çuditshme pritej që, si uraniumi-235, të ishin në gjendje të mbanin një reaksion zinxhir bërthamor. Në to, të pa marrë ende, disa njerëz panë një eksploziv të mundshëm bërthamor. Dhe plutoniumi, për fat të keq, i përmbushi këto shpresa.
Në shifrat e asaj kohe, elementi nr.94 nuk quhej asgjë më shumë se ... bakër. Dhe kur lindi nevoja për vetë bakër (si material strukturor për disa pjesë), atëherë në kriptim, së bashku me "bakrin", u shfaq "bakri i vërtetë".
"Pema e njohjes së së mirës dhe së keqes"
Në vitin 1941, u zbulua izotopi më i rëndësishëm i plutoniumit - një izotop me një numër masiv prej 239. Dhe pothuajse menjëherë u konfirmua parashikimi i teoricienëve: bërthamat e plutonium-239 të zbërthyera me neutrone termike. Për më tepër, në procesin e ndarjes së tyre, lindën jo më pak numër neutronesh sesa në ndarjen e uraniumit-235. Mënyrat e marrjes së këtij izotopi në sasi të mëdha u përshkruan menjëherë ...
Kanë kaluar vite. Tani nuk është sekret për askënd që bombat bërthamore të ruajtura në arsenale janë të mbushura me plutonium-239 dhe se këto bomba janë të mjaftueshme për të shkaktuar dëme të pariparueshme për të gjithë jetën në Tokë.
Besohet gjerësisht se me zbulimin e një reaksioni zinxhir bërthamor (pasoja e pashmangshme e të cilit ishte krijimi i një bombe bërthamore), njerëzimi ishte qartësisht me nxitim. Mund të mendoni ndryshe ose të pretendoni se mendoni ndryshe - është më e këndshme të jesh optimist. Por edhe optimistët në mënyrë të pashmangshme përballen me çështjen e përgjegjësisë së shkencëtarëve. Kujtojmë ditën triumfuese të qershorit 1954, ditën kur termocentrali i parë bërthamor në Obninsk dha energji elektrike. Por nuk mund të harrojmë mëngjesin e gushtit të vitit 1945 – “Mëngjesi i Hiroshimës”, “Dita me shi e Albert Ajnshtajnit”. Por a duroi njerëzimi pak ankthe në vitet e mëvonshme? Për më tepër, këto shqetësime u shumëfishuan me të kuptuarit se nëse shpërthen një luftë e re botërore, do të përdoren armë bërthamore.
Këtu mund të provoni të provoni se zbulimi i plutoniumit nuk shtoi frikën e njerëzimit, se, përkundrazi, ishte vetëm i dobishëm.
Supozoni se ndodhi që për ndonjë arsye, ose, siç do të thoshin në kohët e vjetra, me vullnetin e Zotit, plutoniumi nuk ishte i disponueshëm për shkencëtarët. A do të zvogëloheshin atëherë frika dhe frika jonë? Asgjë nuk ndodhi. Bombat bërthamore do të bëheshin nga uraniumi-235 (dhe në sasi jo më të vogël se nga plutoniumi), dhe këto bomba do të "hanin" edhe më shumë pjesë të buxheteve sesa tani.
Por pa plutonium nuk do të kishte asnjë perspektivë të përdorimit paqësor të energjisë bërthamore në një shkallë të gjerë. Për një "atom paqësor" thjesht nuk do të kishte uranium-235 të mjaftueshëm. E keqja që i është shkaktuar njerëzimit nga zbulimi i energjisë bërthamore nuk do të balancohej, qoftë edhe pjesërisht, nga arritjet e "atomit të mirë".
Si të matet, me çfarë të krahasohet
Kur një bërthamë e plutonium-239 ndahet nga neutronet në dy fragmente me masë afërsisht të barabartë, lirohet rreth 200 MeV energji. Kjo është 50 milionë herë më shumë energji e çliruar në reaksionin ekzotermik më të famshëm C + O 2 = CO 2 . “Djegia” në një reaktor bërthamor, një gram plutonium jep 2·10 7 kcal. Për të mos shkelur traditat (dhe në artikujt e njohur, energjia e karburantit bërthamor zakonisht matet në njësi jo-sistematike - ton qymyr, benzinë, trinitrotoluen, etj.), Vëmë re gjithashtu: kjo është energjia që përmbahet në 4 ton qymyri. Dhe në një gisht të zakonshëm vendoset sasia e plutoniumit, energjikisht e barabartë me dyzet makina me dru zjarri të mirë thupër.
E njëjta energji lëshohet gjatë ndarjes së bërthamave të uraniumit-235 nga neutronet. Por pjesa më e madhe e uraniumit natyror (99.3%!) është izotopi 238 U, i cili mund të përdoret vetëm duke e kthyer uraniumin në plutonium ...
Energjia e gurit
Le të vlerësojmë burimet e energjisë që përmbahen në rezervat natyrore të uraniumit.
Uraniumi është një element i shpërndarë dhe është praktikisht kudo. Kushdo që ka vizituar, për shembull, Karelia, me siguri i ka kujtuar gurët e granitit dhe shkëmbinjtë bregdetar. Por pak njerëz e dinë se ka deri në 25 g uranium në një ton granit. Granitet përbëjnë pothuajse 20% të peshës së kores së tokës. Nëse numërojmë vetëm uranium-235, atëherë 3,5·10 5 kcal energji përmbahen në një ton granit. Është shumë, por...
Përpunimi i granitit dhe nxjerrja e uraniumit prej tij kërkon një sasi edhe më të madhe energjie - rreth 10 6 ...10 7 kcal/t. Tani, nëse do të ishte e mundur të përdorej jo vetëm uranium-235, por edhe uranium-238 si burim energjie, atëherë graniti mund të konsiderohej të paktën si një lëndë e parë potenciale e energjisë. Atëherë energjia e marrë nga një ton gur do të ishte tashmë nga 8·10 7 në 5·10 8 kcal. Kjo është e barabartë me 16...100 ton qymyr. Dhe në këtë rast, graniti mund t'u japë njerëzve pothuajse një milion herë më shumë energji sesa të gjitha rezervat e karburantit kimik në Tokë.
Por bërthamat e uraniumit-238 nuk shpërbëhen nga neutronet. Për energjinë bërthamore, ky izotop është i padobishëm. Më saktësisht, do të ishte e kotë nëse nuk mund të shndërrohej në plutonium-239. Dhe ajo që është veçanërisht e rëndësishme: praktikisht nuk ka nevojë të shpenzoni energji për këtë transformim bërthamor - përkundrazi, energjia prodhohet në këtë proces!
Le të përpiqemi të kuptojmë se si ndodh kjo, por së pari disa fjalë për plutoniumin natyror.
400 mijë herë më i vogël se radiumi
Tashmë është thënë se izotopet e plutoniumit nuk janë ruajtur që nga sinteza e elementeve gjatë formimit të planetit tonë. Por kjo nuk do të thotë se nuk ka plutonium në Tokë.
Formohet gjatë gjithë kohës në mineralet e uraniumit. Duke kapur neutronet e rrezatimit kozmik dhe neutronet e prodhuara nga ndarja spontane e bërthamave të uraniumit-238, disa - shumë pak - atome të këtij izotopi shndërrohen në atome uranium-239. Këto bërthama janë shumë të paqëndrueshme, ato lëshojnë elektrone dhe në këtë mënyrë rrisin ngarkesën e tyre. Formohet neptuni, elementi i parë transuranium. Neptunium-239 është gjithashtu shumë i paqëndrueshëm, dhe bërthamat e tij lëshojnë elektrone. Në vetëm 56 orë, gjysma e neptunium-239 kthehet në plutonium-239, gjysma e jetës së të cilit është tashmë mjaft e gjatë - 24 mijë vjet.
Pse plutoniumi nuk nxirret nga mineralet e uraniumit? Përqendrim i vogël, shumë i ulët. "Prodhimi për gram është punë në vit" - bëhet fjalë për radiumin, dhe plutoniumi në xehe është 400 mijë herë më pak se radiumi. Prandaj, jo vetëm nxjerrja - madje edhe zbulimi i plutoniumit "tokësor" është jashtëzakonisht i vështirë. Kjo u bë vetëm pasi u studiuan vetitë fizike dhe kimike të plutoniumit të marrë në reaktorët bërthamorë.
Kur 2.70 >> 2.23
Plutoniumi grumbullohet në reaktorët bërthamorë. Në flukset e fuqishme të neutronit, i njëjti reagim ndodh si në mineralet e uraniumit, por shkalla e formimit dhe akumulimit të plutoniumit në reaktor është shumë më e lartë - një miliardë miliardë herë. Për reagimin e shndërrimit të uraniumit të çakëllit-238 në plutonium-239 të shkallës së fuqisë, krijohen kushte optimale (brenda të pranueshme).
Nëse reaktori operon me neutrone termike (kujtoni se shpejtësia e tyre është rreth 2000 m në sekondë, dhe energjia është fraksione e një elektron volt), atëherë një sasi plutoniumi merret nga një përzierje natyrale e izotopeve të uraniumit, pak më pak se sasia. të uraniumit të "djegur"-235. Jo shumë, por më pak, plus humbjet e pashmangshme të plutoniumit gjatë ndarjes së tij kimike nga uraniumi i rrezatuar. Përveç kësaj, një reaksion zinxhir bërthamor mbahet në një përzierje natyrale të izotopeve të uraniumit vetëm derisa të përdoret një pjesë e vogël e uraniumit-235. Prandaj, përfundimi është logjik: një reaktor "termik" mbi uraniumin natyror - lloji kryesor i reaktorëve që funksionojnë aktualisht - nuk mund të sigurojë riprodhimin e zgjeruar të karburantit bërthamor. Por atëherë cila është e ardhmja? Për t'iu përgjigjur kësaj pyetjeje, le të krahasojmë rrjedhën e një reaksioni zinxhir bërthamor në uranium-235 dhe plutonium-239 dhe të prezantojmë një koncept tjetër fizik në arsyetimin tonë.
Karakteristika më e rëndësishme e çdo karburanti bërthamor është numri mesatar i neutroneve të emetuara pasi bërthama ka kapur një neutron. Fizikanët e quajnë numrin eta dhe e shënojnë me shkronjën greke η. Në reaktorët "termikë" të uraniumit, vërehet modeli i mëposhtëm: çdo neutron gjeneron mesatarisht 2.08 neutrone (η = 2.08). Plutoniumi i vendosur në një reaktor të tillë nën veprimin e neutroneve termike jep η = 2,03. Por ka edhe reaktorë që veprojnë në neutrone të shpejta. Është e kotë të ngarkosh një përzierje natyrale të izotopeve të uraniumit në një reaktor të tillë: reaksioni zinxhir nuk do të fillojë. Por nëse "lëndët e para" pasurohen me uranium-235, ai do të jetë në gjendje të zhvillohet në një reaktor "të shpejtë". Në këtë rast, η tashmë do të jetë e barabartë me 2.23. Dhe plutoniumi, i vendosur nën zjarr me neutrone të shpejta, do të japë n të barabartë me 2.70. Ne do të kemi "një neutron shtesë të plotë" në dispozicionin tonë. Dhe kjo nuk mjafton.
Le të shohim se për çfarë shpenzohen neutronet e marra. Në çdo reaktor, një neutron nevojitet për të mbajtur një reaksion zinxhir bërthamor. 0,1 neutron absorbohet nga materialet strukturore të objektit. "Teprica" shkon në akumulimin e plutonium-239. Në një rast, "teprica" është 1.13, në tjetrën - 1.60. Pas “djegjes” së një kilogrami plutonium në reaktorin “i shpejtë”, lirohet energji kolosale dhe grumbullohet 1,6 kg plutonium. Dhe uraniumi në një reaktor "të shpejtë" do të japë të njëjtën energji dhe 1.1 kg karburant të ri bërthamor. Në të dyja rastet, riprodhimi i zgjeruar është i dukshëm. Por ne nuk duhet të harrojmë për ekonominë.
Për shkak të një sërë arsyesh teknike, cikli i mbarështimit të plutoniumit zgjat disa vjet. Le të themi pesë vjet. Kjo do të thotë se sasia e plutoniumit do të rritet vetëm me 2% në vit nëse η = 2,23, dhe me 12% nëse η = 2,7! Karburanti nuklear është kapital dhe çdo kapital duhet të japë, të themi, 5% në vit. Në rastin e parë, ka humbje të mëdha, dhe në të dytën - fitime të mëdha. Ky shembull primitiv ilustron "peshën" e çdo të dhjeti të numrit η në energjinë bërthamore.
Shuma e shumë teknologjive
Kur sasia e nevojshme e plutoniumit grumbullohet në uranium si rezultat i reaksioneve bërthamore, ai duhet të ndahet jo vetëm nga vetë uraniumi, por edhe nga fragmentet e ndarjes - si uranium ashtu edhe plutonium, të djegura në një reaksion zinxhir bërthamor. Përveç kësaj, ka një sasi të caktuar të neptuniumit në masën uranium-plutonium. Gjëja më e vështirë është të ndash plutoniumin nga neptuniumi dhe elementët e tokës së rrallë (lantanidet). Plutoniumi si element kimik është disi i pafat. Nga këndvështrimi i një kimisti, elementi kryesor i energjisë bërthamore është vetëm një nga katërmbëdhjetë aktinidet. Ashtu si elementët e rrallë të tokës, të gjithë elementët e serisë së aktiniumit janë shumë afër njëri-tjetrit në vetitë kimike, struktura e predhave të jashtme elektronike të atomeve të të gjithë elementëve nga aktiniumi në 103 është i njëjtë. Është edhe më e pakëndshme që vetitë kimike të aktinideve janë të ngjashme me ato të elementeve të tokës së rrallë, dhe midis fragmenteve të ndarjes së uraniumit dhe plutoniumit ka më shumë se mjaftueshëm lantanide. Por nga ana tjetër, elementi i 94-të mund të jetë në pesë gjendje valence, dhe kjo "e ëmbëlson pilulën" - ndihmon në ndarjen e plutoniumit si nga uraniumi ashtu edhe nga fragmentet e ndarjes.
Valenca e plutoniumit varion nga tre në shtatë. Përbërjet e plutoniumit katërvalent janë kimikisht më të qëndrueshmet (dhe, rrjedhimisht, më të zakonshmet dhe më të studiuarat).
Ndarja e aktinideve të afërta në vetitë kimike - uranium, neptunium dhe plutonium - mund të bazohet në ndryshimin në vetitë e përbërjeve të tyre tetra dhe gjashtëvalente.
Nuk ka nevojë të përshkruhen në detaje të gjitha fazat e ndarjes kimike të plutoniumit dhe uraniumit. Zakonisht, ndarja e tyre fillon me shpërbërjen e shufrave të uraniumit në acid nitrik, pas së cilës "ndahen" elementët e uraniumit, neptuniumit, plutoniumit dhe fragmenteve të përfshira në tretësirë, duke përdorur metoda tradicionale radiokimike për këtë - bashkë-precipitimi me transportues, nxjerrja, shkëmbimi i joneve dhe të tjerët. Produktet përfundimtare që përmbajnë plutonium të kësaj teknologjie me shumë faza janë dioksidi i tij PuO 2 ose fluoridet - PuF 3 ose PuF 4 . Ato reduktohen në metal me avujt e bariumit, kalciumit ose litiumit. Sidoqoftë, plutoniumi i marrë në këto procese nuk është i përshtatshëm për rolin e një materiali strukturor - është e pamundur të bëhen prej tij elementë të karburantit të reaktorëve të energjisë bërthamore, është e pamundur të hidhet një ngarkesë e një bombe atomike. Pse? Pika e shkrirjes së plutoniumit - vetëm 640°C - është mjaft e arritshme.
Pavarësisht se cilat kushte "ultra-kurse" përdoren për të derdhur pjesë nga plutoniumi i pastër, plasaritjet do të shfaqen gjithmonë në derdhjet gjatë ngurtësimit. Në 640°C, plutoniumi që ngurtësohet formon një rrjetë kub kristal. Me uljen e temperaturës, densiteti i metalit rritet gradualisht. Por më pas temperatura arriti në 480 ° C, dhe pastaj papritmas densiteti i plutoniumit bie ndjeshëm. Arsyet për këtë anomali u gërmuan mjaft shpejt: në këtë temperaturë, atomet e plutoniumit janë riorganizuar në rrjetën kristalore. Bëhet tetragonal dhe shumë “i lirshëm”. Një plutonium i tillë mund të notojë në shkrirjen e tij, si akulli në ujë.
Temperatura vazhdon të bjerë, tani ka arritur në 451 ° C, dhe atomet përsëri formuan një grilë kub, por të vendosur në një distancë më të madhe nga njëri-tjetri sesa në rastin e parë. Me ftohje të mëtejshme, grila bëhet fillimisht ortoromike, pastaj monoklinike. Në total, plutoniumi formon gjashtë forma të ndryshme kristalore! Dy prej tyre kanë një pronë të jashtëzakonshme - një koeficient negativ të zgjerimit termik: me rritjen e temperaturës, metali nuk zgjerohet, por tkurret.
Kur temperatura arrin 122°C dhe atomet e plutoniumit rirregullojnë rreshtat e tyre për të gjashtën herë, dendësia ndryshon veçanërisht fuqishëm - nga 17,77 në 19,82 g/cm 3 . Më shumë se 10%! Prandaj, vëllimi i shufrës zvogëlohet. Nëse metali mund t'i rezistonte akoma streseve që u ngritën në tranzicione të tjera, atëherë në këtë moment shkatërrimi është i pashmangshëm.
Atëherë, si të bëhen pjesë nga ky metal i mahnitshëm? Metalurgët aliazhojnë plutonium (shtojnë sasi të vogla të elementeve të nevojshme në të) dhe marrin derdhje pa një çarje të vetme. Ato përdoren për të bërë ngarkesa plutoniumi për bomba bërthamore. Pesha e ngarkesës (përcaktohet kryesisht nga masa kritike e izotopit) 5 ... 6 kg. Do të futej lehtësisht në një kub me madhësi brinjë 10 cm.
Izotope të rënda
Plutonium-239 gjithashtu përmban një sasi të vogël të izotopeve më të larta të këtij elementi - me numra masiv 240 dhe 241. Izotopi 240 Pu është praktikisht i padobishëm - ky çakëll në plutonium. Nga data 241 fitohet americium - elementi nr.95. Në formë të pastër, pa përzierje të izotopeve të tjerë, dlutonium-240 dhe plutonium-241 mund të përftohen nga ndarja elektromagnetike e plutoniumit të grumbulluar në një reaktor. Para kësaj, plutoniumi rrezatohet gjithashtu me flukse neutronesh me karakteristika të përcaktuara rreptësisht. Natyrisht, e gjithë kjo është shumë e ndërlikuar, veçanërisht pasi plutoniumi nuk është vetëm radioaktiv, por edhe shumë toksik. Puna me të kërkon kujdes ekstrem.
Një nga izotopët më interesantë të plutoniumit, 242 Pu, mund të merret duke rrezatuar 239 Pu për një kohë të gjatë në flukset e neutroneve. 242 Pu kap shumë rrallë neutronet dhe për këtë arsye "digjet" në reaktor më ngadalë se izotopët e tjerë; ai vazhdon edhe pasi izotopet e mbetura të plutoniumit kanë kaluar pothuajse plotësisht në fragmente ose janë kthyer në plutonium-242.
Plutoniumi-242 është i rëndësishëm si një "lëndë e parë" për akumulimin relativisht të shpejtë të elementeve më të larta të transuraniumit në reaktorët bërthamorë. Nëse plutoniumi-239 rrezatohet në një reaktor konvencional, atëherë do të duhen rreth 20 vjet për të grumbulluar sasi mikrogramësh të plutoniumit nga gramët, për shembull, californium-251.
Është e mundur të zvogëlohet koha e akumulimit të izotopeve më të larta duke rritur intensitetin e fluksit të neutronit në reaktor. Ata e bëjnë këtë, por atëherë është e pamundur të rrezatohet një sasi e madhe e plutonium-239. Në fund të fundit, ky izotop ndahet nga neutronet, dhe shumë energji lëshohet në rrjedha intensive. Ka vështirësi shtesë me ftohjen e kontejnerit dhe të reaktorit. Për të shmangur këto komplikime, sasia e plutoniumit të rrezatuar duhet të reduktohet. Rrjedhimisht, prodhimi i Kalifornisë do të ishte përsëri i mjerueshëm. Rreth vicioz!
Plutoniumi-242 nuk është i zbërthyeshëm nga neutronet termike dhe mund të rrezatohet në sasi të mëdha në flukse intensive neutron... Prandaj, në reaktorë, të gjithë elementët nga kaliforni në einstein "bëhen" nga ky izotop dhe grumbullohen në sasi peshe.
Jo më e rënda, por më e gjata
Sa herë që shkencëtarët arrinin të merrnin një izotop të ri të plutoniumit, ata matën gjysmën e jetës së bërthamave të tij. Gjysma e jetës së izotopeve të bërthamave të rënda radioaktive me numra të barabartë në masë ndryshojnë rregullisht. (Nuk mund të thuhet e njëjta gjë për izotopet tek.)
Oriz. tetë.
Shikoni grafikun, i cili tregon varësinë e gjysmëjetës së izotopeve madje të plutoniumit nga numri i masës. Me rritjen e masës, rritet edhe "jeta" e izotopit. Disa vite më parë, plutonium-242 ishte pika më e lartë në këtë grafik. Dhe atëherë si do të shkojë kjo kurbë - me një rritje të mëtejshme të numrit të masës? Pikërisht 1 , që korrespondon me një jetëgjatësi prej 30 milionë vjetësh, ose në pikën 2 , i cili ka qenë përgjegjës për 300 milionë vjet? Përgjigja për këtë pyetje ishte shumë e rëndësishme për gjeoshkencat. Në rastin e parë, nëse 5 miliardë vjet më parë Toka përbëhej tërësisht nga 244 Pu, tani vetëm një atom plutonium-244 do të mbetej në të gjithë masën e Tokës. Nëse supozimi i dytë është i saktë, atëherë plutoniumi-244 mund të jetë në Tokë në përqendrime që tashmë mund të zbulohen. Nëse do të kishim fatin të gjenim këtë izotop në Tokë, shkenca do të merrte informacionin më të vlefshëm për proceset që ndodhën gjatë formimit të planetit tonë.
Disa vjet më parë, shkencëtarët u përballën me pyetjen: a ia vlen të përpiqesh të gjesh plutonium të rëndë në Tokë? Për t'iu përgjigjur asaj, para së gjithash ishte e nevojshme të përcaktohet gjysma e jetës së plutonium-244. Teoricienët nuk mund ta llogarisnin këtë vlerë me saktësinë e kërkuar. E gjithë shpresa ishte vetëm për eksperimentin.
Plutonium-244 i grumbulluar në një reaktor bërthamor. Elementi nr. 95, americium (izotopi 243 Am), u rrezatua. Pasi kapi një neutron, ky izotop kaloi në americium-244; americium-244 në një nga 10 mijë rastet kaloi në plutonium-244.
Një preparat plutonium-244 u izolua nga një përzierje e americiumit dhe kuriumit. Mostra peshonte vetëm disa të miliontat e gramit. Por ato ishin të mjaftueshme për të përcaktuar gjysmën e jetës së këtij izotopi më interesant. Doli të ishte e barabartë me 75 milionë vjet. Më vonë, studiues të tjerë specifikuan gjysmën e jetës së plutonium-244, por jo shumë - 82.8 milion vjet. Në vitin 1971, gjurmët e këtij izotopi u gjetën në mineralin e tokës së rrallë bastnäsite.
Shkencëtarët kanë bërë shumë përpjekje për të gjetur një izotop të një elementi transuranium që jeton më shumë se 244 Pu. Por të gjitha përpjekjet ishin të kota. Në një kohë, shpresat u vendosën në curium-247, por pasi ky izotop u grumbullua në një reaktor, doli se gjysma e jetës së tij ishte vetëm 14 milion vjet. Nuk ishte e mundur të thyhej rekordi për plutonium-244 - ai është më jetëgjatësi nga të gjithë izotopet e elementeve transuranium.
Edhe izotopet më të rënda të plutoniumit i nënshtrohen kalbjes beta dhe jetëgjatësia e tyre varion nga disa ditë deri në disa të dhjetat e sekondës. Ne e dimë me siguri se të gjithë izotopet e plutoniumit, deri në 257 Pu, formohen në shpërthime termonukleare. Por jeta e tyre është të dhjetat e sekondës dhe shumë izotope jetëshkurtër të plutoniumit nuk janë studiuar ende.
Mundësitë e izotopit të parë
Dhe së fundi - në lidhje me plutonium-238 - i pari nga izotopet "e krijuar nga njeriu" të plutoniumit, një izotop që në fillim dukej jo premtues. Është në fakt një izotop shumë interesant. Ai i nënshtrohet kalbjes alfa, d.m.th. bërthamat e tij lëshojnë në mënyrë spontane grimca alfa - bërthamat e heliumit. Grimcat alfa të krijuara nga bërthamat e plutonium-238 mbajnë shumë energji; e shpërndarë në materie, kjo energji shndërrohet në nxehtësi. Sa e madhe është kjo energji? Gjashtë milionë elektron volt lëshohen kur një bërthamë atomike e plutonium-238 prishet. Në një reaksion kimik, e njëjta energji lirohet kur oksidohen disa milionë atome. Një burim i energjisë elektrike që përmban një kilogram plutonium-238 zhvillon një fuqi termike prej 560 watts. Fuqia maksimale e një burimi të rrymës kimike me të njëjtën masë është 5 vat.
Ka shumë emetues me karakteristika të ngjashme energjetike, por një veçori e plutonium-238 e bën këtë izotop të domosdoshëm. Në mënyrë tipike, zbërthimi alfa shoqërohet nga rrezatim i fortë gama që depërton nëpër trashësi të mëdha të materies. 238 Pu është një përjashtim. Energjia e kuantave gama që shoqëron prishjen e bërthamave të saj është e ulët dhe nuk është e vështirë të mbrohesh kundër saj: rrezatimi absorbohet nga një enë me mure të hollë. Probabiliteti i ndarjes spontane bërthamore të këtij izotopi është gjithashtu i vogël. Prandaj, ka gjetur aplikim jo vetëm në burimet aktuale, por edhe në mjekësi. Bateritë me plutonium-238 shërbejnë si burim energjie në stimulues të veçantë kardiak.
Por 238 Pu nuk është izotopi më i lehtë nga izotopet e njohur të elementit Nr.
Plutoniumi është një temë e madhe. Këtu është më e rëndësishmja nga më të rëndësishmet. Në fund të fundit, tashmë është bërë një frazë standarde që kimia e plutoniumit është studiuar shumë më mirë sesa kimia e elementëve të tillë "të vjetër" si hekuri. Janë shkruar libra të tërë për vetitë bërthamore të plutoniumit. Metalurgjia e plutoniumit është një pjesë tjetër e mahnitshme e njohurive njerëzore... Prandaj, nuk duhet të mendoni se pasi të keni lexuar këtë histori, keni njohur vërtet plutoniumin, metalin më të rëndësishëm të shekullit të 20-të.
