Plutonium av vapenkvalitetär plutonium i form av en kompakt metall innehållande minst 93,5 % av isotopen 239Pu. Designad för att skapa kärnvapen.
1.Namn och funktioner
De kallar det "vapen" för att skilja det från "reaktor". Plutonium bildas i alla kärnreaktorer som arbetar på naturligt eller låganrikat uran, som huvudsakligen innehåller isotopen 238U, när det fångar upp överskott av neutroner. Men när reaktorn är i drift brinner den vapenklassade plutoniumisotopen snabbt ut, som ett resultat av detta ansamlas ett stort antal 240Pu, 241Pu och 242Pu isotoper i reaktorn, som bildas under successiva infångningar av flera neutroner - sedan utbränningen djupet bestäms vanligtvis av ekonomiska faktorer. Ju lägre utbränningsdjup, desto färre isotoper 240Pu, 241Pu och 242Pu kommer att finnas i plutonium separerat från bestrålat kärnbränsle, men desto mindre plutonium bildas i bränslet.
Specialtillverkning av plutonium för vapen som nästan uteslutande innehåller 239Pu krävs, främst för att isotoper med massnummer 240 och 242 skapar en hög neutronbakgrund som gör det svårt att designa effektiva kärnvapen, dessutom har 240Pu och 241Pu en betydligt kortare halveringstid än 239Pu, på grund av vilken plutoniumdelarna värms upp, och det är nödvändigt att ytterligare införa kylflänselement i utformningen av ett kärnvapen. Även ren 239Pu är varmare än människokroppen. Dessutom skadar sönderfallsprodukterna från tunga isotoper metallens kristallgitter, vilket kan leda till en förändring i formen av plutoniumdelar, vilket är fyllt med misslyckandet i en kärnsprängladdning.
I princip kan alla dessa svårigheter övervinnas, och nukleära explosiva anordningar från "reaktor"-plutonium har framgångsrikt testats, dock i ammunition, där kompakthet, låg vikt, tillförlitlighet och hållbarhet spelar en viktig roll, endast specialtillverkat plutonium av vapenkvalitet. är använd. Den kritiska massan för metalliskt 240Pu och 242Pu är mycket hög, 241Pu är något större än 239Pu.
2. Produktion
I Sovjetunionen utfördes produktionen av plutonium av vapenkvalitet först vid Mayak-fabriken i Ozersk (tidigare Chelyabinsk-40, Chelyabinsk-65), sedan vid Siberian Chemical Plant i Seversk (tidigare Tomsk-7), senare Krasnoyarsk Gruvdrift togs i drift -kemisk anläggning i Zheleznogorsk (även känd som Sotsgorod och Krasnoyarsk-26). Tillverkningen av plutonium av vapenkvalitet i Ryssland upphörde 1994. 1999 stängdes reaktorerna i Ozyorsk och Seversk, 2010 stängdes den sista reaktorn i Zheleznogorsk.
I USA tillverkades plutonium av vapenkvalitet på flera platser, till exempel Hanford-komplexet i delstaten Washington. Produktionen lades ner 1988.
3. Syntes av nya element
Omvandlingen av vissa atomer till andra sker under interaktionen av atomära eller subatomära partiklar. Av dessa är endast neutroner tillgängliga i stora mängder. En gigawatt kärnreaktor producerar cirka 3,75 kg (eller 4 * 1030) neutroner under året.
4.Plutoniumproduktion
Plutoniumatomer bildas som ett resultat av en kedja av atomreaktioner, som börjar med infångningen av en neutron av en atom av uran-238:
U238 + n -> U239 -> Np239 -> Pu239
eller, mer exakt:
0n1 + 92U238 -> 92U239 -> -1e0 + 93Np239 -> -1e0 + 94Pu239
Med fortsatt bestrålning kan vissa plutonium-239-atomer i sin tur fånga en neutron och förvandlas till den tyngre isotopen plutonium-240:
Pu239 + n -> Pu240
För att få plutonium i tillräckliga mängder behövs de starkaste neutronflödena. Dessa skapas bara i kärnreaktorer. I princip är vilken reaktor som helst en källa till neutroner, men för industriell produktion av plutonium är det naturligt att använda en speciellt utformad för detta.
Världens första kommersiella plutoniumproduktionsreaktor är B-reaktorn i Hanford. Intjänad 26 september 1944, effekt - 250 MW, produktivitet - 6 kg plutonium per månad. Den innehöll cirka 200 ton uranmetall, 1 200 ton grafit och kyldes med vatten med en hastighet av 5 kubikmeter per minut.
Laddningspanel för Hanford-reaktorn med uranpatroner:
Schema för hans arbete. I en reaktor för bestrålning av uran-238 skapas neutroner som ett resultat av en stationär kedjereaktion av fission av uran-235-kärnor. I genomsnitt produceras 2,5 neutroner per fission av U-235. För att upprätthålla reaktionen och samtidigt producera plutonium är det nödvändigt att i genomsnitt en eller två neutroner absorberas av U-238, och en skulle orsaka klyvning av nästa U-235-atom.
De neutroner som produceras under klyvningen av uran har mycket höga hastigheter. Uranatomer är ordnade på ett sådant sätt att det är osannolikt att snabba neutroner fångas av kärnor av både U-238 och U-235. Därför saktar snabba neutroner gradvis ned efter att ha upplevt flera kollisioner med omgivande atomer. Samtidigt absorberar U-238-kärnorna sådana neutroner (med mellanhastigheter) så starkt att det inte finns något kvar att klyva U-235 och upprätthålla kedjereaktionen (U-235 är uppdelat från långsamma, termiska neutroner).
Moderatorn kämpar med detta och omger blocken med uran av någon form av lätt substans. I den bromsas neutroner utan absorption och upplever elastiska kollisioner, i vilka en liten del av energin går förlorad. Bra moderatorer är vatten, kol. Således färdas neutroner som saktas ner till termiska hastigheter genom reaktorn tills de orsakar klyvning av U-235 (U-238 absorberar dem mycket svagt). Med en viss konfiguration av moderatorn och uranstavarna kommer förutsättningar att skapas för absorption av neutroner och U-238 och U-235.
Den isotopiska sammansättningen av det resulterande plutoniumet beror på varaktigheten av uranstavarna i reaktorn. En betydande ansamling av Pu-240 uppstår som ett resultat av långvarig bestrålning av urankassetten. Med kort uppehållstid av uran i reaktorn erhålls Pu-239 med en obetydlig halt av Pu-240.
Pu-240 är skadligt för vapenproduktion av följande skäl:
1. Den är mindre klyvbar än Pu-239, så det behövs lite mer plutonium för att tillverka vapen.
2. Det andra, mycket viktigare skälet. Nivån av spontan fission i Pu-240 är mycket högre, vilket skapar en stark neutronbakgrund.
Under de allra första åren av atomvapenutveckling var neutronemission (en stark neutronbakgrund) ett problem på vägen mot en pålitlig och effektiv laddning på grund av för tidig detonation. Starka neutronflöden gjorde det svårt eller omöjligt att komprimera bombkärnan, innehållande flera kilo plutonium, till ett superkritiskt tillstånd – innan dess förstördes den av det starkaste, men fortfarande inte maximalt möjliga energiutbytet. Tillkomsten av blandade kärnor - innehållande mycket anrikat U-235 och plutonium (i slutet av 1940-talet) - övervann denna svårighet när det blev möjligt att använda relativt små mängder plutonium i mestadels urankärnor. Nästa generations laddningar, fusionsförbättrade enheter (i mitten av 1950-talet), eliminerade helt denna svårighet, vilket garanterade hög energiutsläpp, även med initial fissionsladdningar med låg effekt.
Plutonium som produceras i speciella reaktorer innehåller en relativt liten andel Pu-240 (<7%), плутоний "оружейного качества"; в реакторах АЭС отработанное ядерное топливо имеет концентрацию Pu-240 более 20%, плутоний "реакторного качества".
I specialreaktorer finns uran under en relativt kort tidsperiod, under vilken inte alla U-235 brinner ut och inte alla U-238 går över i plutonium, utan det bildas också en mindre mängd Pu-240.
Det finns två anledningar till att producera plutonium med en låg Pu-240-halt:
Ekonomiskt: det enda skälet till att det finns plutonium specialreaktorer. Att sönderfalla plutonium genom klyvning eller omvandla det till den mindre klyvbara Pu-240 minskar utbytet och ökar produktionskostnaderna (upp till den punkt där priset kommer att balansera med kostnaden för att bearbeta bestrålat bränsle med en liten koncentration av plutonium).
Svårigheter att hantera: Även om neutronemission inte är ett så stort problem för vapendesigners, kan det skapa svårigheter att tillverka och hantera en sådan laddning. Neutroner ger ytterligare ett bidrag till yrkesexponeringen av dem som monterar eller underhåller vapen (neutroner i sig har ingen joniserande effekt, men de skapar protoner som kan göra det). Faktum är att direkta mänskliga kontaktladdningar, såsom Davy Crocket, kan kräva ultrarent plutonium med låga neutronutsläpp av denna anledning.
Direktgjutning och bearbetning av plutonium sker manuellt i slutna kammare med handskar för operatören. Som dessa:
Detta innebär mycket lite mänskligt skydd mot neutronavgivande plutonium. Därför bearbetas plutonium med ett högt innehåll av Pu-240 endast av manipulatorer, eller så är arbetstiden med det för varje arbetare strikt begränsad.
Av alla dessa skäl (radioaktivitet, de sämsta egenskaperna hos Pu-240) förklaras det varför plutonium av reaktorkvalitet inte används för att tillverka vapen - det är billigare att speciellt tillverka plutonium av vapenkvalitet. reaktorer. Även om det tydligen också är möjligt att tillverka en kärnvapensprängladdning från en reaktor.
plutonium ring
Denna ring är gjord av elektrolytiskt renad plutoniummetall (mer än 99,96% ren). Typiskt för ringarna som förbereds i Los Alamos och skickas till Rocky Flets för att göras till vapen, innan produktionen nyligen upphörde. Ringens massa är 5,3 kg, tillräckligt för tillverkning av en modern strategisk laddning, diametern är cirka 11 cm Ringformen är viktig för att säkerställa kritisk säkerhet.
Psom återvunnits från en vapenkärna:
Plutonium under Manhattanprojektet
Historiskt sett, de första 520 milligram plutoniummetall som producerades av Ted Magel och Nick Dallas i Los Alamos den 23 mars 1944:
Press för varmpressning av plutonium-galliumlegering i form av halvklot. Denna press användes vid Los Alamos för att tillverka plutoniumkärnor för Nagasaki- och Operation Trinity-laddningarna.
Produkter gjutna på den:
Ytterligare biprodukter av plutonium
Infångandet av en neutron som inte åtföljs av fission skapar nya isotoper av plutonium: Pu-240, Pu-241 och Pu-242. De två sista ackumuleras i obetydliga mängder.
Pu239 + n -> Pu240
Pu240 + n -> Pu241
Pu241 + n -> Pu242
En sidokedja av reaktioner är också möjlig:
U238 + n -> U237 + 2n
U237 -> (6,75 dagar, beta-sönderfall) -> Np237
Np237 + n -> Np238
Np238 -> (2,1 dagar, beta-sönderfall) -> Pu238
Det övergripande måttet på exponering (utarmning) av en bränslecell kan uttryckas i megawatt-dagar/ton (MW-dag/t). plutonium av vapenkvalitet kvalitet erhålls från grundämnen med en liten mängd MW-dag/t, den producerar färre biproduktisotoper. Bränsleceller i moderna tryckvattenreaktorer når nivåer på 33 000 MWd/t. En typisk exponering i en vapenuppfödningsreaktor är 1000 MWd/t. Plutoniumet i Hanford Graphite Moderated Reactors bestrålas upp till 600 MWd/t, Savannah Heavy Water Reactor producerar plutonium av samma kvalitet vid 1000 MWd/t (troligen på grund av att några av neutronerna kommer att bilda tritium). Under Manhattan-projektet fick naturligt uranbränsle endast 100 MW-dag/t, vilket gav plutonium-239 av mycket hög kvalitet (endast 0,9-1% Pu-240, andra isotoper även i mindre mängder).
Liknande information.
Plutonium upptäcktes i slutet av 1940 vid University of California. Den syntetiserades av McMillan, Kennedy och Wahl genom att bombardera uranoxid (U 3 O 8) med deuteriumkärnor (deuteroner) kraftigt accelererade i en cyklotron. Senare fann man att denna kärnreaktion först producerar den kortlivade isotopen neptunium-238, och från den redan plutonium-238 med en halveringstid på cirka 50 år. Ett år senare syntetiserade Kennedy, Seaborg, Segre och Wahl den viktigare isotopen, plutonium-239, genom att bestråla uran med högaccelererade neutroner i en cyklotron. Plutonium-239 bildas från sönderfallet av neptunium-239; den avger alfastrålar och har en halveringstid på 24 000 år. En ren plutoniumförening erhölls först 1942. Sedan blev det känt att det finns naturligt plutonium som finns i uranmalmer, särskilt i malmer, fyndigheter i Kongo.
Namnet på elementet föreslogs 1948: McMillan kallade det första transuraniska elementet neptunium på grund av att planeten Neptunus är den första bortom Uranus. I analogi bestämde de sig för att kalla grundämnet 94 plutonium, eftersom planeten Pluto är den andra planeten efter Uranus. Pluto, upptäckt 1930, fick sitt namn från namnet på guden Pluto, härskaren över underjorden i grekisk mytologi. I början av XIX-talet. Clark föreslog att benämna grundämnet bariumplutonium, som härledde detta namn direkt från namnet på guden Pluto, men hans förslag accepterades inte.
Denna metall kallas ädel, men inte för sin skönhet, utan för dess oumbärlighet. I Mendeleevs periodiska system upptar detta element cell nummer 94. Det är hos honom som forskarna ställer sina största förhoppningar, och det är plutonium som de kallar den farligaste metallen för mänskligheten.
Plutonium: beskrivning
Det är en silvervit metall till utseendet. Det är radioaktivt och kan representeras som 15 isotoper med olika halveringstider, till exempel:
- Pu-238 - cirka 90 år gammal
- Pu-239 - cirka 24 tusen år
- Pu-240 - 6580 år
- Pu-241 - 14 år
- Pu-242 - 370 tusen år
- Pu-244 - cirka 80 miljoner år
Denna metall kan inte utvinnas ur malmen, eftersom den är en produkt av radioaktiv omvandling av uran.
Hur erhålls plutonium?
Tillverkningen av plutonium kräver klyvning av uran, vilket endast kan göras i kärnreaktorer. Om vi pratar om närvaron av elementet Pu i jordskorpan, kommer det bara att finnas 1 gram rent plutonium för 4 miljoner ton uranmalm. Och detta gram bildas av naturlig infångning av neutroner av urankärnor. Sålunda, för att erhålla detta kärnbränsle (vanligtvis isotopen 239-Pu) i mängden flera kilogram, är det nödvändigt att utföra en komplex teknisk process i en kärnreaktor.
egenskaper hos plutonium
Den radioaktiva metallen plutonium har följande fysikaliska egenskaper:
- densitet 19,8 g/cm 3
- smältpunkt – 641°C
- kokpunkt – 3232°C
- värmeledningsförmåga (vid 300 K) – 6,74 W/(m K)
Plutonium är radioaktivt och därför varmt vid beröring. Samtidigt kännetecknas denna metall av den lägsta termiska och elektriska ledningsförmågan. Flytande plutonium är den mest trögflytande av alla befintliga metaller.
Den minsta förändringen i plutoniumtemperaturen leder till en omedelbar förändring av ämnets densitet. I allmänhet förändras massan av plutonium ständigt, eftersom kärnorna i denna metall är i ett tillstånd av konstant klyvning till mindre kärnor och neutroner. Den kritiska massan av plutonium är namnet på den minsta massa av klyvbart material vid vilken klyvning (kärnkedjereaktion) fortfarande är möjlig. Till exempel är den kritiska massan för vapenplutonium 11 kg (för jämförelse är den kritiska massan för höganrikat uran 52 kg).
Uran och plutonium är det huvudsakliga kärnbränslet. För att få plutonium i stora mängder används två tekniker:
- uranbestrålning
- bestrålning av transuranelement som härrör från använt bränsle
Båda metoderna är separation av plutonium och uran som ett resultat av en kemisk reaktion.
För att erhålla rent plutonium-238 används neutronbestrålning av neptunium-237. Samma isotop är involverad i skapandet av plutonium-239 av vapenkvalitet, i synnerhet är det en mellanliggande sönderfallsprodukt. 1 miljon dollar är priset för 1 kg plutonium-238.
Mänskligheten har alltid varit på jakt efter nya energikällor som kan lösa många problem. Men de är inte alltid säkra. Så, i synnerhet, även om de används i stor utsträckning idag, även om de helt enkelt kan generera en kolossal mängd elektrisk energi som alla behöver, innebär de fortfarande en dödlig fara. Men förutom fredliga syften har vissa länder på vår planet lärt sig att använda det i militären, särskilt för att skapa kärnstridsspetsar. Den här artikeln kommer att diskutera grunden för ett sådant destruktivt vapen, vars namn är plutonium av vapenkvalitet.
Kort information
Denna kompakta form av metallen innehåller minst 93,5 % av 239Pu-isotopen. Vapenplutonium hette så för att särskilja det från sin "reaktorbror". I princip bildas plutonium alltid i absolut vilken kärnreaktor som helst, som i sin tur drivs på låganrikat eller naturligt uran, som till största delen innehåller isotopen 238U.
Tillämpning inom militärindustrin
Vapenplutonium 239Pu är grunden för kärnvapen. Samtidigt är användningen av isotoper med masstal 240 och 242 irrelevant, eftersom de skapar en mycket hög bakgrund av neutroner, vilket i slutändan gör det svårt att skapa och designa högeffektiv kärnvapenammunition. Dessutom har plutoniumisotoperna 240Pu och 241Pu en mycket kortare halveringstid än 239Pu, så plutoniumdelar blir väldigt varma. Det är i samband med detta som ingenjörer tvingas lägga till ytterligare element till ett kärnvapen för att avlägsna överskottsvärme. Förresten, ren 239Pu är varmare än människokroppen. Det är också omöjligt att inte ta hänsyn till det faktum att sönderfallsprodukterna från tunga isotoper utsätter metallkristallgittret för skadliga förändringar, och detta förändrar helt naturligt konfigurationen av plutoniumdelar, vilket i slutändan kan orsaka ett fullständigt misslyckande av en kärnvapensprängladdning.
I stort sett kan alla dessa svårigheter övervinnas. Och i praktiken har det upprepade gånger testats på basis av just "reaktor"-plutonium. Men det bör förstås att i kärnvapen är deras kompakthet, låga egenvikt, hållbarhet och tillförlitlighet långt ifrån den sista positionen. I detta avseende använder de uteslutande plutonium av vapenkvalitet.
Designfunktioner för produktionsreaktorer
Nästan allt plutonium i Ryssland producerades i reaktorer utrustade med en grafitmoderator. Var och en av reaktorerna är byggda kring cylindriskt sammansatta block av grafit.
När de är monterade har grafitblock speciella slitsar mellan dem för att säkerställa kontinuerlig cirkulation av kylvätskan, som används som kväve. I den sammansatta strukturen finns det också vertikalt placerade kanaler skapade för passage av vattenkylning och bränsle genom dem. Själva enheten är stelt uppburen av en struktur med hål under kanalerna som används för att transportera det redan bestrålade bränslet. Dessutom är var och en av kanalerna placerade i ett tunnväggigt rör gjutet av en lätt och extra stark aluminiumlegering. De flesta av de beskrivna kanalerna har 70 bränslestavar. Kylvattnet rinner direkt runt bränslestavarna och tar bort överskottsvärme från dem.
Öka kraften hos produktionsreaktorer
Inledningsvis fungerade den första reaktorn "Mayak" med en kapacitet på 100 termisk MW. Men chefschefen för det sovjetiska kärnvapenprogrammet föreslog att reaktorn skulle fungera på 170-190 MW på vintern och 140-150 MW på sommaren. Detta tillvägagångssätt gjorde att reaktorn kunde producera nästan 140 gram dyrbart plutonium per dag.
År 1952 utfördes ett fullfjädrat forskningsarbete för att öka produktionskapaciteten för fungerande reaktorer med sådana metoder:
- Genom att öka flödet av vatten som används för kylning och strömmar genom de aktiva zonerna i en kärnkraftsanläggning.
- Genom att öka motståndet mot fenomenet korrosion som uppstår nära kanalernas foder.
- Minska graden av grafitoxidation.
- Öka temperaturen inuti bränslecellerna.
Som ett resultat ökade genomströmningen av det cirkulerande vattnet avsevärt efter att gapet mellan bränslet och kanalens väggar ökades. Vi lyckades också bli av med korrosion. För att göra detta valde vi de mest lämpliga aluminiumlegeringarna och började aktivt tillsätta natriumbikromat, vilket i slutändan ökade mjukheten i kylvattnet (pH blev ca 6,0-6,2). Grafitoxidation upphörde att vara ett akut problem efter att kväve började användas för att kyla den (innan dess användes endast luft).
I slutet av 1950-talet omsattes innovationerna fullt ut, vilket minskade den mycket onödiga ballongspridningen av uran orsakad av strålning, reducerade avsevärt värmehärdningen av uranstavar, förbättrade kapslingsmotståndet och förbättrade.
Tillverkning på Mayak
"Chelyabinsk-65" är en av de mycket hemliga fabrikerna där plutonium av vapenkvalitet skapades. Företaget hade flera reaktorer, var och en som vi kommer att lära känna bättre.
Reaktor A
Installationen designades och byggdes under ledning av den legendariska N. A. Dollezhal. Hon arbetade med en effekt på 100 MW. Reaktorn hade 1149 vertikalt anordnade styr- och bränslekanaler i ett grafitblock. Den totala massan av strukturen var cirka 1050 ton. Nästan alla kanaler (utom 25) var laddade med uran, vars totala massa var 120-130 ton. 17 kanaler användes för kontrollstavar och 8 för experiment. Bränslecellens maximala värmeavgivning var 3,45 kW. Till en början producerade reaktorn cirka 100 gram plutonium per dag. Metalliskt plutonium tillverkades första gången den 16 april 1949.
Tekniska nackdelar
Nästan omedelbart upptäcktes ganska allvarliga problem, som bestod av korrosion av aluminiumfoder och bränslecellsbeläggningar. Uranstavarna svällde också och gick sönder och kylvatten läckte direkt in i reaktorns kärna. Efter varje läcka måste reaktorn stoppas i upp till 10 timmar för att torka grafiten med luft. I januari 1949 byttes kanalfodrarna ut. Därefter skedde lanseringen av installationen den 26 mars 1949.
Vapenplutonium, vars produktion vid reaktor A åtföljdes av alla möjliga svårigheter, producerades under perioden 1950-1954 med en genomsnittlig enhetseffekt på 180 MW. Den efterföljande driften av reaktorn började åtföljas av dess mer intensiva användning, vilket helt naturligt ledde till tätare avstängningar (upp till 165 gånger i månaden). Som ett resultat, i oktober 1963, stängdes reaktorn och återupptog sin drift först våren 1964. Han avslutade sin kampanj 1987 och producerade 4,6 ton plutonium under hela perioden av många års drift.
AB-reaktorer
Det beslutades att bygga tre AB-reaktorer vid Chelyabinsk-65-företaget hösten 1948. Deras produktionskapacitet var 200-250 gram plutonium per dag. Projektets chefsdesigner var A. Savin. Varje reaktor hade 1996 kanaler, 65 av dem var kontrollkanaler. En teknisk nyhet användes i installationerna - varje kanal var utrustad med en speciell kylvätskeläckagedetektor. Ett sådant drag gjorde det möjligt att byta foder utan att stoppa driften av själva reaktorn.
Det första driftåret av reaktorerna visade att de producerade cirka 260 gram plutonium per dag. Men från det andra driftsåret ökades kapaciteten gradvis, och redan 1963 var dess siffra 600 MW. Efter den andra översynen var linersproblemet helt löst och kapaciteten var redan 1200 MW med en årlig plutoniumproduktion på 270 kilogram. Dessa siffror bibehölls tills reaktorerna stängdes fullständigt.
AI-IR reaktor
Chelyabinsk-företaget använde denna installation från 22 december 1951 till 25 maj 1987. Utöver uran producerade reaktorn även kobolt-60 och polonium-210. Till en början tillverkades tritium vid anläggningen, men senare framställdes även plutonium.
Dessutom hade anläggningen för bearbetning av vapenplutonium reaktorer i drift på tungt vatten och den enda lättvattenreaktorn (dess namn är Ruslan).
Sibirisk jätte
"Tomsk-7" - detta är namnet på anläggningen, som rymmer fem reaktorer för att skapa plutonium. Var och en av enheterna använde grafit för att bromsa neutroner och vanligt vatten för att säkerställa korrekt kylning.
I-1-reaktorn arbetade med ett kylsystem där vatten passerade en gång. De återstående fyra enheterna var dock försedda med slutna primärkretsar utrustade med värmeväxlare. Denna design gjorde det möjligt att dessutom producera ånga, vilket i sin tur hjälpte till vid produktion av el och uppvärmning av olika bostadslokaler.
Tomsk-7 hade också en reaktor kallad EI-2, som i sin tur hade ett dubbelt syfte: den producerade plutonium och genererade 100 MW elektricitet från den genererade ångan, samt 200 MW termisk energi.
Viktig information
Enligt forskare är halveringstiden för plutonium av vapenkvalitet cirka 24 360 år. Stort antal! I detta avseende blir frågan särskilt akut: "Hur man korrekt hanterar produktionsavfallet av detta element?" Det mest optimala alternativet är byggandet av speciella företag för efterföljande bearbetning av vapenplutonium. Detta förklaras av det faktum att elementet i detta fall inte längre kan användas för militära ändamål och kommer att kontrolleras av en person. Det är så vapenplutonium bortskaffas i Ryssland, men USA gick åt andra hållet och bröt därmed mot sina internationella åtaganden.
Således föreslår den amerikanska regeringen att förstöra högberikat plutonium inte med industriella medel, utan genom att späda ut plutonium och lagra det i speciella behållare på ett djup av 500 meter. Det säger sig självt att i detta fall kan materialet enkelt tas bort från marken när som helst och återanvändas för militära ändamål. Enligt Rysslands president Vladimir Putin kom länderna till en början överens om att förstöra plutonium inte med denna metod, utan att utföra återvinning vid industrianläggningar.
Kostnaden för plutonium av vapenkvalitet förtjänar särskild uppmärksamhet. Enligt experter kan tiotals ton av detta element mycket väl kosta flera miljarder US-dollar. Och vissa experter har till och med uppskattat 500 ton vapenplutonium så mycket som 8 biljoner dollar. Mängden är verkligen imponerande. För att göra det tydligare hur mycket pengar det handlar om, låt oss säga att under de sista tio åren av 1900-talet var Rysslands genomsnittliga årliga BNP 400 miljarder dollar. Det vill säga, i själva verket var det verkliga priset på plutonium av vapenkvalitet lika med tjugo årliga BNP för Ryska federationen.
Han är verkligen värdefull.
Bakgrund och historia
I början fanns det protoner - galaktiskt väte. Som ett resultat av dess kompression och efterföljande kärnreaktioner bildades de mest otroliga "götorna" av nukleoner. Bland dem innehöll dessa "göt", tydligen 94 protoner vardera. Uppskattningar av teoretiker tillåter oss att överväga att cirka 100 nukleonformationer, som inkluderar 94 protoner och från 107 till 206 neutroner, är så stabila att de kan betraktas som kärnor av isotoper av element nr 94.
Men alla dessa isotoper - hypotetiska och verkliga - är inte så stabila att de kan bevaras till denna dag från det ögonblick som elementen i solsystemet bildades. Halveringstiden för den längsta livslängda isotopen av element 94 är 75 miljoner år. Galaxens ålder mäts i miljarder år. Följaktligen hade det "ursprungliga" plutoniumet ingen chans att överleva till denna dag. Om det bildades under den stora syntesen av universums beståndsdelar, så har de gamla atomerna i det "dött ut" för länge sedan, precis som dinosaurier och mammutar dog ut.
Under XX-talet. new era, AD, detta element återskapades. Av 100 möjliga isotoper av plutonium har 25 syntetiserats, 15 av dem har studerats för deras nukleära egenskaper. Fyra har hittat praktiska tillämpningar. Och det öppnades bara nyligen. I december 1940, när de bestrålade uran med tunga vätekärnor, upptäckte en grupp amerikanska radiokemister under ledning av Glenn T. Seaborg en hittills okänd alfapartikelsändare med en halveringstid på 90 år. Denna sändare visade sig vara en isotop av grundämnet nr 94 med masstalet 238. Samma år, men några månader tidigare, kom E.M. Macmillan och F. Abelson fick det första grundämnet tyngre än uran - grundämnet nr 93. Detta grundämne kallades neptunium, och det 94:e kallades plutonium. Historikern kommer definitivt att säga att dessa namn har sitt ursprung i romersk mytologi, men i huvudsak är ursprunget till dessa namn snarare inte mytologiskt, utan astronomiskt.
Grundämnena nr 92 och 93 är uppkallade efter de avlägsna planeterna i solsystemet - Uranus och Neptunus, men Neptunus är inte den sista i solsystemet, Plutos omloppsbana ligger ännu längre - en planet som nästan ingenting är känt om än så länge ... En liknande konstruktion observerar vi också på det periodiska systemets "vänster flank": uran - neptunium - plutonium, men mänskligheten vet mycket mer om plutonium än om Pluto. Förresten upptäckte astronomer Pluto bara tio år innan syntesen av plutonium - nästan samma tidsperiod skiljde upptäckterna av Uranus - planeten och uran - grundämnet.
Gåtor för ransomware
Den första isotopen av grundämne nr 94, plutonium-238, har funnit praktisk användning idag. Men i början av 1940-talet tänkte de inte ens på det. Det är möjligt att få plutonium-238 i mängder av praktiskt intresse endast genom att förlita sig på en kraftfull kärnkraftsindustri. På den tiden var hon precis igång. Men det var redan klart att genom att frigöra energin som finns i kärnorna av tunga radioaktiva grundämnen, var det möjligt att erhålla vapen med oöverträffad kraft. Manhattan-projektet dök upp och hade inget annat än ett namn gemensamt med det välkända området New York. Detta var det allmänna namnet för allt arbete relaterat till skapandet av de första atombomberna i USA. Chefen för Manhattan-projektet var inte en vetenskapsman, utan en militär - General Groves, som "kärleksfullt" kallade sina högutbildade avdelningar "trasiga krukor".
Ledarna för "projektet" var inte intresserade av plutonium-238. Dess kärnor, liksom kärnorna i alla plutoniumisotoper med jämna masstal, klyvs inte med lågenergineutroner*, så det kan inte fungera som ett kärnsprängämne. Ändå kom de första inte särskilt begripliga rapporterna om grundämnena nr 93 och 94 i tryck först våren 1942.
* Lågenergineutroner är neutroner vars energi inte överstiger 10 keV. Neutroner med en energi mätt i bråkdelar av en elektronvolt kallas termiska, och de långsammaste neutronerna - med energier mindre än 0,005 eV - kallas kalla. Om neutronens energi är mer än 100 keV, anses en sådan neutron redan vara snabb.
Hur kan detta förklaras? Fysiker förstod: syntesen av plutoniumisotoper med udda masstal är en tidsfråga, och inte långt borta. De udda isotoperna förväntades, liksom uran-235, kunna upprätthålla en kärnkedjereaktion. I dem, som ännu inte tagits emot, såg några människor en potentiell kärnvapensprängämne. Och plutonium levde tyvärr upp till dessa förhoppningar.
I den tidens chiffer kallades element nr 94 inget annat än ... koppar. Och när behovet uppstod för koppar själv (som ett strukturellt material för vissa delar), då i kryptering, tillsammans med "koppar", dök "äkta koppar" upp.
"Kunskapens träd om gott och ont"
År 1941 upptäcktes den viktigaste isotopen av plutonium - en isotop med masstalet 239. Och nästan omedelbart bekräftades teoretikerns förutsägelse: kärnorna av plutonium-239 klyvdes med termiska neutroner. Dessutom föddes inte mindre antal neutroner under klyvningsprocessen än i klyvningen av uran-235. Sätt att erhålla denna isotop i stora mängder beskrevs omedelbart ...
Åren har gått. Nu är det ingen hemlighet för någon att kärnvapenbomberna som lagras i arsenalerna är fyllda med plutonium-239 och att dessa bomber räcker för att orsaka irreparabel skada på allt liv på jorden.
Det anses allmänt att med upptäckten av en kärnkedjereaktion (vars oundvikliga konsekvens var skapandet av en kärnvapenbomb) hade mänskligheten helt klart bråttom. Du kan tänka annorlunda eller låtsas tänka annorlunda – det är trevligare att vara optimist. Men även optimister står oundvikligen inför frågan om forskarnas ansvar. Vi minns triumfdagen i juni 1954, dagen då det första kärnkraftverket i Obninsk gav el. Men vi kan inte glömma augustimorgonen 1945 – "Hiroshimas morgon", "Albert Einsteins regniga dag". Men utstod mänskligheten få ångest under de efterföljande åren? Dessutom mångdubblades dessa bekymmer av insikten att om ett nytt världskrig bryter ut kommer kärnvapen att användas.
Här kan du försöka bevisa att upptäckten av plutonium inte bidrog till mänsklighetens rädsla, att det tvärtom bara var användbart.
Anta att det hände att plutonium av någon anledning, eller, som man skulle säga i gamla dagar, enligt Guds vilja, inte var tillgängligt för forskare. Skulle våra rädslor och rädslor då minska? Inget hände. Kärnvapenbomber skulle tillverkas av uran-235 (och i ingen mindre mängd än av plutonium), och dessa bomber skulle "äta upp" ännu större delar av budgeten än vad de gör nu.
Men utan plutonium skulle det inte finnas några utsikter till fredlig användning av kärnenergi i stor skala. För en "fredlig atom" skulle det helt enkelt inte finnas tillräckligt med uran-235. Det onda som åsamkas mänskligheten genom upptäckten av kärnenergi skulle inte balanseras, om än bara delvis, av den "goda atomens" prestationer.
Hur man mäter, med vad man ska jämföra
När en plutonium-239 kärna delas av neutroner i två fragment med ungefär lika stor massa frigörs cirka 200 MeV energi. Detta är 50 miljoner gånger mer energi som frigörs i den mest kända exoterma reaktionen C + O 2 = CO 2 . "Brann" i en kärnreaktor ger ett gram plutonium 2·10 7 kcal. För att inte bryta mot traditioner (och i populära artiklar mäts energin i kärnbränsle vanligtvis i icke-systemiska enheter - ton kol, bensin, trinitrotoluen, etc.), noterar vi också: detta är energi som finns i 4 ton av kol. Och i en vanlig fingerborg placeras mängden plutonium, energimässigt motsvarande fyrtio billass med bra björkved.
Samma energi frigörs under klyvningen av uran-235 kärnor av neutroner. Men huvuddelen av naturligt uran (99,3%!) är isotopen 238 U, som bara kan användas genom att omvandla uran till plutonium ...
Stenenergi
Låt oss utvärdera energiresurserna i naturreserverna av uran.
Uran är ett spritt grundämne, och det finns praktiskt taget överallt. Alla som har besökt till exempel Karelen kom säkert ihåg granitblocken och kustklipporna. Men få människor vet att det finns upp till 25 g uran i ett ton granit. Graniter utgör nästan 20 % av vikten av jordskorpan. Om vi bara räknar uran-235, så finns 3,5·10 5 kcal energi i ett ton granit. Det är mycket, men...
Bearbetningen av granit och utvinningen av uran från den kräver en ännu större mängd energi - cirka 10 6 ...10 7 kcal/t. Om det nu vore möjligt att använda inte bara uran-235, utan även uran-238 som energikälla, så skulle granit åtminstone kunna betraktas som en potentiell energiråvara. Då skulle energin som erhålls från ett ton sten redan vara från 8·10 7 till 5·10 8 kcal. Det motsvarar 16...100 ton kol. Och i det här fallet kan granit ge människor nästan en miljon gånger mer energi än alla kemiska bränslereserver på jorden.
Men uran-238 kärnor klyvs inte av neutroner. För kärnenergi är denna isotop värdelös. Mer exakt skulle det vara värdelöst om det inte kunde omvandlas till plutonium-239. Och det som är särskilt viktigt: det finns praktiskt taget inget behov av att spendera energi på denna kärnkraftsomvandling - tvärtom, energi produceras i denna process!
Låt oss försöka ta reda på hur detta händer, men först några ord om naturligt plutonium.
400 tusen gånger mindre än radium
Det har redan sagts att plutoniumisotoper inte har bevarats sedan syntesen av element under bildandet av vår planet. Men detta betyder inte att det inte finns något plutonium i jorden.
Det bildas hela tiden i uranmalmer. Genom att fånga in kosmisk strålningsneutroner och neutroner som produceras genom spontan klyvning av uran-238-kärnor, omvandlas några - mycket få - atomer av denna isotop till uran-239-atomer. Dessa kärnor är mycket instabila, de avger elektroner och ökar därmed sin laddning. Neptunium, det första transuranelementet, bildas. Neptunium-239 är också mycket instabil, och dess kärnor avger elektroner. På bara 56 timmar förvandlas hälften av neptunium-239 till plutonium-239, vars halveringstid redan är ganska lång - 24 tusen år.
Varför bryts inte plutonium från uranmalmer? Liten, för låg koncentration. "Produktion per gram är arbete per år" - det handlar om radium, och plutonium i malmer är 400 tusen gånger mindre än radium. Därför är inte bara att extrahera - även att upptäcka "markbundet" plutonium extremt svårt. Detta gjordes först efter att de fysikaliska och kemiska egenskaperna hos plutonium som erhållits i kärnreaktorer studerats.
När 2.70 >> 2.23
Plutonium ackumuleras i kärnreaktorer. I kraftfulla neutronflöden sker samma reaktion som i uranmalmer, men hastigheten för bildning och ackumulering av plutonium i reaktorn är mycket högre - en miljard miljarder gånger. För reaktionen att omvandla ballasturan-238 till plutonium-239 av kraftkvalitet skapas optimala (inom acceptabla) förhållanden.
Om reaktorn arbetar på termiska neutroner (kom ihåg att deras hastighet är cirka 2000 m per sekund, och energin är bråkdelar av en elektronvolt), så erhålls en mängd plutonium från en naturlig blandning av uranisotoper, något mindre än mängden av "utbränd" uran-235. Inte mycket, men mindre, plus de oundvikliga förlusterna av plutonium under dess kemiska separation från bestrålat uran. Dessutom upprätthålls en kärnkedjereaktion i en naturlig blandning av uranisotoper endast tills en liten del av uran-235 är förbrukad. Därför är slutsatsen logisk: en "termisk" reaktor på naturligt uran - den huvudsakliga typen av reaktorer som för närvarande är i drift - kan inte säkerställa en utökad reproduktion av kärnbränsle. Men vad är då framtiden? För att svara på denna fråga, låt oss jämföra förloppet av en kärnkedjereaktion i uran-235 och plutonium-239 och introducera ytterligare ett fysiskt koncept i vårt resonemang.
Den viktigaste egenskapen hos något kärnbränsle är det genomsnittliga antalet neutroner som emitteras efter att kärnan har fångat en neutron. Fysiker kallar det eta-talet och betecknar det med den grekiska bokstaven η. I "termiska" uranreaktorer observeras följande mönster: varje neutron genererar i genomsnitt 2,08 neutroner (η = 2,08). Plutonium placerat i en sådan reaktor under inverkan av termiska neutroner ger η = 2,03. Men det finns också reaktorer som arbetar på snabba neutroner. Det är meningslöst att ladda en naturlig blandning av uranisotoper i en sådan reaktor: kedjereaktionen kommer inte att starta. Men om "råvaran" anrikas med uran-235 kommer den att kunna utvecklas i en "snabb" reaktor. I detta fall kommer η redan att vara lika med 2,23. Och plutonium, placerat under eld med snabba neutroner, kommer att ge n lika med 2,70. Vi kommer att ha "en extra full neutron" till vårt förfogande. Och detta räcker inte.
Låt oss se vad de mottagna neutronerna spenderas på. I vilken reaktor som helst behövs en neutron för att upprätthålla en kärnkedjereaktion. 0,1 neutron absorberas av anläggningens strukturella material. "Överskottet" går till ackumulering av plutonium-239. I ett fall är "överskottet" 1,13, i det andra - 1,60. Efter "bränning" av ett kilogram plutonium i den "snabba" reaktorn frigörs kolossal energi och 1,6 kg plutonium ackumuleras. Och uran i en "snabb" reaktor kommer att ge samma energi och 1,1 kg nytt kärnbränsle. I båda fallen är utökad reproduktion uppenbar. Men vi får inte glömma ekonomin.
På grund av ett antal tekniska skäl tar plutoniumförädlingscykeln flera år. Låt oss säga fem år. Det betyder att mängden plutonium endast ökar med 2 % per år om η = 2,23, och med 12 % om η = 2,7! Kärnbränsle är kapital, och allt kapital måste ge, säg, 5 % per år. I det första fallet finns det stora förluster, och i det andra - stora vinster. Detta primitiva exempel illustrerar "vikten" av var tiondel av talet η i kärnkraft.
Summan av många tekniker
När den nödvändiga mängden plutonium ansamlas i uran som ett resultat av kärnreaktioner, måste det separeras inte bara från själva uranet, utan också från klyvningsfragment - både uran och plutonium, utbrända i en kärnkedjereaktion. Dessutom finns det en viss mängd neptunium i uran-plutoniummassan. Det svåraste är att separera plutonium från neptunium och sällsynta jordartsmetaller (lantanider). Plutonium som kemiskt grundämne är något oturligt. Ur en kemists synvinkel är kärnenergins huvudelement bara en av fjorton aktinider. Liksom sällsynta jordartsmetaller är alla element i aktiniumserien mycket nära varandra i kemiska egenskaper, strukturen hos de yttre elektronskalen av atomer av alla element från aktinium till 103 är densamma. Det är ännu mer obehagligt att de kemiska egenskaperna hos aktinider liknar dem hos sällsynta jordartsmetaller, och bland klyvningsfragmenten av uran och plutonium finns det mer än tillräckligt med lantanider. Men å andra sidan kan det 94:e grundämnet vara i fem valenstillstånd, och detta "sötar pillret" - det hjälper till att separera plutonium från både uran och fissionsfragment.
Valensen av plutonium varierar från tre till sju. Föreningar av fyrvärt plutonium är kemiskt de mest stabila (och följaktligen de vanligaste och mest studerade).
Separationen av aktinider nära i kemiska egenskaper - uran, neptunium och plutonium - kan baseras på skillnaden i egenskaperna hos deras tetra- och sexvärda föreningar.
Det finns inget behov av att i detalj beskriva alla stadier av den kemiska separationen av plutonium och uran. Vanligtvis börjar deras separation med upplösningen av uranstänger i salpetersyra, varefter uran-, neptunium-, plutonium- och fragmentelementen som finns i lösningen "separeras", med hjälp av traditionella radiokemiska metoder för detta - samutfällning med bärare, extraktion, jonbyte och andra. De slutliga plutoniumhaltiga produkterna av denna flerstegsteknologi är dess dioxid PuO 2 eller fluorider - PuF 3 eller PuF 4 . De reduceras till metall med ångor av barium, kalcium eller litium. Men det plutonium som erhålls i dessa processer är inte lämpligt för rollen som ett strukturellt material - det är omöjligt att göra bränsleelement från kärnkraftsreaktorer från det, det är omöjligt att kasta en laddning av en atombomb. Varför? Smältpunkten för plutonium - endast 640°C - är ganska uppnåelig.
Oavsett vilka "ultrassnåla" förhållanden som används för att gjuta delar av rent plutonium, kommer det alltid att uppstå sprickor i gjutgodset under stelningen. Vid 640°C bildar stelnande plutonium ett kubiskt kristallgitter. När temperaturen sjunker, ökar metallens densitet gradvis. Men sedan nådde temperaturen 480 ° C, och sedan sjunker plötsligt tätheten av plutonium kraftigt. Orsakerna till denna anomali grävdes upp ganska snabbt: vid denna temperatur omarrangeras plutoniumatomer i kristallgittret. Den blir tetragonal och väldigt "lös". Sådant plutonium kan flyta i sin egen smälta, som is på vatten.
Temperaturen fortsätter att falla, nu har den nått 451 ° C, och atomerna bildade återigen ett kubiskt gitter, men belägna på ett större avstånd från varandra än i det första fallet. Med ytterligare kylning blir gittret först ortorombiskt, sedan monokliniskt. Totalt bildar plutonium sex olika kristallformer! Två av dem har en anmärkningsvärd egenskap - en negativ termisk expansionskoefficient: med ökande temperatur expanderar metallen inte utan drar ihop sig.
När temperaturen når 122°C och plutoniumatomerna ordnar om sina rader för sjätte gången ändras densiteten särskilt kraftigt - från 17,77 till 19,82 g/cm 3 . Mer än 10%! Följaktligen minskar götets volym. Om metallen fortfarande kunde motstå de påfrestningar som uppstod vid andra övergångar, är förstörelse i detta ögonblick oundviklig.
Hur gör man då delar av denna fantastiska metall? Metallurger legerar plutonium (tillsätter små mängder av de nödvändiga elementen till det) och får gjutgods utan en enda spricka. De används för att tillverka plutoniumladdningar för kärnvapenbomber. Laddningsvikt (det bestäms främst av isotopens kritiska massa) 5 ... 6 kg. Den skulle lätt passa i en kub med en ribbstorlek på 10 cm.
Tunga isotoper
Plutonium-239 innehåller också en liten mängd högre isotoper av detta grundämne - med massnummer 240 och 241. 240 Pu-isotopen är praktiskt taget värdelös - denna ballast i plutonium. Från den 241 erhålls americium - element nr 95. I ren form, utan inblandning av andra isotoper, kan dlutonium-240 och plutonium-241 erhållas genom elektromagnetisk separation av plutonium som ackumulerats i reaktorn. Innan detta bestrålas plutonium dessutom med neutronflöden med strikt definierade egenskaper. Naturligtvis är allt detta mycket komplicerat, särskilt eftersom plutonium inte bara är radioaktivt, utan också mycket giftigt. Att arbeta med det kräver extrem försiktighet.
En av de mest intressanta isotoper av plutonium, 242 Pu, kan erhållas genom att bestråla 239 Pu under lång tid i neutronflöden. 242 Pu fångar mycket sällan neutroner och "bränner ut" därför i reaktorn långsammare än andra isotoper; det kvarstår även efter att de återstående isotoper av plutonium nästan helt har gått över till fragment eller förvandlats till plutonium-242.
Plutonium-242 är viktigt som "råvara" för relativt snabb ackumulering av högre transuranelement i kärnreaktorer. Om plutonium-239 bestrålas i en konventionell reaktor kommer det att ta cirka 20 år att ackumulera mikrogrammängder plutonium från gram, till exempel kalifornium-251.
Det är möjligt att minska ackumuleringstiden för högre isotoper genom att öka intensiteten av neutronflödet i reaktorn. Det gör de, men då är det omöjligt att bestråla en stor mängd plutonium-239. När allt kommer omkring är denna isotop delad av neutroner, och för mycket energi frigörs i intensiva flöden. Det finns ytterligare svårigheter med att kyla behållaren och reaktorn. För att undvika dessa komplikationer skulle mängden bestrålat plutonium behöva minskas. Följaktligen skulle produktionen av Kalifornien återigen bli eländig. Ond cirkel!
Plutonium-242 är inte klyvbart av termiska neutroner, och det kan bestrålas i stora mängder i intensiva neutronflöden ... Därför, i reaktorer, är alla element från californium till einsteinium "gjorda" från denna isotop och ackumuleras i viktmängder.
Inte den tyngsta, men den längsta levde
Närhelst forskare lyckades få fram en ny isotop av plutonium, mätte de halveringstiden för dess kärnor. Halveringstiderna för isotoper av tunga radioaktiva kärnor med jämna massatal ändras regelbundet. (Detsamma kan inte sägas om udda isotoper.)
Ris. 8.
Titta på grafen, som visar beroendet av halveringstiden för jämna plutoniumisotoper på masstalet. När massan ökar, ökar också isotopens "livslängd". För några år sedan var plutonium-242 den högsta punkten på denna graf. Och hur kommer den här kurvan att gå - med en ytterligare ökning av masstalet? Exakt 1 , vilket motsvarar en livstid på 30 miljoner år, eller till den punkt 2 , som har varit ansvarig i 300 miljoner år? Svaret på denna fråga var mycket viktigt för geovetenskaperna. I det första fallet, om jorden för 5 miljarder år sedan helt bestod av 244 Pu, skulle nu bara en atom av plutonium-244 finnas kvar i hela jordens massa. Om det andra antagandet är korrekt, kan plutonium-244 finnas i jorden i koncentrationer som redan kunde detekteras. Om vi hade turen att hitta denna isotop i jorden skulle vetenskapen få den mest värdefulla informationen om de processer som ägde rum under bildandet av vår planet.
För några år sedan stod forskare inför frågan: är det värt att försöka hitta tungt plutonium i jorden? För att svara på det var det först och främst nödvändigt att bestämma halveringstiden för plutonium-244. Teoretiker kunde inte beräkna detta värde med erforderlig noggrannhet. Allt hopp var bara för experimentet.
Plutonium-244 ackumulerades i en kärnreaktor. Element nr 95, americium (isotop 243 Am), bestrålades. Efter att ha fångat en neutron passerade denna isotop in i americium-244; americium-244 passerade i ett av 10 tusen fall till plutonium-244.
Ett plutonium-244-preparat isolerades från en blandning av americium och curium. Provet vägde bara några miljondelar av ett gram. Men de räckte för att bestämma halveringstiden för denna mest intressanta isotop. Det visade sig vara lika med 75 miljoner år. Senare specificerade andra forskare halveringstiden för plutonium-244, men inte mycket - 82,8 miljoner år. År 1971 hittades spår av denna isotop i det sällsynta jordartsmetallmineralet bastnäsit.
Forskare har gjort många försök att hitta en isotop av ett transuranelement som lever längre än 244 Pu. Men alla försök var förgäves. En gång sattes förhoppningar på curium-247, men efter att denna isotop ackumulerats i en reaktor visade det sig att dess halveringstid bara var 14 miljoner år. Det var inte möjligt att slå rekordet för plutonium-244 - det är den längsta livslängden av alla isotoper av transuranelement.
Även tyngre isotoper av plutonium är föremål för beta-sönderfall, och deras livslängder sträcker sig från några dagar till några tiondelar av en sekund. Vi vet med säkerhet att alla isotoper av plutonium, upp till 257 Pu, bildas vid termonukleära explosioner. Men deras livstid är tiondelar av en sekund, och många kortlivade isotoper av plutonium har ännu inte studerats.
Den första isotopens möjligheter
Och slutligen - om plutonium-238 - den allra första av de "konstgjorda" isotoperna av plutonium, en isotop som till en början verkade föga lovande. Det är faktiskt en väldigt intressant isotop. Den är föremål för alfasönderfall, d.v.s. dess kärnor avger spontant alfapartiklar - heliumkärnor. Alfa-partiklar som genereras av kärnorna i plutonium-238 bär mycket energi; omvandlas denna energi till värme. Hur stor är denna energi? Sex miljoner elektronvolt frigörs när en atomkärna av plutonium-238 sönderfaller. Vid en kemisk reaktion frigörs samma energi när flera miljoner atomer oxideras. En elkälla som innehåller ett kilogram plutonium-238 utvecklar en termisk effekt på 560 watt. Den maximala effekten för en kemisk strömkälla med samma massa är 5 watt.
Det finns många sändare med liknande energiegenskaper, men en egenskap hos plutonium-238 gör denna isotop oumbärlig. Vanligtvis åtföljs alfasönderfall av stark gammastrålning som tränger igenom stora tjocklekar av materia. 238 Pu är ett undantag. Energin hos gammakvanta som åtföljer sönderfallet av dess kärnor är låg, och det är inte svårt att försvara sig mot det: strålningen absorberas av en tunnväggig behållare. Sannolikheten för spontan kärnklyvning av denna isotop är också liten. Därför har det funnit tillämpning inte bara i nuvarande källor, utan också inom medicin. Batterier med plutonium-238 fungerar som energikälla i speciella hjärtstimulatorer.
Men 238 Pu är inte den lättaste av de kända isotoper av grundämne nr 94, man har erhållit plutoniumisotoper med masstal från 232 till 237. Halveringstiden för den lättaste isotopen är 36 minuter.
Plutonium är ett stort ämne. Här är det viktigaste av det viktigaste. När allt kommer omkring har det redan blivit en standardfras att plutoniums kemi har studerats mycket bättre än kemin hos sådana "gamla" grundämnen som järn. Hela böcker har skrivits om plutoniums nukleära egenskaper. Plutoniummetallurgi är en annan fantastisk del av mänsklig kunskap... Därför ska du inte tro att du efter att ha läst den här historien verkligen lärt känna plutonium, 1900-talets viktigaste metall.
