Silah sınıfı plütonyum 239Pu izotopunun en az %93,5'ini içeren kompakt metal formundaki plütonyumdur. Nükleer silahların yaratılması amaçlanıyor.
1. İsim ve özellikler
Reaktör düzeyindekilerden ayırmak için buna “silah düzeyinde” diyorlar. Plütonyum, esas olarak 238U izotopu içeren doğal veya düşük oranda zenginleştirilmiş uranyumla çalışan herhangi bir nükleer reaktörde fazla nötron yakaladığında oluşur. Ancak reaktör çalıştıkça, plütonyumun silah sınıfı izotopu hızla yanar ve sonuç olarak, yanma derinliğinden bu yana, birkaç nötronun art arda yakalanmasıyla oluşan çok sayıda 240Pu, 241Pu ve 242Pu izotopu reaktörde birikir. genellikle ekonomik faktörler tarafından belirlenir. Yanma derinliği ne kadar düşük olursa, 240Pu, 241Pu ve 242Pu izotopları o kadar az ışınlanmış nükleer yakıttan ayrılan plütonyum içerecektir, ancak yakıtta o kadar az plütonyum oluşur.
Neredeyse yalnızca 239Pu içeren silahlar için özel plütonyum üretimi gereklidir çünkü kütle numaraları 240 ve 242 olan izotoplar yüksek bir nötron arka planı oluşturur, bu da etkili nükleer silahlar tasarlamayı zorlaştırır; ayrıca 240Pu ve 241Pu'nun yarı ömrü önemli ölçüde daha kısadır. 239Pu, plütonyum parçalarının ısınmasından dolayı nükleer silahın tasarımına ek olarak ısı giderme elemanlarının da dahil edilmesi gerekmektedir. Saf 239Pu bile insan vücudundan daha sıcaktır. Ek olarak, ağır izotopların bozunma ürünleri metalin kristal kafesini bozar, bu da plütonyum parçalarının şeklinde bir değişikliğe yol açabilir ve bu da nükleer patlayıcı cihazın arızalanmasına yol açabilir.
Prensip olarak, tüm bu zorlukların üstesinden gelinebilir ve “reaktör” plütonyumdan yapılan nükleer patlayıcı cihazlar başarıyla test edilmiştir, ancak kompaktlığın, hafifliğin, güvenilirliğin ve dayanıklılığın önemli bir rol oynadığı mühimmatta, yalnızca özel olarak üretilmiş silah kalitesinde üretilmiştir. plütonyum kullanılıyor. Metalik 240Pu ve 242Pu'nun kritik kütlesi çok büyüktür; 241Pu, 239Pu'nunkinden biraz daha büyüktür.
2.Üretim
SSCB'de silah kalitesinde plütonyum üretimi ilk olarak Ozersk'teki Mayak fabrikasında (eski adıyla Chelyabinsk-40, Chelyabinsk-65), ardından Seversk'teki Sibirya Kimya Fabrikasında (eski adıyla Tomsk-7) ve daha sonra da gerçekleştirildi. Krasnoyarsk Madencilik Tesisi, Zheleznogorsk'taki (Sotsgorod ve Krasnoyarsk-26 olarak da bilinir) kimya tesisi işletmeye alındı. Rusya'da silah yapımına uygun plütonyum üretimi 1994 yılında durduruldu. 1999'da Ozyorsk ve Seversk'teki reaktörler kapatıldı ve 2010'da Zheleznogorsk'taki son reaktör kapatıldı.
Amerika Birleşik Devletleri'nde silah kalitesinde plütonyum, Washington eyaletindeki Hanford kompleksi gibi çeşitli yerlerde üretildi. Üretim 1988'de kapatıldı.
3.Yeni elementlerin sentezi
Bazı atomların diğerlerine dönüşümü, atomik veya atom altı parçacıkların etkileşimi yoluyla gerçekleşir. Bunlardan yalnızca nötronlar büyük miktarlarda mevcuttur. Gigawatt'lık bir nükleer reaktör, bir yıl boyunca yaklaşık 3,75 kg (veya 4 x 1030) nötron üretir.
4.Plütonyum üretimi
Plütonyum atomları, bir nötronun bir uranyum-238 atomu tarafından yakalanmasıyla başlayan bir atomik reaksiyonlar zincirinin sonucu olarak oluşur:
U238 + n -> U239 -> Np239 -> Pu239
veya daha doğrusu:
0n1 + 92U238 -> 92U239 -> -1e0 + 93Np239 -> -1e0 + 94Pu239
Devam eden ışınlamayla, plütonyum-239'un bazı atomları bir nötronu yakalayabilir ve daha ağır izotop plütonyum-240'a dönüşebilir:
Pu239 + n -> Pu240
Yeterli miktarlarda plütonyum elde etmek için güçlü nötron akışlarına ihtiyaç vardır. Bunlar tam olarak nükleer reaktörlerde yaratılan şeylerdir. Prensip olarak herhangi bir reaktör bir nötron kaynağıdır, ancak plütonyumun endüstriyel üretimi için bu amaç için özel olarak tasarlanmış bir reaktörün kullanılması doğaldır.
Dünyanın ilk ticari plütonyum üretim reaktörü Hanford'daki B reaktörüydü. 26 Eylül 1944'te çalıştı, güç - 250 MW, verimlilik - ayda 6 kg plütonyum. Yaklaşık 200 ton uranyum metali, 1200 ton grafit içeriyordu ve dakikada 5 metreküp hızla suyla soğutuluyordu.
Hanford reaktörünün uranyum kasetleriyle yükleme paneli:
Çalışmasının şeması. Uranyum-238'in ışınlanmasına yönelik bir reaktörde, nötronlar, uranyum-235 çekirdeklerinin fisyonunun sabit zincirleme reaksiyonunun bir sonucu olarak yaratılır. U-235'in fisyon başına ortalama 2,5 nötron üretilir. Reaksiyonu sürdürmek ve aynı anda plütonyum üretmek için, ortalama olarak bir veya iki nötronun U-238 tarafından emilmesi gerekir ve bunlardan biri, sonraki U-235 atomunun bölünmesine neden olur.
Uranyumun parçalanması sırasında oluşan nötronlar çok yüksek hızlara sahiptir. Uranyum atomları, hızlı nötronların hem U-238 hem de U-235'in çekirdekleri tarafından yakalanması muhtemel olmayacak şekilde düzenlenmiştir. Bu nedenle, çevredeki atomlarla birkaç çarpışma yaşayan hızlı nötronlar yavaş yavaş yavaşlar. Bu durumda, U-238 çekirdeği bu tür nötronları (ara hızlar) o kadar güçlü bir şekilde emer ki, U-235'i parçalayacak ve zincirleme reaksiyonu sürdürecek hiçbir şey kalmaz (U-235, yavaş, termal nötronlardan ayrılır).
Bu, uranyum bloklarını çevreleyen hafif bir madde olan bir moderatör tarafından dengelenir. İçinde nötronlar absorpsiyon olmadan yavaşlar, her birinde enerjinin küçük bir kısmının kaybolduğu elastik çarpışmalar yaşanır. İyi moderatörler su ve karbondur. Böylece nötronlar, U-235'in fisyonuna neden olana kadar reaktör boyunca termal hızlara yavaşlarlar (U-238 onları çok zayıf bir şekilde emer). Moderatörün ve uranyum çubuklarının belirli bir konfigürasyonu ile, nötronların hem U-238 hem de U-235 tarafından emilmesi için koşullar yaratılacaktır.
Ortaya çıkan plütonyumun izotopik bileşimi, uranyum çubuklarının reaktörde bulunduğu sürenin uzunluğuna bağlıdır. Bir kasetin uranyumla uzun süre ışınlanmasının bir sonucu olarak önemli bir Pu-240 birikimi meydana gelir. Reaktörde kısa bir uranyum kalma süresi ile, önemsiz bir Pu-240 içeriği ile Pu-239 elde edilir.
Pu-240 aşağıdaki nedenlerden dolayı silah üretimine zararlıdır:
1. Pu-239'a göre daha az bölünebilir olduğundan silah yapmak için biraz daha fazla plütonyum gerekir.
2. İkincisi, çok daha önemli bir neden. Pu-240'taki kendiliğinden fisyon seviyesi çok daha yüksektir ve bu da güçlü bir nötron arka planı oluşturur.
Atom silahı geliştirmenin ilk yıllarında, nötron emisyonu (yüksek nötron arka planı), erken patlama nedeniyle güvenilir ve etkili bir şarj elde etmede bir sorundu. Güçlü nötron akışları, birkaç kilogram plütonyum içeren bir bomba çekirdeğini süperkritik bir duruma sıkıştırmayı zorlaştırdı veya imkansız hale getirdi - bundan önce en güçlüsü tarafından yok edildi, ancak yine de mümkün olan maksimum enerji çıkışı değildi. Oldukça zenginleştirilmiş U-235 ve plütonyum (1940'ların sonlarında) içeren karışık çekirdeklerin ortaya çıkışı, çoğunlukla uranyum çekirdeklerinde nispeten küçük miktarlarda plütonyumun kullanılması mümkün hale geldiğinde bu zorluğun üstesinden geldi. Yeni nesil yükler, füzyonla güçlendirilmiş cihazlar (1950'lerin ortalarında), bu zorluğu tamamen ortadan kaldırdı ve düşük güçlü ilk fisyon yükleriyle bile yüksek enerji salınımını garanti etti.
Özel reaktörlerde üretilen plütonyum nispeten küçük bir yüzdede Pu-240 içerir (<7%), плутоний "оружейного качества"; в реакторах АЭС отработанное ядерное топливо имеет концентрацию Pu-240 более 20%, плутоний "реакторного качества".
Özel amaçlı reaktörlerde, uranyum nispeten kısa bir süre için mevcuttur; bu süre zarfında U-235'in tamamı yanmaz ve U-238'in tamamı plütonyuma dönüşmez, ancak daha az miktarda Pu-240 oluşur.
Düşük Pu-240 içeriğine sahip plütonyum üretilmesinin iki nedeni vardır:
Ekonomik: Plütonyum özel reaktörlerinin varlığının tek nedeni. Plütonyumun fisyon yoluyla çürütülmesi veya daha az bölünebilir Pu-240'a dönüştürülmesi, getirileri azaltır ve üretim maliyetlerini artırır (fiyatının, düşük plütonyum konsantrasyonlarına sahip ışınlanmış yakıtın işlenmesi maliyetiyle dengelendiği noktaya kadar).
Başa Çıkma Zorluğu: Nötron emisyonu silah tasarımcıları için büyük bir endişe kaynağı olmasa da, böyle bir şarj için üretim ve kullanım zorlukları yaratabilir. Nötronlar, silahların montajını yapan veya bakımını yapan kişilerin mesleki maruziyetine ek bir katkı sağlar (nötronların kendileri iyonlaşmaz, ancak iyonlaşabilen protonlar oluştururlar). Aslında Davy Crocket gibi insanlarla doğrudan teması içeren suçlamalar, bu nedenle ultra saf, düşük nötron yayan plütonyum gerektirebilir.
Plütonyumun gerçek dökümü ve işlenmesi, operatör eldivenleri ile kapalı odalarda elle yapılır. Bunlar gibi:
Bu, insanların nötron yayan plütonyumdan çok az korunduğu anlamına geliyor. Bu nedenle, yüksek Pu-240 içeriğine sahip plütonyum yalnızca manipülatörler tarafından işlenir veya her işçinin onunla çalışma süresi kesinlikle sınırlıdır.
Tüm bu nedenlerden dolayı (radyoaktivite, Pu-240'ın daha kötü özellikleri), reaktör kalitesinde plütonyumun neden silah üretiminde kullanılmadığı açıklanıyor - özel olarak silah kalitesinde plütonyum üretmek daha ucuz. reaktörler. Görünüşe göre, bir reaktörden nükleer patlayıcı cihaz yapmak da mümkün.
Plütonyum halkası
Bu halka, elektrolitik olarak saflaştırılmış plütonyum metalinden (%99,96'nın üzerinde saf) yapılmıştır. Los Alamos'ta hazırlanan ve üretim yakın zamanda askıya alınana kadar silah yapımı için Rocky Flats'e gönderilen halkaların tipik bir örneği. Halkanın kütlesi 5,3 kg olup, modern bir stratejik yük üretimi için yeterlidir, çapı yaklaşık 11 cm'dir Halka şekli kritik güvenliği sağlamak için önemlidir.
Bir silah çekirdeğinden elde edilen plütonyum-galyum alaşımının dökümü:
Manhattan Projesi sırasında plütonyum
Tarihsel olarak, Ted Magel ve Nick Dallas tarafından 23 Mart 1944'te Los Alamos'ta üretilen ilk 520 miligram plütonyum metali:
Yarım küre şeklindeki plütonyum-galyum alaşımının sıcak preslenmesi için pres. Bu pres Los Alamos'ta Nagazaki ve Trinity Operasyonunda patlatılan patlayıcılar için plütonyum çekirdekleri yapmak amacıyla kullanıldı.
Üzerine dökülen ürünler:
Plütonyumun ek yan ürün izotopları
Fisyonun eşlik etmediği nötron yakalama, plütonyumun yeni izotoplarını oluşturur: Pu-240, Pu-241 ve Pu-242. Son ikisi küçük miktarlarda birikir.
Pu239 + n -> Pu240
Pu240 + n -> Pu241
Pu241 + n -> Pu242
Bir yan reaksiyon zinciri de mümkündür:
U238 + n -> U237 + 2n
U237 -> (6,75 gün, beta bozunması) -> Np237
Np237 + n -> Np238
Np238 -> (2,1 gün, beta bozunması) -> Pu238
Bir yakıt hücresinin ışınlamasının (atığı) genel ölçüsü megawatt gün/ton (MW-gün/t) cinsinden ifade edilebilir. Silah sınıfı plütonyum kalite, MW-gün/t miktarı az olan elementlerden elde edilir, daha az yan ürün izotop üretir. Modern basınçlı su reaktörlerindeki yakıt hücreleri 33.000 MW-gün/t seviyelerine ulaşmaktadır. Silah üreten bir reaktördeki (nükleer yakıtın genişletilmiş üretimiyle) tipik maruziyet 1000 MW-gün/t'dir. Hanford grafit moderatörlü reaktörlerdeki plütonyum 600 MW-gün/t'ye kadar ışınlanır; Savannah'daki ağır su reaktörü 1000 MW-gün/t'de aynı kalitede plütonyum üretir (muhtemelen bazı nötronların trityum oluşumuna harcandı) . Manhattan Projesi sırasında, doğal uranyum yakıtı yalnızca 100 MW-gün/ton aldı ve böylece çok yüksek kalitede plütonyum-239 (yalnızca %0,9-1 Pu-240, diğer izotoplar daha da küçük miktarlarda) üretildi.
İlgili bilgi.
Plütonyum 1940 sonlarında Kaliforniya Üniversitesi'nde keşfedildi. McMillan, Kennedy ve Wahl tarafından uranyum oksidin (U 3 O 8) bir siklotronda yüksek oranda hızlandırılmış döteryum çekirdekleri (döteronlar) ile bombardıman edilmesiyle sentezlendi. Daha sonra, bu nükleer reaksiyonun ilk önce kısa ömürlü izotop neptunyum-238'i ve ondan da yaklaşık 50 yıllık yarı ömre sahip plütonyum-238'i ürettiği bulundu. Bir yıl sonra Kennedy, Seaborg, Segre ve Wahl, uranyumu bir siklotronda yüksek derecede hızlandırılmış nötronlarla ışınlayarak daha önemli bir izotop olan plütonyum-239'u sentezlediler. Plütonyum-239, neptunyum-239'un bozunmasından oluşur; alfa ışınları yayar ve yarılanma ömrü 24.000 yıldır. Saf plütonyum bileşiği ilk kez 1942'de elde edildi. Daha sonra uranyum cevherlerinde, özellikle Kongo'da biriken cevherlerde doğal plütonyumun bulunduğu öğrenildi.
Elementin adı 1948'de önerildi: McMillan, Neptün gezegeninin Uranüs'ün ötesindeki ilk gezegen olması nedeniyle ilk transuranik elemente neptunyum adını verdi. Benzer şekilde, Plüton gezegeni Uranüs'ten sonra ikinci sırada olduğundan, 94 numaralı elemente plütonyum adını vermeye karar verdiler. 1930 yılında keşfedilen Plüton, adını Yunan mitolojisinde yer altı dünyasının hükümdarı olan tanrı Plüton'un adından almıştır. 19. yüzyılın başında. Clark, bu ismi doğrudan tanrı Plüton'un adından alarak baryum plütonyum elementini çağırmayı önerdi, ancak teklifi kabul edilmedi.
Bu metale değerli denir, ancak güzelliği nedeniyle değil, yeri doldurulamazlığı nedeniyle. Mendeleev'in periyodik tablosunda bu element 94 numaralı hücrede yer alıyor. Bilim adamları en büyük umutlarını buna bağlıyorlar ve insanlık için en tehlikeli metal olarak adlandırdıkları plütonyumdur.
Plütonyum: açıklama
Görünüşte gümüşi beyaz bir metaldir. Radyoaktiftir ve farklı yarı ömürlere sahip 15 izotop şeklinde temsil edilebilir, örneğin:
- Pu-238 - yaklaşık 90 yıl
- Pu-239 – yaklaşık 24 bin yıl
- Pu-240 – 6580 yıl
- Pu-241 – 14 yıl
- Pu-242 – 370 bin yıl
- Pu-244 - yaklaşık 80 milyon yıl
Bu metal, uranyumun radyoaktif dönüşümünün bir ürünü olduğundan cevherden çıkarılamaz.
Plütonyum nasıl elde edilir?
Plütonyum üretimi, yalnızca nükleer reaktörlerde yapılabilen uranyumun fisyonunu gerektirir. Yer kabuğunda Pu elementinin varlığından bahsedersek, 4 milyon ton uranyum cevheri için yalnızca 1 gram saf plütonyum olacaktır. Ve bu gram, nötronların uranyum çekirdeği tarafından doğal olarak yakalanmasıyla oluşuyor. Bu nedenle, bu nükleer yakıtı (genellikle izotop 239-Pu) birkaç kilogram miktarda elde etmek için, bir nükleer reaktörde karmaşık bir teknolojik işlemin gerçekleştirilmesi gerekmektedir.
Plütonyumun özellikleri
Radyoaktif metal plütonyum aşağıdaki fiziksel özelliklere sahiptir:
- yoğunluk 19,8 g/cm3
- erime noktası – 641°C
- kaynama noktası – 3232°C
- termal iletkenlik (300 K'de) – 6,74 W/(m·K)
Plütonyum radyoaktiftir, bu nedenle dokunulduğunda sıcaktır. Ayrıca bu metal en düşük termal ve elektriksel iletkenliğe sahiptir. Sıvı plütonyum mevcut tüm metaller arasında en viskoz olanıdır.
Plütonyumun sıcaklığındaki en ufak bir değişiklik, maddenin yoğunluğunun anında değişmesine neden olur. Genel olarak, bu metalin çekirdekleri daha küçük çekirdeklere ve nötronlara sürekli bölünme durumunda olduğundan plütonyumun kütlesi sürekli değişmektedir. Plütonyumun kritik kütlesi, bölünebilen bir maddenin, fisyonun (nükleer zincirleme reaksiyon) mümkün olduğu minimum kütlesine verilen addır. Örneğin, silah kalitesinde plütonyumun kritik kütlesi 11 kg'dır (karşılaştırma için, yüksek oranda zenginleştirilmiş uranyumun kritik kütlesi 52 kg'dır).
Uranyum ve plütonyum ana nükleer yakıtlardır. Büyük miktarlarda plütonyum elde etmek için iki teknoloji kullanılır:
- uranyum ışınlaması
- kullanılmış yakıttan elde edilen uranyum ötesi elementlerin ışınlanması
Her iki yöntem de kimyasal reaksiyon sonucunda plütonyum ve uranyumun ayrılmasını içerir.
Saf plütonyum-238'i elde etmek için neptunyum-237'nin nötron ışınlaması kullanılır. Aynı izotop, silah kalitesinde plütonyum-239'un oluşturulmasında da rol oynuyor; özellikle bir ara bozunma ürünüdür. 1 kg plütonyum-238'in fiyatı 1 milyon dolar.
İnsanlık her zaman birçok sorunu çözebilecek yeni enerji kaynakları arayışı içinde olmuştur. Ancak her zaman güvenli değildirler. Yani özellikle günümüzde yaygın olarak kullanılanlar, herkesin ihtiyaç duyduğu devasa miktardaki elektrik enerjisini üretme kapasitesine sahip olmalarına rağmen hâlâ ölümcül tehlike taşıyorlar. Ancak barışçıl amaçların yanı sıra, gezegenimizdeki bazı ülkeler bunu askeri amaçlarla, özellikle nükleer savaş başlıkları oluşturmak için kullanmayı öğrendi. Bu makalede, adı silah sınıfı plütonyum olan bu tür yıkıcı silahların temeli tartışılacaktır.
Kısa bilgi
Metalin bu kompakt formu, 239Pu izotopunun minimum %93,5'ini içerir. Silah sınıfı plütonyum, "reaktör muadilinden" ayırt edilebilecek şekilde adlandırıldı. Prensip olarak, plütonyum her zaman kesinlikle herhangi bir nükleer reaktörde oluşur ve bu reaktör, çoğunlukla 238U izotopu içeren düşük zenginleştirilmiş veya doğal uranyum üzerinde çalışır.
Askeri endüstride uygulama
Silah sınıfı plütonyum 239Pu nükleer silahların temelidir. Aynı zamanda, kütle numaraları 240 ve 242 olan izotopların kullanımı da konuyla ilgili değildir, çünkü bunlar çok yüksek bir nötron arka planı oluşturur ve bu da sonuçta yüksek etkili nükleer mühimmatın oluşturulmasını ve tasarımını zorlaştırır. Ek olarak, plütonyum izotopları 240Pu ve 241Pu, 239Pu'ya kıyasla önemli ölçüde daha kısa bir yarı ömre sahiptir, bu nedenle plütonyum parçaları çok ısınır. Bu bakımdan mühendisler, nükleer silahlardaki aşırı ısıyı gidermek için ek unsurlar eklemek zorunda kalıyorlar. Bu arada 239Pu saf haliyle insan vücudundan daha sıcaktır. Ağır izotopların bozunma sürecinin ürünlerinin, metalin kristal kafesini zararlı değişikliklere maruz bıraktığı ve bunun, sonunda plütonyum parçalarının konfigürasyonunu oldukça doğal olarak değiştirdiği gerçeğini hesaba katmamak da imkansızdır. nükleer patlayıcı cihazın tamamen arızalanmasına neden olur.
Genel olarak yukarıdaki zorlukların hepsinin üstesinden gelinebilir. Ve pratikte, "reaktör" plütonyum temelinde testler zaten birden fazla kez yapılmıştır. Ancak nükleer silahlarda kompaktlığın, düşük ölü ağırlığın, dayanıklılığın ve güvenilirliğin hiçbir şekilde en az önemli olmadığı anlaşılmalıdır. Bu bağlamda, yalnızca silah kalitesinde plütonyum kullanıyorlar.
Üretim reaktörlerinin tasarım özellikleri
Rusya'daki plütonyumun neredeyse tamamı, grafit moderatörle donatılmış reaktörlerde üretildi. Reaktörlerin her biri silindirik olarak birleştirilmiş grafit blokların etrafına inşa edilmiştir.
Grafit bloklar monte edildiğinde nitrojen kullanan soğutucunun sürekli sirkülasyonunu sağlamak için aralarında özel yuvalar bulunur. Montajlı yapı ayrıca su soğutmasının ve yakıtın içlerinden geçmesi için oluşturulmuş dikey olarak yerleştirilmiş kanallara sahiptir. Düzeneğin kendisi, halihazırda ışınlanmış yakıtı boşaltmak için kullanılan kanalların altındaki açıklıklara sahip bir yapı tarafından sağlam bir şekilde desteklenmektedir. Üstelik kanalların her biri, hafif ve son derece güçlü bir alüminyum alaşımdan yapılmış ince duvarlı bir borunun içine yerleştirilmiştir. Açıklanan kanalların çoğunda 70 yakıt çubuğu bulunur. Soğutma suyu doğrudan yakıt çubuklarının etrafından akar ve aşırı ısıyı onlardan uzaklaştırır.
Üretim reaktörlerinin gücünün arttırılması
Başlangıçta ilk Mayak reaktörü 100 MW'lık bir termal güçle çalışıyordu. Ancak Sovyet nükleer silah programının ana lideri, reaktörün kışın 170-190 MW, yazın ise 140-150 MW güçte çalışması önerisinde bulundu. Bu yaklaşım, reaktörün günde neredeyse 140 gram değerli plütonyum üretmesine olanak sağladı.
1952 yılında, aşağıdaki yöntemler kullanılarak çalışan reaktörlerin üretim kapasitesinin arttırılması amacıyla tam teşekküllü araştırma çalışmaları yürütülmüştür:
- Soğutma için kullanılan suyun akışını artırarak ve nükleer santralin çekirdeklerinden akarak.
- Kanal astarının yakınında meydana gelen korozyon olayına karşı direnci artırarak.
- Grafit oksidasyon oranının azaltılması.
- Yakıt hücrelerinin içindeki sıcaklığın artması.
Sonuç olarak, yakıt ile kanal duvarları arasındaki boşluk arttırıldıktan sonra dolaşan suyun verimi önemli ölçüde arttı. Korozyondan da kurtulmayı başardık. Bunun için en uygun alüminyum alaşımları seçildi ve aktif olarak sodyum bikromat eklenmeye başlandı, bu da sonuçta soğutma suyunun yumuşaklığını arttırdı (pH yaklaşık 6.0-6.2 oldu). Grafitin oksidasyonu, soğutmak için nitrojen kullanıldıktan sonra acil bir sorun olmaktan çıktı (önceden sadece hava kullanılıyordu).
1950'lerin sonlarında, radyasyonun neden olduğu son derece gereksiz uranyum şişmesini azaltan, uranyum çubuklarının ısıyla sertleşmesini önemli ölçüde azaltan, kaplama direncini artıran ve üretim kalite kontrolünü artıran yenilikler tamamen pratikte hayata geçirildi.
Mayak'ta üretim
"Chelyabinsk-65", silah kalitesinde plütonyumun yaratıldığı çok gizli tesislerden biridir. İşletmenin birkaç reaktörü vardı ve her birine daha yakından bakacağız.
Reaktör A
Kurulum efsanevi N. A. Dollezhal'in önderliğinde tasarlandı ve yaratıldı. 100 MW güçle çalışıyordu. Reaktör, bir grafit blokta dikey olarak düzenlenmiş 1149 kontrol ve yakıt kanalına sahipti. Yapının toplam ağırlığı yaklaşık 1050 tondu. Neredeyse tüm kanallar (25 hariç) toplam kütlesi 120-130 ton olan uranyumla yüklendi. Kontrol çubukları için 17 kanal ve deneyler için 8 kanal kullanıldı. Yakıt hücresinin maksimum tasarım ısı salınımı 3,45 kW idi. İlk başta reaktör günde yaklaşık 100 gram plütonyum üretiyordu. İlk metalik plütonyum 16 Nisan 1949'da üretildi.
Teknolojik dezavantajlar
Neredeyse anında, alüminyum astarların korozyonu ve yakıt hücrelerinin kaplanmasından oluşan oldukça ciddi sorunlar tespit edildi. Uranyum çubukları da şişerek hasar gördü ve soğutma suyunun doğrudan reaktör çekirdeğine sızmasına neden oldu. Her sızıntıdan sonra, grafitin havayla kurutulması için reaktörün 10 saate kadar durdurulması gerekiyordu. Ocak 1949'da kanal gömlekleri değiştirildi. Bunun ardından 26 Mart 1949'da kuruluma başlandı.
A reaktöründe üretimi her türlü zorluğun yaşandığı silah sınıfı plütonyum, 1950-1954 döneminde ortalama 180 MW birim güçte üretildi. Reaktörün daha sonraki işletimine daha yoğun bir kullanım eşlik etmeye başladı ve bu da doğal olarak daha sık kapanmalara (ayda 165 defaya kadar) yol açtı. Sonuç olarak, reaktör Ekim 1963'te kapatıldı ve ancak 1964 baharında yeniden faaliyete geçti. 1987 yılında seferini tamamen tamamladı ve uzun yıllar süren operasyonun tamamı boyunca 4,6 ton plütonyum üretti.
AB reaktörleri
1948 sonbaharında Chelyabinsk-65 işletmesinde üç AB reaktörü inşa edilmesine karar verildi. Üretim kapasiteleri günde 200-250 gram plütonyumdu. Projenin baş tasarımcısı A. Savin'di. Her reaktör 65'i kontrol kanalı olmak üzere 1996 kanaldan oluşuyordu. Kurulumlarda teknik bir yenilik kullanıldı; her kanal özel bir soğutucu sızıntı dedektörüyle donatıldı. Bu hareket, reaktörün çalışmasını durdurmadan gömleklerin değiştirilmesini mümkün kıldı.
Reaktörlerin ilk faaliyet yılında günde yaklaşık 260 gram plütonyum ürettikleri görüldü. Ancak, operasyonun ikinci yılından itibaren kapasite kademeli olarak artırıldı ve 1963'te rakamı 600 MW'a ulaştı. İkinci revizyondan sonra, gömleklerle ilgili sorun tamamen çözüldü ve yıllık 270 kilogram plütonyum üretimi ile güç zaten 1200 MW'a ulaştı. Bu göstergeler reaktörler tamamen kapatılıncaya kadar kaldı.
AI-IR reaktörü
Chelyabinsk işletmesi bu kurulumu 22 Aralık 1951'den 25 Mayıs 1987'ye kadar kullandı. Reaktörde uranyumun yanı sıra kobalt-60 ve polonyum-210 da üretildi. Başlangıçta trityum üreten tesis daha sonra plütonyum üretmeye başladı.
Ayrıca, silah sınıfı plütonyum işleme tesisinin, ağır su ile çalışan reaktörleri ve tek bir hafif su reaktörü (adı “Ruslan” idi) faaliyetteydi.
Sibirya devi
"Tomsk-7", plütonyum üretimi için beş reaktör barındıran tesisin adıydı. Ünitelerin her biri, nötronları yavaşlatmak için grafit ve uygun soğutmayı sağlamak için sıradan su kullandı.
I-1 reaktörü içinden bir kez suyun geçtiği bir soğutma sistemiyle çalışıyordu. Ancak geri kalan dört kurulum, ısı eşanjörleriyle donatılmış kapalı ana devrelerle donatılmıştı. Bu tasarım ek olarak buhar üretilmesini mümkün kıldı ve bu da elektrik üretimine ve çeşitli yaşam alanlarının ısıtılmasına yardımcı oldu.
Tomsk-7'de ayrıca EI-2 adında bir reaktör vardı ve bu reaktörün ikili bir amacı vardı: plütonyum üretti ve üretilen buhar nedeniyle 100 MW elektrik ve 200 MW termal enerji üretti.
Önemli bilgi
Bilim adamlarına göre silah yapımında kullanılan plütonyumun yarı ömrü yaklaşık 24.360 yıl. Çok büyük bir rakam! Bu bağlamda şu soru özellikle akut hale geliyor: "Bu elementin üretiminden kaynaklanan atıklarla nasıl düzgün bir şekilde başa çıkılır?" En iyi seçeneğin, silah kalitesinde plütonyumun daha sonra işlenmesi için özel işletmelerin inşası olduğu düşünülmektedir. Bu, bu durumda unsurun artık askeri amaçlarla kullanılamayacağı ve insan kontrolü altında olacağı gerçeğiyle açıklanıyor. Rusya'da silah sınıfı plütonyum tam olarak bu şekilde imha ediliyor, ancak Amerika Birleşik Devletleri farklı bir yol izleyerek uluslararası yükümlülüklerini ihlal ediyor.
Böylece Amerikan hükümeti, yüksek oranda zenginleştirilmiş malzemenin endüstriyel yöntemlerle değil, plütonyumu seyrelterek ve 500 metre derinlikte özel kaplarda saklayarak imha edilmesini öneriyor. Bu durumda malzemenin istenildiği zaman kolaylıkla yerden kaldırılabileceğini ve askeri amaçlarla tekrar kullanılabileceğini söylemeye gerek yok. Rusya Devlet Başkanı Vladimir Putin'e göre ülkeler başlangıçta plütonyumun bu yöntemle değil, endüstriyel tesislerde bertaraf edilmesi konusunda anlaştılar.
Silah sınıfı plütonyumun maliyeti özel ilgiyi hak ediyor. Uzmanlara göre, bu elementin onlarca tonu birkaç milyar ABD dolarına mal olabilir. Hatta bazı uzmanlar, 500 ton silah yapımında kullanılan plütonyumun değerinin 8 trilyon dolar kadar olduğunu tahmin ediyor. Miktar gerçekten etkileyici. Bunun ne kadar para olduğunu daha açık ifade etmek gerekirse, diyelim ki 20. yüzyılın son on yılında Rusya'nın yıllık ortalama GSYİH'si 400 milyar dolardı. Yani aslında silah sınıfı plütonyumun gerçek fiyatı Rusya Federasyonu'nun yirmi yıllık GSYİH'sına eşitti.
O gerçekten değerlidir.
Arka plan ve tarih
Başlangıçta protonlar vardı; galaktik hidrojen. Sıkıştırılması ve ardından gelen nükleer reaksiyonların bir sonucu olarak, en inanılmaz nükleon "külçeleri" oluştu. Bu "külçeler" arasında görünüşe göre 94 proton içerenler de vardı. Teorisyenlerin tahminleri, 94 proton ve 107 ila 206 nötron içeren yaklaşık 100 nükleon oluşumunun o kadar kararlı olduğunu ve bunların 94 numaralı elementin izotoplarının çekirdekleri olarak kabul edilebileceğini öne sürüyor.
Ancak tüm bu izotoplar - varsayımsal ve gerçek - güneş sistemindeki elementlerin oluşumundan bu yana günümüze kadar hayatta kalacak kadar kararlı değiller. 94 numaralı elementin en uzun ömürlü izotopunun yarı ömrü 75 milyon yıldır. Galaksinin yaşı milyarlarca yılla ölçülür. Sonuç olarak, “ilkel” plütonyumun bugüne kadar hayatta kalma şansı yoktu. Eğer Evrenin elementlerinin büyük sentezi sırasında oluşmuşsa, o zaman onun eski atomları da tıpkı dinozorların ve mamutların neslinin tükenmesi gibi uzun zaman önce "soyu tükenmiştir".
20. yüzyılda yeni çağ, AD, bu unsur yeniden yaratıldı. Plütonyumun olası 100 izotopundan 25'i sentezlendi, 15'inin nükleer özellikleri araştırıldı. Dördü pratik uygulama buldu. Ve yakın zamanda açıldı. Aralık 1940'ta, uranyum ağır hidrojen çekirdekleriyle ışınlandığında, Glenn T. Seaborg liderliğindeki bir grup Amerikalı radyokimyacı, yarı ömrü 90 yıl olan, daha önce bilinmeyen bir alfa parçacığı yayıcıyı keşfetti. Bu yayıcının kütle numarası 238 olan 94 numaralı elementin izotopu olduğu ortaya çıktı. Aynı yıl, ancak birkaç ay önce, E.M. McMillan ve F. Abelson, uranyumdan daha ağır olan ilk element olan 93 numaralı elementi elde etti. Bu elemente neptunyum, 94'üncü elemente ise plütonyum adı verildi. Tarihçi mutlaka bu isimlerin Roma mitolojisinden kaynaklandığını söyleyecektir ancak özünde bu isimlerin kökeni mitolojik değil astronomiktir.
92 ve 93 numaralı elementler, güneş sisteminin uzak gezegenleri olan Uranüs ve Neptün'ün adını almıştır, ancak Neptün güneş sistemindeki sonuncu değildir, hatta hakkında neredeyse hiçbir şeyin bilinmediği bir gezegen olan Plüton'un yörüngesi daha da ileridedir. .. Benzer bir yapıyı periyodik tablonun "sol tarafında" da görüyoruz: uranyum - neptunyum - plütonyum, ancak insanlık plütonyum hakkında Plüton'dan çok daha fazlasını biliyor. Bu arada, gökbilimciler Plüton'u plütonyumun sentezinden sadece on yıl önce keşfettiler - gezegen Uranüs ve element olan uranyumun keşifleri arasında neredeyse aynı süre vardı.
Kriptograflar için bilmeceler
94 numaralı elementin ilk izotopu plütonyum-238 bugünlerde pratik uygulama alanı buldu. Ancak 40'lı yılların başında bunu düşünmediler bile. Plütonyum-238'i pratik açıdan ilgi çekici miktarlarda elde etmek ancak güçlü nükleer endüstriye güvenerek mümkündür. O zamanlar henüz emekleme aşamasındaydı. Ancak ağır radyoaktif elementlerin çekirdeklerinde bulunan enerjiyi serbest bırakarak benzeri görülmemiş güce sahip silahlar elde etmenin mümkün olduğu zaten açıktı. Ünlü New York bölgesiyle bir isimden başka hiçbir ortak yanı olmayan Manhattan Projesi ortaya çıktı. Bu, Amerika Birleşik Devletleri'nde ilk atom bombasının oluşturulmasıyla ilgili tüm çalışmaların genel adıydı. Manhattan Projesi'nin başına atanan kişi bir bilim adamı değil, askeri bir adam olan General Groves'du ve yüksek eğitimli suçlamalarını "sevgiyle" "kırık çanaklar" olarak nitelendirdi.
“Projenin” liderleri plütonyum-238 ile ilgilenmiyordu. Çekirdekleri, plütonyumun tüm eşit kütle numaralı izotoplarının çekirdekleri gibi, düşük enerjili nötronlar* tarafından bölünemez, dolayısıyla nükleer patlayıcı görevi göremez. Bununla birlikte, 93 ve 94 numaralı unsurlarla ilgili çok net olmayan ilk raporlar yalnızca 1942 baharında basıldı.
* Enerjisi 10 keV'yi aşmayan düşük enerjili nötronlara nötron diyoruz. Enerjisi bir elektronvoltun kesirleri cinsinden ölçülen nötronlara termal denir ve enerjisi 0,005 eV'den az olan en yavaş nötronlara soğuk denir. Nötron enerjisi 100 keV'den fazlaysa, böyle bir nötronun hızlı olduğu kabul edilir.
Bunu nasıl açıklayabiliriz? Fizikçiler şunu anlamıştı: Kütle sayıları tek olan plütonyum izotoplarının sentezi an meselesiydi ve çok da uzun değildi. Uranyum-235 gibi tuhaf izotopların nükleer zincir reaksiyonunu destekleyebilmesi bekleniyordu. Bazıları bunları henüz ele geçirilmemiş potansiyel nükleer patlayıcılar olarak gördü. Ve plütonyum maalesef bu umutları haklı çıkardı.
O zamanın şifrelemesinde, 94 numaralı elemente bakırdan başka bir şey denmiyordu. Ve bakırın kendisine ihtiyaç duyulduğunda (bazı parçalar için yapısal malzeme olarak), kodlarda "bakır" ile birlikte "hakiki bakır" da ortaya çıktı.
"İyiyi ve Kötüyü Bilme Ağacı"
1941'de plütonyumun en önemli izotopu keşfedildi - kütle numarası 239 olan bir izotop. Ve teorisyenlerin tahmini hemen doğrulandı: plütonyum-239'un çekirdekleri termal nötronlar tarafından bölündü. Üstelik fisyonları sırasında uranyum-235'in fisyonundan daha az sayıda nötron üretilmedi. Bu izotopu büyük miktarlarda elde etmenin yolları hemen özetlendi...
Yıllar geçti. Cephaneliklerde depolanan nükleer bombaların plütonyum-239 ile dolu olduğu ve bu bombaların Dünya'daki tüm yaşama onarılamaz zararlar vermeye yettiği artık hiç kimse için bir sır değil.
İnsanlığın nükleer zincir reaksiyonunun (bunun kaçınılmaz sonucu nükleer bombanın yaratılmasıydı) keşfi konusunda açıkça acele ettiğine dair yaygın bir inanç var. Farklı düşünebilir veya farklı düşünüyormuş gibi davranabilirsiniz; iyimser olmak daha keyiflidir. Ancak iyimserler bile kaçınılmaz olarak bilim adamlarının sorumluluğu sorunuyla karşı karşıya kalıyor. Obninsk'teki ilk nükleer santralin açıldığı 1954 yılının muzaffer Haziran gününü hatırlıyoruz. Ancak Ağustos 1945 sabahını - "Hiroşima sabahını", "Albert Einstein'ın kara gününü" unutamayız... Savaş sonrası ilk yılları ve o yıllarda Amerikan politikasının temeli olan dizginsiz atom şantajını hatırlıyoruz. Peki insanlık daha sonraki yıllarda pek çok sıkıntı yaşamadı mı? Üstelik yeni bir dünya savaşı çıkarsa nükleer silahların kullanılacağının bilinci de bu kaygıları kat kat artırıyordu.
Burada plütonyumun keşfinin insanlığa korku getirmediğini, tam tersine sadece faydalı olduğunu kanıtlamaya çalışabilirsiniz.
Diyelim ki, bir nedenden dolayı ya da eski günlerde dedikleri gibi, Tanrı'nın iradesiyle plütonyumun bilim adamları için erişilemez olduğu ortaya çıktı. O zaman korkularımız ve endişelerimiz azalır mı? Hiçbir şey olmadı. Nükleer bombalar uranyum-235'ten yapılacak (ve miktarı plütonyumdan daha az olmayacak) ve bu bombalar bütçelerin şimdikinden çok daha büyük bir bölümünü "tüketecek".
Ancak plütonyum olmadan nükleer enerjinin geniş ölçekte barışçıl kullanımı mümkün olmazdı. “Barışçıl bir atom” için yeterli uranyum-235 olmazdı. Nükleer enerjinin keşfinin insanlığa getirdiği kötülük, “iyi atom”un başarılarıyla kısmen de olsa dengelenemez.
Nasıl ölçülür, neyle karşılaştırılır?
Bir plütonyum-239 çekirdeği nötronlar tarafından yaklaşık olarak eşit kütleye sahip iki parçaya bölündüğünde yaklaşık 200 MeV enerji açığa çıkar. Bu, en ünlü ekzotermik reaksiyon olan C + O 2 = CO 2'de açığa çıkan enerjinin 50 milyon katıdır. Bir nükleer reaktörde “yanan” bir gram plütonyum 2.10 7 kcal verir. Gelenekleri bozmamak için (ve popüler makalelerde, nükleer yakıtın enerjisi genellikle sistemik olmayan birimlerle ölçülür - tonlarca kömür, benzin, trinitrotoluen vb.), ayrıca şunu da not ediyoruz: bu, 4 tonda bulunan enerjidir. kömür. Ve sıradan bir yüksük, enerji açısından kırk araba dolusu iyi huş ağacı yakacak odununa eşdeğer miktarda plütonyum içerir.
Uranyum-235 çekirdeğinin nötronlar tarafından bölünmesi sırasında da aynı enerji açığa çıkar. Ancak doğal uranyumun büyük bir kısmı (%99,3!), yalnızca uranyumun plütonyuma dönüştürülmesiyle kullanılabilen 238 U izotopudur...
Taşların enerjisi
Doğal uranyum rezervlerinin içerdiği enerji kaynaklarını değerlendirelim.
Uranyum bir eser elementtir ve hemen hemen her yerde bulunur. Örneğin Karelya'yı ziyaret eden herkes muhtemelen granit kayaları ve kıyı kayalıklarını hatırlayacaktır. Ancak çok az kişi bir ton granitin 25 grama kadar uranyum içerdiğini biliyor. Granitler yerkabuğunun ağırlığının neredeyse %20'sini oluşturur. Yalnızca uranyum-235'i sayarsak, bir ton granit 3,5·10 5 kcal enerji içerir. Çok fazla ama...
Granitin işlenmesi ve ondan uranyumun çıkarılması daha da büyük miktarda enerji harcamayı gerektirir - yaklaşık 10 6 ...10 7 kcal/t. Şimdi enerji kaynağı olarak sadece uranyum-235 değil, uranyum-238'i de kullanmak mümkün olsaydı, granit en azından potansiyel bir enerji hammaddesi olarak değerlendirilebilirdi. O zaman bir ton taştan elde edilen enerji zaten 8·10 7 ile 5·10 8 kcal arasında olacaktır. Bu 16...100 ton kömüre eşdeğerdir. Ve bu durumda granit, insanlara Dünya'daki tüm kimyasal yakıt rezervlerinden neredeyse bir milyon kat daha fazla enerji sağlayabilir.
Ancak uranyum-238 çekirdeği nötronlar tarafından parçalanmaz. Bu izotop nükleer enerji için işe yaramaz. Daha doğrusu plütonyum-239'a dönüştürülemezse faydasız olurdu. Ve özellikle önemli olan şey: Bu nükleer dönüşüm için neredeyse hiç enerji harcanmasına gerek yok - tam tersine bu süreçte enerji üretiliyor!
Bunun nasıl olduğunu anlamaya çalışalım, ancak önce doğal plütonyum hakkında birkaç söz edelim.
Radyumdan 400 bin kat daha az
Gezegenimizin oluşumu sırasında elementlerin sentezinden bu yana plütonyum izotoplarının korunmadığı zaten söylenmişti. Ancak bu, Dünya'da plütonyumun olmadığı anlamına gelmiyor.
Uranyum cevherlerinde her zaman oluşur. Kozmik radyasyondan nötronların ve uranyum-238 çekirdeğinin kendiliğinden bölünmesiyle üretilen nötronların yakalanmasıyla, bu izotopun bazı - çok az - atomları, uranyum-239 atomlarına dönüşür. Bu çekirdekler çok kararsızdır; elektron yayarlar ve dolayısıyla yüklerini arttırırlar. İlk transuranyum elementi olan Neptunyum oluştu. Neptunyum-239 da oldukça kararsızdır ve çekirdeği elektron yayar. Sadece 56 saatte, neptunyum-239'un yarısı, yarı ömrü zaten oldukça uzun olan 24 bin yıl olan plütonyum-239'a dönüşüyor.
Plütonyum neden uranyum cevherlerinden çıkarılmıyor? Düşük, çok düşük konsantrasyon. "Bir gram üretim bir yıllık iştir" - bu radyumla ilgilidir ve cevherler radyumdan 400 bin kat daha az plütonyum içerir. Bu nedenle, yalnızca madencilik yapmak değil, "karasal" plütonyumu tespit etmek bile son derece zordur. Bu ancak nükleer reaktörlerde üretilen plütonyumun fiziksel ve kimyasal özellikleri incelendikten sonra yapıldı.
2,70 >> 2,23 olduğunda
Plütonyum nükleer reaktörlerde birikir. Güçlü nötron akışlarında, uranyum cevherlerinde olduğu gibi aynı reaksiyon meydana gelir, ancak plütonyumun reaktörde oluşma ve birikmesi oranı çok daha yüksektir - bir milyar milyar kat. Balast uranyum-238'in enerji dereceli plütonyum-239'a dönüştürülmesi reaksiyonu için optimal (kabul edilebilir sınırlar dahilinde) koşullar yaratılır.
Reaktör termal nötronlar üzerinde çalışıyorsa (hızlarının saniyede yaklaşık 2000 m olduğunu ve enerjilerinin bir elektron voltun kesri olduğunu hatırlayın), o zaman doğal bir uranyum izotop karışımından biraz daha az miktarda plütonyum elde edilir. “yanmış” uranyum-235 miktarı. Biraz ama daha az artı ışınlanmış uranyumdan kimyasal olarak ayrılması sırasında plütonyumun kaçınılmaz kayıpları. Ek olarak, nükleer zincir reaksiyonu, uranyum izotoplarının doğal karışımında yalnızca küçük bir uranyum-235 fraksiyonu tüketilene kadar sürdürülür. Dolayısıyla mantıksal sonuç: Doğal uranyum kullanan bir “termal” reaktör (şu anda çalışan reaktörlerin ana türü) nükleer yakıtın genişletilmiş şekilde çoğaltılmasını sağlayamaz. Peki o zaman umut verici olan ne? Bu soruyu cevaplamak için uranyum-235 ve plütonyum-239'daki nükleer zincir reaksiyonunun seyrini karşılaştıralım ve tartışmalarımıza başka bir fiziksel kavramı dahil edelim.
Herhangi bir nükleer yakıtın en önemli özelliği, çekirdek bir nötron yakaladıktan sonra yayılan ortalama nötron sayısıdır. Fizikçiler buna eta numarası diyor ve Yunanca η harfiyle gösteriyor. Uranyumdaki "termal" reaktörlerde şu düzen gözlenir: her nötron ortalama 2,08 nötron üretir (η = 2,08). Termal nötronların etkisi altında böyle bir reaktöre yerleştirilen plütonyum η = 2,03'ü verir. Ancak hızlı nötronlarla çalışan reaktörler de var. Böyle bir reaktöre doğal bir uranyum izotop karışımı yüklemek işe yaramaz: zincirleme bir reaksiyon meydana gelmeyecektir. Ancak “hammadde” uranyum-235 ile zenginleştirilirse “hızlı” bir reaktörde geliştirilebilir. Bu durumda η zaten 2,23'e eşit olacaktır. Ve hızlı nötron ateşine maruz kalan plütonyum, η değerini 2,70'e eşit verecektir. Elimizde “fazladan yarım nötron” olacak. Ve bu hiç de az değil.
Ortaya çıkan nötronların neye harcandığını görelim. Herhangi bir reaktörde nükleer zincir reaksiyonunu sürdürmek için bir nötrona ihtiyaç vardır. 0,1 nötron tesisin yapısal malzemeleri tarafından emilir. “Fazlalık” plütonyum-239'u biriktirmek için kullanılıyor. Bir durumda “fazlalık” 1,13, diğer durumda ise 1,60’tır. Bir kilogram plütonyumun "hızlı" bir reaktörde "yakılmasından" sonra muazzam enerji açığa çıkar ve 1,6 kg plütonyum birikir. Ve "hızlı" bir reaktördeki uranyum aynı enerjiyi ve 1,1 kg yeni nükleer yakıtı verecektir. Her iki durumda da genişletilmiş üreme belirgindir. Ancak ekonomiyi de unutmamalıyız.
Bir takım teknik nedenlerden dolayı plütonyumun üreme döngüsü birkaç yıl sürmektedir. Beş yıl diyelim. Bu, yıllık plütonyum miktarının η = 2,23 olması durumunda yalnızca %2, η = 2,7 olması durumunda ise %12 artacağı anlamına gelir! Nükleer yakıt sermayedir ve herhangi bir sermayenin diyelim ki yılda %5 getirisi olmalıdır. İlk durumda büyük kayıplar var, ikincisinde ise büyük karlar var. Bu ilkel örnek, nükleer enerjideki η sayısının her onda birinin “ağırlığını” göstermektedir.
Birçok teknolojinin toplamı
Nükleer reaksiyonların bir sonucu olarak, uranyumda gerekli miktarda plütonyum biriktiğinde, yalnızca uranyumun kendisinden değil, aynı zamanda nükleer zincir reaksiyonunda yanan hem uranyum hem de plütonyum olan fisyon parçalarından da ayrılması gerekir. Ayrıca uranyum-plütonyum kütlesi aynı zamanda belli miktarda neptunyum da içermektedir. Ayırılması en zor şeyler, neptunyumdan plütonyum ve nadir toprak elementleridir (lantanitler). Plütonyum kimyasal bir element olarak bir dereceye kadar şanssızdı. Bir kimyagerin bakış açısından nükleer enerjinin ana unsuru on dört aktinitten yalnızca biridir. Nadir toprak elementleri gibi, aktinyum serisinin tüm elementleri kimyasal özellikler bakımından birbirine çok benzer; aktinyumdan 103'e kadar tüm elementlerin atomlarının dış elektron kabuklarının yapısı aynıdır. Daha da rahatsız edici olanı, aktinitlerin kimyasal özelliklerinin nadir toprak elementlerinin özelliklerine benzer olması ve uranyum ve plütonyumun fisyon parçaları arasında gereğinden fazla lantanit bulunmasıdır. Ancak 94. element beş değerlik durumunda olabilir ve bu "hapı tatlılaştırır" - plütonyumun hem uranyumdan hem de fisyon parçalarından ayrılmasına yardımcı olur.
Plütonyumun değeri üç ila yedi arasında değişmektedir. Kimyasal olarak en kararlı (ve dolayısıyla en yaygın ve en çok incelenen) bileşikler dört değerlikli plütonyumdur.
Benzer kimyasal özelliklere sahip aktinitlerin (uranyum, neptunyum ve plütonyum) ayrılması, tetra ve altı değerlikli bileşiklerinin özelliklerindeki farklılığa dayanabilir.
Plütonyum ve uranyumun kimyasal olarak ayrılmasının tüm aşamalarını ayrıntılı olarak anlatmaya gerek yoktur. Genellikle bunların ayrılması, uranyum çubuklarının nitrik asit içinde çözülmesiyle başlar, ardından çözeltide bulunan uranyum, neptunyum, plütonyum ve parçalanma elementleri bunun için geleneksel radyokimyasal yöntemler kullanılarak - taşıyıcılarla birlikte çökeltme, ekstraksiyon, iyon değişimi kullanılarak "ayrılır". ve diğerleri. Bu çok aşamalı teknolojinin plütonyum içeren son ürünleri, dioksit PuO 2 veya florürler - PuF 3 veya PuF 4'tür. Baryum, kalsiyum veya lityum buharı ile metale indirgenirler. Ancak bu işlemlerde elde edilen plütonyum yapısal malzeme rolüne uygun değildir - nükleer enerji reaktörlerinin yakıt elemanları ondan yapılamaz ve atom bombasının yükü dökülemez. Neden? Plütonyumun erime noktası (sadece 640°C) oldukça ulaşılabilirdir.
Saf plütonyumdan parça dökmek için hangi "ultra yumuşak" koşullar kullanılırsa kullanılsın, katılaşma sırasında dökümlerde her zaman çatlaklar görünecektir. 640°C'de katılaşan plütonyum kübik bir kristal kafes oluşturur. Sıcaklık düştükçe metalin yoğunluğu giderek artar. Ancak daha sonra sıcaklık 480°C'ye ulaştı ve plütonyumun yoğunluğu aniden keskin bir şekilde düştü. Bu anormalliğin nedenleri oldukça hızlı bir şekilde keşfedildi: Bu sıcaklıkta plütonyum atomları kristal kafeste yeniden düzenleniyor. Dörtgen hale gelir ve çok "gevşek" olur. Bu tür plütonyum, su üzerindeki buz gibi kendi eriyiği içinde yüzebilir.
Sıcaklık düşmeye devam ediyor, şimdi 451°C'ye ulaştı ve atomlar yine kübik bir kafes oluşturdular, ancak birbirlerinden ilk duruma göre daha uzak bir mesafede konumlandılar. Daha fazla soğuma ile kafes önce ortorombik, sonra monoklinik hale gelir. Toplamda plütonyum altı farklı kristal form oluşturur! Bunlardan ikisi dikkat çekici bir özellik ile ayırt edilir - negatif bir termal genleşme katsayısı: artan sıcaklıkla metal genleşmez, ancak büzülür.
Sıcaklık 122°C'ye ulaştığında ve plütonyum atomları altıncı kez sıralarını yeniden düzenlediğinde yoğunluk özellikle önemli ölçüde değişir - 17,77'den 19,82 g/cm3'e. 10'dan fazla%! Buna göre külçenin hacmi azalır. Eğer metal diğer geçişlerde ortaya çıkan gerilimlere hala direnebiliyorsa, şu anda yıkım kaçınılmazdır.
O halde bu muhteşem metalden parçalar nasıl yapılır? Metalurjistler plütonyumu alaşım haline getirir (gerekli elementlerden az miktarda ekleyerek) ve tek bir çatlak olmadan dökümler elde ederler. Nükleer bombalar için plütonyum şarjı yapmak için kullanılırlar. Yükün ağırlığı (öncelikle izotopun kritik kütlesi tarafından belirlenir) 5...6 kg'dır. Kenar büyüklüğü 10 cm olan bir küpün içerisine rahatlıkla sığabilmektedir.
Ağır izotoplar
Plütonyum-239 ayrıca küçük miktarlarda bu elementin kütle numaraları 240 ve 241 olan daha yüksek izotoplarını da içerir. 240 Pu izotopu pratikte işe yaramaz - bu plütonyumdaki balasttır. 241'den amerikan elde edilir - element No. 95. Saf hallerinde, diğer izotopların karışımı olmadan, dlütonyum-240 ve plütonyum-241, bir reaktörde biriken plütonyumun elektromanyetik olarak ayrılmasıyla elde edilebilir. Bundan önce plütonyum ayrıca kesin olarak tanımlanmış özelliklere sahip nötron akılarıyla ışınlanır. Elbette tüm bunlar çok karmaşık, özellikle de plütonyum sadece radyoaktif değil aynı zamanda çok zehirli olduğu için. Onunla çalışmak son derece dikkatli olmayı gerektirir.
Plütonyumun en ilginç izotoplarından biri olan 242 Pu, 239 Pu'nun nötron akılarında uzun süre ışınlanmasıyla elde edilebiliyor. 242 Pu çok nadiren nötronları yakalar ve bu nedenle reaktörde diğer izotoplara göre daha yavaş "yanar"; plütonyumun geri kalan izotopları neredeyse tamamen parçalara dönüştükten veya plütonyum-242'ye dönüştükten sonra bile varlığını sürdürüyor.
Plütonyum-242, nükleer reaktörlerde daha yüksek transuranyum elementlerinin nispeten hızlı birikmesi için bir "hammadde" olarak önemlidir. Plütonyum-239 geleneksel bir reaktörde ışınlanırsa, gram plütonyumdan mikrogram miktarlarda, örneğin Kaliforniya-251'in birikmesi yaklaşık 20 yıl alacaktır.
Reaktördeki nötron akışının yoğunluğunu artırarak daha yüksek izotopların birikme süresini azaltmak mümkündür. Yaptıkları budur, ancak o zaman büyük miktarlarda plütonyum-239'u ışınlayamazsınız. Sonuçta bu izotop nötronlar tarafından bölünüyor ve yoğun akışlarda çok fazla enerji açığa çıkıyor. Kabın ve reaktörün soğutulması sırasında ek zorluklar ortaya çıkar. Bu zorluklardan kaçınmak için ışınlanan plütonyum miktarının azaltılması gerekli olacaktır. Sonuç olarak, kaliforniyum verimi yine yetersiz hale gelecektir. Kısır döngü!
Plütonyum-242, termal nötronlar tarafından bölünemez, yoğun nötron akılarında büyük miktarlarda ışınlanabilir... Bu nedenle reaktörlerde kaliforniyumdan aynştaynyum'a kadar tüm elementler bu izotoptan "yapılır" ve ağırlık miktarlarında biriktirilir.
En ağırı değil ama en uzun ömürlüsü
Bilim insanları plütonyumun yeni bir izotopunu elde etmeyi başardıkları her seferde, çekirdeğinin yarı ömrü ölçüldü. Kütle numaraları çift olan ağır radyoaktif çekirdeklerin izotoplarının yarı ömürleri düzenli olarak değişir. (Bu tek izotoplar için söylenemez.)
Pirinç. 8.
Plütonyumun çift izotoplarının yarı ömrünün kütle numarasına bağımlılığını gösteren grafiğe bakın. Kütle arttıkça izotopun “ömrü” de artar. Birkaç yıl önce bu grafiğin en yüksek noktası plütonyum-242'ydi. Peki kütle numarasının daha da artmasıyla bu eğri nasıl ilerleyecek? Kesinlikle 1 30 milyon yıllık bir ömre karşılık gelen, yani 2 300 milyon yıldır cevap veren hangisi? Bu sorunun cevabı yer bilimleri açısından çok önemliydi. İlk durumda, eğer Dünya 5 milyar yıl önce tamamen 244 Pu'dan oluşsaydı, şimdi Dünya'nın tüm kütlesinde yalnızca bir plütonyum-244 atomu kalacaktı. İkinci varsayım doğruysa, o zaman plütonyum-244, halihazırda tespit edilebilecek konsantrasyonlarda Dünya'da olabilir. Eğer Dünya'da bu izotopu bulabilecek kadar şanslı olsaydık bilim, gezegenimizin oluşumu sırasında meydana gelen süreçler hakkında en değerli bilgilere sahip olacaktı.
Birkaç yıl önce bilim adamları şu soruyla karşı karşıya kaldılar: Dünya'da ağır plütonyum bulmaya değer mi? Buna cevap verebilmek için öncelikle plütonyum-244'ün yarı ömrünü belirlemek gerekiyordu. Teorisyenler bu değeri gerekli doğrulukta hesaplayamadılar. Tüm umutlar yalnızca deney amaçlıydı.
Plütonyum-244 bir nükleer reaktörde birikti. 95 numaralı element, amerikyum (izotop 243 Am), ışınlandı. Bir nötron yakalayan bu izotop, amerikyum-244'e dönüştü; 10 bin vakadan birinde amerikyum-244, plütonyum-244'e dönüştü.
Plütonyum-244'ün hazırlanması, bir amerikan ve küryum karışımından izole edildi. Numunenin ağırlığı gramın yalnızca birkaç milyonda biri kadardı. Ancak bu ilginç izotopun yarı ömrünü belirlemek için bunlar yeterliydi. 75 milyon yıla eşit olduğu ortaya çıktı. Daha sonra diğer araştırmacılar plütonyum-244'ün yarı ömrünü açıklığa kavuşturdu, ancak bu çok fazla değil - 82,8 milyon yıl. 1971'de nadir toprak minerali bastnäsite'de bu izotopun izleri bulundu.
Bilim insanları tarafından uranyum ötesi elementin 244 Pu'dan daha uzun ömürlü bir izotopunu bulmak için birçok girişimde bulunuldu. Ancak tüm girişimler boşuna kaldı. Bir zamanlar küryum-247'ye umut bağlanmıştı ancak bu izotopun reaktörde birikmesinden sonra yarı ömrünün sadece 14 milyon yıl olduğu ortaya çıktı. Plütonyum-244'ün rekorunu kırmak mümkün olmadı - bu, uranyum ötesi elementlerin tüm izotopları arasında en uzun ömürlü olanıdır.
Plütonyumun daha ağır izotopları bile beta bozunmasına uğrar ve ömürleri birkaç günden saniyenin onda birine kadar değişir. Plütonyumun tüm izotoplarının 257 Pu'ya kadar termonükleer patlamalarda oluştuğunu kesin olarak biliyoruz. Ancak ömürleri saniyenin onda biri kadardır ve plütonyumun birçok kısa ömürlü izotopu henüz incelenmemiştir.
İlk izotopun olasılıkları
Ve son olarak - plütonyum-238 hakkında - ilk başta ümit vaat etmeyen bir izotop olan plütonyumun "insan yapımı" izotoplarının ilki. Aslında çok ilginç bir izotoptur. Alfa bozunmasına tabidir, yani. çekirdekleri kendiliğinden alfa parçacıkları - helyum çekirdekleri yayar. Plütonyum-238 çekirdeklerinin ürettiği alfa parçacıkları yüksek enerji taşır; madde içinde dağılan bu enerji ısıya dönüşür. Bu enerji ne kadar büyük? Plütonyum-238'in bir atom çekirdeğinin bozunmasından altı milyon elektron volt açığa çıkar. Bir kimyasal reaksiyonda birkaç milyon atom oksitlendiğinde aynı enerji açığa çıkar. Bir kilogram plütonyum-238 içeren bir elektrik kaynağı, 560 watt'lık bir termal güç üretir. Aynı kütledeki bir kimyasal akım kaynağının maksimum gücü 5 watt'tır.
Benzer enerji özelliklerine sahip birçok yayıcı vardır ancak plütonyum-238'in bir özelliği bu izotopu vazgeçilmez kılmaktadır. Alfa bozunmasına genellikle maddenin büyük katmanlarından nüfuz eden güçlü gama radyasyonu eşlik eder. 238 Pu bir istisnadır. Çekirdeklerinin bozunmasına eşlik eden gama ışınlarının enerjisi düşüktür ve buna karşı korunmak zor değildir: radyasyon ince duvarlı bir kap tarafından emilir. Bu izotopun çekirdeklerinin kendiliğinden fisyon olasılığı da düşüktür. Bu nedenle sadece güncel kaynaklarda değil tıpta da uygulama alanı bulmuştur. Plütonyum-238 içeren piller, özel kalp stimülatörlerinde enerji kaynağı olarak görev yapar.
Ancak 238 Pu, 94 numaralı elementin bilinen en hafif izotopu değildir, kütle numaraları 232'den 237'ye kadar olan plütonyum izotopları elde edilmiştir. En hafif izotopun yarı ömrü 36 dakikadır.
Plütonyum büyük bir konudur. En önemli şeyler burada anlatılıyor. Sonuçta, plütonyum kimyasının demir gibi "eski" elementlerin kimyasından çok daha iyi incelendiği standart bir ifade haline geldi. Plütonyumun nükleer özellikleri hakkında kitaplar yazıldı. Plütonyumun metalurjisi, insan bilgisinin bir başka şaşırtıcı bölümüdür... Bu nedenle, bu hikayeyi okuduktan sonra, 20. yüzyılın en önemli metali olan plütonyumu gerçekten öğrendiğinizi düşünmemelisiniz.
